CONTROL DE CODIGESTORES ANAEROBIOS

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de control para la optimización de digestores anaerobios en el tratamiento de diferentes residuos orgánicos mediante codigestión. La invención también se refiere a un producto de programa informático de control de digestores anaerobios, adecuado para llevar a cabo el procedimiento.

La invención tiene aplicación en las plantas de biogás, para mejorar su rendimiento en términos de producción de metano, calidad del gas, calidad del digerido y estabilidad de la operación. La invención permite obtener un mejor aprovechamiento de los residuos orgánicos como fuente de energía renovable.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El suministro mundial de energía primaria para el período 2007-2030 seguirá dominado por el consumo de residuos fósiles según la International Energy Agency (IEA). Se estima que los residuos fósiles contribuirán de media en este período un 77%, las energías renovables un 23%, y que la demanda mundial de energía seguirá creciendo. Sin embargo, son las energías renovables las que jugarán un papel decisivo en las actuales políticas de mitigación de C0 ₂ . En este sentido, la energía proveniente de la biomasa y los residuos se posiciona como una de las fuentes de energía renovable más importantes del futuro. El proceso de digestión anaerobia para el tratamiento de residuos orgánicos ha crecido de forma notable en los últimos años, aumentando la capacidad de tratamiento mediante esta tecnología en tasas del 25% anual (Appels et al., 2011 , Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, pp. 4295-4301).

La digestión anaerobia es un proceso biológico mediante el cual cualquier residuo orgánico puede ser transformado en biogás (mezcla de metano y dióxido de carbono) a través de un mecanismo de reacción complejo que incluyen reacciones en serie y paralelo y que están catalizadas por diferentes grupos de microorganismos. Los actuales avances en el diseño de biorreactores han incrementado el uso de la digestión anaerobia para el tratamiento de residuos sólidos orgánicos, alcanzando mayores rendimientos que con métodos convencionales. En cualquier caso, son muchos los factores que pueden influir en el rendimiento del proceso de digestión, como son el tipo y concentración de sustrato, la temperatura, humedad, pH, etc., (Khalid et al., 2011 , Waste management 31 , 1737-1744). A este respecto, la codigestión anaerobia resulta ser una alternativa interesante para mejorar los rendimientos de digestión anaerobia de residuos sólidos. El uso de cosustratos puede incrementar el rendimiento en biogás de los digestores debido a las sinergias que se pueden establecer entre los diferentes sustratos, que permite, por ejemplo, mejorar el balance de nutrientes o el contenido de humedad de la mezcla, además de ser una ventaja económica importante por el hecho de compartir equipos e instalaciones (Mata-Alvarez et al., 2000, Bioresource Technology 74, pp. 3-16).

Mediante codigestión, se pueden obtener una mayor producción de biogás y un digerido de mejor calidad dependiendo de las proporciones en las que se combinen los diferentes residuos. La mayoría de los trabajos de codigestión que se han realizado hasta la fecha están basados en ensayos experimentales de diferentes mezclas de residuos con el objetivo de evaluar la viabilidad de las mezclas y el rendimiento en biogás.

En (Alvarez, et al., 2010, Bioresource Technology 101 , pp. 1 153-1 158) ha sido desarrollada una aproximación a la optimización de mezclas de sustratos para codigestión que plantea una metodología de optimización de mezclas basada en programación lineal. Considerando que el potencial metanogénico de un residuo orgánico depende de las características fisicoquímicas del sustrato y de la concentración de los componentes orgánicos principales (proteínas, lípidos y carbohidratos), el método de optimización determina las proporciones de los diferentes cosustratos que permiten alcanzar un mayor potencial metanogénico. Esta metodología fue validada con éxito realizando pruebas en ensayos discontinuos.

Al margen del potencial metanogénico de los residuos, otro aspecto importante a tener en cuenta durante el proceso de digestión anaerobia es la estabilidad de la operación. El mecanismo de reacción es complejo ya que comprende muchas reacciones y diferentes grupos de microorganismos. Al tratarse de un proceso biológico, la eficacia con la que trabajan los diferentes microorganismos depende en gran medida de las condiciones de pH y temperatura del sistema. La acumulación de compuestos intermedios, presencia de tóxicos o inhibidores puede conducir a la acidificación del sistema y pérdida de eficacia de los microorganismos con la consiguiente inactivación de éstos y la interrupción o pérdida de producción de biogás, y que dependiendo de la intensidad de la perturbación puede conducir a una desestabilización irreversible del proceso.

