SIMULAÇÃO E MODELAGEM DE PROCESSOS FERMENTATIVOS MICROBIANOS

Material guia suporte para correto e total consumo das interfaces (softwares) projetadas
Ambas as interfaces gráficas de usuário aqui demonstradas foram executadas em máquina operada pelo sistema Windows 10. Todavia, a fim de avaliar sua eficiência em aparelhos que possuem configurações distintas, as mesmas foram testadas em computadores que contam com versões anteriores a esta (Windows 7 e 8). Diante dessa situação, foram observadas pequenas alterações visuais nos layouts dos programas desenvolvidos em relação aos sistemas mais antigos, as quais não foram, porém, suficientes em afetar, de modo algum, a perfomance dos softwares criados. O seu comportamento frente aos sistemas operacionais Ubuntu, Linux e macOS não foram avaliados.

Calibrapy

Funcionalidade: Construção de curvas de calibração que correlacionam linearmente valores de concentração celular (Cx) e de Densidade Óptica (D.O.), garantindo a quantificação de biomassa envolvida em bioprocessos.

Link para download do programa na extensão executável (.exe) e de documentos para sua alimentação:
https://drive.google.com/drive/folders/1wNo_5EqgwegAS-gMlpide8uArfKBc-U1

Informações técnicas: O software foi desenvolvido integral e unicamente em linguagem Python, seguindo o modelo GUI (Graphical User Interface), projetado através de ferramentas de Front End disponibilizadas pela biblioteca Tkinter. Implementando o módulo de regressão linear polyfit, o qual aplica o método dos mínimos quadrados, o programa permite que o usuário obtenha, de maneira totalmente automatizada e dinâmica, a dispersão gráfica, bem como a equação de primeira ordem correspondente (em termos de coeficientes angular e linear), adequadas à descrição matemática e estatística (esta útlima mensurada pelo coeficiente de determinação R²) dos dados de Cx e D.O. empregados para alimentação do código-fonte. Ainda, é possível calcular, com base em uma regressão previamente conhecida, os valores de concentração de biomassa que obedecem a lei estabelecida, qual relaciona os mesmos com os dados de D.O. em análise correspondentes. Casos de análises de dados oriundos de leituras do tipo dulicata, triplicata ou ainda em número acima destas, envolvem o cálculo de valores médios e seus respectivos desvios padrão associados, já embutidos no código-fonte do Calibrapy. Para seu perfeito funcionamento, a interface conta com o emprego de bibliotecas específicas: gráfica de alto padrão (Matplotlib), numérica e com funções estatísticas (Numpy), de otimização (Scipy - função odeint), tratamento de dados (Pandas), induzindo o seu consumo de maneira altamente intuitiva. As figuras geradas contam com opções que permitem salvá-las no formato e path de preferência (através do filedialog), assim como alterar as cores padrão programas pelo programa, além de descartar (destroy) aquelas que não serão utilizadas pelo usuário. As planilhas formato Microsoft Excel são importadas para a interface por meio de um explorador de arquivos (lançado pelo subpacote askopenfilename).

Sistema de alimentação: O correto e pleno funcionamento do Calibrapy requer o fornecimento rigorosamente acertivo dos dados de alimentação para o sistema de otimização por dispersão linear, uma vez que a coleta e subsequente tratamento dos dados inicial é feito de maneira conjunta entre os pacotes Pandas e Numpy de modo que caso a captura dos valores de entrada ocorra de forma errônea, todo o processamento característico do software será seriamente comprometido. Por esta razão, é fornecido um template pela própria através da própria interface a fim de faciilitar o acesso, o qual deverá ser seguido à risca como modelo para o acomodamento dos dados referentes a Cx e D.O. de entrada, de acordo com o número de leituras a ser analisada pelo programa, em formato de planilha Excel, salva no formato .xlsx . O programa é dividido em duas seções selecionáveis, definidas por "Construir curva de calibração" (Calibrar) e "Utilizar curva pré-existente" (Quantificar biomassa), independentes porém relacionadas.

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Modelo de alimentação para o sistema de leitura implementado pelo Calibrapy fornecido pelo template por ele próprio disponibilizado. Para fins de construção da curva de calibração, os dados devem ser dispostos de maneira idêntica ao observado na tabela superior esquerda, resultando na configuração apresentada pela tabela inferior esquerda, aplicada para a entrada de uma triplicata genenérica. Todavia, caso o desejo seja calcular os valores de Cx a partir de uma curva já existente e de um conjunto de entrada para D.O., o modelo adequado é representado pela tabela superior direita, de modo que o mesmo será lido, na forma de uma coluna única (tabela inferior direita). IMPORTANTE! Não é exigida nenhuma formatação de tabela para a correta leitura pelo algoritmo, podendo, portanto, estar presente ou ausente. O programa dá suporte ao tratamento de n valores coletados por n leituras, desde que os dados estejam dispostos da maneira exibida, bem como a planilha que os esteja armazenado seja nomeada por "Dados_brutos", exatamente como disposto no modelo.

