Detectabilidad y observabilidad del proceso de digestión anaeróbica

Abstract

La digestión anaeróbica (DA) es un proceso biológico en el que distintos grupos de bacterias degradan al carbono orgánico en compuestos mas simples como ácidos grasos volátiles (VFA), dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4). Es frecuente encontrarla en tratamiento de efluentes para disminuir la carga orgánica de los caudales tratados. Ademas, mediante la combustión del biogas producido se puede generar energía. A pesar de sus beneficios, en general su operación esta lejos de ser optima, desperdiciando el potencial de los recursos. Ademas, las no linealidades y gran incertidumbre en los modelos, sumadas a la escasez de sensores en línea, hacen que su puesta en marcha y operación estable por períodos prolongados sea muy difícil. La falta de sensores puede solucionarse, al menos parcialmente, utilizando observadores (sensores de software) para estimar las variables de interés. Por ejemplo, trabajos recientes se enfocan en la estimación de carbono orgánico y ácidos grasos en el medio líquido, basadas en la medición de la demanda química de oxígeno (COD), caudal de entrada y metano producido. También resulta muy útil para conocer el estado metabólico de los microorganismos y el diseño de controladores la estimación de las tasas específicas de crecimiento. Previamente a diseñar los observadores debe realizarse un análisis de observabilidad con el fin de determinar si es posible reconstruir el estado a partir de las mediciones disponibles. En sistemas no lineales, el estudio puede realizarse con herramientas de análisis geométrico. Desafortunadamente, es común que las condiciones analíticas obtenidas por estos métodos resulten en expresiones difíciles de interpretar en términos de las variables del proceso. Una alternativa a la metodología mencionada, de menor complejidad, es analizar si existen trayectorias que sean indistinguibles. Esto es, determinar si pueden existir trayectorias diferentes para un mismo conjunto de entradas y salidas. El método de análisis de observabilidad propuesto en se basa en esta idea y permite estudiar si un sistema es observable incluso en casos en los que se desconoce algunas de las entradas. En este trabajo se estudian las propiedades de observabilidad y detectabilidad de un modelo de DA mediante el método propuesto en, incluyendo cinéticas monótonas y no monótonas en concordancia con los modelos estándar comunmente aceptados para este proceso. El objetivo es evaluar la información que puede ser extraída para diferentes conjuntos de salidas y determinar en cada caso si las variables no medidas pueden ser observadas o detectadas.