Diseño de un sistema control de temperatura y pH,

en el proceso de digestión anaeróbica para residuos

sólidos orgánicos en un bio-reactor tipo BATCH

José David Alvarado Moreno

Tesis para optar al título de

Magister En ingeniería de control industrial

Director

Ing. MSc Mauricio Hernández

Universidad De Ibagué

Programa De Automatización Industrial

Maestría En Ingeniería De Control Industrial

Ibagué – Tolima

2015

Índice de figuras

1.1. Etapas de la DA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2. Rendimientos de biogás relativos, dependiendo de la temperatura y

tiempo de retención. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1. Componentes de un sistema de digestión anaerobia . . . . . . . . . . 22

2.2. Configuraciones de transmisor de calor para biorreactores. . . . . . . 24

2.3. Vista superior del bioreactor Diseñado . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4. Tipos de agitadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.5. Diseño de agitador de hélice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.6. Agitador diseñado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.7. Vista frontal y lateral del biorreactor diseñado. . . . . . . . . . . . . . 29

2.8. Dimensiones del biorreactor tipo BATCH en mm. . . . . . . . . . . . 30

2.9. Dimensiones tanque de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.10. Biorreactor de 10L construido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.11. Tanque almacenamiento de biogás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.12. Tanque con la resistencia eléctrica con sensores de nivel on/off . . . . 33

2.13. Vista superior de biorreactor, con la tapa para evitar fugas de agua. . 34

2.14. Sistema de intercambio de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.15. Sistema de intercambio de calor de dos niveles. . . . . . . . . . . . . . 36

2.16. Diagrama de instrumentación del sistema de intercambio de calor de

dos niveles con chequen y electro-válvula. . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.17. Resistencia sumergible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.18. Circuito de regulación de la red eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.19. Diagrama de instrumentación del sistema de temperatura con senso-

res y actuadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2

2.20. Componentes y funcionamiento de una bomba peristaltica . . . . . . 40

2.21. Bomba peristáltica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.22. A4988 Stepper Motor Driver Carrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.23. Funcionamiento bomba dosificación de ácido . . . . . . . . . . . . . . 42

2.24. Funcionamiento bomba dosificación de base . . . . . . . . . . . . . . 43

2.25. Diagrama de instrumentación de temperatura y pH . . . . . . . . . . 44

2.26. Sensor de temperatura PT100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.27. RCV420 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.28. M12 Process pH Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.29. Transmisor de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.30. Sensor de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.31. INA129 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.32. Sensor de Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.33. Sensor de Flujo de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.34. Diagrama de instrumentación Planta piloto. . . . . . . . . . . . . . . 53

2.35. Planta piloto de producción de biogás. . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.36. Esquema de adquisición de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.37. Interfaz de monitoreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.38. Base de datos Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.39. Configuración de Conector ODBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.40. Estructura interna de interfaz de descarga . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.41. Interfaz de descarga y presentación de datos . . . . . . . . . . . . . . 61

3.1. Residuos sólidos orgánicos triturados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.2. Materia prima preparada para ser ingresada en el biodigestor. . . . . 63

3.3. Sustrato obtenido de las mezcla de las materias primas y agua. . . . . 64

3.4. Inoculo utilizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1. Señal escalón de entrada (Porcentaje de la señal PWM) . . . . . . . . 69

4.2. Respuesta de temperatura del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.3. Señal de salida filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.4. comparación entre la respuesta del sistema y el modelo el sistema

identificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.5. Diagrama de bloque de un proceso con realimentación con un relé. . . 72

4.6. Salida del relé y salida del proceso para un sistema continuo. . . . . . 72

4.7. Prueba del relé para el sistema de temperatura para los métodos AH

y KC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.8. Prueba del relé para el sistema de temperatura para los método KR . 74

4.9. Diseño del controlador PID digital utilizando Matlab . . . . . . . . . 76

4.10. Diagrama de bloques del esquema del control PID. . . . . . . . . . . 76

4.11. Simulación de los PID diseñados con rechazo a perturbaciones. . . . . 77

4.12. Respuesta del controlador a cambios del set point. . . . . . . . . . . . 77

4.13. Señal de entrada al actuador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.14. Curva de titulación del sustrato ácido a base . . . . . . . . . . . . . . 80

4.15. Curva de titulación del sustrato base ácido . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.16. Diagrama esquemático del proceso de neutralización en tanque cerrado. 82

4.17. Modelo para el proceso de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.18. Curva de titulación del modelo de simulink de ácido a base. . . . . . 84

4.19. Curva de titulación del modelo de simulink de base ácido. . . . . . . . 85

4.20. Estructura de un controlador difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.21. Lazo de un controlador difuso clásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.22. Componentes del controlador difuso diseñado. . . . . . . . . . . . . . 89

4.23. Conjuntos difusos de la variable de entrada ERROR. . . . . . . . . . 89

4.24. Definición de conjuntos difusos de la variable de salida ACIDO. . . . 91

4.25. Definición de conjuntos difusos de la variable de salida BASE. . . . . 92

4.26. Diagrama de control de pH en simulación. . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.27. Funcionamiento del controlador de pH en la simulacion. . . . . . . . . 94

4.28. SBRIO 9632 National instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.29. Medicion de pH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.30. Medicion de Presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.31. Control de Velocidad de las Bombas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.32. Interfaz Fuzzy labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.33. Superficie para la salida base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.34. Superficie para la salida ácido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.35. Controlador difuso implementado en Labview . . . . . . . . . . . . . 99

5.1. Funcionamiento de control de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.2. Control de temperatura Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.3. Control de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.4. Funcionamiento del control de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.5. Rechazo de perturbaciones en el control pH . . . . . . . . . . . . . . 104

5.6. Seguimiento del set-point en el control pH . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.7. Concentración volumetrica de CH4 en el bioreactor. . . . . . . . . . . 106

Índice de tablas

1.1. Rangos de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2. Composición de biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1. Proporciones para diseño del agitador. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2. Trama de datos para solicitud de información . . . . . . . . . . . . . 50

2.3. Respuesta del sensor en lectura Dual. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.1. Composición de los RSO de tipo vegetal de la plaza de mercado . . . 62

3.2. Propiedades físicas de la materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.3. Composición mezcla de residuos sólidos para digestión anaerobia . . . 65

3.4. Composición del Septitrim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1. Constantes del controlador PID discreto para los métodos AH, KC y

KR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.2. Conjuntos difusos de la variable de entrada ERROR. . . . . . . . . . 90

4.3. Conjuntos difusos de la variable de salida ACIDO. . . . . . . . . . . . 91

4.4. Conjuntos difusos de la variable de salida BASE. . . . . . . . . . . . 92

4.5. Base de Reglas para Controlador Difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6

Índice general

Introducción 11

1. Digestión anaeróbica en un biorreactor 14

1.1. Digestión Anaerobia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2. Biorreactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4. Potencial de hidrógeno (pH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.5. Ácidos grasos volátiles (AGV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.6. Concentración de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7. Otras variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2. Planta piloto para producción de biogás 21

2.1. Diseño del biorreactor anaerobio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.1. Biorreactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.2. Sistema de transmisión de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.3. Sistema de dosificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.4. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.5. Sistema de mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.6. Sistema de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2. Construcción del biorreactor anaerobio . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.1. Implementación del Sistema de intercambio de calor. . . . . . 32

2.2.2. Implementación sistema de dosificación . . . . . . . . . . . . . 39

2.3. Instrumentación planta piloto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.3.1. Sensor y transmisor de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . 44

2.3.2. Sensor y transmisor de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7

2.3.3. Sensor de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.3.4. Sensor de Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.3.5. Sensor de flujo de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.3.6. Motor para agitador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.4. Planta piloto para la producción de biogás . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.5. Monitoreo de variables medidas en el proceso . . . . . . . . . . . . . 53

2.5.1. Adquisición de Información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.5.2. Interfaz de Monitoreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.5.3. Monitoreo remoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3. Descripción del experimento 62

4. Diseño de control del potencial de hidrógeno (pH) y temperatura 67

4.1. Control de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.1.1. Identificación del modelo de temperatura . . . . . . . . . . . . 68

4.1.2. Diseño del control de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2. Modelo Teórico del potencial de hidrógeno (pH) . . . . . . . . . . . . 78

4.2.1. Fundamentos químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.2.2. Titulaciones de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2.3. Modelo dinámico del pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.3. Selección de la estrategia de control de pH . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.4. Componentes de un controlador difuso . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.4.1. Interfaz de difusificación o difusor . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.4.2. Base de conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.4.3. Lógica de decisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.4.4. Interfaz de desdifusicación o concresor . . . . . . . . . . . . . 87

4.5. Diseño de un controlador difuso para pH . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.5.1. Definición de las entrada y salida del sistema . . . . . . . . . . 88

4.5.2. Definición de la base de reglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.5.3. Funcionamiento del controlador diseñado en simulación . . . . 93

4.5.4. Implementación del controlador Difuso . . . . . . . . . . . . . 94

5. Funcionamiento de los sistemas de control 100

5.1. Control de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.2. Control de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Conclusiones 108

Bibliografía 110

Anexos 116

A. Archivos Matlab 116

B. Archivos Labview 119

Introducción

El ministerio de ambiente de Colombia informa que se generaron en prome-

dio 25.840 (Ton/Día) durante el periodo del 2011-2013 de residuos sólidos urbanos

(RSU)[1], que están compuestos por los siguientes materiales; orgánicos 65 %, papel

y cartón 5 %, plásticos 14 %, vidrio 4 %, caucho 1 %, metales 1 %, textiles 3 %, pató-

genos peligrosos 2 %, y otros 5 % [2]. Para la gestión de estos elementos encontramos

en la actualidad diferentes disposiciones legales [3],[4],[5] que establecen políticas,

procedimientos, y lineamientos de recolección, transporte, separación, clasificación

y aprovechamiento, que es realizada en los sistemas de disposición final que encon-

tramos en el país como; rellenos sanitarios el 72 %, botaderos el 15 %, planta integral

el 5.2 %, celda transitoria el 4.6 %, celda de contingencia el 2 %, cuerpos de agua el

1 % y todavía el 0.1 % quema los residuos [1].

En la gestión de los RSU el aprovechamiento esta definido como la reincorpora-

ción de cualquier material, sustancia o elemento a un procesos productivo, con lo que

se busca mitigar el impacto ambiental generado y obtener un beneficio económico[6].

Esta actividad se puede evidenciar en el plástico, vidrio y papel, en donde son proce-

sados la mayor cantidad de RSU generados de este tipo, para el caso de los residuos

sólidos orgánicos (RSO) solo es posible procesar cantidades mínimas de RSU re-

colectados, debido a los altos volúmenes generados, en general se logran procesan

alrededor de 25 (Ton/Día)1 en el país, los desechos restantes compuestos princi-

palmente por RSO son generalmente almacenados en rellenos sanitarios para que

realicen su proceso natural de descomposición, lo que actualmente generan mayores

problemas ambientales, debido a que se generan diferentes tipos de gases, olores,

lixiviados entre otros, que impactan negativamente en el ambiente y de los que no

se obtiene ningún tipo de beneficio económico.

Para el manejo de los RSO el ministerio de ambiente establece los siguientes

tipos de aprovechamiento: tratamiento biológico (Compostaje, lombricultura, bio-

digestión - abono orgánico), alimenticio (Concentrado para animales) y energético

1Fuente: Sistema único de información de servicios públicos (SUI) http://reportes.sui.gov.co/

11

(Biogas, generación de energía, bio-combustible)[2], de las cuales actualmente encon-

tramos plantas de tratamiento de RSO que utilizan compostaje y la lombricultura

[7], [8] como estrategia de aprovechamiento.

En las estrategias y políticas ambientales de los RSO se contempla el aprove-

chamiento energético del biogás, que buscan mejorar el manejo de los residuos para

reducir los efectos negativos en el medio ambiente y promueve la incorporación de

nuevas tecnologías para la utilización de biodigestores, ademas se puede evidenciar

en el país existen empresas que prestan el servicio de estudio y construcción de estos

sistemas, pero no se encuentra información de ningún proyecto en ejecución.

Observado que no se encuentran avances en esta área y con el objetivo de incor-

porar este tipo tecnología en el país la Universidad de Ibagué en conjunto con la

Universidad de Cundinamarca han venido desarrollando el proyecto titulado “Mode-

lización, simulación, control y optimización de la producción de metano e hidrogeno

por vía digestión anaerobia de residuos orgánicos, urbanos y agrícolas”, el cual fue

aprobado por la Vicerrectoría y Dirección de Investigación de la Universidad de

Ibagué con el código 11-241-COL0022914 acta CI 14-2011, en el marco de la convo-

catoria interna para la inscripción y financiación de proyectos de investigación, y en

co-financiación de la dirección de investigación de la universidad de Cundinamarca,

en donde se propone la construcción de un prototipo de bioreactor tipo BATCH que

utilice los RSO para producir Biogás (CH4).

De acuerdo a las investigaciones realizadas se logra identificar que las variables

que influyen en la degradación de los residuos sólidos orgánicos son: el pH, la concen-

tración de ácidos grasos volátiles, la demanda química de oxígeno y la temperatura

presente en el biorreactor. Estas variables tienen una fuerte influencia en la produc-

ción de biogás y en la calidad del mismo.

El proyecto consta de tres etapas; la etapa inicial fue implementar un reactor

anaeróbico tipo Batch de diez (10) litros con sus respectivos módulos de sensores de

pH, presión y temperatura; en la segunda etapa se diseñó e implemento un sistema

12

de control de temperatura para favorecer el proceso de digestión anaerobia en el

rango mesofilico (40◦C), para favorecer el crecimiento de la población bacteriana al

interior del reactor que genera el biogás, y en la tercera etapa es el diseño de un

controlador difuso para estabilizar el pH del sustrato.

Los objetivos definidos para desarrollar este proyecto se relacional a continuación:

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un sistema de control para la temperatura y pH, en el proceso de diges-

tión anaeróbica para residuos sólidos orgánicos en un bio-reactor tipo BATCH

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Desarrollar un prototipo de reactor anaerobio tipo BATCH con sus módulos de

instrumentación y actuadores.

Caracterizar en términos de temperatura y pH la materia orgánica que compo-

nen el sustrato en el proceso de la digestión anaerobia.

Obtener y Validar el modelo dinámico del proceso de digestión anaerobia de la

temperatura y pH.

Diseñar y validar las estrategias de control de temperatura y pH en el proceso

de digestión anaerobia.

13

Capítulo 1

Digestión anaeróbica en un

biorreactor

1.1. Digestión Anaerobia

La digestión anaerobia (DA) es un proceso biológico por medio del cual micro-

organismos especializados descomponen la materia orgánica en ausencia de oxigeno.

Este proceso es usado para transformar residuos vegetales, animales e industriales

en productos útiles como biogás y abonos. En la figura 1.1 se observa el proceso DA,

en donde se puede identificar cada una de sus etapas y como se realiza de trasforma-

ción del sustrato. A continuación se describe cada unos los procesos que componen

la digestión anaerobia:

Hidrólisis, es la etapa que se encarga de producir compuestos solubles que pue-

dan ser utilizados por los microorganismos encargados de descomponer la materia.

Esta etapa es esencial ya que el sustrato esta formado por compuestos bioquímicos

muy complejos y su inadecuado procesamiento puede influenciar las otras etapas. Su

desarrollo esta directamente relacionado con la temperatura y con el pH, parámetros

que pueden variar la velocidad de la reducción de los compuestos. [9, 10]

Acidogénesis, se realiza la fermentación de los compuestos solubles en ácidos gra-

sos volátiles y otros compuestos simples. Se puede obtener ácido acético, propinóico,

14

butírico, alcoholes, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, hidrógeno entre otros.

