Evaluación ambiental mediante Análisis del Ciclo de Vida del tratamiento de purín porcino en fotobiorreactores con microalgas, para la valorización en biorrefinería de las microalgas generadas

Máster en Ingeniería Industrial MÁSTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID TRABAJO FIN DE MÁSTER Evaluación ambiental mediante Análisis del Ciclo de Vida del tratamiento de purín porcino en fotobiorreactores con microalgas, para la valorización en biorrefinería de las microalgas generadas. Autora: María Maté González Tutor: Rubén Irusta Mata Valladolid, julio, 2020 Máster en Ingeniería Industrial MÁSTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID TRABAJO FIN DE MÁSTER Evaluación ambiental mediante Análisis del Ciclo de Vida del tratamiento de purín porcino en fotobiorreactores con microalgas, para la valorización en biorrefinería de las microalgas generadas. Autora: María Maté González Tutor: Rubén Irusta Mata Valladolid, julio, 2020 Máster en Ingeniería Industrial Resumen En este trabajo de fin de máster se realiza el Análisis del Ciclo de Vida del tratamiento de purín porcino con microalgas en un fotobiorreactor de canal abierto con la finalidad de obtener biomasa algal, para su posterior valorización en una biorrefinería. Para conocer si el proceso propuesto tiene viabilidad ambiental se comparan los resultados obtenidos con los de una alternativa que consiste en la obtención de fertilizante orgánico a partir de purín sin tratar. Para realizar esta comparación se utiliza el software Simapro y el método de evaluación de impacto IMPACT 2002+. Este método se caracteriza por dividir el impacto ambiental en cuatro categorías de daño y 15 categorías de impacto. Los resultados obtenidos muestran que el tratamiento de purín con microalgas tiene mejores resultados en las categorías de daño a salud humana, de daño a la calidad de los ecosistemas y cambio climático. Sin embargo, tiene peores resultados en la categoría de recursos, debido a que para llevar a cabo esta alternativa se requiere de un mayor número de materiales y de energía. Abstract This master thesis deals with Life cycle assessment of the treatment of pig manure with microalgae is cultivated in a Raceway photobioreactor to obtain algal biomass. The biomass undergoes the stages of a biorefinery to obtain high value-added products. In order to know if the proposed process has environmental viability, the results obtained are compared with those of an alternative consisting of obtaining organic fertilizer from untreated slurry. The Simapro software and the IMPACT 2002+ impact assessment method are used to make this comparison. This method is characterized by dividing the environmental impact into four categories of damage and 15 categories of impact. The results obtained show that the treatment of pig manure with microalgae has better results in the categories of damage to human health, damage to the quality of ecosystems and climate change. However, it has poorer results in the resource category because a greater number of materials and energy are required to carry out this alternative. Máster en Ingeniería Industrial Agradecimientos Deseo expresar mi más sincero agradecimiento al profesor Rubén Irusta Mata por la generosa dedicación con la que ha tutelado este Trabajo de Fin de Máster. Siempre ha estado dispuesto a ayudarme. Sin él este trabajo no hubiese sido posible. Quiero agradecer, también, la valiosa y desinteresada ayuda de la profesora Silvia Bolado Rodríguez. Además, quiero agradecer a mi compañero Iván por haber estado dispuesto a prestar su apoyo. Máster en Ingeniería Industrial Índice 1. Introducción ....................................................................................................................... 2 2. Objetivos ............................................................................................................................ 6 3. Alcance ............................................................................................................................... 8 3.1 Alternativa 1 ........................................................................................................... 10 3.1.1 Etapas del proceso ........................................................................................... 10 3.1.1.1 Almacenamiento interno del purín .......................................................... 10 3.1.1.2 Transporte del purín a las balsas ............................................................ 10 3.1.1.3 Almacenamiento externo del purín .......................................................... 11 3.1.1.4 Aplicación del purín a los terrenos de cultivo ......................................... 12 3.1.2 Infraestructura .................................................................................................. 13 3.1.3 Productos obtenidos ........................................................................................ 13 3.1.3.1 Fertilizante orgánico ................................................................................. 13 3.1.4 Cargas evitadas ................................................................................................ 13 3.1.4.1 Fosfato diamónico .................................................................................... 13 3.2 Alternativa 2 ........................................................................................................... 14 3.2.1 Biomasa algal ................................................................................................... 14 3.2.2 Etapas del proceso ........................................................................................... 15 3.2.2.1 Almacenamiento interno en granja ......................................................... 16 3.2.2.2 Traslado del purín al tanque de dilución ................................................. 16 3.2.2.3 Tanque de dilución ................................................................................... 16 3.2.2.4 Planta de tratamiento ............................................................................... 17 3.2.2.5 Deshidratación .......................................................................................... 19 3.2.2.6 Pretratamiento .......................................................................................... 20 3.2.2.7 Hidrólisis enzimática ................................................................................. 22 3.2.2.8 Centrifugación ........................................................................................... 23 3.2.2.9 Neutralización ........................................................................................... 23 3.2.2.10 Ultrafiltración ............................................................................................ 24 3.2.2.11 Fermentación ........................................................................................... 25 3.2.2.12 Digestión anaerobia ................................................................................. 25 3.2.2.13 Aplicación del digestato como fertilizante orgánico .............................. 26 3.2.3 Infraestructura .................................................................................................. 27 Máster en Ingeniería Industrial 3.2.4 Productos obtenidos ........................................................................................ 28 3.2.4.1 Bioetanol .................................................................................................... 28 3.2.4.2 Proteínas .................................................................................................... 28 3.2.4.1 Biogás ........................................................................................................ 29 3.2.4.2 Biofertilizante ............................................................................................ 30 3.2.5 Cargas evitadas ................................................................................................ 30 3.2.5.1 Bioetanol .................................................................................................... 30 3.2.5.2 Proteínas .................................................................................................... 31 3.2.5.3 Fosfato diamónico .................................................................................... 31 3.2.5.4 Gas natural ................................................................................................ 31 4. Análisis de inventario ..................................................................................................... 34 4.1 Alternativa 1 ........................................................................................................... 34 4.1.1.1 Almacenamiento de purín ........................................................................ 34 4.1.1.2 Trasporte del purín a las balsas ............................................................... 35 4.1.1.3 Aplicación del purín como fertilizante orgánico ...................................... 35 4.1.1.4 Infraestructura .......................................................................................... 36 4.1.1.5 Cargas evitadas ......................................................................................... 37 4.2 Alternativa 2 ........................................................................................................... 37 4.2.1.1 Almacenamiento interno en granja ......................................................... 38 4.2.1.2 Traslado del purín al tanque de almacenamiento .................................. 38 4.2.1.3 Tanque de dilución ................................................................................... 38 4.2.1.4 Planta de tratamiento ............................................................................... 39 4.2.1.5 Deshidratación .......................................................................................... 39 4.2.1.6 Pretratamiento .......................................................................................... 40 4.2.1.7 Hidrólisis enzimática ................................................................................. 40 4.2.1.8 Centrifugación ........................................................................................... 41 4.2.1.9 Neutralización ........................................................................................... 41 4.2.1.10 Ultrafiltración ............................................................................................ 41 4.2.1.11 Fermentación ........................................................................................... 