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Resumen En este trabajo se presenta una estrategia de regulación robusta de los ácidos grasos volátiles (AGV) en un proceso de digestión anaerobia. La estrategia propuesta es una ley de control por retroalimentación no lineal obtenida por linealización entrada-salida que permite alcanzar el objetivo de control a pesar de errores de modelado (incertidumbres en la cinética de las reacciones) y las restricciones del actuador. Los experimentos fueron conducidos con un reactor anaerobio piloto de lecho fijo y flujo ascendente (UAFBR) con volumen activo de 0,947 m3, completamente equipado, utilizado para el tratamiento de aguas residuales provenientes de una destilería de vino en Narbonne, Francia. Con el objetivo de validar los modelos utilizados, resultados simulados y experimentales, son presentados y discutidos los parámetros de desempeño del controlador bajo los modelos AM2 y ADM1 (tiempo de subida, tiempo de establecimiento, sobre impulso y error en estado estacionario) obtenidos de las simulaciones numéricas, que prueban la eficiencia y aplicabilidad de la estrategia de control propuesta. Abstract In this article a robust regulation strategy of volatile fatty acids is proposed by an anaerobic digestion process. The proposed strategy is a control law via nonlinear feedback obtained by input-output linearization that allows the completion of the control goals despite the modeling errors (uncertainties in the kinetics of the reactions) and the actuator restrictions. The experiments were conducted with an pilot fixed anaerobic reactor and ascending flow (UAFBR) with an active volume of 0.947 m3 fully equipped, used for the treatment of residual waters coming from a wine distillery in Narbonne, France. With the goal of validating the models used, simulated and experimental results are presented and discussed. The performance parameters of the controller under the AM2 and ADM1 models (up time, establishment time, over-impulse and stationary state error) obtained from the numeric simulations that prove the efficiency and applicability of the proposed control strategy. Resumo Neste trabalho, apresenta-se uma estratégia de regulação robusta dos ácidos graxos voláteis (AGV) em um processo de digestão anaeróbia. A estratégia proposta é uma lei de controle por retroalimentação não linear obtida por linearização entrada-saída que permite atingir o objetivo de controle apesar de erros de modelagem (incertezas na cinética das reações) e das restrições do acionador. As experiências foram conduzidas com um reator anaeróbio-piloto de leito fixo e fluxo ascendente (UAFBR) com volume ativo de 0,947 m3, completamente equipado, utilizado para tratar águas residuais provenientes de uma destilaria de vinho em Narbonne, França. Com o objetivo de validar os modelos utilizados, resultados simulados e experimentais, são apresentados e discutidos os parâmetros de desempenho do controlador sob os modelos AM2 e ADM1 (tempo de subida, tempo de estabelecimento, sobre impulso e erro de estado estacionário) obtidos das simulações numéricas, que provam a eficiência e a aplicabilidade da estratégia de controle proposta.

Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-06-09T13:13:41Z No. of bitstreams: 1 Francine Schulz.pdf: 962288 bytes, checksum: 8db430d0b4154ff34f344ee492cf6bad (MD5) Made available in DSpace on 2015-06-09T13:13:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Francine Schulz.pdf: 962288 bytes, checksum: 8db430d0b4154ff34f344ee492cf6bad (MD5) Previous issue date: 2015-03-30 CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares O aproveitamento energético da fração orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) para geração de biogás é uma alternativa viável para minimizar os impactos sociais e ambientais causados pelo acúmulo e disposição destes resíduos nos aterros sanitários. A digestão anaeróbia, sob condições controladas, tem por objetivo maximizar o rendimento e a qualidade do biogás produzido. Dentre os parâmetros controlados o pH, a alcalinidade, a concentração dos ácidos graxos voláteis e a temperatura de operação são fundamentais para a otimização do processo. O objetivo do presente estudo foi determinar as condições operacionais adequadas para a obtenção do melhor rendimento na produção de biogás, utilizando como substrato a fração orgânica rejeitada pela operação da central de triagem do aterro sanitário do município de São Leopoldo - RS. O experimento foi executado em um reator anaeróbio de aço inox com volume de 50L, operado em batelada com mistura intermitente. Antes de cada batelada a fração orgânica de RSU foi triturada em um triturador mecânico. Foram