Una de las líneas de negocio de ProCycla es la de Modelación y Simulación (ModSim). Este servicio buscar resolver los desafíos medioambientales de la industria mediante la aplicación de modelación matemática y herramientas computacionales. Estas herramientas permiten desarrollar un pilotaje virtual de los procesos a través de la implementación de gemelos digitales. Uno de los usos de esta tecnología incluye el asesoramiento a empresas en el diseño y optimización de sus plantas de digestión anaerobia. En este artículo repasamos de cómo la modelación y simulación se puede aplicar para potenciar los procesos de digestión anaerobia. 

Modelación matemática: construyendo una abstracción de la realidad 

La modelación matemática es la representación de los aspectos esenciales de un sistema existente o que será construido. De esta manera, el modelo matemático corresponderá a una abstracción de la realidad, debido a las suposiciones, consideraciones y/o simplificación que se incluyan en su elaboración. Por otro lado, la simulación de procesos consiste en la explotación del modelo matemático creado, con el objetivo de predecir y evaluar el comportamiento del sistema ante nuevos escenarios. 

La digestión anaerobia (DA) es uno de los procesos biológicos de mayor uso para el tratamiento de aguas residuales con alta carga orgánica. Funciona gracias a la acción de un grupo de bacterias específicas que descomponen los residuos orgánicos en productos gaseosos y en digestato o digerido. La DA es un proceso muy común para el tratamiento de desechos agro-industriales y su atractivo es la generación de biogás (mezcla de metano y dióxido de carbono).  

Primeros modelos de modelación de la digestión anaerobia

Los primeros modelos de digestión anaerobia se remontan hacia el final de la década de los 70’s. Estos se enfocaban en describir únicamente el paso limitante, es decir la reacción más lenta. En los 90’s, se generaron modelos más extensos, que incorporaban más reacciones y poblaciones microbianas. En este sentido, a partir de la necesidad de contar con un modelo genérico de consensos, el grupo especializado de digestión anaerobia de la IWA (Asociación Internacional del Agua) desarrolló el modelo ADM1. 

El proceso de digestión anaerobia supone una alternative eficaz para potenciar la producción de biometano en el sector agroalimentarios. La obtención de un mayor rendimiento en la producción de biogás favorece, a su vez, el poder dar un paso más, y purificarlo mediante el potencial de biometano. En este sentido, el equipo de ModSim de ProCycla desarrolló el módulo BMP. Se trata de una herramienta que permite procesar datos de pruebas convencionales de lotes anaeróbicos o pruebas de potencial de biometano ajustando ecuaciones empíricas y cinéticas. Puedes acceder a la herramienta BMP en este link

Modelo ADM1: una plataforma común para el desarrollo de simulaciones 

El Modelo de Digestión Anaeróbica (ADM1 por sus siglas en inglés) es un modelo estructurado que representa sustratos complejos por sus principales componentes. Además, incluye múltiples pasos que describen los procesos bioquímicos y fisicoquímicos del proceso anaeróbico de biodegradación de compuestos orgánicos complejos. El modelo ADM1 tiene como objetivo crear una plataforma común para el desarrollo de simulaciones para un rango amplio de procesos específicos. 

El modelo ADM1 es utilizado como la base de los modelos presentados en las últimas décadas. Este modelo que fue desarrollado para el tratamiento de lodos de PTARs describe la dinámica de 24 compuestos e incluye 19 procesos de conversión. Se cuentan más de 400 publicaciones que han usado el ADM1. En más de 35 artículos lo han usado con datos a escala industrial. 

Utilizando como base el ADM1, el equipo de ModSim ha creado un modelo compartimentalizado que puede representar la variación espacial tanto horizontal como vertical de la materia orgánica y material suspendido. Este modelo fue desarrollado en el paper Modelling of an anaerobic plug-flow reactor. Process analysis and evaluation approaches with non-ideal mixing considerations. Este desarrollo permite representar la variación espacial que tiene lugar dentro de un digestor tipo flujo pistón. El modelo desarrollado por ModSim fue testeado en un reactor piloto y fue capaz de predecir la producción de biogás. 

