INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12396/1/control... · 2017. 6. 1. · A mis compañeros Paty y Omar Que fueron artífices clave en este proyecto

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CONTROL DE TEMPERATURA Y HUMEDAD PARA LA MADURACIÓN DEL PROCESO DE COMPOSTAJE ORGÁNICO

[Escriba texto] Página i

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

CONTROL DE TEMPERATURA Y HUMEDAD PARA LA MADURACIÓN DEL PROCESO DE COMPOSTAJE

ORGÁNICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A:

ROJAS NOVA OMAR ENRIQUE

SARABIA AGUIRRE MARTHA PATRICIA

SANTOS RAMÍREZ ELIOT ELJAIR

ASESORES:

ING. ANTONIO ÁNGELES ROCHA

M EN C. MIRIAM GÓMEZ ÁLVAREZ

M. EN C. LEONARDO GABRIEL VEGA MACOTELA

MÉXICO, D.F, 2012


[Escriba texto] Página i


CONTROL DE TEMPERATURA Y HUMEDAD PARA LA MADURACIÓN DEL PROCESO DE COMPOSTAJE ORGÁNICO

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA ii

AGRADECIMIENTOS

Omar A Dios

Por ser mí fe en donde la ciencia no tiene respuestas.

A mis padres Carlos Enrique y Reyna

Por darme el mayor regalo, la vida; Por regalarme parte de su vida y

acompañarme en este camino de logros y caídas, de risas y llanto, por darme

su infinito amor y comprensión.

A mis hermanas Monserrat y Adriana Gabriela

Por ser parte de este camino, ser mis compañeras de desvelos y ser grandes

consejeras.

A mi tío Gerardo Nova

Por ser mi gran maestro y arquitecto de este proyecto llamado educación.

A Paty

Por brindarme su amor y comprensión, por ser un gran apoyo en los

momentos difíciles y compartir sonrisas en los logros.

A mi compañero Eliot

Por ser parte de este proyecto y brindarme su amistad.

A mis maestros Antonio Rocha, Gabriel Macotela y Miriam Gómez

Por confiar en mí y en mis compañeros en este viaje, por tenerme paciencia

y apoyarme en todo momento, por brindarme sus conocimientos y

experiencia, pero sobre todo por brindarme su amistad.



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA iii

Patricia A Dios

Por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi vida; Por ser mi

fortaleza, mi apoyo y mi luz para seguir adelante.

A mis padres Francisco y María

Por apoyarme siempre; Por haberme dado la oportunidad y el apoyo de

estudiar esta carrera, también por brindarme confianza, cariño y compresión

en cada momento de mi vida.

Gracias por llenar mi vida de alegrías y amor.

A mi hermana Monse

Por ser parte importante de mi vida, por su paciencia y motivación

constante y por todos los grandes momentos que hemos compartido.

A Kike

Quien siempre me ha brindado apoyo y confianza desde el día en que lo

conocí; Por su compañía y disposición a siempre brindar una sonrisa; pero

sobre todo por su paciencia y amor incondicional.

Al Ingeniero Antonio Ángeles Rocha

Por creer en mis compañeros de tesis y en mí. Por habernos brindado su

amistad, compartir sus conocimientos y experiencias y por habernos guiado

desde el inicio de nuestra tesis profesional. Le agradezco también por

habernos abierto las puertas de su casa y familia, quienes siempre nos

brindaron apoyo y amistad.

Al Maestro Leonardo Gabriel Vega Macotela

La confianza apoyo y dedicación que nos brindó. Gracias por la

oportunidad dada de trabajar a su lado y por los conocimientos

compartidos, pero sobre todo por su amistad.

A la Maestra Miriam Gómez

Por sus consejos, apoyo y la motivación que siempre nos dio, también, por

el tiempo que nos dedicó y especialmente por la amistad y confianza.



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA iv

Eliot

A mis padres

Que con su paciencia y amor lograron que saliera adelante con cada adversidad que

se ponía en frente. Gracias papá y mamá por sus esfuerzos ahora me toca a mí

afrontar el reto que el destino me depara y saber tomar decisiones que beneficien a

las personas que están a mi alrededor.

A mis hermanas Samantha, Hannya, y Darynka

Por quererme acompañarme, apoyarme, corregirme y alentarme a conseguir mis

metas. Gracias por todo las quiero mucho.

A mis compañeros Paty y Omar

Que fueron artífices clave en este proyecto que demostró trabajo en equipo y

solidaridad no olvidare esos momentos de trabajo y esfuerzo.

A mis profesores Miriam Gómez, Antonio Rocha, Gabriel Macotela, Edgar Maya

Que debido a su paciencia, enseñanzas, cariño, perseverancia y gran sentido de

profesionalismo lograron hacer de mí una persona de valía y que si no hubiera

conocido a estos formidables maestros no hubiese entendido el significado de estudiar

una carrera y atreverse a cuestionar y entender los diferentes puntos de vista y

criterios del ser humano.

“Hay que estar dispuestos a hacer hoy lo que otros no quieren para poder lograr mañana lo que otros no pueden”

(Luis Armando León Ávila)



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA v

ÍNDICE

Página.

RESUMEN 1 ABSTRACT

2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

3

JUSTIFICACIÓN

4

OBJETIVO GENERAL

5

OBJETIVOS ESPECIFICOS

5

INTRODUCCIÓN

6

CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE

8

1.1 Biodegradabilidad de la materia orgánica 8

1.2 Métodos de biodegradabilidad de la materia orgánica 8

1.2.1 Aerobia 9

1.2.1.1 Técnicas de compostaje aerobio 10

1.2.1.2 Compostaje en hileras 10

1.2.1.3 Pilas estáticas 12

1.2.1.4 Reactores Cerrados 13

1.2.2 Anaerobia 13

1.2.3 Vermicomposta 14

1.3 Biología del proceso de Compostaje 14

1.4 Microbiología del compostaje 14

1.4.1 Bacterias 15

1.4.2 Actinomicetos 15

1.4.3 Protozoos 16

1.4.4 Hongos 16

1.4.5 Organismos Patógenos 16

1.5 Formación de la composta 17

1.5.1 Latente 18

1.5.2 Crecimiento 18



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA vi

1.5.3 Termofílica 19

1.5.4 Maduración 19

1.6 Parámetros que influyen en la elaboración de composta 19

1.6.1 Materia prima inicial 20

1.6.2 Relación Carbono - Nitrógeno (C / N ) 20

1.6.3 Humedad 21

1.6.4 Temperatura 22

1.6.5 Aireación 22

1.6.6 Potencial de Hidrógeno (pH) 24

1.6.7 Mezcla / Volteo 24

1.6.8 Condiciones climáticas 24

1.7 Características del producto 25

1.7.1 Fisiología vegetal 26

1.7.2 Acción física 27

1.7.3 Acción química 27

1.7.4 Acción biológica 27

1.8 Beneficios 27

CAPÍTULO 2 MÉTODOS Y MODELADO

29

2.1 Ubicación 29

2.2 Condiciones del proceso 29

2.2.1 Acopio de la materia prima 30

2.2.2 Mezcla de los insumos 31

2.2.2.1 Diseño y montaje de las pilas 31

2.2.3 Humectación 31

2.2.4 Volteos 31

2.2.5 Maduración 31

2.2.6 Cribado 32

2.2.7 Envasado 32

2.2.8 Venta 32

2.3 Monitoreo de las pilas 32

2.4 Selección de los parámetros a controlar 35

2.5 Normatividad 35



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA vii

2.6 Modelado del sistema de humedad y temperatura 36

2.6.1 Principios de la termodinámica 36

2.7 Modelado del sistema 39

2.7.1 Linealización de ecuación 43

2.7.2 Obtención de la función de transferencia 45

2.7.3 Simulación en lazo abierto 51

2.7.4 Parámetros y condiciones del proceso 51

2.7.5 Obtención de la función de los elementos de medición 53

2.7.6 Transmisor de temperatura 53

2.7.7 Transmisor de flujo 55

2.7.8 Válvula de control de flujo 56

CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN Y PROPUESTA CONTROL DEL SISTEMA DE

TEMPERATURA

58

3.1 Tipos de sistemas de control 58

3.2. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open loop) 58

3.3. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback) 58

3.4 Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) 59

3.4.1 Controlador proporcional (P) 60

3.4.2 Controlador integral (I) 60

3.4.3 Controlador derivativo (D) 61

3.5 Sintonización del sistema retroalimentado por Ziegler-Nichols 61

CAPÍTULO 4 IMPLEMENTACIÓN

66

4.1 Desarrollo del sistema 66

4.2 Descripción de la instrumentación del sistema 68

4.2.1 Principio de funcionamiento del sensor de humedad 68

4.2.2 Principio de funcionamiento del sensor de temperatura 72

4.2.3 Filosofía de Operación 77

4.2.4 Diagrama de tuberías e instrumentación 79

CAPÍTULO 5 ESTUDIO ECONOMICO

81

5.1 Ciclo de un proyecto (conceptualización) 82

5.1.1 Idea/estrategia 82



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA viii

5.1.2 Estudio de prefactibilidad/factibilidad 82

5.1.3 Ingeniería básica 83

5.1.4 Ingeniería de detalle 83

5.1.5 Licitaciones/subcontratos 83

5.2 Ciclo del proyecto 83

5.2.1 Construcción 83

5.2.2 Pruebas 84

5.2.3 Evaluación expost 84

5.2.4 Término o cierre 84

5.3 Formato para la planeación y evaluación del proyecto 84

5.3.1 Nombre de los coordinadores de proyecto 84

5.4 Avances y estrategias del proyecto 85

5.5 Costos de materiales 86

5.6 Formato de planeación del proyecto. 87

5.6.1 Calendario de actividades del proyecto 87

5.6.2 Previsiones de evaluación del proyecto 88

5.6.3 Gráfica de Gantt del proyecto 90

5.6.4 Costos de cada actividad (no se incluyen los materiales) 92

5.7 La evaluación económica 93

5.7.1 Conceptos previos 93

5.7.2 Clasificación de las inversiones 93

5.7.3 Capital de trabajo (según el ciclo productivo) 94

5.7.4 Financiamiento del proyecto 94

5.7.5 Flujos de fondos de un proyecto 94

5.7.6 Cálculo de la depreciación 95

5.8 Técnicas de evaluación 96

5.8.1 Algunos alcances matemáticos para comprender la tasa

de descuento.

96

5.8.2 Valor actual neto (VAN) 97

5.8.3 Tasa interna de retorno (TIR) 98

5.8.4 Tasa interna (TIR) Versus valor actual neto (VAN) 99

CONCLUSIONES

103



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA ix

RECOMENDACIONES 104 REFERENCIAS

106

GLOSARIO

108

ANEXO A

110

ANEXO B

111

ANEXO C

120

ANEXO D

123



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA x

íNDICE DE TABLAS

Página.

Tabla 1. Producción de excreta 3

Tabla 1.1 Temperaturas y tiempos para la destrucción de patógenos 17

Tabla 1.2 Relación de moléculas del carbón-nitrógeno 21

Tabla 1.3 Materiales que contienen carbón y nitrógeno 21

Tabla 1.4 Composición Media del abono orgánico en % 25

Tabla 1.5 Abono Orgánico vs Estiércol en % 25

Tabla 2.1 Material orgánica utilizada 30

Tabla 2.2 Estudios de la aplicación de monitoreo de procesos de compostaje 32

Tabla 2.3 Definición de entradas y salidas 46

Tabla 2.4 Definición de las variables del proceso 51

Tabla 3.1 Valores de Kp, Ti y Td de acuerdo a la sintonización por

Ziegler-Nichols

62

Tabla 4.1 Relación de temperatura y voltaje 75

Tabla 5.1 Cuadro en el que se presentan de manera sintética las tareas a

realizar

85

Tabla 5.2 Cuadro en el que se detallan los costos de materiales 86

Tabla 5.3 Calendario de actividades del proyecto 87

Tabla 5.4 Evaluación del proyecto 89

Tabla 5.5 Costos de cada actividad 92

Tabla 5.6 Cálculo de la depreciación por año 96

Tabla 5.7 Tabla de tiempos de ingresos y tasa de inversión 99

Tabla 5.8 Tabla comparativa de diversos productos y empresas de compost 102



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA xi

ÍNDICE DE GRÁFICOS

Página.

Grafica 2.1 Comportamiento del transmisor de temperatura. 55

Grafica 2.2 Comportamiento del transmisor de flujo. 56

Grafica 2.3 Comportamiento de la válvula de flujo. 57



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA xii

ÍNDICE DE FIGURAS

Página.

Figura 1.1 Tratamientos biológicos. 9

Figura 1.2 Compostaje en Hilera 11

Figura 1.3 Perfil de Temperatura en una pila de Compost 11

Figura 1.4 Pilas Estáticas 12

Figura 1.5 Esquema general del proceso anaerobio 13

Figura 1.6 Comparación de los tiempos de degradación de la materia orgánica 18

Figura 2.1 Diagrama general de proceso 30

Figura 2.2 Comparación de las mediciones de humedad realizadas en Jaltepec,

Axapusco Estado de México y la humedad ideal del proceso.

33

Figura 2.3 Comparación de las mediciones de temperatura realizadas en

Jaltepec, Axapusco Estado de México y la temperatura ideal del

proceso.

33

Figura 2.4 Modelo del dispositivo de transferencia de calor 39

Figura 2.5 Diagrama a bloques del dispositivo de transferencia de calor. 46

Figura 2.6 Diagrama de bloques del modelado propuesto. 52

Figura 2.7 Respuesta de la simulación del modelo matemático. 52

Figura 2.8 Representación en diagrama de bloques del transmisor de

temperatura propuesto.

54

Figura 2.9 Representación en diagrama de bloques del transmisor de flujo

propuesto.

56

Figura 2.10 Representación en diagrama de bloques de la válvula de flujo

propuesta.

57

Figura 3.1 Diagrama de bloques de lazo abierto. 58

Figura 3.2 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación positiva. 59

Figura 3.3 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación negativa. 59

Figura 3.4 Respuesta del control Proporcional. 60

Figura 3.5 Respuesta del control Integral. 60

Figura 3.6 Respuesta del control Derivativo. 61

Figura 3.7 Oscilación del sistema retroalimentado. 62

Figura 3.8 Diagrama de bloques en lazo cerrado con PID. 63

Figura 3.9 Respuesta del sistema en lazo cerrado. 64

Figura 3.10 Respuesta afinada del sistema en lazo cerrado. 65

Figura 4.1. Diagrama de entradas y salidas del NI DAQ 6008. 66



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA xiii

Figura 4.2. Diagrama del sistema en bloques. 67

Figura 4.3. Circuito oscilador para humedad. 68

Figura 4.4 Pantalla de configuración del DAQ Assistant. 69

Figura 4.5 Diagrama de bloques del instrumento virtual de la humedad. 70

Figura 4.6 Circuito de potencia para accionar la válvula de control de humedad. 70

Figura 4.7 Válvula solenoide 2 vías. 71

Figura 4.8 Válvula solenoide 2 vías acoplada a la toma de agua. 71

Figura 4.9 Sistema de riego. 72

Figura 4.10 Obtención de parámetros para el diseño del circuito de

acondicionamiento de temperatura.

73

Figura 4.11 Relación de tensión y temperatura en el termopar. 73

Figura 4.12 Circuito AD594. 74

Figura 4.13 Circuito de amplificación y acondicionamiento de la señal con un

valor de 143mV a la entrada y osciloscopios para ver la tensión

amplificada.

74

Figura 4.14 Instrumento virtual generado para la medición de temperatura. 76

Figura 4.15 Imágenes de la cosecha utilizando la composta producida por el

sistema,

80

Figura 4.16 Chilacayotes de gran tamaño producto de la composta. 80



LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 1

RESUMEN

En el presente proyecto se desarrolla un control de temperatura y humedad para acelerar el

proceso de producción de la composta orgánica. Este trabajo persigue desarrollar un esquema

de automatización utilizando instrumentación para medir las variables y controlar el proceso de

la compostaje. Debido a que todavía hoy en día no existe un sistema propiamente automatizado

ya que los métodos de manufactura utilizados actualmente son muy mecánicos y la parte de la

medición de variables no tiene una adquisición de los datos por ser métodos de análisis de

campo con dispositivos muy simples. Con el conocimiento y la implementación de los sistemas

embebidos se desarrolló en este trabajo un HMI que permite monitorear humedad y

temperatura y controlar la humedad que va relacionada con la parte de la temperatura.

La metodología en la cual se basa la investigación está documentada mediante pruebas de

campo realizadas por los mismos tesistas y sustentadas gracias a la documentación ya escrita

por otros especialistas que dejaron sus experiencias de la elaboración manual de la composta

ofreciendo suficiente información para mejorar la producción.

El método utilizado para compostar es el método de las pilas o método del montón el cual es

muy económico y rápido ya que de 3 a 4 meses se puede obtener composta y utilizando un

monitoreo y control de las variables críticas del proceso se puede acelerar la maduración de la

composta debido a la acción de los microrganismos que generan el calor necesario para

desarrollarse y poder matar a los patógenos como la Echerichia coli que es dañina para la

salud.

Para la creación del proyecto se utiliza LabView un potente software que permite programar en

bloques y de esta forma generar VI´s (instrumentos virtuales) que permiten al usuario diseñar

HMI´s (interface hombre maquina) para tener una mejor supervisión del proceso.

Se realizó el modelado de la planta mediante las variables críticas del sistema, de tal forma que

fue posible diseñar un controlador PID, de tal forma que el comportamiento de las variables del

sistema, se mantenga en el diapasón deseado. Por otro lado, se desarrolló un estudio

económico.

Al sistema de control y monitoreo de la maduración del proceso de compostaje orgánico de tal

forma que el proyecto sea una alternativa a considerar a escala mayor ya que el beneficio

económico resulta plenamente justificado.




ABSTRACT

In this project we develop a temperature and humidity control to accelerate the production of

organic compost. This work aims to develop a new automation scheme using instrumentation to

measure and control the process variables of composting because even today there is no proper

system for automated manufacturing methods currently used are mechanical and part of

measurement variables have data acquisition being field analysis methods with very simple

devices. With the knowledge and implementation of embedded systems is developed in this

paper an HMI that allows monitoring humidity and temperature and humidity control which is

related to the temperature.

The methodology is based on research which is documented by field tests conducted by the

same thesis students and supported by written documentation and other composters who left

their experiences of making compost manual offering enough information to improve production.

The method used is the method of composting piles or pile method which is very economical

and fast as 3 to 4 months you can get compost and using a monitoring and control of critical

process variables can be accelerated maturation of the compost by the action of microorganisms

that generate the heat needed to develop and to kill pathogens such as Escherichia coli that is

harmful to health.

To create the project using LabView powerful software that lets you program into blocks and

thus generate VIs (virtual instruments) that allow the user to design HMI's (Human Machine

Interface) for a better monitoring of the process.

Coupled with research and analysis of the methods proposed in the past, clearly defined to

apply knowledge, concepts, and is complemented by the use of software tools such as LabView

above, Microsoft Word, Autocad, Origin, Mathlab, Simulink , Multisim that are of great

importance for the development of the project and the development of piping and

instrumentation diagrams (P&IDs).

This system of control and monitoring of the maturation process of organic compost is an

alternative to consider that may be implemented.




PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Hoy en día las cifras de contaminación son alarmantes. El 80% de nuestros desperdicios se

alberga en rellenos sanitarios al aire libre donde no existe control sobre el manejo de estos. Más

de 30 mil toneladas diarias van a barrancos, ríos y terrenos baldíos convirtiéndose en agentes

contaminantes y fuentes de infección. La mayor parte de los desechos son reutilizables y

reciclables. De acuerdo a estadísticas proporcionadas por el Instituto Nacional de Ecología, la

basura se encuentra clasificada de la siguiente manera:

Tabla 1. Producción de excreta

Tipo de ganado Ton. De excreta al día

Bovino 155.7707

Porcino 107.0246.3

Ovino 4.62992

Caprino 4.2389.0

[1]. Cegarra, J., (1996).

De estos tipos de residuos, los que se reciclan en la Ciudad de México son: Metales ferrosos

(acero, aluminio y otros), vidrio, papel, cartón y plásticos, pero no existe una solución a los

desechos orgánicos y agropecuarios creando una grave problemática, ya que afectan

directamente al medio ambiente y se pueden convertir en una amenaza para la salud humana

gracias a la proliferación de agentes infecciosos. Por ello se requiere un método de solución

que pueda promover su conversión a productos que puedan ser usados como medio fertilizante

y mejorador de suelos a través de métodos normalizados y que no requieran mucha inversión.

Un método es el composteo utilizado actualmente en varios países.




JUSTIFICACIÓN

Dado el grado de contaminación y el impacto ambiental que en conjunto representan los

residuos sólidos urbanos y los pecuarios, se ha planteado la búsqueda de alternativas que

permitan brindarles valor agregado para su reusó mediante métodos sustentables que eliminen

tal problemática.

