1.Introducción

Es claro que actualmente la generación y el uso de energía influyen tanto en la industria como en la vida cotidiana de los seres humanos[20].Hoy en día,las energías renovables se presentan como una de las opciones que ha tomado mayor relevancia para contrarrestar el uso de combustibles fósiles[1]. Estas energías renovables que se caracterizan por la utilización de biomasa para la generación se denominan bioenergías, que, para este caso en particular, se refiere al gas generado en reactores mediante la digestión anaerobia de residuos orgánicos. Las bioenergías se muestran como una solución para las necesidades energéticas mundiales con beneficios ambientales, gracias al aprovechamiento de materia de origen orgánico para la producción de metano [2-3].

La producción de metano (CH.) en el proceso de fermentación de materia orgánica no aprovechada,contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).Este subproducto de la descomposición natural de la materia orgánica se puede aprovechar si esa se realiza de forma controlada, para esto se propone la utilización de un biodigestor [4-5].

Este trabajo consiste en el desarrollo de un sistema de supervisión de variables que intervienen en el proceso de descomposición controlada de biomasa.Estas variables se miden en un prototipo de un biodigestor a cuál se le supervisa la temperatura, presión y pH [6].

La transmisión de señales se monitorea por medio de sensores en un instrumento virtual (VI), analizado en LabVIEW, este software especializado para la instrumentación virtual, permite integrar sensores e interfaz gráfica de usuarios (IGU) a través de un sistema de adquisición de datos de temperatura,presión y pH [7].

2. Metodología

El proceso de desarrollo del sistema de vigilancia de las variables de temperatura, presión y pH integradas en el sistema[21], se analizan en un prototipo de un biodigestor anaeróbico, el cual consiste en un contenedor cerrado, en ausencia de oxígeno libre, hermético y sin filtraciones de agua, la materia orgánica a fermentar se coloca en el interior del contenedor en una determinada dilución de agua para que se produzca biogás por fermentación anaeróbica [8].

Las variables de temperatura, presión y pH son analizadas a traves de la recololecion de datos, existen estudios realizados por distintos autores en donde analizan el Biodigestor Anaeróbico con referencia a distintos tipos de materia organica,temperatura variante,entre otras.Los elementos que influyen en el comportamiento del biodigestor se presentan en la Tabla 1 [9-10].

Tabla 1.
Relación de parámetros de un digestor.

[12]

• Temperatura y tiempo de retención: el intervalo de temperatura y el lapso de permanencia dentro del biodigestor permiten clasificar la fermentación de la siguiente forma:

o Fermentación mesófila, para un intervalo de temperatura entre 20 y 35ºC y unos 30 a 40 días de digestión.

o Fermentación termófila,para un intervalo de temperatura de entre 50 y 60ºC y con más de 8 días de permanencia. Este tipo de fermentos no es el adecuado para las plantas simples.

• Relación C/N: Los materiales de las fermentaciones están compuestos mayoritariamente por carbono (C) y además contienen nitrógeno (N),por lo que se establece la proporción entre ambos (C/N),que influye en la generación de gas.Una proporción de 20:1 a 30:1 es admisible, aunque el valor ideal es 16;las mezclas de materiales de fermento con elevado porcentaje de nitrógeno con materiales de fermento con elevado porcentaje de carbono generan una gran cantidad de gas. Es preciso mezclar los materiales en porcentajes adecuados con producciones bajas y altas y diferentes tasas de producción para conseguir un buen desempeño de generación de gas durante la fermentación [11].

• Amoniaco:Cobra importancia cuando la biomasa contiene gran cantdad de este. Se aconseja mantener los niveles en el interior de los biodigestores por debajo de 2000 mg/l, por lo que la entrade de la matria prima se debe diluir [11].

• pH:El potencal de hidrogeno depende de la cantidad de CO2 en el gas, depende tambien de que cantidad de ácidos volátiles y que tan alcalinos son los presentes en la materia prima.Los microorganismos encargados de la producción del biogás no soportan cambios bruscos en el pH, fluctuando entre 6 y 8.El pH del lodo de fermentación indica si el proceso de fermentación transcurre sin problemas, y su medición indica el comportamiento de la carga de fermentación dentro del digestor, para la producción de biogás [11].

