Diseño e implementación de un sistema de supervisión, monitoreo y control de temperatura, presión y tiempo de proceso en un sistema de digestión anaerobia de biomasa (contenido ruminal bovino) a escala de laboratorio

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(1)DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN, MONITOREO Y CONTROL DE TEMPERATURA, PRESIÓN Y TIEMPO DE PROCESO EN UN SISTEMA DE DIGESTIÓN ANAERÓBIA DE BIOMASA (CONTENIDO RUMINAL BOVINO) A ESCALA DE LABORATORIO. PULIDO APONTE ALVARO ERVEY ESPITIA PARDO JHON JAIRO. Tesis de Ingeniería en Control. Director: Ing. Frank Nixon Giraldo Ramos. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Programa de Ingeniería en Control Bogotá, Junio de 2016.

(2) PULIDO APONTE ALVARO ERVEY ESPITIA PARDO JHON JAIRO. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN, MONITOREO Y CONTROL DE TEMPERATURA, PRESIÓN Y TIEMPO DE PROCESO EN UN SISTEMA DE DIGESTIÓN ANAERÓBIA DE BIOMASA (CONTENIDO RUMINAL BOVINO) A ESCALA DE LABORATORIO.. Tesis presentada al Programa de Ingeniería en Control de la universidad Distrital “Francisco José de Caldas” Facultad Tecnológica, para obtener el título de Ingeniero en Control. Programa: Ingeniería en Control. Director: Ing. Frank Nixon Giraldo Ramos. Bogotá, Junio de 2016.

(3) Dedicatoria Una dedicatoria no basta para expresar el amor que sentimos por aquellas personas que nos dieron la vida, las que con mucho amor nos empezaron a formar desde que vimos la primera luz reflejada en aquellos ojos que con alegría nos daban la bienvenida a este mundo, a aquellos padres que con esfuerzo, sudor y fortaleza en sus hombros, lucharon por asegurar en nosotros una vida digna y de nosotros unas buenas personas. Esta tesis está dedicada a nuestras familias, quienes nunca perdieron la fe en nosotros, cuyas palabras y motivaciones llenan de perseverancia nuestro camino..

(4) Agradecimientos A todas aquellas personas que participaron en el desarrollo de este proyecto especialmente a los profesores, Hernán Mauricio Rivera Escobar y Jorge Federico Ramírez Escobar, por su orientación, seguimiento, excelente asesoría, compromiso incondicional y motivación ofrecida a lo largo de estos meses. A nuestro compañero y amigo, William Alejandro Sánchez, por su ayuda incondicional en la configuración del servidor web; A la profesora Gloria Ramírez Sánchez, por facilitarnos el biodigestor objeto de este desarrollo; Y a nuestras familias, por el apoyo, el calor afectivo y la paciencia que solo ellos pueden ofrecernos a diario.. A todos ellos, muchas gracias..

(5) Resumen. La disposición final de los residuos biosólidos producto de las actividades industriales, comerciales domésticas y agropecuarias, ha desencadenado una compleja serie de problemáticas ambientales, económicas y sociales; las cuales impulsan el desarrollo de proyectos de investigación enfocados a mitigar algunos impactos desfavorables para el planeta. Particularmente los residuos de origen agropecuario como el contenido ruminal bovino (CRB) representan una gran amenaza, debido a la carga orgánica generada por estos, la cual generalmente se vierte de forma directa a los causes de agua y en campos a cielo abierto. La implementación de biodigestores es una opción rentable y eficiente en el manejo adecuado de dichos residuos y en la generación de algunos productos aprovechables como recurso energético, que en conjunto con estrategias de control, supervisión y modelamiento de variables, generan un impacto favorable para el medio ambiente. El proceso objeto de esta investigación denominado digestión anaeróbia es un proceso bioquímico que se efectúa en ausencia de oxígeno en un reactor químico (biodigestor), mediante una serie de eventos bacterianos que a determinadas condiciones como rangos de temperatura optima, pH, presión, entre otros; transforman la materia orgánica en gas, compuesto por metano (CH 4), dióxido de carbono (CO2) y sulfuro de hidrogeno (H2S). El presente trabajo de investigación documenta los métodos utilizados en el desarrollo de un sistema de control y supervisión por medio de la implementación de una tarjeta de adquisición de las variables asociadas y un servidor web a través de los protocolos de comunicación HTTP, SSH y los lenguajes de programación C, PYTHON y HTML; implementado en un Biodigestor discontinuo a escala de laboratorio; posteriormente se plantea el modelo dinámico del comportamiento del sistema de digestión anaerobia para la biomasa CRB. Palabras clave: Bioreactor, temperatura, presión, sensores, control, supervisión.. 5.

(6) Abstract. The final disposal of biosolids waste product of industrial, domestic and agricultural business, has triggered a complex set of environmental, economic and social problems; which drive the development of research projects aimed at mitigating some adverse impacts on the planet. Particularly residues of agricultural origin such as bovine rumen contents (BRC) pose a great threat. The implementation of biodigesters is a cost effective and efficient option in the proper management of such waste and the generation of some usable products as an energy resource, which together with control strategies, monitoring and modeling of variables, generate a favorable impact on the environment ambient. The process object of this research called anaerobic digestion is a biochemical process is performed in the absence of oxygen in a chemical reactor (digester), through a series of bacterial events certain conditions as ranges optimum temperature, pH, pressure, etc, transform organic matter into gas composed of methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and hydrogen sulfide (H2S). This research documents the methods used in the development of a system of control and supervision by implementing an acquisition card associated variables and a web server via the communication protocols HTTP, SSH and languages programming C, PYTHON and HTML; Biodigestor implemented in a batch laboratory scale; the dynamic model of system behavior for biomass anaerobic digestion ruminal content was subsequently raised cattle.. Keywords: Bioreactor, temperature, pressure, sensors, control, monitoring.. 6.

(7) Contenido 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 16 1.1.. Planteamiento del problema ..................................................................... 18. 1.1.1.. Problemática ambiental ..................................................................... 18. 1.1.2.. Contexto energético en Colombia...................................................... 18. 1.1.3.. Problemática en la innovación tecnológica ........................................ 19. 1.2.. Justificación.............................................................................................. 20. 1.3.. Objetivos .................................................................................................. 21. 1.3.1.. Objetivo General ................................................................................ 21. 1.3.2.. Objetivos Específicos ........................................................................ 21. 2. MARCO DE REFERENCIA ............................................................................ 22 2.1.. Antecedentes ........................................................................................... 22. 2.2.. Marco teórico ........................................................................................... 24. 2.2.1.. Marco legal ........................................................................................ 24. 2.2.2.. Proceso de digestión anaeróbia ........................................................ 25. 2.2.4.. Cinética Química ............................................................................... 28. 2.2.5.. Modelamiento De Sistemas ............................................................... 29. 2.2.6.. Instrumentación ................................................................................. 31. 2.2.7.. Protocolos De Comunicación ............................................................ 31. 2.2.8.. Sistemas De Control .......................................................................... 33. 3. MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................... 38 3.1.. Diseño experimental................................................................................. 38. 3.1.1.. Modelo experimental ......................................................................... 42. 3.1.2.. Descripción general del sistema ........................................................ 43. 3.2.. Experimentación ...................................................................................... 44. 3.2.1.. Densidad ........................................................................................... 44. 7.