Los principales parámetros de operación que se monitorizan en una operación en continuo de un digestor anaerobio son principalmente: pH, alcalinidad, concentración de ácidos grasos volátiles (AGV), y el caudal y composición de biogás. Sin embargo, la respuesta y sensibilidad de estos parámetros a una perturbación son diferentes. Boe et al., 2010, Water Research 44, 5973-5980 estudiaron la respuesta de estos indicadores de proceso exponiéndolos a diferentes tipos de perturbaciones con el objetivo de encontrar el parámetro más adecuado para la monitorización del proceso. En concreto, estudiaron el comportamiento de los siguientes indicadores: producción de biogás, pH, AGV e Hidrógeno disuelto (medidas on-line), y el contenido en metano e hidrógeno en el biogás (medidas off-line). Observaron que la producción de biogás aumentaba al incrementar la carga orgánica pero con un ligero descenso en el contenido en metano. El pH se mantenía relativamente estable y no mostraba una clara respuesta a sobrecargas hidráulicas, pero sí era sensible a sobrecargas orgánicas. El hidrógeno disuelto era muy sensible a la presencia de compuestos fácilmente biodegradables, y el hidrógeno en fase gas aumentaba sólo ligeramente después de una sobrecarga orgánica. Encontraron que la concentración de AGV era un indicador efectivo, en donde el propionato era el ácido más persistente después de aparición de la perturbación.

Los aspectos más importantes que tienen en cuenta los operadores de planta de biogás para la monitorización de la operación son la robustez, simplicidad, precisión, exactitud y fiabilidad de los parámetros más importantes del proceso. Las plantas pequeñas de digestión anaerobia, sobre todo las de mono-digestión, pueden controlarse de manera aceptable utilizando métodos sencillos de valoración. Sin embargo, las plantas centralizadas de biogás que operan en codigestión requieren una monitorización más fiable y comprensible. Las medidas sencillas de acidez o cualquier otro parámetro probablemente no sean suficientes para revelar el verdadero estado del proceso debido a la variabilidad de la mezcla de alimentación. Y el control de las materias primas debería ser una parte más del análisis del proceso. Los actuales avances en la tecnología de análisis de proceso, que desarrollan nuevos métodos espectroscópicos y electroquímicos de medida, junto con el análisis de datos multivariable ofrecen nuevas posibilidades para monitorización del proceso de digestión anaerobia que permiten un control más efectivo y fiable del proceso (Madsen et al., 2011 , Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, pp. 3141-3155).

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un procedimiento de control para la optimización de digestores anaerobios en términos de producción de metano. En un aspecto la invención se refiere a un procedimiento que controla las operaciones de codigestión anaerobia que tratan simultáneamente una mezcla de dos o más residuos orgánicos mediante digestión anaerobia. La alimentación al digestor comprende residuos orgánicos agroindustriales tales como purines de cerdo, vaca, gallinaza, residuos de la industria de producción de biodiesel, vinazas o residuos de la industria conservera.

El procedimiento comprende las siguientes etapas: a. determinación mediante técnicas de programación lineal de la proporción de los distintos residuos de la mezcla y el tiempo de residencia hidráulico del sistema (TRH) maximizando una función objetivo, producción de metano, sujeta a restricciones lineales; b. diagnosis de la estabilidad de la planta de codigestión mediante monitorización de parámetros físico-químicos, que comprenden el ratio de alcalinidades y el caudal de metano del proceso y el cálculo de parámetros de diagnosis indicativos de la estabilidad del sistema, que comprenden un factor de estabilidad, determinado en función del ratio de alcalinidades, y un factor de capacidad metanogénica remanente, determinado a partir del caudal de metano; c. acción de control, que produce la modificación de los límites de las restricciones lineales del método de programación lineal, etapa a, a partir de los parámetros proporcionados en la etapa de diagnosis que modifica la proporción y caudal de los componentes de la mezcla para maximizar la producción de metano o recuperar la estabilidad de la operación, manteniendo la calidad del digerido y del biogás en los márgenes establecidos por las restricciones; y d. repetir los pasos a) hasta c).

