FORMATO PARA ELABORAR EL REPORTE - ProtÃ³n - Universidad ...

MONITOREO Y CONTROL DE UN DIGESTOR ANAEROBIO DE DOS 

ETAPAS PARA EL TRATAMIENTO DE VINAZAS TEQUILERAS 

Michel David Robles Romero 

m_davidrobles@yahoo.com.mx 

1) RESUMEN: 

Con base en la necesidad de crear nuevas y más eficientes tecnologías para el tratamiento de 

aguas residuales con alto contenido de materia orgánica (MO), característica principal de las 

vinazas tequileras, se implementa el desarrollo de un sistema para el monitoreo y control, tanto 

local como a distancia, de un proceso de Digestión Anaerobia (DA) con aplicación a el 

tratamiento de vinazas tequileras. Este proceso ofrece ventajas importantes respecto a las 

tecnologías convencionales, entre las que destacan su capacidad para tratar grandes volúmenes 

de aguas residuales en un tiempo corto, por lo que las instalaciones requeridas resultan de 

mucho menor tamaño que las tradicionales. Además, dado que estos procesos no requieren de 

sistemas de aeración y a que pueden operar a temperaturas cercanas a la ambiente (entre 25 y 

35ºC) su costo de operación es bajo. Otra de sus ventajas está relacionada a la recuperación de 

energía, ya que se obtiene como subproducto de este proceso un gas compuesto principalmente 

por metano y dióxido de carbono conocido como biogás, el cual es utilizado como un 

combustible alternativo para usos diversos dentro de la misma planta, tales como el 

calentamiento de calderas, hornos y hasta en la alimentación de generadores de electricidad. 

1.1. Instrumentacion y control. 

La instrumentación y control del proceso se implementa de manera tal que las variables del 

proceso (tales como flujo de alimentación, producción de biogás, pH, temperatura y presión) 

puedan ser monitoreadas y controladas en línea. Para este fin, todos los sensores, bombas y 

válvulas se conectan a un modulo de acondicionamiento, adquisición, almacenamiento y 

procesamiento de datos. A su vez este modulo esta enlazado a una computadora, donde se 

visualizan los datos en tiempo real y se almacenan para crear un historial del comportamiento 

de las variables, lo que resulta en una operación confiable del proceso. En cuanto al software 

implementado en la computadora, una de las opciones es la de de utilizar el software Lab 

View© de National Instruments para la adquisición y visualización de los datos obtenidos 

desde el modulo de instrumentación y control. Otra opción es utilizar algún lenguaje de 

programación, como C++, para crear una interface y generar las bases de datos requeridas. 

1.2. La necesidad de tratar el agua. 

Debido a la creciente preocupación respecto a la calidad con la que las aguas residuales de la 

industria del tequila son emitidas al medio ambiente y, por consecuencia, al cumplimiento de 

la normatividad cada vez más rigurosa que regula su emisión, el estudio de la Digestión 

Anaerobia (DA) como una alternativa viable para el tratamiento de estos efluentes resulta 

evidente. 

Michel David Robles Romero, Código: 301414909, m_davidrobles@yahoo.com.mx 

Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada. 

Página 1

Con ello se justifica el diseño e implementación de un sistema de monitoreo y control tanto 

local como remoto que permite garantizar el buen funcionamiento de un digestor anaerobio 

que se usa para el tratamiento de vinazas tequileras. 

2) LA DIGESTIÓN ANAEROBIA, UNA OPCIÓN PARA LA 

INDUSTRIA TEQUILERA [5]. 

La digestión anaeróbica (DA) [8] es el proceso en el cual microorganismos descomponen 

material biodegradable en ausencia de oxígeno. Este proceso genera diversos gases, entre los 

cuales el dióxido de carbono y el metano son los más abundantes (dependiendo del material 

degradado). En biodigestores se aprovecha esta liberación de gases para luego ser usados como 

combustible. La intensidad y duración del proceso anaeróbico varían dependiendo del diversos 

factores, entre los que se destacan la temperatura y el pH del material biodegradado. 

Hoy en día, una de las mayores problemáticas a las que se enfrenta la industria del tequila es la 

del tratamiento de sus aguas residuales, también llamadas vinazas tequileras, lo que pone en 

riesgo el desarrollo sustentable de esta tan importante actividad industrial. Las vinazas 

tequileras tienen un alto impacto ambiental debido a su elevado contenido de Materia 

Orgánica (MO) que expresada como Demanda Química de Oxígeno (DQO) puede alcanzar 

valores de 60 a 80 gDQO/L. Este alto contenido de materia orgánica excluye totalmente el uso 

de tecnologías convencionales tales como los procesos aerobios, cuya capacidad de operación 

está limitada a concentraciones máximas de 20 gDQO/L. Así pues, la necesidad de 

implementar nuevas tecnologías para el tratamiento de estos efluentes resulta evidente. 

Recientemente, el proceso de Digestión Anaerobia (DA) se ha mostrado como una alternativa 

interesante para el tratamiento de efluentes con alto contenido de materia orgánica. La DA 

presenta varias ventajas respecto a otras tecnologías. Por ejemplo, en los procesos aerobios el 

agua residual es puesta en contacto con O 2 y una gran cantidad de microorganismos que 

degradan la MO para producir CO 2 y agua, de los que posteriormente obtendrán energía. Dado 

que este proceso les genera una gran cantidad de energía, los microorganismos crecen 

rápidamente, al grado de que parte de la MO del agua residual es convertida en comunidades 

de células nuevas que se agrupan al final en un lodo orgánico, el cual se convierte en un nuevo 

problema de eliminación. En cambio, en la DA a pesar de que el agua residual también es 

puesta en contacto con una gran variedad de microorganismos, al excluir la presencia de 

oxígeno se logra que la MO sea transformada ahora en CO 2 y CH 4 , por lo que los 

microorganismos obtienen poca energía a cambio, resultando en una velocidad lenta de 

crecimiento celular. Así, la mayor parte de la MO del agua residual es convertida en metano, 

mismo que puede ser aprovechado posteriormente. Otras ventajas del proceso de DA son: a) 

alto grado de remoción de MO, b) baja producción de lodos orgánicos residuales, c) 

requerimientos mínimos de nutrientes, e) no hay necesidad de suministrar oxígeno 

disminuyendo sus costos de operación y f) la obtención de metano como sub-producto de valor 

agregado. 



