La industria agroalimentaria es uno de los mayores sectores productivos en Europa y está compuesto en su mayoría por PYMES. Aproximadamente el 95% son pequeñas y medianas empresas que encuentran ciertas barreras para la innovación tecnológica.

El desarrollo de sistemas eficientes y con bajos costes de inversión y operación es esencial para su viabilidad. Es importante también posibilitar una sencilla adaptación a las necesidades de cada empresa, así como desarrollar sistemas robustos y fáciles de operar que no requieran personal altamente especializado.

El problema del tratamiento de las aguas en las pymes agroindustriales

Uno de los problemas de las PYMES agroindustriales es su notable huella hídrica. La industria agroalimentaria es intensiva desde el punto de vista de consumo de agua. El sector alimentario produce aproximadamente 2.17 millones de m³ de agua residual al día en Europa, aproximadamente el 2% del total. A pesar de que la agroindustria es la principal fuente de polución orgánica biodegradable en Europa, el agua residual de agroindustria se trata de manera generalizada en plantas de tratamiento de aguas residuales centralizadas, habitualmente en las plantas del municipio o parque industrial en el que se encuentre la empresa.

Estas plantas utilizan principalmente tratamientos aerobios que hacen uso de microorganismos que degradan la materia orgánica empleando el oxígeno disuelto en el agua, es decir, necesitan de una corriente de aire. Estos reactores tienen altos costes de operación y requieren de grandes espacios para su instalación.

Los tratamientos anaerobios, que utilizan microorganismos que viven en ausencia de aire, tienen menores costes de operación y se pueden instalar en espacios reducidos, por lo que suponen una alternativa para las PYMES. Además, en este proceso se genera biometano. Sin embargo, está siendo necesario avanzar en la tecnología actual para reducir su coste de inversión y hacerlos más eficientes y robustos frente a variaciones de carga orgánica.

Abordar estos desafíos implica el desarrollo de nuevos diseños y es en este punto donde la tecnología de “gemelo digital” puede resultar clave para que el proceso sea ágil y eficaz.

Qué es un gemelo digital

Los gemelos digitales son modelos que emulan el funcionamiento de un equipo o sistema. De esta manera se puede conocer cómo responde dicho sistema a cambios en su diseño o en la forma de operarlo, sin necesidad de hacerlo físicamente en la realidad. Por ejemplo, se puede conocer la temperatura en un punto concreto de un nuevo diseño; la eficiencia al modificar la operación de una planta; o la presión en una zona inaccesible de cierto equipo.

Para generar un gemelo digital hace falta información sobre cómo se va a comportar el sistema. Esta información puede provenir tanto del conocimiento teórico de los fenómenos físicos como del histórico de datos medidos. La combinación de ambos de la manera adecuada permite obtener gemelos digitales precisos y rápidos.

Algunas de las aplicaciones de esta técnica son el análisis del funcionamiento de los equipos; el soporte a nuevos diseños y rediseños; y la sensorización virtual, que permite monitorizar parámetros que no pueden ser medidos de otra manera, bien porque no existen sensores que lo permitan, o bien porque se encuentran en zonas de difícil acceso.

Diseño de un reactor con generación de biometano

ITAINNOVA ha desarrollado gemelos digitales para dar soporte al diseño y escalado de un nuevo reactor anaerobio multietapa para el tratamiento de aguas residuales dentro del proyecto LIFE Multi-AD 4 AgroSMEs (“High performance multiphase anaerobic reactor for agroindustrial wastewater treatment”), en el que se ha desarrollado e industrializado esta tecnología. El objetivo del proyecto ha sido crear un reactor anaerobio con alta eficiencia, bajos costes de operación, robusto frente a variaciones de carga y que maximice la generación de biometano; en definitiva, adaptado a las necesidades de las PYMES agroalimentarias. Este sistema reduce los costes y también el impacto ambiental asociado.

La idea parte de un piloto de 100 litros patentado por AEMA que ha sido escalado hasta una planta industrial de 100 m³ durante el proyecto. Este proceso supone no solo aumentar el tamaño del equipo, sino también realizar un rediseño de este. Las modificaciones en el diseño se deben tanto a su adaptación a los requerimientos estructurales, de seguridad y otros propios de la integración en la planta como a los fenómenos físicos que dependen de las dimensiones del equipo, por ejemplo, la distribución de los microorganismos en el reactor.

Para disminuir el riesgo y dotar de agilidad al proceso de escalado se han utilizado los gemelos digitales, que han permitido caracterizar el equipo piloto, analizar diferentes diseños y optimizar la planta industrial de manera virtual antes de comenzar su construcción.

Un reactor anaerobio es un sistema complejo tanto desde el punto de vista bioquímico como de la fluidodinámica (el movimiento de los fluidos), que define la agitación, el nivel de mezcla y el contacto entre los microorganismos y la materia orgánica. Respecto a esto último, nos encontramos con una mezcla de líquido, el agua; partículas sólidas, los microorganismos; y gas, el biometano generado. Esta complejidad hace que los modelos conlleven una cantidad de cálculos tal que la obtención del resultado pueda tardar varios días.

Gemelos digitales para resolver problemas reales

La metodología desarrollada en ITAINNOVA se basa en el uso de modelos con diferente nivel de precisión, es decir, el uso de gemelos digitales simplificados en determinadas etapas del proceso de escalado para adaptarlos a las necesidades de precisión y rapidez de cada una de ellas. De esta manera, se han utilizado modelos más precisos en la etapa inicial de caracterización del proceso, en la que se ha podido conocer qué hace que la tecnología funcione; y en la fase final de validación y optimización del diseño seleccionado. Y se han utilizado los modelos simplificados en la etapa de generación y selección de nuevos diseños y modificaciones.

Ser capaces de determinar los fenómenos o fases que se pueden simplificar o eliminar de los modelos nos permite mantener la precisión en los parámetros importantes y dotar de la agilidad requerida para cada etapa del rediseño. De esta manera, esta metodología basada en gemelos digitales da soporte robusto y ágil a los nuevos desarrollos de las PYMES agroalimentarias.

Esta investigación ha recibido financiación del Programa LIFE de la Unión Europea bajo el acuerdo número LIFE17 ENV/ES/331 – LIFE MultiAD 4 AgroSMEs

Ana Martínez Santamaría

Técnica de Transferencia en ITAINNOVA

ITAINNOVA es miembro de AVEBIOM