Tesis (Maestro en Ciencia y Tecnología Agroalimentaria) -- Departamento de Ingeniería Agroindustrial, 2022 Maestría

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La composición química y el flujo másico de entrada, juegan un rol vital en el éxito de un proceso de digestión anaeróbica, si ambos se mantienen constantes en un proceso continuo, se puede lograr la producción de metano. Por lo tanto, en procesos de escala completa una de las principales preocupaciones es la sobrecarga orgánica. Esto puede desequilibrar las rutas tróficas, resultando en acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV). Dependiendo de la severidad del disturbio, puede ocasionar la falla del digestor. Los modelos matemáticos aplicados a sistemas biológicos proveen información y alternativas para superar estos obstáculos. En este contexto, en el presente trabajo se implementó el modelo de digestión anaeróbica número 1 para simular choques de sobrecarga orgánica. El objetivo fue proponer valores de parámetros cinéticos que permitan describir y entender un sistema perturbado. Para la recolección de datos, dos digestores mesofílicos de 10 L A y B trabajando en modo semi-continuo, fueron tratados en las mismas condiciones de operación. Los digestores se sometieron a dos pulsos de sobrecarga orgánica con un periodo de recuperación entre ambos. para monitorear el desempeño de los digestores se usaron los AGV, pH, y la actividad metanogénica específica. Se usó un algoritmo de evolución diferencial estándar (DEA) para calibrar 28 parámetros bioquímicos. La calibración se obtuvo usando los datos de la primera perturbación en el digestor A. Los parámetros bioquímicos relacionados con la degradación de AGV mostraron los cambios más significativos (por ejemplo: Km,c4 de 20 a 4.92; Km,pro de 30 a 2.17; km,ac de 8 a 5.24; km,h2 de 35 a 10.60 kgCOD●m-3). Después de la calibración, las salidas del modelo mostraron un mejor ajuste a los datos experimentales en relación con la eficiencia del modelado (EF) y el índice de ajuste (index) comparado con parámetros bioquímicos estándar. Los resultados mostraron que DEA proporciona un método de calibración robusto para simular la respuesta de choques de sobrecarga de pollinaza en un proceso de producción de metano continuo.

Chemical composition and mass flow inlet play a vital role in a successful anaerobic digestion process; if both are kept constant in a continuous process, methane production can be achieved. Thus, one of the main concerns in full-scale processes is the overloading shock. That can unbalance trophic pathways, resulting in the accumulation of volatile fatty acids (VFA). Depending on the disturbance severity, it can lead to digester failure. Mathematical modelling applied to biological systems provides insights and alternatives for overcoming these hurdles. In this context, the Anaerobic Digestion Model number 1 was implemented in the present work to simulate organic overloading shocks. The objective was to propose kinetic parameter values which allow description and understanding of a perturbed system. Two 10 L mesophilic anaerobic digesters working in a semi-continuous mode, A and B, were treated under the same operational conditions for data collection. The digesters were submitted to two organic overloading pulses with a long time in between for recovery. VFAs, pH, and specific methanogenic activity (SMA) were used to monitor the digesters’ performance. A standard differential evolution algorithm (DEA) was used for calibrating 28 biochemical parameters. Calibration was obtained using just the data of the first perturbation of digester A. Biochemical parameters related to the degradation of VFAs showed the most significant changes (i.e., Km,c4 from 20 to 4.92; Km,pro from 30 to 2.17; km,ac from 8 to 5.24; km,h2 from 35 to 10.60 kgCOD●m-3). After calibration, the model outputs showed a better fit with experimental data regarding modeling efficiency (EF) and the agreement index (index) than standard biochemical parameters. The result showed that DEA provides a robust calibration method for simulating the response of chicken litter overloading shocks in continuous methane production processes.