42 4.2.1.12 Digestión anaerobia ................................................................................. 42 4.2.1.13 Aplicación del digestato como fertilizante orgánico .............................. 43 4.2.1.14 Infraestructura ......................................................................................... 44 4.2.1.15 Cargas evitadas........................................................................................ 44 Máster en Ingeniería Industrial 5. Evaluación de impacto del ciclo de vida y Análisis de resultados .............................. 48 5.1 Análisis del Ciclo de Vida de la infraestructura de las alternativas 1 y 2 .......... 48 5.2 Análisis del Ciclo de Vida de la Alternativa 1 ....................................................... 55 5.3 Análisis del Ciclo de Vida de la Alternativa 2 ....................................................... 61 5.4 Comparación de los ciclos de vida de las alternativas 1 y 2 .............................. 68 6. Conclusiones .................................................................................................................. 76 Bibliografía .............................................................................................................................. 80 Anexos ..................................................................................................................................... 86 A.1 Cantidad de purines a tratar ................................................................................. 86 A.2 Elección pretratamiento e hidrólisis enzimática .................................................. 91 A.3 Balance de materia ................................................................................................ 94 A.3.1 Alternativa 1 ..................................................................................................... 94 A.3.2 Alternativa 2 ..................................................................................................... 94 A.3.2.1 Planta de tratamiento ............................................................................... 94 A.3.2.2 Pretratamiento .......................................................................................... 96 A.3.2.3 Hidrólisis enzimática ................................................................................. 97 A.3.2.4 Centrifugación ........................................................................................... 97 A.3.2.5 Neutralización ........................................................................................... 98 A.3.2.6 Ultrafiltración ............................................................................................. 99 A.3.2.7 Fermentación .......................................................................................... 100 A.3.2.8 Digestión anaerobia ................................................................................ 100 A.4 Dimensionado de equipos ................................................................................... 102 A.4.1 Alternativa 1 ................................................................................................... 102 A.4.1.1 Balsas ...................................................................................................... 102 A.4.2 Alternativa 2 ................................................................................................... 102 A.4.2.1 Planta de tratamiento ............................................................................. 102 A.4.2.2 Tanques ................................................................................................... 103 A.4.2.3 Membrana de ultrafiltración .................................................................. 105 A.4.2.4 Bombas .................................................................................................... 106 A.5 Análisis de inventario ........................................................................................... 108 A.5.1 Alternativa 1 ................................................................................................... 108 A.5.1.1 Almacenamiento de purín ...................................................................... 108 A.5.1.2 Transporte del purín ............................................................................... 111 Máster en Ingeniería Industrial A.5.1.3 Aplicación del purín como fertilizante orgánico .................................... 112 A.5.1.4 Infraestructura ........................................................................................ 114 A.5.1.5 Cargas evitadas ....................................................................................... 115 A.5.2 Alternativa 2 ................................................................................................... 115 A.5.2.1 Almacenamiento interno en granja ....................................................... 115 A.5.2.2 Traslado del purín al tanque de dilución ............................................... 115 A.5.2.3 Tanque de dilución ................................................................................. 116 A.5.2.4 Planta de tratamiento ............................................................................. 116 A.5.2.5 Deshidratación ........................................................................................ 116 A.5.2.6 Pretratamiento ........................................................................................ 117 A.5.2.7 Hidrólisis enzimática ............................................................................... 117 A.5.2.8 Centrifugación ......................................................................................... 117 A.5.2.9 Neutralización ......................................................................................... 118 A.5.2.10 Ultrafiltración .......................................................................................... 118 A.5.2.11 Fermentación ......................................................................................... 118 A.5.2.12 Digestión anaerobia ............................................................................... 118 A.5.2.13 Aplicación del digestato como fertilizante orgánico ............................ 119 A.5.2.14 Infraestructura ........................................................................................ 120 A.5.2.15 Cargas evitadas ...................................................................................... 121 A.6 Evaluación de impacto del ciclo de vida ............................................................. 124 A.6.1 Infraestructura ................................................................................................ 124 A.6.2 Alternativa 1 ................................................................................................... 126 A.6.3 Alternativa 2 ................................................................................................... 130 A.6.4 Comparación alternativas 1 y 2 .................................................................... 137 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 1 Máster en Ingeniería Industrial CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 8 Máster en Ingeniería Industrial 3. Alcance En este trabajo se estudian dos alternativas para conseguir los objetivos anteriormente citados. Ambas alternativas tienen como materia prima parte de los purines generados por el sector ganadero de Castilla y León. Los purines son residuos procedentes de una mezcla de orina y estiércol de animales y de agua que se forma al reunir los desechos de animales domésticos. Este trabajo se centra en el purín porcino. Los purines están compuestos por materia orgánica y nutrientes cuyos componentes principalmente son el nitrógeno, el fósforo y el potasio. Los compuestos principales que forman el fósforo y el potasio en los purines son el óxido de fósforo (V), P205, y el óxido de potasio, K20. El alto contenido en N convierte a los purines en un buen fertilizante para su aplicación al campo, pero a la vez limita su uso a la disponibilidad de amplias extensiones de terreno para el cultivo. Para caracterizar el purín es necesario conocer los sólidos totales (ST), los sólidos volátiles (VS), la demanda química de oxígeno (DQO), la demanda biológica de oxígeno (DBO), la cantidad de nitrógeno (N), de fósforo (P) y de potasio (K). El purín utilizado presenta la composición mostrada en la Tabla 1. Tabla 1. Composición media del purín (ASAE, 2005). Componente kg/m3 ST 50,65 VS 47,69 DQO 47,61 DBO 17,22 N 3,24 P 0,91 K 2,23 En la Tabla 2 viene representada la composición de los metales viene dada en función de la materia seca del purín (DM). Tabla 2. Composición de metales pesados del purín (Corbala-Robles et al., 2018). Metales pesados (mg/kg DM) As Cd Cu Zn Pb Ni Cr Hg 3,0 0,3 640,0 770,0 5,0 9,0 10,0 0,3 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 9 Máster en Ingeniería Industrial También, se ha considerado que el porcentaje de humedad en el purín porcino es del 90% y que su densidad es de 1000 kg/m3 (ASAE, 2005). La primera alternativa consiste en la aplicación directa de este purín como fertilizante orgánico. El alto contenido en N convierte a los purines en un buen fertilizante para su aplicación al campo, si bien esta práctica viene limitada a las restricciones que impone la legislación vigente, Real Decreto 261/1996 (BOE, 1996) y Decreto 4/2018 (BOCYL, 2018) que establecen una aplicación máxima de 170 kg N/ha/año. La segunda alternativa describe la obtención de biomasa algal a partir de este purín y la utilización de esta en una biorrefinería. Esta solución permite la recuperación de las sustancias con alto valor añadido. El alcance geográfico del estudio se centra en Segovia debido a que es la provincia de Castilla y León con mayor censo de ganadería porcina intensiva (Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación, 2019). El censo porcino de esta provincia se divide en 3 zonas como se puede observar en la Tabla 3. Tabla 3. Censo porcino de los principales municipios de la provincia de Segovia (Junta de Castilla y León, 2019). Zona Censo de cerdas (hembras reproductoras) Censo de animales en cebo Cuéllar 80118 490076 Sepúlveda 23437 127387 Segovia 14782 60324 Para ambas alternativas se utiliza el purín generado en la zona de Cuéllar. Se han considerado para este estudio los municipios de Cuéllar, Olombrada y Vallelado (Anexo A.1). La cantidad de purines de la zona seleccionada y que van a ser objeto de este estudio se ha fijado en 338866 m3/año. Para el estudio de ambas alternativas se toma como Unidad Funcional (UF) 1 m3 de purín. Con una base funcional común se facilita la comparación de ambas alternativas, de forma que se podrá deducir cuál de ellas tiene mayor viabilidad ambiental. Para realizar esta comparación se utiliza el software SimaPro. SimaPro es una herramienta, desarrollada por Pré Consultants, que facilita la realización de estudios de análisis del ciclo de vida. Dentro del programa se va a utilizar la metodología de evaluación del impacto del ciclo de vida IMPACT 2002+ (Jolliet et al, 2003). Este método se caracteriza por dividir el impacto ambiental en cuatro categorías de daño (punto final). Estos son daños a la salud humana, daños a la calidad del ecosistema, cambio climático y daños a los recursos, y 15 categorías de impacto (punto medio). Esto se desarrolla con un mayor grado de detalle más adelante, en el apartado Evaluación de Impacto del Ciclo de Vida (EICV). Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 10 Máster en Ingeniería Industrial 3.1 Alternativa 1 Esta primera alternativa consiste en la aplicación del purín procedente del sector porcino de Cuéllar como fertilizante orgánico. El diagrama de bloques que sigue esta alternativa se representa en la Figura 1. Figura 1. Diagrama de bloques de la alternativa 1. Se describen a continuación las etapas y las hipótesis realizadas en la alternativa 1. Se estudian el almacenamiento del estiércol, el traslado de este a las balsas y desde estas a los cultivos y el uso del purín como fertilizante. También, se describen las consideraciones que se han tenido en cuenta al calcular las cargas evitadas. 3.1.1 Etapas del proceso En esta alternativa la etapa principal es el almacenamiento del purín para ser aplicado como fertilizante, para ello necesita al menos 3 meses de almacenamiento (BOE, 2000). Una vez pasado ese tiempo se llevará a los cultivos más próximos con camiones cisterna para ser utilizado como fertilizante orgánico. 3.1.1.1 Almacenamiento interno del purín En primer lugar, se almacena en la propia explotación porcina durante menos de un mes. Los cálculos detallados de las emisiones se desarrollan en el Anexo A.5.1.1. Estas emisiones se calculan utilizando los datos aportados por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) (Dong et al., 2006). 3.1.1.2 Transporte del purín a las balsas Se realiza el traslado del purín desde las granjas a la balsa municipal. Esta se ubicará al lado de la granja que produzca mayor cantidad de purín de cada municipio, para disminuir así el impacto del transporte. Se utiliza un conjunto compuesto por tractora y una cisterna de aspiración para purines, lodos o cualquier otro tipo de carga aspirada. Su capacidad es de 29 m3. Las toneladas por kilómetro debidas al traslado del purín a las balsas se calculan conociendo la superficie que hay recorrer. Para calcular las emisiones del traslado del purín a las balsas se supone que la balsa se encuentra en el punto medio de cada Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 11 Máster en Ingeniería Industrial municipio. Se conoce la superficie de cada municipio y los camiones necesarios al día para trasladar la totalidad del purín. Esto se muestra en la Tabla 4. Tabla 4. Superficie de los municipios y número de camiones necesarios. Municipio Superficie (km2) Radio (km) Camiones (-) Cuéllar 350 10,5 24 Olombrada 66 4,6 3 Vallelado 35 3,4 7 3.1.1.3 Almacenamiento externo del purín En segundo lugar, se almacena durante al menos 3 meses para ser usado como fertilizante. Para llevar a cabo este almacenamiento se utilizan balsas. Cada municipio posee su propia balsa donde se acumulan los purines de las diferentes granjas de la localidad. Las balsas utilizadas donde se almacene el purín deben ser cercadas e impermeables para evitar filtraciones y la contaminación de las aguas superficiales y subterráneas. Los cálculos se desarrollan en el Anexo A.4.1.1. Los resultados del dimensionamiento de las balsas para un periodo de almacenamiento del purín de 4 meses se encuentran en la Tabla 5. Tabla 5. Dimensiones de las balsas de almacenaje de purines en cada municipio. Municipio Flujo (m3/mes) Volumen teórico (m3) Volumen real (+10%) (m3) Ancho (m) Largo (m) Alto (m) Cuéllar 20569 82277 90505 150 300 2 Olombrada 2112 8443 9287 48 96 2 Vallelado 5559 22236 24459 78 156 2 Las balsas para el almacenamiento exterior se impermeabilizan con PEHD (polietileno de alta densidad) de 1,5 mm de espesor. Este material tiene un peso específico de 500 g/m2. La duración de este material para almacenamiento de purín es de 10 años. Los cálculos detallados de las emisiones de gases a la atmósfera debido al almacenamiento del purín en las balsas se desarrollan en el Anexo A.5.1.1. Estas emisiones se calculan utilizando loa datos aportados por el IPCC (Dong et al., 2006). Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 12 Máster en Ingeniería Industrial 3.1.1.4 Aplicación del purín a los terrenos de cultivo Es necesario el traslado del fertilizante desde las balsas de almacenamiento hasta los cultivos más próximos. Se utiliza un conjunto compuesto por tractora y una cisterna de aspiración para purines, lodos o cualquier otro tipo de carga aspirada que es capaz de transportar 20 toneladas. Para calcular las toneladas por kilómetro (tkm) es necesario conocer la superficie de los terrenos de cultivo sobre los que se tiene que aplicar el purín, teniendo en cuenta que la cantidad máxima anual de nitrógeno que se puede aplicar por hectárea es de 170 kg N/ha/año. La cantidad de hectáreas de superficie agrícola requerida es 8761 ha como se puede ver en el Anexo A.5.1.3. Esta superficie tiene un radio de 5,3 km. Esto y el número de camiones se muestran en la Tabla 6. Tabla 6. Superficie de terrenos de cultivo y camiones necesarios. Superficie (ha) Radio (km) Camiones (-) 8761 5,3 46 Esta etapa consiste en la aplicación del purín obtenido como fertilizante. Para su aplicación se consideran dos etapas. La fertilización y la labranza. Para la primera, se utiliza un cono unido al tractor y para la segunda, un cultivador rotativo. El uso de purín en suelos como fertilizante orgánico implica la generación de emisiones de compuestos de nitrógeno. Estas se calculan en el Anexo A.5.1.3 atendiendo a los datos aportados por el IPCC (Klein et al., 2006) Además, se calculan las emisiones debidas a la lixiviación a las aguas subterráneas de suelos gestionados. Estas se dividen en tres grupos, las emisiones de nitratos, las emisiones de fósforo y las emisiones de metales pesados. Estas varían en función de la cantidad de nitrógeno que posee el purín. Para calcular las emisiones de nitratos, se utiliza el valor de 0,129 kg nitrato/kg de N excretado (Roy et al., 2003). Para calcular las emisiones de fósforo debidas a la lixiviación se utiliza el valor de 0,0009 kg P/kg de N excretado (Nemecek, 2013). En cuanto a las emisiones de metales pesados al suelo, estas se corresponden con la cantidad de estos que se encuentra en la fracción sólida del purín (Corbala-Robles et al., 2018). La concentración de metales de este se muestra en la Tabla 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 13 Máster en Ingeniería Industrial 3.1.2 Infraestructura Para llevar a cabo la primera alternativa es necesaria la infraestructura descrita a continuación. En primer lugar, es necesario transformar el terreno de pastos a industrial. En segundo lugar, se tiene en cuenta la cantidad de terreno que se va a excavar para realizar las balsas. En tercer lugar, se supone que la construcción de las balsas se extiende durante un mes. En cuarto lugar, se sabe que es necesario colocar el aislante; esto implica la laminación del polietileno utilizado. La vida útil de esta infraestructura es de 10 años. La infraestructura viene definida en el software SimaPro con la unidad pieza. Esta unidad se representa con la letra p. Dicha unidad incluye todo lo descrito sobre la infraestructura. Se requiere de 2p de esta infraestructura para poder compararla con la infraestructura de la alternativa 2, debido a que esta última tiene una duración de 20 años. 3.1.3 Productos obtenidos En esta alternativa se obtiene únicamente un producto final, el fertilizante orgánico. 3.1.3.1 Fertilizante orgánico Como ya se ha citado en el apartado de materia prima, el purín tiene una carga significativa de materia orgánica y nutrientes, especialmente tienen un alto contenido de N y P (Acién et al., 2014). Esto implica que es un buen fertilizante, mejorando la capacidad de retención de agua y la composición mineral del suelo, además de su contenido nutricional (Kumar et al., 2010). El uso de este fertilizante orgánico supone una disminución de gases de efecto invernadero, debido a que es sustitutivo de fertilizantes minerales y pesticidas, cuya producción implica la liberación de óxidos de nitrógeno y amoníaco. En esta alternativa la totalidad del purín se utiliza como fertilizante orgánico por lo que la cantidad de este que se genera es 338866 m3/año. 3.1.4 Cargas evitadas En este caso las emisiones evitadas se corresponden con la producción de fertilizante sintético debidas a la aplicación de fertilizante orgánico. Esto se debe a que son productos sustitutivos y el uso de uno evita la producción del otro. 3.1.4.1 Fosfato diamónico El fertilizante sintético que se considera en este estudio es el fosfato diamónico (DAP) el cual posee un 23,5% de P y un 21,2 % de N. Los cálculos considerados para la equivalencia entre este y el fertilizante orgánico se realizan en el Anexo A.5.1.5. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 14 Máster en Ingeniería Industrial 3.2 Alternativa 2 En este apartado se describe el proceso consistente en el cultivo de microalgas y de la biorrefinería propuesta. La ubicación de la planta de cultivo y de la biorrefinería se sitúa en Cuéllar debido a que es el municipio con más censo porcino de toda Castilla y León. Ubicarlo en ese lugar evita el impacto ambiental del traslado de esa gran cantidad de purines a otro municipio. 