(8) 3.2.2.. Porcentaje de Humedad .................................................................... 45. 3.2.3.. Porcentaje de materia orgánica ......................................................... 45. 3.2.4.. Concentración de la mezcla reactante (BM) ...................................... 45. 3.2.5.. Calores específicos del CRB y la mezcla reactante .......................... 46. 3.2.6.. Desinfección y esterilización del biodigestor ..................................... 47. 3.2.7.. Cargue de la biomasa ........................................................................ 48. 3.2.8.. Extracción y cuantificación del biogás ............................................... 48. Figura 3. Protocolos estandarizados en el laboratorio. A. diagrama desinfección y esterilización. B. Diagrama cargue de la biomasa en el interior del biodigestor. C. Diagrama extracción y cuantificación del biogás obtenido durante el proceso. Cada diagrama expresa el acondicionamiento realizado en el reactor, biomasa y gas extraído. ................................................................. 50 3.2.9. 3.2.10. 3.3.. Medición y control de pH ................................................................... 50 Tiempo de retención de la biomasa asociado al tiempo de proceso 50. Sensores y actuadores............................................................................. 51. 3.3.1.. Transmisor de temperatura PT100 .................................................... 51. 3.3.2.. Transmisor de presión YB131 ........................................................... 53. 3.3.3.. Electroválvula PDI 01044 .................................................................. 54. 3.3.4.. Tratamiento de los lazos de corriente ................................................ 55. 3.3.5.. Transmisor de temperatura ............................................................... 57. 3.3.6.. Transmisor de presión ....................................................................... 58. 3.4.. Supervisión .............................................................................................. 59. 3.4.1.. Descripción general del sistema de supervisión ................................ 59. 3.4.2.. Sistema de adquisición distribuida de señales .................................. 59. 3.4.3.. Instalación y configuración de Raspbian ........................................... 60. 3.4.4.. Conexión de la Raspberry pi2 a través del protocolo SSH ................ 63. 3.4.5.. Consola y comandos utilizados ......................................................... 64. 8.

(9) 3.4.6.. WebIOPi ............................................................................................ 65. 3.4.7.. Procesamiento de los datos con Python............................................ 69. 3.4.8.. Creación de los archivos html ............................................................ 69. 3.4.9.. Creación del DNS (Domain Name System) ....................................... 70. 3.5.. Modelo Dinámico ..................................................................................... 71. 3.5.1.. Modelamiento de la reacción química ............................................... 72. 3.5.2.. Modelamiento de temperatura ........................................................... 73. 3.5.3.. Modelamiento de la sobrepresión del reactor .................................... 74. 3.6.. Simulación del modelo matemático .......................................................... 75. 3.6.1.. Bloques implementados y sub sistema parámetros ........................... 75. 3.6.2.. Sub sistemas realizados en la simulación ......................................... 78. 3.7.. Control...................................................................................................... 78. 3.7.1.. Identificación de la respuesta en temperatura ................................... 78. 3.7.2.. Diseño del controlador ....................................................................... 79. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................... 83 4.1.. Resultados de la fase experimental. ........................................................ 83. 4.1.1.. Caracterización .................................................................................. 83. 4.1.2.. Sobrepresión del biodigestor ............................................................. 86. 4.1.3.. Análisis sobre la presión generada y el producto .............................. 89. 4.2.. Desarrollo del modelo dinámico ............................................................... 89. 4.3.. Resultados de las simulaciones del modelo dinámico ............................. 93. 4.4.. Resultados del control .............................................................................. 96. 4.5.. Resultados de la supervisión del proceso ................................................ 99. 5. CONCLUSIONES ......................................................................................... 101 RECOMENDACIONES Y ALCANCES ................................................................ 102 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................... 103 ANEXOS ............................................................................................................. 107. 9.

(10) Lista de Figuras Figura 1. Funcionamiento protocolo SSH ............................................................. 33 Figura 2. Descripción general del sistema ............................................................ 43 Figura 3. Protocolos estandarizados en el laboratorio .......................................... 50 Figura 4. Características e ilustraciones del transmisor de temperatura PT100... 53 Figura 5. Transmisor de presión, acondicionamiento y actuadores ...................... 55 Figura 6. Instalación y configuración de Raspbian ............................................... 63 Figura 7. WebIOPi primeros pasos....................................................................... 66 Figura 8. Configuración de los directorios predefinidos por webiopi..................... 67 Figura 9. Conexión de dispositivos al puerto serie ............................................... 68 Figura 10. Configuración del puerto serie en webiopi ........................................... 69 Figura 11. Creación de un dominio gratuito para el servidor web ......................... 71 Figura 12. Bloques usados en las simulaciones ................................................... 76 Figura 13. Sub sistemas de la simulación del modelo dinámico........................... 78 Figura 14. Procedimiento establecido en la identificación del sistema de calentamiento ................................................................................................. 80 Figura 15. Estimación del algoritmo de control ..................................................... 81 Figura 16. Resultados de caracterización de la biomasa CRB ............................. 85 Figura 17. Calor especifico del CRB y del reactante ............................................ 86 Figura 18. Resultados de sobrepresión registrada en la fase experimental ......... 88 Figura 19. Resultado de las simulaciones ............................................................ 96 Figura 20. Identificación del sistema en temperatura ........................................... 97 Figura 21. Determinación del algoritmo de control de temperatura ...................... 98 Figura 22. Resultados de la supervisión del sistema .......................................... 100. Lista de Diagramas Diagrama 1. Transformaciones bioquímicas de la biomasa ................................. 26 Diagrama 2. Representación gráfica del diseño experimental ............................. 41 Diagrama 3. Descripción general de la supervisión .............................................. 59. 10.

(11) Diagrama 4. Metodología desarrollada en el modelamiento. ............................... 72 Diagrama 5. Analogía del circuito térmico con un circuito eléctrico RC. ............... 73. Lista de ilustraciones Ilustración 1. Modelo experimental ...................................................................... 42 Ilustración 2. Medición y control del pH ............................................................... 50 Ilustración 3. Configuración de PUTTY ............................................................... 64. Lista de Tablas Tabla 1. Calores de formación y combustión para algunos productos químicos. . 29 Tabla 2. Relaciones matemáticas cálculo de la concentración del reactante. ...... 46 Tabla 3. Valores de los parámetros del controlador según Ziegler-Nichols. ......... 79 Tabla 4. Características generales de los experimentos realizados ..................... 86 Tabla 5. Parámetros técnicos del sistema de calentamiento. ............................... 92. Lista de anexos Anexo 1. Protocolo de desinfección y esterilización .......................................... 107 Anexo 2. Protocolo del cargue de la biomasa ................................................... 109 Anexo 3. Protocolo de extracción y cuantificación............................................. 110 Anexo 4. Código adquisición y transmisión de los datos obtenidos por el conversor análogo digital del arduino ........................................................... 111 Anexo 5. Características del sistema embebido Raspberry pi2 y Arduino uno.. 112 Anexo 6. Lectura de los sensores, procesamiento y control de las variables asociadas ..................................................................................................... 113 Anexo 7. Código del script temp.py ................................................................... 117 Anexo 8. Código del archivo index.html ............................................................ 118 Anexo 9. Código del archivo presion.html ......................................................... 118 Anexo 10. Adaptaciones del modelo experimental ............................................ 119 Anexo 11. Segmento codigo control tiempo de proceso ................................... 120. 11.

(12) Lista de abreviaturas. CRB. Contenido ruminal bovino. A. Factor de frecuencia en la ecuacion de Arrhenius. Ai. Area del reactor. CBM. Concentración del reactante (lb mol /pie3 ). CP. Concentración del producto (lb mol /pie3 ). ΔH. Entalpia de la reacción (Btu/lb mol ). R. Constante de los gases (Btu/lb mol g°R). TBM. Temperatura de la biomasa (°F). TM. Temperatura en las paredes del reactor (F°). ρ. Densidad de la biomasa (lb mol /pie3 ). ρM. Densidad del material del reactor (lb mol /pie3 ). Ce BM. Calor especifico de la biomasa (Btu/lb mol °F). Ce M. Calor especifico del material del reactor (Btu/lb mol °F). VBM. Volumen de la biomasa (pie3 ). VM. Volumen de las paredes del reactor (pie3 ). μi. Coeficiente pelicular de transferencia de calor interno (Btu/°Fgpie3gs). λ. Calor exotermico de la reacción (Btu/lb mol °Fgs). Γ BM. Velocidad de la reacción. M. Masa dela biomasa. H. Porcentaje de humedad de la biomasa contenido ruminal bovino. Mh. Masa del contenido ruminal bovino hidratado. M dh. Masa del contenido ruminal bovino deshidratado. M ic. Masa del contenido ruminal bovino incinerado a 600°C. 12.