La elaboración de abonos orgánicos usando el compostaje que es un sistema productivo

aerobio dando como resultado un abono orgánico, rico en macro nutrientes, micro nutrientes y

materia orgánica que puede utilizarse como mejorador de suelos, además, fortalece las plantas,

incrementa la producción por área cultivada, aumenta las propiedades físicas, químicas y

biológicas en donde se aplique no siendo necesario un análisis previo de suelos. Lo anterior se

logra en un periodo de tiempo corto (30-45 días) si se controlan total o parcialmente los

parámetros involucrados los cuales son: temperatura, humedad, pH, apariencia, olor, aireación.

Este trabajo se centrara solo en dos parámetros, la temperatura y la humedad, porque la

adquisición de datos y el control de estas variables usando sistemas embebidos, influye

directamente en los demás parámetros como pH, ya que al tener un control de los parámetros

previamente mencionados, el pH, la apariencia y el olor, se mantienen en parámetros

deseados.

La elaboración de composta es una solución eficiente para el aprovechamiento energético de

los residuos orgánicos que combina el aspecto económico y social. Producir composta

promueve los cultivos libres de químicos permitiendo la recuperación de los suelos; además,

facilita el acceso a estrategias de autosuficiencia alimentaria que reducen la pobreza y la

desnutrición. Se fortalece la economía interna al propiciar el autoempleo generando

microempresas verdes cada vez más innovadoras y creativas. Se promueven nuevas ofertas

tecnológicas y se incrementa el desarrollo de la investigación en sistemas de control con

componentes electrónicos embebidos económicos y fáciles de adquirir.




OBJETIVO GENERAL

Realizar un sistema de control de las variables de temperatura y humedad en la etapa de

maduración de un proceso de compostaje orgánico por medio de la regulación del flujo y la

temperatura del fluido que estará en contacto con el proceso.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Facilitar la lectura de los valores de temperatura y humedad para determinar el estado

en el que se encuentra el sistema de compostaje.

Desarrollar el modelado y la simulación del sistema de calefacción del sistema de

compostaje.

Desarrollar una propuesta del control de humedad del sistema de compostaje.

Lograr una degradación acelerada para obtener una composta madura en un plazo de

35 días que se encuentre libre de patógenos.




INTRODUCCIÓN

El compostaje era practicado en la antigüedad. Desde hace miles de años, los chinos han

recogido y compostado todas las materias de sus jardines de sus campos y de sus casas,

incluyendo materias fecales. En el Oriente Próximo, en las puertas de Jerusalén había lugares

dispuestos para recoger las basuras urbanas: unos residuos se quemaban y con los otros se

hacía compost [1].

El descubrimiento, después de la Primera Guerra Mundial, de los abonos de síntesis populariza

su utilización en la agricultura. En los últimos años se ha puesto de manifiesto que tales abonos

químicos empobrecen la tierra a medio plazo. En Baleares, existía asimismo la práctica de "sa

bassa", el cual se elabora a partir de desechos de vegetales, como forma tradicional de producir

compost, que desafortunadamente se ha perdido [1].

De forma tradicional, durante años, los agricultores han reunido los desperdicios orgánicos para

transformarlos en abono para sus tierras. Compostar dichos restos no es más que imitar el

proceso de fermentación que ocurre normalmente en un suelo de un bosque, pero acelerado y

dirigido. El abono resultante proporciona a las tierras a las que se aplica prácticamente los

mismos efectos beneficiosos que el humus para una tierra natural [1].

El desarrollo de la técnica de compostaje a gran escala tiene su origen en la India con las

experiencias llevadas a cabo por el inglés Albert Howard desde 1905 a 1947. Su éxito consistió

en combinar sus conocimientos científicos con los tradicionales de los campesinos. Su método,

llamado lndore, se basaba en fermentar una mezcla de desechos vegetales y excrementos

animales, y humedecerla periódicamente. La palabra compost viene del latín “componere”,

juntar; por lo tanto es la reunión de un conjunto de restos orgánicos que sufre un proceso de

fermentación y da un producto de color marrón oscuro, es decir, que en él el proceso de

fermentación está esencialmente finalizado. El abono resultante contiene materia orgánica así

como nutrientes: nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, calcio y hierro, necesarios para la vida

de las plantas. Fue en el año 1925 cuando en Europa comenzó a estudiarse la posibilidad de

descomponer a gran escala las basuras de las ciudades con la puesta en marcha del método

indú lndore. En la ciudad holandesa de Hanmer se instaló en 1932 la primera planta de compost

hecho con las basuras urbanas. A principios de la década de los 60, había en Europa 37

plantas. Dicho número aumentó considerablemente durante dicha década, y a principios de los

70 se llegó a 230 plantas, destacando el Estado Francés y el Estado Español, instalándose en

este último sobre todo plantas de compost en el Levante y Andalucía. Sin embargo, a partir de

mediados de los setenta la evolución se estancó y se cerraron numerosas plantas. Una de las




causas de este estancamiento fue la deficiente calidad del compost producido (no se hacía

separación previa en origen de la materia orgánica de los residuos sólidos urbanos) y el poco

interés de los agricultores en utilizarlos. En la actualidad, según el Ministerio de Medio

Ambiente, las plantas de compost existentes en España son 24, que tratan 1.770.061 Tm y el

compost producido es de 365.239 Ton/año, con lo cual el rendimiento compost/RSU es de

21,98%. La calidad del producto es variable, pero puede afirmarse que su tendencia es a

mejorar por la implantación de modernas -instalaciones de refino y por la mejora de las

condiciones de fermentación. En general, según datos de los antiguos ministerios MAPA y

MOPTMA, difícilmente se puede absorber la actual producción de compost de R.S.U., sin hacer

un esfuerzo serio por mejorar la calidad del producto (con la creación de modelos mínimos de

calidad), y por establecer todo ello con las necesarias campañas de promoción [1].

Esencialmente, se trata de enriquecer la tierra del jardín o del huerto y, al mismo tiempo,

defender el medio ambiente. El jardín se enriquece y aporta un suelo más vivo en microbios e

invertebrados y más rico en minerales, si reproducimos racionalmente el ciclo de degradación

de los elementos vegetales que tiene lugar en la naturaleza.




CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE

El compostaje es un proceso biológico en el que sustratos orgánicos son oxidados a formas

biológicamente estables como el humus debido a la acción de una población mixta de

microorganismos, obteniéndose un producto final denominado compost, orgánicamente estable,

libre de patógenos y semillas de malezas que puede ser aplicado de manera eficiente al suelo

para mejorar sus propiedades.

1.1 Biodegradabilidad de la materia orgánica

La transformación de los residuos sólidos en humus, puede ocurrir de dos formas distintas:

descomposición aerobia y anaerobia. En cuanto a la digestión aerobia, en esta variante

biotecnológica, predomina la acción de microorganismos cuyo metabolismo necesita de

oxígeno libre para su subsistencia y desarrollo. Se favorece una mayor oxigenación si la masa

de residuos se revuelve en forma manual o por medios mecánicos, obteniéndose como

productos principales, materiales orgánicos estabilizados, bióxido de carbono y agua.

Las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo durante el proceso aeróbico son exotérmicas

y elevan la temperatura de la composta hasta cerca de 70°C [1], con lo cual se eliminan todos

los agentes patógenos que puedan estar presentes en la masa inicial.

Los residuos más susceptibles de compostar son: residuos de la agricultura, de jardín y cocina,

residuos sólidos municipales y lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales y las

deyecciones de la actividad pecuaria. Los diversos métodos de composteo utilizados

actualmente en varios países, generan un porcentaje en peso de composta orgánica que varía

entre 35 y 45% de la materia bruta inicial. Los materiales orgánicos que no se descomponen

fácilmente son: tela, cartón y papel. Estos residuos urbanos deben ser tratados en forma

diferente, de preferencia mediante el reciclaje (recuperación directa). Los sistemas de

tratamiento de residuos son esenciales en el control de la contaminación ambiental.

1.2 Métodos de biodegradabilidad de la materia orgánica

Esencialmente hay dos métodos para el compostaje dependiendo de la presencia o ausencia

de oxígeno, hablaremos de metabolismo aerobio o anaerobio (Figura 1.1). A demás de estos

dos tipos de composta existe una tercera denominada vermicomposta.




Figura 1.1 Tratamientos biológicos.

1.2.1 Aerobia

Se denominan aerobios o aeróbicos a los organismos que necesitan del oxígeno para vivir o

poder desarrollarse. El adjetivo "aerobio" se aplica no sólo a organismos sino también a los

procesos implicados ("metabolismo aerobio") y a los ambientes donde se realizan. El

compostaje aerobio es un proceso de degradación biológica en donde los microorganismos

transforman los compuestos orgánicos mediante reacciones metabólicas, en las que se ionizan

los compuestos y se oxidan las estructuras de carbono a dióxido de carbono, amoniaco, agua y

otros gases [2]. El proceso de degradación alcanza una temperatura superior a los 70°C. El

proceso de biodegradación aeróbica se puede describir mediante la siguiente reacción general

[2]:

Esencialmente hay dos métodos para el compostaje aeróbico:

http://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivo

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno_diat%C3%B3mico

http://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivo




Activo o caliente: se controla la temperatura para permitir el desarrollo de las bacterias activas,

matar la mayoría de patógenos y así producir un producto de forma rápida.

Pasivo o frío: sin control de temperatura, los procesos son los naturales a temperatura

ambiente.

La mayoría de plantas industriales y comerciales de compostaje utilizan procesos activos,

porque garantizan productos de mejor calidad en el menor plazo (3 meses). El mayor grado de

control suele conseguirse compostando en un contenedor cerrado con un control y ajuste

continuo de temperatura flujo de aire, humedad y la mezcla adecuada de componentes acorde

al estado de biodegradación que se tenga, entre otros parámetros. El compostaje casero es

más variado, fluctuando entre técnicas extremadamente pasivas hasta técnicas activas propias

de una industria.

1.2.1.1 Técnicas de compostaje aerobio

En el compostaje aerobio se presentan principalmente tres tipos de sistemas: hileras, pilas

estáticas y reactores cerrados. Las hileras y las pilas estáticas, que en ocasiones se citan como

sistemas abiertos, se emplean más que los reactores cerrados. En los sistemas abiertos el

material a compostar se apila en una plataforma impermeable, como hormigón o asfalto. A

veces se usa una capa de polietileno como precaución extra para asegurar que ningún

contaminante alcance el suelo a través de las grietas, en el caso de que existan.

El modo de aireación es lo que diferencia las hileras de las pilas estáticas. En la explotación de

una hilera se airea la pila volteando la mezcla de insumos, manual o mecánicamente. En las

pilas estáticas se utiliza la aireación forzada, colocando un sistema de tubos perforados en la

base de la pila a través de los cuales circula el aire. La aireación puede ser de cabeza positiva

si el aire es impulsado, o de succión negativa si se aplica vacío [6].

1.2.1.2 Compostaje en hileras

El nombre de este tipo de compostaje corresponde a la manera de apilar el material a

compostar, el cual se coloca sobre unas plataformas en grandes montones o hileras. Su tamaño

influye en el rendimiento de una pila de composta. Para mantener altas temperaturas en la

hilera, la pila de composta debe ser lo suficientemente grande para permitir que el calor

generado por los procesos metabólicos exceda a las pérdidas de calor de las superficies




expuestas. En la hilera se retendrá mucho calor debido a su gran área transversal y a la

pequeña relación superficie – volumen.

La temperatura de la hilera puede controlarse volteando la pila, lo que también proporciona

aireación. El ancho de la pila se sitúa normalmente entre 3 y 4 m mientras que la altura puede

llegar a 1.2 y 1.5 m. (Ver figura 1.2)

El método de aireación empleado depende del tamaño de las hileras. La mezcla manual se

hace empleando una pala o instrumento que permita el volteo del material. La mezcla mecánica

se hace con una máquina volteadora. En el primer caso se requiere un trabajo intensivo de un

operario, los costos son menores pero la eficiencia de la mezcla está limitada. En el segundo

caso los costos son más elevados pero la aireación y mezcla son mejores.

Figura 1.2 Compostaje en Hilera

El volteo se hace para airear la pila y/o disipar calor y reducir la temperatura. Un perfil de

temperatura típico se presenta en la figura 1.3 La diferencia de temperaturas entre las zonas y

el tamaño de cada una depende en cierta forma de la frecuencia de volteo. Este ayuda a

redistribuir el perfil de temperatura para que las capas superiores que están a inferior

temperatura se expongan a las altas temperaturas del nivel interior. Las hileras se voltean en

frecuencias que oscilan entre una vez por día hasta tan poco como una vez por mes, e incluso

en algunos casos nunca en toda la duración del tratamiento [4].

Figura 1.3 Perfil de Temperatura en una pila de Compost [4].




Generalmente el compostaje en hileras se lleva a cabo en entornos abiertos por lo que se hace

necesario construir una infraestructura que proteja las pilas de la lluvia, la erosión del viento,

mantenga la temperatura en el interior de la pila y controle la emisión de olores y compuestos

orgánicos volátiles peligrosos. En algunos casos se emplean materiales de cobertura sobre las

pilas de tipo sintético o alguna capa de materia orgánica como compost maduro o residuos de

césped.

1.2.1.3 Pilas estáticas

En esta configuración el material a compostar se coloca sobre un sistema de tubos perforados

conectados a un soplador o a una bomba de vacío. Generalmente se prefiere la aireación

inducida por vacío debido a la minimización de las emisiones de compuestos volátiles y gases

generadores de olor, aunque en climas fríos no es lo más aconsejable principalmente porque el

aire frío succionado puede hacer descender la temperatura de las pilas, especialmente en

capas exteriores.

En las pilas estáticas el flujo de aire se usa para controlar tanto la temperatura como la cantidad

de oxígeno en el interior de estas. El trazado de los tubos perforados y la tasa de aireación

empleados son parámetros de diseño básicos. Los tubos en la base están inmersos en una

capa de material muy permeable como grava, arena, virutas de madera o composta. La

capacidad para airear una mezcla estática sin alterar la mezcla de la composta permite diseñar

sistemas con dimensiones superiores a las de las hileras la literatura reporta alturas hasta de 3

m [agregar referncia], reportándose incluso alturas de 6 m. (Ver figura 1.4)

Figura 1.4 Pilas Estáticas




1.2.1.4 Reactores Cerrados

El compostaje en reactores cerrados aunque precisa de costos elevados de inversión

proporciona el mayor control de proceso y tiene varias ventajas sobre los sistemas abiertos. Los

reactores cerrados se equipan, generalmente, con mecanismos combinados, diseñados para

permitir frecuentes sino continuas mezclas de residuos (Tambores rotatorios, tanques o

cámaras de mezcla). La mezcla genera la distribución del sustrato en la masa sometida a

compostaje, lo que conlleva a un mejor contacto con los microorganismos, incrementándose el

potencial de biodegradación.

1.2.2 Anaerobia

Se lleva a cabo en ausencia de aire y es una degradación de la materia orgánica, por medio de

una fermentación bacteriana productora de metano, en un recinto cerrado, caliente y en

ausencia de oxígeno.

Figura 1.5. Esquema general del proceso anaerobio




1.2.3 Vermicomposta

El vermicompostaje se define como: la técnica para la transformación de los residuos sólidos

orgánicos por medio de la cría masiva de lombrices, las cuales se alimentan de los mismos y

excretan un humus. Su objetivo es otorgar a la lombriz las condiciones adecuadas para que

logre una eficiencia óptima de producción, que generalmente está representada por la

obtención de un 60% de humus y 40% de biomasa.

Generalmente está constituido por dos componentes que son el recipiente y lecho en sí. El

recipiente puede ser casi cualquier tipo de recipiente, desde alguno casero hasta grandes

recipientes adaptados para tal efecto e incluso una zanja en el suelo. El lecho o cama puede

ser de algún material basándose en celulosa (por ejemplo, papel u hojas secas), que es lo más

recomendable ya que proporciona una adecuada retención de humedad, y aeración; sin

embargo este método solo logra producir en un área de un metro, 30 kg a un tiempo de 3

meses [5].

1.3 Biología del proceso de Compostaje

En general se puede afirmar que los microorganismos de interés en el compostaje son

organismos heterótrofos que utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y

desarrollan tejido celular a partir de nitrógeno, fósforo, carbono y otros nutrientes necesarios.

Los organismos responsables de la transformación biológica de los materiales orgánicos en

composta son hongos, bacterias y actinomicetos. Adicionalmente es común encontrar agentes

patógenos en las pilas de composta especialmente cuando se utilizan materiales orgánicos

como lodos de aguas residuales domésticas o algunos tipos de residuos agroindustriales [6].

1.4 Microbiología del compostaje

Durante el compostaje ocurren cambios cualitativos y cuantitativos en la microflora activa.

Algunas especies se multiplican rápidamente al inicio cambiando el medio ambiente y luego

desaparecen para permitir ser sucedidos por otras poblaciones de microorganismos. Lo anterior

es debido a factores selectivos tales como, el contenido de humedad, la disponibilidad de

oxígeno, pH, temperatura y la relación C/N(Carbono-Nitrógeno), que determinan la prevalencia

y sucesión de la población microbiana .




1.4.1 Bacterias

La mayoría de las bacterias en el proceso de compostaje son aerobias, aunque también existen

algunas especies facultativas dependiendo de las condiciones del ambiente en que ocurre la

biodegradación del sustrato. Las bacterias en el proceso de compostaje se pueden clasificar de

acuerdo al rango de temperatura en el que se desarrollan: mesófilas para temperaturas entre 20

a 40ºC y termófilas de 40 a 75ºC. Las bacterias son las responsables de la descomposición de

proteínas, lípidos y grasas a temperaturas termofílicas, así como de gran parte de la energía

calórica producida que conduce al incremento de temperatura en el material inicial.

1.4.2 Actinomicetos

Van a dar el olor característico a tierra ya que son especialmente importantes en la formación

del humus, son bacterias filamentosas, carecen de núcleo como las bacterias pero poseen

filamentos multicelulares como los hongos lo que los hace muy similares. Sus encimas les

permiten romper químicamente residuos ricos en celulosa, lignina, quitina y proteínas. Con

frecuencia producen antibióticos que inhiben el crecimiento bacteriano. Poseen forma alargada

con filamentos que se extienden como telas de araña grises, suelen aparecer al final del

proceso de descomposición en los primeros 10-15 centímetros de la superficie de a pila.

Los actinomicetos son un grupo considerado intermedio entre las bacterias procariotas más

primitivas y los hongos eucariotas. Su estructura es muy similar a la de los hongos presentando

un micelio ramificado, compuesto de hifas unicelulares de diámetro muy reducido y cuando

fructifican, este se divide en trozos pequeños, formando verdaderas cadenas igual que las

bacterias. Los actinomicetos pueden resistir condiciones adversas, para su nutrición

metabolizan toda clase de materia orgánica (glúcidos, almidones, alcoholes, ácidos orgánicos

etc.) generando proteasas, amilasas, lipasas etc. Forman ácidos orgánicos a partir de los

glúcidos y amoniaco a partir del nitrógeno orgánico. Comúnmente producen sustancias

antibióticas, las cuales pueden actuar sobre otras especies de actinomicetes, bacterias y

hongos. Algunas especies como los “Thermoactinomyces” pueden crecer a temperaturas de

68ºC y nunca inferiores a 45ºC, resistiendo las temperaturas que ocurren en el proceso de

compostaje.




1.4.3 Protozoos

Son animales unicelulares que se encuentran en las gotas de agua presentes en el residuo a

compostar, su aportación en la descomposición es mínima, obtienen su alimento de la materia

orgánica de la misma manera que las bacterias aunque pueden actuar también como

consumidores de hongos y bacterias.

1.4.4 Hongos

Los hongos son muy importantes en la descomposición de materia orgánica compleja y de la

celulosa que es una de las partes más resistentes de la materia orgánica, la que en algunos

materiales representa hasta el 60 % de la masa total. Los hongos se destruyen a temperaturas

superiores a 55ºC, aunque algunos permanecen en estado de latencia reactivándose en la

etapa de enfriamiento del compost.

1.4.5 Organismos Patógenos

Diferentes sustratos utilizados en el proceso de compostaje contienen organismos patógenos

que pueden afectar al hombre, a las plantas y a los animales. [7], afirma que los patógenos más

numerosos y peligrosos se encuentran en los lodos de las PTAR (plantas de tratamiento de

aguas residuales). De los diferentes residuos que se utilizan para formar compost, los residuos

vegetales son los que contienen menor número de organismos patógenos.

El compost obtenido en un proceso bien controlado minimiza el riesgo de presencia de

patógenos, debido a los siguientes factores.

La temperatura alcanzada

El tiempo del proceso

Liberación de amoniaco durante el proceso.

La relación temperatura -tiempo es el factor más significativo de la causa de la muerte de los

patógenos. En la tabla 1 se presentan las temperaturas y tiempos de exposición para la

destrucción de algunos agentes patógenos. Las columnas identificadas como A y B indican el

tiempo mínimo al que debe someterse el residuo dependiendo si está a temperaturas altas o

moderadas.




Tabla 1.1. Temperaturas y tiempos para la destrucción de patógenos [8].

