IMPLEMENTACION DE UN CONTROL ON-OFF DE TEMPERATURA Y MEZCLADO EN UN FILTRO BIOLOGICO ANAEROBIO (FIBAN) MEDIANTE UN MICROCONTROLADOR PIC 18F452

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y

ELECTRICA

IMPLEMENTACION DE UN CONTROL ON-OFF DE TEMPERATURA

Y MEZCLADO EN UN FILTRO BIOLOGICO ANAEROBIO (FIBAN)

MEDIANTE UN MICROCONTROLADOR PIC 18F452.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO

DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

PRESENTAN

DE LOS SANTOS BAZAN JOSE FRANCISCO ROJO DELGADO LEONARDO

SANTOS MEDINA HECTOR DIEGO

ASESORES

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Agradecimientos y dedicatorias

Agradecemos a nuestros asesores su conocimiento, experiencia y apoyo para que pudiéramos llegar a estas instancias, llenos de su sabiduría que a través de este tiempo nos brindaron sin ningún interés, sólo las ganas de trasmitirnos el aprendizaje que ellos han obtenido en su vida, para que nosotros podamos enfrentarnos con gran fortaleza a la vida cotidiana que empezamos a construir.

Al Ing. Ángeles Rocha por su pasión a enseñarnos, su dedicación, la tenacidad y las ganas de hacer las cosas a la perfección, por todas sus vivencias compartidas, por su trabajo constante sin descanso y por su calidad humana que nos ayudaron a entender que solo hay una vida y hay que vivirla al máximo.

Por todo su tiempo dedicado a nosotros, por cada enseñanza en la hora de trabajo duro y enérgico pero siempre deseando que aprendamos a esforzarnos en lo que hacemos, con el propósito de ser los mejores ingenieros, que sepamos lo que hacemos y sobre todo amar la profesión que quisimos estudiar y hacernos entender que el trabajo requiere dedicación, esfuerzo y pasión como él nos demostraba en todo momento.

Por las palabras que nos decía para superarnos o para darnos cuenta de que estábamos equivocados, esas palabras que nos marcaran nuestra vida laboral y tener presente cada una de ellas para poder superarnos como ingenieros y recordar al Ing. Ángeles Rocha con gran aprecio y nunca olvidar todo lo que hizo por nosotros, gracias profesor.

Al Lic. Rómulo Plancarte por su compromiso, su alegría y su conocimiento preciso, por el esfuerzo que le da a cada una de sus actividades, las ganas de vivir la vida, por su dedicación a la enseñanza y al porvenir de los alumnos.

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carencias que nos pudieron encontrar pero siempre dar lo mejor de uno mismo para hacer las cosas y sobre todo actitud para superarnos día con día.

Solo queda decir muchas gracias Lic. Rómulo Plancarte por todo lo que nos enseñó con su ejemplo de persona, de licenciado y de profesor intachable, esperemos que nosotros podamos aprender y tener esa forma de hacer las cosas como usted nos demostró todo este tiempo.

Gracias a estos dos grandes profesionistas que nos brindaron su tiempo valioso estos años, por cada esfuerzo que hicieron con nosotros, esperemos poder corresponder de la mejor manera en los siguientes años y que se sientan orgullosos de los ingenieros que formaron en su última etapa profesional. Gracias por su personalidad y su calidez humana que esperemos tenerla algún día.

Gracias a Dios por permitirnos cumplir una meta más en nuestras vidas, aunque fue largo el camino pudimos llegar al final, con todo y las dificultades que se presentaron, pero también las alegrías que disfrutamos, las derrotas inminentes pero supimos levantarnos y superar cada una con valor y entusiasmo.

Dedicamos y agradecemos a nuestros padres por el esfuerzo que hicieron para que nosotros pudiéramos cumplir este gran sueño de ser ingenieros, por todo su amor, compresión, compañía y consejo para que no perdiéramos el camino que al fin hoy se termina. Todos estos años apoyándonos con lo mucho o poco que tenían, logramos terminar el único legado que ellos nos pudieran dejar para toda nuestra vida, la educación.

Y al final pero no menos importante a nuestra institución amada: el Instituto Politécnico Nacional y en especial a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Adolfo López Mateos que fue la madre de nuestro conocimiento, que durante 4 años nos vio formarnos como ingenieros para que pudiéramos enfrentarnos al mundo. Porque la “LA TECNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA” lo

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Índice

Introducción ... i

Planteamiento del problema y justificación ... ii

Resumen…. ... iii

Objetivo general ... v

Objetivos particulares ... v

Capítulo 1 Marco Teórico ... 1

1.1 Energías Renovables ... 1

1.2 Las Energía Renovables en México ... 2

1.3 La Biomasa ... 2

1.3.1 Tipos de Biomasa ... 3

1.4 Energía de la biomasa ... 5

1.4.1 Procesos termoquímicos ... 5

1.4.2 Procesos bioquímicos ... 6

1.5 Digestión aerobia ... 6

1.6 Digestión anaerobia ... 6

1.6.1 Proceso de la digestión anaerobia ... 7

1.6.2 Parámetros de la digestión anaerobia ... 9

1.6.3 Sinergia en digestión anaerobia ... 12

1.6.4 Ventajas relacionadas con el medio ambiente ... 12

1.7 Reactores anaerobios ... 13

1.7.1 Reactores de primera generación ... 13

1.7.2 Reactores de segunda generación ... 14

1.7.3 Reactores de tercera generación ... 14

1.7.4 Filtro Biológico Anaerobio ... 15

1.8 Productos de un reactor anaerobio ... 16

1.9 Biogás ... 17

1.9.1 Características del biogás ... 17

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2.2 Construcción del medio Termostatizado (Horno) ... 20

2.3 Adaptaciones ... 20

2.4 Diagrama de flujo ... 23

2.5 Arranque, aclimatación y régimen permanente del reactor anaerobio ... 26

2.6 Parámetros de control ... 28

Capítulo 3 Control y automatización de los parámetros elegidos ... 29

3.1 Temperatura... 30

3.2 Mezclado ... 32

3.3 pH ... 33

3.4 Modos de Control ... 34

3.4.1 Control de dos Posiciones ... 35

3.4.2 Control Proporcional (P) ... 36

3.4.3 Control Proporcional con acción Integral (PI) ... 37

3.4.4 Control Proporcional con acción Integral y Derivativa (PID) ... 38

3.5 Guía de selección de un Sistema de Control ... 39

3.6 Arquitecturas de control ... 39

3.6.1 Control en lazo abierto ... 39

3.6.2 Control en lazo cerrado (Retroalimentado) ... 40

3.6.3 Control en Cascada ... 40

3.6.4 Control Precalculado (Feed-Forward) ... 41

3.6.5 Control de Rango Dividido (Split Range) ... 42

3.6.6 Control por Relación ... 43

3.7 Circuito de control ... 44

3.7.1 Microcontrolador PIC 18F452 ... 45

3.7.2 LM35DZ ... 46

3.7.3 LCD 16x2 ... 47

3.7.4 Optoacoplador 4N254 ... 47

3.7.5 Transistor TIP 41 ... 48

3.7.6 Relevador ... 49

3.7.7 Realización del circuito de control... 55

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Capítulo 4 Evaluación del proyecto y análisis de costos ... 62