• Cantidad de humedad de la mezcla:El crecimiento bacteriano y el de otros organismos microscópicos no se da eficazmente cuando la mezcla es demasiado seca,y como consecuencia la cantidad de biogás generado será escasa. Ahora en el caso contrario, cuando hay exceso de agua las bacterias no pueden procesar toda la biomasa y como consecuencia se limita biogás producido.El uso de excrementos y orina humanos,estiércol y residuos agrícolas principalmentge como alimento para el digestor debería conducir a una relación biomasa/agua de entre 1:1 y 1:2; y por cada 100kg de heces y orina se necesitarán de 100 a 200 litros de agua [11].

• Materiales de origen orgánicos:Las actividades agropecuarias, generan residuos orgánicos que se pueden tratar con microorganismos de forma anaeróbica.Existen diferentes tipos de material orgánico producido por los animales que también se pueden utilizar como base para la elaboracion de biogás y bioabono, cuyas caracteristicas se muestran en la Tabla 2 [11].

El proceso anaeróbico es un mecanismo que se realiza en ausencia de oxígeno, en el cual, la materia orgánica es transformada por la acción de los microorganismos en biogás y biocompost; se trata de reacciones bioquímicas en las que participan los microorganismos, una parte de los cuales es completamente oxidada por el carbono convirtiéndose en CO2,mientras que otra parte es altamente reducida para formar metano [13].

Tabla 2.
Valores y características del estiércol.

[12]

Este tipo de datos, además de ser útil para el diseño del Biodigestor, se pueden medir a través del sistema de adquisición de datos y su visualización se da mediante instrumento virtual efectuado en LABVIEW, el diseño del biodigestor a analizar se muestra en la Figura 1.

Figura 1.
Diseño del Biodigestor

Tabla 3.
Biogás-Elementos que lo integran

[14]

Para calcular el tamaño del biodigestor se consideran los equipos incluidos, la cantidad del producto que puede contener,la materia prima y las sugerencias para el funcionamiento adecuado considerando el balance estequiométrico de la mezcla a tratar.Para calcular los diseños se deben tener en cuenta el tipo de biomasa para la producción de biogás,la Tabla 3 y 4 muestran el porcentaje de pH estándar que debe analizar el sistema con referencia al componente de la constitución de biogás y sus distintas características desde el punto de vista de la Cogeneración, para determinar cuanta presión soporta el recipiente [15].

Tabla 4.
Biogás - Propiedades.

[14]

Tabla 5.
Sensores.

Este sistema se le realizara mediante distintos sensores,la Tabla 5 muestran la referencia de cada uno de los sensores integrados en el desarrollo del sistema de supervisión de las variables de temperatura, presión y pH. Los sensores mostrados cumplen con los requisitos mostrados en el diseño del biodigestor, las características de estos se muestran en las Tablas 6, 7 y 8.

• Sensor de temperatura (TERMO K)

Tabla 6.
Temperatura.

[16]

• Sensor de pH (SEN0161)

Tabla 7.
PH.

[17]

• Transmisor de presión industrial (EPI 8287)

Tabla 8.
Presión.

[18]

Los sistemas de supervisión de automatización de variables de temperatura, presión y pH en LabVIEW,permiten el control y monitoreo del sistema,coordinando el funcionamiento de los distintos elementos en la toma de datos, análisis de estos.Este tipo de programas son útiles a la hora de supervisar procesos ya que integran los sensores con los sistemas de adquisición de datos a través de una interfase gráfica de usuario (IGU) denominada “instrumento virtual” (VI).[19]

3. Resultados y discusión

Figura 2.
Diagrama de bloques del instrumento virtual con sistema de registro de datos.

Figura 3.
Panel Frontal del instrumento virtual.

En la Figura 2 se muestra el diagrama de bloques del VI, en LabVIEW, permitiendo la adquisición de datos al sistema en dos DAQ de asistencia. El análisis mostrado en el diagrama de bloques permite la recolección de información por medio del formato de EXCEL, en el sistema integrado de entradas analogías de temperatura y corriente (presion y pH).

