Con el uso de microorganismos que degradan desechos orgánicos en un biorreactor, es posible obtener de la basura y del agua residual biocombustibles y materiales biodegradables, como hidrógeno, metano y polímeros.
Con la meta de transformar los desechos en recursos y dar valor agregado a los restos de alimentos y al agua contaminada a escala municipal e industrial, especialistas de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM, agrupados en el Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas (LIPATA), recurren a modelos matemáticos para simular y optimizar el proceso que ensayan a nivel experimental.
Alejandro Vargas Casillas, investigador en ese espacio, es el responsable de desarrollar el control automático, un sistema matemático que realiza esa labor.
Los procesos biológicos que usamos para tratar el agua residual y producir compuestos de valor agregado, como biocombustibles, son complejos y con limitantes, pues tienen muchas variables que no podemos medir ni dominar.
Con el control automático buscamos cuantificar y manipular algunas de ellas para lograr un comportamiento adecuado, a pesar de las perturbaciones que ingresan al sistema; dos de éstas, importantes, son la composición y la concentración del sustrato que entra al reactor, explicó el doctor en ingeniería.
“El primer objetivo del control automático es que el proceso sea estable; el segundo es optimizar algunas variables, como la producción de hidrógeno a partir del sustrato, la cual buscamos maximizar”, señaló.
Los investigadores también trabajan con la fracción orgánica de la basura (especialmente de alimentos), la cual separan y muelen hasta obtener un líquido con el que se produce hidrógeno y metano.
Estrategia de control
Mientras algunos miembros del equipo de investigación del LIPATA obtienen y procesan la basura y el agua residual, Vargas Casillas diseña una estrategia de control para obtener la mayor cantidad de hidrógeno o metano a partir de los residuos.
Por otra parte, con líquido residual logran polímeros biodegradables a partir de materia orgánica y buscan mantener condiciones de operación que propicien que los microorganismos generen y acumulen intracelularmente la mayor cantidad posible de aquéllos.
“El control automático considera que variables como la composición y la concentración del residuo a tratar, que no se miden, se encuentran en un cierto rango. Diseñamos un controlador para que el sistema funcione bien con variables que podemos medir, como el caudal de biogás que se produce, y con otras que sí podemos manipular, como el caudal de entrada”, detalló.
Así, se amortiguan las variaciones que puede haber en la entrada al proceso, y a pesar de ellas, se busca la máxima producción de hidrógeno, metano o biopolímeros.
Modelo matemático
Desde el punto de vista de control, lo que realmente ocurre con los microorganismos en el biorreactor se traduce en un modelo matemático que permite analizar las propiedades del proceso y predice cómo se comportará, según lo que entra al reactor.
Dicho modelo se usa para diseñar el controlador, y a fin de cuentas es un software o conjunto de instrucciones que se basa en el conocimiento. Lo probamos con el uso de simulaciones numéricas para verificar que funcione en la realidad, abundó.
“Tenemos una representación de la realidad con la que trabajamos en dos escalas: para hacer simulaciones numéricas que predicen qué pasará si se modifican las condiciones de operación, o para hacer análisis y diseñar el controlador, es decir, cómo ese conjunto de instrucciones que vamos a programar matemáticamente pueden mejorar el proceso”, añadió.
Al haber resultados satisfactorios, se prueba en el laboratorio, se hacen ensayos, desde la escala experimental hasta la planta piloto e industrial. Hasta ahora estamos en la primera de esas fases en la obtención de hidrógeno, biogás y biopolímeros, pero ya tenemos modelos y controladores con buenos resultados, tanto teóricos como experimentales, concluyó Vargas Casillas.
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