4.1 Idea y estrategia ... 63

4.2 Estudio de factibilidad ... 63

4.3 Ciclo del proyecto (Construcción del reactor) ... 63

4.4 Avances y estrategias del proyecto ... 64

4.5 Costos del proyecto ... 65

4.6 Periodo de recuperación de la inversión ... 69

4.7 Sustentabilidad... 71

4.8 Cálculo de la depreciación ... 72

Capítulo 5 Presentación de resultados, conclusiones y recomendaciones ... 73

5.1 Registro de las variables de control ... 73

5.2 Comportamiento del parámetro temperatura. ... 75

5.3 Comportamiento del parámetro pH ... 77

5.4 Efecto de la recirculación en la obtención de biogás e influencia de la presión en el proceso ... 79

5.5 Sustentabilidad del proyecto ... 80

5.6 Conclusiones... 81

5.7 Recomendaciones para trabajos futuros ... 83

Referencias ... 85

Apéndice A Programa hecho en mikro C ... 89

Apéndice B Creación de un nuevo proyecto e mikro C ... 92

Apéndice C Imágenes de todo el trabajo desarrollado anterior a la implementación del circuito de control ... 97

Apéndice D Bitácora de trabajo ... 102

Apéndice E Diagrama de Gantt ... 105

ANEXOS.………114

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Figura 1.4 Esquema de la Digestión Anaerobia ... 7

Figura 1.5 Reactores Anaerobios de Primera Generación ... 13

Figura 1.6 Reactores de Segunda Generación ... 14

Figura 1.7 Reactores de Tercera Generación ... 15

Figura 2.1 Diagrama de flujo del reactor biológico anaerobio y sus complementos ... 25

Figura 3.1 Conexión de los componentes más importantes del circuito de control ... 29

Figura 3.2 Sistema de mezclado por recirculación ... 33

Figura 3.3 Tiras de pH ... 34

Figura 3.4 Control todo-nada... 35

Figura 3.5 Control todo o nada con banda diferencial ... 35

Figura 3.6 Diagrama de bloques de un control proporcional ... 36

Figura 3.7 Diagrama de bloques de un controlador PI ... 37

Figura 3.8 Diagrama a bloques de un control PID ... 38

Figura 3.9 Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo abierto ... 39

Figura 3.10 Diagrama de bloques de sistema de control en lazo cerrado ... 40

Figura 3.11 Diagrama de bloques de un sistema de control en cascada ... 41

Figura 3.12 Diagrama de bloques de un sistema de control precalculado ... 41

Figura 3.13 Control precalculado con lazo cerrado ... 42

Figura 3.14 Diagrama de bloques de un sistema de control de rango dividido ... 43

Figura 3.15 Diagrama de bloques de un sistema de control por relación con estación de razón ... 44

Figura 3.16 Diagrama de bloques de un sistema de control por relación con estación multiplicadora. ... 44

Figura 3.17 Encapsulado y diagrama del microocontrolador pic 18F452 ... 45

Figura 3.18 Encapsulado y diagrama del sensor LM35 ... 46

Figura 3.19 LCD 16x2 ... 47

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Figura 3.21 Encapsulado y diagrama del TIP 41 ... 48

Figura 3.22 Transistor NPN trabajando como interruptor abierto o cerrado. ... 49

Figura 3.23 Relevador de 5V. ... 49

Figura 3.24 Conexión entre el microcontrolador y el LCD ... 50

Figura 3.25 Sensor básico de temperatura en grados Celcius ... 51

Figura 3.26 Conexión entre el microcontrolador y el LM35Z ... 51

Figura 3. 27 Conexión entre el optoacoplador y el TIP 41 ... 52

Figura 3.28 Diodo volante conectado al relevador para evitar el efecto de la patada inductiva. ... 52

Figura 3.29 Conexión entre el TIP 41 y el relevador ... 53

Figura 3.30 Conexión entre los relevadores y los elementos finales de control ... 53

Figura 3.31 Circuito de control de temperatura y mezclado del reactor ... 54

Figura 3.32Tablilla de cobre con el circuito impreso, sumergido en el cloruro férrico ... 55

Figura 3.33 Circuito impreso, hecho con el programa PCB Wizard ... 56

Figura 3.34 Circuito de control con finalizado... 57

Figura 3.35 Diagrama de flujo del algoritmo de control. ... 58

Figura 3.36 DTI ... 61

Gráfica 5.1 Variación de la temperatura antes y después de la implementación del circuito de control. ... 76

Gráfica 5.2 Variación del pH antes y después de la implementación del circuito de control. ... 78

Gráfica 5.3 Variación de la presión antes y después de la implementación del circuito de control. ... 80

Índice de tablas Tabla 1.1 Composición promedio del biogás... 17

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Tabla 2.1 Medios de empaque, valores tomados en base a un

tamaño nominal de partícula de 2.54 cm ... 22

Tabla 2.2 Descripción de la alimentación del reactor para llegar al régimen permanente. ... 27

Tabla 3.1 Rangos de temperatura en un termómetro de vidrio ... 30

Tabla 3.2 Características de los principales elementos primarios de temperatura. ... 32

Tabla 3.3 Criterios de selección de un modo de control ... 39

Tabla 4.1 Esquema de las fases de trabajo ... 65

Tabla 4.2 Costo del material y herramienta utilizada para la construcción del reactor. ... 66

Tabla 4.3 Depreciación por año ... 72

Tabla 5.1 Registro promedio semanal de las variables monitoreadas ... 74

Tabla 5.2 Registro promedio semanal de la temperatura. ... 76

Tabla 5.3 Registro promedio semanal del pH. ... 78

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Introducción

Los reactores biológicos anaerobios son equipos utilizados para el tratamiento de aguas residuales o desechos agropecuarios trabajados en forma líquida. El Filtro Biológico Anaerobio (FIBAN) es un sistema de tratamiento en un intervalo de temperatura entre 35 y 60 °C, tiene una producción media-alta de biogás y su operación es sencilla. En este sistema las bacterias anaerobias están fijadas a la superficie de un soporte inerte, columna de relleno, o atrapadas en los espacios de éste, con flujo vertical. El soporte puede ser de material cerámico o plástico.

Figura 1 Esquema general de un Filtro Biológico Anaerobio (FIBAN)

Este sistema ha sido extensamente aplicado para el tratamiento de aguas residuales de industria agroalimentaria, y existen experiencias piloto para la fracción líquida de residuos ganaderos.

El biogás es uno de los productos principales obtenidos de la digestión anaerobia el cual puede ser empleado como una fuente de energía alterna y de esta manera se minimiza la dependencia de los hidrocarburos.

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Página | ii Planteamiento del problema y justificación

Los residuos agropecuarios en conjunto con los residuos sólidos urbanos se han vuelto un problema de grandes dimensiones, por el alto impacto ambiental ocasionado en suelo, aire y agua dentro del país. La actividad agropecuaria se centra en mayor porcentaje en: porcino, bovina y aviar. Debido a la problemática que esto presenta es necesario aprovechar al máximo sus beneficios no solo primarios, sino también sus desechos orgánicos, ya que, esta parte puede lograr un beneficio económico al manipularla de manera adecuada, como es el caso del compostaje y producción de biogás.

En particular los procesos que manipulan los residuos agropecuarios requieren la aplicación de técnicas y tecnologías apropiadas, para minimizar la inversión económica que se demande y que el beneficio sea considerable. Una solución viable a esta problemática es la implementación de reactores biológicos anaerobios, que son equipos utilizados para el tratamiento de aguas residuales o desechos agropecuarios trabajados en forma líquida y sin presencia de oxígeno.

El control de las variables dependientes del proceso (temperatura, pH, tiempo de recirculación hidráulico, presión, etc.) y la automatización en estos equipos es una área de trabajo importante ya que este tipo de tecnología está en pleno desarrollo a nivel nacional, con lo cual, se ayudará en la generación de empleos, el desarrollo agropecuario y sentar las bases de aprovechamiento de energía autosustentable para el país,

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Resumen

En el presente trabajo se establece una metodología experimental para el diseño y construcción de un filtro biológico anaerobio en el que se implementó un circuito de control para las variables temperatura y tiempo de recirculación hidráulico por medio de un PIC 18F452, que ayude a la optimización de un reactor denominado filtro biológico anaerobio para la producción de biogás y fertilizante foliar mediante los desechos de animales porcinos y bovinos.

