Articulo biorefinerias

Análisis de ciclo de vida para una biorefinería derivada de residuos agrícolas de palma aceitera (Elaeis guineensis)


Life cycle analysis for a biorefinery from oil palm fronds (Elaeis guineensis)


1Jesús A. Torres Ortega, 2Oscar F. Contento Rubio, 3Israel Herrera Orozco

1,2 Universidad de La Salle, Programa de Ingeniería Ambiental y Sanitaria. Bogotá, Colombia 3Centro de Investigaciones Energéticas, Medio Ambientales y Tecnológicas – Ciemat, Departamento de Energía. Madrid, España.

1jatorres@unisalle.edu.co, orcid.org/0000-0002-4476-0816

2ofcontento@unisalle.edu.co, orcid.org/0000-0002-2958-9491
3israel.herrera@ciemat.es, orcid.org/0000-0003-1864152X

Recibido: 29/09/2016 • Aprobado: 30/10/2016

Resumen

La palma aceitera colombiana es un producto agrícola no alimenticio es importante para la economía del país debido a su mercadeo en el extranjero. Lo cual se refleja en que el volumen de producción colocó a Colombia como el sexto exportador de aceite de palma en el mundo. Las plantas extractoras producen casi 1.6 toneladas de biomasa húmeda concentrada por tonelada de producto primario comercializado (aceite y almendra), adicionalmente de 0.7 metros cúbicos de efluente líquido por tonelada de racimos de fruta fresca es obtenido. Este estudio nos permite caracterizar la cantidad de residuos utilizados en las extractoras de aceite de palma como un escenario de muestra representativa para identificar los posibles impactos potenciales para las opciones de su diversificación industrial. Actualmente, la idea de una economía circular tiene un papel protagónico en las agendas comerciales mundiales al punto de desvincular el crecimiento económico de las limitaciones de recursos, por cuanto busca maximizar el valor en cada punto de la vida de un producto. Esta revisión bibliográfica tiene como propósito referenciar un desarrollo metodológico de la sostenibilidad del ciclo de vida para respaldar la valoración de estrategias de economía circular en un escenario ‘cradle to cradle’ de la cuna a la cuna para un caso de estudio como primera entrega de la visualización del inventario para los residuos agrícolas de un cultivo de palma aceitera. Para la investigación se propone usar el software SimaPro® que ayuda en la selección de los criterios para considerar en el proceso de extracción y posterior transformación y recirculación de los desechos agrícolas así como de los biocombustibles generados mediante las bases de datos Ecoinvent, lo que permitirá establecer indicadores para una economía circular que sea sostenible mediante estrategias de circularidad, es decir, opciones que apuntan a mantener los residuos, componentes y materiales en su máxima utilidad en todo momento del Análisis del Ciclo de Vida (ACV) para permitir una gestión eficiente de recursos, nutrientes y agroquímicos, estos parámetros permiten identificar aquellos elementos puedan utilizar alternativas para reducir los requisitos y posibilitar la sostenibilidad del inventario del cultivo de la palma aceitera. El objetivo de la investigación en curso es evaluar el ACV en un cultivo representativo de la palma aceitera colombiana, para dar cuenta de los suministros de la agricultura y el consumo en una muestra representativa del cultivo como auto generadora de combustibles. Así mismo, se pretende aportar información en este ámbito para la futura toma de decisiones hacia la sostenibilidad de los recursos y la optimización de los procesos por parte de las empresas de cultivadores de palma como parte de su política de responsabilidad ambiental.

Palabras clave: aceite, hidrólisis, impactos, refinería, desperdicios.

Abstract

The cultivation of Colombian palm is a non-food agricultural product important for the economy due to its market abroad. The volume of production placed Colombia as the sixth exporter of palm oil in the world. The extraction plants produce almost 1.6 tons of concentrated wet biomass per ton of marketed primary product (oil and almond), additionally 0.7 cubic meters of liquid effluent per ton of fresh fruit bunches is obtained. This study allows us to characterize the amount of waste used in the palm oil refinery as a representative sample scenario to identify potential impacts for industrial diversification options. Currently, the idea of a circulate economy plays a leading role in world trade agendas to the point of decoupling economic growth from resource constraints, it seeks to maximize value at every point in the life of a product. This review aims to present a methodological development and the applications of independent or integrated life cycle approaches: environmental footprint - life cycle sustainability assessment to support the valuation of circular economy strategies in a scenario ‘cradle to cradle’. SimaPro® Designer is software used for the research that help to select the criteria to be considered in the process of extraction and subsequent transformation and recirculation of the agricultural waste as well as the biofuels generated through the Ecoinvent databases, which will allow to establish indicators for a circular economy that is sustainable through circularity strategies, that is, options that aim to keep waste, components and materials at their maximum use at all times such as life cycle analysis (LCA) to allow efficient management of resources, nutrients and agrochemicals, knowing that these parameters allow us to identify those elements that influence its magnitude, so that they can use alternatives to reduce the requirements and make possible the sustainability of the oil palm crop inventory. The aim research to evaluate LCA of the Colombian palm oil crop representative for account for agricultural supplies and consumption as case sample of energy efficient by the company. Likewise, provide information in this field for future decision making towards the sustainability of resources and the optimization of processes by companies of palm growers as part of their environmental responsibility policy.

Keywords: hydrolysis, impact, refinery, oil, remaining.