Página 2

El tratamiento por DA de materia orgánica compleja (MOC) puede considerarse como un 

proceso compuesto principalmente por dos etapas: acidogénesis y metanogénesis. En la 

primera, la MOC (polímeros de grasas, proteínas y carbohidratos) es hidrolizada, fermentada y 

convertida biológicamente a materia orgánica simple (MOS) por un conjunto de 

microorganismos llamados comúnmente “acidogénicos”. El principal producto de esta 

primera etapa son ácidos grasos orgánicos de cadena corta, también conocidos como ácidos 

grasos volátiles (AGVs), los cuales son fácilmente degradados por los microorganismos de la 

segunda etapa. Por consiguiente, en la segunda etapa los ácidos orgánicos son convertidos en 

CO 2 y CH 4 (como productos finales del proceso) por un grupo de microorganismos llamados 

“metanogénicos”. 

A través de los años, las reacciones que conforman el proceso de DA han sido llevadas a cabo 

en su mayoría utilizando un solo reactor, a lo que se conoce como procesos de DA de una sola 

etapa. Sin embargo, este tipo de configuración puede presentar problemas frecuentes de 

operación, ya que se debe de mantener un equilibrio entre las poblaciones de microorganismos 

y ambientes adecuados de crecimiento celular. En la práctica, este equilibrio se favorece (pero 

no se garantiza) incrementando el tiempo de residencia del digestor y evitando variaciones 

abruptas en la concentración de MO del caudal de alimentación. Sin embargo, aún teniendo 

estas precauciones, la operación adecuada de este tipo de procesos puede verse afectada, ya 

que los microorganismos acidogénicos se adaptan más rápidamente que los metanogénicos, 

acelerando la velocidad de fermentación ácida y, por consecuencia, un aumento en la 

concentración de AGV’s, efecto que se ve reflejado en el proceso por una disminución del pH. 

Bajo estas circunstancias, el proceso se encuentra bloqueado dado que las poblaciones 

microbianas están fuera de equilibrio. Así, varios investigadores han sugerido la separación de 

las “fases” como una buena alternativa para resolver este problema, basados en el argumento 

de que los grupos de microorganismos acidogénicos y metanogénicos tienen necesidades 

diferentes de nutrientes y requieren ambientes distintos para un crecimiento óptimo. A este 

proceso de separar espacialmente las comunidades de microorganismos mediante el uso de dos 

reactores dispuestos en serie, en los cuales se mantienen las condiciones óptimas para cada uno 

de los grupos a fin de incrementar la velocidad de recambio para el proceso completo y 

permitir una reducción del tamaño total de la planta se le conoce como DA en dos etapas 

(figura 1). 

En la primera etapa, conocida como fermentación ácida, se favorece la producción de 

metabolitos intermedios, los cuales se componen principalmente de AGV’s. En la segunda 

etapa, conocida como metanogénesis, los compuestos intermedios son convertidos a CH 4 y 

CO 2 . A diferencia del proceso en una sola etapa, donde los microorganismos acidogénicos y 

metanogénicos se encuentran en el mismo digestor, en el proceso en dos etapas la comunidad 

bacteriana del primer digestor está compuesta principalmente por microorganismos 

acidogénicos, mientras que en el segundo digestor se encuentra formada principalmente por 

microorganismos metanogénicos. 



Página 3

Figura 1. Digestor Anaerobio de dos etapas (bloques). 

Esto se logra mediante condiciones específicas de operación que favorecen el desarrollo de 

cada una de las comunidades microbianas. Es claro que bajo la configuración en dos etapas, el 

proceso puede ser operado de una manera más eficiente, ya que los microorganismos 

acidogénicos no pueden crecer más que los metanogénicos. De hecho, se ha observado que la 

actividad específica es también mejorada al separar las poblaciones acidogénicas principales y 

metanogénicas. 

Los principales beneficios de la DA en dos etapas son: 

Optimización del proceso. La posibilidad de mantener condiciones óptimas en los 

ambientes de cada grupo de microorganismos permite una reducción en el tamaño total 

de la planta. 

Mejoramiento de la estabilidad operacional. Por medio de una velocidad de 

alimentación adecuada al reactor metanogénico, es posible garantizar un equilibrio 

entre las poblaciones acidogénicas y metanogénicas, lo cual previene al sistema de una 

acumulación excesiva de AGV’s y, consecuentemente, de un descenso del pH evitando 

el cese en la producción de metano. 

En años recientes se han realizado varios trabajos relacionados a la aplicación de procesos de 

DA para el tratamiento de vinazas tequileras en sistemas de una sola etapa enfocados hacia su 

estabilidad, desempeño y capacidad de remoción de contaminantes, así como al diseño de 

estrategias de control y regulación. Por otro parte, en la literatura cada vez se encuentran más 

estudios que reportan los beneficios del empleo de procesos de DA en dos etapas para el 

tratamiento de varios tipos de aguas residuales, por ejemplo de la industria de alimentos, 

bebidas alcohólicas, agrícolas, municipales, etc. Sin embargo, hasta el momento en lo que 

concierne al tratamiento de vinazas tequileras mediante procesos de DA en dos etapas solo se 

han reportado trabajos que desarrollan modelos matemáticos que describen la dinámica del 

proceso y al diseño de estrategias de control evaluadas mediante simulaciones numéricas. Por 



Página 4

consiguiente, es esencial realizar investigaciones sobre el empleo de procesos de DA bajo una 

configuración en dos etapas para el tratamiento de los efluentes de la industria tequilera. 

Figura 2. Esquema general del reactor utilizado en cada una de las etapas. 

3) MODULO DE ACONDICIONAMIENTO, ADQUISICIÓN, Y 

PROCESAMIENTO DE DATOS. 

Para el diseño de este modulo se sigue el diagrama de la figura 3, donde se observa la 

disposición de todos los sensores (entradas al modulo) y actuadores (salidas del modulo). 

El diagrama a bloques del modulo de acondicionamiento, adquisición, almacenamiento y 

procesamiento de datos se observa en la figura 4. 

3.1. INSTALACIÓN DE SENSORES Y ACTUADORES. 

Enseguida se enlista los sensores que se implementan, su principio de funcionamiento y tipo 

de señal de salida, después se enlistan las bombas y válvulas utilizadas. Finalmente se 

profundiza en cada uno de estos transductores destacando las características más importantes 

para su correcto funcionamiento. 



