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Comparación de diferentes métodos para el tratamiento de vinazas de la industria de etanol utilizando LCA
María Rosa Hernández Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología Universidad Nacional de Tucumán, Argentina Seminario Internacional sobre Energías Renovables Universidad Nacional del Litoral Santa Fe, Argentina Abril 2013
Ubicación de los campos de cultivo de caña de azúcar en la Argentina
Producción de caña de azúcar en Argentina
1 S. M. del Tabacal
2 Ledesma
3 La Esperanza
4 Río Grande
5 San Isidro
6 La Fronterita
7 Ñuñorco
8 La Providencia
9 La Corona
10 Aguilares
11 Santa Bárbara
12 Marapa
13 La Trinidad
14 Santa Rosa
15 Leales
16 Bella Vista
17 San Juan
18 Cruz Alta
19 Concepción
20 La Florida
21 Las Toscas
22 Arno
23 San Javier
La cadena de suministros de la caña de azúcar en Argentina
Cosecha 300,000 hectareas 21 millones ton caña
ETANOL Fermentación
Destilación
Agotamiento
Rectificación
Deshidratación
Destilería
220 millones litros
Azúcar
Molienda
Clarificación
Evaporación
Cristalización
Secado
Ingenio
molasses
2 millones ton
BAGAZO
2 millones
toneladas
anuales
21 millones
toneladas
anuales
Marco Productivo
Efluentes
2 millones
toneladas
anuales
21 millones
toneladas
anuales
Marco Productivo
110 kg de azucar
200 kg de RAC (15%w) (recolectable)
1 tonelada de caña (molida)
12 litros de alcohol
300 kg de bagazo (50%w)
PCS de la vinaza = 3550 kcal/kg (b.s.)
Molienda anual aproximada = 15.000.000 toneladas
Valores promedios por tonelada de caña molida
Molienda total de Tucumán
PCS del RAC = 3600 kcal/kg (b.s.)
130 litros de vinaza (10,5 ºBx)
Aspectos relevantes en la producción de etanol
Elevado consumo de energía , aproximada-mente 5 kg vapor/l alcohol
Elevada producción de efluente (vinaza), aproximada-mente 10 l vinaza/l alcohol con elevada carga orgánica
PFIP - ESPRO
Proyectos Federales de Innovación Productiva -
Eslabonamientos Productivos
Los PFIP-ESPRO constituyen un instrumento de
financiamiento destinado a fomentar el acercamiento
de la Ciencia y la Tecnología a las necesidades
concretas de la producción nacional.
El principal objetivo es apoyar el desarrollo
competitivo de las cadenas de valor de todo el
territorio nacional en correspondencia con las
estrategias de desarrollo regional. En este sentido, la
superación de las debilidades y desafíos tecnológicos
representan un gran impulso para el crecimiento
productivo desde una perspectiva específicamente
sectorial.
Debilidades a superar: Cadena productiva Biocombustibles: 6. Escaso desarrollo de alternativas técnicas para el tratamiento y aprovechamiento de efluentes industriales (vinaza)
ENTIDAD BENEFICIARIA: Centro Azucarero Regional
Tucumán (CART)
UNIDADES EJECUTORAS:
• Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC)
• Planta Piloto de Procesos Industriales Microbiológicos (PROIMI, CONICET)
• Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología:
- Grupo Ing. Procesos Agroindustriales. (IPA)
- Departamento de Ingeniería Azucarera. (DAZ)
•La vinaza es un líquido de color marrón oscuro, muy
ácido, proveniente de las columnas de destilación con
una temperatura superior a los 100 º C, con un olor
dulzón que puede ser desagradable.
•De diez a quince litros de vinaza se producen por cada
litro de etanol.
•La vinaza es considerada un desecho no inerte pero no
peligroso.
•La composición química de la vinaza es variable y
depende de la composición química del caldo de cultivo
(mosto).
•Las características del mosto dependen del sistema de
fermentación alcohólica, tipo de levadura, la calidad de caña de azúcar y el proceso de cristalización del azúcar .
