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Título: Modelagem matemática e computacional do modelo de monod fracionário no estudo de biocombustíveis para possíveis aplicação em foguetes
Título(s) alternativo(s): Mathematical and computational modeling of the fractional Monod model in the study of biofuels for potential rocket applications
Autor(es): Sousa, Wosthânia Tattiana Maria Ferreira
Orientador: Costa , Felix Silva
Membro da Banca: Luz, Renato Rodrigues
Membro da Banca: Santana, Audilene Amorim
Data do documento: 2026-05-20
Editor: Universidade Estadual do Maranhão
Resumo: Esta dissertação aborda a modelagem matemática e computacional de bioprocessos voltados à produção de biocombustíveis, com possíveis aplicações ao estudo de propelentes para foguetes. O trabalho demonstra as limitações do modelo cinético clássico de Monod e propõe uma abordagem inovadora utilizando o cálculo fracionário para descrever a cinética de reações em sistemas biológicos. A introdução de derivadas de ordem fracionária, nas formulações de Riemann-Liouville e Caputo, permite incorporar efeitos de memória e não localidade, características inerentes a bioprocessos complexos. O objetivo geral consiste na criação e aplicação computacional de um modelo de Monod fracionário para análise e otimização da produção de biocombustíveis. A metodologia adotada inclui a implementação em linguagem Python por meio do Método Iterativo Regularizado de Diferenças Finitas (MIRDF), projetado para a resolução numérica de equações diferenciais fracionárias não lineares. Simulações foram realizadas em configuração de reator batelada, com parâmetros μmax = 0,009 h−1 e Ks = 4 × 10−8 mg/L. Os resultados demonstram que o modelo fracionário, com ordem α < 1, descreve com maior fidelidade as fases de crescimento microbiano em comparação ao modelo clássico (α = 1,0), produzindo curvas de transição mais suaves entre as fases lag e exponencial e incorporando a dependência histórica do sistema. A validação numérica do MIRDF, fundamentada em problemas de teste lineares para análise rigorosa de convergência antes da aplicação ao sistema acoplado de Monod, apresentou erros absolutos da ordem de 10−7, confirmando a precisão e robustez do método sob as condições do Teorema do Ponto Fixo de Banach. A análise comparativa com pesquisas similares evidencia que o parâmetro fracionário α atua como um fator de calibração, ampliando a capacidade preditiva do modelo. Conclui-se que o cálculo fracionário constitui uma ferramenta de engenharia eficaz para a otimização de bioprocessos voltados à produção de propelentes renováveis de alta performance para aplicações aeroespaciais, contribuindo para o desenvolvimento de fontes de energia limpas no setor espacial
Resumo: This dissertation addresses the mathematical and computational modeling of bioprocesses oriented toward biofuel production, with potential applications to the study of rocket propellants. The work demonstrates the limitations of the classic Monod kinetic model and proposes an innovative approach using fractional calculus to describe the kinetics of reactions in biological systems. The introduction of fractional-order derivatives, within the Riemann-Liouville and Caputo formulations, allows the incorporation of memory effects and non-locality, which are inherent characteristics of complex bioprocesses. The general objective consists of the creation and computational application of a fractional Monod model for the analysis and optimization of biofuel production. The adopted methodology includes implementation in the Python language using the Modified Iterative Regularized Finite Difference Method (MIRDF), designed for the numerical resolution of non-linear fractional differential equations. Simulations were carried out in a batch reactor configuration, with parameters μmax = 0.009 h−1 and Ks = 4 × 10−8 mg/L. The results demonstrate that the fractional model, with order α < 1, describes microbial growth phases with greater fidelity compared to the classic model (α = 1.0), producing smoother transition curves between the lag and exponential phases and incorporating the historical dependence of the system. The numerical validation of the MIRDF, grounded on linear test problems for rigorous convergence analysis before application to the coupled nonlinear Monod system, yielded absolute errors on the order of 10−7, confirming the precision and robustness of the method under the conditions of Banach’s Fixed-Point Theorem. Comparative analysis with similar studies shows that the fractional parameter α acts as a calibration factor, expanding the predictive capacity of the model. It is concluded that fractional calculus constitutes an effective engineering tool for optimizing bioprocesses aimed at producing highperformance renewable propellants for aerospace applications, contributing to the development of clean energy sources in the space sector
Palavras-chave: Cálculo Fracionário
Cinética de Monod
Bioprocessos
Biocombustíveis
Modelagem Computacional
Propulsão Aeroespacial
Fractional Calculus.
Monod Kinetics
Bioprocesses. Biofuels
Computational Modeling
Aerospace Propulsion.
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