Página 5



Página 6 

Figura 3. Disposición de sensores y actuadores en el sistema.



Página 7 

Figura 4. Diagrama a bloques del modulo de acondicionamiento, adquisición y procesamiento de datos.

Sensores 

Variable sensada Sensor Señal de salida 

Temperatura LM35. Voltaje proporcional a la temperatura 

Presión Dwyer P/N:673-1. Corriente proporcional a la presión 

pH 

Nivel 

Nivel 

Thermo scientific 

Orión 8256BN. 

Resistencia variable, 

mecanismo de 

engrane cremallera. 

Haces ópticos con leds 

y fototransistores. 

Voltaje en función del pH. 

Voltaje proporcional al nivel. 

Señal digital TTL. 

Tabla 1. Listado de los sensores utilizados en este proyecto. 

Actuadores 

Actuador Funcionamiento Señal requerida a la entrada 

Bomba control de pH Bomba peristáltica Señal digital TTL 

Bomba control temperatura Bomba centrifuga Señal digital TTL 

Bomba de alimentación Bomba peristáltica Señal de voltaje o corriente 

Bomba de recirculación Bomba centrifuga Señal digital TTL 

Válvula de paso 1 via Electroválvula Voltaje 24V, 2A 

Resistencia de calentamiento Efecto joule resistivo Voltaje de AC controlado 

Tabla 2.Listado de los actuadores utilizados en este proyecto. 

3.2. SENSORES Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL 

3.2.1. Sensor de temperatura LM35 (figura 5). 

Figura 5. Sensor de temperatura LM35 



Página 8

Debido a su simplicidad de uso, bajo costo, buena precisión y gran confiabilidad se ha elegido 

este dispositivo para sensar las temperaturas en los diferentes puntos de interés. Dado que su 

señal de salida es analógica proporcional a la temperatura, se requerirá de un convertidor 

análogo a digital para el procesamiento y control del subproceso que involucre dicha variable. 

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC. Puede medir 

temperaturas en el rango que abarca desde -55º a + 150ºC. La salida es muy lineal y cada 

grado centígrado equivale a 10mV en la salida. 

3.2.1.1 Características 

Sus características más relevantes son: 

Precisión de ~1.5ºC (peor caso), 0.5ºC garantizados a 25ºC. 

No linealidad de ~0.5ºC (peor caso). 

Baja corriente de alimentación (60uA). 

Amplio rango de funcionamiento (desde -55º a + 150ºC). 

Bajo costo. 

Baja impedancia de salida. 

Su tensión de salida es proporcional a la temperatura, en la escala Celsius. No necesita 

calibración externa y es de bajo costo. Funciona en el rango de alimentación comprendido 

entre 4 y 30 voltios. Como ventaja adicional, el LM35 no requiere de circuitos adicionales para 

su calibración externa cuando se desea obtener una precisión del orden de ±0.25 ºC a 

temperatura ambiente, y ±0.75 ºC en un rango de temperatura desde 55 a 150 ºC. La baja 

impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración inherente hace posible una fácil 

instalación en un circuito de control. Debido a su baja corriente de alimentación (60uA), se 

produce un efecto de autocalentamiento reducido, menos de 0.1 ºC en situación de aire 

estacionario. Además se presenta en diversos encapsulados, ofreciendo cada uno sus ventajas 

(figura 6). 

Figura 6. Encapsulados disponibles para el LM35 



Página 9

Este sensor esta conectado como se muestra en la figura 7, donde se utiliza un capacitor y una 

resistencia para desacoplar las capacitancias generadas en los conductores que llevan las 

señales. 

Figura 7. LM35 con RC Damper 

3.2.1.2 Acondicionamiento. 

La figura 8 muestra el circuito de acondicionamiento para este sensor. Aunque no requiere un 

acondicionamiento especifico, se hace una pequeña amplificación con el fin de igualar la señal 

que entrara al ADC desde este sensor con las señales de los otros sensores, que también son 

manejadas a nivel de unidades de volts. La máxima señal de salida del sensor es de: 

Una vez amplificada, el voltaje máximo es de 5V. Entonces determinamos una ganancia de 5 

para el amplificador no inversor implementado. Entonces, para obtener dicha ganancia 

R2=100kΩ y R1=20kΩ 

(1) 

Figura 8. Acondicionamiento para el sensor de temperatura. 



Página 10

3.2.2. Sensor de presión Dwyer P/N673-1 (figura 9). 

Figura 9. Sensor de presión Dwyer serie 673. 

El sensor de presión Serie 673 de bajo costo es un transductor de rango fijo diseñado para 

ambientes extremos, adecuado para aplicaciones rudas y de altas vibraciones. Con carcasa de 

acero inoxidable, la Serie 673 ofrece una salida de 4 a 20mA con precisión de 0.25%. Se 

recomienda usar la Serie 673 OEM en equipos industriales, sistemas hidráulicos, equipos de 

aire acondicionado, motores industriales y de control de compresores. 

3.2.2.1 Características: 

Servicio: líquido, gas o vapor. 

Exactitud: ± 0,25% FS (RSS), (incluye la no linealidad, histéresis y la no repetición). 

Límites de temperatura: de -40 a 260 ° F (-40 a 125 ° C). 

Límites de presión: 2 veces rango máximo. 

Rango de temperatura compensado: 4 a 212 ° F (-20 a 100 ° C). 

Errores térmicos: Cero: ± 3,6% FS/100 ° F (100 ° C); Span: ± 2,7% FS/100 ° F (100 ° C). 

Tensión de alimentación: 9-30 VDC. 

Salida: 4-20mA, 2-hilos. 

Ajuste de Cero y span: Fijos. 

Tiempo de respuesta:

cable de dos hilos donde rojo es positivo y negro es negativo. Conectar carcasa a la tierra del 

sistema o tierra física. 

La corriente de salida de 4-20mA son unidades diseñadas para tener flujo en una sola dirección 

- por favor observe la polaridad. Se Sugiere que el cable eléctrico de la carcasa este conectado 

a la tierra del sistema para mejorar la eliminación de ruido eléctrico. 

