Dissertação de Mestrado

A Digestão Anaeróbia é um processo carente de modelos simples e robustos para descrevê-la. Falta conhecimento fenomenológico quanto às cinéticas das reações microbianas envolvidas, e os modelos que as descrevem são em sua maior parte empíricos e possuem abordagens determinísticas. De forma a criar um paradigma, neste trabalho foram desenvolvidos três novos modelos para a cinética de bioprocessos com base no Princípio da Entropia Máxima (PEM): o Mon-EGK, que representa a taxa de crescimento microbiano específico mesmo processo descrito pelo modelo de Monod e o Exp-EUK e o Mos-EUK, que representam a taxa de consumo de substrato limitante, a partir de diferentes premissas. Dos três modelos emerge o parâmetro de entropia, um número adimensional capaz de contemplar as incertezas que se têm acerca do sistema modelado: quanto maior seu valor, mais as taxas cinéticas modeladas se afastam da considerada a priori e se aproximam da máxima. Os modelos Exp-EUK e Mos-EUK puderam representar com alta correlação dados sintéticos gerados por uma cinética do Monod, mesmo apresentando dinâmicas fundamentalmente diferentes, indicando seu potencial de englobar aspectos adicionais de bioprocessos. Estes mesmos dois modelos tiveram seus parâmetros identificados e foram validados com dados de 19 séries experimentais, provenientes de 4 trabalhos distintos. Em 14 destas sérias, o desempenho do ajuste foi razoável ou ótimo (R² > 0,95) e o teste de randomicidade atestou o sinal randômico dos resíduos; nas 5 séries restantes, o ajuste foi pior provavelmente devido à ocorrência simultânea de diferentes etapas da Digestão Anaeróbia ou a processos inibitórios. O grande número de parâmetros dos modelos a serem identificados (quatro) não impactou na qualidade do ajuste. Ambos atenderam aos critérios de simplicidade e causalidade, e, mesmo não tendo sido realizada uma validação cruzada, há indícios da capacidade preditiva de Exp-EUK.

Anaerobic digestion is a process that lacks simple and robust models to describe it. There is poor phenomenological knowledge regarding the kinetics of microbial reactions involved, and the models that describe them are mostly empirical with deterministic approaches. In order to create a paradigm, this work developed three new models for the kinetics of bioprocesses based on the Principle of Maximum Entropy (PoME): Mon-EGK, which represents the specific microbial growth rate similar to Monods model , Exp-EUK and Mos-EUK, both which represent the uptake rate of limiting substrate, based on different premises. From the three models, the entropy parameter emerges, a dimensionless number capable of encompassing the modeled system uncertainties: the higher its value, the more the modeled kinetic rates move away from the one considered a priori and approach the maximum. Exp-EUK and Mos-EUK models were able to represent synthetic data generated by Monod kinetics with high correlation, despite their fundamentally different dynamics; this indicates their potential to encompass additional aspects of bioprocesses. These two models had their parameters identified and were validated with data from 19 experimental series, derived from 4 different studies. In 14 of these series, the fit performance was reasonable or excellent (R² > 0.95), and the randomness confirmed the residuals random sign; in the remaining 5 series, the fit was poorer likely due to simultaneous occurrence of different degradation pathways or due to inhibitory processes. The large number of parameters to be identified (four) did not have an impact on the quality of the fit. Both models met simplicity and causality criteria, and although cross-validation was not performed, there are strong signs of the predictive capacity of Exp-EUK.