Características de la vinaza
Formas posibles de eliminación de vinaza
I Reciclo a los campos de cultivo, para sustituir total o
parcialmente otros fertilizantes (fertirrigación).
II Digestión anaerobia, utilizando bacterias acetogénicas
acidogénicas y metanogénica, para la producción de
biogás(CH4 + CO2).
III Compostaje (fermentación aeróbica).
IV Concentración de vinaza por evaporación:
a) hasta 40% para el reciclo a los campos de
cultivo como fertilizante.
b) hasta 60% para la combustión en calderas
especiales para producir energía.
Fertirrigación
Fertirrigación
Aspersión de vinaza Canal
impermeabilizado
Distribución en camiones
Digestión anaeróbica
Digestión anaeróbica
methanogenic bacteria
anaerobic digestors
schematic of a UASB reactor
Recolección, traslado y picado del RAC
Propuesta Combustión de mezclas de bagazo, RAC y vinaza en calderas bagaceras
Dificultades
Bagazo húmedo + Vinaza concentrada
Alto contenido de cenizas con bajo punto de fusión en RAC y vinaza
Alternativas
Alto contenido de humedad de vinaza
Bagazo húmedo + Vinaza (10,5 Bx)+ RAC(15%w)
Bagazo presecado + Vinaza (10,5 Bx)
Bagazo presecado + Vinaza(10,5)+
RAC(15w) (Ensayos 2011)
Concentración a brix elevados
Cantidad limitada de vinaza
Bagazo presecado + Vinaza (14,5 Bx) + RAC(15w)
(Ensayos 2012)
Cantidad limitada de vinaza
Bzo: 7% (b.s.) Vza: 30% (b.s.) RAC: 11% (b.s.)
90%w (b.h.)
Concentración de Vinaza al 60% (combustión)
Evaporación Vinaza
concentrada
Vinaza concentrada
Evaporadores multiple efecto
Concentración de Vinaza al 60% (combustión)
El ACV es un proceso objetivo para evaluar
las cargas ambientales asociadas a un
producto, proceso o actividad. . .
identificando y cuantificando la energía y
los materiales usados, y los residuos
liberados al medioambiente, . . .
para evaluar e implementar oportunidades
de hacer mejoras ambientales.
La evaluación incluye el ciclo de vida
completo del producto, proceso o actividad,
comprendiendo la extracción y el
procesamiento de las materias primas,
fabricación, transporte y distribución; re-uso
mantenimiento, reciclaje y disposición final de
los residuos.
El Análisis del Ciclo de Vida
Del inglés Life-Cycle Assessment, SETAC, 1995
Definición
Fases de un estudio de ACV (serie ISO 14040)
Fase I: Definición de los objetivos
y del ámbito
Fase II: Análisis de inventario
Fase III: Evaluación de impacto
Fase IV: Interpretación
Metodología: Eco-indicador 99, métrica única que engloba once categorías de impacto.
Software: SimaPro 7.3 (PRé-Consultants, 2009) y base de datos EcoInvent_v2.
El Análisis del Ciclo de Vida
Objetivo: Evaluar el ciclo de vida de la producción de alcohol anhidro para cuantificar el impacto ambiental asociado e identificar las etapas críticas.
Fase 1: Definición de los objetivos y campo de aplicación
El Análisis del Ciclo de Vida
El sistema global se divide en tres subsistemas:
Agricultura
Ingenio azucarero
Destilería
Fase 2: Análisis de Inventario
AGRICULTURA
UNIDAD CANTIDAD FUENTE
ENTRADAS
Dióxido de Carbono kg 0,45098 Calculado del balance de carbono de la caña
(Datos de bibliografía) [1]
Energía MJ 4,9478 Calculado del balance de energía de la caña
(Datos obtenidos de la base de datos Ecoinvent
proporcionada por el software Simapro 7,1)
Uso de la tierra m2/año 0,00182
Cachaza kg 0,018
Urea kg 0,003
Glifosato kg 3,32E-06
Ametrina kg 9,35E-06
Transporte ton/km 5,00E-01
Pesticida kg 4,89E-05
Suministrados por ingenio azucarero
SALIDAS
Caña de azúcar kg 1 Unidad Funcional
EMISIONES AL AIRE
Amoníaco kg 7,96E-05
Monóxido de dinitrógeno kg 1,09E-05
Óxidos de nitrógeno kg 2,29E-06
Monóxido de carbono kg 3,00E-02
Partículas >10 μm kg 3,00E-03
Obtenidos de la base de datos Ecoinvent
EMISIONES AL AGUA
Nitratos kg 2,07E-05 Obtenido de la base de datos Ecoinvent
EMISIONES AL SUELO
2,4-D kg 2,31E-06
Glifosato kg 3,32E-06
Obtenidos de la base de datos Ecoinvent
El Análisis del Ciclo de Vida
Fases 3 y 4: Evaluación de impacto e Interpretación
El Anális
is d
el C
iclo
de
Vid
a
Diagrama de red del modelo de estudio para 1 kg de etanol. Método Eco-indicador 99 - Puntuación Única.