(13) Glosario Biomasa: En una acepción estrictamente ecológica, se define como un conjunto de sustancias orgánicas procedentes de seres vivos depositados en un determinado lugar. También se entiende como el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial de la misma. Combinación, esta se presenta mediante la unión de una molécula o átomo con otra especie para formar un compuesto nuevo. Contenido ruminal bovino (CRB): El CRB es un producto obtenido de la matanza del ganado bovino y representa el alimento ingerido. Este es desechado al momento del sacrificio. Es una mezcla de material no digerido que tiene la consistencia de una papilla, con un color amarillo verdoso y un olor característico muy intenso cuando está fresco. Consola Raspbian: La consola es la herramienta que permite configurar por comandos de texto la matriz de control. Controlador Raspberry Pi: También conocido como matriz de control, es básicamente un computador de placa reducida pero de bajo costo. Descomposición, consiste en la división de una molécula, en moléculas más pequeñas, átomos o radicales. Enrutador local: Dispositivo local que debe estar en el sitio de trabajo el cual posee conexión a internet, el cual permite la interconectividad de los equipos a una red MAN (Metropolitan Area Network), este a su vez permite la transmisión de paquetes de información entre la nube y nuestro equipo. Framework: El término framework, se refiriere a una estructura de software compuesta de elementos personalizables e intercambiables para el desarrollo de multiples aplicaciones específicas. En otras palabras, un framework se puede considerar como una aplicación genérica incompleta y configurable a la que se le pueden agregar las últimas piezas para construir una aplicación concreta. Internet: Herramienta de comunicación de redes utilizada permitiendo enlazar al protocolo HTTP para transmisión de datos a altas velocidades del sistema. Isomerización, se efectúa mediante el cambio de configuración estructural interna, que no involucra descomposición o combinación. Puerto 22: Es el puerto usado para la comunicación de datos encriptados por consola, permite acceder a la raíz de la matriz de control. 13.

(14) Puerto 443: El puerto 443 de TCP, es el predeterminado que utiliza el HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure).Si este puerto está bloqueado en cualquier servidor o dispositivo desde la computadora hacia un destino determinado, como www.microsoft.com, tu conexión a cualquier sitio HTTPS fallará y el navegador mostrará un mensaje de error como " Error de conexión segura " o " La página no se puede mostrar”. Este fallo estará directamente en el router porque no tenemos abierto el puerto. Reacción química: Se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas denominadas productos implicando de esta forma un cambio químico. Reactor químico: Un reactor químico es un equipo en cuyo interior se lleva a cabo una o varias reacciones químicas. Este está constituido por un recipiente hermético, el cual cuenta con líneas de entrada de reactivos y salidas de productos [1]. Reactor continuo: Los reactores continuos son recipientes agitados, ya sea de modo simple o cascada, estos poseen un flujo constante de alimentación de reactivos y de salida de productos. También se caracterizan por mantenerse en condiciones estacionarias del proceso en donde no varía el grado de la reacción significativamente. Los reactores continuos se implementan en procesos donde no hay una variedad de productos pero si la dependencia de ciertas condiciones específicas [2]. Reactor discontinuo o Batch: Los reactores discontinuos se caracterizan por ser recipientes donde inicialmente se cargan los reactantes y se extraen los productos una vez la reacción ha terminado. Para obtener los productos deseados se deben mantener las condiciones físicas requeridas por el proceso, La principal ventaja de este reactor es la diversidad de productos que se pueden obtener de un mismo conjunto de reacciones. Una de las principales desventajas de este tipo de sistemas, son las eventuales variabilidades excesivas de la reacción, motivo por el cual es necesario un control óptimo del sistema. Tarjeta de adquisición de datos: Dispositivo encargado de recibir las señales análogas de los sensores, desempeña el papel de conversor análogo digital, envía los datos obtenidos al controlador Raspberry pi.. 14.

(15) Factores de conversión METRICO AREA. METRICO INGLES. 1 m 2  104 cm 2  106 mm 2  106 km 2. 1 m 2  144in 2  0.09290304m 2. DENSIDAD 1 g / cm3  1 kg / L  1000 kg / m3. 1 g / cm3  62.428 lbmol / ft 3  0.036127 lbmol / in3 1 lbmol / in3  1728 lbmol / ft 3 1 kg / m3  0.062428 lbmol / ft 3. ENERGIA 1 kJ  1000 J  1000 N m  1kPa m3. 1 kJ  0.94782 Btu. 1 kJ / kg  1000m 2 / s 2. 1Btu  1.055056kJ  5.40395 psia ft 3. 1 kWh  3600kJ. 1Btu / lbmol  25.037 ft 2 / s 2  2.326kJ / kg. 1 cal  4.184 J. 1 kJ / kg  0.430 Btu / lbmol. 1 ITcal  4.1868 J. 1 kWh  3412.14 Btu. 1 Cal  4.1868kJ FLUJO DE CALOR 1W / cm 2  104 W / m 2. 1W / m 2  0.3171Btu / h ft 2. MASA 1 kg  1000 g. 1kg  2.2046226 lbmol 1 lbmol  0.45359237 kg. POTENCIA 1W  1 J / s. 1 kW  3412.14 Btu / h 1 Btu / h 1.055056 kJ / h. PRESIÓN 1 Pa  1N / m 2. 1 Pa  1.4504 x104 psia. 1kPa  103 Pa  103 MPa. 1 atm  14.696 psia. 1 atm  101.325 kPa  1.01325 bar  760 mm Hg (0C ) CALOR ESPECIFICO 1 kJ / kg C  1kJ / kg K. 1 Btu / lbmol F  4.168 kJ / kg C 1 Btu / lbmol R  4.1868kJ / kmol K 1 kJ / kg C  0.23885 Btu / lbmol F  0.23885 Btu / lbmol R. 15.

(16) 1. INTRODUCCIÓN. El CRB es un material pre digerido que se encuentra en el primer estómago del ganado bovino o vacuno y es un subproducto originado de su sacrificio [3]. Este material, representa un gran potencial energético debido a su gran riqueza en composición química, flora y fauna microbiana, que de ser dispuesto adecuadamente, puede generar productos que mitiguen las problemáticas ambientales, sociales y energéticas que surgen del no aprovechamiento y mala disposición de este contenido ruminal en un país como Colombia cuya actividad ganadera es creciente. Una de las alternativas de aprovechamiento del gran potencial energético del CRB y de otro tipo de residuos biosólidos, que ha tenido un importante auge en las últimas décadas, es la obtenida por medio de biodigestión anaerobia; un proceso bioquímico que se efectúa en ausencia de oxígeno en un reactor químico llamado biodigestor, mediante una serie de eventos bacterianos que a determinadas condiciones de temperatura, pH, presión, entre otros; transforman la materia orgánica (biomasa) en gas, compuesto por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y sulfuro de hidrogeno (H2S) [4]. La biomasa es el conjunto de materia orgánica renovable (no fósil), de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial de la misma [5], para este caso el CRB, es una biomasa con alta posibilidad de aprovechamiento ya que la tecnología que requiere para digestión anaerobia mediante bioreactores existe en el mercado y su costo es muy inferior al de otras energías alternativas. Sin embargo, la biodigestión es un proceso espontaneo y natural, pero para efectos de aprovechamiento del potencial energético y dado que los reactivos químicos se convierten en otros productos de manera bien definida, se requiere un sistema que permita controlar el proceso. El no controlar las condiciones al interior del biodigestor, produce efectos sobre la eficiencia de la reacción química; esto puede ocurrir debido a un mal funcionamiento de la instrumentación, un cargue 16.

