Tesis profesional presentada por Emilio Khalil Guerrero Escobedo [emilio.guerreroeo@udlap.mx]

Miembro del programa de honores. Licenciatura en Ingeniería Química. Departamento en Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental. Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla.

Jurado Calificador

Director: Dr. René Alejandro Lara Díaz
Presidente: Dra. Nelly Ramírez Corona
Secretario: Dra. Deborah Xanat Flores Cervantes
Co-director: Dr. Aarón Romo Hernández

Cholula, Puebla, México a 20 de mayo de 2021.

Resumen

El objetivo del presente trabajo es realizar un análisis matemático de un biorreactor anaeróbico que produce biogás a partir de residuos orgánicos, concretamente residuos alimenticios. El modelado del biorreactor anaeróbico se basó en un balance de masa en el que se toma en cuenta un sustrato simple (S1) que es convertido en metano y dióxido de carbono por la acción de una población simple de microorganismos (X1). La tasa de crecimiento específico de la biomasa anaeróbica es representada por un modelo cinético tipo Monod. El análisis se enfoca, en primer lugar, en encontrar las condiciones de estado estacionario del sistema. En segundo lugar, se establecieron las propiedades dinámicas de estabilidad de las condiciones de operación en estado estacionario encontradas. Para el análisis dinámico se construyó un simulador computacional utilizando MATLAB.

En nuestra investigación, descubrimos que la tasa de dilución del reactor, el cociente entre el flujo volumétrico y el volumen del reactor, no puede tomar valores arbitrarios. La tasa de dilución está acotada por funciones que dependen de la concentración de sustrato a la entrada y la tasa máxima de crecimiento microbiano. Como resultado adicional, encontramos dos estados estacionarios. El estado estacionario 1 se alcanza cuando la concentración de biomasa decae a cero en el reactor. Cuando la concentración de biomasa decae a cero, el reactor se apaga, razón por la cual al primer estado estacionario se le conoce como un estado de wash-out. El estado estacionario 2 es una función que depende de ciertas variables de operación: la tasa de dilución, la concentración de sustrato a la entrada, y de otros parámetros cinéticos de la reacción anaeróbica. El estado estacionario 2 es inestable y tiende a redireccionarse a las condiciones de operación del estado estacionario 1.

Palabras clave: biogás, digestión anaeróbica, residuos alimenticios, estado estacionario, análisis dinámico.

Índice de contenido

Portada

Agradecimientos

Índices

Glosario

Capítulo 1. Resumen

Capítulo 2. Introducción

Capítulo 3. Objetivos

  • 3.1 Objetivo general
  • 3.2 Objetivos específicos
  • 3.3 Hipótesis

Capítulo 4. Marco Teórico

  • 4.1 Contexto energético de México
  • 4.2 Biogás
  • 4.3 Beneficios
  • 4.4 Ventajas y desventajas

Capítulo 5. Digestión anaeróbica, modelos cinéticos y control de bioprocesos

  • 5.1 Digestión anaeróbica
  • 5.2 Modelos cinéticos de crecimiento bacteriano
  • 5.3 Modelado matemático y control de bioprocesos

Capítulo 6. Metodología

  • 6.1 Materiales y métodos
  • 6.2 Descripción de la modelación matemática
  • 6.3 Adaptación de la ecuación cinética de Monod
  • 6.4 Gráficas ecuación cinética de Monod
  • 6.5 Diagrama de proceso

Capítulo 7. Resultados y discusión

  • 7.1 Análisis de estado estacionario
  • 7.2 Acotamiento del valor de tasa de dilución
  • 7.3 Análisis de la dinámica del biorreactor
  • 7.4 Valores propios
  • 7.5 Gráficas de respuesta dinámica

Capítulo 8. Conclusiones

Referencias

Anexo A. Establecimiento de parámetros cinéticos

Anexo B. Diagrama de flujo para simulación en MATLAB (R2020)

Anexo C. Código de simulación en MATLAB (R2020) estado estacionario 1

Anexo D. Código de simulación en MATLAB (R2020) estado estacionario 2

Anexo E. Código en MATLAB (R2020) para cálculo de valores propios estado estacionario 1

Anexo F. Código en MATLAB (R2020) para cálculo de valores propios estado estacionario 2

Guerrero Escobedo, E. K. 2021. Análisis dinámico de biorreactor anaeróbico: producción de biogás a partir de residuos orgánicos. Tesis Licenciatura. Ingeniería Química. Departamento en Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla. Mayo. Derechos Reservados © 2021.