La Figura 1 muestra una realización particular del procedimiento de control, en la que se muestran los distintos bloques del mismo. Tanto la información experimental (101), que comprende la composición y potencial metanogénico de cada sustrato, como el conocimiento heurístico de los procesos de digestión anaerobia (102), que permite fijar las restricciones de operación que debe cumplir la mezcla de alimentación al reactor, son la base para plantear y resolver el problema de optimización mediante programación lineal (105). La optimización de una función objetivo (103), con el fin de maximizar la producción de metano y considerando las restricciones aplicadas a las mezclas (104), determinan las condiciones de operación del reactor (en términos de mezcla de sustratos y TRH del sistema). Estas condiciones se mantienen durante un tiempo determinado (tiempo de ciclo del controlador), al término del cual se lleva a cabo un diagnóstico de la estabilidad y rendimiento del proceso (106). Los resultados de la diagnosis determinan en qué extensión se tienen que modificar las restricciones operacionales de la alimentación hacia escenarios más o menos conservadores (107). La acción de control, en último término, modifica los límites de las restricciones lineales (104) que permite calcular una nueva mezcla de alimentación al reactor.

El procedimiento de control permite su aplicación tanto a una planta real de codigestión anaerobia como a una planta simulada que contenga un modelo suficientemente preciso como el Anaerobio Digestión Model No. 1 (ADM 1), desarrollado por la International Water Association (Batstone et al., 2002, Water Science and Technology 45, pp. 65-73).

El procedimiento de control se puede agrupar en los siguientes módulos: Módulo de programación lineal o Blender (201), módulo de Filtrado (203), módulo de Diagnosis (204) y módulo Controlador (205). Así, en el procedimiento de control, en un primer momento se ejecuta el módulo de programación lineal (201) que devuelve la mezcla óptima de alimentación al reactor y el tiempo de residencia hidráulico (TRH) del sistema. El TRH y la mezcla de sustratos óptimos obtenidos en el módulo Blender se aplican en la planta real/simulada (202). El módulo de Filtrado calcula el valor promedio de los parámetros fisicoquímicos que se van a considerar en el módulo de Diagnosis durante cada ciclo de control (1/4 del TRH), que son Relación de Alcalinidades (Ratio) y caudal de metano (QCH4)- La estabilidad y rendimiento de la operación del digestor se monitoriza continuamente mediante indicadores específicos definidos en el módulo Diagnosis (204). El módulo Controlador (205) calcula un indicador al final de cada tiempo de ciclo del controlador (que se fija en un cuarto de tiempo del TRH del sistema) y actúa sobre la restricción más activa del problema de optimización (aquélla que tiene el potencial de lograr un mayor incremento en el valor de la función objetivo). Una restricción es activa cuando la solución de la programación lineal se encuentra en el límite superior o inferior de esa determinada restricción. En el caso de que haya más de una restricción activa, se considera la restricción más activa aquélla que supone un mayor incremento en el valor de la función objetivo. Por último y cerrando el lazo del procedimiento de control, el módulo Blender calcula un nuevo TRH y una nueva mezcla de sustratos, iniciando un nuevo ciclo de control con los nuevos límites de las restricciones operacionales. En una realización particular, el sistema se implementa empleando MATLAB®/SIMULINK®. A continuación se describen los distintos módulos del procedimiento de control. Blender

El método de optimización mediante programación lineal aplicado en el módulo Blender conduce simultáneamente a la optimización de la mezcla de sustratos y el TRH del sistema que maximizan la función objetivo. Para cada valor de TRH evaluado se obtiene una mezcla de sustratos. La combinación de TRH y mezcla de sustratos que presenta una mayor producción de metano, teniendo en cuenta las restricciones aplicadas, se devuelve como óptimo de operación.

