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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38249| Título: | Desenvolvimento de um modelo computacional para a simulação da produção de biogás a partir de resíduos orgânicos |
| Título(s) alternativo(s): | Development of a computational model for simulating biogas production from organic waste |
| Autor(es): | Loução, Victor Hugo Correia |
| Orientador(es): | Sordi, Alexandre |
| Palavras-chave: | Modelos matemáticos Digestão anaeróbia Simulação (Computadores) Matadouros Águas residuais Mathematical models Anaerobic digestion Computer simulation Slaughtering Sewage |
| Data do documento: | 25-Jun-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Londrina |
| Citação: | LOUÇÃO, Victor Hugo Correia. Desenvolvimento de um modelo computacional para a simulação da produção de biogás a partir de resíduos orgânicos. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2025. |
| Resumo: | A biodigestão anaeróbia destaca-se como uma tecnologia sustentável para o tratamento de resíduos orgânicos e produção de bioenergia, tornando a modelagem matemática uma ferramenta essencial para a otimização e compreensão do processo. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um programa computacional em Python para simular a biodigestão anaeróbia em reatores UASB, focando na validação de sua flexibilidade através de um processo de calibração multi-ponto frente a dados experimentais da literatura. O simulador implementa o modelo de Federovich et al. (2003), resolvendo as equações diferenciais pelo método de Rosenbrock e apresentando uma interface gráfica interativa. A metodologia de calibração foi aplicada a dois cenários operacionais distintos do estudo de Musa et al. (2020) com efluente de matadouro bovino: um de baixa carga orgânica (Run I, DQO 3,5 g/L) e outro de alta carga (Run II, DQO 6.0 g/L). Para cada cenário, foi realizado um ajuste iterativo de parâmetros chave, incluindo as taxas cinéticas metanogênicas (um4, um6) e a alcalinidade efetiva do afluente, necessária para garantir a estabilidade do pH simulado em concordância com a realidade experimental. Os resultados demonstraram que, com conjuntos de parâmetros específicos para cada condição, o modelo alcançou excelente concordância com os dados de referência para ambos os cenários. Para a "Run I", o teor de CH₄ simulado foi de 69.51% (lit.: 71.00%) e a produção 0.0070 Nm³/dia (lit.: 0.0062 Nm³/dia). Para a "Run II", o teor de CH₄ foi de 69.35% (lit.: 67.00%) e a produção 0.0074 Nm³/dia (lit.: 0.0079 Nm³/dia). A necessidade de parâmetros distintos para cada cenário validou a flexibilidade da ferramenta e comprovou a especificidade do equilíbrio biológico. Contudo, a análise crítica revelou que, apesar do sucesso na predição dos produtos finais, o modelo apresentou limitações na representação de estados bioquímicos internos, como a predição de um colapso do pH e de pressões parciais de hidrogênio fisicamente irrealistas, definindo os limites de sua aplicabilidade. Conclui-se que a ferramenta desenvolvida é um simulador validado e robusto para fins de engenharia, prevendo com fidelidade a produção e composição de biogás, ao mesmo tempo que este estudo define claramente os limites de sua aplicabilidade e a importância da calibração específica. |
| Abstract: | Anaerobic digestion stands out as a sustainable technology for organic waste treatment and bioenergy production, making mathematical modeling an essential tool for process optimization and understanding. This work aimed to develop a computational program in Python to simulate anaerobic digestion in UASB reactors, focusing on validating its flexibility through a multi-point calibration process against experimental data from the literature. The simulator implements the model by Federovich et al. (2003), solving the differential equations using the Rosenbrock method and featuring an interactive graphical interface. The calibration methodology was applied to two distinct operational scenarios from the study by Musa et al. (2020) using bovine slaughterhouse effluent: one with a low organic load (Run I, COD 3.5 g/L) and another with a high organic load (Run II, COD 6.0 g/L). For each scenario, an iterative adjustment of key parameters was performed, including methanogenic kinetic rates (um4, um6) and the influent effective alkalinity, which was necessary to ensure the stability of the simulated pH in agreement with experimental reality. The results demonstrated that, with specific parameter sets for each condition, the model achieved excellent agreement with the reference data for both scenarios. For "Run I", the simulated CH₄ content was 69.51% (lit.: 71.00%) and the production was 0.0070 Nm³/day (lit.: 0.0062 Nm³/day). For "Run II", the CH₄ content was 69.35% (lit.: 67.00%) and the production was 0.0074 Nm³/day (lit.: 0.0079 Nm³/day). The necessity of distinct parameters for each scenario validated the tool's flexibility and proved the specificity of the biological equilibrium. However, a critical analysis revealed that despite its success in predicting final products, the model showed limitations in representing internal biochemical states, such as predicting a pH collapse and physically unrealistic hydrogen partial pressures, thus defining the limits of its applicability. We conclude that the developed tool is a validated and robust simulator for engineering purposes, accurately predicting biogas production and composition, while this study clearly defines the limits of its applicability and the importance of specific calibration. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38249 |
| Aparece nas coleções: | LD - Engenharia Ambiental |
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