realizadas 05 bateladas, utilizando diferentes taxas de carga orgânica e diferentes volumes de inóculo, buscando estabilizar o pH do sistema dentro da faixa ótima de processo e, também aumentar o volume de produção de biogás. Como resultado tem-se que a fração orgânica de RSU demonstrou possuir potencial de degradação e produção de biogás (mínimo de 6,71 e máximo de 22,45 m3 / ton RSU). Os teores de metano ficaram entre 70% e 80% ao final das bateladas, mesmo com pH ácidos (5,5-5,6). A dificuldade de homogeneizar adequadamente as amostras coletadas pode ter influenciado os resultados encontrados para os teores de COT. Os valores desta variável aumentaram ao longo do tempo, não coincidindo com os valores encontrados para os teores de SV, que diminuíram ao longo do tempo. Em todas as bateladas experimentais houveram dificuldades para manter o pH e a temperatura estáveis e dentro da faixa ótima de processo, o que levou a produção de biogás mais baixa do que a encontrada em outros estudos. As taxas de cargas orgânicas aplicadas, quando consideradas isoladamente como variável, não pareceram influenciar substancialmente no volume final de biogás produzido nas bateladas, mas sim na dificuldade de manutenção do pH na faixa ótima para digestão anaeróbia. The energy use of the organic fraction of municipal solid waste (MSW) for biogas generation is a viable alternative to minimize the social and environmental impacts caused by the accumulation and disposal of these wastes in the landfills. Anaerobic digestion, under controlled conditions, aims to maximize the yield and quality of the biogas produced. Among all the parameters monitored, pH, alkalinity, the concentration of volatile fatty acids and temperature are critical for the process optimization. The aim of this study was to determine the appropriate operational conditions for obtaining the best performance in the production of biogas, using as substrate the organic fraction rejected by the central operation of sorting from the landfill in São Leopoldo - RS. The experiment was performed in an anaerobic reactor of stainless steel with a volume of 50L, operated in batch with intermittent mixing. Before each batch the organic fraction of MSW was ground in a mechanical mill. Five batches were performed using diferent organic loading rates and different volumes of inoculum, in order to stabilize the pH of the system within the optimum range of the process and also increase the amount of biogas. As a result we have that the organic fraction of MSW demonstrated potential for degradation and biogas production (minimum of 6.71 and maximum of 22.45 m3 / ton MSW). The methane concentrations were between 70% and 80% at the end of the batches, even at acid pH (5.5-5.6). The difficulty of properly mix the samples collected may have influenced the results for TOC (Total Organic Carbon). The values of this variable increased over time, not coinciding with that found for the VS (Volatile Solids) levels that decreased over time. In all experimental batches was difficult to maintain the pH and the temperature within the optimum range process, this fact can explain the low production of biogas when compare to other studies. The organic loading rates, when considered alone as a variable, did not seemed to influence the final volume of biogas produced in the batches tested, but it did influence to balance and maintain the pH in the adequate range for the anaerobic digestion.

O crescimento da população mundial e a tentativa de substituição parcial dos combustíveis fósseis por novas fontes de energia têm levado a uma maior atenção quanto à possível escassez de alimentos e a carência de grandes áreas disponíveis para agricultura. Microalgas, por meio do metabolismo fotossintético, utilizam energia solar e gás carbônico como nutrientes para o crescimento. A microalga Spirulina pode ser utilizada como suplemento alimentar, na biofixação de CO2, como fonte de biocombustíveis e no tratamento de efluentes. A digestão anaeróbia da biomassa microalgal produz biogás e os resíduos deste processo podem ser utilizados como substrato para novos cultivos da microalga. O objetivo deste trabalho foi estudar a conversão de Spirulina sp. LEB-18 em biogás em escala piloto e produzir biomassa microalgal utilizando os efluentes bicarbonato e dióxido de carbono do processo anaeróbio como fonte de nutrientes. Spirulina foi utilizada como substrato na digestão anaeróbia para produção de biogás em escala piloto sob temperaturas variáveis (12- 38 °C). Efluente do processo anaeróbio foi adicionado (20 %, v/v) como fonte de carbono no cultivo da microalga para avaliar o crescimento e a composição da biomassa. A seguir foi avaliada a capacidade