Estos productos resultantes sirven de alimento a las bacterias que se encargaran de

llevar a cabo las siguientes etapas.[9, 10]

Figura 1.1: Etapas de la DA

Fuente:[10]

Acetogénesis, esta fase se encarga de reducir cualquier sustancia que todavía sea

muy compleja para que las bacterias metanogénicas lo procesen. El principal com-

puesto que se obtiene de esta etapa es el ácido acético, además se genera hidrógeno

y dióxido de carbono.[9, 10]

Metanogénesis, en la ultima etapa, los microorganismos metanogénicos se ali-

mentan de los compuestos que se produjeron en etapas anteriores. Como resultado

de este complejo proceso químico realizado por las bacterias, se obtiene metano y

dióxido de carbono. Se pueden encontrar también, bajas cantidades de otros tipos

de compuestos que se producen en algunas de las fases anteriores de la DA. [9, 10]

15

1.2. Biorreactor

El proceso de digestión anaerobia se lleva a cabo en un biorreactor, el cual es un

contenedor en el que se introduce la materia orgánica o sustrato, y se sella totalmen-

te para evitar la entrada de aire. El diseño del reactor, depende de distintos factores

como lo son el técnico, el biológico y el económico. Se puede tener sistemas de una

o varias etapas variando según el control que se quiera tener sobre el proceso[11].

Los reactores convencionales cumplen generalmente con algunas características,

como lo son tener un sistema de agitación que homogenice la materia, un sistema

que garantice una temperatura óptima de funcionamiento, así como un diseño que

permita una retención hidráulica de al menos un mes sin sufrir daños. [11].

1.3. Temperatura

La temperatura, es una de las variables fundamentales en el proceso de digestión

anaerobia para producción de biogás. Influye en el crecimiento de las bacterias, y

en la velocidad en que estas descomponen la materia. Afecta las propiedades físico-

químicas de los componentes en fase liquida y puede tener efecto en la presión de

gases como el hidrógeno dentro del reactor [12].

Tabla 1.1: Rangos de temperatura

Etapa Térmica Temperatura de Proceso Tiempo de Retención mínimo

Psicrofílica < 20 C 70 a 80 dias

Mesofílica 30 a 42 C 30 a 40 dias

Termofílica 43 a 55 C 15 a 20 diasFuente: [13]

La tabla 1.1 presenta tres rangos de temperatura para el desarrollo de microor-

ganismos fermentadores, en relación al tiempo de retención mínimo de la materia

dentro del reactor. Se evidencia una relación inversa, en la que a mayor temperatura,

menor tiempo va a demorar el proceso de descomposición. Esto se debe a que las

16

bacterias metanogénicas, tienen una mayor actividad en la etapa mesofílica y termo-

fílica; la diferencia mas importante entre estas dos es la estabilidad del proceso, ya

que al incrementar la temperatura, las perturbaciones tienen un mayor efecto sobre

el medio al interior del reactor. [14]

Figura 1.2: Rendimientos de biogás relativos, dependiendo de la temperatura y tiem-

po de retención.

Fuente: [13]

En relación a la producción de gas, la figura 1.2 muestra la comparación de la

producción de biogás en las diferentes etapas térmicas. En el rango psicrofílica, el

proceso requiere un tiempo mayor y se una menor concentración en el biogás. La

diferencia en la concentración de metano obtenido en el biogás no difiere entre los

rangos mesofílica y termofílica, aunque el rango termofilico requiere un menor tiem-

po [13].

La etapa termofílica tiende a utilizarse en el tratamiento de aguas residuales. La

mayor temperatura permite la destrucción de patógenos y compuestos tóxicos. Al

trabajar en este rango se corren dos riesgos, disminuir la población de microorga-

nismos metanogénicos e inhibir el sistema por producción de amoniaco[14].

17

1.4. Potencial de hidrógeno (pH)

El potencial de hidrógeno (pH), mide la acidez o alcalinidad de una sustancia,

en el digestión anaerobia se establece el pH en una solución liquida denominada sus-

trato. Este factor, es esencial para la reproducción de microorganismos, y para cada

tipo de bacterias se definen diferentes rangos de pH en los que se pueden estimular

y aumentar su actividad. La experiencia demuestra que la formación de metano se

lleva a cabo dentro de un intervalo de pH entre 5,5 a 8,5 aproximadamente, con

un intervalo óptimo entre 7,0-8,0 para la mayoría de los metanógenos[13]. En [10]

establecen que el rango de pH favorable para los microorganismos anaeróbicos es

6.8 a 7.5. Los microorganismos acidogénicos por lo general tienen menor valor de

pH óptimo y las metanogénicas son muy sensibles al pH. La producción de biogás es

generalmente inhibida o incluso falla a valores de pH por debajo de 6 o por encima

de 8[13].

Niveles de pH fuera de los rangos adecuados, no solo disminuyen la actividad

bacteriana, también pueden llegar a inhibir el sistema. Cambios en el valor de esta

variable puede ser un indicador de la acumulación de amoniaco y ácidos grasos

volátiles. Para realizar variaciones de forma controlada, se adicionan sustancias bases

o ácidas, según se requiera [13].

1.5. Ácidos grasos volátiles (AGV)

La acumulación de estos compuestos, es un indicador de la alteración en la acti-

vidad de los microorganismos. Provoca variaciones en el pH e inhibición del proceso.

Puede ser causado por sobrecarga orgánica, cambios de temperatura o presencia de

sustancias tóxicas[12, 13].

1.6. Concentración de gas

El biogás, producto resultante de la digestión anaerobia, esta formado por va-

rios compuestos químicos. La tabla 1.2 presenta una distribución aproximada de los

18

porcentajes de cada sustancia que se puede encontrar.

El metano es el principal componente, generalmente su concentración oscila entre

un 40 y 70 %. Teniendo en cuenta que este es el que se utiliza como combustible, su

valor no debe caer por fuera del rango mencionado, para que sea de utilidad. Tam-

bién es tomado como un indicador de la actividad de las bacterias metanogénicas[14].

El dióxido de carbono, se genera durante todo el proceso de reducción de materia,

por lo que esta en un porcentaje alto. Valores fuera de los rangos indicados, significa

que el proceso no evoluciona adecuadamente, ya que este es un gas necesario para

la actividad de los diferentes microorganismos participantes.

Tabla 1.2: Composición de biogás

Componente Formula Porcentaje de concentración

de gases (volumen)

Metano CH4 40-70 %

Dióxido de Carbono CO2 30-60 %

Hidrógeno H2 0.1 %

Nitrógeno N2 0.5 %

Monóxido de Carbono CO 0.1 %

Oxigeno O2 0.1

Sulfuro de Hidrógeno H2S 0.1 %Fuente: [15]

Otro de los compuestos es el hidrógeno, usado al igual que el dióxido de carbono

para las reacciones químicas que llevan a producir el metano, junto al nitrógeno,

monóxido de carbono, oxígeno y sulfuro de hidrógeno, se encuentran en pequeñas

cantidades y se consideran como impurezas que se pueden filtrar por medio de varios

procesos de refinamiento.

La cantidad de biogás producido, depende de varios factores. El tipo de sustrato,

19

el tipo y tamaño del biorreactor, las condiciones como temperatura, pH, Agitación

en el que se lleva a cabo el proceso, y principalmente el balance en la actividad

bacteriana encargada de la reducción y transformación de la materia orgánica.

1.7. Otras variables

La digestión anaerobia al ser un proceso químico complejo, cuenta con muchos

factores que determinan su evolución, estos son objeto de estudio para lograr optimi-

zarlo, aumentar la producción de biogás con alto contenido de metano y la reducción

de materia orgánica.

Condiciones del sustrato: el sustrato puede estar compuesto por varios elemen-

tos, el balance de nutrientes de estos, puede limitar o beneficiar el desarrollo del

proceso. Es importante tener también una buena relación carbono-nitrógeno

ya que facilitara la descomposición [10]. Los productos que se generan a lo

largo del proceso sirven de indicadores del cambio de etapa y permiten un

mayor control sobre el procedimiento.

REDOX: Como bien lo dice el nombre, la digestión anaerobia, se lleva a cabo en

ausencia de aire, más precisamente de oxigeno. Por ello el REDOX o potencial

de oxido-reducción debe ser muy pequeño, de forma que los microorganismos

sensibles no se vean afectados por este elemento.[9, 10]

Presión: La presión dentro del reactor se ve afectada debido a la transfor-

mación del sustrato en gas, esta varia también según la temperatura y las

concentraciones de diferentes sustancias en el medio.

Mezcla: Un sustrato quieto presenta zonas con diferentes condiciones, por ello,

se realiza la mezcla o agitación, para homogeneizar la materia. Se evitan puntos

de actividad muerta o alta concentración de sustancias inhibidoras.[9, 10]

20

Capítulo 2

Planta piloto para producción de

biogás

2.1. Diseño del biorreactor anaerobio

El diseño de un biorreactor anaerobio para la producción de biogás depende de

los tipos y cantidades de materia prima utilizados. Como existen diferentes tipos de

materias primas adecuadas para la digestión anaerobia, encontramos varias técni-

cas para el tratamiento para cada tipo de materia prima. Además, dependiendo del

tipo, tamaño y condiciones operativas de cada sistema de producción de biogás, es

posible implementar varias tecnologías para el acondicionamiento, almacenamiento

y utilización de biogás [13].

Para establecer los parámetros de diseño se realizo una revisión del estado del

arte y encontramos diferentes conceptos en el diseño de un biorreactor anaerobio

para la generación de biogás, de los cuales se han utilizado los criterios establecidos

por [12, 13, 14, 16], que se ajustan a las condiciones ambientales y económicas de

las que se parten en este proyecto.

Esta plata piloto se implementara en el municipio de Fusagasugá con una tem-

peratura máxima de 26.8 ◦C y mínima de 9.9 ◦C y la humedad relativa máxima de

21

93 % y mínima del 74 % con una precipitación superior a los 1250 mm 1. Debido a

esto es necesario acondicionar el biorreactor para reducir el efecto de las condiciones

climáticas en el proceso de digestión anaerobia (DA).

El biorreactor construido debe procesar un sustrato de composición física semi-

solido compuesto por desechos orgánicos obtenidos de la plaza de mercado de Fusa-

gasugá, en donde se realizara el proceso de DA para la generación de biogás y otros

gases en menores concentraciones, en los que se pueden encontrar algunos compo-

nentes corrosivos, por lo que se debe seleccionar un material resiente a este tipo de

gases y que permita incorporar los sistema de calentamiento, agitación e instrumen-

tación necesarios para monitorear y controlar el sistema.

Los componentes del sistema de digestión anaerobia para la producción de biogás

que se implemento de forma general están compuestos por; un biorreactor, sistema

de transmisión de calor, sistema de dosificación, sistema de agitación, almacena-

miento y sensores, en la figura 2.1 se presentan los componentes del sistema.

Figura 2.1: Componentes de un sistema de digestión anaerobia

Fuente: Autor

1IDEAM, Ministerio del medio ambiente, disponible: http://www.ideam.gov.co [Consultado 1

julio 2015]

22

A continuación se describen los parámetros y criterios establecidos para cada

unos de los componentes definidos para el sistema de digestión anaerobia propuesto.

2.1.1. Biorreactor

Se escoge un tanque tipo vertical y cilíndrico por su facilidad en la construcción

y diseño, para establecer el tamaño del biorreactor es necesario tener un volumen

adicional para el almacenamiento temporal del biogás generado de al menos un 25 %

del volumen total [13]. El biorreactor se diseño con una capacidad de 10 L cumplien-

do con las especificaciones definidas en el proyecto, por lo que el cilindro debe tener

un volumen mínimo de 12,5L.

Para cumplir este parámetro de diseño se estableció que el cilindro es de un radio

de 12,5 cm y la altura de 30 cm, para calcular el volumen utilizamos la ecuación 2.1.

V = π ∗ r2 ∗ A (2.1)

Donde r es el radio y A la altura del cilindro, reemplazamos las dimensiones

establecidas tenemos:

V = π ∗ (12, 5cm)2 ∗ (30cm) = 14726cm3 =147261000

L = 14, 72L (2.2)

2.1.2. Sistema de transmisión de calor

En este procesos a pequeña escala se presenta necesidades de un sistema de in-

tercambio de calor, debido a en estos casos la relación de la superficie externa a

volumen es mayor y, por tanto, también las perdidas de calor a través de la pared

del recipiente, las unidades a escala de laboratorio necesitan ser calentadas mas que

refrigeradas[17]. Estas características son similares a las deseadas en el proyecto la

DA en donde se busca que la temperatura del sustrato se encuentre en el rango

mesofílico para preservar y acondicionar la actividad metabólica de las células en el

interior del tanque, ademas de brindar protección a cambios climáticos externos al

biorreactor[18].

23

En la figura 2.2 se presentan los equipos utilizados para el intercambio de calor

en biorreactores[17].

(a) camisa externa (b) serpentín externo (c) serpentín interno

(d) serpentín interno tipo deflector (e) cambiador de calor externo

Figura 2.2: Configuraciones de transmisor de calor para biorreactores.

Fuente: [17]

De las anteriores opciones el sistema de intercambio de calor por camisa externa

proporcionan suficiente área de trasmisión de calor en los sistemas de laboratorio o

a pequeña escala [17]. Este sistema es económico y de fácil implementación, ademas

se adecua a las necesidad del proyecto por lo tanto se opto por esta alternativa.

En el sistema de calefacción es necesario adicionar una resistencia eléctrica para

calentar el agua y una bomba exterior para la re-circulación del agua por una cha-

queta externa que se definió de 3 cm, la que rodea completamente el biorreactor,

en la figura 2.7 se puede observar la camisa externa en los planos del biorreactor

diseñado.

24

2.1.3. Sistema de dosificación

El sistema de dosificación es utilizado para ingresar el ácido y base para el control

del pH, en el diseño del biorreactor unicamente es necesario incluir dos acoples para

la entrada tipo niple de 1

2en la tapa superior del tanque. En la figura 2.3 se ilustra

en la vista superior del biorreactor con sus respectivas dimensiones.

2.1.4. Sensores

En el diseño de la tapa superior se ubicaron la sonda de PH, y en la parte lateral

se ubico la PT-100 la entrada de la base y el ácido para la regulación del PH, la

salida de metano y el indicador de presión. En la figura 2.3 se ilustra en la vista

superior biorreactor con sus respectivas dimensiones.

Figura 2.3: Vista superior del bioreactor Diseñado

Fuente: Autor

2.1.5. Sistema de mezclado

El mezclado se realiza en el interior del biorreactor para hacer que el sustrato sea

mas uniforme, eliminación de gradientes de concentración y temperatura[17]. Para

el tipo de biorreactor utilizado y las características del proceso los sistema de agita-

ción mecánica se adecuan al proyecto. Los mezcladores pueden funcionar de manera

25

continua o intermitente, la frecuencia de agitación es determinada por la práctica,

sin embargo lo más común es hacer la agitación de forma prolongada limitando la

velocidad a valores no superiores a los 130 rpm[19]. Los tipos de mezcladores para

realizar la agitación se observan en la figura 2.4, de los cuales se decidió utilizar el

mezclador de tipo hélice, el cual puede operar en un rango amplio de viscosidades,

su construcción es sencilla y económica.

(a) Ancla (b) Ancla reja (c) Tornillo helicoidal

(d) Canalete (e) Hélice (f) Turbina

Figura 2.4: Tipos de agitadores

Fuente: [17]

Para el diseño del agitador se utiliza el los parámetros establecidos en la figura

2.5 [20], en donde, HL es la altura, DT el diámetro, WBF es el ancho de los deflec-

tores y Ci es la separación entre el agitador y el fondo del tanque.