El proceso dentro del reactor comienza por la aclimatación adecuada de los microorganismos encargados de la biodigestión, la materia prima para la alimentación de estas es a base de una sinergia de desechos orgánicos bovinos y porcinos tratados, pH y presión son reguladas para mantenerla en un estado ideal para el proceso, la recirculación tiene la función de homogenizar la mezcla interna a una temperatura adecuada para la obtención pronta de biogás y esto es gracias al circuito de control diseñado.

La esquematización de este trabajo teórico experimental está dividido en cinco Capítulos:

El Capítulo I se describe las generalidades de energías renovables y su impacto en la ciudad de México. Posteriormente se enuncia el concepto de biomasa y su proceso de conversión de la misma destacando el proceso anaerobio; de igual manera se establece una clasificación y características de los reactores anaerobios. Finalmente, se presentan los productos obtenidos de un reactor biológico anaerobio.

El Capítulo II se hace una descripción detallada de la construcción, montaje, arranque y el proceso del estado estable del reactor biológico anaerobio, así como las adaptaciones realizadas y materiales empleados del mismo, mostrando el diagrama de flujo del proceso

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Página | iv construcción y el funcionamiento del circuito de control en el reactor biológico anaerobio.

El Capítulo IV se plantea un análisis y evaluación del costo beneficio del equipo tomando en cuenta materiales utilizados, costo de ingeniería conceptual y de detalle, seccionando los avances del proyecto para una visualización del proceso de realización del mismo, para finalmente hacer un cálculo de la depreciación del proyecto.

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Objetivo general

Implementar un control on-off de temperatura y mezclado en un filtro biológico anaerobio, mediante un micro controlador PIC 18F452, para automatizar el proceso de biodigestión anaerobia dentro de un reactor.

Objetivos particulares

1. Analizar la arquitectura de control on-off en procesos industriales, mediante el estudio de bibliografía referente, para una implementación correcta en el bioreactor.

2. Incrementar la eficiencia del proceso de biodigestión del reactor, mediante un control preciso de temperatura, tiempo de recirculación hidráulico y pH, con la finalidad de acelerar el proceso de digestión anaerobia y así poder sentar bases tecnológicas autosustentables.

3. Diseñar, construir e implementar un circuito de control, mediante la programación de un PIC 18F452 para las variables temperatura y tiempo de recirculación hidráulico dentro del sistema anaerobio.

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Capítulo 1 Marco Teórico

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Página | 1 Capítulo 1 Marco Teórico

En el presente capítulo se describen las generalidades de energías renovables y su impacto en la ciudad de México. Posteriormente se enuncia el concepto de biomasa y su proceso de conversión de la misma destacando el proceso anaerobio; de igual manera se establece una clasificación y características de los reactores anaerobios. Finalmente, se presentan los productos obtenidos de un reactor anaerobio.

1.1 Energías Renovables

Las energías renovables [1] (ER) son aquellas cuya fuente reside en fenómenos de la naturaleza como: la eólica, solar, hidráulica, por mencionar algunas, estas energías son susceptibles de ser transformados en energía aprovechable por la humanidad.

Las ERrepresentan una respuesta importante a la demanda generalizada de un modelo sustentable de progreso que no afecte a las generaciones futuras. De igual manera, su aprovechamiento contribuirá a la conservación y uso eficiente de los recursos energéticos no renovables. Además, las economías de escala alcanzadas como resultado del mayor aprovechamiento de las mismas, junto con el notable incremento en los precios de los combustibles fósiles observado durante la presente década, han mejorado su posición competitiva, abriéndoles mayores posibilidades.

Durante las últimas décadas se ha dado de manera global un proceso de transición hacia una mayor participación de las energías renovables, impulsado por una serie de factores, entre los cuales destacan:

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 La preocupación por el impacto ambiental de los sistemas energéticos actuales, en particular la lluvia acida y, más recientemente, el cambio climático.

1.2 Las Energía Renovables en México

Actualmente, México cuenta con alrededor de 1,924.8 MW de capacidad instalada de generación eléctrica con base en energías renovables, que incluye la capacidad destinada al servicio público, cogeneración y autoabastecimiento, representando el 3.3% [2] de la capacidad instalada en el servicio público del país.

Figura 1.1 Capacidad Instalada de generación eléctrica en México. Elaboración propia con base en datos de la Comisión Reguladora de Energía y de la Comisión Federal de Electricidad [2].

1.3 La Biomasa

La biomasa es materia orgánica a base de plantas y animales (microorganismos). Cuyo contenido energético tiene su origen en la energía solar, la cual ha sido

Renovables

3% Grandes

Hidroeléctricas 19%

Nuclear 3%

Fósiles 75%

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Capítulo 1 Marco Teórico

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Página | 3 la energía solar se transforma en energía química que se acumula y transporta en forma de diferentes compuestos orgánicos a través de la cadena alimenticia.

La biomasa puede ser convertida en otras formas útiles de energía, tales como el gas metano, etanol y el biodiesel.

El uso de la biomasa como alternativa energética a los combustibles fósiles es ya una realidad en un gran número de industrias del país. Sin embargo, esta fuente de energía posee ciertos parámetros condicionantes que hacen que su uso no esté tan extendido como cabría esperar:

 Baja densidad energética y poder calorífico dependientes de la humedad.

 Depende del precio de los combustibles tradicionales.

 Adaptación a la disponibilidad y uso tradicional del recurso.

 Tamaño óptimo de las plantas de biomasa para producir electricidad no definido, existiendo proyectos que van desde 3 MW1 hasta los 25MW. La

eficiencia energética y los costos son mejores cuanto mayor es la planta, pero los riesgos también aumentan considerablemente.

1.3.1 Tipos de Biomasa

La biomasa se puede clasificar según su origen y en base a su contenido energético.

1.3.1.1 Biomasa Según su Origen

 Natural: biomasa que se genera en los bosques y ecosistemas naturales.

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 Antropogénica: biomasa que se obtiene por la intervención del hombre.

 Residual: se produce como consecuencia de las actividades agrícolas, forestales, o de industrias derivadas, así como la fracción orgánica de los residuos urbanos y aguas residuales urbanas.

 Cultivos energéticos: Son especies vegetales que se cultivan especialmente para la producción de biomasa.

1.3.1.2 Biomasa según su contenido energético

Desde el punto de vista energético la biomasa se divide en dos grandes grupos [3]

(Figura 1.2).

Figura 1.2 Clasificación de la biomasa en base a su contenido energético

 Biomasa Seca: como la leña, paja, etc. Este tipo de biomasa es utilizada energéticamente mediante procesos termoquímicos o fisicoquímicos, que producen directamente energía térmica o productos secundarios en la forma de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos.

 Biomasa Húmeda: restos vegetales, residuos animales, vegetación acuática, etc. Su tratamiento es mediante procesos químicos, o en algunos casos particulares, mediante simples procesos físicos, obteniéndose combustibles

BIOMASA PARA ENERGÍA vegetal o animal

HÚMEDA

obtenido con humedad mayor del 60%

SECA

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Capítulo 1 Marco Teórico

___________________________________________________________

Página | 5 1.4 Energía de la biomasa

Desde el punto de vista energético, la biomasa se puede aprovechar de dos maneras: quemándola para producir calor o transformándola en combustible (sólido, líquido o gaseoso) para su transporte y/o almacenamiento.

El potencial de la bioenergía en va mucho más allá del limitado aprovechamiento que se hace de ella en la actualidad. Se calcula que el potencial total es de entre 3,000 y 4,500 P/año2[4].