Microorganismo

A B

Temperatura

°C

Tiempo

(min)

Temperatura

°C

Tiempo (min)

Salmonella tifosa 55-60 30 60 20

Salmonella sp 55 60 60 15-20

Shigela sp 50 60 60 15-20

Entamoeba histolitica 45 Pocos

segundos

55 Pocos segundos

Taenia 55 Pocos

segundos

- -

Larvas de Trichinella

spiralis

50 Pocos

segundos

60 Pocos segundos

Brucella Abortis 63 3 - -

Escherichia coli 55 60 60 15-20

Huevos de áscaris

lumbricoides

50 60 60 15-20

Microbacterias tuberculosis 66 15-20 - -

[7]. Martin,(1980)

1.5 Formación de la composta

La formación de la composta en cualquier proceso que se utilice, se lleva a cabo en diferentes

etapas que son: latente, crecimiento, termofílica y maduración (Figura 1.6). La humedad y

ventilación durante el proceso de compostaje son esenciales para maximizar la actividad

microbiana y por consiguiente el proceso en general. La primera se debe mantener siempre

entorno 40-60%, ya que el agua distribuye los nutrientes por la masa (C, N, P, K, B, Ca, Mg,

Na, etc.).

La ventilación debe ser adecuada sobre todo en las tres primeras etapas y con residuos densos

y ricos en N, pero nunca excesiva ya que al igual que el sol puede secar demasiado la pila de

materia a tratar. Si la selección inicial del residuo no fue adecuada o su área superficial es muy

reducida debido a que el tamaño de las partículas es excesivamente grande o pequeño, la

ventilación formara caminos preferenciales quedando otras zonas en ausencia de oxígeno.




Figura 1.6. Comparación de los tiempos de degradación de la materia orgánica.

1.5.1 Latente

Esta fase comienza tan pronto como se establecen las condiciones de composteo y es un

periodo de adaptación de los microorganismos presentes en los residuos. En ella los

microorganismos utilizan los azúcares, la celulosa simple, los aminoácidos y almidones

presentes en los residuos crudos, rompiendo los compuestos complejos para liberar nutrientes,

con lo que la cantidad de microorganismos comienza a incrementar. Debido a ésta actividad, se

comienza a incrementar la temperatura en la masa de residuos. Cuando se encuentran grandes

cantidades de material altamente putrescible, el periodo de latencia es muy breve.

1.5.2 Crecimiento

Es un periodo de transición entre la fase de latencia y la fase termofílica, en la que hay un

crecimiento exponencial de la cantidad de microorganismos y por tanto una intensificación de

actividad biológica. Dicha actividad se manifiesta en un incremento abrupto e ininterrumpido de

temperatura en la masa de residuos y si no se toman las precauciones correspondientes, la

temperatura puede alcanzar más de 70°C.




1.5.3 Termofílica

La temperatura continua ascendiendo hasta llegar a valores de 70ºC, las poblaciones de

bacterias y hongos mesofílicos mueren o permanecen en estado latente mientras que las

bacterias termofílicas, actinomicetos y hongos termofílicos encuentran su óptimo, generando

incluso más calor que los mesófilos.

La degradación de los ácidos obtenidos en la etapa anterior provoca el incremento del pH que

en un inicio es de 5.5 y alcanza un valor de 7.5 donde permanecerá casi constante hasta el final

del proceso, el color del compost se pone más oscuro paulatinamente y el olor original se

comienza a sustituir por olor a tierra. Es en esta etapa cuando comienza la esterilización del

residuo debido a las altas temperaturas, la mayoría de las semillas y patógenos mueren al estar

sometidos durante días a temperaturas superiores a 55ºC.

1.5.4 Maduración

Una vez que los nutrientes y energía comienzan a escasear, la actividad de los

microorganismos termofílicos disminuye, consecuentemente la temperatura desciende desde

los 70ºC hasta la temperatura ambiente, provocando la muerte de los anteriores y la reaparición

de microorganismos mesofílicos al pasar por los 40-45ºC, estos dominaran el proceso hasta

que toda la energía sea utilizada. El tiempo de maduración, está en función del substrato, las

condiciones ambientales y de operación, por lo que puede tomar desde unas cuantas semanas

hasta uno o dos años. En esta etapa la temperatura y pH se estabilizan, si el pH es ácido nos

indica que el compost no está aún maduro, los actinomicetos adquieren especial importancia en

la formación de ácidos húmicos y son frecuentemente productores de antibióticos que inhiben el

crecimiento de bacterias y patógenos.

El color del producto final debe ser negro o marrón oscuro y su olor a tierra de bosque, además

ya no se reconocen los residuos iniciales.

1.6 Parámetros que influyen en la elaboración de composta

Existen varios factores que se deben de cumplir para la elaboración de la composta ya que son

de vital importancia. Estas variables son: humedad, temperatura, aireación, pH, condiciones

climáticas, volteos y tamaño de partícula. A continuación se describirá la importancia de cada

parámetro dentro del proceso de compostaje [8].




1.6.1 Materia prima inicial

El tipo de materia inicial seleccionada en el proceso de compostaje incide en la calidad del

producto final obtenido, por lo que se hace necesario un análisis previo que permita establecer

características específicas del mismo, tales como contenido en materia orgánica biodegradable,

disponibilidad de microorganismos, pH, tamaño de partícula, contenido de nitrógeno, contenido

de humedad y contenido de sales. Diversos materiales son susceptibles de ser transformados

en el proceso de compostaje.

Pueden citarse como aptos los siguientes grupos de residuos:

Agropecuarios tanto de naturaleza animal como vegetal, incluyendo desechos líquidos

como los purines de cerdo.

Urbanos, de carácter sólido (basuras) o líquido (lodos de plantas de tratamiento de

aguas residuales)

Desechos de la madera, como el aserrín y las virutas.

Agro industriales, como azucareros, vinícolas, cafeteros, de conservas vegetales etc.

Es importante tener en cuenta, que la mejor opción al proyectar sistemas de compostaje es

elaborar mezclas binarias o ternarias con materiales de diferente origen que tengan

características complementarias. De este modo se consigue preparar sustratos con un equilibrio

en el contenido de nutrientes, microorganismos y propiedades físicas y químicas que favorecen

el proceso y permiten obtener una mejor calidad del compost [1].

1.6.2 Relación Carbono - Nitrógeno (C / N)

En el proceso de compostaje el carbono es la fuente de energía utilizada por los

microorganismos para la activación de sus procesos metabólicos, mientras que el nitrógeno, es

el material básico para la síntesis de material celular, por lo tanto la relación C/N es uno de los

aspectos más importantes en el balance nutricional del compost. Es deseable que la relación

C/N este en el rango de 25:1 a 50:1en la mezcla Inicial. Un exceso de carbono asociado a

valores altos de la relación C/N, limitan la síntesis de material celular por parte de los

microorganismos disminuyendo su crecimiento y retardando el proceso de estabilización de la

materia orgánica. Si por el contrario, la pila está compuesta de elementos ricos en nitrógeno se

puede presentar solubilidad y posterior pérdida de este compuesto en forma de amoniaco

gaseoso, lo que no es conveniente ya que en el material final se pierde este valioso elemento.

La relación C/N se considera como un indicador del grado de avance del proceso, así al inicio




del proceso esta relación debe ser del orden de 30:1 y al final cuando se alcanza la maduración

del compost puede ser de 10:1. En la tabla 1.2 y 1.3 se observan algunos valores

característicos.

Tabla 1.2. Relación de moléculas del carbón-nitrógeno.

Relación carbono: nitrógeno

Hojas secas 40-80:1

Papel 170:1

Residuos vegetales 15:1

Paja 80:1

Estiércol 35:1

Madera 500:1

[9]. Tchobanoglous G.,(1993).

Tabla 1.3. Materiales que contienen carbón y nitrógeno.

Materiales con alto contenido de carbón y nitrógeno

Carbón Nitrógeno

Hojas secas Grama

Papel Cascarones de huevo

Viruta Borra de café

Aserrín Desperdicios vegetales

Bagazo de caña Desperdicios frutales

Cascara de maní Estiércol de animales de finca

[10] Marcos Arturo Rodriguez, Ana Cordova.(2009),

1.6.3 Humedad

El control de humedad es un factor importante en el desarrollo del proceso de compostaje ya

que influye en el crecimiento bacteriano, debido a que los microorganismos requieren agua para

cumplir con sus necesidades fisiológicas y no pueden sobrevivir en ausencia de esta.

El contenido óptimo de humedad de los materiales para el compostaje es 50-60%. Cuando el

contenido de humedad está por debajo del 30% en peso, las reacciones biológicas en una pila

de compost se retardan considerablemente y la elevación de temperatura se limita; por debajo

del 12%, cesa prácticamente toda actividad biológica, siendo el proceso extremadamente lento.




En contraste una humedad superior al 60% causa la saturación de la materia orgánica, todos

los espacios vacíos son ocupados por el agua, desencadenando olores desagradables,

descenso de la temperatura, lavado de nutrientes y prevalencia de condiciones anaeróbicas. En

los procesos aeróbicos el contenido de humedad está estrechamente relacionado con los

requerimientos de oxígeno. Si el contenido de humedad es demasiado alto los espacios entre

las partículas del material se saturan de agua, impidiendo el movimiento de aire dentro de la

pila.

1.6.4 Temperatura

Una considerable cantidad de calor se genera en la fermentación aeróbica de los residuos y es

retenida por una propiedad aislante, consecuentemente hay un aumento apreciable de la

temperatura en la masa orgánica. Generalmente, en las primeras 24 horas de digestión se

alcanzan temperaturas entre 45 y 50°C. Esta temperatura representa el límite superior para los

organismos mesófilos y una temperatura de 60 a 70°C, se obtiene después de dos a cinco días.

La declinación final de la temperatura es lenta e indica que el material ha sido digerido. Una

caída de la temperatura antes de la estabilización de la materia orgánica puede reflejar que

empieza la evolución hacia una digestión anaerobia.

Las temperaturas altas son necesarias para la destrucción de los organismos patógenos y las

semillas de diversas plantas, con lo cual se obtiene una composta de mejor calidad. La

temperatura óptima para la digestión aeróbica varía entre 50 – 70ºC, siendo probablemente los

60°C, la temperatura más satisfactoria. No es conveniente sobrepasar los 70°C por un período

prolongado, debido a que se reduce el número de organismos termófilos que activamente

actúan en el proceso de descomposición.

1.6.5 Aireación

La aireación es necesaria para aportar el oxígeno necesario para los microorganismos

involucrados en la degradación del material a compostear, puede ser natural o forzada. La

primera se realiza mediante volteos periódicos del material para remover la fase gaseosa y

capturar aire en los poros. En la aireación forzada, el material se mueve y se hace pasar aire a

través de él.

Dentro de los sistemas de aireación forzada se encuentran los de ventilación a presión y la

inducida por vacío. Puede recircularse el aire con su consecuente sofisticación en el control.

Con aireación natural al hacer los volteos, se puede romper el inicelio que se ha desarrollado




por lo que se busca un compromiso entre necesidades físicas y biológicas: no dejar de voltear

para evitar zonas de anaerobiosis, pero no remover demasiado el material de modo que los

hongos o actinoinicetos no puedan invadir el material. La aireación es básica para la

descomposición termofílica de los residuos, con el propósito de lograr una rápida

transformación sin malos olores. La frecuencia de la aireación o número total de vueltas de la

pila del material en transformación, depende principalmente del contenido de humedad y del

tipo de material. El aire suministrado en un proceso de compostaje cumple cuatro propósitos

fundamentales:

1) Satisfacer la demanda de oxígeno necesaria para la descomposición del material

orgánico presente en el material compostado.

2) La cantidad de oxígeno presente en el proceso de compostaje limita la velocidad de

descomposición de los residuos ya que este es necesario para la respiración de los

microorganismos aerobios y para oxidar determinadas moléculas orgánicas de la masa

de fermentación, por ende es un factor determinante en la calidad del compost final.

3) Una transferencia deficiente de oxígeno, lleva a la sustitución de los organismos

aerobios por anaerobios, lo que retarda el proceso en tiempos hasta de cuatro a seis

meses. Adicionalmente se presentan problemas relacionados con la generación de

olores.

4) Regular el contenido de humedad del sustrato a través del secado:

El aire suministrado en el proceso arrastra parte de la humedad del material sometido a

compostaje, ayudando a su secado. Este fenómeno es importante especialmente cuando se

utilizan materiales de elevada humedad como lodos de Plantas de Tratamiento de Aguas

Residuales. Remoción del calor generado durante la descomposición orgánica con el propósito

de controlar el proceso de aumento de temperatura. Un aumento incontrolado de la temperatura

influencia la actividad microbiológica en el proceso de compostaje, ya que este depende de la

evolución completa de todo un ecosistema microbiano y no de una especie única, por ejemplo a

temperaturas superiores a 70ºC afectan a las bacterias termofílicas lo que no es benéfico para

completar el ciclo del compost. El aire suministrado previene la anterior situación.




1.6.6 Potencial de Hidrógeno (pH)

El valor del pH óptimo para el compostaje está entre 6.5 y 8.0. Si el grado de descomposición

no es adecuado, el pH puede caer a valores entre 4 – 5, retrasándose el proceso. El pH del

material fermentado varía en el desarrollo del proceso así: durante los primeros días del

compostaje el pH cae a 5 o menos. Durante esta etapa el material orgánico se encuentra a

temperatura ambiente, comienza la reproducción de microorganismos mesofílicos y sube

rápidamente la temperatura. Entre los productos de esta etapa inicial están los ácidos orgánicos

simples que causan la caída del pH. Después de aproximadamente tres días, la etapa llega a la

temperatura termofílica y el pH debe subir de 8 a 8.5 unidades. El pH cae ligeramente durante

la etapa de enfriamiento y llega a un valor entre 7 a 8 en el compost maduro.

1.6.7 Mezcla / Volteo

La mezcla inicial de los residuos orgánicos es esencial para incrementar o disminuir el

contenido de humedad hasta un óptimo. La mezcla es utilizada para obtener una distribución

más uniforme de nutrientes y microorganismos. El volteo es uno de las labores más importantes

para generar el compost, ya que éste debe mantener la actividad aerobia. La frecuencia del

volteo depende del contenido de humedad, las características de los residuos o las necesidades

del aire, no se puede especificar un número de volteo mínimo ya que depende de los factores

explicados con anterioridad.

1.6.8 Condiciones climáticas

Las condiciones climáticas que influyen en el proceso de compostaje son: la temperatura, el

viento y la lluvia, fundamentalmente cuando se realiza a la intemperie. El viento fuerte tiene

doble efecto sobre el proceso; baja la temperatura y aumenta la evaporación, y

consecuentemente el secado del material, en especial en el frente de la pila que azota el viento.

La lluvia no tiene un efecto importante en el proceso siempre y cuando las pilas o camellones

sean redondeados para permitir que el agua escurra por la superficie y el terreno tenga un

drenaje apropiado. Si las lluvias son muy densas acompañadas de fuertes vientos logran

penetrar de 30 a 40 cm en el material, pero este efecto adverso se vence por medio de las

vueltas sucesivas. Sin embargo no se considera conveniente efectuar el volteo en un momento

de lluvia por que el material se humedecerá demasiado, y afectará la aireación.




1.7 Características del producto

Es un producto negro (Pardusco) homogéneo; de forma granulada sin restos gruesos, también

es considerado como un producto húmico y cálcico; también es definido como un fertilizante

orgánico (natural) que aporta oligoelementos al suelo. Se obtiene por la descomposición

progresiva de los restos vegetales y animales que se van depositando en el suelo debido a la

acción saprofita de hongos y bacterias; también puede obtenerse por la fermentación controlada

de los residuos sólidos domiciliarios o la fracción biodegradable de los residuos sólidos urbanos

(RSU).

Tabla 1.4. Composición Media del abono orgánico en % [1].

*MO Total 36.000

MO Oxidable 8.000

N2 Total 0.550

P2O5 Total 0.300

K2O Total 0.240

Cal Total 7.000

Mg Total 0.015

Oligo elementos Diversos

Humedad Máxima 64.00

pH 7.5

Tabla 1.5. Abono Orgánico vs Estiércol en % [9].

Elemento Abono orgánico

(HUMITEC)

Estiércol

Humedad 64 70.000

Materia-Orgánica >70 18.000

Nitrógeno 1.65 0.500

P2O5 0.9 0.300

K2O 2.5 0.600

CIC meq/100g** 59 ND***

Fe 18.4 0.060

Mg 0.4 0.200

Mn 189 0.004

Ácido Húmico >60 ND***

Retención de Humedad 84% ND***

Espacio Poroso 81.7 ND***

* Materia Orgánica Total

** Capacidad de Intercambio Catiónico

*** No Determinado




1.7.1 Fisiología vegetal

La aplicación de la composta en el suelo agrícola provoca alteraciones benéficas, entre las

cuales cabe destacar la mejora de la estructura a causa de la separación de los materiales

arcillosos y la agregación de los arenosos. Aumenta la porosidad del suelo, lo que permite la

permeabilidad del agua y su aireación. Eleva la capacidad de retención de agua, mantiene la

temperatura del suelo, aumenta la cantidad y diversidad de los hongos, actinomicetos, bacterias

aerobias, celulolíticos, lo que favorece la formación de micorrizas. Aumenta la actividad de

diferentes enzimas como la deshidrogenasa, la glucosidasa, la ureasa, la proteinasa, amilasa,

etc.

Al presentar pH cercanos a la neutralidad, la composta aumenta el pH de los suelos ácidos, lo

que favorece la absorción de los nutrientes por parte de la planta y evita que la planta asimile

elementos contaminantes, y en suelos básicos no genera mayores alteraciones. Aumenta los

niveles de hierro, manganeso, cobre, zinc y boro de los suelos calcáreos y aumenta la

resistencia de las plantas a las plagas y agentes patógenos. La composta actúa como un

regulador de elasticidad a través de su efecto amortiguador de cargas y a su acción

estabilizante de la estructura, por lo que ayuda a luchar contra la compactación y la erosión de

los suelos. La adición de enmiendas orgánicas a los suelos desciende su densidad aparente

entre un 5 a 40 % y puede dar lugar al incremento en la porosidad, llegando a ser del 5 al 45 %

dependiendo de la dosis y origen de la composta. La aplicación de enmiendas en la superficie

de los suelos impide que este se selle como consecuencia de las gotas de agua, por lo cual se

mejora la infiltración, se reportan datos de hasta 36% y una disminución de la escorrentía de

hasta el 75%. De igual forma se aumenta el agua útil entre un 30 y 65% La capacidad de

intercambio catiónico se ve mejorada por la mayor cantidad de MO. Todas estas mejoras en las

propiedades del suelo repercuten directamente en la producción y crecimiento de los cultivos.

Desde el punto de vista de la Fisiología vegetal surge la noción del termino de dualidad suelo-

planta que equivale a decir que no basta con atender las exigencias de los vegetales sino que

es preciso, además suministrar al suelo aquellos materiales imprescindibles para mantener y

mejorar sus características, es decir, el suelo debe mantener armonía con las condiciones,

físicas, químicas y biológicas, y para ello es absolutamente necesario que contenga la cantidad

necesaria de humus. Quedando claro que la materia orgánica no puede ser reemplazada por el

abono mineral ya que ambos se complementan.

Es de hacer notar que sin humus, no hay vida en el suelo y esto es debido a que éste realiza

una acción Física, Química y Biológica como se describe a continuación:




1.7.2 Acción física

Da cuerpo a las tierras ligeras evitando la formación de costras; facilita el laboreo, mejora la

aireación de las raíces, aumenta la capacidad de retención del agua economizando su uso,

regula la permeabilidad y drenaje de los suelos.

1.7.3 Acción química

El Humus con la arcilla forma un complejo húmico-arcilloso que funciona como regulador de la

nutrición vegetal, aumenta la capacidad de intercambio de iones, economiza, y hace más

asimilables los abonos minerales, aminora la retrogradación del Potasio; mantiene al Fósforo en

estado de asimilación para la formación de complejos fosfo-húmicos; cura y previene la clorosis

férrica. Se aconseja su uso en la fruticultura porque proporciona gas carbónico que fomenta la

solubilidad de los elementos minerales, permitiendo obtener productos de mejor sabor, con

mayor capacidad de conservación y mayor resistencia en el transporte. Es de hacer notar, que

también contienen partículas coloidales ionizadas con propiedad de atraer iones a la superficie,

haciendo absorbibles los iones fertilizantes mediante las raíces, desempeñando al mismo

tiempo el papel de nutrientes de almacén y regulador del pH. También le confiere al suelo una

estructura estable dado que su composición en celulosa es del orden del 12%.

1.7.4 Acción biológica

El Humus revitaliza el suelo al aportar micro-organismos que viven a sus expensas y lo

transforman aumentando la resistencia de las plantas a todo tipo de enfermedades, está exento

de semillas y malas hierbas debido a las altas temperaturas que soporta durante la

fermentación eliminando cualquier riesgo de contaminación durante su obtención (manufactura),

requiere mucho menos espacio (área) de proceso que los tiraderos municipales; no genera

lixiviados o fauna nociva. Su máxima rentabilidad se obtiene a partir de las 500 Ton/mes.

1.8 Beneficios

El compost orgánico brinda beneficios debido a que es un acondicionador de suelos con

características húmicas, libre de patógenos y malezas, el cual no atrae insectos, el cual puede

ser manejado y almacenado sin riesgo y benéfico al crecimiento de las plantas. Se han

identificado tres funciones fundamentales del compost al aplicarse en suelos:




1. El compost puede servir como fuente de materia orgánica para mantener o ayudar a la

formación del humus del suelo.