Saídas retornadas: São retornados pelo software e acessados através da própria interface, à semelhança do que foi demonstrado pelo vídeo tutorial anterior:

1) Gráfico de dispersão (com adição do desvio padrão quando em situação conveniente - leituras múltiplas);

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2) Valores para os coeficientes angular e linear (equação da reta lançada na interface), bem como o R² calculado pelo polyfit);

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3) Arquivo eletrônico (Excel "Media_desvio_leituras"), contendo os valores médios e de desvio padrão para Cx e D.O. (quando da alimentação do sistema por leituras igual ou superior à duplicata). As saídas são retornadas em uma planilha automaticamente nomeada como media_desvio e podem ser salvas no dispositivo no formato e path que melhor atendam às necessidades do usuário/operador/desenvolvedor.

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4) Arquivo eletrônico (Excel "Concentracao_celular") e figura gráfica contendo os valores retornados para Cx e os de D.O. relacionados (alimentação do algoritmo através da seção "Quantificar biomassa"), através da planilha D.O._Cx_exp, passíveis das mesmas funcionalidades dispostas no item anterior.

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FIQUE ATENTA(O)! As entradas numéricas que devem ser fornecidas manualmente através da interface de usuário, caso sejam do tipo ponto flutuante (números decimais), devem ser representados por pontos (.), ao invés de vírgulas (,). Ainda, caso se depare com uma situação na qual os botões não se apresentem na cor verde em qualquer uma das seções, por favor, confira se a entrada de dados está adequada e condiz com o número de leituras que deseja submeter à análise pelo Calibrapy. A grandezas dimensional segundo as quais a concentração de biomassa será tratada pelo programa (massa.volume-¹), irá depender exclusivamente daquela reresentada pelos valores importados ao software. O guia aqui ilustrado faz alusão a dados que obedecem a relação g.L-¹.

Fermenpy

Funcionalidade: Simulação automatizada de processos fermentativos microbianos conduzidos em modo de operação batelada descritos por diferentes modelos cinéticos não estruturados e modelagem dos parâmetros cinéticos a eles envolvidos.
Informações técnicas: O software foi desenvolvido integral e unicamente em linguagem Python, seguindo o modelo GUI (Graphical User Interface), projetado através de ferramentas de Front End disponibilizadas pela biblioteca Tkinter e conta com uma divisão em três seções distintas para melhor permitir a sua exploração. Implementa as bibliotecas gráfica, numérica, de tratamento de dados e de exploração de arquivos adotadas na construção algoritmica do software Calibrapy.
Seção 1) Simulação:
Algoritmo: Aplica a função odeint (pacote científico Scipy) responsável pela implementação do método de Runge-Kutta com o intuito de integrar numérica e computacionalmente o sistema de equações ordinárias não linear preditivo da dinâmica cinética atrelada aos bioprocessos passíveis de análise pelo programa, tendo variadas opções para a descrição matemática- temporal da taxa específica de crescimento que contemplam os modelos não estruturados de Monod, Contois, Moser, μ constante (empregados na caracterização de cultivos não afetados por nenhum tipo de efeito inibitório), Aiba et al., Hoppe & Hansford, Levenspiel (os quais prevêem o potencial de inibição apresentando em decorrência do acúmulo de metabólitos extracelulares no meio reacional), Andrews, Wu et al. (predição do efeito tóxico exercido pelo substrato ao crescimento celular) e Lee et al. (proposto na tentativa de se avaliar a influência do acúmulo de biomassa no interior do fermentador no que tange à velocidade de crescimento celular).

Sistema de alimentação: Os valores numéricos a serem atribuídos a cada constante cinética componente do modelo cinético não estruturado selecionado, assim como às variáveis operacionais (condições iniciais requeridas na etapa de integração numérica) são fornecidos ao software por inserção manual nos campos apropriados para tanto, devendo as casas decimais serem indicadas por ponto (.) e nunca vírgula (,).

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Saídas retornadas: A dinâmica de variação temporal de toda a matéria envolvida no bioprocesso simulado, referentes às concentrações celular, de substrato e de produto, de maneira análoga ao observado para as produtividas (de biomassa, do produto e específica-esta uma relação entre ambas as variáveis anteriores) e a taxa de crescimento μ é graficamente retornada ao usuário diretamente através da interface projetada (com figuras que podem ser personalizadas quanto às cores por elas carregas ou ainda baixadas na máquina de operação do programa) estando também disponível para download segundo a forma de planilhas eletrônicas em extensão .xlsx.