Los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de procesos más eficientes y limpios para la conversión de biomasa en energía; de estos se pueden distinguir dos tipos:

 Termoquímicos.

 Bioquímicos.

1.4.1 Procesos termoquímicos

Comprenden básicamente la combustión, gasificación y pirólisis, encontrándose aún en etapa de desarrollo la licuefacción directa [5]¡Error! Marcador no definido., Figura 1.3.

Figura 1.3 Procesos térmicos de conversión de la Biomasa

2 PJ=1x105 Joules. Es igual a la energía gastada (o el trabajo realizado) en la aplicación de

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1.4.2 Procesos bioquímicos

Los procesos bioquímicos [5] se basan en la degradación de la biomasa por la acción de microorganismos, y pueden dividirse en dos:

 Procesos Aerobios: son aquellos que se llevan a cabo en presencia de aire.

 Procesos Anaerobios: son aquellos que se llevan a cabo en ausencia de aire.

1.5 Digestión aerobia

La digestión aerobia es un proceso bacteriano que ocurre en presencia de aire. Las bacterias consumen rápidamente la materia orgánica y la convierten en dióxido de carbono. Una vez que haya una carencia de la materia orgánica, las bacterias mueren y son utilizadas como alimento por otras bacterias.

Esta etapa del proceso se conoce como respiración endógena. La reducción de los sólidos ocurre en esta fase.

Debido a que la digestión aerobia ocurre mucho más rápidamente, los costos de capital de digestión aerobia son más bajos. Sin embargo, los gastos de explotación son característicos por ser mucho mayores debido a los costes energéticos para la reutilización del oxígeno para agregar al proceso.

1.6 Digestión anaerobia

(22)

Capítulo 1 Marco Teórico

___________________________________________________________

Página | 7 “reactor” y da origen a la producción de un gas combustible denominado biogás. En estos recipientes, se aprovecha esta liberación de gases para ser usados como combustible. La intensidad y duración del proceso anaerobio varía, dependiendo de diversos factores, los cuales se mencionarán más adelante.

1.6.1 Proceso de la digestión anaerobia

El proceso de la digestión anaerobia [7] se ilustra en la Figura 1.4, los pasos por los cuales la digestión anaerobia se lleva a cabo son cuatro: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis, en las cuales distintos tipos de bacterias están involucradas. Estas etapas deben coordinarse y armonizarse entre sí de la mejor manera posible para asegurar que el proceso en conjunto se desarrolle sin tropiezo.

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a) Etapa Hidrolítica:

Durante la hidrólisis, los compuestos complejos del material inicial (como carbohidratos, proteínas y grasas) se dividen en compuestos orgánicos más simples (por ejemplo aminoácidos, azúcares y ácidos grasos). Las bacterias hidrolíticas que participan en esta etapa liberan enzimas que descomponen el material por medios bioquímicos.

b) Etapa Acidogénica o Fermentativa:

Los productos intermedios formados por la hidrólisis se dividen luego durante la acidogénesis (la fase de acidificación) por medio de bacterias fermentadoras para formar ácidos grasos más bajos (acético, prebiótico y butírico) junto con dióxido de carbono e hidrógeno. Además, también se forman pequeñas cantidades de ácido láctico y de alcoholes. La naturaleza de los productos formados en esta etapa es influida por la concentración del hidrógeno intermedio.

c) Etapa Acetogénica:

En esta etapa los productos de la etapa acidogénica se convierten por medio de bacterias acetogénicas en precursores de biogás (ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono). Un contenido de hidrógeno excesivamente alto impide la conversión de los productos intermedios de la acidogénesis por razones relacionada con la energía. En consecuencia, se acumulan los ácidos orgánicos que inhiben la formación del metano.

d) Etapa Metanogénica:

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Capítulo 1 Marco Teórico

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Página | 9 de bacterias metanogénicas estrictamente anaerobias3, ya sea a partir del

hidrógeno y del dióxido de carbono (bacterias hidrogenotróficas) o por medio de la división del ácido acético (bacterias acetoclásticas).

1.6.2 Parámetros de la digestión anaerobia

Los parámetros que hay que controlar hacen referencia a condiciones que deben mantenerse o asegurarse para el desarrollo del proceso. Los cuales son:

 Alcalinidad [9]: Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.

 Potencial Redox: valores recomendables inferiores a -350 mV.

 Velocidad de Carga Orgánica [8] (OLR en inglés): Es la cantidad de materia orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja concentración en el afluente y/o elevado tiempo de retención. El incremento en la OLR implica una reducción en la producción de gas por unidad de materia orgánica introducida, encontrando un valor óptimo técnico/económico para cada instalación y residuo a tratar.

 pH: Las bacterias metanogénicas son afectadas por las fluctuaciones del pH. Se ha encontrado que el pH óptimo para la producción de biogás es de 7 a 8, o sea, neutro o ligeramente alcalino.

Al comenzar la producción de las bacterias, se forman ácidos, por lo que el pH puede acidificarse, pero luego que se estabiliza tiende a normalizarse.

3 Microorganismos anaerobios estrictos: se desarrollan en ausencia total de O2, utilizan una

atmósfera anaerobia de CO2 ,H2 y N2. Necesitan un medio carente de oxígeno ya que se desarrollan

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 Concentración de AGV: Cuando las bacterias degradan el material orgánico, se forman los ácidos grasos volátiles (AGV). En este momento puede fluctuar el pH, de modo que en un reactor habrá problemas cuando la acumulación de AGV sea alta. El problema es comúnmente mayor en reactores provistos con material fresco.

 Temperatura [10]: La digestión anaerobia ocurre en un rango de temperatura que va desde 5°C hasta 55°C. La temperatura que tenga el reactor determina la especie bacterial que puede vivir en esas condiciones. Se han reportado tres clases diferentes de bacterias: criofílicas, que viven en temperaturas menores de 20°C, mesofílicas que viven en rangos de 20°C a 45°C y por último las termofílicas en rangos mayores de 45°C.

La producción de gas es mayor a medida que aumenta la temperatura pero decrece después de que pasa los 40°C, esto puede deberse a la disminución de la cantidad de bacterias que pueden vivir en tales circunstancias; por el gasto de energía que se requiere para operar un reactor en tal condición; y porque las bacterias termofílicas son muy sensibles a los cambios.

Se ha encontrado que la temperatura óptima para la digestión es de 30°C a 35°C, pues se combinan las mejores condiciones para el crecimiento de las bacterias y la producción de metano, con un corto tiempo de retención de los desechos en el reactor.

 Presión: El valor de la presión no debe sobrepasar 0.9 kg/cm2.

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Capítulo 1 Marco Teórico

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Página | 11

 Homogenización: El reactor puede ser diseñado para que sea homogéneo o no. La homogenización se puede hacer de forma mecánica y hace que la mezcla dentro del reactor sea uniforme tanto en composición como en temperatura y por esto las bacterias se desarrollan más rápidamente, lo que hace que la descomposición de la materia orgánica sea más eficiente, y por ende propicia a que la producción del gas sea mayor.

 DQO: Es un parámetro que mide la cantidad de sustancias orgánicas e inorgánicas susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida.

 DBO: Es un parámetro que mide la cantidad de materia orgánica susceptible de ser oxidada por medios biológicos que contiene una muestra liquida, disuelta o en suspensión. Se utiliza para medir el grado de contaminación, normalmente se mide transcurridos 5 días de reacción.

 Sólidos: Los sólidos se refieren a la materia que permanece como residuo después de evaporar y secar una muestra de afluente a una temperatura de 103-105°C. Estos sólidos están compuestos por la suma de:

 ST: Sólidos totales.

 STV: Sólidos totales volátiles.

 STF: Sólidos totales fijos.

 SST: Sólidos suspendidos totales.