La estructura de la función objetivo (f _0bj et¡vo) del problema de optimización se presenta en la Figura 3, y tiene la forma: donde x, es la fracción volumétrica de cada sustrato en la mezcla; DQOt¡ es la demanda química de oxígeno, indicativo del contenido en materia orgánica de cada sustrato (obtenido de la tabla de caracterización del sustrato); pMet¡ es el porcentaje de metanización esperado para un TRH dado, que se obtiene experimentalmente del ensayo de biodegradabilidad de cada residuo, y TRH es el tiempo de residencia hidráulico que se va a aplicar al sistema y que ha sido obtenido a partir de los ensayos de biodegradabilidad de todos los residuos de la mezcla. La función objetivo devuelve la suma de los términos resultante de multiplicar la fracción de cada sustrato en la mezcla x¡ por su DQOt¡ y por el porcentaje de conversión metanogénica esperada (pMet¡) para el TRH dado (tomado del ensayo de biodegradabilidad). Las unidades de la función objetivo son g DQO-CH ₄ /L d. La producción de metano, aunque normalmente se suele expresar en L CH ₄ /L d (o m ³ CH ₄ /m ³ d), en este caso, se expresa en g DQO/L d, ya que permite una comparación directa con la velocidad de carga orgánica (VCO) del sistema, que se expresa en las mismas unidades y que es uno de los parámetros principales de operación en digestión anaerobia junto con el TRH. De esta manera se puede calcular rápidamente la eficiencia de metanización respecto a la carga orgánica que se alimenta al digestor. La definición de la función objetivo emplea la información experimental de cada ensayo de biodegradabilidad de los sustratos en discontinuo así como el contenido en materia orgánica (DQO) de los mismos. Estos ensayos se llevan a cabo de manera rutinaria en muchas instalaciones de digestión anaerobia y por lo tanto, no supone un requerimiento adicional a la hora de implementar esta estrategia de control. Asimismo, el valor de DQO total de los sustratos es una variable típicamente conocida. De este modo, se logra un sistema de aplicación directa incluso en instalaciones con instrumentación y capacidad analítica limitadas.

Además de la función objetivo, el problema de optimización contempla un conjunto de restricciones lineales basadas en la experiencia de operación de digestión anaerobia. Las restricciones lineales para la alimentación se definen basándose en la caracterización disponible de los sustratos. Las restricciones comienzan con unos valores muy conservadores de los procesos de digestión anaerobia. Se definen valores máximos y mínimos aceptables para diversos parámetros, entre otros: (1) velocidad de carga orgánica (VCO); (2) Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK); (3) Humedad; (4) contenido en lípidos; (5) alcalinidad total; (6) salinidad (cloruros), (7), calidad del biogás; y (8) calidad del digerido. Estos rangos se formulan como restricciones lineales de la función objetivo a optimizar y garantizan que la mezcla de sustratos calculada se encuentra dentro de estos límites y es por ello operacionalmente factible.

En concreto, las restricciones (1) VCO, (7) calidad del biogás y (8) calidad del digerido no son características que se obtienen directamente de la caracterización de los sustratos. La VCO de cada sustrato se calcula a partir de la DQOt de cada sustrato y el TRH del sistema que se está evaluando, y la calidad del digerido a partir de la DQO biodegradable de cada sustrato. Sus expresiones son:

VCO = DQO _t / TRH (expresado en g DQO/L d)

Calidad del digerido = DQO _t (pBiod - (expresado en g DQO/L) donde pBiod es el máximo porcentaje de metanización (o % de biodegradabilidad, expresado en %/100) obtenido de los ensayos de biodegradabilidad de cada sustrato; y pMet es el porcentaje de metanización (expresado en %/100) alcanzado en el instante de tiempo de la curva de biodegradabilidad igual al TRH aplicado al digestor.