2. El compost puede mejorar el crecimiento de cultivos en la agricultura comercial y usos

domésticos debido a contiene valores apreciables de nutrientes como nitrógeno, fósforo

y una variedad de elementos traza esenciales.

3. El compost reduce los patógenos que atacan a las plantas y aumentan la resistencia a

las enfermedades.

Entre los numerosos campos de aplicación del abono orgánico, mencionaremos los siguientes:

abonado de frutales , abonado de olivares, abonado de viñas, cultivos hortícolas, cultivo de

remolacha, cultivo de gramíneas, floricultura, jardinería. Se puede obtener por medios rápidos y

económicos, una ventaja adicional es el que no siempre se puede obtener un abono orgánico

homogéneo en términos de sus componentes por la diversidad de insumos usados en su

producción y el método usado.




CAPÍTULO 2 MÉTODOS Y MODELADO

La problemática que plantean los RSU como consecuencia de su incremento y de sus

implicaciones en la contaminación ambiental, así como el agotamiento de los recursos

naturales, hace que sea esencial la búsqueda de caminos para su gestión correcta desde el

punto de vista ambiental y socio-sanitario. La optimización del proceso de compostaje consiste

en el seguimiento y control de los parámetros operativos como son: temperatura, pH, humedad,

materia orgánica, relación C/N, aireación, condiciones climáticas, volteos, y tamaño de

partícula.

Se justifica el montaje de una instalación de compostaje orgánico con el objetivo impedir que los

desechos se conviertan en peligro para la salud humana, teniendo en cuenta la cantidad de

residuos a tratar, y los problemas de heterogeneidad en la composición de los residuos, con la

finalidad de disminuir el porcentaje de residuos que son llevados a los rellenos y utilizar este

medio para recuperar espacios de áreas verdes, etc. Para llevar a cabo este proceso fueron

seleccionadas las regiones de Jaltepec, Axapusco Estado de México y Prados Sur, Tultitlán,

Estado de México.

2.1 Ubicación

Se ubica un punto de producción, el cual se encuentra en Jaltepec, Axapusco, se localiza al

nor-oriente del Estado de México y forma parte del Valle de Teotihuacán. Por otro lado, el lugar

donde se realizan pruebas, se encuentra en Prados Sur, Tultitlán, que se localiza en la parte

norte-central del Estado de México y pertenece a la región II del mismo.

2.2 Condiciones del proceso

El diseño metodológico que se llevó a cabo como más adecuado, parte de una situación

teórico-práctica que permite un proceso de compostaje aerobio.

En la figura 2.1 se representa el proceso de compostaje paso por paso. En etapa de

Maduración se puede mejorar la velocidad de crecimiento si se mantiene la Temperatura óptima

de crecimiento de los microrganismos, el %Humedad y la aireación, es por ello que en el

presente trabajo se desarrolló un sistema de control y monitoreo en dicha etapa del compostaje.




Figura 2.1 Diagrama general de proceso

A continuación se describen los aspectos generales del diagrama de bloques.

2.2.1 Acopio de la materia prima

Para la producción de composta en la comunidad de Jaltpec, Axapusco Edo. de Méx. Se utilizó

excreta de borrego, desechos orgánicos y maderosos, las cantidades se describen en la tabla

2.1. Posteriormente se llevó a cabo una corrida en la colonia Prados de Ecatepec, Edo. De Méx.

Utilizando diversos tipos de excretas.

Tabla 2.1 Material orgánica utilizada

.

2.2.2 Mezcla de los insumos

Acopio de materia prima

Mezcla de insumos

Humectación

Volteos Maduración Cribado

Envasado Venta

Material Cantidad (Ton)

Excreta 7

Desechos de jardín 2.5

Desechos vegetales 2.5

Desechos frutales 2.5

Aserrín 4

Hojas secas 1.5




La excreta de borrego, desechos orgánicos y maderosos, se mezclaron manualmente con

ayuda de una pala hasta lograr un mezcla homogénea, para asegurar igualdad de condiciones

del proceso.

2.2.2.1 Diseño y montaje de las pilas

Una vez realizada la mezcla de los insumos, se formaron pilas con forma cónica, esto para

tener una mejor conservación de calor en la mezcla, las dimensiones de la pila fueron de 1.5 m

de alto, 2.5 m de ancho y 12 m de largo.

2.2.3 Humectación

Al inicio del proceso se tiene una humedad del 80% (el agua que se incorpora depende de la

humedad que contenga la materia prima) a la mezcla tomando el agua de la toma municipal y

con ayuda de un higrómetro se monitorio el porciento de humedad. Se observó durante el

monitoreo de la temperatura que cuando las pilas estaban humectadas la temperatura iba en

aumento y al disminuir el porciento de humedad la temperatura disminuía.

2.2.4 Volteos

Los volteos se realizaron de forma manual con palas, a una frecuencia de 7 días cada volteo

esto se realizó para tener una homogeneidad de la temperatura y humedad así como para

mantener aireada las pilas.

2.2.5 Maduración

En la primer semana de la etapa de maduración, la temperatura fue de 25 °C (temperatura

ambiente en la comunidad donde se ubica la producción) y una humedad del 80%, al principio

de la segunda semana, la temperatura alcanzo un máximo de 60°C y una humedad del 40%

debido a que no se tuvo un control sobre estos parámetros, a la tercer semana se obtuvo una

temperatura de 45°C y humedad de 40%, y finalmente durante la última etapa la temperatura y

la humedad decrecieron debido a que la materia orgánica se había degradado en su totalidad,

adquiriendo la composta una temperatura ambiente y una humedad del 30%.

2.2.6 Cribado




Esta etapa se realizó con una criba para dar un tamaño de partícula pequeño de alrededor de

1mm, también para darle presentación, y evitar cualquier tipo de impureza como vidrio,

plástico, piedras, etc.

2.2.7 Envasado

Se envasa de acuerdo a las necesidades del cliente y estas son en presentaciones de 1, 5, 10,

20, 30 y 50 Kg.

2.2.8 Venta

El producto se vende a invernaderos, agricultores, amas de casa, jardineros, etc.

2.3 Monitoreo de las pilas

Desde el inicio del proceso se hizo seguimiento a variables como temperatura, pH, y humedad.

Para medir la temperatura se usó un termómetro bimetálico de carátula. Se escogieron 5 puntos

en cada pila para tomar la temperatura, uno en el centro y cuatro a los lados. La temperatura se

midió cada semana hasta que estabilizó, mientras que para la humedad se utilizó un higrómetro

y al igual que la temperatura, la humedad se monitorio hasta que alcanzo el 30%.

Tabla 2.2 Estudios de la aplicación de monitoreo de procesos de compostaje

Autor y año Método Condiciones Principales Resultados

A. Vergnoux, M. Guiliano,

Y. Le Dréau, J. Kister, N.

Dupuy, P. Doumenq.

Espectroscopia

de infrarrojo

cercano.

El proceso de

compostaje se inició

en febrero y terminó

en Julio. Al principio,

las temperaturas

ambientales podrían

disminuido por

debajo de 0°C, pero

no hay temperaturas

extremas fueron

capaces de afectar

el proceso de

compostaje.

Dos principales

Las temperaturas de la composta

dentro de los montones dan un

enfoque indirecto de OM madurez.

Los resultados muestran que

aumentó rápidamente hasta 70°C a

partir de la primera semana. A

continuación, la temperatura era de

más o menos estable durante los

dos primeros meses. Después de

dos meses, la temperatura

disminuyó más rápidamente hasta

40°C.

Observe que la disminución en la

tercera semana podría explicar por




lluvias se produjeron

en la mitad del

proceso, en mayo y

junio.

la primera calle.

Después de las primeras lluvias

(semana 11), las temperaturas más

llegó a 60°C. A continuación, la

temperatura se redujo ligeramente y

aumentó de nuevo después de la

segunda lluvia.

E. Ccopa Rivera, F. Farias Junior, D. Ibraim Pires Atala, R. Ramos de Andrade, A. Carvalho da Costa, R. Maciel Filho

Red neuronal

perceptron

multicapa.

Ocho experimentos

por lotes a cabo en

el intervalo de

temperatura de 30 -

38°C se utilizan para

desarrollar los

sensores de

software. Otros dos

conjuntos de datos a

36,8 y 31,2°C se

utilizan después

para la prueba de

validación y de

predicción,

respectivamente.

Materiales y

métodos analíticos

para la

determinación de las

concentraciones de

biomasa, bioetanol.

Mediciones en línea

se llevaron a cabo

en el biorreactor y

se almacenan en el

ordenador a través

de una tarjeta de

adquisición de datos

asociado a un

software de gestión

aplicación

implementada en

LabVIEW.

Los resultados de las pruebas de

predicción del sistema de sensor

basado en software demostraron un

crecimiento exponencial que

después llega a una meseta en

crecimiento de temperatura

descendiendo en la curva y después

estabilizándose. En el caso de la

predicción de la biomasa empieza un

gran aumento y después disminuye

gradualmente la materia de la cual

se alimentan los microorganismos.

Para la predicción de la generación

de bioetanol en el reactor se

obtuvieron resultados dispersos sin

embargo después el crecimiento se

estabiliza logrando una aproximación

en los valores que concuerda con la

de los lotes antes muestreados, el

software del sensor tiene un buen

acuerdo con el experimento de datos

y no se ha visto afectada por el ruido

de cualquier entrada.

*[13] A. Vergnoux, M. Guiliano, Y. Le Dréau, J. Kister, N. Dupuy, P. Doumenq., [14] E. Ccopa

Rivera, F. Farias Junior, D. Ibraim Pires Atala, R. Ramos de Andrade, A. Carvalho da Costa, R.

Maciel Filho

A continuación las gráficas describen tanto el comportamiento ideal como experimental de los

parámetros temperatura y humedad.




0 5 10 15 20 25 30 35

20

30

40

50

60

70

80

Hu

me

da

d [%

]

Dias

Ideal

Experimental

Figura 2.2 Comparación de las mediciones de humedad realizadas en Jaltepec, Axapusco

Estado de México y la humedad ideal del proceso.

0 5 10 15 20 25 30 35

20

30

40

50

60

70

Te

mp

era

tura

(K)

Dias)

Ideal

Experimental

Figura 2.3 Comparación de las mediciones de temperatura realizadas en Jaltepec, Axapusco

Estado de México y la temperatura ideal del proceso.

2.4 Selección de los parámetros a controlar




Se decidió controlar la temperatura y humedad, debido a que juegan un papel importante para

el desarrollo de la vida microbiana, ya que los microorganismos que participan en la

biodegradación de la materia necesitan una temperatura de entre 60 a 70ºC y una humedad de

40 a 80% dependiendo de la fase en la que se encuentre el proceso es por ello que se justifica

el control de dichos parámetros, para así maximizar la actividad microbiana y por lo tanto el

proceso en general.

2.5 Normatividad

Las leyes en materia de medio ambiente y, en particular, sobre los RSU en los gobiernos de los

estados, se encuentra en proceso de desarrollo, y ya se han elaborado e instrumentado leyes

de protección al ambiente en las 32 entidades federativas, donde se aborda la problemática de

los residuos en mayor o menor medida. Sobresale la labor en cuatro entidades federativas que

han publicado recientemente leyes relacionadas con los residuos y la composta. El Distrito

Federal (DF) publico la Ley de Residuos Sólidos en 2003 que, en su capítulo II del título quinto,

establece solo normas generales para la composta. Entre estas, se destaca que el reglamento

de esta ley debe identificar las particularidades de los diversos tipos para su donación o

comercialización. En el año de 2005 se publicó la “Ley de Prevención y Gestión Integral de

Residuos del Estado de Querétaro”.

“La composta que se produzca no deberá contener objetos punzocortantes, ni concentraciones

de metales tóxicos que representen un riesgo, por lo cual deberá prepararse a partir de materia

orgánica que no haya sido mezclada con otros residuos, y ser lo suficientemente estable como

para poder ser almacenada o aplicada a los suelos sin crear molestias, problemas ambientales

o peligros para la salud.”[10].

En el Estado de México (EM) se ha publicado el nuevo Código de Biodiversidad que regula

diversos aspectos relacionados con el medio ambiente; la Norma Técnica Estatal Ambiental

NTEA-006-SMA-RS-2006. Que establece los requisitos como son el dimensionamiento de la

oferta de residuos orgánicos y de la demanda de composta; el desarrollo de guías técnicas,

criterios de calidad y medidas para prevenir riesgos; así como la planeación, infraestructura,

recursos y difusión de un programa de aprovechamiento de residuos, para la producción de los

mejoradores de suelos elaborados a partir de residuos orgánicos, publicada en el Periódico

Oficial "Gaceta del Gobierno" del Estado de México el 9 de octubre del 2006, [11].

2.6 Modelado del sistema de humedad y temperatura




El objetivo de este capítulo es establecer la dinámica del sistema, para analizar su respuesta

tanto en estado transitorio como permanente, es necesario realizar su modelo matemático de

acuerdo a las leyes que rigen el comportamiento de los procesos térmicos.

2.6.1 Principios de la termodinámica

Si definimos un sistema termodinámico como cualquier porción del mundo físico separado

por paredes, el cual, puede ser abierto si intercambia materia, energía o información con

sus alrededores, semiabierto, si intercambia no todas las cosas anteriormente

mencionadas; y cerrados, si no intercambian ninguna de las tres.

La termodinámica es la ciencia que trata el estudio de comportamiento de estos sistemas. La

ley cero establece que todo sistema tiene una ecuación de estado que relaciona sus

variables de estado, con una variable de estado denominada temperatura.

F(X, Y, ….) =T (2-1)

Donde X,Y,…, son variables de estado del sistema y T es la temperatura del mismo. La

primera ley establece que en todo sistema existe una variable de estado denominada

energía interna U, que el calor Q es una forma de energía y que existe una relación entre

U y Q con el trabajo que realiza (o se realiza en) el sistema:

dU + dW = dQ (2-2)

De esta ecuación se harán las siguientes observaciones:

Es una ecuación en la que se expresa la conservación de la energía.

Que el trabajo y el calor no son variables de estado del sistema.

Asimismo, la segunda ley de la termodinámica establece que existe una variable de

estado que se denomina entropía S que se relaciona con el calor de la siguiente manera:

(2-3)

Por lo tanto, la ecuación de la energía quedaría de la siguiente manera:

dU + dW = TdS (2-4)




Si el sistema es un fluido, que tiene un volumen V y una presión P como variables de

estado, entonces la ecuación anterior tiene la siguiente forma:

dU + PdV = Tds (2-5)

Esta ecuación representa una relación entre diferenciales, debido a que representa las

variaciones de las variables entre diferentes estados de equilibrio, infinitesimales, es decir, muy

cercanos. Estas últimas ecuaciones pueden ser representadas de otra manera, utilizando las

denominadas transformaciones de Legendre, otras variables de estado (tres más) entre ellas, la

que se considerará para el caso que nos ocupa, es la variable de estado denominada entalpía

H.

La entalpía se define de la siguiente manera:

H = U+PV (2-6)

Entonces, diferenciando, se tiene que:

dH = dU + PdV + VdP (2-7)

Pero se tiene que:

dU + pdV= dQ (2-8)

Por lo tanto, sustituyendo en la ecuación anterior se tiene que:

dH = dQ+VdP (2-9)

En procesos, a presión constante, como los tratados en el presente trabajo, se tiene que:

dP=0 (2-10)

Por lo tanto:

dH = dQ (2-11)

Es decir, la entalpía representa la cantidad de calor introducido al sistema desde una fuente

externa, lo cual explica el nombre de “calor total”, que se le da. Como puede observarse, si




cada uno de los miembros de esta ecuación se divide entre el incremento de temperatura que

ocurre en el sistema, cuando recibe calor, se tiene:

(2-12)

En donde Cp es la capacidad calorífica a presión constante. Par los fines de este trabajo, esta

ecuación también puede escribirse de la siguiente manera:

(2-13)

Se puede observar que si se dividen ambos miembros de esta ecuación entre la masa m del

sistema, entonces esta ecuación mostraría que la entalpía específica entre la temperatura en

igual al calor específico. Antes es necesario considerar tanto la masa de la composta, como el

fluido calentador interaccionando entre sí. El fluido pasa a través de un sistema de calefacción,

lo cual provoca que su temperatura aumente, al absorberse el fluido por la masa de la

composta, también se logra un aumento de temperatura en esta. Así mismo, el sistema,

mantendrá una temperatura a un nivel aceptable para el funcionamiento del sistema.

Existe por lo tanto, un permanente intercambio de calor entre la masa de la composta y el

líquido calentador. Es precisamente para estos procesos de intercambio de calor, que se hace

necesario utilizar la entalpía, debido a que como ya se he señalado con anterioridad, que es

esta variable de estado termodinámica, la que representa el intercambio de calor entre un

sistema y sus alrededores.

2.7 Modelado del sistema




Para modelar el dispositivo de transferencia de calor, se recurre al esquema mostrado en la

figura 2.3, donde se representa esquemáticamente el flujo del fluido, implicado en el proceso:

Figura 2.4 Modelo del dispositivo de transferencia de calor.

Dónde:

qis= Flujo de entrada del fluido de servicio

Tis= Temperatura de entrada del fluido de servicio

qs= Flujo der salida del fluido de servicio

Ts= Temperatura de salida del fluido de servicio

Con base a este esquema, incluyendo las propiedades físicas del fluido de servicio (agua),

como las de la composta, así como sus magnitudes físicas como área y volumen, se encuentra

el balance térmico, lo que da origen al modelo matemático del sistema de transferencia de

calor. Sin embargo, para el tratamiento y simulación del proceso, se deben hacer las siguientes

suposiciones:

El líquido se considera homogéneo por lo cual la densidad y la capacidad calorífica es la misma

en todos los puntos donde fluye, y no cambia con la temperatura.

La masa del proceso es constante,

El área de transferencia de calor es constante.

El intercambiador de calor se considera aislado de las condiciones ambientales.

Ecuaciones de acuerdo a balance de energía.

Como se observa en la figura 2-4, intervienen en la transferencia de calor un fluido y la masa de

la composta, uno que cede calor y el otro que lo recibe, por lo cual, se debe hacer un balance




de energía para el sólido del proceso y otro para el de fluido de servicio tomando como base la

ecuación de balance de energía.

Balance de energía para la composta:

(2-14)

Dónde:

= Entalpía del fluido de proceso, [J/kg]

= Proceso (masa de la composta), [kg]

= Capacidad calorífica a presión constante,[J/kg K]

= Temperatura de inicial de la masa proceso, [K]

(2-15)

Dónde:

= Proceso (masa de la composta), [kg]

= Entalpía del fluido de proceso (agua), [J/kg]

= Capacidad calorífica a presión constante, [J/kgK]

= Temperatura de final del proceso, [K]

(2-16)

El signo positivo significa que la composta está absorbiendo energía interna.

Dónde:




= Coeficiente global de transferencia de calor, constante, [ J/ K s]

= Área de transferencia de calor, [

= Temperatura final de proceso, [K]

= Temperatura de salida del fluido de servicio.

(2-17)

Dónde:

= Volumen en el dispositivo de transferencia de calor del fluido de proceso,

= Capacidad calorífica a volumen constante, [J/kg K]

Realizando la sustitución de las ecuaciones (2-14), (2-15), (2-16) y (2-17) en la ecuación del

balance de energía, se tiene:

(2-18)

Se puede observar que existen dos incógnitas ( ) y una sola ecuación, por lo que es

necesario tener otra ecuación independiente, que es, la ecuación en estado dinámico para el

fluido de servicio, partiendo de la ecuación de balance de energía (como en el caso del solido

del proceso):

Balance de energía para el fluido de servicio.

(2-19)

Dónde:

=Flujo másico de entrada del fluido de servicio, [kg/s]

= Entalpía de entrada del fluido de servicio, [J/kg]

= Flujo de entrada del fluido de servicio, /s]

= Densidad del fluido de servicio, [kg/ ]

= Temperatura de entrada del fluido de servicio, [K]

= Capacidad calorífica a presión constante del fluido de servicio, [J/kgK]




(2-20)

Dónde:

= Flujo másico del fluido de servicio,[ kg/s]

= Entalpía del fluido de servicio, [J/Kg]

= Flujo de salida del fluido de servicio,[ /s]

= Temperatura de salida del fluido de servicio,[ K]


= Capacidad calorífica a presión constante del fluido de servicio, [J/kgK]

(2-21)

Dónde:

= Coeficiente global de transferencia de calor, constante,[ J/K s]

= Área de transferencia de calor, ]

= Temperatura de salida del fluido de proceso, [K]

= Temperatura de salida del fluido de servicio, [K]

(2-22)

Dónde:

= Capacidad calorífica a volumen constante del fluido de servicio, [J/kgK]

= Volumen en el intercambiador de calor del fluido de servicio, ]


De igual manera se sustituyen las ecuaciones (2-19), (2-20), (2-21) y (2-22) en la ecuación del

balance de energía obteniendo la siguiente ecuación:

(2-23)




Ahora se puede observar que ya se tienen dos ecuaciones y dos incógnitas, lo cual quiere decir

que el modelo es válido.