El sistema de supervisión de las variables analizadas se pueden visualizar y monitorizar en el panel frontal mostrado en la Figura 3, en el cual los bloques mostrados en la Figura 2 se esquematizan en el VI de manera automatizada por medio de gráficas, indicadores y medidores en el control del sistema.La temperatura con referencia al tiempo de fermentación varia respecto a la materia orgánica almacena por medio de señales producidas en el sensor implementado,el análisis del sistema de supervisión de la temperatura se muestra en la Figura 4.

Figura 4.
Temperatura VS Tiempo.

La Figura 5, permite observar el comportamiento de la presión generada internamente en el prototipo en un periodo de 20 días, en este tiempo se da la fermentación de la materia orgánica lo que resulta en un aumento de la presión.El comportamiento de la presión en el tiempo que se visualiza en la gráfica es estable a partir de los 9.5 Kpa.

El comportamiento del pH se observa en la Figura 6,los valores de este oscilan entre 6 y 7, lo que favorece el crecimiento de los microrganismos productores de metano.

Figura 5.
Presión VS Tiempo.

Figura 6.
PH VS Tiempo.

4. Conclusiones

El sistema de supervisión de variables de temperatura,presión y pH analizadas en LabVIEW, permiten visualizar las gráficas de cada una de estas variables.Los resultados obtenidos en el desarrollo del proyecto nos permiten concluir que gracias al sistema de monitoreo de variables se reducen costo en la obtención de gases, puesto que al obtener el valor experimental por el programa se puede comparar con los datos estándar del sistema y así extraer el gas combustible optimo del proceso.Otro factor importante por mencionar es el análisis de la producción de la materia prima y el tipo de flujo obtenido al final del proceso reduciendo los efectos ambientales derivados de la actividad agrícola

El desarrollo del VI en LabVIEW, almacena los datos obtenidos guardándolos en un archivo que es compatible con Microsoft Office Excel, facilitando el tratamiento o procesamiento de los datos y su posterior análisis.Este sistema de supervisión de variables se enfoca en proyectos futuros donde se pueda correlacionar el comportamiento de las variables medidas y su impacto en el desarrollo del proceso de la viabilidad del uso de sensores insertados en el biodigestor, ayudando a monitorear parámetros que son empleados para identificar los tiempos requeridos en la generación de biogás del proceso final.

Referencias

[1] R. Kigozi, A. O. Aboyade, and E.Muzenda, “Sizing of an anaerobic biodigester for the organic fraction of municipal solid waste,” in Lecture Notes in Engineering and Computer Science, vol. 2, pp. 659–663,2014

[2] H. Clemens, R. Bailis, A. Nyambane, and V. Ndung, "Energy for Sustainable Development Africa Biogas Partnership Program:A review of clean cooking implementation trought market development in East Africa," Energy Sustain.Dev., vol.46,pp. 23-31,2018.Doi.https//doi.org/10.1016/j.esd.2018.05.012

[3] M. E. Gavito et al., "Revista Mexicana de Biodiversidad Ecologia, tecnologia e innovacion para la sustentabilidad:retos y perspectivas en México," Enfermeria Univ., vol. 88, pp. 150-160,2017.Doi:https//doi.org/10.1016/j.rmb.2017.09.001

[4] A. N. Matheri, C. Mbohwa, M. Belaid, and J. C. Ngila, “Design technology for bioenergy conversion of organic fraction of municipal solid waste,” Green Energy Technol., (9783319636115), pp.181–201,2018

[5] K. Ortegon, "Life cycle engineering in an industrial engineering undergraduate program,from the classroom to the real life of students," in Procedia CIRP, vol. 80, pp. 613-618,2018.Doi:https://doi.org/10.1016/j.procir.1019.01.011

[6] et al., “Influencia del pH sobre la digestión anaerobia de bio-residuos de origen municipal,” Rev. U.D.C.A Actual. Divulg. Científica, vol. 17(2), pp.553–562, 2014.

