Modelamiento matemático de la fermentación de vinazas azucareras para la producción de un biofertilizante

Abstract

El desarrollo de modelos matemáticos es considerado una de las bases para la estandarización, escalamiento, supervisión y control de procesos químicos, físicos y biológicos. En los procesos biológicos, como las fermentaciones, conocer el comportamiento del microorganismo permite predecir y controlar su eficiencia en la formación de productos. Sin embargo, encontrar modelos matemáticos que describan a la perfección un sistema biológico es una tarea difícil, debido a la sensibilidad de los microorganimos a perturbaciones. En la industria colombiana los residuos agroindustriales tipo vinazas generan un gran impacto ambiental a causa de su escaso tratamiento en su disposición final y su alto contenido de materia orgánica. A partir de lo anterior, la fermentación de vinazas con Gluconacetobacter diazotrophicus para producir un biofertilizante, se considera una estrategia para mitigar el impacto de este residuo industrial y obtener un producto con alto valor agregado. El propósito principal de esta tesis es la obtención de un modelo matemático que permita describir el comportamiento de las variables que participan en la fermentación de vinazas azucareras, utilizando G. diazotrophicus mediante el seguimiento de las principales variables que participan en el proceso y el planteamiento de posibles ecuaciones matemáticas. La reparametrización de los modelos se realizó planteando diferentes optimizaciones de mínimos cuadrados para los datos experimentales y realizando un análisis de estabilidad a mejor modelo obtenido. Los resultados obtenidos demuestran la importancia del seguimiento de variables para realizar un modelado matemático, los factores que influyen en la optimización y obtención de un modelo matemático con un porcentaje de error entre los datos reales y modelados de 14.6% sin problema de estabilidad (Texto tomado de la fuente).

The development of mathematical models is considered one of the bases for the standardization, scaling, supervision and control of chemical, physical and biological processes. In biological processes, such as fermentations, knowing the behavior of the microorganism makes it possible to predict and control efficiency in the formation of products. However, finding mathematical models that perfectly describe a biological system is a difficult task, mainly due to the sensitivity of microorganisms to disturbances. In the Colombian industry, agroindustrial residues such as vinasses generate a great impact due to poor treatment strategies for their final disposal and their high content of organic matter. Based on the above, the fermentation of stillage with Gluconacetobacter diazotrophicus to produce a biofertilizer is considered a strategy to mitigate the impact of this industrial waste and to obtain a product with high added value. The main purpose of this thesis is to obtain a mathematical model that allows describing the behavior of the variables that participate in the fermentation of sugar vinasses, using G. diazotrophicus. This objective was reached by monitoring the main variables that participate in the process and the approach to obtain possible mathematical equations. The reparametrization of the models was carried out by proposing different least squares optimizations for the experimental data and performing a stability analysis to the best model obtained. The research showed the importance of tracking variables to perform mathematical modeling, the factors that influence optimization and obtaining a mathematical model with a percentage of error between the real and modeled data of 14.6% without a stability problem.