Simulador computacional de biodigestão anaeróbia em escala laboratorial baseado em agentes
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| Data de Publicação: | 2022 |
| Tipo de documento: | Tese |
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Resumo: | Orientador: Prof. Dr. Gilberto Martins |
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Simulador computacional de biodigestão anaeróbia em escala laboratorial baseado em agentesPREVISÃO DE GERAÇÃO DE BIOGÁSMODELAGEM BASEADA EM AGENTESSIMULADOR COMPUTACIONALBIODIGESTOR VIRTUALBIOGAS GENERATION FORECASTINGAGENT-BASED MODELINGCOMPUTATIONAL SIMULATIONVIRTUAL BIODIGESTERPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIA - UFABCOrientador: Prof. Dr. Gilberto MartinsTese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Energia, Santo André, 2022.Dentre as possibilidades de fontes renováveis de energia, o biogás tem lugar de destaque. A produção de biogás contribui para a recuperação energética de rejeitos orgânicos, promove maior circularidade da economia, favorece a geração distribuída e possibilita a autoprodução, além de ser uma energia firme e de uso variado. O biogás, um composto formado principalmente por metano e dióxido de carbono, é o produto da ação de micro-organismos sobre a matéria orgânica, em um processo anaeróbio de digestão. Com o objetivo de maximizar a produtividade do biogás e aumentar seu teor de metano, do qual se origina seu uso como fonte energética, é comum que sejam testadas diferentes combinações de substratos ¿ matéria-prima do processo de biodigestão ¿ ou que seja adicionado um inóculo para incremento da atividade detritívora. Essa tem sido uma grande fonte de pesquisa, e há diversos trabalhos publicados nessa área. Entretanto, a pesquisa da digestão anaeróbia requer mão de obra qualificada, equipamento específico e atenção diária, consumindo tempo e recursos preciosos. Adicionalmente, existem diversos modelos matemáticos, estatísticos e computacionais que têm o objetivo de prever a quantidade e a qualidade do biogás produzido a partir de características físicas e químicas dos substratos e inóculos utilizados. Entretanto, os modelos mais simples tendem a ser específicos de uma certa combinação de insumos, e os modelos mais completos exigem um grande número de parâmetros para uma adequada configuração, o que dificulta sua utilização. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um simulador computacional do processo de biodigestão anaeróbia em escala laboratorial através da aplicação de uma técnica de inteligência artificial denominada Modelagem e Simulação Baseada em Agentes. O BioSim, o produto deste trabalho, é composto de um banco de dados de substratos e inóculos, um módulo de configuração dos experimentos (com os parâmetros da pesquisa), o biodigestor virtual, onde são simuladas as reações bioquímicas da digestão anaeróbia, um módulo de saída de dados, que fornece informações detalhadas do processo de produção de biogás, e um módulo de visualização de resultados, no qual podem ser observados detalhes do processo de biodigestão virtual. O BioSim permite a inclusão de um número virtualmente ilimitado de modelos de previsão e dados sobre substratos, podendo constituir assim uma base de informações rica e versátil sobre o processo de biodigestão anaeróbia, contribuindo para que pesquisas em escala laboratorial possam ser simuladas e consultadas antes mesmo do experimento real, aproveitando informações de simulações registradas anteriormente no sistema ou criando novas simulações a partir dos substratos cadastrados no banco de dados. Em comparativos com os modelos matemáticos utilizados como base para o funcionamento do BioSim, o simulador virtual obteve, nas previsões de produção de biogás e metano, índices de desempenho melhores que os próprios modelos nos quais foi baseado, quando em comparação com os valores obtidos experimentalmente. Além disso, a gama de informações gerada e disponibilizada pelo sistema pode ser uma ferramenta de auxílio importante, contribuindo para o desenvolvimento de pesquisas com o biogás. Por fim, observou-se que a utilização da Modelagem e Simulação Baseada em Agentes tornou possível o desenvolvimento de um simulador virtual de biodigestão anaeróbia de boa acurácia, fácil utilização e adequado para a tarefa de modelagem e previsão do potencial bioquímico de biogás a partir da matéria orgânica.Among the options of renewable energy sources, biogas has a prominent place. The production of biogas contributes to the energy recovery of organic waste, promotes the economy¿s circularity, improves distributed generation, and allows self-production, in addition to being a firm energy with multiple uses. Biogas, a compound formed mainly by methane and carbon dioxide, is the final product of the action of microorganisms through the process of anaerobic digestion of organic matter. In order to maximize biogas productivity and increase its methane content, the main compound for energy use, it is common to test different combinations of substrates ¿ raw material for the biodigestion process ¿ or to add an inoculum, a catalyst agent of the biodegradation activity. There has been a lot of research about these combinations, and there are several works published in this area. However, the research on anaerobic digestion requires skilled labor, specific equipment, and daily attention, and it is a very time and resource consuming activity. Additionally, there are several mathematical, statistical, and computational models that can predict the quantity and quality of biogas produced from the physical and chemical characteristics of the substrates and inoculum used. However, the simplest models tend to be specific to a certain class of substrates, and the more complete models require a large number of parameters for an adequate configuration, which makes them very difficult to use. This work aimed to develop a virtual simulator of the anaerobic biodigestion process on a laboratory scale using an artificial intelligence technique named Agent-Based Modeling and Simulation. BioSim, the result of this work, is a computer system with five modules: a database of substrates and inoculums, a simulation configuration module (with the experiment parameters), a virtual biodigester, where the biochemical reactions of anaerobic digestion are simulated, a data output module, which provides detailed information on the biogas production process, and a module to visualize the results of the simulation, where details of the virtual biodigestion process can be observed. BioSim can keep information of unlimited number of prediction models and data on substrates, which can be a rich and versatile database on the anaerobic biodigestion process, contributing to laboratory scale research that can be simulated and consulted even before of the real experiment, using the information from simulations previously registered in the system, or creating new ones from the substrates inserted in the database. In comparison with the mathematical models used as a basis for the operation of BioSim, the virtual simulator obtained, in the predictions of production of biogas and methane, better performance indices than the models on which it was based, when compared to the values obtained experimentally. Besides that, the amount of additional information generated and made available by the system can be an important tool to help the development of research with biogas. In conclusion, the use of Agent-Based Modeling and Simulation made possible the development of a virtual simulator of anaerobic biodigestion with good accuracy, easy to use and suitable for the task of modeling and predicting the biochemical potential of biogas from the organic matter.Martins, GilbertoLima, Heleno Quevedo deToneli, Juliana Tofano de Campos LeiteAsano, Patrícia Teixeira LeiteSuyama, RicardoDrudi, Ricardo2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf175 f. : il.http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=124229http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=124229&midiaext=80767Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.br/php/capa.php?obra=124229porreponame:Repositório Institucional da UFABCinstname:Universidade Federal do ABC (UFABC)instacron:UFABCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-04-20T10:06:17Zoai:BDTD:124229Repositório InstitucionalPUBhttp://www.biblioteca.ufabc.edu.br/oai/oai.phpopendoar:2023-04-20T10:06:17Repositório Institucional da UFABC - Universidade Federal do ABC (UFABC)false |
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