2.7.1 Linealización de ecuación

Las funciones de transferencia que se requieren se pueden obtener a partir de las ecuaciones

(2-18) y (2-23), pero debido a la no-linealidad del primer y último término del miembro izquierdo

de la igualdad de la ecuación (2-23), ésta se debe linealizar, para lo cual se utiliza la expansión

por series de Taylor para una función de dos variables, alrededor del punto (X,Y),

aproximándola a la primer derivada, en supuesto de que las diferenciales superiores, son tan

pequeñas que se pueden despreciar.

(2-24)

Teniendo entonces:

Para la ecuación (2-23), el primer término del lado izquierdo se linealiza de la siguiente manera:

(2-25)

Realizando las derivadas parciales se tiene que:

(2-26)

Y

(2-27)

Evaluando ambas para el punto de operación se tiene que:




(2-28)

Y

(2-29)

Además se tiene que:

(2-30)

Sustituyendo las últimas tres ecuaciones en la ecuación (2-25) se obtiene:

Por último se encuentra la linealización del primer término que queda de la siguiente manera:

Al ordenar términos se tiene que:

(2-31)

De igual manera se aplica el mismo procedimiento para la ecuación.

Obteniendo como resultado:

(2-32)

Por lo tanto, la ecuación (2-23) linealizada queda de la siguiente manera:




(2-33)

En el presente trabajo, el flujo de entrada y de salida del fluido r se considera el mismo.

Si se hacen las siguientes igualdades:

La ecuación queda de la siguiente manera:

(2-34)

Teniendo como variables desviadas:

2.7.2 Obtención de la función de transferencia

La obtención de la función de transferencia se logra a través de la relación de la entrada del

proceso entre la salida en el dominio de Laplace, para ello es necesario identificar en las

ecuaciones que modelan al proceso las variables en función del tiempo que son entradas y las

que son salidas. Estas son las siguientes:

Tabla 2.3 Definición de entradas y salidas

VARIABLE TIPO




Temperatura de entrada del fluido de proceso Entrada

Temperatura de entrada del fluido de servicio Entrada

Flujo del fluido de servicio Entrada

Temperatura de salida del fluido de proceso Salida

Para poder realizar el análisis de entradas y salidas del modelado planteado en el presente

trabajo es necesario realizar un diagrama de bloques el cual ilustre tanto las entradas del

sistema, como las salidas del mismo, tal y como se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.5 Diagrama a bloques del dispositivo de transferencia de calor.

Como se puede observar existen tres entradas (TIp(s) TiS(s), Qs(s)) y solo se considera una

sola salida (T(s)) por lo que podemos deducir que se pueden tener tres funciones de

transferencia que son las siguientes:

(2-35)

(2-36)

(2-37)

Se obtiene la transformada de Laplace de la ecuación (2-34):

(2-38)




Se despeja T(S) de la ecuación (2-38):

(2-39)

Normalizando la ecuación (2-39) a la forma característica de un sistema de primer orden se

tiene:

(2-40)

Dónde:

(2-41)

(2-42)

(2-43)

Haciendo el análisis dimensional para las constantes de tiempo y para las ganancias se

tiene que:

; [Segundos]

; [Sin dimensión].

; [Sin dimensión].

Sustituyendo las ecuaciones (2-41), (2-42) y (2-43) en la ecuación (2-40) se tiene:




(2-44)

Se obtiene la transformada de Laplace de la ecuación (2-44):

(2-45)

Normalizando la ecuación (2-45) se tiene:

(2-46)

De esta ecuación se tiene que:

(2-47)

(2-48)

(2-49)

(2-50)

Haciendo el análisis dimensional se tiene:




; [Segundos]

[K/m3s]

[Sin dimensiones]

[Sin dimensiones]

Sustituyendo estas igualdades se tiene:

(2-51)

Se sustituye la ecuación (2-44) en la ecuación (2-51) y se tiene:

(2-52)

Desarrollando el producto se tiene:

(2-53)

Se agrupan los términos T(S) en el miembro izquierdo de la igualdad:

(2-54)




Se realizan las operaciones de suma y resta en ambos miembros:

(2-55)

Como se puede observar tanto el término de la derecha como el de la izquierda están divididos

por , por lo tanto este factor se puede eliminar quedando la ecuación de la

siguiente manera:

(2-56)

Ahora, como se explicó anteriormente, el sistema tiene tres entradas, mismas que se

pueden ver en esta última ecuación, debido a eso se obtienen tres funciones de

transferencia, para ello, se toma en cuenta una entrada y las otras se consideran que valen

cero, para la primera función de transferencia se considera que es la entrada:

(2-57)

Teniendo ahora a como entrada:

(2-58)

Si se considera ahora a QS como entrada se tiene:

(2-59)

Para la obtención de la función de transferencia se ha despreciado la dinámica de las paredes

del intercambiador de calor, lo cual supone que ante cualquier cambio de temperatura o flujo

del fluido de servicio repercute directamente en la temperatura del flujo de proceso.

2.7.3 Simulación en lazo abierto




La simulación del proceso para encontrar el comportamiento dinámico de la temperatura de

salida de proceso se hace teniendo en cuenta solo el cambio en escalón del fluido de servicio

por lo que la ecuación a utilizar es la ecuación (2-47) (véase tabla 2-3).

2.7.4 Parámetros y condiciones del proceso

Para la simulación de la respuesta dinámica del proceso se toman los valores del sistema

tomando como referencia los patrones de mediciones realizadas prácticamente con

anterioridad, ya que se pueden emplear diferentes tipos de componentes para la composta, en

este caso en particular se plantean los siguientes valores.

Tabla 2.4 Definición de las variables del proceso

Capacidad calorífica de la composta (Cp, Cv) *10.6

Temperatura inicial de la composta 273

Volumen del proceso

Temperatura de entrada del fluido de servicio 373

Temperatura de salida del flujo de servicio 293

Densidad del fluido de servicio 1000

Capacidad calorífica del fluido de servicio (Cv,Cp) 15.32

Volumen del flujo de servicio 0.0127

Coeficiente global de transferencia de calor 50

Área de transferencia

*[12]

Para llevar a cabo la simulación del modelo matemático que describe el comportamiento de la

temperatura de salida, es necesario realizar un diagrama de simulación en la herramienta

Simulink® incluida en el programa MATLAB® que es el que se muestra en la figura 2-6 (Véase

Anexo A)

(2-60)




En esta figura 2.5 el bloque entrada es el flujo del agua de servicio con su respectivo valor de

entrada en escalón, como se menciona, en este caso se plantea una temperatura inicial del

proceso que es de 273°K, debido a que se trata de un calentador y si esta temperatura por

algún motivo no se controla de forma adecuada, el sistema no funcionara adecuadamente por

la falta de esta, la temperatura de entrada está representada por el bloque Tss el cual se suma

a la respuesta dinámica debido a la entrada en escalón.

Figura 2.6 Diagrama de bloques del modelado propuesto.

Entonces se tiene como respuesta del modelo propuesto la figura 2.7

Figura 2.7 Respuesta de la simulación del modelo matemático.

Cabe mencionar que el retardo de la función representa el tiempo que tarda en transferirse el

calor a través de la tubería del calentador. Este tiempo se determinó experimentalmente.

2.7.5 Obtención de la función de los elementos de medición




En la investigación se tienen determinados intervalos de lectura de los transmisores, esto es

con el fin de poder emplear cualquier transmisor que dentro de sus características cuente con

los intervalos aquí establecidos, únicamente se realiza un cambio en los límites de las

ecuaciones. Las entradas y salidas de un controlador son normalmente señales analógicas,

típicamente de 0-20 mA o de 4-20 mA. La razón principal para el uso de 4 mA en vez de 0 mA,

como límite inferior, es que muchos transmisores están diseñados para su conexión con dos

hilos. Esto significa que el mismo hilo es usado tanto para manejar el transmisor como para

transmitir la información desde el transmisor hasta el controlador. En este caso, no sería posible

manejar el transmisor con una corriente de 0 mA. Por otra parte, la razón principal del uso de

corriente en vez de diferencia de potencial es evitar la influencia de las caídas de diferencia de

potencial, debidas a la resistencia a lo largo del recorrido del hilo.

2.7.6 Transmisor de temperatura

Debido a las características del sistema, se propone un transmisor de temperatura cuyos

intervalos se puedan modificar de tal modo que el mínimo de temperatura que puedan registrar

sea de 273 con 4 mA a la salida y el máximo de temperatura de censado sea de 373°K con

20 mA a la salida. Para definir el comportamiento de un transmisor se emplea tanto su

comportamiento es lineal, como una señal mínima de 4 mA y una máxima de 20 mA. Tomando

en cuenta lo anterior se puede definir su comportamiento como una recta, de la cual se parte

para obtener su ecuación y posteriormente poder agregarla en la simulación del sistema de

control.

Se tiene la ecuación general de una recta.

(2-61)

Dónde:

(2-62)

En el caso del transmisor la pendiente está dada por:




(2-63)

Sustituyendo en (2-62)

(2-64)

Evaluando la ecuación en y =4; x =273 se tiene:

(2-65)

La ecuación del comportamiento del transmisor es:

(2-66)

Entonces es posible representar está a ecuación en forma del siguiente bloque con la

representación gráfica.

Figura 2.8 Representación en diagrama de bloques del transmisor de temperatura propuesto

Y=0.16x-39.68 Salida de

corriente ( Amp)

Entrada de temperatura

(273-373K)




260 280 300 320 340 360 380

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Co

rrir

nte

(m

A)

Temperatura (K)

Grafica 2.1 Comportamiento del transmisor de temperatura.

2.7.7 Transmisor de flujo

Para el caso del transmisor de flujo se emplea la misma característica de los transmisores para

poder variar su intervalo de operación dadas las suposiciones de los valores se tiene como flujo

máximo 0.00034 .

En el caso del transmisor la pendiente está representada por:

(2-67)


(2-68)


(2-69)




Por lo tanto la ecuación del comportamiento del transmisor es:

(2-70)

Teniendo su representación en diagrama de bloques como se muestra en la figura 2.9.

Figura 2.9 Representación en diagrama de bloques del transmisor de flujo propuesto

0.0 1.0x10-4

2.0x10-4

3.0x10-4

4.0x10-4

5.0x10-4

6.0x10-4

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Co

rrie

nte

(m

A)

Flujo m3/s

Corriente

Grafica 2.2 Comportamiento del transmisor de flujo.

2.7.8 Válvula de control de flujo

Para la obtención de la ecuación de la válvula de control se tomó como base el principio de una

ecuación lineal, ya que en este caso se plantea una válvula, la cual tenga una acción lineal

sobre el proceso, es decir al estar cerrada no dejara pasar nada de flujo, y al estar abierta

dejara pasar el flujo máximo del calentador. Por lo cual se obtiene las siguientes ecuaciones:

Y= x+4 Salida de corriente

(4-20 mA)

Entrada de

flujo ( )




(2-71)


(2-72)


(2-73)

Por lo tanto la ecuación del comportamiento del transmisor es:

(2-74)

Teniendo su representación en diagrama de bloques como se muestra en la figura 2.10.

Figura 2.10 Representación en diagrama de bloques de la válvula de flujo propuesta.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0.0

1.0x10-4

2.0x10-4

3.0x10-4

4.0x10-4

5.0x10-4

6.0x10-4

Flu

jo m

3/s

Corriente (mA)

Flujo

Grafica 2.3 Comportamiento de la válvula de flujo.

Y=0.00003375+ Entrada de corriente

(4-20 mA)

Salida de flujo

( )




CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN Y PROPUESTA CONTROL DEL SISTEMA DE

TEMPERATURA

3.1 Tipos de sistemas de control

Con base a su principio de funcionamiento, los sistemas de control pueden emplear,

información acerca del proceso, a fin de elaborar, estrategias de supervisión y control, En este

caso, se plantea una arquitectura de control de lazo cerrado.

3.2. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open loop)

Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual no existe realimentación, del proceso

al controlador. Su principal ventaja consiste en su facilidad para implementarlo, además son

económicos, simples, y de fácil mantenimiento.

Sus desventajas consisten en que no son exactos, no corrigen los errores que se presentan, su

desempeño depende de la calibración inicial.

Se representa a través del siguiente diagrama de bloques:

Figura 3.1 Diagrama de bloques de lazo abierto

3.3. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback)

Un sistema de control de lazo cerrado, es aquel en donde la señal de salida o parte de la señal

de salida es realimentada y tomada como una señal de entrada al controlador.

Existen dos tipos: de retroalimentación positiva, y de retroalimentación negativa.




Retroalimentación Positiva: Es aquella en donde la señal realimentada se suma a la señal de

entrada. Se conoce también como regenerativa, no se aplica en el campo de control de

procesos industriales.

Se representa a través del siguiente diagrama de bloques:

Figura 3.2 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación positiva

Realimentación Negativa: Es aquella en donde la señal realimentada, se resta de la señal de

entrada, generando un error, el cual debe ser corregido. Este es el caso común utilizado en el

campo del control de procesos industriales. Se representa a través del siguiente diagrama de

bloques:

Figura 3.3 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación negativa.

3.4 Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID)

Debido a la implementación de la arquitectura de control, es necesario un controlador industrial,

tal que permita manipular el sistema de acuerdo a la respuesta deseada, debido a las

condiciones en las que se encuentra el proceso, la implementación en un PLC parece ser la

mejor opción, por lo tanto, es necesario implementar una arquitectura de control basada en este

dispositivo, es por ello que resulta un PID la mejor opción para controlar las variables deseadas

del sistema. Este controlador permite manipular la respuesta del sistema mediante la adición de




un par de ceros y un polo, tiene una respuesta más rápida en estado transitorio y con una

respuesta en estado estacionario con un error menor en comparación con un controlador PI o

PD siempre y cuando, este bien sintonizado. A continuación se brindará una breve información

acerca de las diferentes acciones de control con las que cuenta el controlador PID.

3.4.1 Controlador proporcional (P)

Es un control que se basa en la ganancia aplicada al sistema, se basa en el principio de que la

respuesta del controlador deber ser proporcional a la magnitud del error. No corrige ni elimina

perturbaciones, puede atenuar o aumentar la señal de error. Se representa a través del

parámetro Kp y define la fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error.

Figura 3.4 Respuesta del control Proporcional.

3.4.2 Controlador integral (I)

Conocido como RESET. Este tipo de controlador anula errores y corrige perturbaciones,

mediante la búsqueda de la seña l de referencia, necesita de un tiempo Ti para localizar dicha

señal. Se representa mediante el término Ki que es el coeficiente de acción integral y es igual a

1/Ti.

Figura 3.5 Respuesta del control Integral.




3.4.3 Controlador derivativo (D)

Conocido como RATE. Este controlador por sí solo no es utilizado, necesita estar junto al

proporcional y al integral. Sirve para darle rapidez o aceleración a la acción de control. Necesita

de una diferencial de tiempo Td para alcanzar la señal de referencia, se representa mediante el

término Kd que es el coeficiente de acción derivativa y es igual a 1/Td.

Figura 3.6 Respuesta del control Derivativo

Conjuntando se tiene que en dominio de Laplace, la ecuación característica de un controlador

PID es:

3.5 Sintonización del sistema retroalimentado por Ziegler-Nichols

Se utiliza para sistemas que pueden tener oscilaciones sostenidas. Primero se eliminan los

efectos de la parte integral y derivativa. Después, utilizando solo la ganancia , por lo que se

debe hacer que el sistema tenga oscilaciones sostenidas. El valor de ganancia con que se

logre esto se llama ganancia crítica , lo que corresponde a un periodo crítico .

A continuación, empleando los valores calculados, es posible determinar los parámetros Kp, Ti

y Td a partir de la tabla 3.1.




Tabla 3.1 Valores de Kp, Ti y Td de acuerdo a la sintonización por Ziegler-Nichols

Tipo de controlador

P ∞ 0

PI

0

PID

Para llevar a cabo este método de sintonización se debe de hacer que Ti = ∞ y Td = 0. Usando

sólo la acción de control proporcional, incrementando Kp de 0 a un valor crítico Kr en donde la

salida exhiba primero oscilaciones sostenidas.

Por tanto, la ganancia crítica Kr y el periodo Pcr correspondiente se determinan

experimentalmente (véase la figura 3.7), en este caso para que el sistema oscilara fue

necesaria una ganancia critica Kr=84.7.

Figura 3.7 Oscilación del sistema retroalimentado.




Al realizar el análisis de las oscilaciones se obtuvieron los siguientes resultados:

0.6) (84.7) = 50.82

Figura 3.8 Diagrama de bloques en lazo cerrado con PID.




Figura 3.9 Respuesta del sistema en lazo cerrado.

Una vez calculados los datos de la ganancia proporcional, integral y derivativa, se realizaron

más pruebas para una mejor respuesta del sistema obteniendo la respuesta de la figura 3.8.

50.82




Figura 3.10 Respuesta afinada del sistema en lazo cerrado.

Los valores anteriormente mencionados son los necesarios para el sistema, si bien en un

sistema con respuesta más lenta, el máximo sobre impulso es alrededor del orden del 5% y

esto es indispensable ya que incrementos en la temperatura del sistema de compostaje influye

directamente en la calidad del crecimiento bacteriano (capitulo 1).




CAPÍTULO 4 IMPLEMENTACIÓN

4.1 Desarrollo del sistema

Debido a la funcionalidad de las tarjetas de adquisición de datos de National Instruments y

como apoyo académico por parte del Politécnico se decidió utilizar la NI-DAQ USB-6008 ya que

ofrece conexión a ocho entradas analógicas (AI) canales, dos salidas analógicas (AO), 12

canales de entrada / salida digital (DIO) canales, y un contador de 32-bit con una interfaz de alta

velocidad USB. Para el uso de la NI-DAQ 6008 se debe tomar en cuenta los siguientes criterios:

Que la USB-6008 tiene una resolución de 12-bit y un rango mínimo de +/-1 volt. La USB-6009

tiene 14-bit de resolución con un mínimo de rango de +/- 1 volt. Esto da una resolución de 480 y

122 , respectivamente. La respuesta estimada de los diferentes tipos de termopares puede

obtenerse de la tabla de termopares de NIST. Por lo tanto la USB-6008 solo puede medir

cambios de aproximadamente 2-3 grados Celsius dependiendo del tipo de termopar que esté

utilizando.

Figura 4.1. Diagrama de entradas y salidas del NI DAQ 6008.

Para este proyecto es necesario adquirir las señales de la humedad y la temperatura ya que

ambas se relacionan [13], se puede desarrollar un instrumento virtual en LabView, sin embargo

antes hay que definir un esquema que pueda representar de forma sistematizada el uso de

dicha herramienta.

Para el monitoreo de la temperatura se optó por utilizar un termopar tipo J debido a su

precisión y por el tipo de vaina que se necesita para ser sumergida en la pila de composta. En

el caso de la humedad se utilizó un sensor que funciona bajo el principio de conductividad




donde dependiendo de la conductividad de la tierra húmeda este capta las pulsaciones

eléctricas generadas por un timer y éste las transfiere al DAQ en forma de señales digitales.

A continuación se presenta el diagrama diseñado con las partes integrales que conforman el

sistema de adquisición de datos monitoreo y control del proceso. En el primero bloque tenemos

nuestro diagrama en lazo cerrado con 3 partes integrales el controlador con sus actuadores, el

elemento sensor y el proceso a controlar; en el segundo bloque se muestran los elementos que

conforman a los circuitos de acondicionamiento de la señales de nuestros sensores que en este

caso son la fuente de corriente, los amplificadores operacionales y la señal de PWM del LM555

estos principios de funcionamiento son la bases de nuestra arquitectura de adquisición de

datos; el tercer bloque lo representa la tarjeta de adquisición de datos NI-DAQ 6008 la cual

funciona como un pequeño SCADA (supervisory control and acquisition data) que recibe señal

de los sensores y al mismo tiempo manda la acción de control a los actuadores en este caso la

válvula solenoide; de este bloque deriva la HMI (human machine interface) la cual es nuestra

interfaz que nos permite monitorear y controlar el proceso desde la computadora utilizando

Labview. Para finalizar se tiene la parte de potencia que energiza con la suficiente potencia los

elementos finales de control que son la válvula que permite la apertura y cierre del sistema de

riego esta fase de potencia la integra el MOC3011 que permite utilizar la señal digital para

controlar dispositivos en corriente alterna.

Figura 4.2. Diagrama del sistema en bloques.




4.2 Descripción de la instrumentación del sistema

Considerando las variables que se van a monitorear el sistema se diseñó de tal forma que los

sensores estén colocados en puntos críticos donde se desarrolla más temperatura y donde se

concentra más humedad. Para el desarrollo del instrumento virtual primero se propuso los

sensores con relación al principio de funcionamiento [14].

4.2.1 Principio de funcionamiento del sensor de humedad

Se utilizó el circuito LM555 en forma estable. Se abre la línea que conduce entre el pin 7 y 6

que está conectada al pin de disparo. Cuando el circuito esta al aire (abierto) la línea ve una alta

resistencia, la cual es la del aire y por tanto quedará encendido un LED. Al estar la resistencia

con un material húmedo, el cual tendrá en paralelo la resistencia del aire con la del material

húmedo. Este material puede ser arena, tierra húmeda, solidos altamente conductivos, etc. Al

ocurrir esta disminución en la resistencia, se logra una oscilación en el LM555 y se puede

visualizar en los diodos un parpadeo continuo que ocurre debido a la frecuencia generada por la

conductividad de la composta. La velocidad de oscilación será proporcional al grado de

humedad del material a medir, es decir cuánto más húmedo, más rápido será la oscilación.

