Estudo do modelo ADM1 como plataforma de modelagem para diferentes configurações de reatores usados no tratamento anaeróbio da vinhaça de cana-de-açúcar com análise de sensibilidade e validação estatística do modelo

Resumo

Ao longo dos anos, as pesquisas por medidas capazes de mitigar e até mesmo eliminar os efeitos negativos dos resíduos dos processos produtivos das indústrias estão crescendo, para que estes dejetos não afetem o ambiente e a saúde humana. A vinhaça de cana-de-açúcar, um resíduo da produção de etanol, apresenta um alto potencial poluidor devido a suas características físico-químicas, tais como altas concentrações de matéria orgânica, altas concentrações de sólidos suspensos, alta demanda bioquímica de oxigênio, baixos valores de pH, alta corrosividade e elevadas concentrações de potássio, nitrogênio, fósforo e sulfato. Esta água residuária pode ser tratada biologicamente usando reatores anaeróbios, os quais apresentam a vantagem de gastar menos energia na operação e produzir menos lodo durante o processo de tratamento quando comparado ao sistema aeróbio, e a energia produzida neste tipo de tratamento pode ser recuperada na forma de biogás: principalmente composto por hidrogênio (reator acidogênico) e metano (reator metanogênico). Por exemplo, em um sistema composto por um reator acidogênico seguido por um metanogênico (sistema de duas fases), duas correntes de biogás serão geradas, uma contendo predominantemente hidrogênio e outra metano. Em sistemas compostos somente de reator metanogênico (sistema de uma única fase) como o nome já diz, a corrente de gás será formada principalmente por metano. A partir de dados experimentais coletados para diferentes condições, é importante modelar os processos anaeróbios a fim de fazer previsões e simulações do tratamento em diferentes cenários e avaliar quais as condições iniciais são mais importantes para o processo de tratamento. Com este propósito, a plataforma de modelagem ADM1, que abrange inúmeros processos bioquímicos e físico-químicos da digestão anaeróbia, será usada. A modelagem do tratamento anaeróbio da vinhaça usando a plataforma ADM1 será feita no software Matlab, no qual a produção de hidrogênio será primeiramente verificado (reator acidogênico), e na sequência será feita a modelagem da produção de metano (reator metanogênico). Depois disso, análises de sensibilidade global e local serão realizadas objetivando selecionar os parâmetros de entrada que exercem ou não influência nos resultados finais para cada um dos modelos. Posteriormente, com o modelo concluído para reator acidogênico e matanogênico, a simulação de Monte Carlo Cadeia de Markov será usada para otimizar os parâmetros livres do ADM1 e validar estatisticamente o modelo, verificando assim se o ADM1 descreve fidedignamente os dados experimentais. Finalmente, poderão ser feitas previsões do modelo para diferentes condições e assim será possível prever quais cenários levam a uma maior produção de hidrogênio ou metano.