I. Introducción

La palma es un producto agrícola no alimenticio importante para la economía colombiana debido a su comercialización en el exterior. Tanto así que en el país hay 450.131 ha cultivadas con palma de aceite, los rendimientos de los cultivos comerciales de palmas E. guineensis adultas oscilan entre 21 y 30 toneladas de racimos de fruta fresca (RFF) por hectárea, mientras que el correspondiente a los cultivos OxG oscila entre 22 y 32 t RFF/ha. El costo promedio por tonelada de RFF en 2014 era $ 247.181 para cultivos de E. guineensis y de $ 251.798 para cultivos OxG, el costo por tonelada de aceite de palma crudo (APC) fue $ 1´365.607 para cultivos de E. guineensis y $ 1´417.923 para OxG (Mosquera et al., 2016). La huella hídrica generada por la producción de este sector asciende a unos 2000 metros cúbicos por tonelada de palma de fruta, creando un problema potencial de seguridad alimentaria y disponibilidad de recursos para las generaciones futuras (Arévalo, 2012; Asociación española para la calidad, 2014). A partir de esto, surge el concepto de Análisis de Ciclo de vida, agregando criterios para evaluar el sector agrícola. Esto ha provocado la necesidad de establecer indicadores que permitan una gestión eficiente de los recursos disponibles, que permita cuantificar las cantidades requeridas para producir un determinado producto. Sabiendo que estos parámetros permiten identificar aquellos elementos que influyen en su magnitud, para que puedan usar alternativas para reducir los requerimientos de insumos de un cultivo en particular. El objetivo es aportar información en este ámbito para la futura toma de decisiones hacia la sostenibilidad de las plantas extractoras y la optimización de procesos por parte de las empresas cultivadoras de palma como parte de su política de responsabilidad ambiental. La transformación de las plantas extractoras existentes a biorefinerías podría ayudar a mejorar la competitividad de la industria palmera (Arrieta et al., 2007; Shuit et al., 2009; Vijayendran, 2010).

Actualmente se obtiene biodiesel y otros productos oleoquímicos a partir de los aceites de palma y de palmiste (Torres, 2012), a la vez que se investiga sobre bioetanol, productos químicos y otros tipos de biocombustibles. También se puede producir químicos de alto valor y biogás a partir de los efluentes de las plantas de beneficio. La diversificación de la industria palmera debe conducir a la reingeniería de los desechos agroindustriales que en su gran mayoría es biomasa utilizando la infraestructura de la planta lo cual es una gran oportunidad que traerá beneficios económicos, ambientales y sociales que se deberán analizar a corto plazo (Martínez, 2017). Este trabajo busca revisar diferentes escenarios para la conversión de las plantas extractoras en biorefinerías. En este sentido desarrollar una metodología que permita comparar diversas alternativas de uso de los residuos en la extracción del aceite contribuirá al sector de la palma aceitera a identificarse e implementar los conceptos de sostenibilidad e interiorizar consideraciones ambientales en los procesos que implementen.

El grupo de investigación en Gestión del Riesgo y Cambio Climático (grycc) Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas
(Ciemat) ven la oportunidad de optimizar la funcionalidad de sus espacios, además de plantear una metodología ACV experimental a nivel de planta piloto, donde se desarrollen las etapas de fermentación y destilación, a partir de residuos lignocelulósicos agrícolas que hayan sido preparados vía hidrólisis (ácida, básica, enzimática o sub-crítica) para ser fermentados y destilados en la planta, con el objeto de obtener un bioalcohol (González & Neira, 2017; Herrera, 2016). Se busca promover la investigación en el campo de la generación de biocombustibles como fuente de eficiencia energética alterna a nivel académico e industrial. Como resultados previos y que dan origen a la formulación de la propuesta de innovación, el equipo de investigación cuenta por parte del investigador Israel Herrera Orozco (Ciemat) con la siguiente producción: Mercado & Herrera (2017); Muñoz & Herrera (2017); Vides et al. (2017); Herrera et al. (2016a); Muñoz et al. (2016); Herrera et al. (2016b); Gamarra et al. (2016). Por otra parte Jesús Torres (Unisalle), ha sido coinvestigador de los siguientes proyectos de investigación ya culminados: Obtención de esteres surfactantes derivados del aceite de palma (Colciencias); Instalación, puesta en marcha y ajuste tecnológico de un sistema piloto de producción de alcohol carburante a pequeña escala a partir de la caña de azúcar en hoya del río Suárez (Corpoica); Estudio de factibilidad técnica y económica de la producción de biodiesel a pequeña escala a partir de aceite de palma (Elaeis Guineensis), Noli (Elaeis Oleifera), Noli x Palma (E. Oleifera x E. Güineensis) y de palmáceas nativas del pacifico colombiano (Corpoica); Nuevo método para la investigación de procesos catalíticos (Colciencias); Determinación de la huella hídrica para cultivos de la agroindustria nacional (Unisalle). Cabe esperar que trabajos similares puedan extrapolarse a otros gremios agroindustriales en un mediano plazo por cuanto ya se han realizado trabajos similares en otros sectores agrícolas como flores, hortalizas, vegetales y otros: Torres et al. (2009 a,b); Torres (2010); Torres & Maldonado (2011); Torres (2012); Torres (2014); Torres et al. (2015); Torres et al. (2016); así como la generación de propuestas con alternativas sostenibles para la agroindustria: Barón (2015); Bello & Castellanos (2016); Carrero & Loza (2016); Castañeda y Ramírez (2016); Deaza & Godoy (2016); Garzón & Pacheco (2016); Mora & Mendoza (2017); Nieto & Piñeros (2016); Pinzón & Palacios (2016).

La anterior producción permite establecer la evolución del concepto de sostenibilidad en términos de la distribución de los excedentes de la producción agrícola. Esta perspectiva conduce a la necesidad de identificar las relaciones de equidad y comercio justo, necesarios para garantizar el desarrollo de prácticas agrícolas sustentables. Entonces, sugerir aspectos relevantes para la formulación de tecnologías emergentes con enfoque diferencial, mediante la integración de actores novedosos como el uso de bioresiduos, el acceso a recursos y know-how, conlleva a una estructuración de las cadenas de valor (Basiron y Darus, 1997; García et al., 2010).

