A modelagem de reatores biológicos empregados no tratamento de águas residuárias tem ganhado destaque nos últimos anos devido a possibilidade de realização de inúmeras simulações, em diferentes cenários, dispendendo menos recursos financeiros e de tempo em comparação com a realização de experimentos laboratoriais. Estes modelos matemáticos, descrevem os processos físicos, físico-químicos e as reações biológicas que ocorrem nos reatores, possibilitando a simulação do consumo de substratos, crescimento dos microrganismos e formação de novos produtos ao longo do tempo. O modelo mais amplamente usado na simulação de processos envolvendo digestão anaeróbia é o Anaerobic Digestion Model Number 1 (ADM1), o qual foi estruturado para um reator de mistura completa sem reciclo de células e para um processo de digestão anaeróbia completo, desde a desintegração e hidrólise de compostos orgânicos complexos até a produção de metano e carbono inorgânico. Porém, ao descrever o processamento de águas residuárias específicas ou a aplicação de outros tipo de reatores, o ADM1 deve ser alterado para levar em conta as particularidades de cada sistema. Sendo assim, neste trabalho o ADM1 foi modificado para simular o processamento anaeróbio de vinhaça de cana-de-açúcar em um reator metanogênico e em um acidogênico, ambos com regime de operação em batelada. Em ambas as simulações, hipóteses foram propostas baseadas no tipo de escoamento e nas rotas metabólicas envolvidas no processo. Para o reator metanogênico Anaerobic Sequencing Batch Biofilm Reactor (AnSBBR), considerou-se apenas a rota de degradação de açúcar para a formação de metano. As rotas de formação de metano a partir de ácidos graxos de cadeia longa e aminoácidos foram desconsideradas em função das baixas concentrações ou ausência dos compostos precursores das respectivas rotas metabólicas. Já para o reator em batelada acidogênico, mudanças estruturais no ADM1 foram feitas, com eliminação de algumas rotas e incorporação de outras. Assumiu-se a ausência de metanogênese e acetogênese no reator acidogênico e foram incluídas as seguintes rotas metabólicas: Lactato + Acetato → Butirato + Hidrogênio, Glicerol → Butirato + Hidrogênio; e Lactato → Acetato + Propionato, sendo esta última incorporada ao modelo para descrever o processamento de vinhaça em reator em batelada para concentrações inferiores a 30kgDQOm^-3. Todo o processo de modelagem foi realizado no software Matlab R2015a e foram usados o método de minimização BoxDraper e o método de simulação Monte Carlo e Cadeia de Markov para determinação dos parâmetros livres. Além disso, estes modelos foram submetidos a testes estatísticos para avaliar sua confiabilidade, tais com o método Geweke e o Critério de Informação Akaike. O reator acidogênico, também com o intuito de validar suas rotas metabólicas foi submetido a análises de biologia molecular, que permitiu a classificação dos microrganismos atuantes no sistema. Finalmente, concluiu-se com este trabalho que a junção de todas estas técnicas envolvidas no processo de modelagem fizeram com que os modelos descrevessem de forma fidedigna os sistemas analisados.

The modelling of biological reactors used in wastewater treatment has gained prominence in recent years due to the possibility of carrying out numerous simulations, in different scenarios, spending less financial and time resources compared to laboratory experiments. These mathematical models describe the physical, physicochemical processes and biological reactions that occur inside the reactors, enabling the simulation of substrate consumption, growth of microorganisms and the formation of new products over time. The model most widely used in the simulation of processes involving anaerobic digestion is the Anaerobic Digestion Model Number 1 (ADM1), which was structured for a continuous stirredtank reactor without cell recycling and for a complete anaerobic digestion process, since disintegration and hydrolysis of complex organic compounds to the production of methane and inorganic carbon. However, when describing the processing of specific wastewater or the application of other types of reactors, ADM1 must be changed to incorporate the particularities of each system. Therefore, in this work, ADM1 was modified to simulate the anaerobic processing of sugarcane vinasse in a methanogenic and an acidogenic reactor, both operated in batch regime. In both simulations, hypotheses were put forward based on the type of flow and on the metabolic pathways involved in the process. The methane production from sugar degradation was the only pathway considered for the AnSBBR (Anaerobic Sequencing Batch Biofilm Reactor). The routes of methane formation from long-chain fatty acids and amino acids were disregarded due to low concentrations or the absence of precursor compounds. Structural changes in ADM1 were made for the acidogenic batch reactor, with the elimination of some pathways and the incorporation of others. The absence of methanogenesis and acetogenesis in the acidogenic reactor was assumed and the following metabolic pathways were included: Lactate + Acetate → Butyrate + Hydrogen, Glycerol → Butyrate + Hydrogen, and Lactate → Acetate + Propionate, the latter one being incorporated into the model to describe the processing of vinasse in a batch reactor for concentrations below 30 kgCODm^-3. The entire modeling process was performed using the Matlab R2015a software. The determination of free parameters was carried out with Box-Draper minimization method and Monte Carlo Markov Chain simulation method. In addition, these models were subjected to statistical tests to assess their reliability, such as the Geweke method and the Akaike Information Criterion. In order to validate the proposed metabolic pathways, samples of biomass from acidogenic reator were subjected to molecular biology techniques, which allowed the classification of microorganisms present in the system. Finally, it was concluded that the combination of all these techniques involved in the modeling process allowed a reliable description of the studied system.