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Type: Tese
Title: Adm1 modeling and application for anaerobic conversion of fruit and vegetable waste
Title in English: Adm1 modeling and application for anaerobic conversion of fruit and vegetable waste
Authors: Silva, Thobias Pereira
Advisor: Santos, André Bezerra dos
Co-advisor: Leitão, Renato Carrhá
Keywords in Brazilian Portuguese : Resíduos agrícolas;Digestão anaeróbia;Bioenergia
Keywords in English : Agricultural waste;Anaerobic digestion;Bioenergy
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL
Issue Date: 2026
Citation: SILVA, Thobias Pereira. Adm1 modeling and application for anaerobic conversion of fruit and vegetable waste. 2026. 212 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Saneamento Ambiental) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Abstract in Brazilian Portuguese: Embora o Anaerobic digestion model No. 1 (ADM1) seja amplamente utilizado para simular processos de digestão anaeróbia (DA), sua aplicação a resíduos de frutas e hortaliças (RFH) ainda permanece limitada quando se consideram características do substrato, configuração do reator e rotas metabólicas alternativas. Nesse contexto, esta pesquisa de doutorado teve como objetivo avaliar, calibrar e estender estruturalmente o ADM1 para representar diferentes rotas de conversão anaeróbia de RFH por meio de uma abordagem integrada experimental e computacional. O substrato consistiu em resíduos de frutas e hortaliças coletados e submetidos a pré-tratamento, gerando duas frações: uma fração sólida (RFH-S) e uma fração líquida (RFH L). Esta última foi aplicada nas etapas experimentais e de modelagem da DA úmida e da fermentação escura (FE). A tese foi desenvolvida em três etapas complementares. Primeiramente, uma análise bibliométrica focada em aplicações do ADM1 na digestão anaeróbia seca (DA-S) identificou uma predominância clara de estudos dedicados à digestão anaeróbia úmida (DA-U), revelando que sistemas com alto teor de sólidos ainda permanecem comparativamente pouco explorados e frequentemente requerem adaptações cinéticas específicas, particularmente nos processos de hidrólise e desintegração. Em seguida, o ADM1 foi aplicado, ajustado e calibrado para DA-U de RFH-L em reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente (UASB). Os resultados demonstraram que a representação adequada desse substrato sob condições operacionais de reatores UASB requer ajuste dependente do substrato para parâmetros de hidrólise, desintegração e captação microbiana, resultando em elevada precisão preditiva para produção de biogás e dinâmica de intermediários do processo, com coeficientes de determinação atingindo 0,99. Por fim, para a FE de RFH-L em reator anaeróbio de leito fixo estruturado (AnSTBR) com biomassa aderida, a estrutura padrão do ADM1 mostrou-se insuficiente para representar as rotas metabólicas associadas à produção de hidrogênio sob condições acidogênicas. Para superar essa limitação, rotas adicionais relacionadas à formação e ao consumo de lactato foram incorporadas à estrutura do modelo, juntamente com ajustes cinéticos adaptados à operação do reator e às características do substrato. O modelo modificado melhorou significativamente o desempenho preditivo para rendimento de hidrogênio, composição gasosa, ácidos graxos voláteis (AGV) e produção de biogás, com coeficientes de determinação superiores a 0,90. A principal contribuição original desta tese consiste em demonstrar que o ADM1 pode ser progressivamente adaptado além de sua formulação convencional, desde a recalibração de parâmetros até a modificação estrutural,a fim de representar distintas rotas de valorização anaeróbia de RFH dentro de uma estrutura mecanística unificada. Esses resultados ampliam a aplicabilidade do ADM1 a sistemas emergentes de conversão de resíduos em energia e fornecem base científica para futuras estratégias de biorrefinarias virtuais voltadas à valorização energética de resíduos orgânicos.
Abstract: Although the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) is widely used to simulate anaerobic digestion (AD) processes, its application to fruit and vegetable waste (FVW) remains limited when substrate characteristics, reactor configuration, and alternative metabolic routes are considered. In this context, this doctoral research aimed to evaluate, calibrate, and structurally extend ADM1 for representing different anaerobic conversion pathways of FVW through an integrated experimental and computational approach. The substrate consisted of collected FVW subjected to pretreatment, generating two fractions: a solid fraction (S-FVW) and a liquid fraction (L-FVW). The latter was applied in the experimental and modeling stages of wet anaerobic digestion (W-AD) and dark fermentation (DF). The thesis was developed in three complementary stages. First, a bibliometric analysis focused on ADM1 applications in dry anaerobic digestion (D-AD) identified a clear predominance of studies dedicated to W-AD, revealing that high-solids systems still remain comparatively underexplored and often require specific kinetic adaptations, particularly in hydrolysis and disintegration processes. Second, ADM1 was applied, adjusted, and calibrated for W-AD of L-FVW in Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactors. The results demonstrated that adequate representation of this substrate under UASB operational conditions requires substrate-dependent adjustment of hydrolysis, disintegration, and microbial uptake parameters, leading to high predictive accuracy for biogas production and intermediate process dynamics, with coefficients of determination reaching 0.99. Third, for DF of L-FVW in an Anaerobic Structured-Bed Reactor (AnSTBR) with attached biomass, the standard ADM1 structure proved insufficient to represent metabolic pathways associated with hydrogen production under acidogenic conditions. To address this limitation, additional pathways related to lactate formation and consumption were incorporated into the model structure, together with kinetic adjustments adapted to reactor operation and substrate characteristics. The modified model significantly improved predictive performance for hydrogen yield, gas composition, volatile fatty acids (VFA), and biogas production, with coefficients of determination above 0.90. The main original contribution of this thesis lies in demonstrating that ADM1 can be progressively adapted beyond its conventional formulation, from parameter recalibration to structural modification, in order to represent distinct anaerobic valorization routes of FVW within a unified mechanistic framework. These findings expand the applicability of ADM1 to emerging waste-to-energy systems and provide a scientific basis for future virtual biorefinery strategies for organic waste valorization.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85972
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5139-1222
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/3081694308592693
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3395-8878
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/3626519258208111
Co-advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9969-3059
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/6670462096159133
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DEHA - Teses defendidas na UFC

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