 SSV: Sólidos suspendidos volátiles.

 SSF: Sólidos suspendidos fijos.

 SDT: Sólidos disueltos totales.

 SDV: Sólidos disueltos volátiles

(27)

1.6.3 Sinergia en digestión anaerobia

La sinergia se lleva a cabo en una mezcla de diferentes productos que contienen distintos organismos, los cuales se compensan para reforzar y potencializar la digestión anaerobia, de esta manera se acelera la producción de biogás y la estabilización de los productos, algunos objetivos son [8]:

 Aprovechar la diferencia de composiciones de los residuos para permitir procesos más eficientes.

 Compartir instalaciones de tratamiento de residuos agropecuarios.

 Reducir costos de inversión y explotación.

La mezcla de residuos orgánicos de diferente origen ha resultado una metodología exitosa tanto en régimen termofílico como mesofílico.

1.6.4 Ventajas relacionadas con el medio ambiente

 Reducción de la producción del CO2: Las excretas en estado natural expulsan

grandes cantidades al espacio de este gas, que es uno de los más perjudiciales para la capa de ozono y el calentamiento global.

 Evita los malos olores entre el 90 y 100%: Esta situación es la que perjudica a los vecinos que habitan cerca de las actividades pecuarias (porquerizas) y provoca gran cantidad de quejas ante las autoridades.

(28)

Capítulo 1 Marco Teórico

___________________________________________________________

Página | 13

 Control de patógenos: Aunque el nivel de destrucción de patógenos varía de acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retención, se ha demostrado experimentalmente que alrededor del 85% de los patógenos no sobreviven al proceso de biodigestión anaerobia.

1.7 Reactores anaerobios

La variedad de estos equipos ha dado a lugar a numerosas clasificaciones dependiendo de su capacidad, operación y su construcción, con lo que se tienen tres categorías: reactores de primera, segunda y tercera generación.

1.7.1 Reactores de primera generación

Son los primeros reactores anaerobios, ver Figura 1.5, en ellos la biomasa se encuentra sedimentada, existe un mínimo de contacto con el sustrato, estos digestores se emplean para el tratamiento de residuos sólidos agrícolas y ganaderos, al igual que para la estabilización de lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales [11].

(29)

1.7.2 Reactores de segunda generación

Estos reactores se caracterizan por retener la biomasa dentro del reactor, esto se logra mediante la fijación de los microorganismos a soportes o por su sedimentación, otras ventajas son la disminución en el tiempo de retención hidráulico de 0,5 a 3 días, la rápida adaptación a cambios de alimentación, la resistencia a productos tóxicos y un arranque rápido después de periodos prolongados sin alimentación [10], ver Figura 1.6.

Figura 1.6 Reactores de Segunda Generación [13] 1.Filtro Anaerobio (FIBAN) 2.Reactor de Manto de Lodos (UASB)

1.7.3 Reactores de tercera generación

Estos también son reactores de película fija, Figura 1.7, su tiempo de retención hidráulico son inferiores a 12 horas, no presentan problemas de taponamiento, las cargas pueden sobrepasar los 40 kg.DQO/m3día, sin embargo requieren de energía

(30)

Capítulo 1 Marco Teórico

___________________________________________________________

Página | 15 Figura 1.7 Reactores de Tercera Generación [10] 1.Lecho Fluidizado 2. Lecho Expandido

1.7.4 Filtro Biológico Anaerobio

En un filtro biológico anaerobio (FIBAN), también llamado sistema de película fija o de lecho fijo, la biomasa bacteriana se encuentra, en parte, inmovilizada en un material de soporte fijo en el reactor biológico, y en parte en suspensión entre los espacios vacíos que restan (la mayor proporción).

El flujo del afluente es normalmente vertical, bien ascendente bien descendente, y el propio material de relleno actúa como separador de gas, que se recoge en la parte superior, proporcionando zonas de reposo para la sedimentación de los sólidos que se encuentran en suspensión.

La rugosidad del material de soporte, su grado de porosidad, así como el tamaño del poro, afecta a la tasa de colonización de la población microbiana. Los materiales utilizados pueden ser ladrillos, granito, vinilos, poliésteres, poliuretanos, materiales cerámicos, de vidrio, tezontle, cascaras de cacahuate, carbón activado anillos raschig, anillos pall ring, silletas berl, conchas de productos marinos, etc

(31)

Los reactores biológicos anaerobios son equipos utilizados para el tratamiento de aguas residuales o desechos agropecuarios trabajados en forma líquida.

Los parámetros típicos de operación de estos equipos son:

 Carga Orgánica: 0.15 – 30 kg de DQO/m3día

 Concentración en el efluente: 10 – 20 g de SS/litro

 Tiempo de Retención Hidráulico: 0.5 – 2 días

 Tiempo de arranque: 20 – 70 días

1.8 Productos de un reactor anaerobio

Dado que un reactor trabaja de forma anaerobia, el producto principal es el biogás, pero existen subproductos durante este proceso:

 Fertilizante foliar: Es un producto líquido rico en micro y macronutrientes con sales minerales. Su uso puede ser para cualquier tipo de cultivo (horticultura, fruticultura, floricultura, cultivos a cielo abierto, invernaderos, hidroponía) tanto para la parte foliar como para el suelo, independientemente de la condición del mismo. Incrementa la productividad por superficie cultivada, da pie a la agricultura orgánica, minimiza el uso de agroquímicos plaguicidas y permite recuperar la fertilidad de los suelos.

 Residuos sólidos: Se refiere a la fracción sólida que se recupera después de una sedimentación y/o un cribado. Este material es susceptible de ser sometido a un proceso de compostaje para su aprovechamiento.

(32)

Capítulo 1 Marco Teórico

___________________________________________________________

Página | 17 1.9 Biogás

Este gas resultante está formado por dióxido de carbono (CO2), monóxido de

carbono (CO), metano (CH4), y otros gases aunque en proporciones menores que

los anteriores tal como se muestra en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1 [14] Composición promedio del biogás.

1.9.1 Características del biogás

El biogás es un gas combustible, incoloro, cuya combustión produce una flama que va del color azul a ligeramente violácea según composición. Como en cualquier otro gas, algunas de las propiedades características del biogás dependen de la presión, temperatura y humedad.

Tabla 1.2 Propiedades del Biogás [15]

Toxicidad Parecido al gas natural

Capacidad calorífica 5000 - 5500 kcal/m

3

5500 - 6500 kcal/m3

Gravedad especifica 0.82

Inflamabilidad Mezclas de 6 a 25% de biogás en el aire.

Debido a su alto contenido en metano, tiene un poder calorífico algo mayor que la mitad del gas natural. Un biogás con un contenido en metano del 60% tiene un poder

COMPONENTE PROPORCIÓN

Metano( CH4) 60 - 80 %

Dióxido de Carbono (CO2) 20 - 40 %

Hidrogeno (H2) 1 - 3 %

Oxigeno (O2) 0.5 - 1 %

(33)

calorífico de unas 5.5kcal/m3 (6,4 kW/m3). Es decir que un metro cúbico de biogás

es equivalente a aproximadamente medio litro de combustible diésel.

1.9.2 Sustratos para la producción de biogás

El substrato es el material de partida en la producción de biogás. En principio, todos los materiales orgánicos pueden fermentar o ser digeridos. Sin embargo, sólo algunos pueden ser utilizados como sustratos en plantas de producción sencillas.

Excremento y orina de vacas, cerdos y posiblemente aves de corral son algunos ejemplos. A veces, también pueden usarse los desperdicios de las plantas de producción de alimentos.

Cuando se alimenta el reactor, el excremento sólido debe diluirse con aproximadamente la misma cantidad de líquido, en lo posible orina.