Las dimensiones se definen a partir los datos en la tabla 2.1, la cuales están

relacionados con el biorreactor de la figura 2.5.

El biorreactor diseñado tiene un diámetro de 25 cm (DT ), una altura de 30 cm

(HL), para cumplir los criterios de las proporciones básicas del agitador se estableció

una longitud (Da) de 10 cm, el ancho del impulsador (WBF ) de 2.5 cm, y un fondo

26

Tabla 2.1: Proporciones para diseño del agitador.

Proporciones básicas

Di

DT

= 0,33 a 0,5 HL

DT

= 1 Ci

DT

= 1

3

WBF

DT

= 1

10

Fuente: [17]

de 9 cm (Ci), a continuación se verifica si se cumplen los parámetros de la tabla 2.1.

Figura 2.5: Diseño de agitador de hélice.

Fuente: [17]

Di

DT

=10cm

25cm= 0,4 (2.3)

WBF

DT

=2, 5cm

10cm=

15

(2.4)

Ci

DT

=9cm

25cm= 0,36 ≈

13

(2.5)

De los resultados anteriores se verifico que las medidas establecidas cumplían los

paramento de diseño. En la figura 2.6 se ilustra el agitador diseñado.

Finalmente se establece la ubicación del servomotor DC y el agitador en las fi-

guras 2.3, 2.7a, 2.7b se puede identificar cada uno de estos componentes.

En las figuras 2.7a y figura 2.7b se ilustra la vista frontal y lateral con la dife-

rentes medidas y elementos que componen el biorreactor.

27

Figura 2.6: Agitador diseñado.

Fuente: Autor

En las figura 2.8 ilustra un diseño 3D del biorreactor utilizando una herramienta

de diseño CAD.

2.1.6. Sistema de almacenamiento

Por normatividad ambiental es obligación mantener almacenado el biogás gene-

rado2. Además debido a que el volumen del gas que se considera utilizable debe ser

constante y en grandes cantidades, en consecuencia se contiene en tanques de alma-

cenamiento apropiados[14]. El tanque de almacenamiento de gas deben ser a prueba

de fugas de gas, a prueba de presión y resistentes al medio, a la luz ultravioleta, a la

temperatura y a la acción del clima. Los tanques de almacenamiento de gas tienen

que probarse antes de entrar en funcionamiento para asegurar que están libres de

fugas de gas.

Por razones de seguridad los tanques de almacenamiento de gas tienen que estar

dotados de válvulas de alivio para la presión exigida y para la presión negativa de

modo que se impida cambios severos no permitidos de presión dentro del recipiente.

Comúnmente se pueden clasificar entre tanques de presión baja, media y alta.

Los tanques de presión baja son los más comunes, operan a una presión calibrada

2 Colombia, Presidente de la república, Decreto 1713 Art. 1 (6, Agosto, 2002) "Por el cual

se reglamenta la Ley 142 de 1994, la Ley 632 de 2000 y la Ley 689 de 2001, en relación con la

prestación del servicio público de aseo, y el Decreto Ley 2811 de 1974 y la Ley 99 de 1993 en

relación con la Gestión Integral de Residuos Sólidos".

28

(a) Vista Frontal

(b) Vista lateral

Figura 2.7: Vista frontal y lateral del biorreactor diseñado.

Fuente: Autor29

Figura 2.8: Dimensiones del biorreactor tipo BATCH en mm.

Fuente: Autor

de 0.5 mbar a 30 mbar. Este tipo de tanques están construidos por láminas plásticas

que deben cumplir con los requisitos de seguridad aplicables. Generalmente están

ubicados como cubiertas en la parte superior del tanque principal. Los tanques de

almacenamiento de presión media y alta, operan en presiones que oscilan entre 5 y

250 bar, en contenedores y balones presurizados de acero [21].

El tanque de almacenamiento del biogás, debe tener un volumen de 4 veces la

producción diaria [13]. Sin embargo, dado que la producción depende del sustrato

a usar, temperatura, pH del proceso, etc. Es muy difícil de predecir. En este orden

de ideas, como medida empírica, se considera un tanque de almacenamiento de la

mitad del volumen total del bioreactor, es decir, alrededor de 30 litros. Teniendo

en cuenta esto, se pueden calcular las dimensiones del tanque haciendo uso de la

ecuación 2.2.

Este tanque de la Figura 2.9 se construyo en acero inoxidable con acoples insta-

lados para los sensores de gases, presión y una salida para liberar el exceso de gas,

en caso de emergencia.

30

Figura 2.9: Dimensiones tanque de almacenamiento

Fuente: Autor

2.2. Construcción del biorreactor anaerobio

El material con el cual se construye un biorreactor debe soportar repetidos ciclos

de limpieza, esterilización y como se encuentra en contacto con el sustrato debe de

ser no reactivo y no absorbente, ademas debe ser resistente a la corrosión. En los

sistemas a escala o planta piloto y gran escala es utilizado el acero inoxidable o acero

dulce revestido de acero inoxidable[17]. Por lo cual se utilizo este material para la

construcción del biorreactor.

(a) Bioreactor de 10 L vista frontal (b) Biorreactor 10 L vista superior

Figura 2.10: Biorreactor de 10L construido.

Fuente: Autor

31

Con los planos del tanque y definido el material a utilizar se contacto con un

taller de metal-mecánica, en donde se realizo la fabricación del biorreactor y de le

tanque de almacenamiento de biogás, en las figuras 2.10a y 2.10b se presenta el

biorreactor implementado, y en la figura 2.11 el tanque de almacenamiento.

Figura 2.11: Tanque almacenamiento de biogás.

Fuente: Autor

2.2.1. Implementación del Sistema de intercambio de calor.

Dada la necesidad de controlar la temperatura en el biorreactor, se manejaron

dos posibilidades para variar la temperatura en el sustrato:

Variar la el flujo de la bomba y dejar la temperatura constante.

Esta opción presenta la ventaja de que al aumentar o disminuir el flujo en la

bomba, cambia el que el agua caliente viaja desde el tanque de almacenamiento

hasta la chaqueta de calefacción en el biorreactor. Sin embargo, se debe mantener

el agua del sistema de almacenamiento, a una temperatura considerablemente más

alta que la temperatura que se quiere controlar, lo que implica un gasto adicional

de energía. Adicionalmente, cuando la resistencia calefactora se conecta de forma

directa a la red eléctrica, o inclusive con diodos en serie para disminuir su potencia

a la mitad, el agua en el interior hierve, provocando pérdidas del líquido y obligando

32

a una constante inserción de nueva agua. Esto implica que se debe tener un sistema

de control de temperatura adicional para el sistema de almacenamiento, lo que

implicaría un nuevo actuador, sensor y elemento de control.

Variar la temperatura del agua y dejar el flujo constante

Esta opción contempla conectar la motobomba a su máximo flujo y controlar la

potencia suministrada a la resistencia calefactora. Como ventaja, este sistema pre-

senta que es más sencillo de implementar, ya que solo requiere un sistema de control

cuyo actuador es la potencia suministrada a la resistencia; sin embargo, cabe anotar

que presenta como desventaja que existe un tiempo de retardo mayor que en el caso

anterior, ya que se adiciona el tiempo en que tarda en calentar o enfriar el agua, al

tiempo en que tarda el agua en cruzar las tuberías y alcanzar el biorreactor.

En última instancia se decidió implementar la opción de variar la temperatura

del agua y dejar el flujo constante, debido a su facilidad en la implementación y

a la disponibilidad del circuito de control de potencia de la resistencia. En la figu-

ra 2.12 se ilustra el tanque que contiene la resistencia eléctrica para calentar el agua.

Figura 2.12: Tanque con la resistencia eléctrica con sensores de nivel on/off

Fuente: Autor

Se procede a implementar este sistema y como primera medida, se sellaron todas

las tuberías que circulaban agua caliente, para el sistema de calentamiento de agua,

dado que presentaban algunas fugas, que producían pérdidas progresivas de agua.

Para corregir la salida de agua por la parte superior, se complementó el biorreactor

33

con una tapa plástica en la parte superior, como se observa en la Figura 2.13, ade-

más esta tapa mejorar la uniformidad entre el flujo de salida y de entrada.

Figura 2.13: Vista superior de biorreactor, con la tapa para evitar fugas de agua.

Fuente: Autor

En este sistema de intercambio de calor es necesario complementarlo con una

bomba re-circular el agua caliente y tanque con una resistencia eléctrica para ca-

lentar el agua, en la Figura 2.14 se presenta el sistema intercambio de calor del

biorreactor.

Una vez implementado este sistema se presentaron problemas en la re-circulación

del agua, debido a que el flujo de entrada era mayor que el flujo de salida, por lo

cual el agua se desbordaba por la parte superior del biorreactor.

Al verificar el comportamiento de los flujos, en el sistema de la Figura 2.14, se

observó que existen dos flujos dentro del sistema de circulación de agua, F1 que co-

rresponde al flujo producido por la bomba, que lleva el agua caliente a la chaqueta

del biorreactor y F2, que es el flujo que retorna el agua al tanque calentador. Se

observó que el flujo de retorno de agua al tanque de calentamiento es menor al flujo

de entrada de agua al biorreactor, lo que produce un incremento progresivo en el

nivel de agua del biorreactor, y su posterior desborde.

El flujo F1, está gobernado por la bomba y sus características dinámicas, mientas

34

Figura 2.14: Sistema de intercambio de calor.

Fuente: Autor

que el flujo F2 está dado por la diferencia entre las presiones y la constante de las

resistencias hidráulicas de las válvulas como se muestra en la siguiente ecuación:

F2 =√

P1 − P2

R(2.6)

Dado esto, se llegó a la conclusión de que para que no ocurriera este problema,

se debía garantizar alguna de las siguientes condiciones

F1 = F2(1) (2.7)

F2 < F2(2) (2.8)

La condición 1, aseguraría que todos los flujos en el sistema son iguales. En ese

orden de ideas, dado que la temperatura del sistema se controlará variando el flujo

de la bomba, la solución práctica fue sellar el tanque de intercambio de temperatura

del biorreactor, por lo que no habría entonces diferencia de presiones en F2, y se

igualarían ambos flujos.

La condición 2 garantiza que el agua que sale del biorreactor es siempre mayor

a la que entra, por lo tanto nunca se rebasará su capacidad máxima. Sin embargo,

esta condición impondría un flujo en la bomba F1 muy pequeño, por lo tanto haría

más grande el tiempo que toma el agua caliente en llegar al biorreactor, y desde el

punto de vista de control, aumentaría el retardo del sistema, haciéndolo inviable.

35

Por lo anterior se decide optar por la configuración de la figura 2.15, en donde el

agua caliente recircula por el biorreactor de manera continua sin presentarse fugas.

En este modelo de dos niveles existe el problema que al presentarse un fallo en el

funcionamiento o apagado por falta de fuente alimentación en la bomba, el agua

contenida en el biorreactor se regresara al tanque con la resistencia eléctrica y como

el volumen de agua en el biorreactor es mayor que la capacidad del tanque de la

resistencia, es posible que se presenten fugas de agua.

Figura 2.15: Sistema de intercambio de calor de dos niveles.

Fuente: Autor

Para evitar las fugas en el sistema de intercambio de calor de dos niveles, se

agrega una electro-válvula de solenoide y una válvula cheque. para complementar el

sistema en el tanque de la resistencia eléctrica se agregan dos (2) sensores on/off de

nivel bajo y alto de agua. Se implementa un controlador on/off para la bomba de

re-circulación que desactiva la bomba si el nivel de agua en bajo, de lo contrario la

bomba se encontrara activa, la electro-válvula se cerrara cuando el sensor de nivel

alto se active para evitar que el tanque de la resistencia eléctrica se rebose el agua,

en el caso contrario se encontrara abierto. En la figura 2.16 se presenta el diagrama

de instrumentación para este sistema.

36

Figura 2.16: Diagrama de instrumentación del sistema de intercambio de calor de

dos niveles con chequen y electro-válvula.

Fuente: Autor

Sistema de Calentamiento

Para aumentar la temperatura se utiliza una resistencia sumergible de la figura

2.17. Funciona con 120 Vrms, proporcionados por la red eléctrica, y alcanza una po-

tencia de 1000 vatios. Cuenta con una cubierta de cobre, para mayor transferencia

de calor a los fluidos en los que se sumerge.

Para modificar la temperatura del sistema se regula el voltaje de entrada de esta

resistencia eléctrica, por lo que se incorporar un circuito para controlar el voltaje

suministrado por la red eléctrica. Este sistema está divido en tres componentes, un

circuito detector de cruce por cero, un micro-controlador y una etapa de potencia,

interconectados como se ilustra en la figura 2.18.

El detector de cruce por cero es un circuito que está compuesto por un puen-

37

Figura 2.17: Resistencia sumergible

Fuente: Autor

Figura 2.18: Circuito de regulación de la red eléctrica.

Fuente: Autor

te de diodos utilizado para la rectificación de la señal AC de la red eléctrica y un

opto-acoplador permite el acondicionamiento de la señal a un rango de 0 – 5 V y

general un pulso digital, cada vez que la señal de la red eléctrica cruza por cero. Esta

señal ingresa en el microcontrolador (PIC18F4550), en donde se utilizan los módulos

CPP, Timer, Interrupciones y ADC, para general una señal PWM sincronizada con

la red eléctrica, que permite modificar el voltaje AC sobre la resistencia utilizando

un Optotriac y TRIAC.

Para completar este sistema en necesario hacer circular el agua por la camisa

externa en el biorreactor, esto es realizado por una motobomba magnética PD-10-2,

38

fabricada por la empresa NORITSU KOKI CO, de capacidad máxima de 12 litros

por minuto, funciona con un voltaje de 24 voltios y consume 0.4 amperios, en la figura

2.19 se observa el diagrama de instrumentación para el sistema de intercambio de

calor.

Figura 2.19: Diagrama de instrumentación del sistema de temperatura con sensores

y actuadores.

Fuente: Autor

2.2.2. Implementación sistema de dosificación

Para el control del pH es necesario un sistema de dosificación proporcional de

líquidos, para lo que se utilizó una bomba hidráulica de desplazamiento positivo

denominada bomba peristáltica, los cuales imitan el sistema de digestión humana,

que consistente en la contracción y sucesiva relajación de un músculo alrededor de

un tubo que así mueve su contenido. En el caso de la bomba, un tubo flexible es

aplastado continuamente por rodillos que giran en un compartimiento circular. Los

39

rodillos están unidos con el eje del motor a través de algún mecanismo, de manera

que al girar el mismo, estos presionan la manguera en forma progresiva y hacen

avanzar el contenido dentro de la misma3.

En la figura 2.20 se presentan los componentes de la bomba peristáltica y el

funcionamiento, en donde se puede observar el sistema de rodillos que presionan la

manguera, los cuales al girar el motor hacer circular el líquido.

Figura 2.20: Componentes y funcionamiento de una bomba peristaltica

Fuente: bomba peristáltica

La bomba utilizada se compone por un motor paso a paso 12v y un cabezal en

donde se realiza el proceso del peristaltismo, en las figuras 2.21a y 2.21b se pueden

observar los componentes de la bomba utilizada.

Para controlar el motor paso a paso se utiliza la tarjeta Stepper Motor Driver

3 Principio del funcionamiento de las bombas peristálticas, disponible:

http://www.quiminet.com [Consultado 1 julio del 2015]

40

(a) Bomba (b) Cabezal

Figura 2.21: Bomba peristáltica.