(17) incorrecto de la biomasa o mediante la presencia de agentes biológicos o químicos (generalmente presentados en contaminantes como el agua, el oxígeno del aire, residuos de detergentes u otros compuestos) [6]. Esto puede afectar considerablemente las condiciones bajo las cuales la reacción tiene lugar y no habría un aprovechamiento óptimo de la biomasa como fuente energética. Es por esto, que el proceso de producción de biogás a escala de laboratorio inicia mediante los protocolos experimentales desarrollados para la desinfección previa de los instrumentos, el cargue de la biomasa, la recolección y cuantificación del biogás, pasando por la implementación de la instrumentación pertinente y estableciendo criterios de control y supervisión adecuados para algunas de las variables asociadas al proceso bioquímico (temperatura y presión). El presente trabajo de investigación documenta la implementación de un sistema de control y supervisión por medio de una tarjeta de adquisición de las variables asociadas a un servidor web a través de los protocolos de comunicación HTTP, SSH y los lenguajes de programación C, PYTHON y HTML; implementado en un Biodigestor discontinuo a escala de laboratorio; posteriormente se describe la reacción llevada a cabo en el biodigestor, a partir de un modelo matemático con base en la transferencia de calor, composición química de los reactivos de la biomasa (CRB) y la cuantificación del producto obtenido.. 17.

(18) 1.1. Planteamiento del problema. 1.1.1. Problemática ambiental Siendo Colombia un país cuya actividad ganadera fomenta gran crecimiento en la economía, aun no se establecen políticas claras ni entes regulatorios sobre el manejo de desechos pecuarios, en la mayoría de las plantas de sacrificio y mataderos del país se han generado aproximadamente 85000 toneladas/año de CRB, de estas, el 84% se vierte directamente a los causes de agua o en campo abierto [7] [8]. Esta realidad, evidencia una mala disposición de este residuo en particular, y consecuencia de ello, un índice muy alto de contaminación, debido a la carga orgánica que se genera y se vierte de forma directa o indirecta (por medio de los lixiviados que se filtran) a los afluentes hídricos, rellenos sanitarios, campos a cielo abierto, entre otros [9]; afectando algunos ecosistemas. Adicionalmente, los procesos de fermentación y descomposición de materia orgánica suelen ser foco de malos olores y baja calidad en el aire, causando situaciones de insalubridad que sumado a la densidad demográfica son fuente de proliferación de roedores, insectos y en algunos casos pandemias.. 1.1.2. Contexto energético en Colombia La disposición del CRB genera una serie de subproductos que no son aprovechados de manera eficiente, dado que posee una gran riqueza microbiológica y de composición química, puede favorecer bajo condiciones controladas, la producción de gas metano, que a su vez puede ser utilizado como fuente energética.. 18.

(19) Una de las problemáticas a considerar es la insuficiencia energética ya que en un país con abundancia de recursos energéticos paradójicamente estos se distribuyen de manera no uniforme generando zonas no interconectadas (ZNI); “para todos los efectos relacionados con la prestación del servicio público de energía eléctrica se entiende por ZNI a los municipios, corregimientos, localidades y caseríos no interconectados al SIN – Sistema Interconectado Nacional” [10]. Las ZNI cubren alrededor del 52% del área territorio nacional colombiano, focalizada específicamente en las áreas rurales y de difícil acceso, incluyen 17 departamentos, 5 capitales departamentales, 54 cabeceras municipales y 1.562 localidades, en estas la prestación del servicio energético se realiza mediante plantas de generación diesel, quema de leña y carbón entre otros [11].. 1.1.3. Problemática en la innovación tecnológica Es evidente un aumento en la aplicación de los biodigestores a nivel internacional como alternativa con un gran impacto potencial en la disposición de residuos biosólidos y generación de energías sostenibles amigables con el medio ambiente, sin embargo, a la fecha en Colombia, las iniciativas orientadas a la implementación de sistemas que lleven al aprovechamiento del CRB, como biomasa optima en la digestión anaeróbica para la generación de recursos energéticos es insuficiente; lo que como consecuencia lleva a una reducida implementación de sistemas de supervisión y control de algunas variables como temperatura, pH, tiempo de operación (condiciones de operación) y presión (variable que garantiza la integridad y seguridad del operador) que lleven al desarrollo de modelos dinámicos que describan el comportamiento de reactores con biomasa CRB.. 19.

(20) 1.2. Justificación. El desarrollo de esta tesis representa una oportunidad de integrar los fenómenos naturales, como lo es la digestión anaerobia, con los sistemas de control y supervisión de procesos. También se propone un manejo adecuado y una disposición amigable con el medio ambiente del CRB, siendo este un residuo biosólido generado de forma indiscriminada por las actividades ganaderas del país. Teniendo en cuenta la gran riqueza microbiológica y de composición química del CRB, se evidenció que por medio de un control adecuado de algunas condiciones específicas del proceso de digestión anaerobia y un sistema de supervisión innovador como lo es la supervisión web, se obtiene un subproducto con un alto contenido en metano, el cual puede ser aprovechado como fuente energética. A demás se aborda de forma directa el vacío en el conocimiento que representa la caracterización del CRB asociada a la construcción de modelos matemáticos de digestión anaerobia que expliquen la reducción de este biosólido, hecho que sugiere su implementación para pruebas piloto, que lleven a soluciones de gran impacto a diversas problemáticas sociales y económicas del país.. 20.

(21) 1.3. Objetivos. 1.3.1. Objetivo General Diseñar un sistema de supervisión, monitoreo y control de las variables temperatura, presión y tiempo de proceso para un sistema de digestión anaeróbia de biomasa con contenido ruminal bovino a escala de laboratorio.. 1.3.2. Objetivos Específicos . Implementar un sistema de adquisición, supervisión y monitoreo de las variables temperatura, presión, pH y tiempo para un proceso de digestión anaeróbia de biomasa con contenido ruminal bovino a escala de laboratorio.. . Identificar un modelo dinámico de las variables temperatura y presión para el proceso de digestión anaeróbia de biomasa con contenido ruminal bovino implementado en el laboratorio.. . Controlar las variables de temperatura, presión y tiempo del proceso para el sistema de digestión anaeróbia de biomasa con contenido ruminal bovino a escala de laboratorio.. 21.

(22) 2. MARCO DE REFERENCIA. 2.1. Antecedentes En las últimas décadas, a nivel mundial se han logrado grandes avances en el modelamiento, control y monitoreo del proceso de digestión anaerobia como fuente energética alternativa, sostenible y amigable con el medio ambiente [12]. Los modelos dinámicos tienen por propósito describir de forma acertada el comportamiento de los sistemas. Dentro de los modelos precursores de modelamiento asociados a degradación anaerobia se encuentran los propuestos en 1969 por Laurence y Mc Carty [13], en 1971 por Andrews y Graeff [14], en 1983 por Mosey [15] y en 1986 Moletta et al [16]. Posteriormente, se establece un enfoque moderno del modelamiento de la digestión anaerobia cuyos contenidos son aún más descriptivos; cabe destacar los propuestos por Costelo et al en 1991 [17], Ryhinen et al en 1993 [18], Massé y Droste en 1999 [19], Dochain y Vanrolleghem en 2001 [20]; entre otros. Dada la complejidad del fenómeno de digestión anaerobia, se han planteado nuevos modelos dinámicos donde se incorporan variables físicas asociadas a la geometría y diseño propio del reactor, y bioquímicas que se presentan de forma independiente con relación a cada tipo de biomasa en degradación. Es de gran importancia conocer el tipo de reactor implementado, según sus características físicas y el modo de operación; para este caso particular el diseño establecido se asemeja a un reactor tipo Batch [1]. En 2004 Sendros realizó un modelamiento y control de temperatura de un reactor “Batch” para un proceso químico exotérmico, el cual consiste en el análisis detallado de un reactor tipo batch donde se lleva a cabo una reacción química de naturaleza exotérmica, con el fin de proponer un modelo dinámico el cual describe la transferencia de calor en los diferentes subsistemas del proceso y de esta forma optimizar un control de temperatura ya implementado [1].. 22.