(34)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 19 Capítulo 2 Metodología

El presente capítulo se hace una descripción detallada de la construcción, montaje, arranque y el proceso del estado estable del reactor biológico anaerobio, así como las adaptaciones y materiales empleados del mismo.

2.1 Construcción y montaje del reactor

El reactor consiste en un tanque de acero inoxidable A-306 con espesor de 3 mm, 60 cm de diámetro y 107 cm de altura (contando la altura de la tapa), con capacidad aproximada de 270 litros (Figura 2.1). Este tanque se compró en un tiradero industrial, ubicado en la av. Del trabajo s/n, en el barrio de san marcos, municipio de Zumpango Edo. de México. Para la habilitación y operación del reactor se implementó un área de 12 m2 así como de infraestructura adicional.

Previo al montaje se le hicieron las siguientes adaptaciones:

 Se le adaptó una tapa toriesférica con un espesor de pared de 5 mm soldada de acero inoxidable 306.

 En dicha tapa se adaptaron tres conexiones soldadas de 12.7 mm y una de 50.8 mm con coples de acero inoxidable de rosca interna.

 En el cuerpo del tanque se ubicaron cuatro conexiones soldadas de 25.4 mm con coples de acero inoxidable de rosca interna.

(35)

2.2 Construcción del medio Termostatizado (Horno)

Para el mantenimiento de la temperatura de operación hubo necesidad de construir un cubo sobre un esqueleto a base de ángulo de hierro de 38.1 mm con las siguientes dimensiones: 2.5 m de altura y 1 m de largo y ancho.

En dicha estructura, a una altura de 1 m sobre el nivel del piso y en el límite superior se habilitaron dos parrillas cuyos laterales fueron hechos con el mismo material del esqueleto mientras que las partes medias se hicieron con varilla de 9.525 mm. Sobre estos emparrillados se coló una plancha de dos capas de cemento y ladrillo refractarios, con un espesor total de 5cm en la cual se colocó el reactor para realizar las conexiones y adaptaciones de tubería, antes de cerrar el cubo que conforma el horno. Tres de las paredes del cubo se cubrieron totalmente y la cuarta parcialmente con ladrillo refractario.

La parte externa del cubo se aplanó y pulió con cemento refractario, en el techo del cubo se adaptó una mirilla para toma de lectura de temperatura dentro del reactor. En la pared parcialmente cubierta se construyó una puerta corrediza de fierro fundido para mantenimiento e introducción del medio de calentamiento, las fisuras de puerta fueron selladas con poliuretano.

Finalmente se cubrió con fibra de vidrio, para garantizar la estabilidad de la temperatura de operación y que la pérdida térmica fuera mínima.

2.3 Adaptaciones

Una vez introducido el reactor en el horno se complementó la instalación de todo el equipo experimental.

(36)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 21 Para su acoplamiento se utilizaron accesorios de reducción de 25.4 mm a 12.7 mm. La función de esta bomba es recircular el contenido del reactor para garantizar la homogeneidad del mismo. Además también se derivó una línea de succión de un tanque con capacidad de 200 Lt para la alimentación del afluente a través de un arreglo de válvulas de esfera de apertura y cierre.

Las dos válvulas restantes son tomas de muestra y monitoreo de los parámetros de operación y control.

La conexión de la parte inferior tiene la función de descarga y purga de la fracción de efluente estabilizado mediante la apertura y cierre de la válvula correspondiente. También se adaptó un indicador de nivel utilizando manguera transparente de 9.525 mm.

En la parte superior se hicieron las siguientes conexiones:

 Un termopozo de 80 cm de longitud para garantizar el contacto con el fluido y obtener una correcta señal de entrada de la temperatura del sistema.

 La instalación de un manómetro analógico. La conexión de la manguera de nivel. Una válvula de venteo para el caso de una sobrepresión de trabajo (0-0.8 Kg/cm2). Una derivación hacia la trampa de biogás.

 El ensamble de las soluciones buffer (ácido o base), utilizando dos recipientes de plástico graduados de 2 Lt de capacidad con sus correspondientes válvula de esfera de 12.7 mm.

 El cople de 54.4 mm fue utilizado para la introducción del medio de soporte, una vez hecho esto se selló utilizando un tapón hembra.

(37)

inferior que sirve para el dren de los condensados y pruebas de flamabilidad, además de la implementación de otra manguera de nivel con las misma características de la utilizada en el reactor. Entre la conexión restante y el tanque de almacenamiento del biogás se colocó una segunda válvula check.

El medio de soporte debe cumplir con las siguientes características:

 Alta superficie por unidad de volumen (para incrementar el área efectiva y real).

 Incrementar el porcentaje de espacios libres

 Forma irregular para evitar acanalamientos (obstrucciones).

 Poca superficie apoyada en las paredes.

 Favorables cualidades distribuidoras de líquido.

 Baja densidad.

 Alta resistencia.

 Bajos costos.

 Durabilidad (que no sea biodegradable).

Los medios de empaque más utilizados en la industria se enlistan en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1 Medios de empaque, valores tomados en base a un tamaño nominal de partícula de 2.54 cm [17]

Empaque Densidad Espacios libres Superficie espacios Diámetro

g/cm3 % cm2/cm3 cm

Anillos de porcelana Rashing 0.063 73 1.914 1.6510 Anillos de carbón Rashing 0.042 74 1.881 2.2098 Anillos de metal Rashing 0.063 92 2.069 1.4224

Silletas Berl 0.071 69 2.508 1.9304

Silletas Intalox 0.054 77.5 2.574 1.7274

(38)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 23 En base a las características antes mencionadas y con las cualidades descritas en la tabla y por cuestiones de economía se optó por usar tezontle, teniendo un lecho fijo de 30 cm de altura.

2.4 Diagrama de flujo

En la Figura 2.1 se muestra el diagrama de flujo del proceso, con sus componentes, los cuales son:

V1: Válvula de esfera de ½” utilizada para la descarga del efluente.

 V2: Válvula de esfera de ½” utilizada para desfogue del reactor.

 V3 y V6: Válvulas de esfera de 1” para succión y descarga de la bomba.

V4 y V5: Válvulas de esfera de 1” para toma de muestras.  V7: Válvula de esfera de ½” para la alimentación del reactor.

 V8: Válvula de pincho de ½”. Asegura que la línea de alimentación siempre

se encuentre con afluente.

V9 y V10: Válvulas de esfera de ½” para introducir las soluciones de ácido y

base.

 V11 y V 12: Válvulas check de ½”.

 V13: Válvula de esfera de ½” para desfogue de la trampa de biogás.

 A: Medio de empaque (Tezontle).

 B: Carga dentro del Reactor.

 C: Medio termostatizado construido de ladrillo rojo.

 D: Aislante: fibra de vidrio de 2 cm de espesor.

 B1: Bomba centrífuga para alimentar y homogenizar, con las siguientes características:

¾ hp, 127/220 V 3500 rpm, 1” succión y 1” descarga, marca

SIEMENS.

 TB: Trampa de biogás con capacidad de 20 Lts.

 TAB: Tanque de almacenamiento del Biogás de 350 Lts marca TATSA.

 NI1 y NI2: Indicadores de nivel (mangueras de nivel de 3/8”).

(39)

 PI: Indicador de Presión marca INFRA.

 C1: Contenedor del afluente con capacidad de 200 Lts.

 C2 y C3: Contenedores de las soluciones reguladoras de pH con capacidad de 2 Lts. c/u.

T1: Tapón hembra de 2”.

(40)
(41)

2.5 Arranque, aclimatación y régimen permanente del reactor anaerobio

Previo al arranque y hecho el montaje completo del sistema experimental se hicieron las pruebas hidráulicas pertinentes para verificar que no existiera ningún tipo de fuga.