Para el acondicionamiento de esta señal es utilizado un convertidor de corriente a voltaje, 

luego, con un restador con ganancia se obtiene una señal en voltaje que va desde 0.8 V para 

4mA hasta 4V para 20mA (figura 10). 

Figura 10. Acondicionamiento de la señal de presión. 

Las resistencias tienen los siguientes valores: R1=100Ω, R2=50kΩ y R3=100kΩ. 

La ecuación que caracteriza al circuito se puede deducir al analizar el convertidor corriente a 

voltaje implementado, el cual tiene una salida caracterizada por: 

Los valores de la corriente de entrada van de 4 a 20mA, según el fabricante del sensor. 

Entonces, para evitar tener voltajes negativos y saturar el amplificador operacional, se elige 

una referencia Vref distinta de 0V y positiva. Entonces la ecuación (x) queda como: 

Luego se implementa un restador, con lo cual la salida se vuelve una proporción directa a la 

entrada: 

Por ejemplo, cuando a la entrada halla 4mA, la salida será 200 x 4 = 0.8V. De esta forma se 

aprovecha mejor el rango del ADC, que es de 0 a 5V. 



Página 12

3.2.3. Electrodo sensor de pH Orión 8256BN (figura 11). 

Figura 11. Electrodo de pH Orión 8256BN 

3.2.3.1 El término pH 

El término pH proviene de la combinación de la letra p de la palabra potencia y la letra H del 

símbolo del elemento hidrógeno. Juntas, estas letras significan la potencia o exponente del 

hidrógeno. 

3.2.3.2 Aplicación práctica del pH 

El pH sirve como una forma práctica de comparar la acidez o la alcalinidad relativa de una 

solución a una temperatura dada. Un pH de 7 describe una solución neutra porque las 

actividades de los iones de hidrógeno e hidróxido son iguales. Cuando el pH está por debajo de 

7, la solución se describe como ácida porque la actividad del ion de hidrógeno es mayor que la 

actividad del ion de hidróxido. Una solución es más ácida cuando aumenta la actividad del ion 

de hidrógeno, como consecuencia, el pH se reduce. En cambio, cuando aumenta la actividad 

del ion de hidróxido, la solución se torna más alcalina, también se le denomina básica, con lo 

que aumentará el pH. 

En la práctica, las mediciones con electrodo de pH se efectúan comparando las lecturas en una 

muestra con las lecturas en las soluciones estándar cuyo pH ha sido definido ("tampón" o 

“buffer”) previamente. Estas mediciones son determinaciones relativas y no determinaciones 

termodinámicas exactas de la actividad. Las mediciones con electrodo de pH pueden servir 

para detectar el punto final de titulación que dará una indicación de la acidez o la alcalinidad 

en términos de la concentración total, en lugar de darla en términos de la actividad. 



Página 13

3.2.3.3 Teoría de la medida de pH 

La tecnología actual de los electrodos se adapta a una variedad de métodos analíticos a 

disposición del usuario según las necesidades: 

- La velocidad deseada y la precisión requerida 

- La gama de pH o de concentraciones de la muestra 

- El tipo de muestra (seca o acuosa) 

- La instrumentación disponible 

- Si la medición se efectúa en un laboratorio o en el campo 

Componentes esenciales 

Independientemente de las condiciones de la muestra, los componentes esenciales de un 

sistema de medición de pH o un sistema selectivo de medición de iones son: 

1. Un electrodo sensor y un electrodo de referencia (sistema de semicelda), o un electrodo 

sensor con una referencia incorporada (sistema de combinación) 

2. Un dispositivo de lectura (medidor) 

3. Una solución que contenga el ion que se desea medir 

Electrodo sensor 

Cuando un electrodo sensor entra en contacto con una muestra que contiene iones para los 

cuales el electrodo es selectivo (hidrogeniones en el caso de medida de pH), se desarrolla un 

potencial a través de la superficie de la membrana sensora. El potencial de la membrana varía 

con la concentración del ion que se está midiendo. La magnitud del potencial en forma de 

tensión guarda relación con la concentración del ion. 

Electrodo de referencia. 

Efectuar una medición requiere un segundo potencial invariable para compararlo con el 

potencial de la membrana sensora. El electrodo de referencia cumple esta función. Una 

solución de relleno completa el circuito eléctrico entre la muestra y la celda interna del 

electrodo de referencia. A la unión entre la muestra y la solución de relleno se le denomina 

unión de líquido a líquido. 

Electrodos de combinación 

Muchos electrodos sensores tienen la referencia incorporada en el mismo cuerpo del electrodo. 

A estos electrodos se les denomina electrodos de combinación. Los electrodos de combinación 

brindan la misma selectividad y respuesta que un sistema de semicelda, pero además ofrecen la 

comodidad de trabajar con y mantener un solo electrodo. En muchos casos, un electrodo de 

combinación proporciona un sistema optimizado para una aplicación porque el sistema de 

referencia está diseñado específicamente para un solo elemento sensor. 

Electrodo de vidrio 

El electrodo de vidrio se prefiere cada vez mas y lo pHmetros están normalmente equipados 

con él. Esta constituido por una membrana de vidrio especial, generalmente en forma de 

ampolla, llena de una solución de pH conocida dentro de la que está sumergido un elemento de 

referencia de cloruro de plata, de calomel o de cloruro de talio. Cuando la ampolla esta 



Página 14

sumergida en una solución, aparece entre las dos caras una diferencia de potencial 

proporcional a la diferencia de pH de la solución interna de referencia y el de la muestra. 

Dispositivo de lectura 

Un medidor (potenciómetro o voltímetro) sirve como el dispositivo de lectura para indicar la 

diferencia de tensión del sistema de electrodos en milivolts, pH o unidades de concentración. 

Muestra 

La muestra o solución estándar es el componente final del sistema. La naturaleza de la muestra 

determina qué técnicas de medición son apropiadas para el análisis. 

3.2.3.4 La teoría básica del electrodo de pH 

Los electrodos de pH miden el pH de una solución en forma potenciométrica. Una medición 

potenciométrica se basa en una señal eléctrica. Cuando un electrodo sensor de pH entra en 

contacto con una muestra, se desarrolla un potencial en toda la superficie de la membrana 

sensora. El potencial de la membrana varía con el pH. El efectuar una medición requiere un 

segundo potencial invariable para comparar cuantitativamente los cambios en el potencial de la 

membrana sensora. Un electrodo de referencia cumple esa función comparativa. 