En el paso siguiente se amplifica esta señal y se direcciona al DAQ para aplicar este circuito al

control real de los actuadores los cuales pueden manejarse a un voltaje diferente al de la

tarjeta, el cual es 5VCD.

Figura 4.3. Circuito oscilador para humedad.




Una vez captada la señal del sensor se procede a desarrollar el instrumento virtual en LabView.

Se corre el programa y se inserta el bloque del DAQ Assist el cual permite configurar las salidas

y entradas del sistema para poder adquirir las señales de los sensores y que estas sean

procesadas a la computadora para su monitoreo y manipulación.

Se configura la tarjeta en las entradas digitales como pull down ya que los pulsos son captados

después de que el 555 genera la señal para que nuestra tarjeta tome como un uno lógico el

tiempo después de los 2.2Volts generados por el sensor.

Figura 4.4 Pantalla de configuración del DAQ Assistant.

Con la NI-DAQ 6008 configurada como contador se procede a armar el vi con los comparadores

condicionales que permiten captar la señal adquirida en constantes digitales, estos pulsos son

llevados al condicional y si son verdaderos de acuerdo a la constante que es definida en la

entrada activarán un LED en caso de ser falso el LED se apagará. Con estos comparadores se

determina el nivel de humedad de la composta comparando cada nivel con el número de pulsos

a los cuales ésta configurado cada comparador. En el último comparador se insertó un

convertidor de señal dinámica a señal discreta para poder activar la válvula solenoide que

efectúa el control de riego en caso de que el sensor detecte muy poca humedad.




Figura 4.5 Diagrama de bloques del instrumento virtual de la humedad.

En el caso del elemento final de control que fue la válvula se diseñó un circuito de

acondicionamiento conformado por el moc3011, un condensador de 0.1µF resistencias de 180Ω

y 2.4KΩ, un TRIAC MAC218 y el elemento final de control una válvula solenoide de 125VCA la

cual es normalmente usada en lavadoras. En la Figura 3.5 se ilustra el circuito de potencia con

la comunicación del DAQ 6008 con la computadora y de este dispositivo también sale la señal

de control digital hacia el MOC3011 a la terminal del pin 2 aquí el diodo efectúa el disparo hacia

el DIAC interno del MOC 3011 este capta la señal y la direcciona al pin 4 hacia la compuerta del

TRIAC que permite la apertura y cierre de la válvula en la salida del nodo donde se conectan la

salida MT2 del TRIAC la resistencia de 2.4KΩ y la válvula.

Figura 4.6 Circuito de potencia para accionar la válvula de control de humedad.

En la Figura 4.7 se aprecia una imagen estándar del tipo de válvula que se utilizó para este

proyecto, es una válvula solenoide de 2 vías a 127VCA y trabaja a 60Hz de frecuencia.




Figura 4.7 Válvula solenoide 2 vías.

Con la válvula configurada se procede a conectarla la toma de agua con un acoplador metálico

de ½” para que conecte adecuadamente con la manguera a la salida de la válvula se acopla

con caucho y un aro metálico debido al tamaño de la segunda vía que tiene ya la medida de ½”

como se muestra en la Figura 4.8.

Figura 4.8 Válvula solenoide 2 vías acoplada a la toma de agua.

Para el sistema de riego se diseñó un aspersor con mangueras, soportes de madera y T´s

acopladoras de 3 vías. Con un soplete y un clavo de 6” se calentó y perforo la manguera para

que el aspersor difunda el agua sobre de la composta.




Figura 4.9 Sistema de riego.

4.2.2 Principio de funcionamiento del sensor de temperatura

Para el monitoreo de la temperatura se utilizó un termopar tipo J debido a que es el sensor más

comercial su resistencia térmica va desde los -210°C hasta los 600°C. Otra de sus

características es que la vaina de medición es de 1.5m de largo con lo cual se aseguró que la

medición en el punto donde se concentra el calor en la composta sea confiable. Haciendo las

mediciones correspondientes con un multímetro conectando las terminales del termopar en

positivo y negativo de multímetro y revisando con el voltímetro se pudo registrar variaciones de

tensión en el orden de los milivolts [mV] muy acercadas a la relación de tensión temperatura

que el termopar genera al manifestar una diferencia de temperatura en las terminales donde se

unen los metales y dan como resultado una tensión pequeña.

Para visualizar los rangos de temperatura del termopar se conectó el termopar a un multímetro

con la terminal roja negativa a la punta negra del multímetro y la blanca a la punta de prueba

roja. Se insertó el termopar en la composta y comparando con un instrumento de temperatura y

humedad se comprobó que los rangos de tensión son muy aproximados a los de temperatura

registrada en la Figura 4.10 Se observa las evidencias de la temperatura vs la tensión generada

por el termopar.




Figura 4.10 Obtención de parámetros para el diseño del circuito de acondicionamiento de

temperatura.

En la figura 3.10 se puede apreciar el registro de una temperatura de 43°C y en el multímetro

una tensión de .4mV esto quiere decir que a 40°C nuestro sistema debe poder visualizar a partir

del circuito de acondicionamiento con el termopar que la señal de .4mV multiplicada es igual a

40°C.

Figura 4.11 Relación de tensión y temperatura en el termopar.

Para el circuito de acondicionamiento de la temperatura se utilizó el AD594 ya que este circuito

está listo para conectar el termopar con sus terminales. La acción del AD594 combina una

referencia con un amplificador pre-calibrado interno, para producir un alto nivel de exactitud

(10m/°C), esta referencia la toma de la temperatura a la que él se encuentre. También incluye

una alarma en caso de que los termopares se dañen o sean desconectados de las terminales

donde se está sensando la temperatura.




La figura 4.12 muestra un diagrama del integrado AD594. El termopar se conecta en los pines 1

y 14. Este es un amplificador que usa la temperatura local como su referencia. El circuito de

compensación desarrolla un voltaje igual a la deficiencia que se da en la temperatura local del

termopar referenciado. Esta tensión se aplica a un segundo preamplificador cuya tensión se

suma con la tensión del amplificador de la entrada. La tensión resultante se aplica entonces a la

entrada de un amplificador de tensión. A través del camino de compensación, el amplificador

principal mantiene un equilibrio en sus entradas.

Figura 4.12 Circuito AD594.

Después de cablear el circuito linealizador AD594 se procede a calcular los operacionales que

amplifican la señal y la corrigen para llevarla a la tarjeta NI-DAQ 6008. Figura 4.13.

Figura 4.13 Circuito de amplificación y acondicionamiento de la señal con un valor de 143mV a

la entrada y osciloscopios para ver la tensión amplificada.




Para el diseño del circuito se propuso por la medida que calibración ya linealizada que a 70°C

tenemos de la salida del AD 594 una tensión de 280mV y se estima una tensión de salida Vsal

de 7999mV= 8V entonces se hace el cálculo de las resistencias en la entrada del primer

operacional teniendo lo siguiente:

(3-1)

(3-2)

(3-3)

Con la resistencia ya calculada se procede a verificar a diferentes temperaturas si el termopar

está dando la señal en función a la linealización y el tipo del termopar.

Para tener una mejor referencia se enlisto las medidas tomadas sólo con el AD594 a la salida

para verificar su linealidad:

Tabla 4.1. Relación de Temperatura y voltaje

Temperatura Voltaje

70°C 280mV

68°C 238mV

66°C 214mV

64°C 200mV

62°C 188mV

60°C 186mV

58°C 184mV

56°C 175mV

54°C 172mV

52°C 168mV

50°C 161mV

48°C 152mV

46°C 141mV

44°C 135mV

42°C 130mV

40°C 123mV

38°C 120mV

36°C 115mV

34°C 110mV

32°C 105mV

30°C 94mv

28°C 78mV

26°C 70mV




Las lecturas tomadas confirman que no hay tanta variación en volts en cada 2°C por lo que si es

viable confiar en la adquisición de la señal por este termopar sin embargo las pruebas también

arrojaron que la respuesta tarda en estabilizarse cuando la temperatura baja drásticamente.

Esto no es un problema en el proceso ya que el incremento y decremento de temperatura no

son rápidos el proceso es lento y es por eso que este método de medición es adecuado ya que

las lecturas pueden ser precisas más no exactas.

En la figura 3.14 se puede observar el VI generado en Labview con el bloque del DAQ Assist

configurado para adquirir señales analógicas ya que se está registrando una tensión que

siempre está variando.

Se fijó un valor que multiplica la señal para poder ser captada y escalada a 70°C en función de

la tensión linelizada del termopar. Haciendo referencia a las tablas se observa que la constante

de la fuerza electromotriz necesaria para poder monitorear 70°C a 4.02 volts en tensión

amplificada es de 7 y en la parte de la salida de la señal a hacia los comparadores indicadores

se multiplica para tener el valor estimado más próximo a la temperatura que se está censando.

[14].

Figura 4.14 Instrumento virtual generado para la medición de temperatura.




Hay que considerar que por la longitud del termopar hay una pérdida de 70mV así que por eso

también se calculó la resistencia a 3.5KΩ para poder acercar el valor al de tablas. Debido a

estas pérdidas estamos teniendo una perturbación que produce un ruido sin embargo LabView

cuenta con un bloque de filtrado para corregir la señal.

A continuación se muestra el diagrama de tuberías e instrumentación (DTI) que representa el

sistema con la tubería de la toma de agua, las válvulas tanto de bola como solenoide, el sistema

aspersor y los instrumentos de campo.

4.2.3 Filosofía de Operación

Se describirá detalladamente la función y operación de cada uno de los elementos primarios,

analíticos y elementos finales de control en el diagrama de tuberías e instrumentación.

Una vez reunida la pila de composta y apilada dentro del sistema la acción de los

microorganismos produce calor por lo cual el proceso es exotérmico y genera temperaturas

desde los 0°C hasta los 70°C se debe cuidar la temperatura ya que una baja de temperatura

impide el desarrollo de los microorganismos y si se eleva la temperatura más allá de los

parámetros los microorganismos pueden morir. Para efectuar el control de la temperatura hay

que controlar directamente la humedad ya que estas variables se relacionan entre si dando

como parámetro de control inmediato la humedad para cual a continuación se describe el lazo

cerrado de humedad y el monitoreo en lazo abierto de la temperatura.

Se detectará el porcentaje de humedad con el sensor de humedad AE 100C1 en la composta

por lo que enviará una señal digital al controlador AIC 100C1, la acción de control de este será

dar apertura al elemento a la válvula AV 100C1 con la finalidad de permitir el paso del agua al

sistema de aspersión siempre y cuando el sistema detecte que la conductividad es baja.

En el momento en que el sensor AE 100C1 detecte que el nivel de humedad es muy alto el

controlador cerrara la válvula AV 100C1 para evitar un encharcamiento y evitar fugas en la

fuente de suministro de agua A-003 que es el agua de servicio municipal.

Se detectara la temperatura con el sensor de temperatura TE 100C1 el cual está directamente

insertado en la pila de composta y su vaina de protección tiene una longitud de 1.5m cuando la

temperatura sea menor se indicara en la pantalla del ordenador por software en el HMI (Interfaz

Humano Maquina) TI 100C1 el cual mediante LabView hará la indicación por un LED el cual si




parpadea en el termómetro una temperatura debajo de los 20°C indicará que el sistema debe

elevar su temperatura para que los microorganismos se reproduzcan.

En el momento en que el sensor de temperatura TE 100C1 detecte que la temperatura sea

mayor se indicara en la pantalla del ordenador por software en el HMI (Interfaz Humano

Maquina) TI 100C1 el cual mediante LabView hará la indicación por un LED el cual si parpadea

en el termómetro una temperatura por encima de los 70°C indicará que el sistema debe

disminuir su temperatura para que los microorganismos permanezcan vivos.



4.2.4 Diagrama de tuberías e instrumentación




Figura 4.15 Imágenes de la cosecha utilizando la composta producida por el sistema.

Figura 4.16 Chilacayotes de gran tamaño producto de la composta.




CAPÍTULO 5 ESTUDIO ECONÓMICO

La evaluación de un proyecto de inversión tiene por objeto conocer su rentabilidad económica y

social, de tal manera que asegure resolver una necesidad de manera eficiente y rentable. Para

hacer la inversión en un proyecto de ingeniería como el que se presentó en este trabajo de

tesis, se necesita hacer un estudio económico referente a lo que se invierte y a lo que se puede

ganar, para poder tomar la decisión de si se pone en marcha. Se debe recordar que este

proyecto se encamina en torno a un campo de investigación y/o generar composta orgánica

para ser comercializada. Mientras que en la primera opción, el mayor logro será la obtención de

investigaciones más acertadas para la producción de composta orgánica, y la segunda opción

se centra en la venta de dicho producto.

Sin embargo, si se quiere considerar de una manera más amplia la evaluación del proyecto,

deben considerarse todas las fases por las que éste ha pasado desde el planteamiento del

problema.

Para llevar a cabo el análisis económico es importante considerar la cotización de todos los

recursos humanos y no humanos, que lo integran, como características tiene: el perseguir

varios objetivos para completarse, tiene un tiempo de duración y recursos definidos.

Así mismo, un proyecto tiene un ciclo de vida que se inicia cuando se detecta la necesidad del

mismo. El equipo que formula el proyecto, normalmente asigna un 5% de los recursos

financieros que la empresa programa aplicar, para determinar metas y requerimientos, la “venta

de la idea” a la gerencia y los ajustes necesarios. En la siguiente etapa llamada de

“crecimiento”, se desarrolla el organigrama para formular el documento de proyecto. En esta

etapa se consume el 20% de los recursos programados y se tienen como tareas: formular el

documento de proyecto, identificar los objetivos e integrar el grupo de trabajo.

La ejecución del proyecto, corresponde a la etapa denominada “producción”, y en ella se aplica

la mayor proporción de los recursos financieros (60%), que se entiende ya fueron autorizados

para desarrollar el proyecto en cuestión. La última etapa, conocida como “declinación”,

corresponde a la terminación del proyecto y en ella se aplica el 15% de los recursos financieros,

mismos que se aplican en los detalles de la terminación de actividades como son: liquidación de

personal, transferencia de equipos, etc., y en los procesos de desincorporación.




En una visión global, durante la formulación del proyecto deben intervenir el futuro responsable

del mismo y el equipo que integrará el grupo de ejecución. Se hace necesario que haya un líder

de proyecto quien será el responsable directo del proyecto, este líder, debe poseer una

combinación de habilidades incluyendo una gran capacidad inquisitiva, de detectar asunciones

sin especificar y de resolver conflictos interpersonales. Una de sus tareas más importantes es el

reconocimiento de los riesgos que afectan directamente las probabilidades de éxito del

proyecto, y la constante medición, formal e informalmente de dicho riesgo a lo largo del ciclo de

vida del proyecto.

5.1 Ciclo de un proyecto (conceptualización)

Todo proyecto, tiene teóricamente, un ciclo de vida el cual inicia con la concepción de la idea de

mejora y concluye con la implementación de ésta.

5.1.1 Idea/estrategia

Se han identificado las condiciones del mercado, posibilidades, dificultades y ventajas.

Se ha analizado el marco legal, garantías, situación de pertenencia.

Se ha propuesto un plan de trabajo general, el cual en este caso se ha planteado desde

el inicio del presente trabajo.

5.1.2 Estudio de prefactibilidad/factibilidad

El proyecto se ha considerado como factible debido a que forma parte de una mejora a

un proceso de abono orgánico.

En lo referente al análisis costo - beneficio, la inversión es poca como se muestra más

adelante y la recuperación es a corto plazo.

Se ha realizado también un análisis preliminar de alternativas.

La propuesta está completamente definida.

Se tiene el supuesto que en el caso de que alguna empresa acepte el proyecto, será

esta dependencia la fuente de financiamiento.




5.1.3 Ingeniería básica

Estudios de ingeniería básica. A la fecha, se han realizado simulaciones con los

cambios propuestos.

Ingeniería conceptual (tamaños y formas) éstos, para el presente proyecto están en la

fase de simulación.

Evaluación económica. Con esta se concluye la presente fase.

Faltaría desarrollar con más detalle, (lo cual se haría en el momento en que se aprobara el

proyecto, pues ello permitiría ya en el sistema real hacer las pruebas necesarias).

5.1.4 Ingeniería de detalle

Estudios complementarios en caso necesario.

Ingeniería de detalle (diagramas y/o planos de construcción).

Ingeniería de especialidades.

Especificaciones técnicas.

Presupuesto detallado de la obra.

5.1.5 Licitaciones/subcontratos

Licitación.

Negociación.

Firma de subcontratos de construcción.

5.2 Ciclo del proyecto

El Ciclo de Proyecto contempla las Fases de construcción, pruebas y evaluación expost y

término o cierre del proyecto.

5.2.1 Construcción

Gestión de la elaboración de dispositivo (tubería).

Distribución de tareas.

Acondicionamiento del área de trabajo.

Instalación de los dispositivos.

http://www.mef.gob.pe/index.php?option=com_content&view=article&id=310&Itemid=101137&lang=es






Servicios (canalizaciones, redes).

5.2.2 Pruebas

Pruebas de equipos.

Prueba de los sistema.

5.2.3 Evaluación expost

Analizar si el proyecto funciona de acuerdo a lo previsto.

Reestudiar la situación que dio lugar al proyecto. Para afirmar los propósitos del mismo.

Definir la necesidad de modificaciones mayores y/o menores a su actual operación para

aumentar producción, mejorar rentabilidad.

5.2.4 Término o cierre

Liquidación de bienes y contratos.

5.3 Formato para la planeación y evaluación del proyecto

Nombre del coordinador del proyecto y unidad o entidad responsable.

5.3.1 Nombre de los coordinadores de proyecto

Omar Enrique Rojas Nova

Martha Patricia Sarabia Aguirre

Elliot Eljair Santos Ramírez.

Puesto ocupado dentro de la organización

Responsables del proyecto.




5.4 Avances y estrategias del proyecto

Se hace necesario esquematizar la información para ajustar las previsiones y las tareas a

realizar en el proyecto, para tener una visualización de las fases generales del mismo.

Tabla 5.1 Cuadro en el que se presentan de manera sintética las tareas a realizar.

CONCEPTO INGENIERÍA

CONCEPTUAL

INGENIERÍA DE

DETALLE

SITUACIÓN ACTUAL

COSTO

Costo de desarrollo de

la idea (desde su

concepción hasta su

diseño)

Se cuenta con los costos

de materiales y de

trabajo de ingeniería

Se desarrollaría

totalmente después

de la aprobación del

proyecto

DURACIÓN

Un mes

Se determinaría en

función de las facilidades

otorgadas por la

empresa.

Se desarrollaría

totalmente después


proyecto

CONTENIDO

Planos de tubería e

instrumentación del

sistema.

Diagramas de equipos e

instrumentación,

Especificaciones,

técnicas y condiciones

de construcción.

Se desarrollaría

totalmente después


proyecto

COMPLEJIDAD

Media

Alta

Se tiene un desarrollo

parcial ya de alto nivel

de complejidad, en

espera de aprobación

para pasar a la

segunda fase

(ingeniería de detalle)

FLEXIBILIDAD Alta Baja Los tiempos del

proyecto están en

función del apoyo que

la empresa.




5.5 Costos de materiales

Se hace necesario hacer una estimación de los costos de los materiales que se van a utilizar

para la instrumentación del proyecto. En el entendido que de un tiempo a otro dichos costos se

modifican generalmente, sin embargo en cada uno de ellos la estimación se ha hecho con una

holgura del 15%.

Tabla 5.2 Cuadro en el que se detallan los costos de materiales

Descripción

Modelo

Fabricante /

distribuidor

Costo

unitario

(pesos)

Cantidad

Costo total

(pesos)

Sensor-

transmisor de

temperatura

Tipo j Endress-

Hauser®

$345.00 8 $2,760.00

Sensor-

transmisor de

humedad

Circuito LM555 Kecheng® $805.00 8 $6,440.00

Tarjeta de

adquisición de

datos

DAQ USB 6008 National

Instrument®

$3,000.00 2 $6,000.00

Fuente de

alimentación

1746-P1 Allen

Bradley®

$3,745.50 1 $3,745.50

Software LabVIEW® 2010 National

Instrument®

$16,871.00 1 $16,871.00

Software

Microsoft

Windows XP®

Microsoft®

Incluido en

Inspiron

530s

1 $0

Desktop

Inspiron 530s

DELL® $8,999 1 $8,999.00

Válvula de

control de flujo

válvula

solenoide de 2

vías

$460.00 8 $3,680.00

TOTAL 30 $48,495.50




Gastos de ingeniería conceptual: $250,000.00

Costo total de la fase conceptual del proyecto: $298,495.50

5.6 Formato de planeación del proyecto.

Cronograma, calendario de actividades, para el cronograma de Gantt

5.6.1 Calendario de actividades del proyecto

Es necesario en una propuesta de fechas de inicio y terminación de las actividades por que la

realización de un proyecto implica compromisos en el tiempo con éste. Esto bajo la condición de

que la fechas de inicio y terminación pueden variar aunque siempre hay que considerar las

relaciones costo/tiempo.

