Ferramenta de IA acelera o desenvolvimento de biorreatores: as simulações são até 10 000 vezes mais rápidas
Esta ferramenta de código aberto pode ser utilizada em aplicações que vão desde a fermentação e a produção de polímeros até ao sequestro de CO₂, passando pela fabricação de células de bateria e pelos gémeos digitais
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O controlo de biorreatores industriais de grande escala é uma das tarefas mais complexas na indústria de processos. Nas instalações, muitas vezes de grandes dimensões, as mais pequenas diferenças de temperatura, valor de pH ou teor de oxigénio determinam o sucesso ou o fracasso de um processo. Uma equipa de investigação interdisciplinar da Universidade Técnica de Graz (TU Graz), liderada por Stefan Radl, do Instituto de Tecnologia de Processos e Partículas, apresentou agora a caixa de ferramentas de software CLARA, que pode ser utilizada para simular os processos nos biorreatores 10 000 vezes mais rapidamente, na publicação «Chemical Engineering Science». Ao mesmo tempo, os cálculos são tão precisos que os resultados da simulação podem ser utilizados na prática para controlar instalações de grande escala, por exemplo, na fermentação, na utilização energética da biomassa ou na produção de polímeros. A solução foi desenvolvida e financiada no âmbito do projeto DigiBioTech, liderado pela TU Graz.
O CLARA (CLustering AlgoRithm Austria) automatiza a criação de modelos de ordem reduzida (ROMs) utilizando métodos de aprendizagem automática não supervisionada. Isto permite calcular de forma mais eficiente reações detalhadas e processos de transporte de massa em fluxos complexos. «Até agora, as simulações baseadas na dinâmica de fluidos computacional (CFD) têm sido utilizadas principalmente para os cálculos», afirma Stefan Radl, «são também muito precisas e detalhadas, mas também exigem um grande esforço computacional. Simulações que representam processos reais ao longo de dias ou semanas podem demorar meses a calcular.»
Agrupamento de dados
O cerne do CLARA é um processo de agrupamento apoiado por IA. Milhões de pontos de dados provenientes de simulações CFD mais curtas são automaticamente agrupados num número gerível, entre cinco e 50, de zonas interligadas, conhecidas como compartimentos. O que antes tinha de ser feito manualmente e com um elevado grau de especialização está agora automatizado e é matematicamente preciso. Mesmo no caso de fluxos multifásicos complexos, em que fluxos de materiais sólidos, líquidos e gasosos se misturam no biorreator, a precisão é mantida.
A vantagem desta abordagem reside na redução drástica da complexidade dos modelos a calcular, ao mesmo tempo que os dados resultantes continuam a ser altamente informativos. Isto significa que efeitos físicos importantes são preservados, apesar do aumento significativo da velocidade de cálculo. Por exemplo, as zonas mortas no biorreator com mistura insuficiente ou áreas com elevadas forças de cisalhamento podem continuar a ser tidas em conta de forma fiável. A troca de espécies entre as fases gasosa e líquida é também modelada de forma realista, o que constitui um fator decisivo para os processos biotecnológicos.
A precisão é mantida
Foi dada especial atenção à garantia da consistência física. Os modelos simplificados sofrem frequentemente de imprecisões no balanço de massa. Por exemplo, quando um organismo cresce num biorreator, a certa altura necessita de mais gases e outros nutrientes. Os modelos simplificados não são muito conclusivos neste aspeto, especialmente em grandes escalas. Por esta razão, os investigadores da TU Graz desenvolveram algoritmos para otimizar os ROMs que garantem a conservação constante da massa. As validações iniciais, utilizando referências analíticas e dados CFD detalhados, confirmam a sua elevada precisão.
«As potenciais aplicações do CLARA são diversas e vão desde reatores para captura de CO₂ até processos na produção de células de baterias», afirma Stefan Radl. «A tecnologia oferece um potencial particularmente grande para o desenvolvimento de gémeos digitais capazes de mapear e otimizar processos em tempo real. Estamos agora a disponibilizar o CLARA como uma ferramenta de código aberto num repositório público. Todas as funcionalidades testadas estão incluídas e estamos a introduzir gradualmente novos desenvolvimentos.» O CLARA já está a ser utilizado no âmbito de uma tese de doutoramento no centro COMET BEST e na spin-off da TU Graz, a SimVantage.
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