La ecuación de Nernst describe la conducta del electrodo: 

E medido es el potencial medido del electrodo sensor; E 0 guarda relación con el potencial del 

electrodo de referencia; (2.3 RT/nF) es el factor Nernst y log a H + es el pH. 

El factor Nernst, 2.3 RT/nF, incluye la constante (R) de la Ley de Gases, la constante de 

Faraday (F), la temperatura en grados Kelvin (T) y la carga del ion (n). Para el pH, donde n=1, 

el factor Nernst es 2.3 RT/F. Dado que R y F son constantes, el factor y, por tanto, la conducta 

del electrodo depende de la temperatura. 

La pendiente del electrodo es una medida de la respuesta del electrodo al ion que se está 

detectando y equivale al factor Nernst. Cuando la temperatura es igual a 25°C, el factor Nernst 

o pendiente es 59.16mV/unidad de pH. Los medidores de pH pueden mostrar la pendiente 

como un porcentaje del valor teórico. Por ejemplo, una pendiente de 98.5% equivale a una 

pendiente de 58.27mV/unidad de pH para una calibración de dos puntos. 

Cuando un medidor de pH detecta la señal de la membrana sensora, la señal de referencia y la 

temperatura, el software del medidor calcula el pH que usa la ecuación de Nernst. Los 

medidores de pH controlados por microprocesador contienen valores de pH versus valores de 

temperatura para los tampones usados comúnmente. Esto permite que el medidor reconozca un 

tampón particular y efectúe la calibración con el valor correcto. 

3.2.3.5 El pH y la temperatura 

La causa más común de error en las mediciones del pH es la temperatura. Hay al menos cinco 

maneras en que las variaciones de la temperatura pueden afectar el pH: 

- Pendiente del electrodo 

- Tampones de pH 



Página 15 

(2)

- Muestras 

- Deriva del elemento de referencia 

- Errores del sensor de temperatura 

Cambios en la pendiente del electrodo 

La pendiente del electrodo cambiará con las variaciones en temperatura. Los cambios de 

pendiente pueden ser compensados manualmente o automáticamente con una sonda de 

compensación automática de temperatura (ATC). En la figura 12 se ilustra el cambio en la 

pendiente del electrodo con la temperatura. 

Figura 12. Cambios en el pH del tampón y la muestra en función de la temperatura. 

Los valores pH del tampón y la muestra varían con la temperatura debido a que sus equilibrios 

químicos dependen de la temperatura. El problema de valores pH diferentes se resuelve 

fácilmente calibrando el electrodo con tampones estándar caracterizados cuyos verdaderos 

valores pH versus la temperatura son conocidos. 

El problema del equilibrio de la muestra que varía con la temperatura en forma incapaz de 

caracterizarse siempre seguirá existiendo. Por consiguiente, la calibración y la medición deben 

efectuarse a la misma temperatura y los valores de pH deben reportarse junto con la 

temperatura. Para obtener los mejores resultados se debe usar una sonda de compensación 

automática de temperatura. 

Deriva del elemento de referencia 

Puede ocurrir una deriva cuando los elementos de referencia interna dentro de las secciones de 

medición del pH y de referencia en el electrodo están alcanzando un equilibrio térmico 

después de un cambio de temperatura. La deriva a largo plazo o la respuesta lenta puede durar 

hasta que la muestra y el electrodo estén a la misma temperatura. 

Errores del sensor de temperatura 



Página 16

Cuando un medidor de pH y una sonda de temperatura se colocan dentro de una muestra que 

varía significativamente en temperatura, las lecturas pueden experimentar una deriva por dos 

razones. Primera, es posible que la respuesta del electrodo y de la sonda de temperatura no 

sean similares, lo cual prolonga la puesta en equilibrio y la deriva. Segunda, es posible que una 

muestra no tenga una temperatura uniforme; por lo tanto, el electrodo de pH y la sonda de 

temperatura están respondiendo a dos ambientes distintos. 

3.2.3.6 Acondicionamiento de la señal de pH 

Mientras la conexión del electrodo de la referencia al líquido de la prueba sólo puede ser unos 

pocos kilo-ohms, la resistencia del electrodo de vidrio puede recorrer de diez a novecientos 

mega-ohmios, dependiendo del diseño de electrodo. Entonces cualquier corriente en este 

circuito viaja por las resistencias de ambos electrodos (y la resistencia presentada por la prueba 

líquida misma), estas resistencias están en serie una con relación a la otra y por lo tanto suma 

una constante mayor. Un voltímetro ordinario analógico o aún digital tiene una resistencia 

interna demasiado baja para medir el voltaje en un circuito de tan alta resistencia. 

El esquema equivalente del circuito de un electrodo típico de pH, mostrado en la figura 13, 

ilustra el problema. 

Figura 13. Circuito equivalente del electrodo de pH y su medición. 

Para este circuito Rem tiene valores de aproximadamente 400MΩ y Rer valores de hasta 3kΩ, 

aunque siempre depende del modelo de electrodo. Aún, una corriente muy pequeña que viaja a 

través de las altas resistencias de cada componente en el circuito (especialmente la membrana 

del vidrio del electrodo de medida), producirá caídas relativamente substanciales de voltaje a 

través de esas resistencias, reduciendo gravemente el voltaje visto por el medidor. Lo peor es 

el hecho que la diferencia de voltaje generado por el electrodo de medición es muy pequeño, 

en la gama de los milivolts (idealmente Vp = 59,16mV por unidad de pH a temperatura 

ambiente). El medidor utilizado para esta tarea debe ser muy sensible y tener una resistencia de 

entrada muy alta. La solución más común a este problema de medida es utilizar un 

amplificador con una resistencia de entrada muy alta para medir el voltaje del electrodo, la 

solución la proporciona entonces un amplificador de instrumentación (figura 14). 



Página 17

Figura 14. El amplificador de instrumentación. 

Para esta etapa se eligen valores de resistencias que otorguen una ganancia muy alta. 