Fuente: Autor

Carrier4 que tiene un el encapsulado A49885, a continuación se relacionan algunas

de las características de este dispositivo;

Paso simple y la interfaz de control de dirección

Cinco diferentes resoluciones para pasos: pasos completo, de medio paso, un

cuarto de paso, octavo pasos, y decimosexta pasos

Control de corriente ajustable le permite ajustar la salida de corriente máxima

con un potenciómetro, que le permite utilizar tensiones superiores a la tensión

nominal de su motor paso a paso para lograr mayores tasas de paso

Control Inteligente de picar que selecciona automáticamente el modo de re-

ducción de la corriente correcta (descomposición rápida o lenta decadencia)

Apagado térmico, cierre patronal bajo voltaje, y la protección de cruce de

corriente de sobrecalentamiento

Protección en corto a tierra y en cortocircuito de carga

4 Pololu, A4988 Stepper Motor Driver Carrier, disponible: https://www.pololu.com [Consultado

1 julio 2015]5 Pololu, DMOS Microstepping Driver with Translator And Overcurrent Protection, disponible:

https://www.pololu.com [Consultado 1 julio 2015]

41

Figura 2.22: A4988 Stepper Motor Driver Carrier

Fuente: A4988 Stepper Motor Driver Carrier

En la figura 2.22 se ilustra la interconexión del driver con un sistema digital, con

el que es posible controlar el sentido de giro (DIR) y la velocidad del motor (STEP),

para controlar este ultimo de debe generar una señal cuadrada entre de 0 a 500 Hz,

la dosificación en ml/min obtenida para cada bomba se presenta en las figuras 2.23

y 2.24.

0 20 40 60 80 1000

5

10

15

20

25

30

35

Porcentaje de Velocidad(%)

Can

tidad

dos

ifica

da (

ml/m

in)

Figura 2.23: Funcionamiento bomba dosificación de ácido

Fuente: Autor

42

0 20 40 60 80 1000

5

10

15

20

25

30

35

Porcentaje de Velocidad(%)

Can

tidad

dos

ifica

da (

ml/m

in)

Figura 2.24: Funcionamiento bomba dosificación de base

Fuente: Autor

En la figura 2.25 se ilustra el diagrama de instrumentación del proceso de pH y

temperatura con sus respectivos actuadores.

2.3. Instrumentación planta piloto

En los procesos es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitu-

des, tales como presión, caudal, nivel,temperatura, pH, entre otros. Los instrumentos

de medición permiten cuantificar las variables a monitoreo y los actuadores la regu-

lación de la variables para mantener el sistema en condiciones idóneas.

La temperatura y el pH en un sistema de digestión anaerobia, son algunas de las

variables que permiten modificar la dinámica del proceso, cuantificar estas variables

correctamente en representan información valiosa para el proyecto. Una adecuada

medición toma importancia, y se abre la puerta al uso de un variado de instrumentos,

sensores especializados útiles para tal tarea. En el caso de la instrumentación de

biorreactores encontramos diferentes autores que han definido algunos tópicos en

43

Figura 2.25: Diagrama de instrumentación de temperatura y pH

Fuente: Autor

esta área [22, 23, 24, 25], los cuales presentar alternativas para establecer cuales son

los sensores y actuadores adecuados.

2.3.1. Sensor y transmisor de Temperatura

Para cuantificar la temperatura en un biorreactor encontramos que la PT-100

y las termocuplas son recomendados para procesos como la producción de biogás

por digestión anaerobia [14].Este mismo sensor y la PT-100, fueron empleados en

44

[24, 23], junto a los transmisores MC40 y ST120.

Por lo anterior se utilizo un sensor de temperatura PT-100 ilustrado en la figura

2.26 a tres hilos. El alambre de platino presenta una resistencia de 100 ohmios a

0 C, cuenta con un cabezote y una conexión roscada para facilitar su instalación.

Este dispositivo está acompañado por un transmisor de temperatura DIGImec se-

rie LDX6, que amplifica las señales de bajo nivel de voltaje proporcionadas por la

RTD y la convierte a una señal de 4 a 20 mA de dos hilos, con este dispositivo adi-

cionalmente permite garantiza un alta inmunidad al ruido electromagnético. Este

dispositivo es ubicado en el cabezal de la PT – 100.

Figura 2.26: Sensor de temperatura PT100

Fuente: Autor

Para llevar la señal del transmisor al dispositivo de adquisición de datos, se hace

necesario adecuarla. La salida de corriente se lleva a un circuito integrado RCV4207,

a su salida tenemos una señal de voltaje entre 0 y 5 voltios, proporcional a la señal

de entrada. Como se muestra en la figura 2.27, solo se requiere de dos condensadores

y las fuentes de alimentación. Este procedimiento se realiza para facilitar el trabajo

de la DAQ u otros dispositivos que se quieran utilizar, y requieran una señal de

voltaje.

6 DIGImec, TRANSMISSORES DE TEMPERATURA, disponible:

http://www.digimec.com.br [Consultado 1 julio 2015]7 Texas instruments, Precision 4mA to 20mA CURRENT LOOP RECEIVER, disponible:

http://www.ti.com [Consultado 1 julio 2015]

45

Figura 2.27: RCV420

Fuente: Texas Instruments

2.3.2. Sensor y transmisor de pH

Los sensores de pH, son dispositivos diseñados para medir el potencial de hi-

drógeno de un liquido en este caso. El electrodo por el que está formado, reacciona

ante los átomos de hidrógeno libres. Para determinar el valor pH con electrodos,

estos deben estar en contacto directo con el medio al que se quiere tomar el valor.

En la membrana de vidrio de los electrodos de pH, se genera una tensión que indi-

ca el valor pH actual. No producen tensión de forma continuada sino sólo cuando

son introducidos en un líquido. Una de las características principales de este ti-

po de sondas, es su alta impedancia, ello hace necesaria la implementación de un

transmisor capaz de realizar un acople que no genere perdidas en la señal de medida.

En [22] utilizan un sensor Qingdao pH-009(I), posee un rango de 0,0 a 14,0 pH

con una detección de 0,1 pH. El transmisor, también se puede diseñar a partir de

amplificadores operacionales de alta impedancia como el AD820AN, de forma que

no se corra el riesgo de tener caídas de tensión, la salida se puede configurar a una

señal de voltaje o de corriente en rangos estándar, según se desee[24].

Se seleccionó para la medición del pH, una sonda tipo industrial modelo 12 de

la figura 2.28. Este sensor presenta una impedancia es de 150 Mega-ohmios, mide

en un rango de 0 a 14 pH, soporta temperaturas entre 0 y 80 C. Debido a que la

medición del pH esta relacionada con la temperatura esta sonda lleva un sensor de

46

temperatura RTD PT100.8

Figura 2.28: M12 Process pH Sensor

Fuente: Autor

En la figura 2.29 se muestra el transmisor de pH utilizado en la planta de pro-

ducción de biogás. El transmisor LPI-pH maneja un rango de 0 a 14 pH, con una

señal de salida en corriente de 4 a 20 mA. Tiene conexión a PT100, para realizar

corrección de temperatura. Cuenta con potenciometros de ajuste para calibración

del instrumento9.

Figura 2.29: Transmisor de pH

Fuente: Autor

Se utiliza, al igual que con el transmisor de temperatura, el integrado RCV420,

para tener una señal de voltaje.

8 INTECH, Model 12 Process pH Sensor, disponible : http://www.intech.co.nz [Consultado 1

julio 2015]9 INTECH, LPI-pH Transmitter, disponible : http://www.intech.co.nz [Consultado 1 julio 2015]

47

2.3.3. Sensor de presión

El sensor de presión a implementar, pertenece a la serie MPX2010 de Freescale

(Figura 2.30), maneja un rango de 0 a 10 kilo pascales (KPa). Posee una salida en

voltaje en modo diferencial proporcional a la presión aplicada, llegando a un máximo

de 25 mV, con una sensibilidad de 2.5 mV/KPa y compensación en temperatura.

Diseñado para aplicaciones de diagnostico respiratorio y control de movimiento de

aire, es un sensor de tipo piezoresistivo.

Figura 2.30: Sensor de presión

Fuente : Freescale

Como se tiene un voltaje de salida en modo diferencial tan pequeño, es necesario

realizar una amplificación. Para tal tarea se utiliza el amplificador operacional de

instrumentación INA129 10, en la figura 2.31 se ilustra el esquema de este amplifi-

cador, solo se requiere del uso de una resistencia para configurar la ganancia y las

fuentes de alimentación.

2.3.4. Sensor de Biogás

Los sensores para este tipo de variables generalmente son basados en conduc-

tividad térmica y en infrarrojos, donde los fenómenos de la absorción, reflexión y

refracción de la luz permiten realizar la medida. [24] presenta el uso del E2V IR15TT-

R, sensor basado en el principio NDIR para la detección de las concentraciones de

metano y dióxido de carbono en un sistema de generación de biogás. También se

usan sistemas de presión y desplazamiento de líquidos para estimar la producción

10 Texas instruments, PRECISION, LOW POWER INSTRUMENTATION AMPLIFIERS, dis-

ponible : http://www.ti.com [Consultado 1 julio 2015]

48

Figura 2.31: INA129

Fuente: Texas Instruments

de gas[26].

Existen algunos métodos más especializados para la medida de este tipo de gases

como la cromatografía, los instrumentos para ello son muy robustos ya que ofrecen

una gran cantidad de datos experimentales un ejemplo es el cromatografo de gases

Agilent Technologies 6890N Network GC system. Otra técnica que se está desarro-

llando es el censado por microondas, este método utiliza la absorción de la radiación

para evaluar cambios en los campos eléctricos a distintas frecuencias, en la materia

en la que se realiza la medida. [27]

En la figura se ve el sensor empleado, corresponde a un TSD004511 de la empresa

Dynament. Es un sensor infrarrojo, que funciona utilizando el principio NDIR para

determinar la presencia de unos gases determinados, mas precisamente dióxido de

carbono y metano, aunque puede haber respuesta ante otros hidrocarburos. El sen-

sor tiene una salida digital, formato UART con 8 bits de datos y un bit de parada;

se puede conectar directamente al computador por medio de USB.

El dispositivo cuenta con un protocolo de comunicación establecido, en donde se

11 DYNAMENT, PREMIER INFRARED SENSOR FOR HYDROCARBONS and CARBON

DIOXIDE, disponible: http://www.dynament.com [Consultado 1 julio 2015]

49

Figura 2.32: Sensor de Biogás

Fuente : Autor

requiere de una petición por parte del usuario, se envía una trama de bytes según la

tarea que se quiera realizar 2.2 y esta es respondida con determinados datos. Para

ello se debe tener en cuenta la velocidad de transmisión de datos (38400 baudios),

la cantidad de bytes que se escriben y se leen.

Se pueden obtener dos tipos de mediciones, la simple en donde solo se leen

los valores del metano, y la dual, que presenta los valores del metano, dióxido de

carbono, y temperatura del sensor. Igualmente hay tramas para la configuración y

calibración del dispositivo. La tabla corresponde a las tramas que se envían para

la obtención de la información; la tabla 2.3 es un ejemplo de la respuesta que se

obtiene de la solicitud de lectura dual.

Tabla 2.2: Trama de datos para solicitud de información

Bytes DLE RD Variable

ID

DLE EOF Checksum

High

Checksum

Low

Lectura Simple 0x10 0x13 0x06 0x10 0x1F 0x00 0x58

Lectura Dual 0x10 0x13 0x2C 0x10 0x1F 0x00 0x7EFuente: Premier Sensor Communications protocol TDM0045

50

La respuesta de la lectura dual, tiene en total 57 bytes de información. Conocien-

do el orden de los datos en esa trama de respuesta, se puede seleccionar específica-

mente los valores que se quieran mostrar. Este proceso se lleva a cabo por software,

ya sea el propio del dispositivo, u otro que acceda a él por medio de la lectura del

puerto serial.

Tabla 2.3: Respuesta del sensor en lectura Dual.

Respuesta Dato al que corresponde

0x10 DLE

0x1A DAT

0x32 Data length

0x07, 0x00 Version

0x00, 0x00 Status flags

0x8F 0xC2 0x75 0x3D Gas reading 1 (CH4), 32 bit floating point - IEEE-754 format

0xCE 0x97 0x06 0x42 Temperature, 32 bit floating point - IEEE-754 format

0x0A 0xD7 0xA3 0x3D Gas reading 2 (C3H8), 32 bit floating point - IEEE-754 format

0x94 0xA9 0x0F 0x45 Detector 1 signal, 32 bit floating point - IEEE-754 format

0xE2 0x7C 0x93 0x44 Reference signal, 32 bit floating point - IEEE-754 format

0x80 0xAA 0xFB 0x3B Absorbance (Fa1), 32 bit floating point - IEEE-754 format

0x7C 0x63 0x04 0x00 Sensor powered time (divide by 100 to get seconds)

0x11 0x89 0x3D 0x44 Detector 2 signal, 32 bit floating point - IEEE-754 format

0x50 0xC4 0x20 0x3D Absorbance (Fa2), 32 bit floating point - IEEE-754 format

0x00 0x00 Status flags 2

0x29 0x5C 0x8F 0x3D Gas reading 3 (CO2), 32 bit floating point - IEEE-754 format

0x00 0x00 Status flags 3

0xFF 0xFF Status flags 4

0x10 DLE

0x1F EOF

0x13 o 0x75 Checksum high byte or CRC high byte

0x65 or 0x5F Checksum low byte or CRC high byte

Fuente: Premier Sensor Communications protocol TDM0045

2.3.5. Sensor de flujo de gas

Dispositivo especializado para medir el flujo de gas metano, maneja un rango

entre 0 y 5 litros por minuto. Tiene dos tipos de salida, una en voltaje de 0 a 5 V y

la otra en corriente de 4 a 20 mA, ambas lineales y proporcionales al valor medido.

51

Permite la visualización de la variable en la pantalla LCD que trae integrada. En la

figura 2.33 se ilustra el sensor utilizado.

Figura 2.33: Sensor de Flujo de Gas

Fuente: Autor

2.3.6. Motor para agitador

Para realizar la mezcla del sustrato, se utiliza un servo motor Matsushita GMN-

6MP026A. Se alimenta con 22v DC, consume una corriente de 3 amperios y propor-

ciona un torque de 20 kilogramos por centímetro . Alcanza las 110 revoluciones por

minuto, la caja reductora tiene una relación de 24 a 1.

Por ultimo en la figura 2.34 se ilustra el diagramad e instrumentación de la planta

diseñada.

52

Figura 2.34: Diagrama de instrumentación Planta piloto.

Fuente: Autor

2.4. Planta piloto para la producción de biogás

Finalmente, se sellaron todas las tuberías, tanto de gas como de agua, y se

considera que el biorreactor está listo para empezar a hacer pruebas, como se observa

en la figura 2.35.

2.5. Monitoreo de variables medidas en el proceso

Los sistemas de monitoreo hacer parte de la automatización, con la que es posi-

ble obtener la información acerca de variables del proceso, ademas permite realizar

registro de datos y aplicar técnicas de control automático, que permitan el funcio-

namiento de la planta, aun cuando no hay quien la supervise.

Para el monitoreo y revisión de las condiciones del proceso, se debe contar con

53

Figura 2.35: Planta piloto de producción de biogás.

Fuente: Autor

54

una interfaz visualización gráfica. Si tal tarea se hace en computador, se disponen

de diversos programas. En este caso se utiliza el software LabView 201312 de la

empresa National Instruments, pues ofrece una gran cantidad de herramientas para

el procesamiento de datos y facilita la comunicación con el dispositivo de adquisición

datos fabricado por la misma empresa.

2.5.1. Adquisición de Información

El sistema de adquisición de datos es una interfaz entre las señales análogas o

digitales de los sensores y los puertos del computador (USB, PCI, ETHERNET,

entre otros), estos modelos son denominados como dispositivos de adquisición datos

(DAQ). En [25] presentan el uso de el modelo USB-6212 de National Instruments.