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Seção 2) Modelagem
Algoritmos: O ajuste matemático aplicado aos dados experimentais, ou simulados, frente a um modelo cinético preditivo selecionado é feito por implementação de algoritmo híbrido o qual acopla mecanismos de convergência global (por meio do emprego do Algoritmo Genético, construído através do módulo differential evolution) e local (garantido pelo Algoritmo de Levenberg-Marquardt, implementado pela função Python leastsq), provendo uma ferramenta potente de modelagem computacional aos usuários.

Sistema de alimentação: À semelhança do adotado na construção da interface Calibrapy, o conjunto de dados a ser submetido à modelagem computacional pelo programa Fermenpy deve atender à disposição requerida por um template disponível para acesso na seção "Modelagem". O arquivo formato .xlsx assim construído pode ser importado para a interface de qualquer path de escolha do utilizador, sem restrição alguma.

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Template fornecido para a correta entrada de dados ao sistema é demostrado à esquerda, com exemplo de preenchimento correspondente à direita. As planilhas que acomodam os dados numéricos devem estritamente estar nomeadas por "C_t_exp". IMPORTANTE frisar que a cada importação de arquivo feita, é necessário pressionar o botão "PRONTO", a fim de que os novos dados inseridos sejam vetorizados para tratamento pelo algoritmo, mesmo que a modelagem seja feita seguindo o mesmo modelo cinético anteriormente selecionado.


Saídas retornadas: O mesmo perfil de saída traçado na etapa de simulação é aqui disponibilizado, com a única diferença de que os resultados calculados pelo algoritmo de convergência global-local indicarão a aproximação obtida entre os dados modelados e àqueles empregados de entrada do sistema. Os parâmetros cinéticos estimados computacionalmente ficam disponíveis para consulta por sua impressão direta na interface, bem como para download em arquivos .xlsx, da mesma forma que o observado para os valores de retorno relacionados ao coeficiente estatístico R², intervalos de confiança (de 95%) associados às constantes otimizadas (estes últimos passíveis de acesso em janelas internas à principal componente do programa) e o tempo de trabalho computacional exigido para a realização do processo de convergência. O software emite ainda um aviso sonoro (apenas quando executado com base no sistema operacional Windows) quando os parâmetro estimados apresentam valores não adequados à faixa predita pela literatura, os quais podem ser destacados na interface caso o usuário opte por usufruir desse recurso adicional.

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Saídas gráficas retornadas pelo algoritmo de otimização híbrido AG-ALM, acompanhada pelas planilhas que armazenam todos os dados por elas plotados, bem como os valores calculados para o coeficiente R² e o tempo de trabalho algorítmo requerido (imagem superior direita), além dos parâmetros cinéticos estimados e seus respectivos intervalos de confiança associados (imagem inferior direita).


Fique atenta(o)! Erros de execução do Fermenpy estão relacionados à entrada incorreta dos dados de alimentação. Caso ocorram, a alimentação do software deve ser revisada e corrigida e tudo voltará ao normal.

Seção 3) Documentação: Esta área foi reservada à disposição de informações técnicas e teóricas sucintas, porém suficientes, para a localização do usuário leitor frente aos conceitos implemetados na construção da interface. Cada uma das subseções aqui dispostas direcionam automaticamente às correspondentes deste site site, desde que o computador tenha possibilidade de acesso à rede de internet.

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Fermenpy BA-I

Funcionalidade: Simulação e modelagem de bioprocessos fermentativos microbianos operando em batelada alimentada, frente a diferentes perfis de alimentação, em função do tempo de cultivo, de substrato ao sistema.
ATENÇÃO!! As especificações são as mesmas que aquelas descritas para a aplicação Fermenpy, porém agora aplicadas a processos fermentativos microbianos com culturas em batelada alimentada (bioprocessos compostos pelas etapas de batelada e alimentação).

OBS: É necessário alimentar o sistema com as variáveis cinéticas e operacionais associadas a cada um dos perfis temporais de alimentação selecionados, tanto para a etapa de simulação quanto a de modelagem.

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Script Modo Contínuo

Funcionalidade: Simulação bioprocessos fermentativos microbianos operando com culturas contínuas em fermentadores do tipo Quimiostato considerando entrada apenas de substrato e saída de caldo fermentado à taxa constante.
ATENÇÃO!! SEÇÃO AINDA EM ELABORAÇÃO, CONTENDO UMA PRÉVIA DO QUE VEM POR AÍ