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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37100| Título: | Modelagem matemática da cinética do processo de biodigestão anaeróbia: implementação, investigação e análise em Python |
| Título(s) alternativo(s): | Mathematical modeling of the kinetics of the anaerobic biodigestion process: implementation, investigation and analysis in Python |
| Autor(es): | Ramires, Matheus Belchior Carvalho, Yuri Claro Costa |
| Orientador(es): | Schmitz, Jones Erni |
| Palavras-chave: | Digestão anaeróbia Modelos matemáticos Otimização matemática Simulação (Computadores) Anaerobic digestion Mathematical models Mathematical optimization Computer simulation |
| Data do documento: | 8-Dez-2023 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Toledo |
| Citação: | RAMIRES, Matheus Belchior; CARVALHO, Yuri Claro Costa. Modelagem matemática da cinética do processo de biodigestão anaeróbia: implementação, investigação e análise em Python. 2023. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2023. |
| Resumo: | Devido à crise climática iminente, a produção de novas fontes de energia sustentáveis é um dos principais desafios da contemporaneidade. Dentro desse âmbito, a digestão anaeróbia (DA) é uma tecnologia extensamente estudada pelo seu duplo viés mitigador, por um lado servindo como um método de tratamento de efluentes e por outro, como forma de obtenção de biogás, ou seja, bioenergia. Nesse contexto, considerando que a DA é um bioprocesso complexo e sensível às condições operacionais, a modelagem matemática se apresenta como uma ferramenta útil para auxiliar tanto na análise e descrição do processo, quanto na estimação e monitoramento de parâmetros cinéticos. Dessa forma, no presente trabalho se propôs desenvolver a modelagem de cinco modelos aplicados à digestão anaeróbia, utilizando a implementação em linguagem Python. Para isso, um modelo de duas e três fases com cinética de 1a ordem descrito na literatura foi implementado e estruturado em três diferentes formas a fim de se validar a implementação computacional na linguagem escolhida e investigar a influência da estruturação matemática e dos métodos computacionais de integração e otimização no ajuste do modelo. Também foram propostos dois modelos de uma única fase com base em cinética de Monod de forma a verificar a resposta e o ajuste desses modelos simplificados aos dados experimentais, especialmente com relação ao crescimento de biomassa. De acordo com os resultados obtidos, foi possível demonstrar a eficácia da aplicação da linguagem Python como ferramenta para os processos de modelagem propostos, sendo que a resposta do modelo de duas e três fases com cinética de 1a ordem foi condizente com o reportado na literatura, obtendo-se coeficientes de determinação superiores a 0,9. Para o modelo de uma única fase, observou-se a capacidade de descrever adequadamente o comportamento global do sistema, com coeficientes de determinação variando entre 0,96 e 0,99. Além disso, a interpretação da calibração dos modelos implementados permitiu a inferência a respeito da etapa limitante do processo, funcionando apropriadamente como um modelo empírico simplificado. Por fim, a avaliação dos modelos com base nos valores dos coeficientes de determinação e Critérios de Informação de Akaike calculados permitiu identificar a Estrutura 2 como o modelo mais adequado estatisticamente. |
| Abstract: | Due to the imminent climate crisis, the production of new sustainable energy sources is one of the main challenges of our time. Within this scope, anaerobic digestion (AD) is a technology extensively studied for its dual mitigating bias, on one hand serving as a method of effluent treatment and on the other, as a way of obtaining biogas, that is, bioenergy. In this context, considering that AD is a complex bioprocess sensitive to operational conditions, mathematical modeling presents itself as a useful tool to assist both in the analysis and description of the process, as well as in the estimation and monitoring of kinetic parameters. Thus, in the present work, it was proposed to develop the modeling of five models applied to anaerobic digestion, using the implementation in Python language. For this, a two and three-phase model with 1st order kinetics described in the literature was implemented and structured in three different ways in order to validate the computational implementation in the chosen language and investigate the influence of mathematical structuring and computational methods of integration and optimization in the model fit. Two single-phase models based on Monod kinetics were also proposed in order to verify the response and fit of these simplified models to experimental data, especially with regard to biomass growth. According to the results obtained, it was possible to demonstrate the effectiveness of the application of the Python language as a tool for the proposed modeling processes, and the response of the two and three-phase model with 1st order kinetics was consistent with what was reported in the literature, obtaining determination coefficients higher than 0.9. For the single-phase model, the ability to adequately describe the overall behavior of the system was observed, with determination coefficients ranging between 0.96 and 0.99. In addition, the interpretation of the calibration of the implemented models allowed inference about the limiting step of the process, functioning appropriately as a simplified empirical model. Finally, the evaluation of the models based on the values of the determination coefficients and Akaike Information Criteria calculated allowed to identify Structure 2 as the most statistically adequate model. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37100 |
| Aparece nas coleções: | TD - Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia |
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