Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48774
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.creatorBernardes, Victor Hugo Xavier-
dc.date.accessioned2026-06-23T17:48:25Z-
dc.date.available2026-06-23T17:48:25Z-
dc.date.issued2026-02-13-
dc.identifier.citationBERNARDES, Victor Hugo Xavier. Explorando a produção de hidrogênio a partir da co-gaseificação de biomassa–plástico: um estudo integrado de simulação e aprendizado de máquina. 2026. 103 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.139pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48774-
dc.description.abstractBiomass–plastic co-gasification is a promising route for producing low-carbon syngas and hydrogen; however, its optimization is challenged by nonlinear interactions among temperature, equivalence ratio, and feed composition. In this work, an integrated approach combining steady-state thermochemical process modelling and machine learning was developed to predict and optimize the performance of biomass–plastic systems. A phenomenological model was implemented in the AVEVA PRO/II simulator, structured into drying, pyrolysis, gasification, and restricted chemical-equilibrium stages, using air as the gasifying agent. The model was validated against experimental literature data, reproducing the order of magnitude of the molar fractions of H₂, CO, CO₂, and CH₄ under different operating conditions. Based on this validated platform, a synthetic dataset of 3,000 simulations was generated via Latin Hypercube Sampling, covering five plastics (HDPE, PE, PP, PS, and PET), 35 lignocellulosic biomasses, and representative ranges of temperature and equivalence ratio. Extreme Gradient Boosting (XGBoost) models were then trained to predict syngas composition (H₂, CO, and CO₂), total gas yield, lower heating value, and the H₂/CO ratio. The split into training, validation, and test sets was assessed using distance-based metrics (1-NN, MMD, and Energy Distance), ensuring representativeness and generalization. The models achieved high performance, with out-of-sample coefficients of determination above 0.98. Interpretability was examined using explainable AI techniques based on SHAP values, indicating that temperature and equivalence ratio are key drivers of H₂ formation, whereas carbon and fixed carbon contents govern CO generation. The applicability domain was verified using Mahalanobis distance, ensuring prediction reliability. Finally, Differential Evolution optimization identified synergistic biomass–plastic pairs and operating conditions that maximize hydrogen production and syngas quality. The optimal solutions favored polypropylene-rich blends with lignocellulosic biomasses, yielding H₂ fractions of approximately 28%, H₂/CO ratios close to 1.1, and lower heating values around 6.5 MJ·Nm⁻³. The proposed approach integrates mechanistic modelling, explainable machine learning, and optimization, supporting the rational design of hydrogen-oriented co-gasification systems.pt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Uberlândiapt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectCo-gaseificaçãopt_BR
dc.subjectBiomassa–plásticopt_BR
dc.subjectModelagem de processospt_BR
dc.subjectAprendizado de máquina (XGBoost)pt_BR
dc.subjectIA explicávelpt_BR
dc.subjectOtimização por evolução diferencialpt_BR
dc.subjectGás de síntese rico em hidrogêniopt_BR
dc.subjectBiomass–plastic co-gasificationpt_BR
dc.subjectProcess modellingpt_BR
dc.subjectMachine learning (XGBoost)pt_BR
dc.subjectExplainable AIpt_BR
dc.subjectDifferential evolution optimisationpt_BR
dc.subjectHydrogen-rich syngaspt_BR
dc.titleExplorando a produção de hidrogênio a partir da co-gaseificação de biomassa–plástico: um estudo integrado de simulação e aprendizado de máquinapt_BR
dc.title.alternativeExploring hydrogen production from biomass–plastic co-gasification: an integrated study of simulation and machine Learninpt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR
dc.contributor.advisor-co1Gedraite, Rubens-
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9579409657715325pt_BR
dc.contributor.advisor1Altino, Sarah Arvelos-
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8375409235580771pt_BR
dc.contributor.referee1Spogis, Nicolas-
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3935824423413364pt_BR
dc.contributor.referee2Coutinho Filho, Ubirajara-
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/6765133716503854pt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/8733637372552645pt_BR
dc.description.degreenameDissertação (Mestrado)pt_BR
dc.description.resumoA co-gaseificação de biomassa e resíduos plásticos é uma rota promissora para a produção de gás de síntese e hidrogênio de baixo carbono, porém sua otimização é dificultada por interações não lineares entre temperatura, razão de equivalência e composição da alimentação. Neste trabalho, desenvolveu-se uma abordagem integrada que combina modelagem termoquímica em regime estacionário e aprendizado de máquina para predição e otimização do desempenho de sistemas biomassa–plástico. Um modelo fenomenológico foi implementado no simulador AVEVA PRO/II, estruturado em etapas de secagem, pirólise, gaseificação e equilíbrio químico restrito, utilizando ar como agente gaseificante. O modelo foi validado por comparação com dados experimentais da literatura, reproduzindo a ordem de grandeza das frações molares de H₂, CO, CO₂ e CH₄ em diferentes condições operacionais. A partir dessa base, gerou-se um banco de dados sintético com 3.000 simulações, obtidas por amostragem por Hipercubo Latino, contemplando cinco plásticos (HDPE, PE, PP, PS e PET), 35 biomassas lignocelulósicas e faixas representativas de temperatura e razão de equivalência. Em seguida, modelos Extreme Gradient Boosting (XGBoost) foram treinados para prever a composição do gás (H₂, CO e CO₂), o rendimento total de gás, o poder calorífico inferior e a razão H₂/CO. A separação entre conjuntos de treinamento, validação e teste foi avaliada por métricas de distância (1-NN, MMD e Energy Distance), assegurando representatividade e generalização. Os modelos apresentaram desempenho elevado, com coeficientes de determinação superiores a 0,98 fora da amostra. A interpretabilidade foi analisada por técnicas de IA explicável, com valores SHAP, indicando que temperatura e razão de equivalência são determinantes para a formação de H₂, enquanto os teores de carbono e carbono fixo controlam a geração de CO. O domínio de aplicabilidade foi verificado por distância de Mahalanobis, garantindo confiabilidade das previsões. Por fim, a otimização por Evolução Diferencial permitiu identificar pares biomassa–plástico sinérgicos e condições operacionais que maximizam a produção de hidrogênio e a qualidade do gás. As soluções ótimas favoreceram misturas ricas em polipropileno com biomassas lignocelulósicas, resultando em frações de H₂ da ordem de 28%, razão H₂/CO próxima de 1,1 e poder calorífico inferior em torno de 6,5 MJ·Nm⁻³. A abordagem proposta integra modelagem mecanística, aprendizado de máquina explicável e otimização, contribuindo para o projeto racional de sistemas de co-gaseificação orientados à produção de hidrogênio.pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Químicapt_BR
dc.sizeorduration103pt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICApt_BR
dc.identifier.doihttp://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.139pt_BR
dc.orcid.putcode218608017-
dc.subject.autorizadoEngenharia químicapt_BR
dc.subject.autorizadoHidrogêniopt_BR
dc.subject.autorizadoBiomassa - Plásticospt_BR
dc.subject.autorizadoInteligência artificialpt_BR
dc.subject.odsODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.pt_BR
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Química

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
ExplorandoProduçãoHidrogênio.pdf3.44 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.