Modelamiento y simulación dinámica del proceso de digestión anaerobia
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Trabajo de grado - Maestría
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InglésPublication Date
2021-04Metadata
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El principal modelo productivo que tiene actualmente la sociedad se basa en producir-consumir-descartar. Este consiste en la extracción de materias primas que se suelen utilizar una sola vez, y cuando se desechan, no se vuelven a usar. Este sistema se conoce como economía lineal y funciona bajo el principio de que todo lo fabricado tiene un final y acaba saliendo del ciclo de producción. Sin embargo, existe otro modelo, la economía circular, y se basa en un proceso sostenible, donde los materiales y recursos se mantienen en el ciclo productivo y en la economía durante el mayor tiempo posible sin perder su valor y conservando su vida útil. Una de las tecnologías que implementa la filosofía de la economía circular es el proceso de digestión anaerobia. Es un proceso en el que microorganismos descomponen materia orgánica para producir energía renovable en forma de metano y productos plataforma de alto valor agregado. El desarrollo y estudio constante de esta tecnología une aspectos ambientales y energéticos, promoviendo la implementación de una economía circular, mitigando el impacto negativo en el medio ambiente, la preservación de los recursos y el desarrollo económico y social. Esta tesis, a través de ensayos experimentales y modelado y simulación computacional, investiga escenarios de producción de metano y compuestos de valor agregado utilizando digestión anaerobia de residuos orgánicos locales. Desde una perspectiva experimental, se evaluó el Potencial Bioquímico de Metano (PBM) de residuos de alimentos del Departamento de Nariño, Colombia. El rendimiento de metano se determinó en condiciones mesofílicas, monitoreando las variables del proceso como el pH, demanda química de oxigeno soluble (DQOs), la producción de biogás y la calidad del metano a través de un ensayo de medición de metano en línea y un ensayo con botellas destructivas. Los resultados de PBM de los residuos de alimentos con una relación C/N de 12.81, mostraron una producción de biogás de 306 mL/gSV, una concentración de metano del 73% y un rendimiento de metano de 251 mL CH4/gSV en 31 días. Asi mismo, la remoción de DQOs fue del 62% y el pH se mantuvo dentro del rango operativo óptimo para la digestión anaerobia (6.5-7.5). Después, se implementó un estudio tecno económico para comparar la producción de biometano y la producción de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) a partir de la digestión de residuos de alimentos en un contexto colombiano. Para evaluar la viabilidad económica se utilizó el índice de Valor Presente Neto (VPN) con un modelo económico riguroso, utilizando variables de entrada como: costos de construcción, costos de logística y servicios, cantidad de sustrato disponible, tasa de inflación, precios de venta del producto, calidad de metano encontrada en ensayos los de PBM, entre otros. Esta evaluación económica permitió encontrar que el proceso de digestión anaerobia orientado a la producción de AGV puede ser 11 veces más lucrativo que la generación de biometano. A su vez, el biometano podría reemplazar y satisfacer hasta el 15% (545455 m3 biometano/año) del consumo de gas natural en el sector transporte y el 5% (378 ton de AGV/año) de las exportaciones de AGV de Colombia. Finalmente, se propuso un caso de estudio para investigar la bioproducción óptima de AGV bajo perturbaciones de entrada. Anaerobic Digestion Model 1 (ADM1) se utilizó para diseñar e implementar la optimización de la estructura de control basada en una estrategia “override", donde el pH fue la variable controlada. Un algoritmo de optimización en tiempo real encontró los mejores escenarios de producción bajo perturbaciones de entrada. La implementación de la optimización en tiempo real en un control de lazo cerrado de digestión anaerobia permitió mejorar la producción y los ingresos por ventas de AGV, lo que se evidencio en un aumento de 8771 USD/día respecto al proceso nominal, y un aumento del 7% cuando el sistema fue perturbado en condiciones desfavorables, con respecto al punto de operación. Los resultados obtenidos de los ensayos experimentales y de la simulación y control del modelo matemático propuesto, mostraron el potencial de producción de metano a partir de residuos de alimentos en Colombia, así como la rentabilidad económica de la producción de AGV como una nueva perspectiva de la digestión anaerobia. Este estudio contribuye a la transferencia de conocimiento del proceso, se promueven prácticas para la economía sustentable y se presentan oportunidades de obtener productos de valor agregado y a su vez, demostrar el potencial económico de productos no convencionales en digestión anaerobia (Texto tomado de la fuente)Abstract
The main productive system that society has is to produce-consume-discard. It consists of extracting raw materials, which are usually used only once and when discarded, they are not used again. This approach is known as linear economy and works under the principle that everything manufactured has an end and ends up leaving the production cycle. However, there is another approach, the circular economy it is based on a sustainable process, where materials and resources are to be maintained in the production cycle and in the economy, for as long as possible, without losing its value and conserving its lifespan. One of the technologies that implements the philosophy of the circular economy is the anaerobic digestion process. A process by which microorganisms break down organic material to produce renewable energy in the form of methane and high value-added platform products. The development and constant study of this technology unites environmental and energy aspects, promoting the implementation of a circular economy, mitigating negative impact on the environment, resource preservation and economic and social development. This thesis, through experimental work and computational modeling and simulation, investigates methane and value-added compounds production scenarios using anaerobic digestion from local organic waste. From experimental perspective, Biochemical Methane Potential (BMP) of domestic food waste, Colombia was evaluated. Methane yield was determined under mesophilic conditions, monitoring process variables such as pH, soluble chemical oxygen demand (CODs), biogas production, and methane quality through an on-line methane measurement assay and destructive bottle assay. The BMP results of the anaerobic digestion of food waste with a C/N ratio of 12.81, showed a biogas production of 306 mL/gVS methane concentration of 73 %, and a specific methane yield of 251 mL CH4/ gVS in 31 days. Likewise, CODs removal was 62% and the pH remained within the optimal operating range for the anaerobic digestion (6.5-7.5). Next, a techno-economic study was implemented to compare the biomethane production and Volatile Fatty Acids (VFAs) production from the digestion of food waste in a Colombian context. To evaluate the economic viability, the Net Present Value (NPV) index with a rigorous economic model was used, using as inputs: construction costs, logistics and services costs, the amount of substrate available, inflation rate and product selling prices, methane quality found in BMP assays, among others. This economic evaluation allowed to find that the anaerobic digestion process oriented towards VFAs production can be 11 times more lucrative than biomethane generation. In turn, biomethane could replace and satisfy as much as 15% (545455 m3 biomethane/year) of natural gas consumption in the transport sector and 5% (378 Ton VFAs/year) of VFAs exports in Colombia. Finally, case study was proposed to investigate optimal bio-production of VFAs under input disturbances. The Anaerobic Digestion Model 1 (ADM1) was used to design and implement an optimizing control structure based on an override strategy where pH is the controlled variable. A real-time optimization algorithm found the best production scenarios under inlet disturbances. The implementation of a real-time optimization layer in a closed-loop control of anaerobic digestion allowed to enhance the production and incomes from sales of VFAs. This was evidenced in an increase of 8771 USD/day concerning to the nominal process, an 7% increase when the system was disturbed in unfavorable conditions, concerning to the point of operation. The results obtained from the experimental assays and from the simulation and control of the proposed mathematical model, showed the potential of methane production from food waste in Colombia, as well as the economic profitability of the VFAs production as a new perspective of anaerobic digestion. This study contributes to the transfer of knowledge of the process, practices for sustainable economy are promoted, opportunities are presented to obtain scenarios to obtain other value-added and in turn demonstrate the economic potential of non-conventional products in anaerobic digestion.Keywords
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