Dispositivo sensor (1) para supervisar un proceso de digestión anaeróbica en un líquido eléctricamente conductorque comprende material orgánico,

comprendiendo dicho dispositivo sensor (1):

- una sonda (2) que comprende al menos un electrodo (3) de trabajo y un electrodo (4) auxiliar, y

- una unidad (6) de control;

estando dispuesta dicha unidad (6) de control para aplicar una serie de impulsos de voltaje entre dicho al menos unelectrodo (3) de trabajo y dicho electrodo (4) auxiliar, teniendo cada uno de dichos electrodos (3, 4) una superficie (5)extrema operativa que está adaptada para ser dispuesta en contacto con dicho líquido para formar un circuitoeléctrico, y estando dispuesta además dicha unidad (6) de control para registrar una señal de respuestacorrespondiente a una corriente eléctrica generada en dicho circuito eléctrico en respuesta a un impulso de voltajeaplicado,

caracterizado porque

dicho dispositivo sensor (1) comprende además un dispositivo (9) abrasivo que tiene al menos una superficie (10)abrasiva, pudiendo ser desplazado dicho dispositivo (9) abrasivo en un patrón predeterminado en relación a dichasuperficie (5) extrema operativa de dichos electrodos (3, 4) y estando dispuesto en relación a dichos electrodos (3, 4)de manera que dicha superficie (5) extrema operativa de cada electrodo (3, 4) es contactada por al menos una dedichas superficies (10) abrasivas durante el movimiento de dicho dispositivo (9) abrasivo en dicho patrónpredeterminado, con el fin de raspar los contaminantes unidos a la misma, y dicho dispositivo (9) abrasivo estámontado sobre unos medios (11) de montaje a través de los cuales dicho dispositivo (9) abrasivo puede serconectado a una unidad (12) de accionamiento, para accionar el movimiento de dicho dispositivo (9) abrasivo.

Dispositivo sensor, sistema y método para supervisar un proceso de digestión anaeróbica

Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo sensor para supervisar un proceso de digestión anaeróbica en un líquido eléctricamente conductor que comprende material orgánico, cuyo dispositivo sensor comprende una sonda electroquímica y está basado en voltametría de impulsos. Además, la presente invención se refiere a un sistema para supervisar de un proceso de digestión anaeróbica en un líquido eléctricamente conductor que comprende material orgánico, cuyo sistema comprende el dispositivo sensor según la invención. Además, la presente invención se refiere a un método para supervisar un proceso de digestión anaeróbica en un líquido eléctricamente conductor que comprende material orgánico.

Antecedentes de la invención

Los procesos de digestión anaeróbica son procesos en los que los microorganismos, tales como, por ejemplo, bacterias, descomponen (es decir, digieren) un sustrato en forma de material orgánico. La digestión es realizada en ausencia de oxígeno y resulta en un producto y residuo digerido. Por ejemplo, pueden utilizarse procesos de digestión anaeróbica de material orgánico para producir portadores de energía o reducir volúmenes de residuos. Recientemente, los procesos de digestión anaeróbica para dichos fines han recibido mucha atención debido a los múltiples beneficios medioambientales y la eficiencia de los recursos asociados a los mismos.

Un ejemplo de un producto que puede ser producido por medio de un proceso de digestión anaeróbica de material orgánico es el biogás. El biogás producido puede ser usado, por ejemplo, para el calentamiento, la generación de electricidad, como combustible para vehículos o puede ser distribuido a través de una red de gas natural. En general, la implementación de los sistemas de biogás conduce, frecuentemente, a mejoras importantes en relación a la eficiencia de recursos y a los impactos medioambientales en comparación con la gestión tradicional de residuos (Börjesson y Berglund, 2007) . Otro producto interesante de los procesos de digestión anaeróbica es el hidrógeno, debido a su poder calorífico muy alto. La energía indirecta o los impactos medioambientales pueden ser también de gran importancia, por ejemplo, la sustitución (parcial) de fertilizantes químicos por el sustrato digerido.

Pueden usarse una amplia variedad de materiales orgánicos como sustratos en los procesos de digestión anaeróbica, por ejemplo, productos agrícolas (estiércol líquido, excrementos de aves de corral, grano, maíz, centeno verde, colza, girasol, remolacha forrajera, remolacha azucarera, etc.) o de residuos orgánicos (de cervecerías, mercados de alimentos, destilerías, mataderos, plantas de tratamiento de agua, etc.) . El material orgánico es procesado, normalmente, bajo condiciones secas (> 25% de sólidos totales) , condiciones semi-secas (16-22% de sólidos totales) o condiciones húmedas (3-8% de sólidos totales) .