Tabla 5.3 Calendario de actividades del proyecto.

N°

Actividad

Fecha de inicio

Fecha de terminación

Duración

días

1 Conceptualización de la idea 10-feb-2012 15-feb-2012 5

2 Esquematización del proceso 13-feb-2012 16-feb-2012 3

3 Planteamiento del problema 16-feb-2012 22-feb-2012 6

4 Formulación de posibles

soluciones

22-feb-2012 02-mar-2012 11

5 Fiabilidad de las soluciones 02-mar-2012 12-mar-2012 10

6 Selección de la solución

adecuada

12-mar-2012 22-mar-2012 10

7 Planteamiento del modelo de

solución en el sistema

22-mar-2012 25-abr-2012 34

8 Planteamiento de elementos

del sistema de control (sensor,

transmisor, controlador y

elemento final de control)

25-abr-2012 23-may-2012 31

9 Simulación de parámetros

ideales del sistema

23-may-2012 20-jun-2012 28




10 Simulación del control del

sistema con parámetros ideales

20-jun-2012 05-jul-2012 15

11 Propuesta del sistema de

control

05-jul-2012 26-jul-2012 21

12 Desarrollo de una interfase de

monitoreo con sistema de

señalización visual en caso de

alarma y/o paro del sistema

26-jul-2012 16-ago-2012 21

13 Planteamiento económico dado

las características del sistema

ideal

16-ago-2012 01-nov-2012 77

14 Terminación del proyecto * * 15

Tiempo total 287

* Las fechas se determinaran a partir de la aprobación del proyecto, sin embargo se hace un

estimación de las duraciones respectivas.

5.6.2 Previsiones de evaluación del proyecto

Las metas y objetivos del proyecto deben cumplirse en tiempo y forma. Se hace necesario por

lo tanto elaborar juicios de valor acerca del nivel de cumplimiento de las metas y objetivos; y así

de esta manera tomar las medidas de ajuste en su caso para terminar el proyecto dentro de las

fechas comprometidas.




Tabla 5.4 Evaluación del proyecto.

N°

Actividad

Peso en % Porcentaje

alcanzado

al corte de

evaluación

1 Conceptualización de la idea 5 Terminada

2 Esquematización del proceso 2 Terminada

3 Planteamiento del problema 2 Terminada

4 Formulación de posibles soluciones 2 Terminada

5 Fiabilidad de las soluciones 2 Terminada

6 Selección de la solución adecuada 2 Terminada

7 Planteamiento del modelo de solución en el sistema 3 Terminada

8 Planteamiento de elementos del sistema de control

(sensor, transmisor, controlador y elemento final de

control)

5 Terminada

9 Simulación de parámetros ideales del sistema 7 Terminada

10 Simulación del control del sistema con parámetros

ideales

5 Terminada

11 Desarrollo de una interfaz de monitoreo. 5 Terminada

12 Planteamiento económico dado las características del

sistema ideal

5 Terminada

13 Pruebas en el sistema real 10 Terminada


sistema real

10 *

15 Simulación del control del sistema con parámetros reales 10 *

16 Implementación del sistema de control de acuerdo a las

características del sistema real

10 *

17 Terminación del proyecto 15 *

100 *

*Las actividades restantes, se calcularán cuando se apruebe el proyecto por parte de la

empresa que adquirir el proyecto.




5.6.3 Gráfica de Gantt del proyecto

N°

Tiempo

Actividad (Semanas)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

1 Conceptualización de la idea

2 Esquematización del proceso

3 Planteamiento del problema

4 Formulación de posibles soluciones

5 Fiabilidad de las soluciones

6 Selección de la solución adecuada

7 Planteamiento del modelo de solución en

el sistema

8 Planteamiento de elementos del sistema

de control (sensor, transmisor,

controlador y elemento final de control)

9 Simulación de parámetros ideales del

sistema

10 Simulación del control del sistema con

parámetros ideales




N° Tiempo

(Semanas)

Actividad

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

11 Propuesta del sistema de control.

12 Desarrollo de una interface de monitoreo.

13 Planteamiento económico dado las

características del sistema ideal

14 Terminación del proyecto




5.6.4 Costos de cada actividad (no se incluyen los materiales)

Además de los materiales que se utilizan para la instrumentación del proyecto se hace

necesario contar con el factor humano de la ingeniería en sus fases de acción, estas

actividades profesionales objeto de un contrato laboral es necesario considerarlas dentro del

costo total del proyecto, debido a que es una propuesta hecha por ingenieros que desarrollan

sus servicios profesionales fuera del ámbito de la empresa interesada.

Tabla 5.5 Costos de cada actividad

N° Actividad

Costo en pesos

1 Conceptualización de la idea $ 8,000

2 Esquematización del proceso $ 500

3 Planteamiento del problema $ 2,000

4 Formulación de posibles soluciones $ 2,000

5 Fiabilidad de las soluciones $ 3,000

6 Selección de la solución adecuada $ 2,000

7 Planteamiento del modelo de solución en el sistema $ 8,000

8 Planteamiento de elementos del sistema de control

(sensor, transmisor, controlador y elemento final de

control)

$ 2,000

9 Simulación de parámetros ideales del sistema $ 1,000

10 Simulación del control del sistema con parámetros ideales $ 1,000

11 Propuesta del sistema de control $ 3,000

12 Desarrollo de una interface de monitoreo con LabVIEW® $ 1,000


sistema ideal

$ 10,000

14 Pruebas en el sistema real $ 5,000


sistema real

$ 15,000

17 Implementación del sistema de control $ 5,000

TOTAL $68,500.00




5.7 La evaluación económica

5.7.1 Conceptos previos

a. Depreciación: mide la desvalorización sobre la inversión en un activo fijo (exceptuando

el terreno), por el desgaste derivado de su uso. La depreciación no representa un flujo

real de dinero pero es un concepto de pérdida de valor que se descuenta como si fuera

un costo más al momento de determinar las utilidades y calcular los impuestos sobre

ellas.

b. Ciclo productivo: período que comienza con el primer desembolso para iniciar la

operación del proyecto y termina cuando los productos terminados son vendidos y su

retorno es recuperado quedando disponible para la compra de insumos que generen

otro ciclo de producción.

5.7.2 Clasificación de las inversiones

Habitualmente la mayor parte de las inversiones se realizan en el período de puesta en marcha

del proyecto. Sin embargo, no siempre esto ocurre así y hay proyectos que programan

crecimientos en el tiempo.

a. Activos fijos: bienes tangibles como terrenos, edificios, equipos, vehículos, oficinas y

equipamiento, infraestructura de servicios de apoyo (agua, energía, teléfonos). En

general todos los activos fijos están sujetos a depreciación, con excepción de los

terrenos.

b. Activos nominales: servicios o derechos adquiridos necesarios para la puesta en

marcha del proyecto como patentes, licencias, capacitación de personas, fondos para

imprevistos.

c. Capital de trabajo: en términos simples el capital de trabajo es considerado como los

recursos necesarios para la operación de un proyecto por un ciclo productivo.

En el caso del proyecto que en este trabajo se propone, proyectos de compostaje, el primer

ítem frecuentemente pasa a ser tanto o más importante que los demás. Esto debido a que el

ciclo de producción es largo, luego es una materia que requiere especial énfasis, poniéndolo en

términos prácticos.




5.7.3 Capital de trabajo (según el ciclo productivo)

Capital de Trabajo=Ciclo Productivo × Costo Diario de Operación.

5.7.4 Financiamiento del proyecto

a. Fuentes propias: generadas por la empresa y que son las utilidades después de

impuesto y las reservas de depreciación.

Ventajas: al programar con capital propio se asume que existirá menor riesgo de

insolvencia.

b. Fuentes ajenas:

Bancos comerciales nacionales e internacionales.

Fundaciones.

Organismos internacionales.

Organismos estatales.

Créditos estatales.

Créditos de proveedores.

Leasing (arrendamiento financiero).

La elección de la fuente de financiamiento debe ser estudiada por el evaluador en el contexto.

En general, se produce que la situación más beneficiosa para el inversor es aquella que permite

pagar un crédito al final de la vida del proyecto.

En nuestro caso, se solicitará que la principal fuente de financiamiento sea una estancia

gubernamental que puede ser SAGARPA.

5.7.5 Flujos de fondos de un proyecto

Esta etapa de preparación del proyecto es la resultante de los datos obtenidos de los estudios

de mercado, técnico, legal y organizacional de los cuales se ha podido obtener los valores

esperados de ingresos, costos y el calendario de inversiones.




El flujo de fondos requiere de esta información además de antecedentes sobre:

Tratamiento tributario de la depreciación.

Tratamiento tributario de las utilidades.

Valor residual del proyecto.

Financiamiento disponible.

A continuación, se abordarán estos aspectos, que serán la base para la evaluación económica

del proyecto, considerándolo como proyecto de inversión, de esta manera, se procederá a la

elaboración de algunos cálculos específicos.

5.7.6 Cálculo de la depreciación

Se hará primero un cálculo lineal, para estimar anualmente la depreciación del dispositivo, en el

supuesto de que el sistema se mantendrá funcionando de manera uniforme durante los cinco

años.

El costo total del presente proyecto, como ya se observó anteriormente, es de $298,495.50. El

sistema que se propone, tiene una vida de uso esperada de 5 años al cabo de los cuales se

estima que al final de los cinco años de trabajo, el dispositivo tendría un valor de $100,000.00.

El valor a depreciar entonces es de (298,495.50-100,000) en 5 años, vale decir $128,495.50/5 =

$39,699.10 anuales.

También se puede hacer una estimación más refinada, utilizando la denominada depreciación

acelerada por el método de los dígitos, la cual se hace de acuerdo con los siguientes pasos:

Se calcula un factor S:

2

1)n(nS

Donde S es un factor a aplicar y n es el número de años en los que se depreciará.

En nuestro caso, n=5 por lo tanto:

152

30

2

1)5(5S




Por lo tanto, la depreciación de cada año se calculará como sigue:

Tabla 5.6 Cálculo de la depreciación por año

Año n/S × (Valor a depreciar del equipo) Depreciación

1 5/15 × 48495.50 16,165.16

2 4/15 × 48495.50 12,935.13

3 3/15 × 48495.50 9,699.10

4 2/15 × 48495.50 6,466.06

5 1/15 × 48495.50 3,233.03

Es más conveniente aplicar depreciación acelerada, para la evaluación del proyecto en

cuestión.

5.8 Técnicas de evaluación

La evaluación compara las corrientes, beneficio versus costos.

Las técnicas de evaluación se basan en el flujo de fondos “descontados” a tasas que les hacen

comparativos indicadores muy usados son el VAN y la TIR.

5.8.1 Algunos alcances matemáticos para comprender la tasa de descuento

Para el cálculo del valor del dinero en una inversión a plazos de interés compuesto, se utiliza la

siguiente fórmula:

VF= VP(1+i)n

VP = Valor presente

VF = Valor futuro

i = Tasa de interés

n = Número de años (o meses).




Por otra parte, si se invierte dinero en el presente VP, y se conoce un valor futuro estimado a

una tasa de interés i. entonces, este valor presente se puede calcular despejándolo de la

fórmula anterior, como sigue:

ni)(1

VFVP

El cálculo del valor presente permite llevar flujos de distintos años base para poder operar con

ellos y obtener un resultado (positivo o negativo), y de esta manera se puede calcular tanto lo

que se conoce como el VAN (valor actual neto) del proyecto, como su TIR (tasa interna de

retorno).

5.8.2 Valor actual neto (VAN)

Es la diferencia entre los ingresos y egresos del proyecto expresado en moneda actual. Tiene la

siguiente expresión:

Dónde:

Yt = Ingresos en año t.

Et = Egresos en año t.

i = Tasa de interés.

n = Horizonte de evaluación n del proyecto.

Io = Inversión inicial.

Esta es equivalente a:




Es importante señalar que un proyecto es conveniente cuando su VAN es mayor que cero. Que

es igual a cero no significa que no sea rentable sino que entrega igual utilidad que la inversión

alternativa. El proyecto recupera los desembolsos más el extra de ganancia que el inversionista

tiene como meta mínima.

Para esta evaluación se utiliza un tasa de interés i, que representa la rentabilidad mínima que

se le pedirá al proyecto.

5.8.3 Tasa interna de retorno (TIR)

Es la tasa de interés a la cual el proyecto iguala su VAN a cero.

Dónde:

Y = Ingresos.

E = Egresos.

r = es la tasa interna de retorno incógnita a calcular.

r es la tasa de costo de capital máxima a la que el proyecto podría acceder para que diera lo

mismo llevarlo a cabo o no. Si la TIR es mayor que el costo de capital con que se evaluaría el

proyecto, entonces el proyecto es atractivo. Si es menor, desde el punto de vista económico, no

es recomendable realizarlo.




5.8.4 Tasa interna (TIR) Versus valor actual neto (VAN)

Al evaluar un sólo proyecto, ambas deben dar resultados complementarios. Cuando tiene más

de un proyecto para elegir podría tener seña les contrarias entre el VAN y el TIR.

Para este proyecto, se calcularán en seguida estos dos indicadores, para varios costos de

capital, es decir la factibilidad de desarrollar el proyecto del calentador y sistema de riego. Se

cuenta con una tasa de costo de capital de 1%. La legislación tributaria acepta la depreciación

acelerada. Se reitera que los costos del proyecto, serán absorbidos por la empresa que quiera

adquirir el proyecto.

También para fines de cálculo, se estima que la empresa tiene, ya descontando los egresos por

mantenimiento, un ingreso neto por año de $2,000,000.00, entonces calculamos con los datos

considerados primero el VAN a cinco años:

Se hará primero una tabla de tiempos:

Tabla 5.7 Tabla de tiempos de ingresos y tasa de inversión

Años 1 2 3 4 5

Ingresos netos $2,000,000.00 $2,000,000.00 $2,000,000.00 $2,000,000.00 $2,000,000.00

Tasa/coeficiente 0,9900 0,9802 0,9705 0,9609 0,9514

Entonces, el VAN a calcular, está dado aplicando las fórmulas anteriores de la siguiente

manera:

VAN=

50.504,657,950.495,48000,706,950.495,48)853.4(000,000,2

50.495,48)9514.09609.09705.09802.09900.0(000,000,2

50.48495)01.01(

000,000,2

)01.01(

000,000,2

)01.01(

000,000,2

)01.01(

000,000,2

01.01

000,000,250.495,48

)01.01(

120000

54

32

5

1nn




Es decir:

VAN=$21,440.00

Como puede observarse, una evaluación a cinco años da un VAN con los datos y condiciones

ya estipulados.

Cabe señalar que aquí se ha considerado el interés del 1%, sin embargo, este puede variar., es

necesario entonces investigar cual es el interés que hay que pagar para que la inversión sea

rentable a cinco años.

Por lo tanto, es importante evaluar ahora, a partir de qué momento, la inversión empieza a ser

productiva, Para esta evaluación se calculará la Tasa Interna de Retorno o TIR de la inversión.

Por lo tanto, se hace el VAN igual a cero:

VAN=0

Es decir:

Por lo tanto lo que hay que hacer es calcular el valor de r para el cual la inversión de cumple.

Este valor de r es precisamente la tasa interna de retorno.

Para ello, se evaluará el VAN sucesivamente y en el valor de r para el cual haya cambio de

signo de positivo a negativo, se tendrá su primera aproximación.

El siguiente dígito en la aproximación, se puede hacer de dos maneras:

a).- por interpolación

b).- por aproximaciones sucesivas.

Debido a las facilidades en el cálculo que se tienen con el programa EXCEL, estas

aproximaciones se harán usando un sencillo macro.




Anteriormente, ya se ha calculado el valor del VAN para r=0.1: calcularemos ahora el valor para

r=0.2, lo cual se hará en EXCEL, por lo que no se expondrán las operaciones explícitamente.

Para r=0.02

VAN=14462.97>0

Para r=0.03

VAN=7775.36>0

Para r=0.04

VAN=1381.11>0

Para r=0.05

VAN=-4736.17<0

Como puede observarse, la raíz de la ecuación para le TIR está entre r=0,04 r= 0.05

Entonces consideramos que r= 0.04, es la primera aproximación del valor de la tasa interna de

retorna. Se calculará ahora por aproximaciones sucesivas el siguiente dígito, usando como ya

se señaló el programa EXCEL.

Se tiene de esta manera que para:

r=0.042

VAN=136.0>0

Para r=0.043

VAN=-482.43<0

Entonces la siguiente aproximación es de r=0.043.

Por este método se podrían continuar las aproximaciones al nivel de precisión que se quisiera,

sin embargo para con esta estimación basta para considerar que la factibilidad del proyecto, es

aceptable a partir de que la tasa interna de retorno o costo de capital sea de r=4.3%.

Ahora bien, para finalizar se hace necesario señalar que las ganancias por año de $50000,

están en un mínimo. De hecho en la práctica se espera que se quintupliquen, sin embargo se

ha adoptado una ganancia conservadora, con la finalidad de que el proyecto, es totalmente

factible.




Tabla 5.8 Tabla comparativa de diversos productos y empresas de compost

Empresa Producto Descripción del producto Presentación Precio

ANKARTE MICOROOT Producto resultado de la descomposición de materia orgánica minerales y de extractos vegetales, contiene hongos micorriza los cuales proporcionan fosforo soluble a la planta, la protege del daño de sequías, le dan mayor vigor promoviendo mayores rendimientos

1 L $220.00

Agrotecagrote

ch

Agrotechmx Producto derivado de la

biomasa del cocotero, rico en

potasio, mejora el manejo en el

tamaño de la planta.

1 Kg $17.00

Guanomeros

de México

SPR de RL

FERTIGUAN

O

biofertilizante 100% orgánico certificado, sustituto al 100% a los químicos, mejorador de suelos ,regulador d crecimiento, señalador de energía, protector de enfermedades.

1 L $260.00

HUMUS SOL HUMUS

SOLIDO

Fertilizante orgánico solido derivado de la acción digestiva de la lombriz roja californiana

1 Kg $15.00

ORGANIC

S.A. DE C.V.

BIONITRO Inoculante para semillas de maíz y gramíneas en general a base de bacterias fijadoras de Nitrógeno atmosférico, fósforo y otros elementos existentes

en el suelo.

(bolsa de 800 grs + 250 ml de adherente)

$2,080.00

IPN COMPOSTO

R

Fertilizante orgánico solido derivado de desechos vegetales, aserrín y residuos sólidos urbanos.

1 Kg $10.00

En la tabla 5.8 se realizó una búsqueda de las diferentes marcas, precios y características de

los productos fertilizantes que se encuentran en el mercado nacional, para hacer una

comparación de los existentes en el mercado vs el realizado en este trabajo.




CONCLUSIONES

En el presente proyecto desarrollado se obtuvo una alternativa tecnológica para el

aprovechamiento de los residuos orgánicos que se generan en los desechos sólidos de la

ciudad y la zona conurbada.

El proceso de compostaje diseñado permitió acelerar la etapa de maduración al implementar un

sistema de control de temperatura y humedad que permite las condiciones apropiadas para el

desarrollo de la vida microbiana en el proceso. Comparando el tiempo con un sistema sin

control ni monitoreo se redujo de 4 meses a un mes con base a la experimentación de las

corridas.

En este proyecto se desarrolló una solución de ingeniería útil implementando tecnologías de

aplicación como software de alto nivel para la creación de instrumentos virtuales, conformando

así un sistema embebido que permita el monitoreo y control de los parámetros temperatura y

humedad los cuales son indispensables para el desarrollo del proceso de compostaje orgánico.

Se construyó la primera etapa de un sistema que logró monitorear temperatura y sólo controlar

humedad debido a la relación de estas variables ya que la instrumentación utilizada en este

proyecto fue la adecuada por los rangos de temperatura que van desde los 26°C hasta los 70°C

y el termopar que ese utilizo con las dimensiones demostró una respuesta requerida para el

proceso ya que el aumento de temperatura es algo lento por la actividad de los microrganismos.

En la parte de la humedad se desarrolló un sensor con puntas de prueba que conto los pulsos

de la conductividad de la composta y los transformo en señales digitales de 1.2V obtenidas por

la DAQ y registradas para su procesamiento que implemente una acción de control ON/OFF

para que la válvula solenoide regule la cantidad de agua.

Se eligió la instrumentación adecuada para censar las variables y se desarrollaron circuitos de

acondicionamiento de señales para poder manejar estas variables desde un sistema de

cómputo, así pues se llevó a la practica el conocimiento de los sistemas embebidos diseñando

instrumentos virtuales en el software LabView el cual es una plataforma de integración de

tecnologías computacionales, control, electrónica e instrumentación.




RECOMENDACIONES

Fomentar una cultura de reciclaje de los residuos sólidos urbanos en los hogares y localidades

de las zonas rurales y urbanas para que se aproveche al máximo estos recursos ya que son de

mucho valor para el mantenimiento de nuestros suelos.

1.- Hacer un análisis de sistemas comparando este proyecto con sistemas que se han

desarrollado para que se tenga un enfoque de hasta donde se puede llegar con este proyecto.