Reactivos

• Ácido Acético Glacial (C3COOH) • Carbonato de Sodio (Na2CO3) • Bicarbonato de Sodio (NaHCO3) • Azúcar

• Hidróxido de Sodio (NaOH)

• Tiras reactivas de pH (de 4 sectores)

Las soluciones preparadas fueron:

Inóculo Pesado

• Suelo profundo pulverizado • Excreta de cerdo

• NaCHO3 • Na2CO3

Se mezcla todo esto en 1 Lt de agua de la llave y criba en mallas 30-40 superpuestas (Evitando que cuando se alimente el reactor entren sedimentos).

Agua Residual Sintética

Se mezcla en 1 Lt de agua de la llave los siguientes compuestos:

• Azúcar

• Ácido Acético glacial • Na2CO3

(42)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 27 Afluente

En 4 Lt. de agua de la llave se disuelve 1 kg excreta de cerdo y vaca fresca [18]. Se homogeniza la mezcla y criba en mallas de 0.59 y .297 mm (30-40) superpuestas, la mezcla obtenida se mantiene en refrigeración a 4 oC hasta su uso, se determina los

sólidos suspendidos volátiles previamente a su utilización para garantizar una concentración de 10 gr/Lt, y según el caso aumentar o disminuir el agua de dilución, es importante considerar la dieta a que son sometidos los cerdos y los antibióticos que se les aplican durante su desarrollo.

El arranque se hizo de la siguiente manera:

• Se inicia con el agua residual sintética (ARS), llenando el sistema hasta 1/3 de su volumen útil.

• A continuación se adicionan 1000 ml de inóculo pesado y se completa el volumen con el ARS.

• Se recircula durante 10 min para homogenizar la muestra.

• Una vez hecho el arranque el periodo experimental se divide en 2 partes: Aclimatación y Estado Estable.

La aclimatación se llevó a cabo como se muestra en la Tabla 2.2:

Tabla 2.2 Descripción de la alimentación del reactor para llegar al régimen permanente.

ARS Afluente Tiempo

Aquí es importante apreciar el aumento en la producción del

Biogás.

90% 10% 7 días

80% 20% 7 días

70% 30% 7 días

60% 40% 7 días

20% 80% 7 días

0% 100% PERMANENTE

Aclimatación del reactor. Estado estable

(43)

El parámetro fundamental para la alimentación es el tiempo de residencia hidráulica (TRH) el cual se fijó en 2 días, y que se define como:

TRH = VVú a a a ó

Donde:

V

ú

= V

a a

− ( ⁄ )V

a a

− V

V

ú

= ( ⁄ )V

a a

− V

V

ú

= ( ⁄ )π dm

dm − π dm

dm =

. dm

Lt

V

a a ó

=

Vútil l r a tor

TRH

=

L .

ía

=

.

L

ía

=

.

L

2.6 Parámetros de control

De todos los parámetros de control para este tipo de procesos ya mencionados en el capítulo anterior, se seleccionaron los siguientes:

 Temperatura: en el rango mesofílico dado el volumen de agua residual disponible (35°C-40°C), con +/- 2°C. Lo recomendado para volúmenes de agua residual 0 – 5 m3[17].

 pH: 6.5 - 7.5

(44)

Capítulo 2 Metodología

___________________________________________________________

Página | 29 Capítulo 3 Control y automatización de los parámetros elegidos

En el presente capitulo se describen las variables de proceso a controlar, modos y arquitecturas de control dando énfasis a una arquitectura de rango dividido en dos posiciones. Finalmente, se establece la selección de instrumentación, estructura, construcción y el funcionamiento del circuito de control en el reactor biológico anaerobio. En la Figura 3.1 se muestra el diagrama general de la conexión de todos los elementos del circuito de control.

(45)

3.1 Temperatura

Este parámetro influye en la descomposición anaerobia mediante la velocidad del desarrollo bacteriano en los rangos requeridos (35 °C - 40 °C) para una adecuada descomposición de la materia orgánica, y de esta forma la obtención del biogás y fertilizante foliar en donde a mayor temperatura mayor movilidad de las moléculas del biogás, contribuyendo a una estabilización de la presión en beneficio del proceso.

Para la medición de la temperatura se cuentan con diversos instrumentos de los cuales se selecciona el apropiado acorde a la naturaleza del proceso, entre los más comunes se encuentran los siguientes:

1. Termómetros de Vidrio [19]

Constan de un bulbo que contiene un fluido que al calentarse se expande a través de un tubo capilar. El más conocido es el de mercurio líquido, Tabla 3.1.

Tabla 3.1 Rangos de temperatura en un termómetro de vidrio [18] Mercurio -35°C hasta + 280°C Mercurio (tubo capilar lleno de gas) -35°C hasta + 450°C Pentano -200°C hasta + 20°C Alcohol -110°C hasta + 50°C Tolueno -70°C hasta + 100°C

2. Termómetros Bimetálicos

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Capítulo 2 Metodología

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Página | 31 3. RTD’S[20]

Los RTD’s (Detectores de Resistencia de Temperatura) tienen una excelente estabilidad y muestran la señal más lineal con respecto a la temperatura de cualquier sensor electrónico. Pero son caros por su construcción y el uso de platino. Su tiempo de respuesta es lento y tiene baja sensibilidad; y como requieren excitación de corriente pueden ser propensos a auto calentamiento. 4. Termopares [21]

Los termopares son ampliamente usados en la industria como sensores de temperatura, ya que son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. La limitación que poseen es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener.

5. Termistores [19]

Los termistores tienen una sensibilidad muy alta, lo cual los hace extremadamente susceptibles a los cambios de temperatura. Contienen una baja masa térmica que da como resultado tiempos rápidos de respuesta, pero son limitados por un rango pequeño de temperatura.

6. Sensores de temperatura de Circuito Integrado (CI) [22]

(47)

Una de las principales ventajas de los sensores IC es su fácil interface. Entre las desventajas se tienen: el limitado rango de temperatura, la necesidad de alimentación y el auto calentamiento en algunos casos.

Todas las características antes mencionadas se resumen en la Tabla 3.2.

Tabla 3.2 Características de los principales elementos primarios de temperatura. Elemento Primario

de Temperatura Características

Termómetro de vidrio

Son elementos que aprovechan la capacidad de los fluidos (líquidos y gases) de dilatarse con la temperatura. Generalmente

se asocian para medir la temperatura corporal o transmisores neumáticos.

Bimetálicos

Consisten en dos piezas de aleaciones de distinto coeficiente de dilatación térmica que producen cambios de forma por efecto de la

temperatura. Se utilizan sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo

RTD´S

Se infiere la temperatura a partir de la variación en la resistencia eléctrica de un metal, generalmente platino, cobre o níquel. Medir temperatura de automóviles, electrodomésticos, en laboratorio en

ohmímetros

Termopar Adecuado para aplicaciones generales de la industria, tienen amplio rangos de temperatura y características según el tipo.

Termistores

Similar a los RTD´S, pero de un semiconductor. La resistencia tiene relación inversa con la temperatura. Medidor de compensación, en un automóvil, para monitorear la temperatura del aceite y del refrigerante o regular la temperatura de la batería.

Sensor de Circuito Integrado LM35

La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración hace posible que esté integrado sea instalado fácilmente en un circuito de control. Aplicable como sensor de temperatura básico, de rango completo, termómetro Farenheit,

convertidor de temperatura digital

3.2 Mezclado

Dada la naturaleza del proceso el mezclado cumple con tres funciones [23]:

 Mantener la temperatura uniforme en todo el sistema.

 Homogenización de la materia orgánica dentro del reactor.

(48)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 33 Se pueden emplear diversos sistemas de homogenización, los más frecuentes son la inyección de gas y la agitación mecánica.