3.2.1 Biomasa algal Al igual que en el caso anterior, se parte de los purines de las localidades citadas. Estos purines tienen la composición citada en la Tabla 1. Sin embargo, en este caso se usan para obtener biomasa algal. Las microalgas son organismos fotosintéticos, microscópicos, unicelulares y eucariotas. Existen diversos tamaños y tipos de microalgas. Las microalgas se desarrollan en medios acuáticos y son inocuas. En sus procesos metabólicos requieren un alto contenido de sustancias inorgánicas lo que las convierte en una solución muy interesante para tratar las aguas crecidas con purines. Dichas microalgas fijan CO2, N y P, utilizando como fuente de energía el sol, por medio de la fotosíntesis. Se convierten así en un elemento muy eficiente, utilizando la energía solar para producir biomasa. La biomasa algal utilizada en este trabajo está compuesta mayoritariamente por las especies Scenedesmus y Chlorella vulgaris. Una vez asimilado CO2, N y P, se almacenan dentro de las células de las microalgas en forma de carbohidratos, proteínas y lípidos (Makut et al., 2019). Los carbohidratos (CH) en la biomasa sin tratar son principalmente polisacáridos y monosacáridos; el más abundante es la glucosa. A partir de los carbohidratos se obtiene el bioetanol. Las proteínas (PR) son generalmente el componente mayoritario de la biomasa. Lo que las convierte en uno de los productos principales de la biorrefinería. Estas microalgas se emplean para obtener aminoácidos esenciales y no esenciales. Entre los esenciales destacan el aspartato, el glutamato y leucina; y entre los no esenciales destacan la serina, la cisteína y la glutamina (Brown, 1991). Los lípidos (L) de la biomasa algal pueden ser tanto polares como neutros. Entre los polares destacan los fosfolípidos y los glicolípidos; y entre los neutros destacan los acilglicéridos y los ácidos grasos libres (D’Alessandro and Antoniosi Filho, 2016). La ceniza es el resto de la biomasa algal seca. Está fracción de la biomasa no tiene valor añadido. Para este estudio se ha tomado una biomasa algal que tiene 19,75% de sólidos totales y el resto es humedad. Los sólidos totales se distribuyen según lo mostrado en la Tabla 7. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 15 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 7. Composición media de los sólidos totales de la biomasa algal. Componente % CH 22,3 PR 51,7 L 13,4 Ceniza 12,6 3.2.2 Etapas del proceso Se describen aquí las diferentes etapas existentes en la alternativa 2. El diagrama de bloques completo se muestra en la Figura 2. Esta biorrefinería se va a centrar en maximizar la extracción de las proteínas (Puralga, 2017). Además, en este apartado se describen las hipótesis llevadas a cabo para realizar el análisis de inventario de la alternativa 2. Figura 2. Diagrama de bloques de la alternativa 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 16 Máster en Ingeniería Industrial 3.2.2.1 Almacenamiento interno en granja En esta alternativa se almacena el purín en la granja durante menos de un mes. Las emisiones debidas a este almacenamiento coinciden con las de la alternativa anterior calculadas utilizando los datos aportados por IPCC (Dong et al., 2006). 3.2.2.2 Traslado del purín al tanque de dilución Es necesario llevar el purín de las granjas al tanque de dilución. Este traslado se realiza por carretera y se usan camiones con 29 m3 de volumen para trasladar el purín a la planta. La planta de tratamiento, al igual que la biorrefinería, se van a situar en Cuéllar lo más cercanas posibles a la granja con mayor producción de purines para minimizar el impacto de transporte. Las consideraciones tomadas se muestran en la Tabla 8. Tabla 8. Distancia al tanque de dilución y cantidad de purín al día que hay que trasladar desde cada municipio y camiones necesarios. Municipio Radio (km) Producción (m3/d) Área (km2) Número de Camiones (-) Cuéllar 5,5 676,2 95 22 Olombrada 9 69,4 254,5 3 Vallelado 9 182,8 254,5 7 3.2.2.3 Tanque de dilución En el tanque de almacenamiento se mezcla el purín con el agua diaria que hay que aportar al proceso. Es necesario aportar al cultivo el agua que se evapora y el agua que se pierde tras la deshidratación en la biomasa algal para diluir el purín en el tanque al 10%. La evaporación que se considera en esta zona es de 6,5 l/(m2∙d) de media anual. La cantidad de purín que llega cada día a este tanque se corresponde con la suma de producción de la Tabla 8, es decir, 928,4 m3/d de purín. Para el almacenamiento y disolución de la materia prima, se opta por un depósito cilíndrico construido en acero SS-304 con un tiempo de residencia en un día. La relación altura/ diámetro, H/D, seleccionada es de 0,75. El tanque de dilución se dimensiona según lo descrito en el Anexo A.4.2.2. Se obtienen los resultados que se muestran en la Tabla 9. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 17 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 9. Dimensiones del tanque de dilución. Tanque Volumen teórico (m3) Volumen real (+10%) (m3) Diámetro (m) Altura (m) Espesor (mm) Dilución 9240 10164 25,8 19,4 18,0 Este tanque tiene una vida útil de 20 años. La densidad del acero es de 141,3 kg/m2 (Grupo Manni, 2019). El purín se vierte de los camiones a este tanque, sin embargo, es necesaria una bomba para suministrar el agua fresca al tanque. Para calcular la potencia necesaria se siguen los pasos descritos en el Anexo A.4.2.4. Se selecciona la bomba 65-315 funcionando a 1800 rpm (Hidrostal, 2020). Esta bomba está fabricada con acero inoxidable ANSI-316. Se muestran sus principales características en la Tabla 10. Tabla 10. Características de la bomba que suministra el agua. Modelo Velocidad (rpm) D rodete (mm) P desarrollada (W) Rendimiento (%) P consumida (W) 65-315 1800 317 6499 52 12498 3.2.2.4 Planta de tratamiento En primer lugar, es necesario trasladar la materia prima del tanque de dilución a la planta de tratamiento. Para calcular la potencia necesaria se siguen los pasos descritos en el Anexo A.4.2.4. Se selecciona la bomba 125-315 funcionando a 1800 rpm (Hidrostal, 2020). Esta bomba está fabricada con acero inoxidable ANSI-316. Se muestran sus principales características en la Tabla 11. Tabla 11. Características de la bomba encargada de llevar la mezcla a la planta de tratamiento. Modelo Velocidad (rpm) D rodete (mm) P desarrollada (W) Rendimiento (%) P consumida (W) 125-315 1800 335 43174,9 70 61678,4 El sistema que se emplea en el cultivo depende principalmente de la aplicación que se va a utilizar (González, 2016). Existen dos categorías principales de fotobiorreactores, abierto Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 24 Máster en Ingeniería Industrial Al haberse seleccionado un pretratamiento químico se tiene que llevar a cabo la etapa de neutralización descrita previamente. Al tratarse de un ácido clorhídrico la neutralización tiene que llevarse a cabo con una base fuerte como el NaOH. La reacción de neutralización que se produce es la siguiente: HCl+NaOH→NaCl+H2O La cantidad de NaOH se calcula a partir de la reacción mostrada, debido a que se conoce la cantidad de HCl utilizado para el pretratamiento. También, si se usa la reacción se conoce la cantidad de NaCl que se forma. El tiempo de residencia en el tanque neutralizador es de 15 minutos y se trabaja a presión atmosférica. Se utiliza la norma API 650. La relación H/D seleccionada es de 0,75. El material es acero SS-304 con una vida útil de 20 años. Los resultados obtenidos en el Anexo A.4.2.2 se muestran en la Tabla 21. Tabla 21. Dimensiones del tanque neutralización. Tanque Volumen teórico (m3) Volumen real (+20%) (m3) Diámetro (m) Altura (m) Espesor (mm) Neutralización 0,32 0,38 0,86 0,65 7,0 Para conseguir que la neutralización sea eficaz se utiliza un agitador de 3 palas que funciona a 290 rpm. Se consumen en esta agitación 7,5 kW (NOVATEC, 2019). 3.2.2.10 Ultrafiltración La corriente líquida se somete a la etapa de ultrafiltración. Este tipo de filtración se lleva a cabo utilizando membranas. Los componentes de alto peso molecular son retenidos (en este proceso, las proteínas), mientras que el agua, el disolvente y los componentes de bajo peso molecular atraviesan la membrana (lípidos y carbohidratos). Para este proceso se selecciona una membrana tubular con polarización de concentración como se explica en el Anexo A.5.2.10. Las características principales se recogen en la Tabla 22. Tabla 22. Características de la membrana de ultrafiltración. Tipo de Membrana Área membrana (m2) Longitud (m) Área contacto tubo (m2) Nº tubos (-) Tubular 0,9 0,5 0,08 12 La membrana está fabricada con polisulfona (PSU) que se cambia cada 2 años (Lo et al., 2005). Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 25 Máster en Ingeniería Industrial Es necesaria una bomba encargada de aportar la presión de 3 bar necesaria para que el fluido pueda atravesar la membrana de ultrafiltración. Para calcular la potencia necesaria se siguen los pasos descritos en el Anexo A.4.2.4. Se selecciona la bomba 40-200L funcionando a 1800 rpm (Hidrostal, 2020). Esta bomba está hecha de acero inoxidable ANSI-316. Se muestran sus principales características en la Tabla 23. Tabla 23. Características de la bomba. Modelo Velocidad (rpm) D rodete (mm) P desarrollada (W) Rendimiento (%) P consumida (W) 40-200L 1800 175 178,55 45 396,79 3.2.2.11 Fermentación La fermentación es una etapa anaerobia que se aplica a la fracción permeada de la ultrafiltración. En este proceso metabólico las levaduras realizan la fermentación de los carbohidratos disueltos en el permeado y los convierten en bioalcoholes. Las condiciones necesarias en esta etapa son 3 días de tiempo de residencia, 30ºC de temperatura y presión atmosférica (El-Dalatony et al., 2019). El material vuelve a ser acero SS-304. La relación H/D seleccionada es de 0,5. El dimensionado siguiendo los pasos del Anexo A.4.2.2, se muestran los resultados obtenidos en la Tabla 24. Tabla 24. Dimensiones del fermentador. Tanque Volumen teórico (m3) Volumen real (+20%) (m3) Diámetro (m) Altura (m) Espesor (mm) Fermentador 80,2 96,2 6,3 3,1 7,00 Durante la fermentación de la glucosa se genera CO2. Por cada gramo de glucosa fermentada se generan 0,489 g de CO2 (Martín-Juárez et al., 2017). El consumo energético necesario en la fermentación viene dado como 0,05 MJ/kg de alga (Hossain et al., 2019). Cabe destacar que a esta etapa llega el 22,2% de la biomasa algal seca que entra a la biorrefinería. 