(23) Magaña et al., en 2006 implementaron un proceso de digestión anaerobia para la obtención de biogás a partir de excretas de ganado caprino “cabras” en un biodigestor a escala de laboratorio y teniendo como referencia la cuantificación del biogás obtenido, establecieron experimentalmente las condiciones óptimas de temperatura en el rango de 30°C a 40°C dentro del mesófilo [21]. Martínez y Rodríguez en 2007, realizaron el diseño y construcción a escala piloto de un biodigestor anaerobio de lecho fijo de operación continua con control de temperatura y pH y establecieron que algunos sustratos de origen pecuario son más eficientes en el proceso de degradación anaerobia de biomasa [22]. En 2009, Ramón, Carrillo y Vargas estudiaron la instrumentación y variables como presión y temperatura de proceso en un sistema de biodigestión en fases separadas, estableciendo que es de gran importancia conocer la instrumentación que proporcione control y monitoreo óptimos de estas variables de proceso [23]. En 2010, Ramírez teniendo como referencia que cada tipo de biomasa presenta diferentes características de composición química, caracterizó y comparó el contenido ruminal bovino y el biogás obtenido con excretas de diferentes animales de granja; y definió las condiciones adecuadas de temperatura y pH para la transformación del contenido ruminal bovino en biogás [6]. En 2010, Bermúdez y Díaz implementaron instrumentación industrial para temperatura y presión en un biodigestor usando como biomasa estiércol animal, con el fin de analizar el comportamiento dinámico ante un control on – off de temperatura en el rango mesofilico y un datalogger para el registro de estas variables [24]. Por otra parte, en 2013, Aguilar estableció un Control de temperatura y pH aplicado en biodigestores modulares de estructura flexible con reciclado de lodos a pequeña escala; aunque el diseño de los reactores es muy diferente a los diseños convencionales, se implementa una tarjeta de adquisición de datos mediante un microcontrolador PIC 18F4550 y un control difuso de temperatura. 23.

(24) aplicado a una resistencia eléctrica que desempeña el papel de calentador del sistema [25]. Finalmente, Marulanda, Barco y Lopez, establecen un trabajo de investigación cuyo contenido hace referencia al modelo y control inteligente de un reactor químico; de manera muy general se mencionan las ecuaciones que rigen el comportamiento de un reactor tipo Batch agregando algunos índices de desempeño de error, esfuerzo de control y suavidad en el esfuerzo de control [26].. 2.2. Marco teórico 2.2.1. Marco legal La implementación del proceso químico de digestión anaerobia de la biomasa (CRB), a condiciones específicas, controladas en biodigestores a escala de laboratorio, sugiere la aplicación de los mismos a gran escala, cumpliendo con las políticas ambientales establecidas en la CONSTITUCIÓN POLÍTICA DE COLOMBIA DE 1991, LEY 1665 DEL 16 DE JULIO DE 2013, LEY 1715 DEL 13 DE MAYO DE 2014, DECRETO 1287 DEL 10 DE JULIO DE 2014 y acuerdos internacionales como el protocolo de KYOTO de la convención marco de las naciones unidas sobre el cambio climático, en el cual se establece la necesidad de disminuir las tendencias del deterioro ambiental, contribuir con el desarrollo económico del país a través de prácticas productivas sostenibles y mitigar las necesidades de comunidades étnicas, campesinas, afro descendientes y habitantes en condición de extrema pobreza; situaciones que sumadas al crecimiento demográfico tienden a empeorar, abriendo cada vez más la brecha de la desigualdad social en Colombia [27-31]. A demás, de ser implementado el proyecto a gran escala, se cumple con la reglamentación sanitaria para los mataderos colombianos recopilada en la ley 09 de 1979 y en el decreto 2278 de 1982 y el decreto 1036 de 1991 del Ministerio de Salud Pública [32].. 24.

(25) 2.2.2. Proceso de digestión anaeróbia La digestión anaerobia es un proceso bioquímico de degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno [33]. Este proceso se lleva a cabo mediante poblaciones de microorganismos anaerobios que intervienen en el interior de un reactor químico, también denominado biodigestor, en este se dispone la materia orgánica en ausencia de oxígeno para que pueda llevarse a cabo una reacción favorable. La digestión anaerobia representa una alternativa de bajo costo de manejo de algunos residuos orgánicos. Los residuos que se pueden digerir se pueden presentar en varios tipos: excretas de animales, residuos de vegetales y plantas, aguas residuales agroindustriales entre otros [34]. El proceso de digestión anaerobia se produce en diversos ambientes, ya sean naturales, como los sistemas gastrointestinales (rumen), los sedimentos marinos, de ríos y lagos, las fuentes termales o las turberas, o bien en sistemas controlados como los fermentadores o digestores anaerobios [35]. Como productos principales de este proceso de degradación se pueden obtener: fertilizante orgánico líquido, fertilizante orgánico lodoso y biogás; además ofrece enormes ventajas para la transformación de desechos: . Mejora la capacidad fertilizante del estiércol, disminuyendo su agresividad.. . El efluente es mucho menos oloroso que el afluente.. . Control de microorganismos patógenos.. El biogás obtenido constituye una energía renovable sin emisiones netas de gases invernadero ni efectos negativos sobre el ambiente. Por el contrario, se considera un combustible fiable. Las ventajas para el usuario de la tecnología del biogás son el ahorro económico por el uso de los subproductos (ahorro en combustibles, disponibilidad de energía para el desarrollo de otras actividades, ahorro en fertilizantes), menos trabajo y otros beneficios cualitativos (facilidad de cocinar y mejores condiciones higiénicas, mejor iluminación, independencia energética, mejora del trabajo de la granja, mejora de la calidad del suelo)[34, 36].. 25.

(26) 2.2.3. Proceso bacteriológico El paso de un substrato complejo a metano se caracteriza por un conjunto de reacciones asociadas al metabolismo de numerosos microorganismos, que actúan de intermediarios para transformar la materia orgánica compleja en substratos asimilables por las bacterias metanogenicas. En el proceso global de digestión se suelen diferenciar tres grandes etapas [35, 37], las cuales se muestran en el Diagrama 1.. Diagrama 1. Transformaciones bioquímicas de la biomasa. Adaptado de M. T. Madigan, J. M. Martinko, and J. Parker, Biología de los microorganismos, 10 ed., 2004.. 2.2.3.1.. Etapa hidrolítica – acidogénica. La materia orgánica es metabolizada por los microorganismos. Se descomponen las cadenas largas de materia orgánica en otras más cortas, obteniéndose los productos intermedios [38]. 26.