II. Procesamiento de los racimos
de fruta fresca (RFF)

La composición de un racimo de palma aceitera se presenta en la Fig. 1. Luego de la recolección y almacenamiento del fruto, el racimo pasa a un proceso de esterilización, luego se descarta el fruto de su raquis para conducirlo a los digestores. El objeto del digestor es acondicionar el fruto, haciendo que se aparte el mesocarpio de las nueces para facilitar la extracción del aceite en el prensado.

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Fig. 1 Componentes del racimo de palma de aceite.

La composición de un racimo de palma aceitera se presenta en la Fig. 1. Luego de la recolección y almacenamiento del fruto, el racimo pasa a un proceso de esterilización, luego se descarta el fruto de su raquis para conducirlo a los digestores. El objeto del digestor es acondicionar el fruto, haciendo que se aparte el mesocarpio de las nueces para facilitar la extracción del aceite en el prensado.

Como se observa en la Fig. 2, los racimos de fruta fresca (1) son descargados (2) y acarreados hacia el área de esterilización (3). La esterilización se desarrolla con vapor a baja presión por espacio de 90 minutos. Los frutos se apartan de los racimos en la trilladora por un proceso mecánico (4). El raquis es traído hacia los camiones para ser usados en compostaje.

La semilla es pasada hacia la digestión en donde con un proceso de rompimiento de las células se libra el aceite del fruto. El digestor usualmente colocado consiste de un envase cilíndrico caldeado con vapor ajustando con un agitador (5). El aceite se clarifica mediante una separación gravimétrica, la cual consiste en la diferencia de densidades (6). Se le retira humedad al aceite clarificado mediante un calentamiento en sistemas de tanques o al vacío. El agua que está contaminada con aceite como subproducto del proceso de clarificación se pasa a través de centrífugas con el fin de recuperar un poco de aceite.

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Fig. 2 Descripción del proceso tradicional de extracción del aceite de palma.

El residuo líquido se trata en el sistema de tratamiento de aguas residuales (7). Se apartan la mezcla formada de fibra y nueces. Se quebrantan las cáscaras de las nueces y se excluye el palmiste. El palmiste pasa a través del silo de secado y el aceite es prensado (8). El aceite se comercializa y la torta de palmiste se usa como forraje, la fibra y la cáscara son recogidas y se emplean como combustible en la caldera. Son precisamente los pasos (4) y (8) los de mayor interés en el presente trabajo por cuanto ese residuo agrario puede tener un valor agregado para la generación de energía con el fin de surtir la misma planta. El aceite extraído es recolectado donde le son separadas parte de las impurezas para el proceso como: fibras, arena, etcétera y luego es bombeada a la sección de clarificación.

Con la refinación del aceite crudo de palma se persigue la exclusión de sustancias inhibitorias de la producción de biodiesel. El proceso empieza con la adición de ácido cítrico y tierras de blanqueo que atrapan estos compuestos, a continuación mediante un filtrado son apartados del aceite. Después el aceite tratado se lleva hasta condiciones de vacío y alta temperatura, permitiendo con esto la evaporación y separación de los ácidos grasos libres obteniéndose el aceite refinado como producto final.

El proceso de producción de biodiesel se realiza por medio de una reacción química del aceite refinado (RBD: Refinado, blanqueado y desodorizado) con metanol en presencia de hidróxido de sodio como catalizador, formando una fase liviana de metilester (biodiesel) y una fase pesada de glicerina cruda (Fig. 3).

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Fig. 3 Composiciones de los productos obtenidos en la fabricación de biodiesel a partir de aceite de palma.

El biodiesel es sometido a un lavado con agua caliente para su neutralización y posterior centrifugación con el fin de remover sales y otras impurezas. Este proceso es también conocido como de transesterificación y se produce también la glicerina como co-producto Fig. 4.

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Fig. 4 Transesterificación del aceite

Proceso de purificación de la glicerina: La glicerina cruda derivada de la producción del biodiesel es llevada para la remoción de jabones mediante un proceso de acidificación, después se neutraliza formando una salmuera. Posteriormente, la glicerina es purificada a través de una destilación en una columna a condiciones de vacío y alta temperatura, pasa luego a filtración con carbón activado obteniéndose así la glicerina refinada.

III. Concepto de biorefinería en una planta extractora de aceite de palma

El aceite de palma es el aceite vegetal más producido en el mundo, en el caso de Colombia, se cultivó la palma africana (Elaeis guineensis) para consumo interno mediante su empleo en productos alimenticios tales como aceite de cocina, productos de panadería, margarina y manteca (Ortiz & Fernández, 2000). En la década pasada se consideró al cultivo de palma como sustituto de cultivos ilícitos por lo que con el impulso gubernamental, además de expandirse el número de hectáreas sembradas, también se diversifico su producción. Entonces sus fracciones derivaron a usos no comestibles, entre los que se encuentra la fabricación de compuestos oleoquímicos tales como esteres metílicos, polioles, poliuretanos para jabónes, detergentes y compuestos de limpieza industrial y del hogar, aunque gran parte del aceite generado es exportado, así como el sobrante se procesa industrialmente en la fabricación de biodiesel. Sin embargo, la ley restringe las emisiones de particulado generados por la combustión de los combustibles derivados de biomasa, con normas restrictivas y difíciles de cumplir, ya que las tecnologías utilizadas en la mayoría de las plantas nacionales son antiguas, sumado a lo anterior, la reglamentación para los vertimientos contiene nuevos criterios para DBO, DQO, sólidos totales, grasas y aceites, compuestos fenólicos y herbicidas.