Otros mas especializados como el Hobo Data Logger, junto al software HOBO-

ware Pro, son diseñados y configurados para sensores específicos[24]. También en-

contramos los controladores lógicos programables (PLC), utilizados para plantas

a gran escala o de tipo industrial, usados por su versatilidad para cumplir varias

funciones.[14], o sistemas de desarrollo basados en micro-controladores, DSP o FG-

PA.

Para la elección del dispositivo a utilizar, se deben tener en cuenta diferentes

factores. Por ejemplo, el tipo de sensores que se tenga y señales que producen, el

tiempo de muestreo, la resolución y el periférico para ser conectados a el computador.

Dispositivo de Adquisición de Datos

Dispositivo de Procesamiento

Sensores

Transmisores

Interfaz de Monitoreo

Registro de Datos

Figura 2.36: Esquema de adquisición de datos

Fuente: Autor

12 National Intruments, Software de Desarrollo de Sistemas NI LabVIEW, disponible :

http://www.ni.com [Consultado 1 julio 2015]

55

En el proyecto se utilizo una DAQ modelo USB-6009 13 y el sbRIO 9632 14 de

National Instruments. Estos dispositivos están incorporados en el software LabView,

en donde es posible acceder a los diferentes puertos análogos y digitales de entrada

y salida con los que cuanta cada uno de estos dispositivos.

2.5.2. Interfaz de Monitoreo

La interfaz que permite visualizar las diferentes variables (figura 2.37), esta com-

puesta de varias partes. El panel principal, en el que se encuentran los indicadores

gráficos de las variables medidas, permanece constantemente visibles. Al lado se tie-

ne una parte secundaria que varia según la utilidad que quiera el usuario, ya que se

trata de una ventana con varias pestañas.

Figura 2.37: Interfaz de monitoreo

Fuente: Autor

La primera pestaña corresponde al primer panel de configuración, en el se activan

los distintos módulos de adquisición como lo son la DAQ, el sensor de biogás, y el

13 National instruments, Low-Cost, Bus-Powered Multifunction DAQ for USB 12- or 14-Bit, Up

to 48 kS/s, 8 Analog Inputs, disponible: http://www.ni.com/ [Consultado 1 julio 2015]14 National instruments, NI Single-Board RIO Embedded Controland Acquisition Devices, dis-

ponible: http://www.ni.com/ [Consultado 1 julio 2015]

56

registro en la base de datos. También se tienen botones para activar la presentación

en gráficas de los datos de las diferentes variables. Se utilizan unos indicadores de

hora, tiempo transcurrido y error en la lectura del sensor de biogás y en el registro

de información en la base de datos.

La segunda pestaña corresponde a un segundo panel de configuración, en este

se seleccionan los puertos seriales de cada dispositivo al que se va a acceder para

adquirir datos. Se cuenta además con unos indicadores, en los que eligiendo el índice

se puede ver los valores guardados en las tablas de cada variable.

Las pestañas que siguen presentan la gráfica de datos de cada variable; en el caso

del gas ofrece información adicional , como el tiempo de encendido, la temperatura

del sensor y la concentración de propano.

Para la conexión con la DAQ, se utilizaron los bloques NI-DAQmx. Primero se

inicia con la configuración de los canales a los que se quiere acceder, el tipo de lec-

tura, el rango y el tipo de señal que se va adquirir. Cuando ya se inicia el ciclo while

infinito el bloque de lectura se configura para leer un vector de datos, a su salida se

seleccionan la información según el canal. El bloque de lectura se coloca dentro de

un bucle for, como forma de quitar ruido a la señal, se toma una cantidad alta de

muestras en determinado tiempo y luego se promedia, el valor resultante es el dato

que se presenta.

La lectura del sensor de gas se realiza de forma diferente, ya que este cuenta con su

propia conexión a puerto serie. Se emplea las herramientas VISA, para configurar y

acceder al puerto que se especifique, luego se envía una trama de datos, a la cual el

sensor responde con los valores medidos. Finalmente se cierra el puerto.

2.5.3. Monitoreo remoto

LabView permite exportar datos de distintas formas, permite generar archivos

para trabajar en programas como Microsoft Excel, Microsoft Access, Matlab entre

57

otros. Database Connectivity Toolkit (DCT), es un grupo de herramientas que ofre-

ce el programa para cargar y descargar información en bases de datos en distintos

tipos de servidores, como SQL u Oracle.

Hoy en día, con el uso extendido de la nube se pueden encontrar servidores, que

ofrecen alojamiento gratuito de información para páginas web y bases de datos. Con

el fin de tener acceso a la información obtenida de la planta de producción de biogás,

desde cualquier lugar por medio de Internet, se hizo uso de estos servicios 15 y se

añadió al código de la interfaz una etapa de registro de datos.

Carga de información en la base de datos

Se utilizan tres bloques del Database Connectivity Toolkit, el primero se encarga

de realizar la conexión con la base de datos, requiere de configurar parámetros como

el usuario y la contraseña del servidor o la ruta del archivo si se tiene la información

de conexión en un archivo UDL. El segundo es el encargado de generar la tabla con

los datos que se exportan, se debe configurar el nombre de las columnas, el nombre

de la tabla e indicar si se quiere crear la tabla, esta opción se habilita o deshabilita

si la tabla ha sido creada previamente. Por último se coloca el bloque encargado de

cerrar la conexión con la base de datos.

Para realizar la conexión entre LabView y la base de datos en el servidor Web

es necesario instalar el driver OBDC MSI16. Este driver sirve para que desde un

sistema Microsoft Windows, se pueda acceder a una base de datos MySQL. En la

creación de la base de datos se utilizó MySQL, ya que es compatible con la mayoría

de servidores web, puede almacenar registros sin límite de tamaño y tiene control de

acceso a las tablas, en la figura 2.38 se obseva la informacion en la base de datos web.

Se configuró la interfaz para que los datos se carguen cada determinado tiempo.

15 db4free, Base de datos MySQL gratuita, disponible : www.db4free.net [Consultado 1 julio

2015]16MySQL, Installing the Windows Connector/ODBC Driver Using an Installer, disponible:

https://dev.mysql.com [Consultado 1 julio 2015]

58

Figura 2.38: Base de datos Web

Fuente: www.db4free.net

Figura 2.39: Configuración de Conector ODBC

Fuente: Autor

59

Por medio del uso de ciclos while paralelos, para que los tiempos de la adquisición

de datos no se vieran afectados, se leen los determinados índices en las tablas de

datos donde se han guardado los valores de las variables medidas. Esto hace que la

conexión a la base de datos, no se realice continuamente para cada dato que se esta

tomando, sino que a intervalos fijos se carga una cantidad de datos configurada.

Interfaz de descarga de datos

Al tener almacenados los datos de las variables de la planta de biogás en un

servidor web, se puede acceder directamente a ellos desde cualquier equipo con co-

nexión a Internet. Aunque la pagina del servidor ofrece la visualización de la tabla

e incluso gráficas de datos, no resulta muy cómodo para el análisis de la información.

Presentación de información

en gráficas

Figura 2.40: Estructura interna de interfaz de descarga

Fuente: Autor

Se desarrolló una segunda interfaz (figura 2.41) en LabView que permite descar-

gar los registros de la base de datos y procesarlos para una visualización que permita

ver la evolución de las variables durante el tiempo que se realizó el monitoreo. Ma-

nejando la misma estructura, que se uso en la etapa de registro, el primer bloque

establece la comunicación con la base de datos y el tercero la cierra, el cambio está

en el segundo bloque el cual se encarga de seleccionar la información y llevarla a la

aplicación, solo se le debe indicar la tabla a la cual acceder y cuales columnas se

quieren seleccionar.

Al extraer los datos del servidor se tiene la información en formato variant17 por

17 National Instruments, Variant Data in LabVIEW, disponible : http://www.ni.com/ [Consul-

tado 1 julio 2015]

60

Figura 2.41: Interfaz de descarga y presentación de datos

Fuente: Autor

ello se utiliza una estructura en la que se intercambian las filas por columnas y se

transforma cada una en el tipo de dato correspondiente. Para los números obtenidos

de cada variable se tiene un tipo doble y un formato de hora-fecha para el dato del

tiempo. Esa información se lleva luego a las gráfica para la presentación al usuario.

61

Capítulo 3

Descripción del experimentoEn la plaza de mercada de Fusagasugá, se generan alrededor de 4 toneladas de

residuos orgánico diariamente 1, los cuales son recolectados o almacenada por los

sistemas locales de disposición final. Para establecer la composición de los RSO ge-

nerados en la plaza de mercado, se realizaron visitas una vez por semana a lo largo de

6 semanas, en la tabla 3.1 se presenta la cantidad de cada tipo de residuo recolectado.

Tabla 3.1: Composición de los RSO de tipo vegetal de la plaza de mercado

Composición Visita #1 Visita #2 Visita #3 Visita #4 Visita #5 Visita #6

Fresas 7.2 Kg 5.8 Kg 4.6 Kg 3.9 Kg 6.3 Kg 4 Kg

Papaya 5 Kg 3.6 Kg 6 Kg 6.3 Kg 5 Kg 4.1 Kg

Granadilla 3 Kg 1.2 Kg 2.2 Kg 1.5 Kg 0.5 Kg 2.6 Kg

Mango 4 Kg 3.8 Kg 4.5 Kg 5.2 Kg 5.8 Kg 6 Kg

Papa Pastusa 6 Kg 6.3 Kg 5.4 Kg 7.2 Kg 4.5 Kg 4.9 Kg

Papa Criolla 1.6 Kg 2.7 Kg 2.2 Kg 1 Kg 2.9 Kg 1.8 Kg

Yuca 6.8 Kg 5.6 Kg 4.5 Kg 7.2 Kg 4 Kg 6.5 Kg

Arracacha 3.5 Kg 4.8 Kg 3.9 Kg 1.5 Kg 4.9 Kg 2.8 Kg

Remolacha 2.9 Kg 1.6 Kg 0.8 Kg 2.6 Kg 1.3 Kg 2.5 Kg

Cebolla 1.6 Kg 0.9 Kg 1.3 Kg 0.5 Kg 1.4 Kg 1.2 Kg

Zanahoria 2.5 Kg 2.3 Kg 1.8 Kg 1.6 Kg 2.5 Kg 3.1 KgFuente: Autor

1Información de entrevista Alexandra Bustos, Administración de la plaza de mercado de Fusa-

gasugá.

62

Los RSO recolectados son clasificados en verduras, frutas y tubérculos, los cuales

son triturados (figura 3.1) y posteriormente liquidados (figura 3.2), finalmente los

cada tipo de RSO procesado se relacionan en la figura 3.2a la fruta, en la figura

3.2b las Verduras y en la figura 3.2c los tubérculos, en la tabla 3.2 se aprecia las

propiedades físicas de cada uno de los elementos que forman el sustrato.

Figura 3.1: Residuos sólidos orgánicos triturados.

Fuente: Autor

(a) Frutas (b) Verduras (c) Tubérculos

Figura 3.2: Materia prima preparada para ser ingresada en el biodigestor.

Fuente: Autor

El sustrato utilizado esta compuesto por 870g de frutas, 870g de verduras y 870g

de Tubérculos, para un total de 2610g de residuos sólidos totales, el cual es mez-

63

clado con 7830g de agua de grifo en una proporción 1:3 [28], la que previamente

fue reposada y expuesta a el sol durante 24 horas para eliminar el cloro que pueden

eliminar la población bacteriana.

Tabla 3.2: Propiedades físicas de la materia

Composición pH Volumen (Lt) Densidad (Kg/m3) Peso (Kg)

Fruta 4.35 6.5 985 6.4

Tubérculos 5.09 6.5 1061 6.9

Verduras 4.9 6.5 1092 7.1Fuente: Autor

Se realiza la mezcla de las materias primas utilizadas con agua, de la cual se

obtiene 10.4 L de una solución acuosa, en la figura 3.3 se ilustra el sustrato obte-

nido al realizar la mezcla. Para establecer las características del sustrato se tomo

una muestra la cual fue remitida a el laboratorio en la universidad de Ibagué, los

resultados del análisis se presentan en la tabla 3.3.

Figura 3.3: Sustrato obtenido de las mezcla de las materias primas y agua.

Fuente: Autor

Para inocular la materia orgánica se utilizo Septitrim, un cultivo de bacterias

especializadas para procesos biológicos que realiza las funciones de degradación,

64

Tabla 3.3: Composición mezcla de residuos sólidos para digestión anaerobia

Parámetro Unidad Valores

pH Unidad 6.70

Conductividad Eléctrica µs/cm 450

Alcalinidad mg/l 254.3

Sólidos suspendidos mg/l 654.3

Sólidos volatiles mg/l 117.8

Sólidos totales mg/l 1047.1

DQO mgO2/l 2192Fuente: Autor

descomposición y desodorización de manera eficiente. Estas bacterias al efectuar el

proceso biológico de la degradación de la materia orgánica en un sistemas anaerobio

convierten la materia organica en gases (metano y dióxido de carbono) 2. En la ta-

bla 3.4 se relaciona las características de las enzimas no patogénicas especializadas

Septitrim SEPTICOS.

Tabla 3.4: Composición del Septitrim

Propiedades Valor

Apariencia estándar Polvo o cristales rojos

Contenido de Dolomita ( % peso) <55

Contenido de Sílica ( % peso) <0,5

Contenido de Proteasa ( % peso) <1

Contenido de Amilasa ( % peso) 1

Contenido de Urrea ( % peso) 10

Contenido de Fosfato de amonio ( % peso) <10

Contenido de Sulfato ferroso ( % peso) 1Fuente:Ingenieros Químicos Asociados S.A.S.

Para establecer la relación de inoculo/sustrato el fabricante del Septitrim reco-

2 Septitrim SEPTICOS, disponible : http://iqasa.com.co [Consultado 1 julio 2015]

65

mienda utilizar 80g para 1 m3 de sustrato 3. Se establece la relación de inoculo para

la carga iniciar del bioreactor diseñado de 10.4 L para lo que obtenemos que es ne-

cesario adicionar 1g de inoculo.

Figura 3.4: Inoculo utilizado.

Fuente: Autor

3 Septitrim SEPTICOS, disponible : http://iqasa.com.co [Consultado 1 julio 2015]

66

Capítulo 4

Diseño de control del potencial de

hidrógeno (pH) y temperatura

Las reacciones químicas relacionados con los ácidos y las bases se encuentran

implicados en procedimientos sintéticos y analíticos de laboratorio, en la industria

y organismos vivos. Esta dinámica es representada cuantitativamente como el po-

tencial de hidrógeno (pH), y para el caso de la producción de biogás el control de

esta variable es un factor determinante en la reproducción de los microorganismos.

En los capítulos anteriores se describio el sensor y el actuador utilizado para el pH,

los cuales permitirán incorporar un sistema de control automático que se encargara

de dosificar ácido o base dependiendo de la dinámica del sustrato al interior del

biorreactor.

Para establecer y diseñar la estrategia de control se debe tener un algún conoci-

miento de la dinámica del proceso, el cual se puede establecer utilizando fundamentos

teóricos, prácticos o teórico prácticos, este ultimo se utilizara para establecer un mo-

delo teórico ajustado de forma experimental.

El sustrato que se utilizara es una solución acuosa, por lo que la medición del

pH cuantificara la concentración del ion de hidronio, la cual es afectada por la

temperatura [29] [30], por lo que es necesario acondicionar el sistema para que su

temperatura sea controlada durante el experimento, lo que busca con esto es lograr

67

que el biorreactor tenga un comportamiento isotérmico, ademas al realizar el control

de temperatura en el modelo de pH esta se evaluara como un constante.

En este capitulo se describirá el sistema de control desarrollado de temperatura

y el modelo y control de pH para el biorreactor propuesto.