(27) Por tanto en esta etapa, que se podría resumir como la degradación de la materia orgánica en ácidos, alcoholes y nuevas células, la eliminación de DQO es mínima [35]. 2.2.3.2.. Etapa acetogénica. En la fase de acetogénesis, se metabolizan los productos terminales de la etapa acidogénica, es decir alcoholes, ácidos grasos volátiles y algunos compuestos aromáticos que son convertidos en acetato, CO2 e hidrógeno. Así, el metabolismo acetogénico se caracteriza por una absoluta dependencia de la eliminación de hidrógeno por las bacterias que lo utilizan como pueden serlo las bacterias metanogénicas o las sulfatoreductoras en presencia de sulfatos [35]. 2.2.3.3.. Etapa metanogénica. Constituye la etapa final del proceso, y en ella el acetato, formiato, metanol y metilaminas son fermentados a metano por las bacterias metanogénicas. Las tasas de crecimiento de las bacterias metanogénicas son cinco veces menores que las de la fase anterior por ello serán las que limitarán el proceso de degradación anaerobia. Serán también las que condicionarán el cálculo del tiempo de retención del reactor durante la fase de diseño, así como la temperatura de trabajo [39]. El grupo de bacterias se encuentran de forma simbiótica. Las productoras de ácido o acidogénicas crean el entorno ideal para el desarrollo de las bacterias metanogénicas (condiciones anaerobias y cadenas orgánicas cortas). Las metanogénicas a su vez usan los productos intermedios de las acidogénicas, que si no fueran consumidos crearían condiciones tóxicas para las acidogénicas. A la práctica son el grupo de bacterias que producen a la vez la fermentación anaerobia, sin ser posible que ninguna de ellas independientemente lleve a cabo todo el proceso [38]. La naturaleza y la composición química del sustrato condicionan la composición cualitativa de la población bacteriana de cada etapa, de manera que se establece un equilibrio fácilmente alterable cuando aparece algún producto tóxico en la entrada. Asimismo, las tasas de conversión del sustrato en biomasa bacteriana son del orden de 4 veces inferiores a las tasas. 27.

(28) correspondientes a los sistemas aerobios de eliminación de materia orgánica, lo cual implica que el proceso anaerobio es, en líneas generales, lento. También se necesitan varias semanas, incluso uno o dos meses, de puesta en marcha para conseguir una producción estable de gas [40]. 2.2.4. Cinética Química La cinética química es el estudio de la velocidad y de los diferentes mecanismos por medio de los cuales un agente químico se transforma en otro. Cuando se habla de mecanismos de las reacciones químicas, se hace referencia a la secuencia de un conjunto de eventos químicos individuales cuyo resultado es la reacción observada [41]. 2.2.4.1.. Calor de reacción. El calor de reacción se define como la energía absorbida por un sistema cuando los productos de una reacción se llevan a la misma temperatura que los reactantes. Para una definición completa de los estados termodinámicos de los productos y los reactantes, también es necesario especificar la presión. Si se toma la misma presión para ambos, el calor de reacción es igual al cambio de entalpía; ésta es la definición más común del calor de reacción. Se puede calcular el calor de cualquier reacción combinando los calores de formación o los calores de combustión de los productos y los reactantes. Por tanto, la información básica necesaria para calcular los calores de reacción son los calores de formación y de combustión. Existen tablas muy detalladas de este tipo de datos, en la Tabla 1 se muestran algunos valores para una temperatura de 298 K (25 “C). Sustancia. Formula. Estado. ΔH. -ΔH. Metano. CH4. Gas. -17889. 212800. Etano. C2H6. Gas. -20236. 372820. Propano. C3H8. Gas. -24820. 530600. n-Butano. C4H10. Gas. -30150. 687640. 28.

(29) n-Pentano. C5H12. Gas. -35000. 845160. n-Hexano. C6H14. Gas. -39960. 1002570. Tabla 1. Calores de formación y combustión para algunos productos químicos. (Calorías por mol gramo). Adaptado de J. M. Smith and A. E. Gómez, Ingeniería de la cinética química: Compañía Editorial Continental, 1968.. 2.2.4.2.. Ecuación de Arrhenius. El químico sueco Svante Arrhenius, basado en la teoría de la cinética molecular, observó y explicó que para la gran mayoría de las reacciones químicas, el aumento de la velocidad de reacción no es lineal con respecto al aumento de la temperatura. De esta forma encontró que los datos experimentales correspondientes a las velocidades de reacción se podían correlacionar mediante la siguiente ecuación. K  Ae. E   a   RT . (1) 1. Donde K es la constante de velocidad de reacción, E a es la energía de activación de la reacción, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura de operación; el termino A o factor pre-exponencial, permanece constante con el cambio de la temperatura, ya que este está relacionado con el número de colisiones efectivas entre las moléculas a una determinada energía [42]. 2.2.5. Modelamiento De Sistemas Un sistema representa una unidad donde se hacen tratamientos físicos o químicos de materiales que puede ser contrastada con un modelo que representa una descripción matemática del sistema real. La disposición de varios sistemas unidos entre sí por flujos comunes de materiales y/o información constituye un proceso [43].. 1 Tomada de J. M. Smith and A. E. Gómez, Ingeniería de la cinética química: Compañía Editorial Continental, 1968.. 29.

(30) El estudio de un proceso, mediante la manipulación de su representación matemática o de su modelo físico, constituye una simulación. Los estudios clásicos de un proceso en estado estacionario se complementan con un análisis dinámico, lo que exige un conocimiento de los criterios de estabilidad y de los métodos de operación para evaluar exitosamente el funcionamiento del proceso. 2.2.5.1.. Tipos de Modelos. La clasificación de los modelos en función del grado de formalismo matemático que estos poseen es la siguiente: . Modelos mentales, intuitivos o verbales: estos modelos carecen de formalismo matemático. Para conducir un coche, por ejemplo, se requiere un modelo mental o intuitivo sobre el efecto que produce el movimiento del volante, pero no es necesario caracterizar dicho efecto mediante ecuaciones matemáticas exactas.. . Modelos no paramétricos: Muchos sistemas quedan perfectamente caracterizados mediante un gráfico o tabla que describa sus propiedades dinámicas mediante un número no finito de parámetros. Por ejemplo, un sistema lineal queda definido mediante su respuesta al impulso o al escalón, o bien mediante su respuesta en frecuencia.. . Modelos paramétricos o matemáticos: Para aplicaciones más avanzadas, puede ser necesario utilizar modelos que describen las relaciones entre las variables del sistema mediante expresiones matemáticas como puede ser ecuaciones diferenciales (para sistemas continuos) o en diferencias (para sistemas discretos). En función del tipo de sistema y de la representación matemática utilizada, los sistemas pueden clasificarse en:. . Dinámicos o estocásticos: Un sistema es estocástico cuando la salida depende únicamente de la entrada en ese mismo instante (un resistor, por ejemplo, es un sistema estático). En estos sistemas existe una relación directa entre entrada y salida, independiente del tiempo. Un sistema dinámico es aquél en el que las salidas evolucionan con el tiempo tras la aplicación de una determinada entrada (por ejemplo, una red RC). En estos. 30.

(31) últimos, para conocer el valor actual de la salida es necesario conocer el tiempo transcurrido desde la aplicación de la entrada. . Continuos o discretos: Los sistemas continuos trabajan con señales continuas, y se caracterizan mediante ecuaciones diferenciales. Los sistemas discretos trabajan con señales muestreadas, y quedan descritos mediante ecuaciones en diferencias.. 2.2.5.2.. Método de obtención de modelos. Existen dos métodos principales para obtener el modelo de un sistema: . . Modelado Teórico: Se trata de un método analítico, en el que se recurre a leyes básicas de la física para describir el comportamiento dinámico de un fenómeno o proceso. Identificación del sistema: se trata de un método experimental que permite obtener el modelo de un sistema a partir de datos reales recogidos de la planta bajo estudio.. 2.2.6. Instrumentación La instrumentación trata las técnicas, recursos y métodos relacionados en la concepción de dispositivos para mejorar o aumentar la eficacia de los mecanismos de percepción y comunicación del hombre. La instrumentación comprende dos campos principales: instrumentación e instrumentación de control. En general, en el diseño de los sistemas de medida, la atención se centra en el tratamiento de las señales o magnitudes de entrada, mientras que en los sistemas de control se da especial importancia al tratamiento de señales de salida. En el primer caso son de interés los captadores o sensores y transductores, mientras que en el segundo, los dispositivos más relevantes son los accionadores o actuadores. 2.2.7. Protocolos De Comunicación 2.2.7.1.. Protocolo HTTP. 31.

