Águas residuárias e subprodutos da indústria agroalimentar brasileira são mal geridos, no que diz respeito à possibilidade de recuperação energética e produção de compostos de valor agregado a partir da fração orgânica presente. Como exemplo, o soro de leite, subproduto da indústria de laticínios, pode ser aproveitado de várias formas, dentre elas, a produção biológica de hidrogênio e ácidos orgânicos por vias fermentativas, como as de alongamento de cadeia. Paralelamente, avanços computacionais permitem a representação de bioprocessos, buscando predizer eficiência, detectar falhas de projeto, propor condições operacionais e variar configurações de biorreatores. O presente trabalho busca validar um método computacional que comtemple um modelo biológico descrito por equações matemáticas que representem as etapas fermentativas de bateladas realizadas sobre a fermentação de soro de leite reconstituído. Para isso, utilizar-se-á simulações de Monte Carlo associadas a Cadeia de Markov (MCMC) para minimização de parâmetros cinéticos livres que irão compor o modelo biológico, contendo a rota da β-oxidação reversa, representativa do alongamento de cadeia, calibrando-se o modelo com dados da fermentação obtidos em batelada. Paralelamente foi concebido um modelo 3-D do reator anaeróbio de leito fixo estruturado (AnSTBR) em software comercial COMSOL Multiphysics®, no qual foram realizados estudos de fluidodinâmica computacional simulando a operação de um AnSTBR com os parâmetros obtidos nas bateladas, calibrando-se o modelo com dados experimentais. Por fim, propõe-se acoplar o ADM1 modificado ao modelo 3-D projetado, buscando representar computacionalmente a etapa fermentativa ocorrida no AnSTBR operado continuamente. Os modelos desenvolvidos para representar os experimentos em batelada apresentaram bons ajustes aos dados experimentais, principalmente os modelos com a proposta de reações de alongamento de cadeia, com ressalvas às simulações de biomassa. Os modelos de melhor ajuste foram implementados no software COMSOL Multiphysics®, porém mostraram resultados diferentes do esperado devido mal funcionamento das equações de pH. O modelo 3-D que representou o processo contínuo foi validado em relação a sua hidrodinâmica, porém por divergências de ativação de rotas metabólicas não se obteve bons ajustes aos dados experimentais, impossibilitando a validação do acoplamento das equações bioquímicas.

Brazilian agroindustry has an expressive, but not exploited, source of energy in its wastewaters and byproducts. For instance, cheese whey provided from the dairy industry may be exploited in many ways, e.g. biological hydrogen and organic acids production by fermentative pathways. Besides, computational advances on modelling bioprocesses allow predicting efficiency, project critical points, simulating different events after changing operational parameters and/or bulk configurations. The current project aimed to depict the fermentation process of cheese whey conducted in batch reactors, and further inside anaerobic structured bed reactor (AnSTBR) by coupling the following computational methods, i.e. modified Anaerobic Digestion Model no. 1 (ADM1) and computational fluid dynamics (CFD). For modified ADM1 containing reverse β oxidation pathway, Monte Carlo Markov Chain simulations were performed for free parameters determination, and its further calibration by formerly batch kinetic data. Chain elongation model proposal presented good fit to experimental data, with some remarks concerning biomass simulations. Whilst, 3-D AnSTBR CFD model carried operational parameters and bulk configuration, calibrating the model with previous hydrodynamics data. The continuous computational representation of AnSTBR comprised both anaerobic digestion reactions and fluid dynamics simulations simultaneously. Although pH functions did not perform well, preventing the model to reach its best results, besides that, other metabolic pathways were stablished during AnSTBR experimental procedure reducing model prediction of concerned metabolites.