US$ 450/ton aceite de palma crudo, es el costo de la extracción de palma nacional colombiana, mayor aún que el de otros países productores con menor producción como los países centroamericanos y Ecuador que ya alcanza iguales niveles de la producción nacional. La trasformación de las plantas extractoras a biorefinerías puede apoyar la competitividad de la industria palmera. Una estrategia consiste en implementar gradualmente módulos tecnológicos dentro de una clara estrategia para diversificar los subproductos así reducir el impacto ambiental y los costos de los procesos industriales actuales. La conversión de plantas procesadoras a biorefinerías cuenta con varias alternativas de uso de la biomasa de la palma, en la Fig. 5 se muestra las opciones de procesos. Una biorefinería es una estructura que integra procesos de conversión de biomasa y equipamiento para producir combustibles, energía y productos químicos a partir de la biomasa. El concepto de biorefinería es análogo al de refinerías de petróleo, los cuales producen productos y combustibles múltiples derivados del petróleo (García, 2013).

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Fig. 5 Alternativas para el uso de la biomasa de la palma de aceite.

Tecnologías tradicionales se manejan para elaborar productos petroquímicos o bioproductos, según sea el caso (González-Delgado & Kafarov, 2011; Mansoornejad et al. 2010; Pérez et al. 2017). La integración de las configuraciones de producción puede ampliarse en las biorefinerías para producir bienes con valor agregado (Bonomi, 2011; Moncada et al. 2015). Estos diseños generalmente aprovechan la máxima producción y provecho de una sola fuente de materia prima, y a veces no se tienen diferencias sobre la escasez de los insumos o de los impactos ambientales causados por su colecta o procesamiento. Una tecnología que contemple estas condiciones brindará un producto que además de proceder de una tecnología limpia, sería además innovadora al mercado. Una biorefinería representa una diversificación dentro de las agroindustrias existentes o el uso alternativo de la materia prima biológica a partir de las tecnologías que actualmente se usan con los recursos fósiles para obtener combustibles, productos químicos o la energía a partir de materiales derivados biológicamente (NREL, 2008). Si se acopian y trasladan de las plantas extractoras de aceite de palma (POM por su acrónimo en inglés) los otros materiales de desecho disponibles en el sector, en un mediano futuro la capacidad de estas biorefinerías podría extenderse (García, 2013; Wright & Brown, 2007).

Una manera de aumentar el uso de la biomasa es mediante la cogeneración de energía lo cual contrasta con los modelos de negocio de las nuevas biorrefinerías concebidas para la utilización de desechos agrícolas. Si no se implementan sistemas de cogeneración y si las calderas existentes reducen el uso de la fibra debido a las limitaciones ambientales y solo consumen una fracción de lo que se utiliza actualmente para generar el vapor, habrá mayores cantidades de biomasa para la producción de combustibles y productos biológicos (Abdullah et al. 2015; Bridgwater, 2011; Chong, 2011; Rojas, 2011). El hecho de que la biomasa se encuentre en la planta de beneficio donde ya hay instalaciones y en la cual se obtiene biomasa todo el año, facilita la implementación de los conceptos de biorrefinería asociados con la producción del aceite de palma. Una sola planta procesadora con capacidad promedio (60 ton RFF/h) puede producir anualmente hasta 54.000 ton de racimos vacíos (tusas) (RV), 35.100 ton de fibra, 10.800 ton de cáscara y 141.750 ton de efluentes líquidos. La Figura 6 muestra un escenario de referencia general para una extractora común en Colombia (García, 2013).

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Fig. 6 Escenario general de las plantas extractoras en la que los productos principales son únicamente aceite de palma y almendra.

En la actualidad y con el Protocolo de Kioto para la captura y comercialización del CO2 mediante el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) y los compromisos adquiridos con la COP21, muchas POM han implementado proyectos de MDL a fin de participar en el mercadeo del CO2 (Conil, 2007; Tantitham et al. 2009), en Colombia se aprobó un proyecto MDL en el año 2007 (Fedepalma, 2007). Se han realizado varios estudios en los que la biomasa lignocelulósica en POM (González et al., 2008; Bakker, 2013; Carvajal, 2015; Castillo, 2011), se utiliza para producir enzimas de celulosa (Alam et al., 2009), biocompuestos (Shinoj et al., 2011), bioetanol (Goh & Lee, 2010; Tan, Lee & Mohamed, 2010; Yamada et al. 2010), hidrógeno y gas sintetizado (Chew & Bhatia, 2008; Kelly-Yong et al. 2007), carbón activado (Guo & Lua, 1998; Lua et al. 2006; Fan et al. 2011; Gómez et al. 2011) y compostaje (Baharuddin et al. 2010; Singh et al. 2010, Avendaño y Martínez, 2015). Se ha propuesto la integración de la producción del bioetanol a partir de materiales lignocelulósicos y la producción de biodiésel a partir del aceite de palma en una POM (Gutiérrez et al. 2009; Goh et al. 2010, Abdullah et al. 2016).

Otras opciones potenciales para las biorefinerías incluyen la producción de lípidos a partir de la biomasa y fermentar los azúcares derivados de los materiales lignocelulósicos (Loboguerrero, 2007; Hernández, 2015). Los azúcares se pueden obtener mediante rutas bioquímicas o termoquímicas. Esta es una iniciativa novedosa que han desarrollado investigadores en Washington State University (WSU) y puede utilizarse con los racimos vacíos como sustrato. Una POM posee la infraestructura para producir y comercializar aceites pero además con la integración de sus propios residuos ayudaría a incrementar la producción de energía (Unipalma, 2016).

En cuanto a la lignocelulosa, esta es una materia prima clave para la biorefinería. Para referirse a ella a menudo se utiliza el término “segunda generación”, para significar que no sale de productos que a su vez sean alimento. Como se sabe, de la biomasa agrícola puede producirse energía en forma de: biodiésel (aceite residual/tortas prensadas), biogás, H2 y fermentación del etanol, biopolímeros, pirólisis de bioaceite y carbón vegetal, fibras de papel, paneles de construcción y materiales compuestos de disolución de celulosa, tablero aglomerante (lignina intrínseca), productos químicos “verdes” (adhesivos furfural), líquidos Fischer Tropsch a partir de biomasa.