La calidad del gas se calcula en términos del máximo contenido en azufre (expresado en g H ₂ S/L) que se puede obtener en el biogás. Se calcula a partir del balance de masa del azufre considerando que todo el azufre de los sustratos se convierte a H ₂ S y se elimina completamente en la corriente gaseosa:

Balance:∑xi ^■ [H ₂ S]i ^■ Q _e = Q _g ^■ [H ₂ S] _g

Calidad del gas = [H ₂ S] Q _e /Q _g donde Q _e es el caudal de entrada al digestor (L/d); Q _g es el caudal de biogás esperado a la VCO del sistema (que se calcula como Q _g = VCO V- (0.35/0.70), siendo V el volumen del digestor (en L), 0.35 es el ratio L CH ₄ / gDQO que se obtiene de la oxidación completa del metano en condiciones normales, y 0.70 hace referencia al valor típico de composición de metano que se produce en digestión anaerobia (expresado en %/100); xi es la fracción volumétrica de cada sustrato en la mezcla. Finalmente, el término [H ₂ S] Q _e /Q _g representa la calidad del gas asociada a cada sustrato.

Filtrado

En este módulo se calcula el valor promedio de los parámetros fisicoquímicos que se van a considerar en el módulo de Diagnosis durante cada ciclo de control, que son Relación de Alcalinidades (Ratio) y caudal de metano (QCH ₄ )- LOS valores promedio de estos parámetros en cada ciclo de control se comparan en el módulo de diagnosis con unos valores de referencia o consigna para evaluar la estabilidad de la operación. Los valores filtrados o valores promedio de estos parámetros se calculan mediante las siguientes expresiones:

donde Ratio es relación de alcalinidades media y Q _CHi es el caudal de metano medio. El tiempo de integración empleado es igual a un cuarto del tiempo de TRH.

Diagnosis

El módulo de Diagnosis del rendimiento y estabilidad del sistema de control monitoriza los parámetros Ratio de Alcalinidades medio y Caudal de metano medio. El parámetro Ratio de Alcalinidades se define como la relación entre la alcalinidad debida a los ácidos grasos volátiles (AGV) y la alcalinidad debida al bicarbonato, y permite predecir acidificación y sobrecarga orgánica del sistema. El caudal de gas de metano medio se emplea como un indicador de la proximidad de la operación a la máxima capacidad del proceso. El módulo de Diagnosis devuelve dos factores basados en los valores representativos de Ratio de Alcalinidades medio y Caudal de metano medio, que son el factor de estabilidad (f Ratio) y el factor de capacidad metanogénica remanente (fcm)-

El factor de estabilidad (f _Ra t¡ ₀ ) se calcula usando una correlación empírica (Rodríguez et al., 2006, Water Science & Technology 54, pp. 57-62) basada en el Ratio medio, Ratio, respecto al valor de referencia Ratio ^' establecido como límite de estabilidad del sistema. El valor devuelto está en un rango entre [-1 , 1] y sirve como indicador de inestabilidad del proceso cuando es negativo, y como nivel de estabilidad cuando es positivo. El factor de estabilidad se calcula empleando la siguiente expresión:

Ratio≤ Ratio

fi Ratio

Ratio > Ratio

donde m y n son valores determinados empíricamente a partir del ajuste de datos experimentales.

El factor de potencial metanogénico remanente (f _C m) se calcula empleando una correlación empírica basada en la producción de metano media , Q _CHi , respecto a un valor de referencia de caudal de metano establecido como máxima capacidad del sistema, Qcm ^* (Rodríguez et al., 2006, Water Science & Technology 54, pp. 57-62). El resultado está comprendido entre [0, 1] y sirve para moderar la extensión en la cual se producirán los cambios de carga orgánica aplicada al sistema, evitando por ejemplo, grandes aumentos durante condiciones muy estables cuando los valores de producción de metano estén próximos al estimado como máxima capacidad del sistema. El factor de potencial metanogénico remanente (fcm) se calcula empleando la siguiente expresión: donde el parámetro α se determina empíricamente a partir del ajuste de datos experimentales. Controlador (Adaptación de las restricciones lineales)

El módulo Controlador calcula al final de cada ciclo de tiempo un indicador de control, indicador I, que es el producto de los factores fp!atio y fcH4 cuando el sistema está estable (y por tanto f _Rat ¡ ₀ es positivo), e igual a f _Rat ¡ ₀ cuando se produce una desestabilización (y por tanto f _Rati0 es negativo). \ fliatio ^' fcH ^S fílatio

indicador i = <

/uatio ^S í fuatio — ^

El valor del indicador I está en el rango de [-1 , 1]. La acción de control consiste en la modificación de los límites de las restricciones operacionales del problema de optimización lineal. El valor del indicador I se aplica directamente sobre la restricción lineal más activa que resulta de resolver el problema de programación lineal. Cuando se calcula una mezcla de alimentación al reactor durante cada ciclo de control, la solución de la programación lineal devuelve las restricciones activas del sistema, que permitirían aumentar el valor de la función objetivo si los límites de estas restricciones se ampliasen.

