Resumo: Biorreatores, que são explorados desde a antiguidade, são sistemas capazes de realizar a fermentação de compostos orgânicos, continuam sendo amplamente utilizados atualmente devido à diversidade de aplicações. Esses sistemas podem operar em diferentes modos de fermentação, entretanto, os mais utilizados são: fermentação contínua, semicontínua e descontínua. Esse último, juntamente com o processo de digestão anaeróbia (ausência de oxigênio), permitem que uma determinada matéria orgânica seja degradada e transformada em biogás, um dos fatores chave para geração de energia limpa. Percebe-se, portanto, que o estudo de biorreatores em modo de operação descontínuo e em processo de digestão anaeróbia é fundamental para o desenvolvimento de pesquisas relacionadas à geração de energia renovável. Para facilitar o entendimento desse processo, alguns autores propuseram estudos baseados na identificação de parâmetros em modelos não-lineares descritivos, do tipo caixa-branca, que hoje são vastamente utilizados na modelagem de biorreatores. A grande limitação dessa abordagem é que o processo de identificação de sistemas utilizando esses modelos pode ser complexo e demorado, ou, ainda, os parâmetros dos sistemas representados podem não ser identificáveis, inviabilizando o procedimento. Tentando amenizar essas dificuldades, propomos neste trabalho a utilização de modelos polinomiais NAR e NARMA do tipo caixa-preta para a modelagem de biorreatores em modo de fermentação descontínua. Modelos caixa-preta representam sistemas reais por meio de sua saída, sem informação sobre os mecanismos internos desse sistema, simplificando a identificação. Frente a esse contexto, o objetivo deste estudo é investigar a predição e, por consequência, realizar o monitoramento da produção de metano utilizando os modelos caixa-preta propostos em sistemas de biorreatores em modo descontínuo e em processo de digestão anaeróbia. Realizamos estudos que abarcam a investigação de dados simulados e de dados reais. Num primeiro momento são propostos modelos polinomiais dos tipos NAR e NARMA. A partir desses modelos são estimados os parâmetros dos sistemas simulados, com e sem ruído na saída, baseados em condições iniciais propostas na literatura, que denominamos Grupo de Controle. Posteriormente realizamos as validações desses modelos. Em seguida, passamos à etapa de investigação do domínio de validade dos modelos caixa-preta propostos, realizando um estudo em que modificamos as condições iniciais do sistema que representa biorreatores em modo de fermentação descontínua. Por fim, utilizamos dados de um experimento real para realizar o processo de estimação de parâmetros e de validação dos modelos. Os resultados mostraram que os modelos polinomiais NAR e NARMA são bastante adequados para predição de metano em biorreatores em modo de fermentação descontínua em processo de digestão anaeróbia, tanto para os dados simulados quanto para os dados reais.
Introdução: Um fator chave para o crescimento econômico e social é o desenvolvimento de pesquisas em monitoramento e controle de fontes renováveis de energia. Isso se deve ao constante aumento na demanda do setor de energia elétrica, que é de suma importância para a continuidade da expansão industrial e o desenvolvimento de infraestrutura básica (KIM, 2015; KASPEROWICZ, 2014; FERGUNSON; WILKINSON; HILL, 2000). Para fins de exemplificação, no Brasil, o consumo de energia elétrica em 2014 foi 3, 8% superior ao do ano anterior (EPE, 2015). Essa informação abre precedentes para outra questão importante. Sabe-se que a matriz energética brasileira é fornecida principalmente por usinas termo e hidrelétricas (ANEEL, 2015; EGRÉ; MILEWSKI, 2002). O grande inconveniente é que usinas dessa natureza podem causar graves impactos ambientais tais como a poluição produzida pela queima de combustíveis fósseis, a perda de minerais e a diminuição de espécies de plantas e de animais devido às inundações. Tais transformações podem acarretar a transferência de animais para áreas já ocupadas, causando superpopulação das espécies, estimulando desiquilíbrio ecológico. Além disso, as modificações na hidráulica dos rios podem resultar em mudanças hidrológicas, hidroquímicas e hidrobiológicas (JUNK; MELLO, 1990). Assim, com o intuito de amenizar esses impactos ambientais, e, ao mesmo tempo, possibilitar a continuidade da ampliação da