Resolvendo problemas de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia com Python

Abstract

Os softwares computacionais tornaram muito mais simples e direta a complexa resolução de problemas de modelagem que exigem conhecimento em métodos numéricos e cálculo diferencial e integral aplicado à engenharia de bioprocessos e biotecnologia. Porém, o custo destas ferramentas limitou o seu acesso, o que motivou a criação de iniciativas de software livre. Tais iniciativas permitiram a popularização do acesso ao conhecimento e a facilitação de resolução de problemas variados. A linguagem de programação Python é uma iniciativa de software livre e possui várias bibliotecas voltadas para a resolução numérica de problemas de cálculo. Ainda, é uma linguagem de fácil uso, o que permite que estudantes e profissionais que precisem de códigos para a resolução de problemas de cálculo possam elaborá-los, sem precisar pagar por um programa. Foram elaborados e publicados programas para a resolução de vários problemas comuns na vida acadêmica e profissional de engenheiros de bioprocessos e biotecnologia. Sistemas de equações lineares, aplicados em balanços de massa em destiladores e em um ar condicionado, foram resolvidos empregando funções da biblioteca NumPy. Sistemas de equações não lineares, no contexto de uma operação com gás a altas pressões e no crescimento celular de bactérias, foram solucionados pelo emprego das bibliotecas NumPy, SciPy e Matplotlib. As mesmas bibliotecas foram utilizadas na solução de sistemas de equações diferenciais, no caso de modelagem de um processo fermentativo. Após a publicação dos problemas e suas soluções, eles se tornaram disponíveis para consulta online por qualquer estudante ou profissional da área da engenharia.

Computational softwares have made it much simpler and more direct the resolution of complex modeling problems that require knowledge in numerical methods and differential and integral calculus applied to bioprocess and biotechnology engineering. However, the cost of these tools limited their access, which motivated the creation of free software initiatives. Such initiatives allowed the popularization of access to knowledge and facilitated the resolution of various problems. The Python programming language is a free software initiative and has several libraries aimed at numerically solving calculus problems. Furthermore, it is an easy-to-use language, which allows students and professionals who need codes to solve calculus problems to create them, without having to pay for a software. Programs have been developed and published to solve several common problems in the academic and professional lives of bioprocess and biotechnology engineers. Systems of linear equations, applied to mass balances in distillers and in an air conditioner, were solved using functions from the NumPy library. Systems of non-linear equations, in the context of gas operation at high pressures and bacterial cell growth, were solved using the NumPy, SciPy and Matplotlib libraries. The same libraries were used to solve systems of differential equations, in the case of modeling a fermentation process. After the problems and their solutions were published, they became available for online consultation by any student or engineering professional.