Modelling, Optimisation and Control of Anaerobic Co-digestion Processes

Abstract

La digestión anaerobia es un proceso biológico que ocurre espontáneamente en la naturaleza. Sin embargo, el rendimiento de metanización varía mucho dependiendo del tipo de residuo y condiciones ambientales a las que los residuos están expuestos. La tesis “Modelling, Optimisation and Control of Anaerobic Co-digestion Processes” contribuye a la modelización, optimización y control de procesos de co-digestión con el objetivo de mejorar el rendimiento del proceso. Los fundamentos de la digestión anaerobia y co-digestión se presentan en el Capítulo 1, junto con una revisión bibliográfica sobre la modelización del proceso, centrándose principalmente en la descripción y aplicaciones del Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1), y una revisión de las distintas estrategias de control que están disponibles en la actualidad. El Capítulo 2 describe detalladamente la planta piloto que se utilizó para realizar los ensayos experimentales del trabajo de investigación. En el Capítulo 3 se desarrolla y valida un método generalizado para incorporar diversos sustratos solubles fermentables en un modelo basado en ADM1. Las reacciones de fermentación de sustratos tales como el etanol, no incluidos originalmente en ADM1, se implementan como reacciones de fermentación equivalente de glucosa. Suponiendo que la acidogénesis es el paso más rápido en la digestión anaerobia, una descripción exacta de la estequiometría de la fermentación de sustratos solubles (etanol, glicerol...) y productos (acetato, butirato y propionato) no es necesaria siempre que se cumplan los balances de masa y de electrones, puesto que todos estos ácidos intermedios se convierten rápidamente en acetato, H2 y CO2 en sistemas metanogénicos. El tratamiento de residuos sólidos mediante digestión anaerobia es atractivo por su alto contenido en materia orgánica y al potencial de recuperación de energía. En el caso de sólidos, la etapa de desintegración-hidrólisis es el paso más lento del proceso. El Capítulo 4 presenta un nuevo enfoque para la modelización de las etapas de desintegración e hidrólisis de sustratos sólidos complejos. Éstos se suponen que están compuestos de una fracción fácilmente biodegradable y otra lentamente biodegradable. El modelo propuesto considera una desintegración desacoplada de estas dos fracciones para describir mejor la degradación de los residuos sólidos. La co-digestión puede mejorar el rendimiento de las plantas de biogás en términos de productividad de metano y estabilidad de la operación si se combinan adecuadamente los diferentes co-sustratos. El Capítulo 5 formula y valida un método de optimización basado en programación lineal que calcula la mejor mezcla de alimentación para sistemas de co-digestión, capaz de maximizar la producción de metano a cada velocidad de carga orgánica aplicada. La mezcla resultante está sujeta a un conjunto de restricciones fisicoquímicas, que se definen en base al conocimiento heurístico del proceso. Finalmente, el Capítulo 6 presenta una estrategia de control para co-digestión anaerobia. La mezcla óptima obtenida por programación lineal se alimenta a un digestor operando en continuo y un sistema de diagnosis evalúa el rendimiento del proceso. En función de los resultados de la diagnosis, la acción de control modifica las restricciones aplicadas en el cálculo de la alimentación. Esta acción de control permite calcular una nueva mezcla de sustratos y un nuevo TRH para el próximo período de operación. Como resultado, la estrategia funciona como un controlador en lazo cerrado que optimiza la mezcla de alimentación al digestor y posteriormente evalúa el rendimiento de operación con la mezcla alimentada.