3.2.2.12 Digestión anaerobia Esta etapa se aplica exclusivamente a la fracción solida obtenida de la centrifugación. La digestión anaerobia es un proceso biológico a través del cual la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de bacterias específicas, se transforma en productos gaseosos como CH4 y CO2, que forman el biogás. Este proceso consta de cuatro fases. La primera es la hidrólisis que consiste en una descomposición, controlada por Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 26 Máster en Ingeniería Industrial enzimas, de polisacáridos en monosacáridos. La segunda es la acidogénesis, controlada por bacterias fermentativas, etapa en la que los monómeros formados se degradan en ácidos grasos volátiles y alcoholes. La tercera etapa es la acetogénesis, controlada por bacterias acetogénicas, donde los ácidos y alcoholes formados anteriormente se degradan en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. La última etapa es la metanogénesis, controlada por bacterias metanogénicas, en la cual se trasforma el ácido acético en metano y dióxido de carbono; y el hidrógeno y dióxido de carbono en metano y agua. CH3COOH→CH4+CO2 CO2+4H2→CH4+2H2O El tiempo necesario para llevar a cabo la digestión anaerobia es de 30 días y la temperatura de 35ºC se realiza a presión atmosférica utilizando bacterias mesófilas (Martín Juárez et al., 2018). El material es de nuevo acero SS-304 con una vida útil de 20 años. La relación H/D seleccionada es de 2. El dimensionado del digestor anaerobio se muestra en la Tabla 25 a partir de los cálculos que se recogen en el Anexo A.4.2.2. Tabla 25. Dimensiones del digestor anaerobio. Tanque Volumen (m3) Volumen real (+20%) (m3) Diámetro (m) Altura (m) Espesor (mm) Digestor 121,7 146,1 4,5 9,1 7,0 Para la digestión anaerobia se consumen, para mezclar el digestor, 112,5 kW y se requiere de 708,3 kW para aportar calor a 25000 kg alga seca al día (Collet et al., 2011). Cabe destacar que a esta etapa llega el 42,7% de la biomasa algal seca que entra a la biorrefinería. Las emisiones de la digestión anaerobia se deben a las emisiones de CH4, las emisiones de N2O y las emisiones de NOx. Las emisiones de CH4, se corresponde con el 1,5% del metano producido, las emisiones de N2O que se producen son 0,1 kg N2O por cada TJ de electricidad producida y las emisiones de NOx son 0,42 g de NOx por cada m3 de biogás producido (De Vries et al., 2012). 3.2.2.13 Aplicación del digestato como fertilizante orgánico El digestato obtenido se lleva a los cultivos más cercanos. Este se traslada en un conjunto compuesto por tractora y una cisterna de aspiración, lodos o cualquier otro tipo de carga aspirada que es capaz de transportar 20 toneladas, al igual que en la alternativa 1. Esta etapa consiste en la aplicación del digestato obtenido como fertilizante. Para la fertilización se utiliza un cono unido al tractor. Las características de este digestato vienen definidas en el apartado productos obtenidos. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 27 Máster en Ingeniería Industrial El uso de digestato como fertilizante orgánico implica la generación de emisiones de compuestos de nitrógeno. Estas se calculan atendiendo a los datos aportados por el IPCC (Klein et al., 2006). Además, se calculan las emisiones debidas a la lixiviación a las aguas subterráneas de suelos gestionados. Todas estas emisiones se calculan de igual forma que en la alternativa 1 (Apartado 3.1.1.4). 3.2.3 Infraestructura Se calcula la infraestructura necesaria para llevar a cabo la alternativa 2. La infraestructura se divide en 4 submontajes. El submontaje del tanque de dilución, de la planta de tratamiento, de los tanques de la biorrefinería y de la membrana de ultrafiltración. Para cada submontaje se considera el área que ocupa, la transformación del terreno necesaria desde pastos a industrial y el tiempo de construcción de cada uno. En primer lugar, se considera el tanque de dilución. El tanque está construido en acero de 18 mm de espesor. Este material tiene un peso específico es de 141,3 kg/m2 (Grupo Manni, 2019). El tanque presenta forma cilíndrica y tiene una vida útil de 20 años. Este tanque se tarda en construir un mes. En segundo lugar, se describe la planta de tratamiento. La planta de tratamiento está compuesta por los canales Raceway. Estos canales se aproximan a forma rectangular y están construidos en hormigón de 10 cm de espesor. Este hormigón tiene un peso específico de 230 kg/m2. Además, poseen una aislante geotextil de polipropileno con un peso específico 100 g/m2. Para realizar el geotextil es necesario laminar el polipropileno. La planta se tarda en construir un año. En tercer lugar, se hace referencia a los tanques de la biorrefinería. Estos tanques están hechos en acero de 7 mm de espesor. Este acero tiene un peso específico del acero es 54,95 kg/m2 (Grupo Manni, 2019). Los tanques tienen formas cilíndricas y tienen una vida útil de 20 años. Por último, se explica la membrana de ultrafiltración. Esta está elaborada con el material PSU. Este polímero tiene una densidad de 1,24 g/cm3 (elaplas, 2020). Como la membrana tiene una longitud de 50 cm, se llega al peso específico de 62 g/cm2, es decir, 620 kg/m2. La membrana tiene una vida útil de 2 años. En la infraestructura no se consideran los elementos auxiliares como bombas o tuberías debido a que su impacto ambiental es mínimo comparado con el resto de la infraestructura. Esta infraestructura tiene una vida útil de 20 años. Por lo tanto, con los años de vida propuestos solo es necesario cambiar la membra de ultrafiltración. Se necesita cambiar este submontaje 10 veces durante la vida útil de la planta. El total de la infraestructura viene definido en la unidad anteriormente mencionada p. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 28 Máster en Ingeniería Industrial 3.2.4 Productos obtenidos 3.2.4.1 Bioetanol El bioetanol se obtiene en la etapa de fermentación realizada a la fracción permeada tras la ultrafiltración. El bioetanol es un biocombustible que sirve como alternativa a los combustibles fósiles. Dentro de los bioalcoholes el bioetanol es el más estudiado debido a su menor coste y sus mayores rendimientos (Voloshin et al., 2016). El bioetanol de primera generación se obtiene a partir de cultivos alimentarios como la caña de azúcar, la remolacha, el maíz o el trigo. Sin embargo, los problemas éticos y económicos que se derivan del uso de cultivos alimentarios para la producción de combustible hacen necesario buscar alternativas de obtención de bioetanol. Surge así el bioetanol de segunda generación que reemplaza el uso los cultivos alimentarios por el uso de materiales lignocelulósicos, una materia prima sobreabundante en el mundo (Alvira et al., 2010). No obstante, la obtención de bioetanol de segunda generación implica la utilización de pretratamientos severos para romper su estructura fuerte, debido a su contenido de lignina y la estructura cristalina de la celulosa. Adicionalmente, el uso de microalgas constituye la tercera generación. Estas no contienen lignina, por lo tanto, requieren de pretratamientos moderados (Günerken et al., 2015). En la biorrefinería planteada se obtiene 0,5 kg de bioetanol por cada m3 de purín como se puede ver en el Anexo A.3.2.7. 3.2.4.2 Proteínas Las proteínas se obtienen tras la ultrafiltración en la fracción retenida. Las proteínas son el principal componente de las microalgas y tienen un alto valor añadido. Esto convierte a las proteínas en uno de los principales productos de las biorrefinerías. Estas proteínas son utilizadas principalmente en piensos para alimentación animal. El contenido en proteínas es uno de los parámetros que hay que conocer para determinar si la calidad del alga la hace apta para ser usada como alimentación animal (Spolaore et al., 2006). En la biorrefinería planteada se obtienen 2,3 kg de proteínas por cada m3 de purín como se puede ver en el Anexo A.3.2.6. Su composición viene reflejada en la Tabla 26. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 29 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 26. Composición de las proteínas (Lorenzo-Hernando et al., 2019). Aminoácido esencial Abreviatura g/g proteína Aminoácido esencial Abreviatura g/g proteína Aspartato Asp 11,62 Cisteína Cys 0,30 Glutamato Glu 13,66 Valina Val 5,92 Serina Ser 3,62 Metionina Met 2,41 Histidina His 2,00 Fenilalanina Phe 6,32 Glicina Gly 5,65 Isoleucina Ile 4,73 Treonina Thr 3,62 Leucina Leu 10,70 Arginina Arg 6,65 Lisina Lys 5,63 Alanina Ala 8,77 Prolina Pro 4,13 Tirosina Tyr 4,28 Aminoácidos esenciales/ totales Eaa/Taa 33,42 3.2.4.1 Biogás Este producto se obtiene tras la digestión anaerobia de la fracción sólida. El biogás es un gas compuesto principalmente por metano y dióxido de carbono. Las principales fuentes de biogás son los residuos ganaderos y agroindustriales, los lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas (EDARs) y la fracción orgánica de los residuos domésticos. El biogás es la única energía renovable que puede emplearse en las tres aplicaciones energéticas principales: eléctrica, térmica o como carburante. El biogás es posible tanto canalizarlo directamente para usarlo en calderas adaptadas para su combustión, como inyectarlo en las infraestructuras de gas natural existentes de transporte o de distribución. Es importante destacar que para inyectarlo es necesario someterlo a una purificación hasta biometano (IDAE, 2013). Como el metano tiene un potencial de calentamiento global muy superior al del dióxido de carbono, su aprovechamiento como biogás implica una importante reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero. En la biorrefinería plantada se obtienen 0,8 kg de biogás por metro cúbico de purín como se puede ver en el Anexo A.3.2.8. Este biogás está formado por un 62% en volumen de CH4 y un 38% en volumen de CO2. Un biogás con estas características tiene un poder calorífico de 21,5 MJ/m3 y una densidad de 1,22 kg/m3 (Ludington, 2018). Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 30 Máster en Ingeniería Industrial 3.2.4.2 Biofertilizante Este producto se obtiene también en la etapa de digestión anaerobia: es la parte restante que no se ha transformado en biogás. Esta fracción se denomina digestato. El digestato tiene una carga significativa de nutrientes, especialmente tienen un alto contenido de N y P (Acién et al., 2014). Esto convierte al digestato en un buen fertilizante, mejorando la capacidad de retención de agua y la composición mineral del suelo, además de su contenido nutricional (Kumar et al., 2010). Al igual que ocurre en la alternativa 1, el uso de este biofertilizante supone una disminución de gases de efecto invernadero, debido a que es sustitutivo de fertilizantes minerales y pesticidas. En la biorrefinería plantada se obtienen 3,6 kg de digestato por cada m3 de purín como se puede ver en el Anexo A.3.2.8. Este digestato tiene las características mostradas en la Tabla 27. Tabla 27. Composición del digestato en base seca (Martín Juárez et al., 2018). Componente % (b.s) Componente % (b.s) SV 28,8 Cr 2,0E-03 C 16,0 Cu 1,2E-02 N 1,7 Fe 1,2 P 2,0 K 1,0 S 1,0 Mg 5,7E-01 Hg - Mn - Al 5,7E-01 Ni 3,0E-03 As 1,0E-03 Pb 3,0E-03 Ca 9,8 Zn 1,6E-01 3.2.5 Cargas evitadas En esta alternativa se consigue evitar las siguientes cargas. 3.2.5.1 Bioetanol El bioetanol producido tiene la misma composición que un etanol producido mediante métodos tradicionales. Por lo tanto, son totalmente sustitutivos, no es necesario realizar ninguna equivalencia. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 31 Máster en Ingeniería Industrial 3.2.5.2 Proteínas Con la obtención de proteínas en la ultrafiltración se consigue evitar la producción de proteínas comerciales usadas en piensos de porcinos en crecimiento. Para conocer la relación entre las proteínas obtenidas y las comerciales hay que conocer que aminoácido esencial es el limitante, esto se calcula en el Anexo A.5.2.15. 3.2.5.3 Fosfato diamónico El fertilizante sintético que se considera en este estudio es el fosfato diamónico (DAP) el cual posee un 23,5% de P y un 21,2 % de N. Los cálculos considerados para la equivalencia entre este y el fertilizante orgánico se realizan en el Anexo A.5.2.15. 3.2.5.4 Gas natural Para calcular las cargas evitadas de gas natural al sustituirse por el empleo de biogás, es necesario conocer los poderes caloríficos de ambos. El poder calorífico de biogás formado es de 5135 kcal/m3 de biogás y del gas natural es de 9032 kcal/m3. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 32 Máster en Ingeniería Industrial Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 33 Máster en Ingeniería Industrial CAPÍTULO 4: ANÁLISIS DE INVENTARIO Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 40 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 44. Consumo eléctrico en la deshidratación. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.5). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) Filtro prensa Suministro Recirculación 1,3E-1 9,1E-1 9,1E-1 4.2.1.6 Pretratamiento En la Tabla 45 se recoge la cantidad de HCl necesaria para el pretratamiento, se expresa en kg por m3 de purín. Tabla 45. Cantidad de HCl. (Referida a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.6). Requisito de HCl (kg/m3 purín) 3,2 Además, se requiriere de calor y de electricidad, estos requerimientos se muestran en la Tabla 46. Tabla 46. Consumo de electricidad y calor en el pretratamiento. (Referidos a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.6). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) Calor necesario (kWh/m3 purín) 1,3 3,2 4.2.1.7 Hidrólisis enzimática En la Tabla 37 se recoge la cantidad de celulasa necesaria para la hidrólisis enzimática, se expresa en kg por m3 de purín. Tabla 47. Cantidad de celulasa. (Referida a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.7). Requisito de celulasa (kg/m3 purín) 5,5E-1 Para realizar la hidrólisis enzimática se requiere de agitación que implica el consumo energético mostrado en la Tabla 48. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 41 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 48. Consumo eléctrico en la hidrólisis enzimática. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.7). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) 9,2E-2 4.2.1.8 Centrifugación Para realizar la centrifugación se requiere el consumo energético mostrado en la Tabla 49. Tabla 49. Consumo eléctrico en la centrifugación. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.8). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) Parte delantera Parte trasera 1,8E-1 7,8E-2 4.2.1.9 Neutralización Para realizar la neutralización es necesario añadir NaOH. La cantidad necesaria se muestra en la Tabla 50. También se muestra el NaCl formado. Tabla 50. Requisitos de NaOH en la neutralización y formación de NaCl. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.9). NaOH (kg/m3 purín) NaCl (kg/m3 purín) 3,4 4,9 Para realizar la neutralización se requiere el consumo energético mostrado en la Tabla 51. Tabla 51. Consumo eléctrico en la neutralización. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.9). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) 1,6E-1 4.2.1.10 Ultrafiltración El consumo energético que se produce en la membrana es el correspondiente a la bomba que permite que el fluido atraviese la membrana. Se muestran estas en la Tabla 52. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 42 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 52. Consumo eléctrico en la ultrafiltración. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.10). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) 1,0E-2 4.2.1.11 Fermentación El consumo energético necesario en la fermentación se muestra en la Tabla 53. Tabla 53. Consumo eléctrico en la fermentación. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.11). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) 2,0E-2 Durante la fermentación se producen emisiones de CO2 mostradas en la Tabla 54. Tabla 54. Emisiones CO2 en la fermentación. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.11). Emisiones de CO2 (kg/m3 purín) 4,7E-1 4.2.1.12 Digestión anaerobia El consumo energético para la mezcla y el calor necesario en un digestor anaerobio de biomasa algal se muestran en la Tabla 55. Tabla 55. Consumo eléctrico y calorífico en la digestión anaerobia. (Referidos a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.12). Consumo eléctrico (kWh/m3 purín) Calor necesario (kWh/m3 purín) 3,1E-1 1,94 Las emisiones debidas a la digestión anaerobia se muestran en la Tabla 56. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 43 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 56. Emisiones debidas a la digestión anaerobia. (Referidas a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.12). Emisiones (kg/m3 purín) CH4 N2O NOx 4,5E-3 1,4E-6 2,8E-4 4.2.1.13 Aplicación del digestato como fertilizante orgánico Las emisiones debidas al traslado del digestato a los cultivos se muestran en la Tabla 57. Tabla 57. Impacto ambiental debido al transporte del digestato desde la biorrefinería hasta los terrenos de cultivo. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.13). Traslado digestato a cultivos (tkm/m3 purín) 8,4E-3 El uso de digestato en suelos como fertilizante orgánico implica la generación de las emisiones mostradas en la Tabla 58. Tabla 58. Emisiones por aplicación del digestato como fertilizante orgánico. (Referidas a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.13). Emisiones (kg/m3 purín) N2O directas N2O indirectas NH3 NOx N2 2,19E-5 1,53E-6 1,18E-4 4,57E-6 6,54E-5 También, se calculan las emisiones debidas a la lixiviación a las aguas subterráneas. Estas se muestran en la Tabla 59. Tabla 59. Emisiones debidas a la lixiviación. (Referidas a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.13). Además, se muestran las emisiones de metales pesados en la Tabla 60. Emisiones lixiviación (kg/m3 purín) Nitratos Fósforo 1,80E-4 1,47E-6 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 44 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 60. Emisiones de metales pesados debidas a la aplicación del digestato como biofertilizante (Referidas a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.13). Emisiones metales (kg/m3 purín) As Fe Cu Zn Pb Ni Cr Mg 8,2E-7 9,7E-4 9,4E-6 1,3E-4 2,5E-6 2,5E-6 1,6E-6 4,7E-4 Por último, en la Tabla 61 se recogen los impactos ambientales debidos a los procesos que son necesarios realizar para aplicar el purín en la tierra de cultivo, expresado en ha de terreno. Tabla 61. Impacto ambiental debido a las operaciones de aplicación del digestato a los terrenos de cultivos. (Referido a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.13). Aplicación digestato a los cultivos (ha/m3 purín) Cono dispersor 1,0E-5 4.2.1.14 Infraestructura Los materiales necesarios para realizar la infraestructura se recogen en la Tabla 62. Tabla 62. Materiales necesarios en la alternativa 2. (Referidas a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.14). Infraestructura (p/m3 purín) Tanque de dilución 1,48E-7 Planta de tratamiento 1,48E-7 Tanques de la biorrefinería 1,48E-7 Membrana UF 1,48E-6 4.2.1.15 Cargas evitadas Para la alternativa 2, las cargas evitadas se muestran en la Tabla 63. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 45 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 63. Cargas evitadas de la alternativa 2. (Referidas a la Unidad Funcional, 1 m3 de purín). (Anexo A.5.2.15). Cargas evitadas (kg/m3 purín) Fertilizante DAP Etanol Proteínas Gas Natural 4,0E-3 4,9E-1 1,82 2,8E-1 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 46 Máster en Ingeniería Industrial Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 47 Máster en Ingeniería Industrial CAPÍTULO 5: EVALUACIÓN DE IMPACTO DEL CICLO DE VIDA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 48 Máster en Ingeniería Industrial 5. Evaluación de impacto del ciclo de vida y Análisis de resultados El método de evaluación de impacto utilizado en este trabajo es IMPACT 2002+. Este método se caracteriza por dividir el impacto ambiental en cuatro categorías de daño (punto final), que son daños a la salud humana, daños a la calidad del ecosistema, cambio climático y daños a los recursos (Jolliet et al., 2003) y 15 categorías de impacto (punto medio), como se puede ver en la Tabla 64. Tabla 64. Categorías de impacto y de daño de IMPACT 2002+. Categorías de daño Categorías de impacto Daños a la salud humana Sustancias cancerígenas Sustancias no cancerígenas Sustancias orgánicas respirables Sustancias inorgánicas respirables Radiación ionizante Destrucción de la capa de ozono Daños a la calidad de los ecosistemas Ecotoxicidad acuática Ecotoxicidad terrestre Acidificación y eutrofización terrestre Uso del suelo Acidificación acuática Eutrofización acuática Cambio climático Calentamiento global Daños a los recursos Extracción de minerales Energías no renovables En este trabajo se aplicará el método de EICV IMPACT 2002+ a la unidad funcional adoptada, 1 m3 de purín. 