4.1. Control de Temperatura

Como se indico en el la sección 1.3 la temperatura es una variable fundamental

en la producción del biogás, la cual se debe mantener estable para que bacterias

no se inhiban durante el proceso. El rango de temperatura que se utilizara es el

mesófilico el cual ha presentado resultados satisfactorios en otros trabajos similares

[23, 31, 32].

4.1.1. Identificación del modelo de temperatura

El proceso de temperatura del biorreactor pueden ser modelado de varias mane-

ras. Normalmente se realiza una descripción de balances de materia y energía para

obtener un sistema de espacio de estado. Los modelos utilizados para sistemas de

control están en forma definidos de ecuaciones lineales o diferenciales. A menudo

asumimos que sus parámetros son conocidos y constante. Sin embargo, en condicio-

nes experimentales como es en este caso es necesario medir o estimar a partir de

parámetros de señales de entrada y de salida de proceso [33].

Para establecer el modelo de forma de experimental encontramos una amplia

variedad de métodos basados en la respuesta al escalón. Este método busca realizar

estimaciones sobre proceso para obtener información sobre una ganancia aproxima-

da de proceso, la constante tiempo, y el tiempo muerto.

Con el fin de establecer la respuesta del proceso se debe establecer los siguientes

parámetros de la señal de entrada; debe tener una amplitud, con un valor inicial

para obtener una temperatura alrededor de 30◦ y que al modificar la amplitud este

68

se modifique a un valor cercano a los 40◦, lo cual representa la modificación en la

porcentaje de una señal PWM que regula el voltaje sobre resistencia eléctrica, y

un tiempo de escalón subiente para que la temperatura se estabilice, en donde se

definió un tiempo de alrededor de cuatro días para el inicio del escalón y un total

de cercano a los 10 días, en la figura 4.1 se ilustra la señal diseñada.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

0

2

4

6

8

10

min

PW

M %

Figura 4.1: Señal escalón de entrada (Porcentaje de la señal PWM)

Los datos de la respuesta del sistema son adquiridos y almacenados por la apli-

cación desarrollada, en la figura 4.2 se presenta la temperatura obtenida en el bio-

rreactor para la señal de entrada propuesta.

En la figura 4.2 se observa que la señal presenta unas ondulaciones constantes

ocasionadas por la variación de temperatura ambiente, por lo que fue necesario fil-

trar esta señal, para lo que se utilizo Matlab. En la figura 4.3 se puede observar la

señal obtenida al aplicar los filtros diseñados y la eliminación del offset.

A partir de la señal filtrada se estableció que el sistema se puede aproximar a

un sistema de primer orden, en donde es necesario establecer los parámetros K y T

como se indica en la ecuación 4.1.

G(s) =K

Ts + 1e−T ds (4.1)

69

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1400028

30

32

34

36

38

40

42

44

46

min

°C

Figura 4.2: Respuesta de temperatura del sistema

Fuente: Autor

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1400024

26

28

30

32

34

36

38

min

°C

Figura 4.3: Señal de salida filtrado

Fuente: Autor

70

Se realizan las mediciones sobre la gráfica de la figura 4.3 para establecer K, Y

y Td, en donde tenemos que K = 1.15, T = 100 y Td = 0. La función transferencia

establecida se define en la ecuación 4.2.

G(s) =1,15

100s + 1(4.2)

En la figura 4.4 se observa la comparación entre la respuesta del sistema y el

modelo el sistema identificado.

6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 1000026

28

30

32

34

36

38

min

°C

Figura 4.4: comparación entre la respuesta del sistema y el modelo el sistema iden-

tificado

Fuente: Autor

4.1.2. Diseño del control de temperatura

Para el diseño del controlador se utilizaron los métodos de auto sintonización

de Åström Hägglund (AH), Kaiser Chiara (KC), Kaiser Rajka (KR), en donde el

sistema se conecta en un lazo de re-alimentación con un relé como se muestra en la

figura 4.5. Realizando esta configuración en un sistemas dinamico habrá entonces

71

una oscilación como se muestra en la figura 4.6, donde la señal de control es una

onda cuadrada y la salida del proceso está próxima a una sinusoide [34].

Figura 4.5: Diagrama de bloque de un proceso con realimentación con un relé.

Fuente: [34]

Figura 4.6: Salida del relé y salida del proceso para un sistema continuo.

Fuente: [34]

Para calcular las contantes del controlador PID con este método lo que se busca

es establecer la ganancia critica (Kc) y el periodo critico (Tc) del sistema, los cuales

se obtienen a partir de la señal de salida (y) de la prueba del rele, en son el periodo

de esta señal corresponde a Tc y de la amplitud (a) se calcula la ganancia critica

utilizando la ecuación 4.3.

Kc =πa

4d(4.3)

En la figura 4.7 se presenta los resultados de la prueba sobre el modelo obtenido,

en donde Tc = 8 y para a = 0.091 tenemos Kc = 13.87.

Las constantes del controlador para el método AH se calculan como se indica a

continuación:

72

250 300 350 400 450 500−0.08

−0.06

−0.04

−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08ASTROM HAGGLUND (AH) − KAISER CHIARA (KC) − PRUEBA DEL RELE

min

°C

Figura 4.7: Prueba del relé para el sistema de temperatura para los métodos AH y

KC

Fuente: Autor

Kp = 0,60 ∗ Kc −→ Kp = 0,60 ∗ 13,87 = 8,32 (4.4)

Ti = 0,50 ∗ Tc −→ Ti = 0,50 ∗ 8 = 4 (4.5)

Td = 0,25 ∗ Ti −→ Td = 0,25 ∗ 4 = 1 (4.6)

En el método de KC se agrega el concepto de margen de ganancia PM, el cual

se encuentra entre 40◦ y 70◦, el cual de definio como PM = 65, los cálculos de las

constantes del controlador para el método KC se indica a continuación:

p = Kc ∗ cos (PM) −→ Kp = 13,87 ∗ cos (65) = 5,60 (4.7)

Ti = Tc ∗1 + sin (PM)π cos (PM)

−→ Ti = 8 ∗1 + sin (65)π ∗ cos (65)

= 11,48 (4.8)

Td = 0,25 ∗ Ti −→ Td = 0,25 ∗ 36,10 = 2,87 (4.9)

73

En el método de KR se agrega un delay adicional al relé para obtener la respuesta

del sistema realimentado, el valor de este delay se calcula a partir del Tc anterior y

PM, en la ecuación 4.10 se indica el calculo de este valor.

τd = TcPM − 37

360−→ τd = 8

65 − 37360

= 0,62 (4.10)

La respuesta obtenida agregando el delay se presenta en la figura 4.8, en donde

Tc = 24 y para a = 0.18 tenemos Kc = 6.74.

0 50 100 150 200 250 300−0.06

−0.04

−0.02

0

0.02

0.04

0.06KAISER RAJKA (KR) − PRUEBA DEL RELE

min

°C

Figura 4.8: Prueba del relé para el sistema de temperatura para los método KR

Fuente: Autor

Las constantes del controlador para el método KC se calculan como se indica a

continuación:

Kp = 0,80 ∗ Kc −→ Kp = 0,80 ∗ 6,74 = 5,21 (4.11)

Ti = 0,64 ∗ Tc −→ Ti = 0,64 ∗ 24 = 15,36 (4.12)

Td = 0,25 ∗ Ti −→ Td = 0,25 ∗ 7,97 = 3,84 (4.13)

74

Estos métodos permiten establecer Los valores de la constantes Kp, Ti y Td

para un controlador análogo, como se pretende implementar un control digital en

un micro-controlador, se utilizan las ecuaciones definidas por K Ogata con las que

es posible establecer las constantes de un controlador digital a partir de uno análogo

[35].

KP = Kp −Kp ∗ Ts

2 ∗ Ti(4.14)

KI =Kp ∗ Ts

T i(4.15)

KD =Kp ∗ Td

Ts(4.16)

En donde Ts corresponde a el tiempo de muestreo, es ente caso se definió Ts =

1s, los valores obtenidos para los métodos AH, KC y KR discreto se relacionan en

la tabla 4.1.

Tabla 4.1: Constantes del controlador PID discreto para los métodos AH, KC y KR

AH KC KR

KP = 7.28 KP = 5.60 KP = 5.21

KI = 2.08 KI = 0.51 KI = 0.35

KD = 8.32 KD = 16.83 KD = 20.71Fuente: Autor

La ultima opción que se utilizo para el diseño del controlador es la sintonización

por medio de la función PID Controller de Matlab simulink, en la figura 4.9 se pre-

senta la interfaz de esta herramienta para el diseño del controlador.

Los resultados de las contantes del controlador con este método se relaciona en

la ecuación 4.17.

KP = 41,41 KI = 0,39 KD = 31,06 (4.17)

Para el diseño y simulación de este controlador se realizaron utilizando la forma

estructura de PID discreto en posición, que se configuro con una saturación entre

75

Figura 4.9: Diseño del controlador PID digital utilizando Matlab

Fuente: Autor

0 y 1000, que corresponden a la potencia mínima y máxima del actuador, y una

perturbación a los 500s igual a -10, en la figura 4.10 se presenta la estructura del

control utilizada para la simulación.

Figura 4.10: Diagrama de bloques del esquema del control PID.

Fuente: Autor

En la figura 4.11 se presenta el funcionamiento de los controladores diseñados

para una entrada paso y una perturbación en simulación, y en la figura 4.13 se

presentan las señales de control obtenidas para cada método y en la figura 4.11 se

presenta la respuesta del controlador a cambios en el set-point.

76

0 200 400 600 800 10000

1

2

3

4

5

6

7

min

°C

AHKCKRMatlab

Figura 4.11: Simulación de los PID diseñados con rechazo a perturbaciones.

Fuente: Autor

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

1

2

3

4

5

6

7

min

°C

AHKCKRMatlab

Figura 4.12: Respuesta del controlador a cambios del set point.

Fuente: Autor

77

0 200 400 600 800 10000

10

20

30

40

50

60

min

PW

M %

(a) AH

0 200 400 600 800 10000

10

20

30

40

50

60

70

min

PW

M %

(b) KC

0 200 400 600 800 10000

10

20

30

40

50

60

70

min

PW

M %

(c) KR

0 200 400 600 800 10000

50

100

150

200

250

min

PW

M %

(d) Matlab

Figura 4.13: Señal de entrada al actuador.

Fuente: Autor

4.2. Modelo Teórico del potencial de hidrógeno

(pH)

Para el diseño del controlador de pH en este caso ajustaremos sus parámetros en

base a un modelo teórico, debido a que es realmente complicado realizar un control

robusto para este tipo de procesos dada la alta no linealidad de la variable a con-

78

trolar.

Como este sistema la temperatura se encuentra controlada para garantizar que

sistema se comporte como un sistema isotérmico, en el modelo planteado la tempe-

ratura se tomara como una constante.

4.2.1. Fundamentos químicos

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. Indica la concen-

tración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas sustancias. Está definido

como el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de este tipo de iones como la

ecuación 4.18.

pH = −log[H3O+] (4.18)

El pH puede en la mayoría de las soluciones químicas tiene un pH que varia

entre 0 a 14, pero son posibles valores fuera de estos limites [36], en donde 7 indica

la neutralidad de la disolución, las disoluciones con pH menor son acidas, y las di-

soluciones con pH mayores son alcalinas, donde el disolvente es agua pura.

En este caso se trabajará con una solución compuesta mayoritariamente por

agua, se utilizara la disociación de agua pura a una temperatura constante [37], la

cual se define en la ecuación 4.19.

Kw =[H3O

+][OH−][H2O]

(4.19)

La fracción del agua que se ioniza es tan pequeña que la concentración de agua no

disociada se aproxima a 1.0. Esa razón se hace evidente si consideramos una solución

neutra, dónde por cada tonelada métrica de moléculas de agua habría aproximada-

mente 0.1 mg de H3O+ y 1.7 mg de OH−. En agua pura (pH 7.0), la razón de iones

de hidronio a iones hidroxilo es igual a 1.0. Esto nos conduce a que la constante

de disociación del agua (Kw) se puede expresar como el producto de la concentra-

ción del ión hidronio por la concentración del ión hidroxilo [37], como indica en la

ecuación 4.20

79

Kw = [H3O+][OH−] (4.20)

4.2.2. Titulaciones de pH

La titulación implica el agregado de una solución, denominada titulante, desde

una bureta a un recipiente que contiene la muestra, denominada analito [36]. Un

diagrama de pH de la solución de analito como función del volumen del titulante

agregado durante una titulación se denomina curva de pH.

Con la curva de titulación es posible establecer características de una solución,

por lo que se realizó el experimento de agregar HCl y NaOH a 3N al sustrato que

se utilizara para la producción de biogás. En la figura 4.14 se presenta la reacción

ácido base y en la figura 4.15 la reacción base ácido.

0 1000 2000 3000 4000 50005

6

7

8

9

10

11

12

Cantidad dosificada de HCl a 3N

pH

Figura 4.14: Curva de titulación del sustrato ácido a base

Fuente: Autor

Realizando una verificación en la literatura sobre las curvas obtenidas de pH,

se definió que el sustrato contenido en el tanque tiene un comportamiento de un

80

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35004

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Cantidad dosificada de NaOH a 3N

pH

Figura 4.15: Curva de titulación del sustrato base ácido

Fuente: Autor

ácido poliprotico, por lo que se partirá de esta disociación para el planteamiento del

modelo dinámico del pH.

4.2.3. Modelo dinámico del pH

El siguiente modelo dinámico de pH se ha obtenido a partir de las indicaciones

expuestas por M. Henson [38], en el cual plantean la dosificación de dos fluidos,

una ácido (HCl a 3N) y una base (NaOH a 3N) sobre un taque cerrado. El modelo

dinámico de neutralización se muestra figura 4.16.

En [38] establecen las reacciones químicas del contenido de carbonatos en el agua

contenida dentro de un tanque, definidas en las ecuaciones 4.21, 4.22, 4.23 .

H2CO3 −→ HCO3 + H3O+ (4.21)

81

Figura 4.16: Diagrama esquemático del proceso de neutralización en tanque cerrado.

Fuente: Autor

HCO3 −→ CO3 + H3O+ (4.22)

H2O −→ OH− + H3O+ (4.23)

Las constantes de equilibrio para los anteriores relaciones químicas se definen

como:

Ka1 =[H3O

+][HCO−

3 ][H2CO3]

(4.24)

Ka2 =[H3O

+][CO−

3 ][HCO3]

(4.25)

Kw = [H3O+][OH−] (4.26)

Cuyos valores son conocidos puesto que en el caso de Kw corresponde al producto

iónico del agua, y en los caso de Ka1 y Ka2 se han estimado unos valores de acuerdo a

la bibliografía. El equilibrio químico se modela siguiendo las siguientes definiciones de

dos reacciones ecuaciones estáticas que representan las constantes electronegativas.

Concretamente la suma de cargas positivas o negativas, según el caso, de cada especie

[16].

82

Wai = [H3O+]i − [OH−]i − [HCO−

3 ]i − 2[CO−

3 ]i (4.27)

Wbi = [H2CO]i + [HCO−

3 ]i + [CO−

3 ]i (4.28)

Finalmente, combinando estas ecuaciones con los balances másicos del sistema

se obtienen las siguientes ecuaciones diferenciales[16].

δWaR = q1

(

Wa1

V

)

+ q2

(

Wa2

V

)

+ d(

Wa3

V

)

− Fout

(

WaR

V

)

(4.29)

δWbR = d(

Wa3

V

)

− Fout

(

WaR

V

)

(4.30)

δV = q1 + q2 + d − Fout (4.31)

Donde d y Fout son los caudales de entrada y salida del tanque que en nuestro

caso se consideran iguales a cero.

A partir de esta descripción matemática M. Henson [38], A. Varela [16] plantea un

modelo en Simulink, el que se representa por el diagrama de bloque de la figura 4.17.

