Skip navigation

Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/38084
Tipo: Tese
Título: Estudo teórico e experimental da produção de biogás e do substrato bovino e humano em biodigestor: caracterização do escoamento em modelagem cilíndrica
Autor(es): Carvalho, Igor Antonio de Oliveira
Orientador: Santos, Carlos Antônio Cabral dos
Membro da Banca: Marques, Adriano da Silva
Membro da Banca: Lima Filho, Abel Cavalcante
Membro da Banca: Veronese, Jean Pierre
Membro da Banca: Villa, Álvaro Antônio Ochoa
Membro da Banca: Dutra, José Carlos Charamba
Resumo: Esta tese investiga experimental e teoricamente a produção de biogás a partir de substratos bovino e humano em biodigestores, e a modelagem do escoamento desses substratos. A metodologia dupla combinou a construção e operação de protótipos em batelada e contínuo com a caracterização reológica dos substratos, quantificação do biogás e análise de sua composição via cromatografia gasosa. Paralelamente, desenvolveu-se um modelo matemático fundamentado nas equações de conservação, solucionado pela Técnica da Transformada Integral Generalizada para caracterizar os perfis de velocidade, temperatura e concentração. Os resultados demonstraram a nítida superioridade do substrato humano, que gerou 636,2 litros de biogás com 63,9% de metano a partir de 5 kg, superando os 506,9 litros e 51,5% de metano do substrato bovino. A padronização do teor de sólidos totais em 10,85% permitiu uma comparação equitativa e a geração de um conjunto abrangente de números adimensionais a partir de dados experimentais, incluindo Reynolds, Prandtl, Schmidt, Sherwood, Biot e Péclet. Estes parâmetros servem como ferramenta para análise de sistemas reais. A modelagem via GITT, validada com a literatura, identificou gradientes radiais de temperatura e concentração, revelando zonas de baixa conversão que limitam a eficiência global. Criticamente, o estudo estabeleceu parâmetros para dimensionamento e operação em regime de pico, definindo que uma alimentação contínua, após o período de transformação do substrato, permite a operação máxima do biodigestor, com a capacidade mínima do reator. Conclui-se que o substrato humano é mais eficiente para produção de biogás. A metodologia GITT mostrou-se precisa na caracterização dos fenômenos de transporte no reator. Como principal contribuição, a tese fornece um arcabouço metodológico integrado e um conjunto de parâmetros operacionais e adimensionais críticos que permitem projetar, prever o desempenho e otimizar sistemas de biodigestão, com impactos diretos na geração de energia renovável e na sustentabilidade.
Abstract: This thesis investigates experimentally and theoretically the production of biogas from bovine and human substrates in biodigesters, as well as the modeling of the flow of these substrates. The dual methodology combined the construction and operation of batch and continuous prototypes with the rheological characterization of the substrates, the quantification of biogas, and the analysis of its composition by gas chromatography. In parallel, a mathematical model based on conservation equations was developed and solved using the Generalized Integral Transform Technique to characterize the velocity, temperature, and concentration profiles. The results revealed the clear superiority of the human substrate, which generated 636.2 liters of biogas with 63.9% methane from 5 kg, surpassing the 506.9 liters and 51.5% methane of the bovine substrate. Standardizing the total solids content at 10.85% allowed for a fair comparison and the generation of a comprehensive set of dimensionless numbers from experimental data, including Reynolds, Prandtl, Schmidt, Sherwood, Biot, and Péclet. These parameters serve as a tool for analyzing real systems. Modeling via GITT, validated with the literature, predicts radial temperature and concentration gradients, revealing low-conversion zones that limit overall efficiency. Crucially, the distributed study for sizing and maximum rate operation defined that a continuous feed, after the substrate transformation period, allows for maximum operation of the biodigester, with the minimum reactor capacity. It is concluded that human substrate is more efficient for biogas production. The GITT methodology proved to be accurate in characterizing the transport specifications in the reactor. As its main contribution, the thesis provides an integrated methodological framework and a set of critical operational and dimensional parameters that enable the design, performance prediction, and improvement of biodigestion systems, with direct impacts on renewable energy generation and sustainability.
Palavras-chave: Biogás
Biodigestores
Substrato
Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT)
Adimensionais
Substrato humano
Biodigesters
Dimensionless
Human substrate
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Engenharia Civil e Ambiental
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/38084
Data do documento: 28-Out-2025
Aparece nas coleções:Centro de Tecnologia (CT) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
IgorAntonioDeOliveiraCarvalho_Tese.pdf5,36 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir


Este item está licenciada sob uma Licença Creative Commons Creative Commons