da microalga de remover CO2 presente no biogás através de biofixação para obtenção do biocombustível purificado. O biogás produzido sob as diferentes temperaturas apresentou entre 72,2 e 74,4 % de CH4, quando realizado nas temperaturas 12 a 21 °C e 26 a 38 °C, respectivamente. A redução na temperatura do processo anaeróbio provocou um decréscimo na conversão de biomassa em biogás (0,30 para 0,22 g.g-1 ), ocorrendo dentro da faixa adequada e segura para as bactérias metanogênicas (pH 6,9; alcalinidade entre 1706,0 e 2248,0 mg.L-1 CaCO3 e nitrogênio amoniacal 479,3 a 661,7 mg.L-1 ). Os cultivos de Spirulina sp. LEB-18 em efluente anaeróbio contendo 20 % (v/v) e meio Zarrouk modificado (NaHCO3 2,8 e 5,3 g.L-1 ) apresentaram velocidade específica máxima de crescimento entre 0,324 e 0,354 d-1 , produtividade volumétrica entre 0,280 e 0,297 g.L-1 .d-1 e produtividade areal entre 14,00 e 14,85 g.m-2 .d-1 , sem diferenças significativas (p > 0,05) entre as diferentes condições estudadas. Lipídios variaram entre 4,9 e 5,0 % com proporção de ácido linoleico maximizada nos meios com efluente e ácido alfa-linolênico reduzida nesses meios em comparação ao meio Zarrouk completo. Nos ensaios para avaliar a capacidade da microalga Spirulina sp. LEB-18 de remover CO2 contaminante no biogás, as máximas concentrações celulares e produtividades de biomassa variaram, respectivamente, entre 1,12 e 1,24 g.L-1 e 0,11 e 0,14 g.L-1 .d-1 , não apresentando diferenças significativas (p > 0,05) entre os ensaios. A maior fixação diária total (FDT) de dióxido de carbono obtida foi 58,01 % (v/v) em cultivos com adição de biogás contendo 25 % (v/v) CO2. Obteve-se biogás com 89,5 % (v/v) de CH4 após injeção em cultivos de Spirulina, no qual aproximadamente 45 % (v/v) do CO2 injetado foi fixado pela microalga, gerando biomassa para diversas aplicações e biogás purificado. The world’s population increase and the attempt in partial substitution of fossil fuels for new energy sources have been leading to a greater attention towards a possible food shortage and lack of available lands for agriculture. Through the photosynthetic metabolism, microalgae use solar energy and carbon dioxide as nutrients for their growth. The microalgae Spirulina can be used as food supplement, on the biofixation of CO2, as source of biofuels and on the treatment of effluents. The anaerobic digestion of the microalgae biomass produces biogas and its residues can be used as substratum for new microalgae culture. The objective of this task was to study a Spirulina sp. LEB- 18 conversion into biogas in a pilot scale and to produce microalgae biomass using the effluents bicarbonate and carbon dioxide of the anaerobic process as a source of nutrients. Spirulina was used as substratum in the anaerobic digestion for the biogas production in pilot scale under varying temperatures (12-38 ºC). The process of the anaerobic effluent has been added (20 %, v/v) as a carbon source in the microalgae culture to evaluate the biomass’s growth and composition. Next, the microalgae’s capacity of removing the resident CO2 in the biomass through biofixation to obtaining the refined biofuel has been evaluated. Produced under different temperatures, the biogas has shown between 72.2 % and 74.4 % of CH4 when accomplished with 12 to 21 ºC and 26 to 38 ºC temperatures, respectively. The reduction of the temperatures in the anaerobic process caused a decrease in the conversion of biomass into biogas (0.30 to 0.22 g.g-1 ), occurring within the adequate and safe range for methanogenic bacterias (pH 6.9; alkalinity between 1706.0 and 2248.0 mg.L-1 CaCO3 and ammoniacal nitrogen 479.3 to 661.7 mg.L-1 ). The Spirulina sp. LEB-18 cultures into anaerobic effluents containing 20 % (v/v) and Zarrouk modified medium (NaHCO3, 2.8 and 5.3 g.L-1 ) showed specific maximum speed of growth between 0.324 and 0.354 d-1 , volumetric productivity between 0.280 and 0.297 g.L-1 .d-1 and areal productivity between 14.00 and 14.85 g.m-2 .d-1 , without signifying differences (p > 0.05) between different studied conditions. Lipids vary between 4.9 and 5.0 % with maximized proportion of linoleic acid in environments with effluent and reduced alfa-linoleic acid in these environments in comparison to the complete Zarrouk one. On the essays to evaluate microalgae Spirulina sp. LEB-18’s capacity of removing contaminant CO2 on biogas, the maximum cellular concentrations and productivities of biomass varied, respectively, between 1.12 and 1.24 g.L-1 and 0.11 and 0.14 g.L-1d -1 , not showing signifying differences (p > 0.05) between essays. The major total diary fixation (TDF) of carbon dioxide obtained was 58.01 % (v/v) in cultures with the addition of biogas