Bosch, PaulAmon, Fernando2026-10-192026-10-192026https://hdl.handle.net/11447/11290Tesis presentada a la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Desarrollo para optar al grado de Magíster en Ciencias de la IngenieríaLa biodigestión anaerobia es una tecnología de valorización de residuos orgánicos con alto potencial en zonas rurales de Chile, donde menos del 1% de la capacidad estimada está en uso. Se presenta el análisis cualitativo de dos variantes del modelo AM2 de digestión anaerobia aplicadas al micro biodigestor de estiércol de oveja de Mamiña, comuna de Pozo Almonte, Región de Tarapacá, Chile. El modelo estándar (Bernard et al., 2001), calibrado para aguas residuales, se compara con un modelo extendido que incorpora tasas de muerte bacteriana (Ficara et al., 2014) y dependencia del pH en la cinética metanogénica (Arzate et al., 2017), con parámetros para estiércol de ganado bovino (Arzate, 2019) usados como proxy para el estiércol de oveja de Mamiña. El trabajo aborda la necesidad de modelamiento matemático identificada por Guzmán-Cood (2024) para el biodigestor. El objetivo es determinar cómo la estabilidad de los equilibrios depende de los parámetros operacionales controlables (D, S1in) y de variables observables como el pH, y evaluar si las extensiones del modelo aportan información cualitativamente valiosa para el operador. La metodología emplea la teoría cualitativa de sistemas dinámicos —equilibrios, estabilidad local (Hartman-Grobman), bifurcaciones (Sotomayor), retratos de fase— en siete fases aplicadas a ambos modelos. La comparación utiliza ocho criterios predefinidos (CQ1–CQ4, CC1–CC4) con un criterio de parsimonia. El resultado central es una discrepancia máxima: el estándar predice coexistencia estable — ambas comunidades microbianas (acidogénicas y metanogénicas) sobreviven y el reactor estabiliza los ácidos grasos volátiles del digestato (η2 = 99.9%) —, mientras que el extendido predice acidogénesis pura — los metanógenos se extinguen y los VFAs se acumulan sin ser estabilizados (η2 = 0%). La causa es la huella de nitrógeno del estiércol: cada gramo de biomasa bacteriana producida destruye 33.78 mmol de alcalinidad (frente a +6.49 en aguas residuales), y la verificación computacional confirma que el origen es estructural —la cinética monótona y el acoplamiento de la alcalinidad con las biomasas eliminan la coexistencia independientemente de los parámetros. El análisis revela además que la variable crítica para la estabilidad no es solo la tasa de dilución D sino la alcalinidad de entrada Zin, invisible para el estándar. La simulación muestra que los microorganismos acidogénicos (que degradan materia orgánica) y los metanogénicos (que producen biogás) coexisten durante ∼19 años mientras los metanogénicos se extinguen lentamente, creando la apariencia de funcionamiento correcto (transitorio de coexistencia). Se identifican once hallazgos originales; los tres de mayor relevancia operacional son el colapso de seis a dos equilibrios existentes (que elimina todo estado de equilibrio donde ambas comunidades microbianas sobrevivan), el pH indefinido en el 87% de la Región I (que revela la insuficiencia de la alcalinidad del estiércol), y una bifurcación silla-nodo exclusiva del modelo extendido (que demuestra la emergencia de fenómenos nuevos por el acoplamiento pH-alcalinidad). De cinco hipótesis formuladas con cautela, una fue verificada en forma fuerte, dos parcialmente confirmadas y dos refutadas. Las observaciones de campo de Guzmán-Cood (2024) —biogás solo en ciertos períodos (a pesar de una producción estimada de ∼145 L/día), pH con promedio cercano a 7.0 (límite inferior del rango óptimo), dificultades con mayores concentraciones de estiércol— son consistentes con el transitorio de coexistencia predicho por el modelo extendido e incompatibles con el estándar. La combinación η1 = 93.4% (acidogénesis eficaz) con η2 = 0% (metanogénesis nula) explica las “propiedades parciales de fertilizante” reportadas por Guzmán-Cood para el digestato: la degradación de materia orgánica y remoción de patógenos funcionan, pero la estabilización de VFAs no se completa. Se concluye que el modelo extendido aporta valor adicional —las diferencias cuantitativas superan los umbrales predefinidos y el extendido genera información de pH exclusiva— y que el estándar no es suficiente para sustratos con alto contenido de nitrógeno en biomasa. Se formulan cinco recomendaciones operacionales, incluyendo suplementación de alcalinidad (∼9 gL−1 de NaHCO3, condición necesaria pero no suficiente) y monitoreo de pH como señal de alerta exclusiva. El hallazgo central — la destrucción de alcalinidad por el alto contenido de nitrógeno del estiércol, que impide la metanogénesis — es sustrato-dependiente, no sitio-dependiente: cualquier biodigestor que procese estiércol u otro sustrato con alto contenido de nitrógeno en biomasa enfrentará el mismo problema, independientemente de su ubicación geográfica. Como trabajo futuro prioritario se propone simular la suplementación de alcalinidad, explorar funciones de inhibición por pH alternativas, y validar las predicciones con datos del biodigestor.184 p.es070012SDigestión anaerobiaModelo AM2Análisis cualitativoSistemas dinámicosBifurcacionesBiodigestorEstiércolEstabilidadpHMamiñaThesis