(32) HTTP (Hypertext Transfer Protocol), es el protocolo de comunicación entre cualquier navegador o dispositivo con conexión a internet hasta el servidor, que está alojado en la plataforma de control, permite que el usuario disfrute de una agradable vista, pues la interfaz es gráfica y no tiene que entender el tedioso código que esta traduce internamente. Fue propuesto por Tim Berners-Lee, atendiendo a las necesidades de un sistema global de distribución de información como el WWW (World Wide Web). Desde el punto de vista de las comunicaciones, está soportado sobre los servicios de conexión TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) [44]. El propósito del protocolo HTTP es permitir la transferencia de archivos (principalmente, en formato HTML). Entre un navegador (el cliente) y un servidor web (denominado, entre otros, HTTP en equipos UNIX) localizado mediante una cadena de caracteres denominada dirección URL (uniform resource locator) [45]. 2.2.7.2.. Protocolo SSH. SSH (Secure Shell), es un protocolo de comunicaciones de ordenes seguras entre dos sistemas usando una arquitectura cliente/servidor y que permite a los usuarios conectarse a un host remotamente; SSH encripta la sesión de conexión, haciendo imposible que alguien pueda obtener contraseñas no encriptadas [46]. La figura 1 muestra el funcionamiento de este protocolo y se puede resumir de la siguiente forma: . El cliente inicia una conexión TCP sobre el puerto 22 del servicio. Este puerto es el que utiliza por defecto el protocolo.. . El cliente y el servidor se ponen de acuerdo en la versión del protocolo a utilizar, así como el algoritmo de cifrado utilizado para el intercambio de la información.. . El servidor, que tiene en su poder dos claves (una privada y una pública), manda su clave pública al cliente.. 32.

(33) . Cuando el cliente recibe la clave enviada por el servidor, la compara con la que tiene almacenada para verificar su autenticidad. El protocolo SSH exige que el cliente la confirme la primera vez.. . Con la clave pública del servidor en su poder, el cliente genera una clave de sesión aleatoria, creando un mensaje que contiene esa clave y el algoritmo seleccionado para la encriptación de la información. Toda esa información es enviada al servidor haciendo uso de la clave pública que envió en un paso anterior de forma cifrada [47].. . Si todo es correcto, el cliente queda autenticado, iniciando la sesión para comunicarse con el servidor.. Figura 1. Funcionamiento protocolo SSH. Adaptado de http://geekswithblogs.net. El protocolo SSH permite la comunicación entre dispositivos a través de comandos por consola, desde este medio, se puede acceder para modificar cualquier cosa del servidor, datos, contraseñas, interfaces, y en general cualquier cosa que queramos. Para acceder por este protocolo, es necesario el uso de un programa especial llamada PUTTY, ya que por este programa, que puede instalarse en cualquier dispositivo, se puede acceder remotamente a la matriz de control, es decir a su raíz, donde se encuentra alojado el servidor web. 2.2.8. Sistemas De Control Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado. Un sistema no está necesariamente limitado a los sistemas físicos. El concepto de sistema se puede aplicar a fenómenos abstractos y dinámicos, como los que se encuentran en la economía. Por tanto, la palabra. 33.

(34) sistema debe interpretarse en un sentido amplio que comprenda sistemas físicos, biológicos, económicos y similares. Un sistema que mantiene una relación determinada entre la salida y la entrada de referencia, comparándolas y usando la diferencia como medio de control, se denomina sistema de control realimentado. Un ejemplo sería el sistema de control de temperatura de una habitación. Midiendo la temperatura real y comparándola con la temperatura de referencia (temperatura deseada), el termostato activa o desactiva el equipo de calefacción o de enfriamiento para asegurar que la temperatura de la habitación se mantiene en un nivel confortable independientemente de las condiciones externas. Los sistemas de control realimentados no se limitan a la ingeniería, sino que también se encuentran en diversos campos ajenos a ella. Por ejemplo, el cuerpo humano es un sistema de control realimentado muy avanzado. Tanto la temperatura corporal como la presión sanguínea se conservan constantes mediante una realimentación fisiológica. De hecho, la realimentación realiza una función vital: hace que el cuerpo humano sea relativamente insensible a las perturbaciones externas, permitiendo que funcione de forma adecuada en un entorno cambiante. Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control en lazo cerrado. En la práctica, los términos control realimentado y control en lazo cerrado se usan indistintamente. En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que puede ser la propia señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas y/o integrales), con el fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error del sistema. Los sistemas de control deben cumplir las siguientes características: . Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.. 34.

(35) . Ser eficiente según un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales.. Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación se listan a continuación: . Sensores: son los encargados de conocer el valor real de las variables medidas en el sistema.. . Controlador: con los valores leídos por los sensores y el actual estado del sistema es capaz de aplicar la acción necesaria para minimizar el máximo porcentaje el valor de error.. . Actuador: es el mecanismo capaz de ejecutar la acción que el controlador ha calculado y que modifica las variables de control.. 2.2.8.1.. Controlador PID. Los controladores PID están constituidos por tres acciones básicas de control: Proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). A partir de esto se denominan los controladores P, I, PI, PD y PID. 2.2.8.2.. Acción de control proporcional (P). Como se observa en la ecuación (2), este ofrece una salida del controlador que es proporcional a un error acumulado, en consecuencia de esto se entiende que es un modo de acción lenta. t. u  t   Ki e   d. Ci  s  . 0. Ki s. (2). La señal de control u(t) posee un valor diferente de cero cuando la señal del error e(t) es igual a cero, de esto se concluye que dada una referencia constante, el error en régimen permanente es cero. 2.2.8.3.. Acción de control proporcional-integral (PI). 35.

(36) Está definida por la ecuación (3):. u t   K pe t  . Kp Ti. t. e   d. (3). 0. Donde Ti se denomina tiempo integral y es el encargado de ajustar la acción integral, de este modo la función de transferencia resulta según la ecuación (4):.  1  CPI  s   K p 1    Ti s . (4). Con la presencia de un control proporcional, se establece la necesidad de la existencia de un error que forcé la acción a ser distinta de cero. Con la acción integral, un error pequeño siempre ofrecerá una acción de control creciente, en el caso que este sea negativo, la señal de control tiende a ser decreciente. 2.2.8.4.. Acción de control proporcional-derivativa (PD). Está definida por la ecuación (5): u  t   K p e  t   K pTd. de  t  dt. (5). Donde td es una constante denominada tiempo derivativo. Esta acción es de carácter de previsión, lo que establece una acción de control mas rápida. Sin embargo una desventaja significativa es que este amplifica las perturbaciones generando eventualmente una saturación en el actuador; la función de transferencia de un controlador PD es de la siguiente forma: ecuación (6).. CPD  s   K P  sK pTd. (6). Cuando una acción de control derivativa se incorpora a un controlador proporcional, se genera un controlador con alta sensibilidad, es decir que corresponde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección significativa cuando el error es demasiado grande. 2.2.8.5.. Acción de control proporcional-integral-derivativa (PID). 36.

(37) Esta acción reúne las ventajas de las tres acciones de control individuales, la ecuación de esta acción se obtiene mediante la ecuación (7):. u t   K pe t  . Kp Ti. de  t . t. e   d  K T d t  p d. (7). 0. De esta forma la función de transferencia resulta según la ecuación (8):.   1 CPID  s   K p 1   Td s   Ti s . 37. (8).