Considerando que el electrodo implementado tiene voltajes de salida entre -10mV y +10mV, y 

que se requiere a la salida una señal que este en el rango de 0 a 5V. Luego, utilizando como 

voltaje de referencia la mitad del voltaje de alimentación (6V), y considerando los voltajes de 

saturación de los amplificadores operacionales, se hace que para una señal de entrada -100mV, 

se tenga a la salida 2V, y para +100mV, 10V. Luego la señal será filtrada y después atenuada 

a la mitad, para que al fin se tenga una salida dentro del rango deseado. 

La ganancia deseada es entonces: 

(3) 

La ecuación del amplificador de instrumentación es: 

(4) 

(5) 

Con Rf=100kΩ, Ri=10kΩ y Rs=22kΩ se tiene que: 

(6) 

Entonces se usa un potenciómetro de 5kΩ para ajustar al momento de la implementación. 



Página 18

Para el filtrado se utiliza uno del tipo Sallen y Key, con ganancia de uno y componentes 

mínimos, de respuesta Butterworth. Como la señal tratada es de baja frecuencia, la frecuencia 

de corte del filtro es también baja, se elige por conveniencia una frecuencia de corte de 40Hz. 

Eligiendo para C2 = 470nF: 

(7) 

Usar dos capacitores de 470nF en paralelo. Las resistencias R1, se calculan a partir de: 

(8) 

Despejando (9) para R y sustituyendo valores: 

(9) 

(10) 

Para el atenuador formado por R2 y R3, ambas deben ser iguales de un valor intermedio. Se 

eligen ambas de 4.7kΩ. 

Figura 15. Acondicionamiento de la señal de pH. 

3.2.4. Sensor de nivel. 

3.2.4.1 Resistivo. 

Basado en potenciómetros, este método para medir nivel resulta practico y económico, de fácil 

mantenimiento y fácil acondicionamiento (figura 16). Consiste en un flotador unido a una 

varilla en cuyo extremo opuesto al flotador se adapta una cremallera, que al momento se subir 

y bajar el nivel, hace girar un engrane unido al eje de un potenciómetro. 



Página 19

Figura 16. Sensor de nivel resistivo 

Para el acondicionamiento de este sensor basta construir un divisor de tensión adecuado, 

luego, la señal analógica es enviada a un ADC donde se hace una comparación digital para 

determinar el nivel del tanque (figura 17). 

Figura 17. Acondicionamiento del sensor resistivo. 

Los valores del divisor son encontrados a partir de la relación: 

Eligiendo Rf=140kΩ, se logra hacer que Rv sea de 100kΩ. De esta forma se garantiza que para 

el máximo valor de Rv, se tienen 5V en el divisor. 

(10) 



Página 20

3.2.4.2 Por haces infrarrojos (figura 18). 

Consiste en un par de barreras ópticas, formadas por un led y un fototransistor cada una. Para 

un mejor funcionamiento, tanto el led como el fototransistor son infrarrojos, de esta forma se 

evitan errores debido a los cambios de la intensidad de la luz ambiente. 

Figura 18. Sensor de barrera óptica infrarroja de dos niveles. 

3.2.4.3 Funcionamiento del almacenamiento y conteo de biogás. 

El mecanismo de funcionamiento de este sensor es como a continuación se describe (figura 

19): 

1. Inicialmente la válvula esta apagada y la columna de agua a su máximo nivel, la 

barrera infrarroja esta debilitada (no interrumpida) por la masa de agua, al entrar el 

biogás desde el reactor, la presión de este desplaza el nivel de agua en la columna, 

entonces la barrera superior se fortalece y aumenta el nivel de conducción del 

fototransistor superior. Continúa entrando biogás hasta que la barrera inferior deja de 

interrumpirse. En ese momento, la señal de corriente que transmite el fototransistor 

inferior aumenta, rebasa un nivel de comparación y acciona una electroválvula. 

Observe la figura 19.a 

2. Una vez abierta la electroválvula, el biogás es empujado por la columna de agua hacia 

el deposito donde se almacena el biogás, de nuevo, la barrera inferior es interrumpida, 

luego la superior, en este momento se manda desactivar la bobina de la válvula, para 

iniciar un nuevo ciclo (figura 19.b). 

El circuito que acondiciona las señales de los fototransistores (figura 20) devuelve un tren 

de pulsos que muestra el ritmo de producción de biogás en los reactores, que es un dato 

analizable en el proceso de investigación de este tipo de procesos. Esta señal también esta 

encargada de activar y desactivar la electroválvula. Más adelante se explica el circuito de 

excitación para esta válvula. 



Página 21

a) b) 

Figura 19. a) Medio ciclo inicial del sensor de nivel para el conteo de biogás; b) 2do medio ciclo del conteo de 

biogás. 

Las resistencias tienen los valores: R1 = 1kΩ y R2 = 4.7kΩ, estos valores garantizan el buen 

funcionamiento de un par infrarrojo genérico con un voltaje de alimentación de 12V, sin 

embargo, los valores finales dependerán del modelo y la beta de los transistores, así como de la 

eficiencia de los leds. 

3.3. ACTUADORES. 

3.3.1 Bombas de pH. 

Consisten de un motor eléctrico de 12V CD, con un reductor y un adaptador para bombeo 

peristáltico. La bomba se controla con señales de niveles TTL, con un nivel 1, la bomba se 

enciende, con 0 se apaga. Esencialmente actúan en función de la lectura que tienen los 

electrodos de pH en alguna de las partes del sistema. En la programación, se graban los niveles 

en los que se enciende y apagan las bombas, que como se observa en la figura 2, bombean una 

disolución específica para hacer que el efluente este apto para los microorganismos. Estas 

bombas se controlan desde el microcontrolador y pueden ser comandadas desde la pc. 



Página 22

Figura 20. Circuito acondicionador para los fototransistores utilizados en el sensado de nivel. 

3.3.2 Bombas de alimentación. 

Estas bombas son controladas con un voltaje analógico en el rango de 0 a 10V. Estas bombas 

son vendidas por los fabricantes con una serie de opciones de control. Antes de su puesta en 

marcha, se configuran para ser controladas con voltajes analógicos. 

Para generar las señales de control se implementa un DAC de dos salidas (figura 3). 

3.3.3 Bombas de recirculación. 

Son bombas centrifugas que son alimentadas con 24V. El circuito para encender o apagar las 

bombas se muestra en la figura 21, estas son controladas por el operador desde la pc y no de 

forma automática, pues no hay variable que determine su encendido o apagado. R1 es de 

protección, con valor de 10kΩ. El mosfet implementado es el IRF640. 