Se calcula al alrededor de 50 millones de toneladas la biomasa de la palma de aceite, que en una escala global puede no verse como mucho, pero hay concentraciones en pocas áreas, y resulta interesante usarla para la biorefinería. Los productos de la biorefinería que se mencionan aquí son principalmente los polímeros carbohidratos que se convierten en azúcar, a partir de los cuales se pueden elaborar múltiples productos, como combustibles:

  • Etanol. Es sobre el que se ha desarrollado mayor investigación.
  • Butanol. Puede ser usado como remplazo del diésel y además es una plataforma para hacer diferentes productos químicos.
  • Hidrógeno. Se puede producir de los carbohidratos, empleando bacterias.

El Análisis de Ciclo de Vida para el caso de biorefinerías derivadas de residuos de la palma aceitera se basa en investigaciones previas, sin embargo, no se ha reportado el impacto que podría generar por lo que este estudio permita identificar los posibles impactos ambientales y áreas de mejora. El Análisis del Ciclo de Vida (ACV) también es una herramienta que permite comparar los efectos ambientales de las diferentes tecnologías (Bridgwater, 2011). En Colombia se desarrolló una ACV para determinar el efecto que tiene la producción de biodiésel y también sería una herramienta muy útil para estudiar el impacto ambiental de convertir las POM en biorrefinerías. La base de datos que alimentó esta ACV está disponible en Cenipalma para su uso posterior. (Yáñez et al.2009) trabajaron en una aproximación a la ACV para la producción de biodiésel en Colombia y Brasil. Para el caso colombiano, como en la mayoría de los casos, se necesita información más precisa del asunto particular, por ejemplo, sobre agricultura tropical, suelos y productos específicos, entre otros, este trabajo se hizo durante meses, con expertos nacionales y en cooperación con Cenipalma y Cenicaña (Gauch, 2013).

IV. Alcance del estudio

A) Objetivo

Desarrollar un Análisis de Ciclo de Vida para una biorefinería derivada de los residuos del cultivo de la palma aceitera.

B) Función del sistema en estudio

El sistema en estudio tiene como finalidad el aprovechamiento integral de los residuos en una extractora de aceite de palma con el objeto de incorporarlos a la cadena productiva mediante la integración de biocombustible y la cogeneración energética.

C) Unidad funcional

La unidad funcional es una medida del comportamiento de las salidas funcionales de un sistema y su propósito es proporcionar una referencia para las entradas y salidas del mismo. Esta referencia es necesaria para asegurar que la comparación de los sistemas se hace sobre una base común. Las unidades funcionales a estudiar son:

  • 1 MJ al punto de distribución.
  • 1 vehículo-kilómetro.
  • 1 ton de materias primas.

D) Límites de los sistemas

El sistema incluye todos los procesos relacionados con el cultivo, el procesamiento, el transporte y el uso de biocombustibles y combustibles fósiles en Colombia. Asimismo la producción, mantenimiento, reutilización y disposición de la infraestructura, incluyendo construcciones y vías.

Los límites geográficos del sistema se definieron como de la puerta a la puerta ya que se tomó en cuenta el proceso de producción, es decir, desde que entran las materias primas al proceso, hasta que se obtiene el producto final de un caso genérico representativo de una extractora de aceite de palma colombiana. La información recopilada será para una producción del anual.

E) Metodología de análisis

La metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) es una herramienta de gestión ambiental de recopilación y evaluación de las entradas, resultados y los impactos ambientales potenciales de un sistema o producto durante su ciclo de vida. Esta metodología describe y analiza las corrientes que entran desde la naturaleza al sistema estudiado y las que salen del sistema a la naturaleza a lo largo del ciclo de vida, es decir, desde la extracción de materias primas y su agotamiento hasta emisiones al aire, agua y suelo así como los cambios de uso del terreno. La metodología seguida en este análisis de inventario, usa la aproximación conceptual del análisis de sistemas, en el sentido en que traza una frontera alrededor del sistema analizado y cuantifica las entradas y salidas a través de esa frontera. No siempre es posible tener todos los datos necesarios para la elaboración del inventario, por lo que es necesario, partir de una serie de suposiciones e hipótesis que permitan completar dichos datos. A continuación se detallan algunas de las principales hipótesis metodológicas que sustentan el desarrollo del inventario y facilitan su análisis (International Reference Life Cycle Data System (ILCD) Handbook, 2010).

Como se aprecia en la Fig. 7 se identificaron cada una de las etapas del proceso de producción y las materias primas utilizadas para realizar un diagrama de esquemático de entrada y salidas del sistema. Posteriormente, se calcularon las cantidades necesarias de cada materia prima para finalmente introducir los datos en el software SimaPro y calcular los impactos potenciales en cada etapa e identificar áreas de mejora.

F) Requisitos de calidad de los datos

Los datos sobre materias primas deben ser de la producción y las especificaciones de los equipos deben provenir de las operaciones que desarrollan el proceso (Das et al., 2007).

1) Método de impacto

El método de impacto utilizado fue TRACI 2.1 Versión 1.01, este es una herramienta que permite evaluar los impactos químicos y otros impactos ambientales, y fue desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos EPA.

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Fig. 7 Diagrama esquemático de entradas y salidas del sistema.

2) Método de asignación:

Se les asignó una parte del daño ambiental de la producción a todos los subproductos (por ejemplo torta de palmiste, compost, electricidad, etcétera) del biocombustible según su valor económico.

