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Type: Dissertação
Title: Análise da produção de biogás considerando um modelo computacional adaptado: um estudo para diferentes composições de substrato
Author: Oliveira, Gustavo dos Santos
First Advisor: Quintela, Bárbara de Melo
Co-Advisor: Otênio, Marcelo Henrique
Co-Advisor: Goliatt, Priscila Vanessa Zabala Capriles
Referee Member: Silva, Guilherme Henrique da
Referee Member: Freire, Wilhelm Passarella
Resumo: A crescente demanda por fontes renováveis de energia e a necessidade de mitigar as emissões de gases de efeito estufa têm intensificado as pesquisas sobre a digestão anaeróbia como tecnologia sustentável para o tratamento de resíduos e geração de energia. Nesse contexto, este trabalho propõe uma adaptação de um modelo matemático que representa a dinâmica de um biodigestor, baseado no modelo apresentado por Oro et al. (2017), por meio da inclusão de uma equação diferencial simplificada e de uma variável de estado que representa o volume de substrato. O modelo modificado foi desenvolvido para simular condições de operação em batelada, descrevendo diretamente as curvas de produção de biogás ao longo do tempo. A validação foi realizada com dados de dois experimentos laboratoriais. O primeiro tratando da co-digestão envolvendo águas residuárias bovinas leiteiras (ARBL) e Arundo donax L., já o segundo tratando da co-digestão entre ARBL e caldo de capim-elefante (CCe). Ambos os experimentos foram feitos sob diferentes composições de substrato e condições de temperatura. A calibração dos parâmetros foi conduzida por meio do algoritmo de otimização por Evolução Diferencial, visando minimizar o erro na norma L 2 entre os dados simulados e experimentais. Além disso, foram realizadas análises de estabilidade e sensibilidade para avaliar a influência dos parâmetros no comportamento do sistema. Os resultados demonstraram que o modelo proposto reproduz adequadamente os perfis de produção acumulada de biogás observados experimentalmente, apresentando baixos valores de erro L 2 , variando entre 0.0006-0.0013 e erro máximo 0.0015-0.0025 no experimento com Arundo donax L., variando no intervalo 0.0067-0.0359 para o erro L 2 e 0.0020- 0.0710 para erro máximo. A análise também indicou que a composição do substrato influencia significativamente o desempenho do sistema, evidenciando possíveis efeitos inibitórios dependendo das proporções adotadas. De modo geral, o modelo adaptado mostrou-se uma ferramenta computacional consistente e confiável para descrever a dinâmica da digestão anaeróbia em biodigestores operando em batelada, contribuindo para estudos de otimização de processo e para o suporte à tomada de decisão em sistemas de produção de biogás.
Abstract: The growing demand for renewable energy sources and the need to mitigate intensified greenhouse gas emissions have led to research on anaerobic digestion as a sustainable technology for waste treatment and energy generation. In this context, this work proposes an adaptation of a mathematical model representing the dynamics of a biodigester, based on the model presented by Oro et al. (2017), through the inclusion of a simplified differential innovation and a state variable representing the substrate volume. The modified model was developed to simulate batch operating conditions, directly describing biogas production curves over time. Validation was performed using data from two laboratory experiments. The first, dealing with co-digestion, involved dairy bovine wastewater (DBW) and Arundo donax L., while the second dealt with co-digestion between DBW and elephant grass broth (ECB). Both experiments were conducted under different substrate compositions and temperature conditions. The interruption of interruptions was avoided through the Differential Evolution optimization algorithm, minimizing the error in the L 2 norm between simulated and experimental data. Furthermore, stability and sensitivity analyses were performed to evaluate the influence of the parameters on the system’s behavior. The results presented show that the proposed model reflects the cumulative biogas production profiles observed experimentally, exhibiting low L 2 error values, ranging from 0.0006-0.0013 and a maximum error of 0.0015-0.0025 in the experiment with Arundo donax L., varying in the range of 0.0067-0.0359 for the L 2 error and 0.0020-0.0710 for the maximum error. The analysis also indicated that the substrate composition significantly influences the system’s performance, highlighting possible inhibitory effects and variations in the imposed proportions. Overall, the presented model proved to be a consistent and reliable computational tool for describing the dynamics of anaerobic digestion in batch-operated biodigesters, contributing to process optimization studies and supporting decision-making in biogas production systems.
Keywords: Biogás
Digestão anaeróbia
Equações diferenciais
Evolução diferencial
Modelagem matemática
Anaerobic digestion
Biogas; differential equations
Differential evolution
Mathematical modeling
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20743
Issue Date: 24-Mar-2026
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