“Desarrollo y validación de un modelo matemático descriptivo para el proceso de fermentación oscura”

Abstract

La producción de hidrógeno por fermentación oscura es sin duda una alternativa prometedora para la valorización de desechos agroindustriales mediante la generación de energía renovable. Sin embargo, es un proceso sumamente complejo que puede presentar cambios drásticos en su desempeño en función de pequeñas variaciones operacionales, fenómenos fisicoquímicos y de transferencia de masa y, aunque se han logrado avances importantes respecto a las condiciones de operación que lo favorecen, por lo tanto, aún se tiene un entendimiento parcial del mismo. Aunado a lo anterior, la mayoría de los modelos propuestos en la literatura se basan, principalmente, en el modelo ADM1, el cual no considera reacciones relevantes en la producción de H2 que se han reportado recientemente. Así pues, este trabajo presenta un modelo matemático novedoso basado en las rutas metabólicas clave, incluyendo la competencia de sustrato entre las bacterias ácido-lácticas y las productoras de hidrógeno. Para ello, se integraron variables internas para describir cambios en las rutas metabólicas y los rendimientos de la producción de hidrógeno. La calibración del modelo se realizó utilizando los datos experimentales de un reactor por lotes secuencial (SBR) operado a diferentes concentraciones de glucosa (2.5 g/L, 5 g/L y 10 g/L), mientras que la validación se realizó a una concentración superior a las condiciones de calibración (25 g/L), obteniendo una alta correspondencia (R2>0.9) entre el modelo propuesto y los datos experimentales. Además, el modelo propuesto mostró un mejor desempeño comparado con modelos tradicionales como el ADM1, obteniendo errores similares con la descripción de dos variables adicionales, y valores de AIC de -3.83 y -3.71, para el modelo propuesto y el ADM1, respectivamente. Lo que indica una mejor relación entre el número de ecuaciones y parámetros utilizados. Finalmente, a partir de simulaciones numéricas, el modelo predijo el comportamiento del proceso a incrementos en la concentración del sustrato (R2>0.95) y permitió proponer un