2.-Investigar a fondo sobre los distintos tipos de producción del composta ya que puede ir

cambiando debido al desarrollo y aplicación de tecnologías más recientes ya que es posible

involucrarlos con el presente proyecto y poder mejorarlo.

3.-Hacer un estudio de los diferentes tipos de control ya que puede haber uno que mejor se

adecue a este tipo de procesos para abatir costos e implementar mejores arquitecturas de

control más económicas y factibles.

4.-Que se desarrolle este sistema de compostaje en diferentes localidades para generar

productos orgánicos de mayor calidad e inclusive generar empleos ya que se necesita personal

para su correcta operación.

En cuanto al sistema propuesto es importante que se genere un plan de general para el

mantenimiento con el fin primordial de que opere en las mejores condiciones posibles y se

detecten fallas o aparentes fallas en el mismo que pueden ser previstas o en su defecto

reparadas.

En una instalación de compostaje orgánico se debe llevar a cabo el mantenimiento productivo

total, ya que esta instalación, tiene el objetivo de impedir que los desechos orgánicos se

conviertan en un peligro para la salud humana, teniendo en cuenta la cantidad de residuos a

tratar, y los problemas de heterogeneidad en la composición de los residuos, con la finalidad de

disminuir el porcentaje de residuos que son llevados a los rellenos sanitarios; el compostaje es

un proceso biológico en el que sustratos orgánicos son oxidados a formas biológicamente

estables como el humus debido a la acción de una población mixta de microorganismos,

obteniéndose un producto final denominado, orgánicamente estable, libre de patógenos y

semillas de malezas, el cual puede ser aplicado de manera eficiente al suelo para mejorar sus

propiedades.




Dicha instalación cuenta con un sistema de control en el cual intervienen actuadores como

válvulas y tubería para flujo de agua, los cuales por las condiciones del proceso necesitan

mantenimiento para prolongar su vida útil.

Verificar diariamente si hay fugas.

En caso de presentarse fugas verificar que las abrazaderas estén bien apretadas, si estas están

flojas apretarse con un desarmador plano medida 2 X 8”.




REFERENCIAS

[1]. CEGARRA, J., Compostaje de desechos orgánicos y criterios de calidad del compost, Ed.

Palmira (1996).

[2]. EWEIS J. B., Principios de biorecuperación Tratamiento para contaminación y regeneración

de suelos y aguas subterráneas mediante procesos biológicos y fisicoquímicos, Ed. McGraw-

Hill., (1999).

[3]. HAY J.C., KUCHENRITHER R.T., "Fundamentals and Application of Windrow Composting,

Ed. Journal of Enviromental Engineering,(1990).

[4]. COOKSON J.T., Bioremediation Engineering Design and Applications, Ed. McGraw- Hill,

(1995).

[5]. González, Composta, SEDESOL,(1997).

[6]. KANE B.E., MULLINS J.T., "Thermofilic Fungi in a municipal Waste Compost System"

Mycologia, Ed. McGraw-Hill (1973).

[7]. Martin, Organismos patógenos,(1980).

[8]. HAUG. R. T, The practical Handbook of Compost Engineering, Ed. Lewis Publishers, (1993).

[9]. TCHOBANOGLOUS G., Gestión Integral de los residuos Sólidos, Vol. II, McGraw Hill,

(1993).

[10]. Marcos Arturo Rodriguez, Ana Cordova, Manual de compostaje municipal. Tratamiento de

residuos sólidos urbanos, Ed. G S.A. de C.V.(2009).

[11]. Lic. Jose Duarte, Gaceta del Gobierno de Mexico, (2009).

[12]. L. Sigauta, P. Knoblauchb, Capacidad calorífica y temperatura de Debye, UBA (2001). [13]. A. Vergnoux, M. Guiliano, Y. Le Dréau, J. Kister, N. Dupuy, P. Doumenq, Monitoring of the evolution of an industrial compost and prediction of some compost properties by NIR spectroscopy, Sciencie of Total Environment, (2008).




[14]. Elmer Ccopa Rivera, Félix de Farias Junior, Daniel Ibraim Pires Atala, Rafael Ramos de Andrade, Aline Carvalho da Costa, Rubens Maciel Filho A LabVIEW-based intelligent system for monitoring of bioprocesses, 19thEuropean Symposium on Computer Aided Process Engineering (2009).




GLOSARIO

Actinobacterias. Bacterias que jugando un importante rol en la descomposición de materia

orgánica, tales como la celulosa y quitina. Estas bacterias renuevan las reservas de nutrientes

en la tierra y son fundamentales en la formación de humus.

Actinomicetos. Clase de bacterias filamentosas consideradas durante mucho tiempo como

hongos.

Aeróbica. Organismos que necesitan del oxígeno biatómico para vivir o poder desarrollarse.

Amilasa. Enzima hidrolasa que tiene la función de digerir el glucógeno y el almidón para formar

azúcares simples.

Anaeróbica. Organismos que no utilizan oxígeno en su metabolismo.

Biodegradable. Producto o sustancia que puede descomponerse en elementos químicos

naturales por la acción de agentes biológicos.

Compost. Compuesta, composta.

Deshidrogenasa. Enzimas capaces de catalizar la oxidación o reducción de un sustrato por

sustracción o adición de dos átomos de hidrógeno.

Hifas. Elementos filamentosos cilíndricos característicos de la mayoría de los hongos.

Humectación. Acción y efecto de humedecer.

Humus. Sustancia compuesta por ciertos productos orgánicos, de naturaleza coloidal, que

proviene de la descomposición de los restos orgánicos (hongos y bacterias).

Mesofílicas. Organismos que crecen en ambiente de 20 °C hasta 40 °C.

Micorrizas. Unión simbiótica de las raíces de una planta con las hifas de determinados hongos.

http://es.wikipedia.org/wiki/Organismo_aerobio

http://es.wikipedia.org/wiki/Anaer%C3%B3bico

http://es.wikipedia.org/wiki/Biodegradable




Microaerofilico. Organismo que es capaz de un crecimiento dependiente de oxígeno, pero no

puede crecer en la presencia de un nivel del oxígeno equivalente a 1 atmosfera de aire (oxigeno

de 21%).

MO. Materia orgánica.

Patógenos. Elemento o medio que origina y desarrolla las enfermedades.

Proliferar. Reproducción, multiplicación.

Protozoos. Organismos microscópicos, unicelulares que viven en ambientes húmedos o

directamente en medios acuáticos, ya sean aguas saladas o aguas dulces.

Purines. Excrementos líquidos del cerdo.

Quitina. Componentes principales de las paredes celulares de los hongos.

Simbiótica. Relación estrecha y persistente entre organismos de distintas especies.

Termófilas. Organismo que necesita temperaturas elevadas (<45°C) para su normal desarrollo.

Termofílicos. Organismos que crecen en ambiente hasta 70 °C, por encima de la temperatura

corporal de 37 °C.

Ureasa. Enzima que cataliza la hidrólisis de urea a dióxido de carbono y amoníaco.

Vermicomposta. Composta de lombrices.

http://es.wikipedia.org/wiki/Pat%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Pur%C3%ADn




ANEXO A

Código fuente del modelado en el programa Mathlab

%declaracion de variables

a=0.01;

u=50;

cvp=6.4

cpp=6.4;

wp=0.3;

vp=0.1;

qs=0.00034;

denser=1000;

tis=373;

ts=293;

cvs=15.32;

cps=15.32;

vs=0.2;

c1=denser*cps*tis

c2=denser*cps*qs

%operaciones para la ft

k2=u*a/(u*a*cpp*wp);

k3=(denser*cps*tis-denser*cps*ts)/(u*a+denser*cps*qs);

k5=(u*a)/(u*a+denser*cps*qs)

tao1=(cvp*cpp)/(u*a+wp*cpp)

tao2=(vs*denser*cvs)/(u*a+denser*cps*qs)

ktrans1=k2*k3

s22=tao1*tao2

s11=tao1+tao2

indenpen=1-(k2*k5)

ktrans=(k2*k3/(1-k2*k5));

s2=((tao1*tao2)/(1-k2*k5));

s1=((tao1+tao2)/(1-k2*k5));

%obtencion de ft

num=[0 0 (ktrans1)]

den=[(s22) (s11) (indenpen)]

sys=tf(num,den)

rlocus(sys)




ANEXO B

Introducción a LabView

Los programas de LabVIEW son llamados instrumentos virtuales o VIs ya que su apariencia y

operación imitan a los instrumentos físicos, como osciloscopios y multímetros. LabVIEW

contiene una extensa variedad de herramientas para adquirir, analizar, visualizar y almacenar

datos, así como herramientas para ayudarle a solucionar problemas en el código que escriba.

Cuando crea un nuevo VI verá dos ventanas - la ventana del panel frontal y el diagrama de

bloques.

Panel Frontal

Cuando abre un VI nuevo o existente, aparece la ventana del panel frontal del VI. La ventana

del panel frontal es la interfaz de usuario para el VI. La figura 1 muestra un ejemplo de una

ventana del panel frontal.

1 Ventana de Panel Frontal 2 Barra de Herramientas 3 Paleta de Controles

Figura 1. Ejemplo de un Panel Frontal

Paleta de Controles

La paleta de Controles contiene los controles e indicadores que utiliza para crear el panel

frontal. Puede tener acceso a la paleta de Controles de la ventana del panel frontal al

seleccionar View»Controls Palette o al dar clic con botón derecho en cualquier espacio en

blanco en la ventana del panel frontal. La paleta de Controles está dividida en varias categorías;




puede exponer algunas o todas estas categorías para cumplir con sus necesidades. La figura 2

muestra la paleta de Controles con todas las categorías expuestas y la categoría Moderna

expandida.

Figura 2. Paleta de Controles

Para ver o esconder las categorías (subpaletas), seleccione el botón View en la paleta y

seleccione o anule la selección en la opción Always Visible Categories.

Controles e Indicadores

Usted crea el panel frontal con controladores e indicadores, los cuales son las terminales

interactivas de entrada y salida del VI, respectivamente. Los controles pueden ser perillas,

botones, barras deslizantes y otros dispositivos de entrada. los indicadores son gráficas, LEDs y

otras pantallas. Los controles simulan dispositivos de entrada de instrumentos y suministran

datos al diagrama de bloques del VI. Los indicadores simulan dispositivos de salida de

instrumentos y muestran los datos que diagrama de bloques adquiere o genera.

La Figura 1 tiene los siguientes objetos: dos controles: Number of Measurements and Delay

(sec). Tiene un indicador: una gráfica XY llamada Temperature Graph.

El usuario puede cambiar el valor de entrada para los controles Number of Measurements and

Delay (sec). El usuario puede ver el valor generado por el VI en el indicador Temperature

Graph. El VI genera los valores para los indicadores basados en el código creado en el

diagrama de bloques.




Cada control o indicador tiene un tipo de datos asociado con él. Por ejemplo, el slide horizontal

Delay (sec) es un tipo de datos numérico. Los tipos de datos utilizados con mayor frecuencia

son numéricos, valor Booleano y cadena de caracteres.

Controles e Indicadores Numéricos

El tipo de datos numérico pueden representar números de varios tipos como un entero o real.

Los dos objetos numéricos comunes son el control numérico y el indicador numérico, como se

muestra en la figura 3. Los objetos como medidores y perillas también representan datos

numéricos.

1 Botones de Incremento/Reducción 2 Control Numérico 3 Indicador Numérico

Figura 3. Controles e Indicadores Numéricos

Para proporcionar o cambiar valores en un control numérico, haga clic en el botón de

incremento y reducción o haga doble clic en el número, introduzca un nuevo número y presione

la tecla.

Controles e Indicadores Booleano

El tipo de datos Booleano representa datos que solamente tienen dos estados posibles, como

TRUE y FALSE u ON y OFF. Use los controles e indicadores Booleano para proporcionar y

visualizar valores Booleano. Los objetos Booleano simulan interruptores, botones y LEDs. El

interruptor de encendido vertical y los objetos LED redondos se muestran en la figura 4.

Figura 4. Controles e Indicadores Booleano

Controles e Indicadores de Cadena de Caracteres




El tipo de datos cadena de caracteres es una secuencia de caracteres ASCII. Use controles en

cadena para recibir texto desde el usuario como una contraseña o nombre de usuario. Use

indicadores en cadena para mostrar texto al usuario. Los objetos en cadena más comunes son

tablas y cuadros de texto, como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Controles e Indicadores de cadena de caracteres

Diagrama de Bloques

Los objetos del diagrama de bloques incluyen terminales, subVIs, funciones, constantes,

estructuras y cables, los cuales transfieren datos junto con otros objetos del diagrama de

bloques.

1 Terminales de Indicador 2 Cables 3 Nodos 4 Terminales de Control

Figura 6. Ejemplo de un Diagrama de Bloques y Panel Frontal Correspondiente




Ventana del Diagrama de Bloques

Después de que crea la ventana del panel frontal, añade código usando representaciones

gráficas de funciones para controlar los objetos del panel frontal. La ventana del diagrama de

bloques contiene este código de fuente gráfica.

Figura 7. Diagrama de Bloques

Terminales

Los objetos en la ventana del panel frontal aparecen como terminales en el diagrama de

bloques. Las terminales son puertos de entrada y salida que intercambian información entre el

panel frontal y diagrama de bloques. Las terminales son análogos a parámetros y constantes en

lenguajes de programación basados en texto. Los tipos de terminales incluyen terminales de

control o indicador y terminales de nodo. Las terminales de control e indicador pertenecen a los

controles e indicadores del panel frontal. Los datos que usted proporciona en los controles del

panel frontal (a y b en el panel frontal anterior) pasan al diagrama de bloques a través de las

terminales de control. Entonces los datos ingresan las funciones de Suma y Resta. Cuando las

funciones de Suma y Resta terminan sus cálculos, producen nuevos valores de datos. Los

valores de datos van a las terminales de indicador, donde actualizan los indicadores del panel

frontal (a+b y a-b en el panel frontal anterior).

Controles, Indicadores y Constantes

Los controles, indicadores y constantes se comportan como entradas y salidas del algoritmo del

diagrama de bloques. Considere la implementación del algoritmo para el área de un triángulo:




Área = .5 * Base * Altura

En este algoritmo, Base y Altura son entradas y Área es una salida, como se muestra en la

figura 8.

Figura 8. Panel Frontal del Área de un Triángulo

El usuario no cambiará o tendrá acceso a la constante .5, así que no aparecerá en el panel

frontal a menos que se incluya como documentación del algoritmo.

La figura 9 muestra una posible implementación de este algoritmo en un diagrama de bloques

de LabVIEW. Este diagrama de bloques tiene cuatro terminales diferentes creadas por dos

controles, una constante y un indicador.

1 Controles 2 Indicador 3 Constante

Figura 9. Diagrama de Bloques del Área de un Triángulo con Vista de Terminal de Ícono

Note que las terminales del diagrama de bloques Base (cm) y Altura (cm) tienen una apariencia

diferente de la terminal Área (cm2). Existen dos características distintivas entre un control y un

indicador en el diagrama de bloques. La primera es una flecha en la terminal que indica la

dirección del flujo de datos. Los controles tienen flechas que muestran los datos que salen de la

terminal, mientras que el indicador tiene una flecha que muestra los datos que entran a la




terminal. La segunda característica distintiva es el borde alrededor de la terminal. Los controles

tienen un borde grueso y los indicadores tienen un borde delgado.

Puede ver terminales con o sin vista de íconos. La figura 10 muestra el mismo diagrama de

bloques sin usar la vista de ícono de las terminales; sin embargo existen las mismas

características distintivas entre los controles y los indicadores.

Figura 10. Diagrama de Bloques del Área de un Triángulo sin Vista de Terminal de Ícono

Nodos de Diagrama de Bloques

Los nodos son objetos en el diagrama de bloques que tienen entradas y/o salidas y realizan

operaciones cuando el VI se ejecuta. Son análogos a instrucciones, operaciones, funciones y

sub rutinas en lenguajes de programación basados en texto. Los nodos pueden ser funciones,

subVIs o estructuras. Las estructuras son elementos de control de procesos, como Estructuras

de Casos, Ciclos For o Ciclos While. Las funciones de Suma y Resta en la Figura 6 son nodos

de función.

Funciones

Las funciones son los elementos de operación fundamentales de LabVIEW. Las funciones no

tienen ventanas del panel frontal o ventanas del diagrama de bloques pero no tienen paneles

conectores. Al hacer doble clic en la función solamente selecciona la función. Una función tiene

un fondo amarillo pálido en su ícono.




SubVIs

Los subVIs son VIs que usted crea para usar dentro de otro VI o que usted tiene acceso en la

paleta de Funciones. Un subVI es similar a una función en un lenguaje de programación basado

en texto.

Cualquier VI tiene el potencial para ser usado como un subVI. Cuando hace doble clic en un

subVI en el diagrama de bloques, aparece la ventana del panel frontal. El panel frontal incluye

controles e indicadores. El diagrama de bloques incluye cables, íconos, funciones, subVIs

probables u otros objetos de LabVIEW.

Cada VI muestra un ícono en la esquina superior derecha de la ventana del panel frontal y la

ventana del diagrama de bloques. Un ejemplo del ícono predeterminado se muestra arriba. Un

ícono es una representación gráfica de un VI. El ícono puede contener texto e imágenes. Si usa

un VI como un subVI, el ícono identifica al subVI en el diagrama de bloques del VI. El ícono

predeterminado contiene un número que indica cuántos nuevos VI abrió después de iniciar

LabVIEW.

Para usar un VI como un subVI, necesita construir un panel conector, como se muestra arriba.

El panel conector es un conjunto de terminales en el ícono que corresponde a los controles e

indicadores de ese VI, similares a la lista de parámetros de una función llamada en lenguajes de

programación basados en texto. Obtenga acceso al panel conector al dar clic con botón

derecho en el ícono en la parte superior derecha de la ventana del panel frontal. Usted puede

tener acceso al panel conector desde el ícono en la ventana del diagrama de bloques.

Los subVIs también pueden ser Express VIs. Los Express VIs son nodos que requieren

cableado mínimo ya que usted los configura con ventanas de diálogo. Use Express VIs para

tareas de medidas comunes. Puede guardar la configuración de un Express Vi como un subVI.

Consulte el tema de Express VI de LabVIEW Help para más información sobre crear un subVI

desde una configuración de Express VI.

LabVIEW utiliza los íconos de colores para distinguir entre Express Vis y otros VIs en el

diagrama de bloques. Los íconos para Express VIs aparecen en el diagrama de bloques como

íconos rodeados por un campo azul y los íconos de subVIs tienen un campo amarillo.




Paleta de Funciones

La paleta de Funciones contiene los VIs, funciones y constantes que usted utiliza para crear el

diagrama de bloques. Usted tiene acceso a la paleta de Funciones del diagrama de bloques al

seleccionar View»Functions Palette. La paleta de Funciones está dividida en varias categorías;

usted puede mostrar y esconder categorías para cumplir con sus necesidades. La figura. 11.

muestra la paleta de Funciones con todas las categorías expuestas y la categoría de

Programación expandida.

Figura 11. Paleta de Funciones

Para ver o esconder categorías, haga clic en el botón View en la paleta y seleccione o anule la

selección en la opción Change Visible Categories.

Buscar Controles, VIs y Funciones

Cuando usted selecciona View»Controls o View»Functions para abrir las paletas Controles y

Funciones, aparecen dos botones en la parte superior de la paleta.

Search—Cambia la paleta para el modo buscar, así usted puede realizar búsquedas basadas

en texto para ubicar los controles, VIs o funciones en las paletas. Mientras una paleta está en




modo de búsqueda, haga clic en el botón Return para salir del modo de búsqueda y regresar a

la paleta.

View—Proporciona opciones para seleccionar un formato para la paleta actual, mostrar y

esconder categorías para todas las paletas y clasificar alfabéticamente elementos en los

formatos de Texto y Árbol. Seleccione Options del menú de acceso directo para mostrar la

página Controls/Functions Palettes de la ventana de diálogo Options, en la cual puede

seleccionar un formato para todas las paletas. Este botón aparece solamente si hace clic en la

tachuela en la esquina superior izquierda para prender la paleta.

Hasta que se familiarice con la ubicación de los VIs y funciones, busque la función o VI usando

el botón Search. Por ejemplo, si desea encontrar la función Random Number, haga clic en el

botón Search en la barra de herramientas de la paleta de Funciones y comience a escribir

Random Number en la ventana de diálogo en la parte superior de la paleta. LabVIEW enlista

todos los elementos parecidos que comienzan con o contienen el texto que escribió. Puede dar

clic en alguno de los resultados de búsqueda y arrástrelo al diagrama de bloques, como se

muestra en la figura 12.

Figura 12. Buscar un Objeto en la Paleta de Funciones

Haga doble clic en el resultado de la búsqueda para identificar su ubicación en la paleta.

Una vez con el conocimiento de los parámetros y la obtención de los resultados del proceso

manual de la elaboración de la composta, se procede a implementar instrumentación para

sensar las variables y así poder obtener datos de forma más sofisticada y útil con el uso de

Labview.




ANEXO C

Estudio realizado, a una fracción de la composta manufacturada, en el Centro Internacional de

Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT)







ANEXO D

Norma Técnica Estatal Ambiental

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12396/1/control... · 2017. 6. 1. · A mis compañeros Paty y Omar Que fueron artífices clave en este proyecto