Para hacer corresponder el modelo teórico con el sistema dinámico del pH, los

parámetros iniciales de las variables del proceso y del caudal de los reactivos son

ajustados para lograr hacer coincidir los dos modelos, ademas las constantes de di-

sociación, y las concentraciones de los reactivos.

En las figuras 4.18 y 4.19 se presentan las señales obtenidas en el modelo de

simulink, de la neutralización de medio ácido y medio básico.

4.3. Selección de la estrategia de control de pH

A partir de las datos de la dinámica del pH, se evidencian las no linealidades que

se presentan en el pH del sustrato, por lo que es necesario optar por un sistema de

83

Figura 4.17: Modelo para el proceso de pH

Fuente: Autor

0 1000 2000 3000 4000 5000

2

4

6

8

10

12

14

pH

Cantidad dosificada de HCl a 3N

Figura 4.18: Curva de titulación del modelo de simulink de ácido a base.

Fuente: Autor

84

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40004

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Cantidad dosificada de NaOH a 3N

pH

Figura 4.19: Curva de titulación del modelo de simulink de base ácido.

Fuente: Autor

control que se adapte a esta dinámica. Para el control de pH encontramos trabajos

que implementan técnicas de control como; Fuzzy de modo deslizante (FSMC) [39],

Fuzzy predictivo [40], Fuzzy adaptativo [41], PI [42], los cuales han sido diseñados

y evaluados en simulación, información sobre implementación en plantas o prototi-

pos tenemos desarrollos de técnicas de menor complejidad como PID [43] o a nivel

industrial encontramos generalmente reguladores ON/OFF.

Teniendo en cuenta estos desarrollos en este proyecto se opto para la implementa-

ción de un controlador difuso, el cual se acondiciona a las no linealidades del proceso

y que ha presentado resultados satisfactorios en simulaciones en trabajos previos.

Estos sistemas de lógica difusa resultan una estrategia simplificada de control para

modelos complejos, ademas su adaptabilidad hacen de esta una alternativa viable

para su implementación.

Para el diseño del controlador difuso no es necesario un modelo matemático de la

planta, pero fue necesario un modelo para verificar el funcionamiento del controlador

85

debido a la característica del experimento, para la los datos de las curvas de titulación

fueren necesarios 3.5 L de base y 5.2 L de ácido a 3N, ademas de los 10 L de sustrato

para realizar las pruebas, el cual después de los experimentos era desechado debido a

que por la cantidad de base y ácido ingresado la población bacteriana era afectada,

por que existía la posibilidad que no funcionara para producción de biogás. Para

verificar el diseño del controlador es necesario agregar ácido y base en el sustrato y

existía la posibilidad de que presentaran niveles altos o bajos en el pH del sustrato

por lo que seria necesario para cada prueba del controlador preparar 10 L de sustrato,

otro es la cantidad de reactivo necesario para realizar estas pruebas, por lo que se

decidió ajustar y verificar el controlador en la simulación, y una vez se tenga un

diseño adecuado verificarlo en la plata piloto construida.

4.4. Componentes de un controlador difuso

Un controlador difuso está compuesto de cuatro partes principales: interfaz de di-

fusificación, base de conocimientos, lógica de decisiones e interfaz de desdifusicación

[44], en la figura 4.20 se presentan los componentes de un controlador difuso.

Figura 4.20: Estructura de un controlador difuso.

Fuente: [44]

4.4.1. Interfaz de difusificación o difusor

Mide los valores de las variables de entrada para realizar un mapeo a escala que

transfiere el rango de valores de las variables a un universo de discurso difuso. La

difusificación convierte los datos de entrada en valores lingüísticos que son las eti-

quetas de las funciones de pertenencia o conjuntos difusos [44].

86

Una variable lingüística en general se asocia a un conjunto de términos, definido

en el mismo universo de discurso. Para encontrar cuántos términos son necesarios

en un conjunto se emplean particiones difusas. El número de conjuntos difusos de-

termina la complejidad del controlador, y éstos tienen un significado lingüístico [44].

4.4.2. Base de conocimientos

La base de conocimientos contiene toda la información de la aplicación que se

va a controlar, así como las metas del controlador. Consta de una base de datos y

una base de reglas lingüísticas para controlar la variable. La base de datos propor-

ciona las definiciones para el establecimiento de reglas y la manipulación de datos

difusos. La base de reglas caracteriza las metas de control y la política que utilizan

los expertos para llevar a cabo el control, empleando proposiciones [44].

Un algoritmo de control difuso debe ser capaz de inferir una acción de control

correspondiente para cada estado del proceso que se va a controlar, propiedad que

se denomina unidad. La estrategia de la base de datos comprende los soportes de la

definición de los conjuntos difusos [44].

4.4.3. Lógica de decisiones

La lógica utilizada para tomar decisiones dentro de un controlador difuso es el

núcleo del mismo. A partir de la misma se simula la lógica que utilizan las personas

para tomar decisiones, con base en conceptos difusos y en la inferencia de accio-

nes de control, empleando implicaciones y las reglas establecidas según la base de

conocimientos [44].

4.4.4. Interfaz de desdifusicación o concresor

La interfaz de desdifusicación se encarga del mapeo a escala que convierte el rango

de valores de las variables de salida a sus universos de discurso correspondientes. La

desdifusicación es la herramienta para obtener la acción de control nítida a partir

de una acción de control difusa [44].

87

4.5. Diseño de un controlador difuso para pH

Un controlador difuso clásico tiene un lazo de control como el de la figura 4.21,

el cual tiene como función minimizar la señal de Error, ya que de esta manera se

garantiza que la señal de salida de pH en el biorreactor anaeróbico sea igual al valor

de referencia establecido.

Figura 4.21: Lazo de un controlador difuso clásico

Fuente: [44]

El diseño del sistema de Lógica Difusa se realizó utilizando Matlab para el diseño

y Labview para la implementación. En el diseño se utilizó el fuzzy FIS Editor, en el

cual es posible realizar el análisis y diseño sistemas de lógica Difusa.

4.5.1. Definición de las entrada y salida del sistema

El sistema de control de la figura 4.21, la entrada del controlador difuso corres-

ponde a la señal de error y la salida es el sistema para modificar la variable del

proceso, el actuador utilizado para modificar el pH es dos bombas peristálticas para

la base (aumenta pH) y ácido (disminuye pH), por lo que el controlador diseñado

estará compuesta por dos salidas, en la figura 4.22esta la estructura definida para el

controlador diseñado.

Conjunto difuso de señal de entrada (error).

La señal de entrada al controlador difuso es la señal de ERROR, correspondiente

a la diferencia aritmética entre la señal de referencia y la señal de salida de pH,

medida por medio del sensor .

Las variables lingüísticas definidas para la señal de entrada ERROR son:

88

Figura 4.22: Componentes del controlador difuso diseñado.

Fuente: Autor

C : Cero.

NB : Negativo bajo.

NM : Negativo medio.

NA : Negativo alto.

PB : Positivo bajo.

PM : Positivo medio.

PA : Positivo alto.

El Universo de discurso de la señal ERROR se estableció entre [-7.0, 7.0], dado que

el pH esta en un rango de medida de 0 a 14 y se busca mantener el pH neutro (7).

La definición de los conjuntos difusos una vez establecido el rango del Universo de

discurso para la señal de ERROR se presenta en la figura 4.23, y en la tabla 4.2 el tipo

de funciones de pertinencia y la ubicación de cada función de membresía.

−6 −4 −2 0 2 4 6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

error

Deg

ree

of m

embe

rshi

p

NG NM NB C PB PM PA

Figura 4.23: Conjuntos difusos de la variable de entrada ERROR.

Fuente: Autor

89

Tabla 4.2: Conjuntos difusos de la variable de entrada ERROR.

Membership function Shape Points

C Triangle -0,1 ; 0 ; 0,1

NB Triangle -2 ; -1 ; 0

NM Triangle -3 ; -2 ; -1

NA Triangle -7 ; -7 ; -1,5

PB Triangle 0 ; 1 ; 2

PM Triangle 1 ; 2 ; 3

PA Triangle 1,5 ; 7 ; 7Fuente: Autor

Conjunto difuso de señal de salida ácido.

La salida ácido del controlador difuso corresponde a modificar la velocidad de

la bomba peristaltica, para disminuir el pH en el proceso, para lo cual se define el

universo de discurso de la variable ACIDO entre [0,100], en donde el 0 es la velocidad

mínima y 100 la velocidad máxima en la bomba.

Las variables lingüísticas definidas para la señal de salida ACIDO son:

C : Cero.

B : Bajo.

M : Medio .

A : Alto.

La definición de los conjuntos difusos una vez establecido el rango del Universo

de discurso para la señal de ACIDO se presenta en la figura 4.24, y en la tabla 4.3 el

tipo de funciones de pertinencia y la ubicación de cada función de membresía.

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

acido

Deg

ree

of m

embe

rshi

p

C B M A

Figura 4.24: Definición de conjuntos difusos de la variable de salida ACIDO.

Fuente: Autor

Tabla 4.3: Conjuntos difusos de la variable de salida ACIDO.

Membership function Shape Points

C Triangle -0,1 ; 0 ; 0,1

B Triangle 0 ; 5 ; 5

M Triangle 20 ; 40 ; 40

A Triangle 50 ; 100 ; 100Fuente: Autor

Conjunto difuso de señal de salida base.

La salida base del controlador difuso corresponde a modificar la velocidad de la

bomba peristaltica, para incrementar el pH en el proceso, para lo cual se define el

universo de discurso de la variable BASE entre [0,100], en donde el 0 es la velocidad

mínima y 100 la velocidad máxima en la bomba.

Las variables lingüísticas definidas para la señal de salida BASE son:

C : Cero.

B : Bajo.

M : Medio .

A : Alto.

La definición de los conjuntos difusos una vez establecido el rango del Universo

de discurso para la señal de BASE se presenta en la figura 4.25, y en la tabla 4.4 el

91

tipo de funciones de pertinencia y la ubicación de cada función de membresía.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

base

Deg

ree

of m

embe

rshi

p

C B M A

Figura 4.25: Definición de conjuntos difusos de la variable de salida BASE.

Fuente: Autor

Tabla 4.4: Conjuntos difusos de la variable de salida BASE.

Membership function Shape Points

C Triangle -0,1 ; 0 ; 0,1

B Triangle 0 ; 5 ; 5

M Triangle 10 ; 20 ; 20

A Triangle 50 ; 100 ; 100Fuente: Autor

4.5.2. Definición de la base de reglas

La base de reglas para el sistema de lógica difusa se definió considerando la di-

námica del modelo de pH, y del efecto de la dosificación de ácido o base adecuado

para mantener el error en estado estacionario igual a cero; es decir, que el pH dentro

del reactor sea neutro.

Para el sistema de lógica difusa se definieron las siguientes relaciones;

Si el error es cero, la base es cero y ácido es cero.

Si el error es positivo bajo, la base es bajo y ácido es cero.

Si el error es positivo medio, la base es medio y ácido es cero.

92

Si el error es positivo alto, la base es alto y ácido es cero.

Si el error es negativo bajo, la base es cero y ácido es bajo.

Si el error es negativo medio, la base es cero y ácido es medio.

Si el error es negativo alto, la base es cero y ácido es alto.

Tabla 4.5: Base de Reglas para Controlador Difuso.

ERROR NA NM NB C PB PM PA

BASE C C C C B M A

ACIDO A M B C C C CFuente: Autor

4.5.3. Funcionamiento del controlador diseñado en simula-

ción

Para verificar la respuesta del controlador se realizó el diagrama de la simulación

utilizando simulink con el modelo no lineal teórico, como se ilustra en la figura 4.26.

Figura 4.26: Diagrama de control de pH en simulación.

Fuente: Autor

En la figura 4.27 se presenta respuesta del control difuso con el modelo no lineal

de pH.

93

100 200 300 400 500 600 700 8003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

min

pH

Figura 4.27: Funcionamiento del controlador de pH en la simulacion.

Fuente: Autor

4.5.4. Implementación del controlador Difuso

La implementación de el algoritmo de control difuso genera un requerimiento

considerable de memoria y tiempo de procesamiento [45], por lo que es necesario

un sistema computación que pueda cumplir estas características. Adicionalmente es

necesario un sistema de adquisición para realizar el monitoreo de las variables del

proceso, normalmente cuando se desarrollan una aplicación de este tipo de reque-

rimientos se utiliza un dispositivo para para cada actividad por separado. En este

proyecto se utiliza una single board NI sbRIO 9632 (figura 4.28) con la cual es posi-

ble realizar esta dos actividades de manera simultanea, a continuación se relacionan

la principales características de este dispositivo:

Procesador de 400 MHz, 256 MB de almacenamiento no volátil, 128 MB

DRAM para control y análisis determinísticos

FPGA de 2M de compuertas con tecnología de E/S reconfigurable (RIO) para

temporización personalizada, procesamiento en línea y control

94

110 líneas DIO de 3.3 V (tolerancia de 5 V/TTL), 32 entradas analógicas de

16 bits, cuatro salidas analógicas de 16 bits

Puerto Ethernet 10/100BASE-T y puerto serial RS232, entrada de suministro

de 19 a 30 VDC

sbRIO-9632 tiene rango de operación de -20 a 55 ◦C, sbRIO-9632XT expande

de -40 a 85 ◦C

Figura 4.28: SBRIO 9632 National instruments

Fuente: Autor

El sbRIO-9632 es un sistema embebido que está diseñado para ser fácilmente

utilizado en aplicaciones de alto rendimiento que requieren flexibilidad, fiabilidad

y alto rendimiento. Para el desarrollo de aplicaciones en este dispositivo se utiliza

la plataforma de programación gráfica LabVIEW, y los módulos Real time, FPGA

y NI-RIO, es necesario crear un proyecto FPGA para tener acceso a los diferentes

componentes del dispositivo, en donde creamos un vi FPGA target, en donde se

realizar la configuración del sbRIO.

95

En el sistema de control en necesario realizar la medición del pH, presión y

controlar la velocidad de las bombas de ácido y base. Las señales de entrada corres-

pondiente a los sensores es una señal de voltaje de 0 a 5 V para lo que se configuraron

2 entradas análogas como se ilustra en la figuras 4.29 y 4.30.

Figura 4.29: Medicion de pH.

Fuente: Autor

Para las bombas se genera una señal cuadrada entre 0 u 500 Hz con una amplitud

de 5v, como se ilustra en la figura 4.31.

Para realizar el control es necesario el modulo Control Desing and Simulation,

el toolkit PID and FUzzy logic y los controladores del dispositivo, utilizando Fuzzy

System Designer se definen todas las funciones de membresía de entrada y salidas,

las reglas y el método de defuzzificación (Centro de Area), en la figura 4.32 se pre-

senta la interfaz con los paramentos establecidos.

En las figuras 4.33 y 4.34 se presentas las superficies obtenidos en labVIEW para

las salidas del controlador.

96

Figura 4.30: Medicion de Presion

Fuente: Autor

Figura 4.31: Control de Velocidad de las Bombas.

Fuente: Autor

97

Figura 4.32: Interfaz Fuzzy labview

Fuente: Autor

Figura 4.33: Superficie para la salida base

Fuente: Autor

98

Figura 4.34: Superficie para la salida ácido

Fuente: Autor

Finalmente se realiza la interconexion entre las entradas y salidas del sbRIO y

el controlador difuso, como se muestra el código en la figura 4.35.

Figura 4.35: Controlador difuso implementado en Labview

Fuente: Autor

99

Capítulo 5

Funcionamiento de los sistemas de

control

A continuación se presentan el funcionamiento de los controladores diseñados pa-

ra temperatura y pH. Los experimentos fueron realizados en un sala que no presenta

ningún tipo de aislamiento térmico a adecuaciones especiales en la Universidad de

Cundinamarca sede Fusagasugá.