Las plantas de digestión anaeróbica son diseñadas, normalmente, para una operación continua en un procedimiento de una etapa, en el que la materia orgánica es digerida en un reactor cerrado para producir, por ejemplo, biogás y, al mismo tiempo, reducir la cantidad de material orgánico. En la actualidad, se usan variaciones de los tipos de procedimiento en las que, por ejemplo, los procesos de digestión de dos etapas y dos fases utilizan dos reactores con diferentes tiempos de retención. Además, hay muchos tipos diferentes de reactores conocidos en la actualidad para su utilización en procesos de digestión anaeróbica, por ejemplo, lechos de filtros anaeróbicos, reactores de tanque agitado continuamente y reactores de flujo pistón. Una planta típica incorpora un depósito de mezclado para mezclar la materia orgánica molida con un líquido, para formar una suspensión de sustrato, un dispositivo de alimentación para alimentar la suspensión al reactor, y un depósito para el sustrato digerido.

El proceso de degradación anaeróbica es complejo y depende de una acción equilibrada de diversos grupos microbianos (Gujer y Zehnder, 1983) . Durante el proceso, los biopolímeros son hidrolizados inicialmente y fermentados a ácidos grasos volátiles (AGVs) , hidrógeno (H2) y dióxido de carbono (CO2) por el grupo hidrolítico/ fermentativo de bacterias. Los AGVs, tales como propionato, butirato e isobutirato, son oxidados subsiguientemente por bacterias acetogénicas que producen acetato, H2 y CO2 y, por último, para los procedimientos de producción de biogás, estos productos son convertidos en metano (CH4) , CO2 y H2O por metanógenos (Schink, 1988) .

Las tasas de crecimiento y la sensibilidad con respecto a cambios medioambientales difieren ampliamente entre los diferentes grupos de microorganismos. Los metanógenos los que tienen el crecimiento más lento y los organismos más sensibles de entre los indicados, y las condiciones de procesamiento adversas, tales como una sobrecarga orgánica, un valor de pH desfavorable o la presencia de compuestos tóxicos, pueden afectar negativamente a los metanógenos, lo que, a su vez, puede conducir a la inestabilidad del procedimiento. Esto puede ser observado por las elevadas concentraciones de metabolitos, tales como H2, AGVs y alcoholes, en la cadena metabólica que precede a la acción de los metanógenos. Por ejemplo, mayores niveles de AGVs pueden causar una disminución del pH, lo que, en casos graves, puede conducir a una acidificación del reactor con la inhibición completa de la actividad metanogénica. Esta situación hace necesaria la eliminación del contenido del reactor y la re-inicialización del procedimiento.

La tasa de alimentación en los procesos de digestión anaeróbica, es decir, la cantidad y la frecuencia de la adición de sustrato nuevo al reactor, es ajustada, normalmente, en función del estado (microbiano) actual del reactor y la cantidad de nutrientes presentes en el sustrato usado, resultando en un determinado tiempo de retención hidráulico. Típicamente, un déficit de nutrientes resulta en una inmediata reducción de la cantidad de producto, mientras que un exceso de nutrientes resulta en un estado de desequilibrio del reactor, lo que, con el tiempo, resulta en una reducción de la cantidad de producto. Los períodos más largos de déficit de nutrientes (es decir, un tiempo de retención demasiado grande del substrato en el reactor) o un exceso de nutrientes (es decir, un tiempo de retención demasiado corto del substrato en el reactor) puede resultar en un colapso total del proceso, que requiere un reinicio costoso y que requiere mucho tiempo.

Una manera común de prevención de problemas de inestabilidad en los procesos de digestión anaeróbica, por ejemplo, la acidificación, es mantener la carga orgánica del reactor muy por debajo de su capacidad máxima. Sin embargo, una manera más económicamente favorable para operar una planta y evitar problemas de inestabilidad es supervisar el proceso con el fin de detectar problemas de inestabilidad. En caso de que se detecte que hay problemas de inestabilidad, pueden implementarse contramedidas para compensar la inestabilidad. Por ejemplo, la tasa de alimentación puede ser ajustada con el fin de contrarrestar los problemas de inestabilidad.