containing 25 % (v/v) of CO2. Biogas has been obtained with 89.5 % (v/v) of CH4 after injection in Spirulina’s cultures, in which approximately 45 % (v/v) of CO2 injected had been fixed by the microalgae, generation biomass for multiple applications and refined biogas. Mudanças climáticas devido ao uso de combustíveis fósseis têm impulsionado a busca por novas fontes de energia com menor impacto ambiental. Biogás é um combustível produzido pela digestão anaeróbia da fração orgânica de biomassa, constituído principalmente por metano e dióxido de carbono. Este trabalho teve como objetivo estudar a conversão de biomassa da microalga Spirulina sp. LEB-18 em biogás, por digestão anaeróbia em biorreator em escala piloto (310 L) sob temperatura ambiente, que variou entre 12-38 °C. A maior conversão da fração orgânica da biomassa de Spirulina sp. LEB-18 em metano foi 0,30 g.g-1 e a decomposição da fração orgânica da biomassa foi maior que 80 %. A concentração de metano no gás aumentou com o aumento da temperatura ambiente, obtendo-se 74,4 % quando o processo foi conduzido em temperaturas entre 26-38 °C e 72,2 % de CH4 no gás, quando submetido a baixas temperaturas (12-21 °C). Os resultados foram comparados com outros obtidos em escala de bancada (35 °C) e a decomposição da biomassa e decomposição da fração orgânica da biomassa em escala piloto sob temperaturas de 26 a 38 °C foram semelhantes aos de escala laboratorial em condições ótimas, não apresentando diferença significativa, demonstrando potencialidade de aplicação da biomassa de Spirulina para produzir biogás sob condições ambientais. Climate changes due to the usage of fossil fuel have boosted the search for new sources of energy with less environmental impact. Biogas is a fuel produced by the anaerobic digestion of the biomass’s organic fraction, consisting mainly by methane and carbon dioxide. This task had as objective to study the microalgae Spirulina sp. LEB-18’s biomass conversion into biogas by anaerobic digestion with bioreactor in pilot scale (310 L) under ambient temperature, that varied between 12-38 ºC. The major conversion of the biomass’s organic fraction of Spirulina sp. LEB-18 in methane was 0.30 g.g-1 and the decomposition of biomass organic fraction was over 80 %. The concentration of methane on the gas increased with the increase of the ambient temperature, obtaining 74.4 % when the process was conducted in temperatures between 26–38 ºC and 72.2 % of CH4 on the gas when subjected to low temperatures (12–21 ºC). The results were compared to other obtained ones in bench scale (35 ºC) and the biomass decomposition and biomass’s organic fraction decomposition in pilot scale under temperatures of 26 to 38 ºC were similar to the laboratory scale ones in great conditions, not showing signifying difference, demonstrating application potentiality of Spirulina’s biomass to produce biogas under ambient conditions. A fonte de carbono é o principal componente dos custos de produção de Spirulina, e efluentes de digestão anaeróbia contém este nutriente como HCO3 - . O objetivo deste trabalho foi estudar a cinética de crescimento, a composição e o perfil de ácidos graxos da microalga Spirulina sp. LEB-18 cultivada em meio Zarrouk (NaHCO3 16,8 g.L-1 ) e em meio Zarrouk modificado substituído por 20 % (v/v) de efluente com concentrações reduzidas de NaHCO3 (5,3 e 2,8 g.L-1 ). A utilização de efluente e menores concentrações de HCO3 - é uma alternativa para diminuição dos custos de produção de Spirulina, pois não houve diferenças significativas nos parâmetros de crescimento (µmáx 0,324-0,354 d-1 ; Pmáx 0,280-0,297 g.L-1 .d-1 ), nos diferentes meios utilizados. Lipídios variaram entre 4,9 e 5,0 % com proporção de ácido linoleico maximizada nos meios com efluente e ácido alfa linolênico reduzida nesses meios em comparação ao meio padrão. The carbon source is the most expensive nutrient for Spirulina production; effluents from anaerobic digestion contain this nutrient in the form of HCO3 - . The aim of this study was to assess the growth kinetics, composition and fatty acid profile of Spirulina sp. LEB-18 grown in Zarrouk medium (NaHCO3 16.8 g L-1 ) and in Zarrouk medium modified replaced with 20 % (v/v) effluent with reduced concentrations of NaHCO3 (5.3 and 2.8 g L-1 ). The use of effluent and lower concentrations of HCO3 - was found to be an alternative to reduce the costs of Spirulina production, because there were no significant differences in growth parameters (μmax 0.324-0.354 d -1 ; Pmax 0.280-0.297 g L- 1 d -1 ), in the different culture medium used. Lipids ranged between 4.9 and 5.0 %; the media with effluent had higher levels of linoleic acid compared to the standard medium.