5.1. Control de temperatura

Para verificar el funcionamiento del sistema de control diseñado se realizaron

pruebas en planta piloto para regular la temperatura en condiciones mesofílicas.

Inicialmente se estabilizó el sistema a 35◦, y posteriormente se realizaron cambios

de tipo escalón en el set-point a valores de 40◦ para evaluar el comportamiento del

controlador. El tiempo de muestreo de la adquisición se configuro a 15s.

En la figura 5.1 se presenta la respuesta obtenida para el diseño realizado con KC,

el cual presentó menor sobre impulso en la simulación que AH y KR. Las caracterís-

ticas de la respuesta transitoria del proceso presento las siguientes especificaciones;

tiempo de establecimiento de 330 min, y aproximadamente un sobre impulso del

52 %, para los métodos AH y KR se presento un comportamiento similar de tiempo

de establecimiento pero se presento mayor sobre impulso.

100

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200034

35

36

37

38

39

40

41

42

43

min

°C

Figura 5.1: Funcionamiento de control de Temperatura

Fuente: Autor

En la digestión anaerobia se presentan efectos negativos en el metabolismo de las

bacterias cuando se presentan cambios de temperatura superiores a 1◦ [13], con este

sistema de control tenemos variaciones de 2.5◦ lo que puede representar inhibición

en el proceso.

En la figura 5.2 se presenta la respuesta obtenida para el diseño realizado con

Matlab, el cual presentó menor sobre impulso en la simulación. Las características

de la respuesta transitoria del proceso presento aproximadamente las siguientes es-

pecificaciones; tiempo de establecimiento de 280 min, y un sobre impulso del 28 %,

con lo que se logro diminuir estas dos características, en esta caso se presento una

variación máxima de temperatura de 1.7◦ lo que representa un efecto negativo en la

digestión anaerobia.

Para minimizar el sobre impulso se realizaron pruebas disminuyendo la ganancia

proporcional, en las cuales no se logro obtener un sobre impulso menor a el 20 % por

lo que la variacion en temperatura siempre fue mayor a 1◦, el tiempo de estableci-

101

miento se incremento y se presentaron mayores oscilaciones alrededor del punto de

operación, debido a que no se obtuvo una variacion menor a 1◦ se decidió que los

cambios en el punto de operación fueran inferiores a 3◦, para que el sobre impulso

fuera menor a 1◦.

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 140034

35

36

37

38

39

40

41

42

min

°C

Figura 5.2: Control de temperatura Matlab

Fuente: Autor

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500039.8

39.85

39.9

39.95

40

40.05

40.1

40.15

40.2

min

°C

Figura 5.3: Control de Temperatura

Fuente: Autor

102

Finalmente se implemento el controlador sintonizado con PID tools de Matlab,

el cual presento una variación de la temperatura alrededor del punto de operación

(40◦) entre 39.8 y 40.2, como se ilustra en la figura 5.3.

5.2. Control de pH

Para el control de pH se realiza la adición de los reactivos NaOH (base) y HCl

(ácido) los cuales aumentan o disminuyen el pH en el sustrato, el efecto de estas

soluciones en el pH dependen de la cantidad de soluto disuelto en el solvente, entre

mayor sea la concentración es posible obtener una mayor variacion en el pH del

sustrato, esta concentración modificará el funcionamiento del controlador, por lo

que fue necesario realizar pruebas para establecer la concentración adecuada para el

correcto funcionamiento del sistema control.

En las pruebas realizadas a diferentes concentraciones, se observó, para concen-

traciones inferiores a 2N era necesario adicionar 4L o mas de solución para regular el

pH por lo que era posible sobrepasar la capacidad del bioreactor. En concentracio-

nes superiores a 5N se presentaban variaciones altas en el pH con poco volumen de

solución adicionado en este caso no era viable el sistema de control, para las concen-

traciones entre 3N a 4N las variaciones que se presentaban eran adecuadas para que

el control fuera viable. Al realizar dosificación de los reactivos para concentraciones

superiores a 3N las mangueras de silicona de las bombas de dosificación se pegan

o rompen por lo cual no fue posible utilizar estas concentraciones. Por lo anterior

las pruebas realizadas para el controlador se utilizo una concentración de 3N en los

reactivos.

Para que la temperatura no incidiera en el funcionamiento del controlador de pH,

primero se lleva la temperatura a el punto de operación y cuando las variaciones son

inferiores a 0,2◦ se activa el control de pH, en la figura 5.4 se observa la respuesta

obtenida para llevar el sustrato de su pH inicial a 7 utilizando el controlador difuso.

Después de tener el pH en neutro se agrega el inóculo para iniciar el proceso de la

digestión anaerobia.

103

0 100 200 300 400 5003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

min

pH

Figura 5.4: Funcionamiento del control de pH

Fuente: Autor

500 1000 1500 2000 25006

6.5

7

7.5

min

pH

Figura 5.5: Rechazo de perturbaciones en el control pH

Fuente: Autor

104

En la figura 5.5 se observa el rechazo de perturbaciones del sistema de control,

y en la figura 5.6 se presenta las variaciones presentadas en el pH en el punto de

operación.

2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400 2450 25006.8

6.85

6.9

6.95

7

7.05

7.1

7.15

min

pH

Figura 5.6: Seguimiento del set-point en el control pH

Fuente: Autor

Con la temperatura en 40◦ y el pH en 7, se recopilo la información de la concen-

tración de CH4 en el bioreactor, en la figura 5.7 se presenta el comportamiento de

la concentración de CH4 durante 40 dias.

Para establecer la cantidad del biogás producido, se utilizo la ley de los gases

ideales definida en la ecuación 5.1 [36], por la cual es posible determinar el numero

de moles (η) de un gas, esta expresión también se puede definir de forma alternativa

como se muestra en la ecuación 5.2, remplazando la ecuación 5.2 en 5.1 tenemos la

ecuación 5.3.

η =PV

RT(5.1)

η =m

M(5.2)

105

0 5 10 15 20 25 30 35 400

10

20

30

40

50

60

70

Dias

CH

4 %

Figura 5.7: Concentración volumetrica de CH4 en el bioreactor.

Fuente: Autor

m

M=

PV

RT(5.3)

En donde, M es la masa molar, P la presión absoluta, V el volumen, R la

constante universal de los gases ideales, T la temperatura absoluta y m la masa.

Para determinar la masa del biogás producido es necesario establecer la masa

molar (M) de los gases que componen el biogás principalmente C02 y CH4, la masa

molar de cada gas se puede definir por medio de la concentración y la constante de

masa molar de cada componente, en la ecuaciones 5.4 y 5.5 se definen la masa molar

de cada compuesto y en la ecuación 5.6 la masa molar del biogás.

MCO2= concentracion(CO2)( %) ∗ masa molar (CO2) (5.4)

MCH4= concentracion(CH4)( %) ∗ masa molar (CH4) (5.5)

106

M = MCO2+ MCH4

(5.6)

La masa molar del C02 es 44.01 g/mol y la concentración obtenida fue del 38.2 %,

la masa molar del CH4 es 16.04 g/mol y la concentración obtenida 61.8 %, rempla-

zando en la ecuaciones 5.4 y 5.5 tenemos:

MCO2= 38,2 % ∗ 44,01 = 16,81

g

mol(5.7)

MCH4= 61,8 % ∗ 16,04 = 9,91

g

mol(5.8)

M = 16,81 + 9,91 = 26,72g

mol(5.9)

El volumen total es 25 % de 14.72 L (ecuación 2.2 ) del biorreactor y el volumen

de tanque de almacenamiento que es igual a:

V = π ∗ (15cm)2 ∗ (33,8cm) = 238916cm3 =238911000

L = 23, 89L (5.10)

El volumen total corresponde a 27.59 L, la constante de los gases se define como

8.31 L KPa / K mol, la temperatura registrada en el biogás corresponde a 20.23 ◦C,

y la presión registrada durante el proceso no supero los 2.5 KPa, sustituyendo en la

ecuación 5.3 tenemos:

m =2,5 kPa ∗ 27,57L ∗ 26,72 g

mol

8, 314472 L∗kP aK∗mol

∗ (20,33 + 273)K= 0,7551g (5.11)

107

Conclusiones

Se realizó una revisión detallada de la información correspondiente al diseño de

un biorreactor, a partir de las cuales se definieron los sensores, actuadores, y materia-

les adecuados para el proceso de la digestión anaerobia. En el biorreactor construido

se confirmó que los acoples diseñados para la instrumentación no presentaron fugas

de sustrato ni escapes de gas , los sensores utilizados realizaron una medición co-

rrecta, el sistema de agitación mantenía una mezcla homogénea, la camisa externa

permitía modificar la temperatura, las bombas utilizadas para la dosificación funcio-

naron para modificar el pH en el sustrato, el sistema de monitoreo permite registrar

la información del comportamiento del proceso, en general a partir de los criterios

establecidos se construyó un biorreactor adecuado para el control de la temperatura

y pH.

La dinámica de la temperatura en el biorreactor es la de un modelo estable, con

un tiempo de respuesta lento, el cual es afectado por la temperatura exterior y que

presento linealidad en el rango que se realizo la prueba, por lo que la aproximación

realizada con el sistema identificado resultó un modelo adecuado para realizar el

diseño y la simulación del controlador.

El pH en el biorreactor con el sistema de control presentó una respuesta esta-

ble, con un tiempo de respuesta alrededor de 100 min, y sin sobre impulso, el cual

se acondiciono a las no linealidades del sistema. El modelo del pH utilizado resul-

to adecuado para realizar el diseño y la simulación del controlador, el cual permito

ajustar el controlador sin la necesidad de utilizar sustrato y reactivos, los cuales eran

necesario cambiar cada vez que se realizara una prueba del controlador, ademas en

estas pruebas se utilizaría ácido y base el cual no puede ser reutilizado y tienen un

costo considerable.

El funcionamiento del control de temperatura diseñado presento las siguientes

características; correcto seguimiento del set-point, reducción en tiempo de estable-

108

cimiento, y un sobre impulso superior al 20 %, este ultimó no fue posible disminuir

con los ajustes propuestos, debido a el tipo de actuador utilizado, el cual permitía

unicamente las acciones de control positivas (calentar) y no era posible realizar ac-

ciones de control negativas (enfriar), lo que representa que cuando la salida es mayor

al set-point es necesario esperar a que la temperatura del agua disminuya.

Las consideraciones realizadas para entrada, salidas y reglas en el sistema de

lógica difusa resultaron un planteamiento adecuado para el control del pH en el bio-

rreactor, se realizaron simulaciones utilizando acciones integrales y derivativas pero

con estas configuraciones no se obtuvieron resultados adecuados, al incorporara este

tipo de acciones de control ocasionaban inestabilidad en el sistema. El controlador

difuso diseñado presentó un seguimiento de set-point, rechazo a las perturbaciones,

por lo cual se puede destacar que la estrategia de control resulto adecuada para

este sistema no lineal, ademas en el diseño se encontraron diferentes herramientas

computacionales que facilitan esta actividad y en la implementación los sistemas

embebidos se adecuan para su desarrollo, en general este sistema de control resulto

adecuado para este tipo de sistema.

El biogás generado en el proceso de digestión anaeróbica a partir de una fracción

de residuos sólidos orgánicos provenientes de la plaza presento uno concentración del

61 %, la cual se encuentra en el rango de la composición característica del biogás.

Para evaluar el potencial energético del biogás por ahora no es posible, debido a

que la cantidad de gas generado por el momento no es suficiente para poder realizar

algún tipo de aprovechamiento energético.

En este proyecto se recopilaron las consideraciones necesarias para realizar de

diseño para la construcción de un biorreactor anaerobio tipo BATCH, la disposi-

tivos de instrumentación adecuados para realizar la medición de temperatura, pH,

presión, concentración de CH4 y los actuadores necesarios para realizar el control

de temperatura y pH, ademas las herramientas de software y hardware necesarios

para la implementación de un controlador PID y difuso.

109

Para trabajos futuros se recomienda utilizar los acoples de entrada, salida y las

tuberías por donde circulara el sustrato sean de un mayor a 1in de diámetro para

evitar que se generen taponamientos. Con los sensores utilizados, los electrodos de

vaina de cristal para pH se dañan antes de 7 días al interior de biorreactor por lo que

no son adecuados para este tipo de experimento, debido a la temperatura al interior

de tanque principal se presenta una humedad significativa, por lo que los sensores

de presión y la concentración de gas deben estar acondicionados para trabajar en

un ambiente con una humedad superior a el 95 %, debido a esto también es posible

la condenación de agua en las tuberías y al interior del tanque de almacenamiento

por lo que es necesario ubicar adecuadamente para evitar que se obstruyan por el

agua condensada.

110

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115

Apéndice A

Archivos Matlab

La codigos fueron desarrollados en Matlab 2014a, a continuación se relacionan

los archivos anexos.

En la carpeta de temperatura se encuentran los archivos del la identificación y

del diseño del controlador PID.

Los siguientes archivos se encuentra en la carpeta Temperatura - Identificación.

Modelo_temperatura.m : Identificación modelo temperatura.

Temperatura_salida.txt : Datos de la salida de la temperatura.

Los siguientes archivos se encuentra en la carpeta Temperatura - Control.

PID.m : Archivo para el diseño del controlador PID.

AH_PID.sxl : Archivo simulink para realizar la prueba del relé para el método

AH.

KR_PID.sxl : Archivo simulink para realizar la prueba del relé + delay para

el método KR.

116

Controlador.sxl : Archivo simulink para simular los controladores diseñados.

Controlador_PID_Digital.sxl : Archivo simulink para el diseño del contro-

lador PID utilizando Matlab.

PID_simulink_sfun : Implementación de controlador PID en ecuaciones en

diferencia.

En la carpeta de pH se encuentran los archivos del modelo no lineal y del diseño

del controlador difuso.

CS40compoCarbonatos.m : Parámetros para el modelo de pH.

CS40parameters.m : Rutina para ecuaciones para el modelo de pH.

pH_modelo.xls: Modelo no lineal en similink del pH.

pH_control.xls: Control difuso en similink del pH.

pH_modelo_sfun, pH_control_sfun : Ecuaciones para el modelo del pH.

pH_control.fis: Archivo contiene la información del diseño y control de pH

difuso.

En la carpeta de Datos están los archivos para las gráficas y los archivos que

tienen almacenada la información de las pruebas.

Graficas.m : Archivo para realizar los gráficos.

pH.mat : Información de la prueba de control de pH.

117

Temperatura.mat : Información de la prueba de control de temperatura para

el método KC.

Temperatura_matlab.mat :Información de la prueba de control de tempera-

tura para el método Matlab.

Temperatura_setpoint.mat : Información del de la prueba del control de

temperatura el punto de operación.

titulacionacido.txt : Información de lo curva de titualcion de ácido.

titulacionbase.txt : Información de lo curva de titualcion de base.

118

Apéndice B

Archivos Labview

Los códigos fueron desarrollados en LabView 2014 versión 14.0. En la carpeta

de pH se encuentran los archivos del monitoreo de las variable y control de PH.

FPGA.lvproj : Proyecto que recopila los archivos y las configuraciones de los

dispositivos.

PH_CONTROL.vi : Interfaz y control difuso de pH.

PH.vi : Configuración de adquisición datos para el modelo real time.

SBRIO.vi : Configuración de la sbrio-9632.

Leer Base de Datos.vi : Archivo para leer y visualizar la información de la

base de datos.

sensor_gas.vi : Configuración de la lectura de datos del sensor de biogas.

Datos.mdb : Base de datos en donde se encuentra almacenada la información.

datos.udl : Configuración de la base de datos

119