[7] Regino, F. J., Gómez, J. A., & Jaramillo, H. Y. (2019). Development of a virtual instrument for the calculation of thermal efficiency under the assumptions of standars cold air in a 3500 cc diesel engine,2008.Doi:https://doi.org/10.1088/1742-6596/1409/1/012008

[8] A. Chini et al., 2Evaluation of deammonification reactor performance and microrganisms community during treatment of digestate from swine sludge CSTR biodigester," J. Environ. Manage., vol.246,pp.19-29,2018.Doi:https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.05.113

[9] L. F. Calza, C. B. Lima, C. E. C. Nogueira, J. A.C. Siqueira, and R. F.Santos, "cost assessment of diodigester implementation and biogas-produced energy [Avaliação dos custos de implantação de biodigestores e da energia produzida pelo biogás]," Eng. Agric., vol.35(6), pp. 990-997, 2015.Doi:https://doi.org/10.1590/1809-4430-Eng.Agric.v35n6p990-9977/2015

[10] X. Li, E. Mupondwa, and E. Mupondwa, “Commercial feasibility of an integrated closed-loop ethanol-feedlot-biodigester system based on triticale feedstock in Canadian Prairies,” Renew. Sustain.Energy Rev., vol. 97, September, pp. 401–413, 2018.

[11] E. C. Medrano, “Alternativas sostenibles para reducción del consumo en los servicios públicos de la vivienda rural en tunja, boyacá,” Universidad Santotomas 2017.

[12] H. Hernández and E. Y. Ramírez, “Propuesta para el diseño de un biodigestor para el aprovechamiento de la materia orgánica generada en los frigoríficos de bogotá,” Proyecto de grado, Universidad Distrita Francisco José de Caldas, 2012

[13] C. A. Chavarín, S. O. Benítez, N. V Limón, and A. G. Ramírez, “Development of anaerobic biodigesters for the treatment of municipal organic waste and biogas generation for use as energy source,” in Proceedings of ANES/ASME XXX National Solar Energy Week,2006, vol. 2006.

[14] C. M. Plugge,"Biogas," Microb. Biotechnol.,vol. 10(5). pp. 1128-1230,2017.Doi:https.:doi.org/10.1111/1751-7915.12854

[15] C. V. Garavito and D. R. R. Jiménez,“Diseño y construcción de un prototipo biodigestor tipo mixto para la producción y almacenamiento de gas metano.,” 2013

[16] E. J. A. Rodríguez, J. W. M. Ocampo, and C. A. S. Ortega, “Medición de temperatura:sensores termoeléctricos,” Sci. Tech., vol. 13(34), pp. 1–6,2007

[17] J. A. Somoza Chuay, J. E. Eirez Izquierdo, S. Pavoni Oliver, and E. Martín Rodríguez, “Construcción y caracterización de electrodos de Vidrio/ITO/PANI para la medición de pH,” RIELAC,vol. XXXV(3), p.p.33-38, 2014

[18] F. A. Vega Reyes, “Transmisor de presión diferencial,” J. A. Somoza Chuay, J. E. Eirez Izquierdo, S. Pavoni Oliver, and E. Martín Rodríguez, “Construcción y caracterización de electrodos de Vidrio/ITO/PANI para la medición de pH,” RIELAC, vol. XXXV(3), pp.33-38, 2014, 2009.

[19] T. Roy and P. Bhattacharjee, “A LabVIEW-based real-time modeling approach for detection of abnormalities in cancer cells,” Gene Reports, vol. 20,p.100788, Sep. 2020

[20] E. N. Flórez-Solano,E. E. Espinel-Blanco, y J. E. Barbosa-Jaimes,"Desarrollo de un soldador por puntos para el laboratorio de proceso de manufactura de la Universidad Fransisco de Paula Santander Ocaña", Rev. Ingenio, vol. 16, n. ° 1, pp. 30-55, ene. 2019.Doi:https://doi.org/10.22463/2011642X.2389

[21] F. O Diaz-Garcés y F. J Regino-Ubarnes, "Desarrollo de una estrategia de control basado en ADRC, aplicada a un sistema de bola y viga",Rev. Ingenio, vol.17, n.°1, pp. 15-20, ene. 2020. Doi: https://doi.org/10.22463/2011642X.2391