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ORCID:  http://orcid.org/0009-0008-5532-579X
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Explorando a produção de hidrogênio a partir da co-gaseificação de biomassa–plástico: um estudo integrado de simulação e aprendizado de máquina
Alternate title (s): Exploring hydrogen production from biomass–plastic co-gasification: an integrated study of simulation and machine Learnin
Author: Bernardes, Victor Hugo Xavier
First Advisor: Altino, Sarah Arvelos
First coorientator: Gedraite, Rubens
First member of the Committee: Spogis, Nicolas
Second member of the Committee: Coutinho Filho, Ubirajara
Summary: A 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.
Abstract: Biomass–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.
Keywords: Co-gaseificação
Biomassa–plástico
Modelagem de processos
Aprendizado de máquina (XGBoost)
IA explicável
Otimização por evolução diferencial
Gás de síntese rico em hidrogênio
Biomass–plastic co-gasification
Process modelling
Machine learning (XGBoost)
Explainable AI
Differential evolution optimisation
Hydrogen-rich syngas
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Subject: Engenharia química
Hidrogênio
Biomassa - Plásticos
Inteligência artificial
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: BERNARDES, 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.2026.139
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.139
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48774
Date of defense: 13-Feb-2026
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Química

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