G) Herramienta utilizada

Para realizar el análisis de ciclo de vida se utilizó el software SimaPro 8 © Copyright PRÉ 2017. SimaPro es una marca registrada de PRÉ Consultants B.V. (Garrain, 2017b). El software cuenta con las siguientes características:

  • Protocolos para la realización guiada de ACV’.
  • Modificación en cualquier momento de todos los parámetros del ciclo de vida.
  • Análisis tipo LCA (Life Cycle Assessment) y LCC (Life Cycle Cost)
  • Redacción de informes de acuerdo con la normativa ISO 14040 e ISO 14044.
  • Análisis de la incertidumbre de los datos, escenarios de fin de vida, análisis de sensibilidad y Monte Carlo.
  • Exportar la información en formatos Ecospold y Excel.

V. Inventario para las etapas
y procesos considerados

La recopilación de información primaria sobre el cultivo y el procesamiento de biocombustibles en el campo se extrae del estudio realizado por el Banco Interamericano de Desarrollo (BID, 2011), la información secundaria se toma de la base de datos Ecoinvent v2.2 (Database Ecoinvent “Palm oil, at oil mill, MY”, 2017) y del Statical Yearbook (Fedepalma, 2015) y de otros autores especificados.

A) Etapa de cultivo.

Tabla 1

Entrada de fertilizantes minerales en kg por hectárea y año (4148 ha). (BID, 2011)

Fertilizante mineral

Unidades

Valor

Urea

kg/ha/año

111.72

Ammonium nitrate phosphate

kg/ha/año

159.27

Potassio (chloride)

kg/ha/año

322.75

Dolomitio

kg/ha/año

228.74

Borax

kg/ha/año

11.55

N

kg/ha/año

64.77

P2O5

kg/ha/año

82.82

K2O

kg/ha/año

193.65

MgO

kg/ha/año

50.32

B2O3

kg/ha/año

5.54

Tabla 2

Composición de nutrientes en la tusa en base húmeda y seca.

 

N

P2O5

K2O

MgO

Peso seco

0,54%

0,14%

2,77%

0,32%

Peso húmedo

0,28%

0,07

1,41%

0,16%

Tabla 3

Agroquímicos aplicados en las diferentes áreas de cultivo por área de cultivo, kg/RFF/año. (BID, 2011)

Agroquímico

Unidades

Valor

Glyphosate, at regional storehouse/RER S

kg/kg RFF

4.41E-05

Bipyridylium-compounds, at regional storehouse/RER S

kg/kg RFF

1.888E-05

Sulfony urea-compounds, at regional storehouse/RER S

kg/kg RFF

1.27E-05

Ethoxylated alcohols (AE7), petrochemical, at regional plan/RER S

kg/kg RFF

1.57E-05

Organophosphorus-compounds, at regional storehouse/RER S

kg/kg RFF

5.88E-05

Acetamide-anilide-compounds, at regional storehouse/RER S

kg/kg RFF

6.08E-06

Insecticides, at regional storehouse/RER S

kg/kg RFF

5.58E-06

Tabla 4

Consumo de combustible de las diferentes áreas de cultivo de palma en tonkm/kg RFF. (BID, 2011)

Vehículo

Unidades

Valor

Transport, tractor and trailer

tonkm/kg

9.1E-03

Transport, lorry >16ft, fleet average

tonkm/kg

9.4E-03

Transport, passenger car, petrol, EURO3/person

tonkm/kg

2.9E-04

Tabla 5

Emisiones a la atmósfera por la aplicación
de fertilizantes. (BID, 2011)

Emisiones
al aire

Unidades

Valor

NH3-N

kg/kg RFF

3.91E-04

N2O

kg/kg RFF

6.76E-04

NOx

kg/kg RFF

1.42E-04

Tabla 6

Emisiones al suelo por la aplicación de pesticidas
y fertilizantes. (BID, 2011)

Emisiones

Unidades

Valor

Cd

kg/kg RFF

1.64E-07

Cu

kg/kg RFF

-3.28E-06

Zn

kg/kg RFF

-1.67E-05

Pd

kg/kg RFF

-6.94E-08

Ni

kg/kg RFF

-7.47E-08

Cr

kg/kg RFF

-7.47E-08

Hg

kg/kg RFF

1.96E-07

Tabla 7

Parámetros para el cambio en el uso directo de la tierra
para el cultivo de palma. (BID, 2011)

IPCC Land use change

Unidades

Valor

Grassland

AGB

3

 

BGB

1.13

Palm

AGB

17.42

 

BGB

5.34

Rice

AGB

0.23

 

BGB

0.03

Soil carbón stock
(natural)

 

50

Cultivatio
parameter

Land-use
factor (FLU)

1

 

Management
factor (FMG)

1.15

 

Input factor (FI)

1

Before

AGB

20.65

 

BGB

6.5

 

SOC

50

 

TOT

77.14

After (Palm)

AGB

44

 

BGB

13.5

 

SOC

57.5

 

TOT

115

Difference

T C/ha

37.9

 

Año

20

 

kg C/kg RFF

0.1

 

kg CO2/kg RFF

0.35

Tabla 8

Emisiones al agua por el uso de fertilizantes. (BID, 2011)

Emisiones

Unidades

Valor

Nitrate

P

mm

2500

S

kg N/ha/año

64.77

C

día/contenido

4.9

L

Root depth (m)