 Inyección De Gas: Se recolecta el biogás producido y se comprime para introducirlo nuevamente dentro del reactor.

 Agitación Mecánica: Los sistemas de agitación mecánica emplean turbinas o agitadores de baja velocidad que hacen que los lodos se desplacen logrando el mezclado

 Recirculación: Otro método es la recirculación de los lodos por medio de bombas de cavidad progresiva o de pistón. La bomba se encuentra situada afuera del reactor, ver Figura 3.2, esta opción aunque es un poco menos eficiente que las otras, se ocupa mucho para este tipo de equipos.

Figura 3.2 Sistema de mezclado por recirculación

3.3 pH

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1. Tiras de pH

Es un método colorimétrico y cubre la escala completa de 0-14, estas tiras tienen algunas sustancias químicas que miden el grado de acidez y alcalinidad, para lo cual la tira de papel indicadora se sumerge en la sustancia a examinar, después 20 o 30 segundos se compara el color obtenido con la de la escala que acompaña a la caja.

Figura 3.3 Tiras de pH

2. pHmetro [24]

Un pHmetro es un instrumento analítico que consta de un sensor o electrodo selectivo para el ion hidrógeno y de un sistema electrónico que captura la señal de concentración como una señal eléctrica y la traduce en una escala de valores numéricos.

3.4 Modos de Control

Aunque existen variantes sobre algunos modos de control, los más utilizados son los siguientes:

 Control ON-OFF (dos posiciones, todo-nada).

 Control proporcional (P)

 Control proporcional con acción integral (PI)

(50)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 35 3.4.1 Control de dos Posiciones

En la regulación on-off ó todo-nada, como también se le conoce [18], el elemento final de control se mueve rápidamente entre una de dos posiciones fijas, para un valor único de la variable controlada. En la Figura 3.4 se presenta un control de este tipo, que se caracteriza por un ciclo continuo de variación de la variable controlada.

Figura 3.4 Control todo-nada

Este tipo de control se emplea usualmente con una banda diferencial ó zona neutra, ver Figura 3.5, en la que el elemento final de control permanece en su última posición para valores de la variable controlada comprendidos dentro de la banda diferencial.

(51)

Es evidente que la variable controlada oscila continuamente y que estas oscilaciones varían en frecuencia y magnitud si se presentan cambios de carga en el proceso.

El control todo-nada funciona satisfactoriamente si el proceso tiene una velocidad de reacción lenta y posee un tiempo de retardo mínimo. Se caracteriza porque las dos posiciones extremas del elemento final de control permiten una entrada y salida de energía al proceso ligeramente superior e inferior respectivamente a las necesidades de la operación normal.

Es la regulación más simple y económica, los usos más comunes son la regulación de nivel, presión o temperatura; en ocasiones se recurre a este tipo de control cuando el error es grande [25].

3.4.2 Control Proporcional (P)

El control proporcional [26] es en realidad un amplificador con ganancia ajustable. Este modo de control reduce el tiempo de subida, incrementa el sobreimpulso y reduce el error en estado estable.

La salida del controlador es directamente proporcional a su entrada, la cual es la señal de error, e(t), de esta manera: salida=Kp e(t)

(52)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 37 La función de transferencia en lazo cerrado es:

� = + ����� ���

de esta manera, la ecuación característica ( + � ) tiene los valores de sus raíces afectados por Kp.

Una ventaja de esta acción o modo de control, es que, solo requiere del cálculo de un parámetro (ganancia proporcional Kp), y además, genera una respuesta bastante

instantánea. Sin embargo, posee una característica indeseable, que se conoce como error en estado estacionario (offset).

3.4.3 Control Proporcional con acción Integral (PI)

Se define mediante[25]:

alida = � + � � ∫

donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la acción integral. El diagrama

a bloques de un control PI se muestra en la Figura 3.7.

(53)

Con lo que la función de transferencia del controlador PI es la siguiente:

��� = �( + � � )

3.4.4 Control Proporcional con acción Integral y Derivativa (PID)

Un PID [27], ver Figura 3.8, es un método de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso a valores deseados, dará una

salida = K e + K ∫ e dt + K

Figura 3.8 Diagrama a bloques de un control PID

(54)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 39 3.5 Guía de selección de un Sistema de Control

En la Tabla 3.3 se indica una guía general para seleccionar un modo de control [28], si bien hay que señalar que solo sirve de orientación general y debe consultarse únicamente como guía de aproximación al control idóneo.

Tabla 3.3 Criterios de selección de un modo de control

3.6 Arquitecturas de control

Una arquitectura de control se refiere a la conexión de instrumentos y dispositivos entre sí, que tiene como fin monitorear, manipular y/o controlar la, o las variables de un proceso.

3.6.1 Control en lazo abierto

Es el más sencillo, su principal característica es que la información sólo fluye en un solo sentido; además de que un operador cumple la función del controlador, manipulando el elemento final de control. La Figura 3.9 muestra el diagrama a bloques de un control de lazo abierto.

Figura 3.9 Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo abierto Acción. Cambios de Carga Aplicaciones

Todo-nada Cualquiera Control de nivel y temperatura en procesos de gran capacidad

P Moderados Presión, temperatura y nivel donde el offset no es inconveniente

PI Cualquiera La mayor parte de aplicación, incluyendo el caudal

(55)

3.6.2 Control en lazo cerrado (Retroalimentado)

En esta arquitectura de control la función del operador es relevada por la de un controlador que recibe la señal del elemento secundario. Sigue siendo una técnica simple, pero puede compensar todas las perturbaciones que afecten al proceso. La desventaja es que únicamente puede compensar la perturbación hasta que la variable controlada se ha desviado del punto de control, ver Figura 3.10.

Figura 3.10 Diagrama de bloques de sistema de control en lazo cerrado

3.6.3 Control en Cascada

(56)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 41 Figura 3.11 Diagrama de bloques de un sistema de control en cascada

3.6.4 Control Precalculado (Feed-Forward)

A diferencia del control en lazo cerrado, el control precalculado no requiere que exista una desviación a la salida para que el controlador realice alguna acción, es decir, no requiere de una retroalimentación. La forma en que opera consiste en medir las perturbaciones y compensarlas antes de que se propaguen en el sistema, por lo tanto, es la única estrategia de control, en teoría, que puede lograr la perfección, ver Figura 3.12.

Figura 3.12 Diagrama de bloques de un sistema de control precalculado

(57)

desviaciones que son imposibles de corregir, por lo que siempre se implementa junto con un lazo cerrado, Figura 3.13.

Figura 3.13 Control precalculado con lazo cerrado

3.6.5 Control de Rango Dividido (Split Range)

(58)

Capítulo 2 Metodología

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Página | 43 Figura 3.14 Diagrama de bloques de un sistema de control de rango dividido

3.6.6 Control por Relación

El control por relación utiliza un elemento que puede ser un multiplicador ó una estación de razón para mantener una relación constante entre dos variables, y así poder alcanzar el objetivo de control. Por lo regular se ocupa para mantener la relación entre dos fluidos. Es una técnica de control muy común en los procesos industriales donde se requiere tener una mezcla en proporciones definidas por el usuario.

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Figura 3.15 Diagrama de bloques de un sistema de control por relación con estación de razón

Figura 3.16 Diagrama de bloques de un sistema de control por relación con estación multiplicadora.

3.7 Circuito de control

El circuito de control presenta una arquitectura de rango dividido para la bomba y la resistencia mediante el microcontrolador; con un control on-off para el energizado de ambos elementos finales, debido a que las cargas de alimentación al reactor son altas, el rango de temperatura en el proceso es amplio (error grande) y no es necesaria una respuesta rápida a los cambios de operación. El circuito de control está dividido en dos secciones, la etapa de control y la etapa de potencia.

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Referencias

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