Puesta en marcha de un digestor: una etapa decisiva en su implementación 

La puesta en marcha de un digestor es una etapa crucial durante la implementación de un sistema de digestión anaerobia. Esto se debe a que esto determinará cuándo se podrá alcanzar la capacidad de tratamiento deseada. Durante la puesta en marcha, los microrganismos recurren al cambio en las poblaciones y a ajustes internos que les permitan sobrevivir a las condiciones. De esta manera, los microorganismos se adaptan a variables como el sustrato, condiciones de operación o ambientales. Por esto, resulta crucial un modelo que permita tener valores dinámicos de los parámetros cinéticos. Así, se puede estimar la trayectoria en cuanto a duración y forma que tomará hasta que el sistema alcance una fase más estacionaria. 

El modelo de ModSim hace explícita la variación de parámetros cinéticos en función de la calidad del inóculo y de la adaptación de los microorganismos al sustrato. En la figura siguiente se aprecia cómo la dinámica de producción de biogás y el pH (las dos variables que se miden online de forma frecuente) varían de acuerdo a la calidad del inóculo. A valores altos KA el sistema tarda sustancialmente más en alcanzar los valores esperados que se obtendría con un inóculo de mejor calidad. El efecto es claramente más notorio en el biogás que sobre el pH que se mide en la fase líquida. 

Comportamiento de digestor anaerobio durante la puesta en marcha bajo diferentes constantes de adaptación. 

Frecuencia de alimentación: una fuente de influencia para las variables medidas en un digestor anaerobia 

Otra de las variables a tener en cuenta es la frecuencia de alimentación. Esto influye en el comportamiento de las variables medidas en un digestor anaerobio. La alimentación en biorreactores que operan en modo continuo es rara vez 100% continua, incluso en biorreactores de gran escala.  

En general se lleva a cabo algún tipo de discretización programada del flujo de alimentación. Esto depende de los volúmenes aplicados, las propiedades del fluido y las condiciones operacionales generales de la planta, entre otros factores. En la figura siguiente se pueden observar simulaciones de un proceso de digestión anaerobia por medio del modelo ADM1. Estas incluyen 4 estrategias de alimentación:  

(a) Alimentación continua  

(b) Alimentación cada hora  

(c) Cada cuatro horas  

(d) Cada 12 horas 

La cantidad de sustrato que se alimenta en cada caso es la misma de tal manera que la comparación sea equivalente. Se observa que a medida que el tiempo en que se realiza cada alimentación aumenta, la curva de producción de biogás, producto del bioproceso, se vuelve más oscilante. Esta alcanza los picos más altos justo después que la alimentación se lleva a cabo.  

Comportamiento de digestor anaerobio operado bajo diferentes estrategias de alimentación (a) alimentación continua (b) alimentación cada hora (c) cada cuatro horas y (d) cada 12 horas.

Promedios de biogás

En esta simulación se observa que los promedios de biogás obtenido son similares para los casos evaluados. Esto significa que si éste es medido de manera continua los valores registrados no deberían verse afectados. Si alguna de las variables de salida es medida de forma manual en los momentos de máxima producción (justo después de la alimentación) o de mínima producción (justo antes de la alimentación) puede llevar a conclusiones erróneas sobre el comportamiento real del biorreactor y sobre las productividades de los productos de interés con un claro impacto en el balance económico y ambiental del bioproceso.  

Por otro lado, se debe considerar que si la alimentación por pulsos lleva a una acumulación de algún compuesto. Un ejemplo de esto puede ser algún sustrato intermediario que posea un efecto inhibitorio. Esto puede afectar la actividad de ciertos microrganismos lo que puede ser transitorio o acumulativo en el tiempo y terminar afectando el bioproceso. 

Conclusiones: la modelación como una herramienta de decisión 

La modelación y simulación en DA nos permite testear diferentes condiciones y escenarios sin la necesidad de realizar las pruebas reales en terreno o con una mínima presencia de ellas, por lo que se reducen las perturbaciones de la operación normal de la planta de digestión anaerobia. 

El digestor biológico es un ecosistema compuesto por diversas poblaciones microbianas que cambia continuamente y que por ende no puede ser tratado como una caja negra que realiza una operación físico-química rutinaria constantemente. 

Se debe mantener un monitoreo del estado de las principales variables que lo componen. Entendiendo que no se puede medir todo los que se quisiera tanto por aspectos económicos y técnicos, es que la modelación debe ser una herramienta vital que permita extraer la máxima información posible de los datos medidos para tener una supervisión adecuada de este proceso biológico.