1

C org

%

0.81

Bulk density

ton oil/m3

1.4

Corg EMPA

ton C/3000 m3

34

N org

kg/ha

6.05

U

kg N/ton yield

39.46

N

kg NO3/kg plant

3.6E-03

Phosphorous to surface water

A

Potential long term manual soil loss ton/ha/year

2.24

R

Erositivy factor MJ mm/ha/h/año

2322.66

k

Erodibility factor ton h /MJ mm

0.13

LS

Slope factor

0.3

S

Slope %

0.002

L

Lenght mm

100

C1

Crop factor

0.2

C2

Tillage factor

0.25

P

Practice factor

0.5

Pe

Kg P/kg cane

4.55E-05

Phosphate to surface water: run-off and drainage

kr

Average run-off kgP/ha año

0.18

f

Mineral fertilizer kg P/ha

82.82

Cm

Kg P/kg cane

3.28E-05

B) Etapa de extracción de aceite

Tabla 9

Entrada de materia y energía

Entrada

Unidad

Escenario promedio

Racimos de fruto fresco (RFF)

ton

100

Agua

ton

109.84

Autogeneración de electricidad

kWh

740.12

Electricidad de la red

kWh

1358.11

Electricidad diesel

kWh

19.08

Vapor

m3

43.35

Tabla 10

Productos, subproductos y residuos

Salida

Unidad

Escenario promedio

Aceite crudo de palma

ton

21.38

Tusa

ton

21.34

Aceite de palmiste

ton

2

Harina de palmiste

ton

2.86

Agua residual

ton

97.17

Fibra

ton

13.16

Cáscaras de nueces

ton

7.9

Tabla 11

Producción de energía

Parámetro

Unidad

RFF

Cáscara

Fibra

Poder calorífico inferior

MJ/kg

6.03

12.57

8.98

Humedad

%

24.94

6.16

28.76

C

%

54.3

51.8

58.9

H

%

18.7

25.1

20.15

S

%

0.22

0.3

0.24

N

%

3.8

5.15

4.21

O

%

11.02

12.35

8.62

Contenido de ceniza

%

8.93

4.96

5.55

Tabla 12

Infraestructura y maquinaria del proceso de extracción

Proceso

Cantidad

Unidad

Nombre ecoinvent

Extracción
de aceite

1.00E-04

piece

Oil mill/CH

Caldera

8.67E-05

piece

Cogen unit 6400kWth, Wood burning, buliding/CH

3.47E-04

piece

Cogen unit 6400kWth, Wood burning, common components for heat+electricity/CH

Turbina

3.47E-04

piece

Cogen unit 6400kWth, Wood burning, components for electricity only/CH

Tabla 13

Rendimientos del procesamiento del fruto de la palma de aceite (Avendaño y Martínez, 2015)

Producto

Kg por ton de RFF

%

Aceite crudo

207.7

15.37

Fibra

151.1

11.18

Racimo vacío

231.5

17.13

Cáscaras

85

6.29

Nuez (almendra)

42.2

3.14

Efluentes líquidos*

614.1

45.46

Aceite perdido

19.3

1.43

* Se agregan 350,9 kg de agua de proceso.

Tabla 14

Poder calorífico de residuos sólidos de una extractora de aceite de palma (Duarte, 2006)

Residuo

Energía (kcal/kg)

Fibra

4420 (base seca)

Cáscara

4950 (base seca)

Racimo vacío

3370

Tabla 15

Consumo de recursos y energía en procesos de extracción de aceite de palma (UIS-IDEAM, 1999)

Recurso

Unidades

Consumo por ton de

RFF

Aceite crudo

Agua

ton

1.2

5.78

Fibra (Combustible)

ton

0.15

0.72

ACPM (Combustible)

Gal

1

4.81

Aire

m3

5300

25517

Energía

kW

28

135

C) Etapa de hidrolisis

Tabla 16

Escala de producción (racimos de fruta vacíos)

Tamaño de la planta

Tipo

RFF/d

RFF/día (w)

RFF/año (dw)

30 t/h

Mediana

700 t

210

26.9 kt

90 t/h

Grande

2100 t

630

80.6 kt

150 t/h

Muy grande

3500 t

1050

134 kt

Tabla 17

Entrada para la producción de 100 kg de racimo de fruto vacíos (Bakker, 2013)

Materia

Composición (%)

Cantidad

Unidad

Glucano

37

37

kg

Xilano

24

24

kg

Arabinano

2.4

2.4

kg

Lignina

24

24

kg

Ceniza

5

5

kg

Tamaño de partícula

 

>25

mm

Densidad aparente

 

80-100

Kg/m3

Contenido de humedad

40-60

 

 

D) Etapa biodigestor

Tabla 18

Vertimientos de los efluentes de una extractora de aceite de palma. (Duarte, 2006)

Origen

m3/ton RFF

Aguas lodosas de clarificación

0.55

Condensados de esterilización

0.10

Aguas de palmistería

0.05

Aguas de lavado (limpieza de pisos y purgas)

45

Efluente total sin fugas, ni purgas de desarenador y sedimentador

0.80

Tabla 19

Indicadores energéticos y de producción de biogás en la agroindustria de palma

Indicador

Unidades

Valor

Producción de biogás

m3/ton RFF

182

Producción de biogás (lagunas)

m3/kg DQO removido

0.19-0.25

Poder de generación de energía eléctrica (EE)

kwh/m3

1.8

Demanda de EE de una extractora de aceite de palma

kwh/ ton RFF

16-20

EE producido por biogás generado

kwh/ ton RFF

32.76

Tabla 20

Composición aproximada de biogás (Incontec-Aene, 2003; Duarte, 2006)

Compuesto

Formula

% volumen

Metano

CH4

60-80

Dióxido de Carbono

CO2

30-40

Hidrógeno

H2

0-1

Nitrógeno

N2

1-2

Monóxido de Carbono

CO

0-1,5

Oxígeno

O2

0,1

Sulfuro de Hidrógeno

H2S

0-1

Vapor de agua

H2O

0,3

Tabla 21

Caracterización de efluentes de palmas extractoras en Colombia (Avendaño & Martínez, 2015)