En la actualidad, hay una escasez de dispositivos que puedan ser utilizados para supervisar, en línea, los procesos de digestión anaeróbica. Existen dispositivos conocidos para realizar mediciones en línea, fiables y rentables, con el fin de supervisar parámetros físicos y químicos simples, tales como temperatura, pH, potencial redox (ORP) , tasas de flujo de sustrato y tasas de flujo de gas y la composición. Sin embargo, las mediciones con el fin de supervisar parámetros más complejos, tales como sólidos suspendidos totales (SST) , materia orgánica seca (MOS) , ácidos grasos volátiles (AGV) , alcalinidad parcial (AP) y nitrógeno amoniacal (NH4-N) son realizados, normalmente, en la actualidad, fuera de línea debido a la escasez de dispositivos eficaces para realizar mediciones en línea, para supervisar dichos parámetros. Las mediciones fuera de línea, para supervisar los parámetros complejos, son realizadas, frecuentemente, solo mensualmente, debido a los altos costos de los análisis de laboratorio. En general, los parámetros de fase líquida (pH, alcalinidad y AGVs) reflejan el medioambiente de los microorganismos y, por lo tanto, proporcionan, frecuentemente, una respuesta más rápida que los parámetros de fase gaseosa (composición del gas y tasa de producción) .

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1. Dispositivo sensor (1) para supervisar un proceso de digestión anaeróbica en un líquido eléctricamente conductor que comprende material orgánico, comprendiendo dicho dispositivo sensor (1) :

- una sonda (2) que comprende al menos un electrodo (3) de trabajo y un electrodo (4) auxiliar, y

- una unidad (6) de control;

estando dispuesta dicha unidad (6) de control para aplicar una serie de impulsos de voltaje entre dicho al menos un electrodo (3) de trabajo y dicho electrodo (4) auxiliar, teniendo cada uno de dichos electrodos (3, 4) una superficie (5) extrema operativa que está adaptada para ser dispuesta en contacto con dicho líquido para formar un circuito eléctrico, y estando dispuesta además dicha unidad (6) de control para registrar una señal de respuesta correspondiente a una corriente eléctrica generada en dicho circuito eléctrico en respuesta a un impulso de voltaje aplicado, caracterizado porque dicho dispositivo sensor (1) comprende además un dispositivo (9) abrasivo que tiene al menos una superficie (10) abrasiva, pudiendo ser desplazado dicho dispositivo (9) abrasivo en un patrón predeterminado en relación a dicha superficie (5) extrema operativa de dichos electrodos (3, 4) y estando dispuesto en relación a dichos electrodos (3, 4) de manera que dicha superficie (5) extrema operativa de cada electrodo (3, 4) es contactada por al menos una de dichas superficies (10) abrasivas durante el movimiento de dicho dispositivo (9) abrasivo en dicho patrón predeterminado, con el fin de raspar los contaminantes unidos a la misma, y dicho dispositivo (9) abrasivo está montado sobre unos medios (11) de montaje a través de los cuales dicho dispositivo (9) abrasivo puede ser conectado a una unidad (12) de accionamiento, para accionar el movimiento de dicho dispositivo (9) abrasivo.

2. El dispositivo sensor (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho dispositivo (9) abrasivo está dispuesto para ser desplazado, de manera continua o intermitente, en dicho patrón predeterminado de manera que se consigue la abrasión de los contaminantes unidos a dicha superficie (5) extrema operativa de dichos electrodos (3, 4) .

3. El dispositivo sensor (1) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dichos electrodos (3, 4) son electrodos anulares que están incrustados en una estructura (13) de soporte, cilíndrica, de un material eléctricamente aislante, teniendo cada electrodo anular (3, 4) una superficie extrema anular no incrustada que forma dicha superficie (5) extrema operativa, teniendo dichos electrodos (3, 4) anulares diámetros diferentes y estando dispuestos de manera concéntrica, y

porque dichos medios (11) de montaje pasan a través de dicha estructura (13) de soporte, cilíndrica, en un alimentador (14) , hermético al gas, para la conexión de dicho dispositivo (9) abrasivo a dicha unidad (12) de accionamiento, estando dispuesto dicho alimentador (14) paralelo a la extensión longitudinal de dicha estructura (13) de soporte, cilíndrica.

4. El dispositivo sensor (1) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque cada electrodo (3) de trabajo es un alambre de metal incrustado en una estructura (13) de soporte, con forma de barra, teniendo cada alambre de metal una superficie extrema no incrustada que forma dicha superficie (5) extrema operativa, y

porque dicho electrodo (4) auxiliar es un electrodo anular que está dispuesto alrededor de la periferia de dicha barra (13) de soporte, con forma de estructura, y porque dichos medios (11) de montaje pasan a través de dicha estructura (13) de soporte, con forma de barra, en un alimentador (14) , hermético al gas, para la conexión de dicho dispositivo (9) abrasivo a dicha unidad (12) de accionamiento, estando dispuesto dicho alimentador (14) , hermético al gas, paralelo a la extensión longitudinal de dicha estructura (13) de soporte, con forma de barra.