La acción de control modifica el límite de la restricción más activa a través de una ecuación en la que el nuevo límite calculado tiene en cuenta el valor actual del límite de la restricción, el rango de la restricción (diferencia entre el límite superior e inferior de la restricción) y el indicador I. donde Límite _NU Evo es el nuevo límite, Límite _A cTUAL es el límite actual y Límite _S upERioR y Límitei _NFER io _R son, respectivamente los límites superior e inferior del rango. Cuando el sistema está estable, la modificación de la proporción de los componentes de la mezcla para maximizar la producción de metano comprende aumentar el rango (diferencia entre el límite superior e inferior) de la restricción más activa del conjunto de restricciones del problema de programación lineal con el objetivo de aumentar la carga orgánica que se trata en el reactor y favorecer que el sistema incremente la producción de metano. El indicador / de control, comprendido entre (0, 1] cuando el sistema está estable, hace que se modifique el límite de la restricción más activa y aumente el rango de valores para ese parámetro. Como consecuencia de estos nuevos límites, la solución del problema de programación lineal será diferente y promoverá una mezcla con mayor potencial de producción de metano, y por tanto el sistema trabajará a mayor velocidad de carga orgánica. Si se incrementan los límites de las restricciones impuestas en el módulo de programación lineal, que restringen el valor de la función objetivo, el sistema podrá trabajar con una mezcla y TRH que permita obtener una mayor producción de metano y por lo tanto el sistema trabaja a una VCO mayor. Por otro lado, la tasa de conversión de materia orgánica a metano será aquélla que permita cumplir la calidad del efluente en términos de DQO, es decir, que no supere el máximo considerado en la restricción relativa a la calidad del digerido. Así, el sistema tenderá a maximizar la producción de metano y a la vez obtener un grado de conversión que permita cumplir la restricción de calidad del digerido.

En episodios de desestabilización, el objetivo es reducir la carga orgánica que se trata en el reactor y favorecer que el sistema se recupere de la perturbación. En estos casos el indicador / de control, tomará un valor comprendido entre [-1 ,0), lo que provoca la modificación del límite de la restricción más activa, reduciendo por tanto el rango de valores para ese parámetro. Como consecuencia de estos nuevos límites, la solución del problema de programación lineal será diferente, reduciendo el valor de la función objetivo, trabajando a menores cargas orgánicas y favoreciendo que el sistema se recupere de la desestabilización.

De acuerdo con otro aspecto, la invención proporciona un producto de programa informático que comprende instrucciones de programa para provocar que un sistema de computación realice el procedimiento y procesar la información relativa a la composición de la mezcla de residuos orgánicos.

Dicho programa informático puede estar almacenado en unos medios de almacenamiento físico, tales como unos medios de grabación, una memoria de ordenador, o una memoria de solo lectura, o puede ser portado por una onda portadora, tal como eléctrica u óptica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Las modalidades detalladas en las figuras se ilustran a modo de ejemplo y no a modo de limitación:

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques del procedimiento de control para la codigestión anaerobia de múltiples sustratos en el que la optimización se consigue aplicando un método de control basado en programación lineal para controlar la mezcla de sustratos, la diagnosis del rendimiento del proceso y retroalimentación a las restricciones de operación. La Figura 2 muestra el procedimiento de control de una planta de codigestión anaerobia en el que intervienen todos los bloques.

La Figura 3 muestra que la función objetivo se evalúa para un TRH dado y un conjunto de fracciones de sustratos en la mezcla (xi).