3.3.4 Bomba de control de temperatura. 

Igual que la anterior, se utiliza el circuito de la figura 21 para hacer la interfaz de control. Esta 

bomba puede programarse para encender dependiendo la temperatura de los reactores. El agua 

del depósito de regulación de temperatura circula por todo el sistema par mantener condiciones 

adecuadas en los reactores. Pero no todo el tiempo se requiere que circule esta agua. En parte 

el control de esta bomba depende del operador y de los estudios que se estén realizando. 



Página 23

Figura 21. Circuito para activación de bombas. 

3.3.5 Válvula de paso 1 vía. 

Se controla, como las bombas de recirculación y la de control de temperatura, con un mosfet 

de potencia canal N, adecuado para soportar corrientes intensas, que se dan como transitorio a 

la apertura y cierre de la válvula. Como se describe en el apartado del sensor de nivel por 

haces infrarrojos, esta válvula tiene función al almacenar el biogás producido en el sistema. 

Figura 22.Interfaz para la excitación de la electroválvula. 

3.3.6 Resistencia de calentamiento. 

Se trata de una simple resistencia, cuya función es calentar el agua del baño térmico. El control 

de esta válvula se hace con modulación por ancho de pulso (PWM), generado por el 

microcontrolador en función de la temperatura desead por el operador, o la requerida por el 

sistema (programación). Para su control se utiliza el circuito de la figura, que es una interfaz de 

potencia con optoacoplador y triac. R1 y R2 dependen del modelo de optoacoplador y triac 



Página 24

utilizados. Con el optoacoplador MOC 3011 se implementa R1 = 220Ω, y para el triac 2N6073 

R2 = 180Ω. RL disipa como máximo 500 Watts. 

Figura 23. Interfaz de potencia para la resistencia de calentamiento. 

3.4. EL MULTIPLEXOR ANALÓGICO Y EL ADC. 

Estos dos dispositivos son componentes importantes, son los elementos que le dan capacidad 

al microcontrolador y a la pc de “sentir” lo que ocurre en el sistema. Los datos recogidos por el 

ADC son importantes en la investigación de este tipo de procesos. 

3.4.1 Multiplexor analógico CD4052BC. 

El multiplexor analógico es un dispositivo que permite ampliar los canales del ADC, como se 

trabaja con variables de cambio lento, es posible compartir la capacidad del ADC y el 

microcontrolador, multiplexado en tiempo, la lectura y procesamiento de las señales. Este 

multiplexor permite manejar señales de hasta 15Vp-p, tienen buenas características de 

respuesta y bajo consumo de corriente. La disposición de este circuito se muestra en la figura 

24. 



Página 25

Figura 24. Disposicion de pines para el multiplexor analógico CD4052BC. 

La tabla de verdad que describe el funcionamiento del multiplexor implementado es la 

siguiente: 

Tabla 3. Tabla de verdad para el CD4052BC 



Página 26

Figura 25 .Diagrama funcional del CD4052BC 

3.4.2 El ADC12038 

Este ADC satisface las necesidades de este proyecto en el sentido de que posee ocho canales 

de entrada. Con estas entradas, mas los del multiplexor, se cuenta hasta con 11 entradas 

analógicas, suficientes para cubrir los requerimientos del sistema. Además este ADC se 

comunica con el microcontrolador en forma serial, economiza en líneas de comunicación y 

expande la capacidad del microcontrolador. También cuenta con una conversión de 12 bits, 

asegurando la calidad de las lecturas, una alta exactitud, y buena precisión al manejar solo un 

bit de error. 



Página 27

Figura 26.Configuracion de pines del ADC12038. 

La forma de conexión de este ADC para el proyecto utiliza la menor cantidad de líneas 

posibles. No por esto la funcionalidad se degrada, pero la sencillez de control se hace clara al 

estar menos pendiente de las señales de control. El mismo microcontrolador genera el pulso de 

reloj para la comunicación de los datos. Para mayor información con respecto a este ADC, se 

recomienda consultar la hoja de especificaciones. 



Página 28

Figura 27.Diagrama a bloques simplificado del ADC12038. 

3.5. El DAC7800 

Para el control de las bombas se requerirá de un convertidor digital – análogo. Con el fin de 

aprovechar las líneas del microcontrolador, se elige este dispositivo por que maneja la 

comunicación de datos en forma serial. Además, en el mismo chip se incorporan dos DACs, lo 

cual es útil a esta aplicación, se ahorra espacio y se otorga sencillez (en Hardware) en el 

sistema. 

Como en la mayoría de los DACs, la salida es en corriente y se utiliza un amplificador 

operacional para cada salida como convertidor de corriente a voltaje. Este dispositivo ya tiene 

integrado la resistencia de retroalimentación, con lo que no es necesario preocuparse por la 

ganancia de trans-impedancia del convertidor. Se obtiene una salida en el rango de 0 a 10V, 

colocando en el pin de Vref el voltaje a escala completa requerido. La figura 30 muestra 

como hacer las conexiones para una salida de voltaje. 



Página 29

Figura 28.Configuracion de pines y diagrama funcional para el DAC 7800. 

Figura 29. Protocolo de comunicación de datos para el DAC7800. 



Página 30

Figura 30.Esquema de conexión para obtener las salidas en voltaje. 

3.6 EL ADAPTADOR MAX232. 

En el protocolo de comunicación serial, los voltajes de los niveles lógicos son diferentes que 

en la lógica TTL. Mientras que en la lógica TTL, un nivel alto viene dado por un voltaje entre 

2.4 a 5V, y un cero esta dado por un voltaje entre -0.5 y 1.2V, en el protocolo 232 el cero 

lógico esta dado por un nivel de +10V, y un 1 lógico por un nivel de -10V. Para hacer esta 

conversión entre niveles de voltaje sin requerir de una fuente extra, se utiliza el dispositivo 

MAX2352. 

Este dispositivo aumenta el voltaje de las señales que salen del microcontrolador por medio de 

multiplicadores de voltaje basados en redes diodo-capacitor. Es importante que el valor de los 

capacitores sea el correcto, por ello la figura 31 debe ser considerada al trabajar con este 

circuito integrado. 