(38) 3. MATERIALES Y MÉTODOS. 3.1. Diseño experimental Se realizó un diseño experimental para dar respuesta a la pregunta de investigación y al objetivo propuesto, dicho diseño se encuentra resumido en el Diagrama 2. La forma procedimental para llevar a cabo el desarrollo de la planta o ingenio fue la siguiente: . Se adaptó un contenedor como biodigestor.. . Se incorporó un instrumental industrial, el cual permitió determinar la magnitud de las variables temperatura y presión.. . Posteriormente, se aplicaron protocolos estandarizados en el laboratorio tales como: desinfección, esterilización y cargue de la biomasa CRB.. . Para garantizar las condiciones previamente establecidas de temperatura, se incorporó al biodigestor un sistema de calentamiento por baño maría.. . Para presión se adaptó una válvula solenoide a una de las conexiones de proceso del digestor con el fin de aliviar las sobrepresiones generadas en el proceso de digestión anaerobia de la biomasa.. . Posteriormente se diseñó un sistema asociado al control y supervisión de las variables temperatura y presión del proceso mencionado, con el fin de identificar un modelo matemático que correlacione el comportamiento de todo el sistema.. El diseño experimental está conformado por cinco etapas definidas y enfocadas al cumplimiento de los tres objetivos específicos ya establecidos. Las etapas son: experimentación, sensores, supervisión, identificación del modelo dinámico y diseño del controlador. A continuación se explica brevemente cómo se desarrollaron las etapas. Etapa 1: experimentación. Se realizaron los procedimientos para la producción del biogás a partir de la biomasa CRB. Esos procedimientos incluyeron:. 38.

(39) I.. II.. La caracterización de la biomasa que consistió en determinar la densidad, la humedad, el porcentaje de materia orgánica y el calor especifico de la biomasa y la mezcla reaccionante; y cuyos resultados son tanto variables de entrada para su cargue, como parámetros requeridos en el modelo dinámico del sistema. El acondicionamiento del reactor, cuyo enfoque está definido en realizar un cargue de biomasa libre de agentes patógenos u otros microorganismos y la extracción y cuantificación del biogás.. Etapa 2: sensores. Esta etapa implicó la adecuación y procesamiento digital de los lazos de corriente a partir de los valores análogos entregados por los transmisores; estos valores fueron determinantes para conocer las condiciones de presión y temperatura del proceso y para establecer los bloques de control y supervisión del sistema. Etapa 3: supervisión. Con el fin de establecer un sistema de supervisión para el proceso de digestión anaerobia de la biomasa CRB, esta etapa implicó: I. La adquisición de señales mediante el conversor análogo digital del arduino un. II. El procesamiento de información por medio del sistema embebido Raspberry pi2. III. La transmisión de información por medio de los protocolos SSH y http. IV. El monitoreo de las variables temperatura y presión por medio de una interfaz de servidor web. Etapa 4: identificación del modelo dinámico. Esta etapa implica la determinación de un modelo dinámico correspondiente al evento fisicoquímico. Para conocer el comportamiento de la temperatura y la presión se deben conocer: I. Los parámetros de caracterización de la biomasa establecidos en la etapa 1. II. Las leyes de la cinética química como lo son la ecuación de Arrhenius y los balances de energía en reactores químicos, estableciendo las ecuaciones diferenciales correspondientes al modelo matemático del proceso.. 39.

(40) III.. Los subsistemas correspondientes al modelo matemático y se simularon a través de herramientas computacionales, (matlab simulink).. Etapa 5: control de temperatura y presión. a través de esta etapa se garantizaron las condiciones óptimas de presión y temperatura en el interior del biodigestor, dada la complejidad que representa linealizar las ecuaciones que componen el modelo dinámico, se determinaron los algoritmos de control por medio del proceso de identificación del sistema con ayuda de herramientas computacionales (sytem identification toolbox y rltool de matlab).. 40.

(41) Diagrama 2. Representación gráfica del diseño experimental. El diagrama muestra el desarrollo metodológico establecido con el fin de cumplir con los objetivos propuestos.. 41.

(42) 3.1.1. Modelo experimental Se partió de un recipiente cilíndrico de acero inoxidable y volumen de 10 litros, con tapa del mismo material ajustada herméticamente gracias a un empaque de caucho y 8 pernos. Esta tapa posee tres conectores de proceso (dos de ¼” y uno de ½”), los cuales se asociaron a la instrumentación. Este conjunto de elementos se asemejan a la estructura básica de un reactor discontinuo tipo batch, el cual es relacionado directamente al fenómeno de digestión anaerobia de biomasa, (Ilustración 1). Las ventajas de este conjunto de elementos son: . Fácil adaptación al proceso.. . Accesibilidad a este recipiente.. . Líneas de entrada y salida de proceso..  Materiales ajustados a las necesidades del proceso. Las desventajas son: . No posee agitador.. . Su geometría puede generar perturbaciones al sistema.. . No posee sistemas asociados al control del proceso.. Ilustración 1. Modelo experimental. Recipiente cilíndrico en acero inoxidable adaptado como biodigestor, se observa en la parte superior los conectores de proceso asociados a la instrumentación incorporada al sistema.. 42.

(43) 3.1.2. Descripción general del sistema Teniendo como criterio las características del modelo experimental y el proceso de digestión anaerobia, se estableció un sistema de control y supervisión para las variables temperatura y presión. El siguiente diagrama P&ID (Figura 2.) ilustra con brevedad las características del sistema de digestión anaerobia de biomasa CRB a escala de laboratorio:. Figura 2. Descripción general del sistema. A. Diagrama P&ID correspondiente al sistema. Se parte del modelo experimental y se adaptan una serie de elementos asociados al control y supervisión del proceso de digestión anaerobia de la biomasa previamente establecida. B. TAG de instrumentación del sistema. Se describen los elementos fijados en el diagrama P&ID, en la primera columna se referencian los elementos correspondientes en el diagrama; en la segunda columna se describe brevemente cada elemento; la tercera columna referencia las siglas de cada elemento correspondientes con la norma ISA 5.1, 5.2 y 5.3.. 43.

(44) Por medio de un recipiente metálico aislado térmicamente (1), se almacena un volumen específico de agua que se calienta por medio de una resistencia eléctrica (2). El agua en contacto con el reactor químico (3) realiza una transferencia de calor por equilibrio térmico a la biomasa. En el reactor químico se alojan los transmisores de temperatura (4) y presión (5) los cuales generan señales análogas en lazos de 4-20mA correspondientes a las variables temperatura y presión del reactor, estas señales se transmiten en valores de tensión (1-5v) dependiendo del rango de medida; a los indicadores y controladores de temperatura y presión (9 y 10 respectivamente), los cuales se encuentran fuera de la línea de proceso y transmiten ordenes programadas a los actuadores de temperatura y presión (2 y 6). Por otra parte se hallan dos válvulas manuales, la válvula (7) se emplea en labores de mantenimiento del actuador de presión (10), y la válvula (8) en la separación de los lixiviados al final del proceso.. 3.2. Experimentación A partir de la etapa experimental se establecieron una serie de procedimientos estandarizados en el laboratorio respecto a la caracterización, adecuación, y disposición de la biomasa; condiciones específicas de asepsia y buen manejo del reactor antes y durante el proceso; criterios del funcionamiento óptimo del sistema y metodologías a seguir durante el desarrollo del proyecto. 3.2.1. Densidad Con el fin de establecer la densidad del CRB se aplicó una técnica gravimétrica, en la cual mediante el uso de probetas y balanza de brazo, se estableció la masa neta de CRB para cada muestra, como lo indica la siguiente relación matemática ecuación (9). M h  MT  M p. 44. (9).