La Figura 4 muestra los resultados de optimización de la simulación de codigestión de purín, glicerina y gelatina, a) Porcentaje de sustratos en la mezcla (% DQO) junto con la VCO aplicada; b) Factores de estabilidad (f _Ra t¡ ₀ ) y potencial metanogénico remanente (fem) Θ indicador I de control; c) Ratio de alcalinidades; d) Producción de metano y VCO aplicada.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

El procedimiento de control objeto de la presente invención se ha probado en simulación conectada a una planta virtual de codigestión anaerobia. La planta virtual consiste en un modelo de codigestión anaerobia implementado en MATLAB®/Simulink® y que permite simular procesos de operación en continuo y discontinuo (García-Gen et al., 2013, Bioresource Technology 147, pp. 525-533). El modelo está basado en una modificación del Anaerobio Digestión Model No. 1 (Batstone et al., 2002, Water Science and Technology 45, pp. 65-73).

Se llevó a cabo la simulación de 200 días de una operación de codigestión en continuo con la mezcla de 3 sustratos (purín de cerdo, residuo de biodiesel (glicerina) y gelatina) en un digestor tipo Upflow Anaerobio Sludge Blanket UASB de 1 m ³ de volumen útil utilizando la planta virtual conectada a la estrategia de control en lazo cerrado. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 4.

Los resultados muestran que el procedimiento de control conduce a una optimización automática de la mezcla y el TRH. Durante la operación, el TRH del sistema se mantuvo entre 32-40 días, siendo el valor promedio de toda la operación de 39 días. Además, se observa que la composición de la mezcla de alimentación así como la velocidad de carga orgánica (VCO) se fueron modificando a lo largo de la operación como consecuencia de la acción de control. El tiempo de ciclo del controlador se fijó en 10 días (un cuarto de tiempo del TRH), intervalo de tiempo en el que se realiza la diagnosis de la estabilidad del digestor y la acción de control.

El sistema comenzó su operación a una VCO baja de 1 ,5 g DQO/L d y alcanzó valores de 8,5 g DQO/L d al cabo de unos 70 días. Durante los primeros 90 días, el controlador fue incrementando la VCO del sistema, promoviendo así un incremento en la producción de metano. Durante los días 90-110, como consecuencia del incremento del parámetro de diagnosis, ratio de alcalinidades, por encima del umbral de estabilidad (cuyo valor consigna se había establecido en 0.4), la acción de control redujo la VCO durante el intervalo de tiempo [100, 120) para contrarrestar la desestabilización del sistema y conducir al digestor a un estado de operación más seguro. Con esta acción, el controlador fue capaz de llevar el sistema a una operación más estable, reduciendo y alejando el parámetro de diagnosis del umbral de desestabilización.

Una vez que el sistema se hubo estabilizado entre los días 1 10-120, el controlador comenzó a incrementar de nuevo la VCO hasta que el proceso llegó a valores de ratio de alcalinidades superiores al valor consigna. En ese punto, la acción de control se invierte en reducir la creciente desestabilización del sistema, y al igual que antes, se reduce la VCO hasta que el ratio de alcalinidades se encuentre en valores alejados del límite de estabilidad.

Durante la optimización de la operación, los límites de las restricciones lineales que se aplicaron al problema de programación lineal para el cálculo de la mezcla óptima se modificaron (incrementando o reduciendo) con el fin de obtener una mezcla óptima que maximizase la producción de metano a una VCO dada, o bien obtener una mezcla que condujese a una operación más estable, pero en donde igualmente la producción de metano fuera la máxima posible a esas condiciones. Los límites iniciales de las restricciones fueron establecidos de acuerdo a rangos típicos de operación en plantas de codigestión. Durante la optimización de esta operación, se modificaron los límites de las siguientes restricciones: VCO, NTK, y alcalinidad total.

En este ejemplo, para una operación en continuo de codigestión anaerobia, se ha demostrado que la estrategia de control desarrollada ha funcionado satisfactoriamente durante 200 días de operación en lazo cerrado. La respuesta del controlador ha sido eficaz en los dos sentidos, tanto para optimizar la mezcla de alimentación al reactor y así obtener la máxima producción de metano cuando el sistema está estable, como para llevar el digestor a un estado de operación más seguro cuando se ha producido una desestabilización. Los límites de las restricciones se fueron ampliando o reduciendo en función de la estabilidad del sistema, obteniendo para cada caso la mezcla óptima que maximizaba la producción de metano.