Página 31

Figura 31. Configuración de pines y circuitería interna del dispositivo MAX232 

3.7 EL MICROCONTROLADOR AT89S52 

Este es el microcontrolador que se implementa en este proyecto. Gracias a sus 24 líneas de 

entrada/salida y a los periféricos internos, se adapta bien al propósito de este proyecto. El 

microcontrolador puede trabajar con un cristal de 12MHz, con lo que las instrucciones más 

largas se ejecutan en máximo 4 microsegundos. La configuración de los pines se muestra en la 

figura 32. Para mas información sobre este dispositivo consúltese la hoja de datos. 

El dispositivo incluye una UART, que es útil para la comunicación serial. El envió de datos y 

recepción de comandos se hace a nivel de interrupciones a través de la UART. Se implementa 

el protocolo de comunicación serial RS232. 

Los puertos son distribuidos de la siguiente manera: 

Puerto 0: control de bombas de recirculación, de pH y de control de temperatura, asi como las 

electroválvulas para el almacenamiento de biogás 

Puerto 1: se coloca el DAC, el control para la resistencia de calentamiento y las entradas del 

sensor de nivel por haces infrarrojos. 

Puerto 2: ADC y control del multiplexor analógico. 

Puerto 3 Señales de comunicación con la PC. 

Para una mejor comprensión sobre las conexiones de los puertos y para una consulta del 

protocolo de comunicación serial, consultar [2]. 



Página 32

Figura 32. Disposición de los pines del microcontrolador AT89S52. 

4) RESULTADOS 

La investigación de procesos como el de digestión anaerobia son importantes en la medida que 

la humanidad se da cuenta de la importancia de preservar el medio ambiente. El desarrollo 

industrial viene de la mano con la evolución de las tecnologías ecológicas, el resultado es 

mejoramiento de la calidad de vida y aseguramiento de los recursos naturales para las futuras 

generaciones. Con este proyecto se avanza en este sentido, sin embargo, la necesidad de un 

sistema más robusto se presenta en función de lo que se aprende de este tipo de procesos, por 

lo que, sistemas de este tipo seguramente están a disposición de mejorar. 



Página 33

5) REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Libros: 

[1] Sergio Franco, Diseño con amplificadores operacionales y circuitos integrados 

analógicos, Mc Graw Hill, tercera edición, México, 111-165, 2005. 

[2] I. S. Mackenzie, R. C.-W. Phan, Microcontrolador 8051, Prentice Hall, cuarta edición, 

México, 2007. 

[3] M. H. Rashid, Circuitos microelectrónicos análisis y diseño, Thomsom editores,1era 

edición, México, 2000. 

[4] R. Pallas Areny, Sensores y acondicionadores de señal, Alfaomega Marcombo, 4ta 

edición, México 2007. 

Otras referencias 

[5] José Enrique Lizarraga Palazuelos, Protocolo de tesis: Evaluación del desempeño de un 

digestor anaerobio en dos etapas para el tratamiento de vinazas tequileras bajo diferentes 

condiciones de operación, CUCEI, Universidad de Guadalajara. 

Paginas WEB: 

[4] http://proton.ucting.udg.mx/ 

[5] Apuntes electrónica integrada, http://proton.ucting.udg.mx/materias/ET201/index.html 

[6] http://www.agelectronica.com/inicio.htm 

[7] http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_9/6.html 

[8] http://es.wikipedia.org/wiki/Digesti%C3%B3n_anaer%C3%B3bica 

[9] http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-11288 

[10] http://santiagolemus.blogspot.com/2008/05/sensor-de-ph.html 

INDICE 

1 RESUMEN………………………………………………………………………...1 

1.1 Instrumentación y control……………………………………………………...1 

1.2 La necesidad de tratar el agua …………………………………………………1 

2 LA DIGESTION ANAEROBIA, UNA OPCION PARA LA INDUSTRIA 

TEQUILERA..……………………………………………………………………..2 

3 MODULO DE ACONDICIONAMIENTO, ADQUISICION Y PROCESAMIENTO 

DE DATOS.………………………………………………………………………..5 

3.1 Instalación de sensores y actuadores…………………………………………...5 

3.2 Sensores y acondicionamiento de señal……………………………………......8 

3.2.1 Sensor de temperatura LM35…………………………………...…......8 

3.2.1.1 Características……………………………………..........................9 

3.2.1.2 Acondicionamiento………………………………………………...10 

3.2.2 Sensor de presión Dwyer P/N673-1…………………………………...11 

3.2.2.1 Características……………………………………..........................11 



Página 34

3.2.2.2 Conexiones eléctricas y acondicionamiento………………..……11 

3.2.3 Electrodo sensor de pH……………………………………................13 

3.2.3.1 El termino pH………………………………………………..…....13 

3.2.3.2 Aplicación practica del pH……………………………………......13 

3.2.3.3 Teoría de la medida de pH…………………………………….......14 

3.2.3.4 La teoría básica del electrodo de pH…………………………..….15 

3.2.3.5 El pH y la temperatura…………………………………….............15 

3.2.3.6 Acondicionamiento de la señal de pH…………………………..…17 

3.2.4 Sensor de nivel………………………………………………………...19 

3.2.4.1 Resistivo…………………………………………………………...19 

3.2.4.2 Por haces infrarrojos…………………………………………….....21 

3.2.4.3 Funcionamiento del almacenamiento y conteo de biogás………….21 

3.3 Actuadores……………………………………………………………………...22 

3.3.1 Bombas de pH………………………………………………………….22 

3.3.2 Bombas de alimentación………………………………………………..23 

3.3.3 Bombas de recirculación…………………………………….................23 

3.3.4 Bomba de control de temperatura……………………………………...23 

3.3.5 Válvula de paso 1 vía…………………………………………………...24 

3.3.6 Resistencia de calentamiento…………………………………………...24 

3.4 El multiplexor analógico y el ADC………………………………………….......25 

3.4.1 El multiplexor analógico CD4052BC………………………………..…25 

3.4.2 El ADC12038…………………………………………………………...27 

3.5 El DAC7800…………………………………………………………………......29 

3.6 El adaptador MAX232…………………………………….................................31 

3.7 El microcontrolador AT89S52…………………………………….....................32 

4. RESULTADOS………………………………………………………………………..33 

5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS………………………………………………...34 



Página 35

FORMATO PARA ELABORAR EL REPORTE - ProtÃ³n - Universidad ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?