destilería
ingenio
campo
Fases 3 y 4: Evaluación de impacto e Interpretación
El Anális
is d
el C
iclo
de
Vid
a
Diagrama de red de emisión de gases de efecto invernadero para la producción de 1 kg de etanol. Método Eco-indicador.
destilería
ingenio
campo
•El objetivo de este trabajo es determinar el impacto
ambiental de tres opciones de eliminación de vinazas para
compararlas.
•Unidad funcional: 100 t de caña de azúcar cosechada, lista
para entrar en el trapiche.
•Método de asignación: de acuerdo a las masas, cuando sea
necesario
•Límites de tiempo: se considera un año de cosecha (zafra),
de mayo a noviembre
• El 90% de los datos han sido proporcionados por un
complejo industrial del noroeste de Argentina. El restante
10%, se ha obtenido a partir de la literatura
•Software: SimaPro 7,3 (Pre Consultants).
Hipótesis del Caso de Estudio
Caso I: Fertirrigación de los campos
sugarcane mill
distillery
gas natural
Caso II: Digestión Anaeróbica (UASB) y combustión de mezclas de vinazas + RAC
sugarcane mill
distillery
gas natural
Caso III: Concentración de vinaza a 60 % para su
uso como combustible en calderas
sugarcane mill
distillery
gas natural
Comparación
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
carc
inog
ens
resp
.org
.
resp
.inor
g.
clim
ate
chan
ge
radiat
ion
ozon
e la
yer
ecot
ox.
acid
if./e
utro
ph.
land
use
min
eral
s
foss
il fu
els
mp
t
Case I
Case II
Case III
La aplicación del ACV a la evaluación ambiental de la fertirrigación con vinaza sufre de un alto grado de incertidumbre asociado alefecto de las vinazas cuando se aplica al suelo (falta de información fiable y puntuaciones especializadas). Es decir,
- La presencia de iones, principalmente de potasio, fosfato y sulfato podría causar salinización del agua subterránea.
- Los iones se comportan como compuestos inertes y pueden permanecer en el suelo: donde son convertidos por los microorganismos, extraidos a través de las raíces de la caña de azúcar, volatilizados a la atmósfera, etc
Conclusiones
Aunque el tratamiento de vinazas no representa un beneficio
económico directo, está estrechamente relacionado con la
sostenibilidad de la producción de azúcar y etanol.
La posibilidad de lograr una visión objetiva de los impactos
producidos por cada una de las estrategias de tratamiento hace que el
LCA sea una herramienta de apoyo valiosa e imprescindible para la
selección de la tecnología más apropiada.
Por un lado, las vinazas tienen varias ventajas sobre los fertilizantes
minerales, ya que promueven el reciclaje de nutrientes. Por otro lado,
la producción de biogás y la concentración de vinazas contribuyen a la
reducción de gases de efecto invernadero.
La comparación entre estos dos beneficios ambientales, que son
excluyentes entre sí, es un verdadero reto en la evaluación de la
sostenibilidad del etanol.
Conclusiones
Gracias por su atención !!
Seminario Internacional sobre Energías Renovables Universidad Nacional del Litoral Santa Fe, Argentina Abril 2013