Parámetro

Unidades

Intervalo

Promedio

pH

-

3.87 - 5.25

4.55

Temperatura

ºC

53 - 77

67.4

DBO5

mg/l

18700 – 175521

48873

DQO

mg/l

45256 - 232000

79730

Sólidos totales

mg/l

32482 - 111029

45670

Sólidos suspendidos

mg/l

19129 - 88258

35105

Sólidos sedimentables

mg/l

125 - 1000

677

Sólidos totales volátiles

mg/l

26530 - 98445

48988

P

mg/l

15.7 – 113.6

66.1

N

mg/l

67.5 - 695

284.1

Grasas y aceites

mg/l

6480 - 80701

18747

Acidez total

mg/l

750 - 20548

1611

Tabla 22

Características del biogás (Duarte, 2006)

Propiedad

Unidades

Valor

Planta extractora de aceite de palma

Capacidad de extracción

Ton RFF/día

80

Tiempo de operación diario

horas

8

Efluente producido

m3/día

65

Efluente producido por ton de RFF

m3/ton RFF

0.8

Biodigestor

Capacidad de tratamiento

m3/día

65

Tiempo de retención

días

8

Producción de biogás

m3/día

800

CH4

% volumen

65

CO2

% volumen

34

H2S

% volumen

0.18

Biogás retenido por DQO removido

m3/ton RFF

0.55

Biogás obtenido por ton RFF

m3/ton RFF

10

Biogás obtenido por m3 de efluente

m3/ m3

12

Sistema de generación eléctrica

EE requerida para el proceso

kwh

200

Consumo total ACPM (sin biogás)

Gal/día

80

Consumo de ACPM

%

50

Ahorro anual de ACPM (Aprox.)

Gal/año

10600

Consumo de biogás

m3/día

320

EE generada por m3 de biogás

kwh/ton RFF

2.5

EE generada por ton RFF

kwh/ton RFF

25

Excedente de biogás

m3/día

480

VI. Evaluación del impacto
del ciclo de vida

A) Interpretación

La fase de interpretación en un estudio de ACV busca a través del análisis de los resultados tanto de la fase de Inventario y como de la Evaluación de Impacto del Ciclo de Vida, simplificar y dilucidar los aspectos notables que permitan establecer conclusiones conformes con la definición del objetivo y alcance planteados. La interpretación de los resultados en un ACV busca la caracterización de las variables que afecta el resultado final y sus interconexiones. Durante esta fase se identifican etapas que presentan una contribución importante, no sólo en términos de cantidad, sino también, por el porcentaje de participación. El propósito es identificar las principales cargas ambientales y por ende los aspectos del sistema evaluado que puedan o deban mejorarse.

En los siguientes apartados se describe el análisis de sensibilidad que se ha desarrollado en este estudio de ACV, como parte de la fase de interpretación después de realizar un análisis del inventario para identificar áreas de mejora dentro del proceso (Garrain, 2017a, Naranjo, 2017).

B) Análisis de inventario de Ciclo de Vida

El análisis de inventario es un proceso de cuantificación de los flujos de energía y materiales que entran y salen de una actividad durante su ciclo de vida. Un análisis del inventario es fundamentalmente un balance de materia y energía del sistema, aunque también puede incluir otros parámetros como: utilización de suelo, radiaciones, ruido, vibraciones, biodiversidad afectada, entre otros aspectos (Delivan & Gnansunou, 2013).

Los aspectos a tener en cuenta en la realización de un análisis de inventario de ciclo de vida, son aquellos que relacionan los flujos de materiales y energía con la unidad funcional, la necesidad de asignación y los métodos de asignación disponibles, y la disponibilidad de los datos. Estos aspectos se mencionan a continuación:

  • Descripción de los procesos unitarios (balance de materia y energía)
  • Procedimientos de cálculo (deben estar referidos a la unidad funcional)
  • Criterios de asignación
  • Asignación de flujos a productos y co-productos según lo establecido en la definición de objetivo y alcance
  • Procedimientos de recopilación de datos
  • Realización de cálculos

La metodología de la Evaluación del Impacto del Ciclo de Vida para determinar los siguientes impactos, los cuales se presentarán en una segunda entrega para:

  • GEI calentamiento global gwp [kg_CO2-eq.]
  • Acidificación acid [kg SO2-eq]
  • Eutrofización eutro [kg PO4-eq.]
  • Ecotoxicidad etox [pt.]

VII. Conclusiones

El alcance de la investigación en curso es evaluar el ACV en el cultivo de palma africana colombiana, con el objeto de inventariar los suministros de la agricultura y el consumo en una muestra representativa del cultivo de palma. Igualmente, recopilar información en este ámbito para la futura toma de decisiones hacia la sostenibilidad de los recursos y la optimización de los procesos por parte de las empresas de cultivadores de palma aceitera como parte de su política de responsabilidad ambiental (Torres e Israel, 2017).

Actualmente la idea de una economía circular tiene un papel protagónico en las agendas comerciales mundiales al punto de desvincularse el crecimiento económico de las limitaciones de recursos. La definición de ‘economía circular’ no se encuentra disponible como un solo concepto, pero está claro que, a diferencia del enfoque tradicional de toma-toma-consume-elimina, busca maximizar el valor en cada punto de la vida de un producto (Muñoz y Herrera, 2017).

Esta revisión tiene como propósito presentar un desarrollo metodológico inicial, así como las aplicaciones de enfoques de ciclo de vida independientes o integrados: huella ambiental - evaluación de la sostenibilidad del ciclo de vida para respaldar la evaluación de estrategias de economía circular en un escenario ‘cradle to cradle’ de la cuna a la cuna, en una segunda entrega se presentará un análisis detallado de los resultados procesados mediante el software Simapro.

Agradecimiento

Un reconocimiento especial para la Fundación Carolina por su colaboración mediante el Programa de Becas para Estancias Postdoctorales, igualmente al apoyo brindado por el equipo humano del Departamento de Energía del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas – CIEMAT (Madrid, España).

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