5. El dispositivo sensor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dichos medios (11) de montaje son un eje de rotación, en el que dicho dispositivo (9) abrasivo puede ser desplazado por medio de una rotación en relación con dicha superficie (5) extrema operativa de dichos electrodos (3, 4) y está dispuesto en relación a dichos electrodos (3, 4) de manera que dicha superficie (5) extrema operativa de cada electrodo (3, 4) es contactada por al menos una de entre dichas al menos una superficie (10) abrasiva durante la rotación de dicho dispositivo (9) abrasivo, para raspar los contaminantes unidos a la misma.

6. El dispositivo sensor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada superficie (10) abrasiva es una superficie de una piedra de pulido.

7. El dispositivo sensor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dichos electrodos (3, 4) tienen esencialmente la misma dureza.

8. El dispositivo sensor (1) según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho dispositivo sensor (1) comprende sólo un electrodo (3) de trabajo, en el que dicho electrodo (3) de trabajo está realizado en una aleación de platino e iridio y dicho electrodo (3) auxiliar está realizado en acero inoxidable.

9. El dispositivo sensor (1) según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho dispositivo sensor (1) comprende dos electrodos (3) de trabajo, de manera que un electrodo (3) de trabajo está realizado en una aleación de platino e iridio, un electrodo (3) de trabajo está realizado en oro y dicho electrodo (4) auxiliar está realizado en acero inoxidable.

10. El dispositivo sensor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho dispositivo sensor (1) comprende además dicha unidad (12) de accionamiento, en el que dicha unidad (12) de accionamiento está adaptada para ser dispuesta en el exterior de dicha sonda ( 2) .

11. El dispositivo sensor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado porque dicho dispositivo sensor (1) comprende además dicha unidad (12) de accionamiento, en el que dicha sonda (2) comprende una carcasa (16) de sonda, hermética al gas, en el que dicha estructura (13) de soporte con dichos electrodos (3, 4) está dispuesta, de manera hermética al gas, en una abertura (17) de dicha carcasa (16) de sonda, de manera que dicha superficie (5) extrema operativa de dichos electrodos (3, 4) está adaptada para ser dispuesta en contacto con dicho líquido y dicha unidad (12) de accionamiento está dispuesta en el interior de dicha carcasa (16) de sonda.

12. Un sistema (20) para supervisar un proceso de digestión anaeróbica en un líquido eléctricamente conductor que comprende material orgánico, caracterizado porque dicho sistema comprende:

- un dispositivo sensor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-11;

- una memoria para almacenar al menos algunos valores registrados de corriente eléctrica en una matriz de datos;

- un dispositivo de procesamiento para realizar un análisis de datos multivariados de dichos valores registrados de corriente eléctrica, y

- opcionalmente, un dispositivo de visualización para visualizar el resultado de dicho análisis de datos multivariados.

13. Un método para supervisar un proceso de digestión anaeróbica en un líquido eléctricamente conductor que comprende material orgánico, comprendiendo dicho método las etapas de:

- aplicar una serie de impulsos de voltaje por medio de una unidad (6) de control entre al menos un electrodo (3) de trabajo y un electrodo (4) auxiliar, teniendo cada electrodo (3, 4) una superficie (5) extrema operativa que está dispuesta en contacto con dicho líquido, para formar un circuito eléctrico, y

- registrar una señal de respuesta correspondiente a una corriente eléctrica generada en dicho circuito eléctrico en respuesta a una serie de impulsos de voltaje aplicados, siendo registrada dicha señal de respuesta por medio de dicha unidad (6) de control;

caracterizado porque los contaminantes unidos a dicha superficie (5) extrema operativa de dichos electrodos (3, 4) son raspados, siendo realizada dicha abrasión por medio de un dispositivo (9) abrasivo que tiene al menos una superficie (10) abrasiva, en el que dicho dispositivo (9) abrasivo puede ser desplazado en un patrón predeterminado en relación a dicha superficie (5) extrema operativa de dichos electrodos (3, 4) y está dispuesto en relación a dichos electrodos (3, 4) de manera que dicha superficie (5) extrema operativa de cada electrodo (3, 4) es contactada por al menos una de dichas superficies (10) abrasivas durante el movimiento de dicho dispositivo (9) abrasivo en dicho patrón predeterminado, con el fin de raspar los contaminantes unidos a la misma.

14. El método según la reivindicación 13, caracterizado porque dicho método comprende además las etapas de:

- almacenar al menos algunos valores registrados de corriente eléctrica en una memoria, y

- realizar un análisis de datos multivariados de dichos valores almacenados de corriente eléctrica por medio de un dispositivo de procesamiento.