produção de energia elétrica, são necessárias fontes alternativas de geração de energia elétrica. Uma dessas fontes alternativas é baseada nos conceitos de biorrefinaria integrada, que, além de não poluir, possibilita a redução da poluição já existente. Isso acontece porque são utilizados resíduos orgânicos industriais, lodo gerado a partir de processos de tratamento de águas residuais ou ainda estrume, para citar alguns, como parte de substrato para a produção de biogás (em sua maioria composto de metano), possibilitando, a partir de sua utilização adequada, a geração de energia a partir de fontes renováveis. O processo de biorrefinaria ocorre em tanques denominados biorreatores, recipientes em que se adiciona a matéria-prima (substrato) que sofrerá fermentação. Existem diversos modos de fermentação, os três principais são: modo de fermentação contínua, descontínua e semicontínua. De acordo com cada substrato e com cada objetivo, utiliza-se uma forma ou outra. Além disso, essa fermentação pode ocorrer utilizando processos de digestão aeróbica ou anaeróbia. No caso de produção de metano, convém que sejam utilizados biorreatores em modo de fermentação descontínua e sem a presença de oxigênio, ou seja, em processo de digestão anaeróbia. Nossa pesquisa tem como objetivo a modelagem de biorreatores em modo de fermentação descontínua e em processo de digestão anaeróbia para avaliação da produção de metano. Para isso, definimos que o modelo proposto será do tipo caixa-preta. Esses modelos são assim chamados já que para utilizá-los não é necessário conhecimento sobre as relações internas do sistema (SJÖBERG et al., 1995), como realizado em BERNARD et al. (2001), CAMPESTRINI et al. (2014), ANTONELLI et al. (2003), HAAG; WOUWER; QUEINNEC (2003), entre outros, mas apenas sobre seus dados de entrada (ou condições iniciais) e de saída. Essa flexibilidade proporciona a construção de modelos de complexidade relativamente moderada em relação àqueles comumente encontrados na literatura, do tipo caixa-branca ou caixa-cinza, que, por vezes, apresentam parâmetros não identificáveis. Delimitamos ainda que o modelo será não-linear (devido ao crescimento de bactérias, o sistema se comporta de forma não-linear) e polinomial. Como o biorreator atua em modo de fermentação descontínua (ou seja, não apresenta dados de entrada), construímos modelos do tipo NAR e NARMA. Utilizando ainda a teoria de Identificação de Sistemas, depois da construção dos modelos polinomiais caixa-preta de forma a descrever o sistema investigado de modo simplificado, realizamos a estimação dos parâmetros do sistema e a validação dos modelos. Por fim, além de realizar a predição da produção de metano, avaliamos ainda o domínio de validade desses modelos caixa-preta para verificar o quão amplos são os modelos que propusemos. A fim de proporcionar ao leitor a compreensão dos procedimentos envolvidos nesta investigação, neste trabalho abordaremos, primeiramente, a modelagem matemática, no Capítulo 2, utilizada para conduzir esta pesquisa. Este capítulo conta com a elucidação dos conceitos de modelagem, modelos e, principalmente, da teoria de identificação de sistemas, fundamental para a efetivação de nosso estudo, juntamente com os métodos de mínimos quadrados e mínimos quadrados estendido. Em seguida, no Capítulo 3, denominado Biorreatores, trataremos sobre assuntos mais específicos relacionados aos modos de fermentação de biorreatores, incluindo as vantagens e desvantagens de se utilizar um ou outro tipo de fermentação. Ainda, esclareceremos as etapas envolvidas no processo de fermentação anaeróbia, fundamental para a produção de metano. Finalmente, nos Capítulos 4 e 5, Metodologia de Pesquisa e Resultados, respectivamente, descreveremos os procedimentos realizados para o desenvolvimento de nosso estudo, envolvendo a elaboração de modelos caixa-preta, simulações computacionais de biorreatores e a análise de dados obtidos de um experimento real. Por fim, os resultados obtidos para cada uma dessas etapas. Ao final deste trabalho, no capítulo de Conclusões, realizaremos um apanhado geral do que consideramos relevante em nossa pesquisa e exporemos outras possibilidades para dar continuidade a esse trabalho.
Autora: TAMARA SALVATORI.
Leia o estudo completo: modelagem-caixa-preta-de-biorreatores-em-modo-descontinuo-utilizando-modelos-polinomiais-do-tipo-nar-e-narma