5.1 Análisis del Ciclo de Vida de la infraestructura de las alternativas 1 y 2 En primer lugar, se comparan las infraestructuras de las alternativas 1 y 2. Para poder compararlas con exactitud se utiliza para ambas una vida útil de 20 años. Se muestra en la Gráfica 1 la caracterización de las categorías de impacto para las infraestructuras de las alternativas 1 y 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 49 Máster en Ingeniería Industrial Gráfica 1. Caracterización de las categorías de impacto de las infraestructuras de las alternativas 1 y 2 (Anexo A.6.1). Se observa en la Gráfica 1 que, para todas las categorías de impacto, la infraestructura de la alternativa 2 produce mayor impacto que la 1. Esto se debe a que el requerimiento de materiales, procesos y espacio es mucho mayor en la segunda alternativa. En la primera únicamente se requiere de balsas donde almacenar el purín, sin embargo, para llevar a cabo la alternativa 2 se necesita construir la planta de tratamiento y la biorrefinería. Si las categorías de impacto de la Gráfica 1 se engloban en categorías de daño, se obtienen los resultados mostrados en la Gráfica 2. Se muestra, por tanto, en la Gráfica 2 la caracterización de las categorías de daño para las infraestructuras de las alternativas 1 y 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 56 Máster en Ingeniería Industrial Gráfica 8. Caracterización del ciclo de vida de la alternativa 1 (Anexo A.6.2). En primer lugar, si se observa la Gráfica 8 se ve que la etapa que produce un mayor impacto es la aplicación del purín como fertilizante orgánico. Esta etapa genera tantos impactos negativos (indicadores positivos en la gráfica) como positivos (indicadores negativos en la gráfica). Los impactos positivos se asocian a las cargas evitadas de la producción de fertilizantes sintéticos, en este caso DAP. En segundo lugar, se evalúan las distintas categorías de impacto de la Gráfica 8 asociadas a la categoría de punto final daños a la salud humana. Se comprueba que las sustancias cancerígenas y no cancerígenas son producidas por la aplicación de purín como fertilizante. Las sustancias cancerígenas se deben a la cantidad de arsénico que va al suelo en la lixiviación de metales pesados. Las sustancias no cancerígenas se deben también a la lixiviación de metales, principalmente del zinc, del arsénico y del cobre. Con respecto a las sustancias inorgánicas respirables se observa que son debidas principalmente a la aplicación de purín como fertilizante. Esto obedece a que se emite Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 57 Máster en Ingeniería Industrial amoniaco a la atmósfera durante la fertilización. También las emisiones de esta categoría de impacto asociadas al almacenamiento externo del purín se deben a las emisiones de amoniaco durante el almacenamiento. Se observa en la Gráfica 8 que tanto la radiación ionizante como la destrucción de la capa de ozono tienen impactos positivos. La radiación ionizante tiene un impacto ambiental positivo asociado a la cantidad de radio 226 y de carbono 14 evitados en la producción del fertilizante DAP. El impacto de positivo de la destrucción de la capa de ozono se asocia a las emisiones de Halón 1211 (bromo-cloro-difluoro-metano) evitadas en la producción de del fertilizante sintético. Los impactos negativos de estas categorías se deben al transporte de purín a las balsas. Para la radiación ionizante durante el transporte se producen emisiones de carbono 14. Para la destrucción de la capa de ozono durante el traslado se producen emisiones de Halón 1301 (trifluor-bromo-metano). Para la categoría de impacto de sustancias orgánicas respirables se observa que la etapa que produce principalmente estas emisiones es el almacenamiento externo del purín. Esto se debe a la cantidad de CH4 que se libera en las balsas durante los meses que se almacena el purín. En tercer lugar, se evalúan las categorías de impacto de la Gráfica 8 asociadas a la categoría de daño a la calidad de los ecosistemas. Las ecotoxicidades acuática y terrestre se producen por la aplicación del purín como fertilizante orgánico. La ecotoxicidad acuática se debe a la lixiviación de metales pesados a las aguas subterráneas, principalmente del cobre y del zinc. La ecotoxicidad terrestre se debe, también, a la lixiviación del zinc y del cobre, pero también del níquel y del cromo. La acidificación y eutrofización terrestre se debe principalmente a la aplicación de purín como fertilizante. Esto se origina por las emisiones de amoniaco que se producen durante la fertilización. También las emisiones de esta categoría de impacto asociadas al almacenamiento externo del purín se deben a las emisiones de amoniaco durante el almacenamiento. La ocupación de suelo tiene un impacto positivo asociado a la aplicación de purín como fertilizante orgánico. Esto se debe a que se ahorra el espacio de la producción del fertilizante DAP. Además, como cabía esperar el impacto negativo se debe a la utilización de las balsas para el almacenaje del purín. La acidificación acuática, al igual que la terrestre, se debe a las emisiones de amoniaco que se producen durante la etapa de aplicación del purín como fertilizante orgánico. También, se producen emisiones de esta sustancia durante el almacenamiento del purín. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 58 Máster en Ingeniería Industrial La eutrofización acuática tiene un impacto positivo asociado a emisiones al agua de fosforo evitadas en la producción de DAP. En cuarto lugar, se evalúa la categoría de cambio climático de la Gráfica 8. Se observa que el calentamiento global es producido especialmente por el almacenamiento externo del purín. Esto se debe a las emisiones de metano y de óxido de nitrógeno que se producen durante esta etapa. Por último, se evalúa la categoría de daño a los recursos de la Gráfica 8. Se evalúa la categoría de impacto de energías no renovables. El impacto negativo se debe al petróleo en crudo asociado al transporte del purín a las balsas municipales. El impacto positivo se debe al ahorro de gas natural utilizado en la producción de DAP. La extracción de minerales tiene un impacto positivo debido a que se evita la utilización de cobre, zinc y plomo en la producción de DAP. También es interesante conocer el resultado de las categorías de daño. Se muestra en la Gráfica 9 la caracterización de las categorías de daño para la alternativa 1. Gráfica 9. Caracterización de las categorías de daño del ciclo de vida de la alternativa 1 (Anexo A.6.2). Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 59 Máster en Ingeniería Industrial En primer lugar, se observa en la Gráfica 9 que los daños a la salud humana tienen un impacto negativo que se debe a la aplicación del purín como fertilizante orgánico. Esto se asocia principalmente a la lixiviación del zinc y el arsénico al suelo. En segundo lugar, se observa en la Gráfica 9 que los daños a los ecosistemas tienen un impacto negativo que se debe a la aplicación del purín como fertilizante orgánico. Esto se vincula principalmente a la lixiviación del zinc y el cobre al suelo. En tercer lugar, se deduce de la Gráfica 9 que la categoría de daño al cambio climático se produce esencialmente por el almacenamiento externo del purín en las balsas. Esto se debe a las emisiones de metano y de monóxido de dinitrógeno. Por último, si se observa la Gráfica 9 se aprecia que la categoría de daño a los recursos tiene un impacto positivo gracias a la cantidad de fertilizante sintetico DAP que se evita producir por la ultización de purín como fertilizante. Esto se debe principalmente al ahorro de gas natural al evitar la producción de DAP. El impacto negativo asociado al transporte obedece al petróleo en crudo necesario para llevar a cabo el traslado. Se muestra en la Gráfica 10 la normalización de las categorías de impacto para el ciclo de vida de la alternativa 1. Gráfica 10. Normalización de las categorías de impacto del ciclo de vida de la alternativa 1 (Anexo A.6.2). Se observa en la Gráfica 10 que las categorías que muestran mayor impacto tras la normalización son las sustancias no cancerígenas y la ecotoxicidad terrestre. Ambas se Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 60 Máster en Ingeniería Industrial deben a la aplicación del purín como fertilizante orgánico. Asimismo, las dos se deben a la lixiviación de metales pesados principalmente del zinc, del cobre y del arsénico como se puede ver en las Gráfica 11 y Gráfica 12. Gráfica 11. Contribución de los procesos en las sustancias no cancerígenas para la alternativa 1. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 61 Máster en Ingeniería Industrial Gráfica 12. Contribución de los procesos en la ecotoxicidad terrestre para la alternativa 1. 5.3 Análisis del Ciclo de Vida de la Alternativa 2 En este aparatado se desarollan los resultados obtenidos para el Análisis del Ciclo de Vida de la alternativa 2. Se muestra en la Gráfica 13 la caracterización de las categorías de impacto para el ciclo de vida de la alternativa 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 62 Máster en Ingeniería Industrial Gráfica 13. Evaluación de impacto del ciclo de vida de la alternativa 2 (Anexo A.6.3). En primer lugar, si se observa la Gráfica 13 se ve que las etapas que producen un mayor impacto negativo van variando en función de la categoría de impacto y que la etapa que produce un mayor impacto positivo es la ultrafiltración debido a que es en esta donde se obtienen las proteínas. Estas proteínas sustituyen a proteínas comerciales usadas en los piensos de los porcinos en crecimiento. En segundo lugar, se evalúan las distintas categorías de impacto de la Gráfica 13 asociadas a la categoría de punto final daños a la salud humana. Se comprueba que las sustancias cancerígenas se deben principalmente a la etapa de pretratamiento. Esto se debe a la utilización del agente químico HCl para romper la pared celular de las microalgas. La utilización de este implica la emisión de hidrocarburos aromáticos a la atmósfera. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 63 Máster en Ingeniería Industrial Si se observan las emisiones de sustancias no cancerígenas se deduce que son producidas esencialmente por la aplicación del digestato como fertilizante. Las emisiones de esta etapa se deben a la lixiviación de metales pesados al suelo, principalmente el zinc, y el arsénico. Con respecto a las sustancias inorgánicas respirables se observa que son debidas principalmente a la etapa de neutralización y al almacenamiento interno del purín. Esto se asocia a las partículas menores de 2,5 um que se emiten durante la neutralización y al amoniaco y los óxidos de nitrógeno que se emiten en el almacenamiento interno del purín. Si se observa la radiación ionizante tiene un impacto ambiental negativo asociado en su mayoría a la planta de tratamiento. Ello es debido a que durante esta etapa se producen emisiones de radón 222 y de carbono 14 asociadas a la generación de electricidad de medio voltaje. La destrucción de la capa de ozono se produce principalmente en la etapa de neutralización. La neutralización genera destrucción de la capa de ozono debido al uso de NaOH como agente neutralizador. La fabricación de este implica la liberación de CFC (cloroflúor-carbonos) a la atmósfera. Para la categoría de impacto de sustancias orgánicas respirables se observa que la etapa que produce principalmente estas emisiones es el almacenamiento interno del purín en la granja. Su causa principal son las emisiones de metano que se generan. En tercer lugar, se evalúan las categorías de impacto de la Gráfica 13 asociadas a la categoría de daño a la calidad de los ecosistemas. La ecotoxicidad acuática se produce esencialmente por la aplicación del digestato como fertilizante orgánico. Esta se debe lixiviación de los metales pesados a las aguas subterráneas durante la fertilización. La ecotoxicidad terrestre se produce, también, por la aplicación del digestato como fertilizante orgánico. Durante esta aplicación se produce la lixiviación a los suelos de metales pesados, entre los que destacan el zinc y el cobre. La acidificación y eutrofización terrestre se produce principalmente por el almacenamiento interno del purín. Esto se debe a las emisiones de amoniaco que se producen durante el almacenamiento. La ocupación de suelo tiene un impacto positivo asociado a la carga evitada de proteínas comerciales. Ello obedece a que se ahorra el espacio de la producción de proteínas para pienso porcino obtenidas a partir de cultivos extensivos de girasol o maíz. Además, como Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 64 Máster en Ingeniería Industrial cabía esperar, el impacto negativo se debe a la infraestructura necesaria para llevar a cabo esta alternativa. La acidificación acuática, al igual que la terrestre, se debe a las emisiones de amoniaco. Se producen emisiones de esta sustancia durante el almacenamiento interno del purín. La eutrofización acuática tiene un impacto negativo asociado a la hidrólisis enzimática, lo cual se debe a las emisiones de fosfato producidas por el uso de la celulasa. En cuarto lugar, se evalúa la categoría de cambio climático de la Gráfica 13. Se observa que el calentamiento global es producido principalmente por el almacenamiento interno del purín esto se asocia a las emisiones de metano que se generan. También, el transporte del purín a la planta genera calentamiento global debido a las emisiones de dióxido de carbono que se producen durante esta etapa. Además, se genera calentamiento en todas las etapas de la biorrefinería debido al uso de electricidad de medio voltaje. Por último, evalúa la categoría de daño a los recursos de la Gráfica 13. Al evaluar la categoría de impacto energías no renovables se aprecia que el impacto negativo se debe al petróleo en crudo asociado al transporte del purín la planta de tratamiento. Las etapas de la biorrefinería también generan un importante impacto negativo asociado al uranio y al gas natural necesario para producir la energía eléctrica que se requiere en ellas. La extracción de minerales tiene un impacto negativo asociado a la infraestructura de la planta. Esto se debe a la cantidad de materiales necesarios para llevar a cabo la infraestructura. También es interesante conocer el resultado de las categorías de daño para la alternativa 2. Se muestra en la Gráfica 14 la caracterización de las categorías de daño para la alternativa 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 65 Máster en Ingeniería Industrial Gráfica 14. Caracterización de las categorías de daño de la alternativa 2 (Anexo A.6.3). En primer lugar, se observa en la Gráfica 14 que los daños a la salud humana tienen un impacto negativo que se debe principalmente la etapa de neutralización. La siguiente etapa que es más perjudicial para la salud humana es el almacenamiento interno del purín. En segundo lugar, se ve en la Gráfica 14 que los daños a los ecosistemas tienen un impacto negativo que se debe a la aplicación del digestato como fertilizante orgánico. En tercer lugar, se deduce de la Gráfica 14 que la categoría de daño al cambio climático se produce esencialmente por el almacenamiento interno del purín y por el uso de electricidad de medio voltaje en las etapas de la biorrefinería. En cuarto lugar, si se observa la Gráfica 14 se ve que la categoría de daño a los recursos debe su impacto principalmente al transporte del purín a la planta de tratamiento. Esto se asocia a la cantidad de petróleo necesaria para el traslado. También, el daño es producido por el uso de energía eléctrica en las distintas etapas de la biorrefinería. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 72 Máster en Ingeniería Industrial En cuarto lugar, si se observa la Gráfica 19 se ve que la categoría de daño a los recursos tiene un impacto negativo para la alternativa 2 y un impacto positivo para la alternativa 1. El impacto negativo de la alternativa 2 es debido a que los recursos necesarios para llevar a cabo la alternativa 2 son mucho mayores al tratarse de una alternativa bastante más compleja que requiere de grandes cantidades de energía. El impacto positivo de la alternativca 1 se debe principalmente al ahorro de gas natural al evitar la producción de DAP. En resumen, la alternativa 2 presenta mejores resultados, que la alternativa 1, en 3 de las 4 categorías de daño. Esto implica que la alternativa 2 tiene una mayor viabilidad ambiental; por lo tanto, se cumple con el objetivo principal de este trabajo. Para asegurar la viabilidad ambiental de la alternativa 2 se normalizan los datos de ambas alternativas con el fin de conocer qué categorías producen mayor impacto. Se muestra en la Gráfica 20 la normalización de las categorías de impacto para las alternativas 1 y 2. Gráfica 20. EICV normalizado de las alternativas 1 y 2 (Anexo A.6.4). Se observa que las categorías de impacto que obtienen mayor puntuación son las sustancias no cancerígenas y la ecotoxicidad terrestre. En ambos casos los impactos se Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 73 Máster en Ingeniería Industrial asocian a la alternativa 1. Esto quiere decir que la alternativa 1 causa un mayor impacto ambiental, demostrándose así que la alternativa 2 tiene mayor viabilidad ambiental y cumpliéndose con el objetivo del trabajo. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 74 Máster en Ingeniería Industrial Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 75 Máster en Ingeniería Industrial CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 76 Máster en Ingeniería Industrial 6. Conclusiones En este apartado se sintetizan las principales conclusiones obtenidas en el trabajo, cuyo objetivo ha sido demostrar la viabilidad ambiental mediante el análisis del ciclo de vida del tratamiento de purín porcino con microalgas para su posterior valorización en biorrefinería. Para demostrar la viabilidad ambiental se ha planteado una primera alternativa consistente en la utilización del purín como fertilizante orgánico. Esta se ha comparado con la segunda alternativa que consiste en el tratamiento de purín en un fotobiorreactor de canal abierto para obtener biomasa algal y someter esta última a las etapas de la biorrefinería propuesta para adquirir productos de alto valor añadido. Las etapas necesarias para llevar a cabo la primera alternativa son el almacenamiento interno del purín, el traslado de este desde las granjas a las balsas, el almacenamiento externo del mismo y la aplicación del purín como fertilizante orgánico. Para la segunda alternativa las etapas utilizadas son el almacenamiento interno del purín, el traslado de este a la planta de cultivo, la disolución de este, el cultivo de la biomasa algal en un fotobiorreactor de canal abierto, la deshidratación de la biomasa, el pretratamiento para romper la pared celular, la hidrólisis enzimática, la centrifugación, la neutralización de la fracción líquida, la ultrafiltración, la fermentación y la digestión anaerobia de la fracción sólida. Con la realización del presente trabajo fin de máster, se ha podido concluir que: 1) con la primera alternativa se consigue como producto un biofertilizante natural, el purín, que puede sustituir a un fertilizante sintético como el DAP. Con la segunda alternativa se obtienen bioetanol de la etapa de fermentación, proteínas para pienso porcino de la etapa de ultrafiltración, biogás y digestato de la etapa de digestión anaerobia. 2) con ayuda del software Simapro se ha comprobado que la alternativa 2 tiene una infraestructura que produce mayor impacto ambiental que la alternativa 1. Esto se debe a que en la primera alternativa únicamente se requiere de balsas para el almacenamiento de purín. Por el contrario, para la alternativa 2 se necesita de la construcción de los canales abiertos y de la biorrefinería. 3) con la realización del ACV y el uso del método de evaluación de impacto IMPACT 2002+, las causas de los daños a la salud humana y a los ecosistemas de la Alternativa 1 se producen principalmente por la aplicación del purín como fertilizante orgánico, debido a la lixiviación del zinc y el arsénico al suelo durante el proceso. El daño al cambio Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 77 Máster en Ingeniería Industrial climático se produce esencialmente por el almacenamiento externo del purín en las balsas. El daño a los recursos tiene un impacto positivo (beneficio) gracias a la cantidad de fertilizante sintetico DAP que se evita producir por la ultización de purín como fertilizante. 4) con la realización del ACV y el uso del método de evaluación de impacto IMPACT 2002+, los daños a la salud humana de la Alternativa 2 tienen un impacto negativo que se debe principalmente al proceso de neutralización con HCl. Los daños a los ecosistemas producidos en esta alternativa tienen un impacto negativo debido al transporte del purín y a la aplicación del digestato como fertilizante orgánico. El daño al cambio climático se produce esencialmente por el almacenmiento del purín y el uso de energía electrica en la biorrefinería. La categoría de daño a los recursos debe su impacto principalmente al transporte del purín a la planta de tratamiento. 5) se han comparado en el trabajo los resultados ambientales de ambas alternativas, resultando que la alternativa 2 tiene un mejor comportamiento ambiental en las categorías de daño a salud humana, daño a la calidad de los ecosistemas y cambio climático. De esta forma se demuestra la viabilidad ambiental de la segunda alternativa, aun cuando en la categoría de recursos se obtienen peores resultados debido a que para llevar a cabo esta alternativa se requiere de un mayor número de materiales y de energía. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 78 Máster en Ingeniería Industrial Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 79 Máster en Ingeniería Industrial BIBLIOGRAFÍA Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 80 Máster en Ingeniería Industrial Bibliografía Acién FG, Molina E, Reis A, Torzillo G, Zittelli GC, Sepúlveda C, Masojídek J. 2017. Photobioreactors for the production of microalgae. In: . Microalgae-Based Biofuels Bioprod. From Feed. Cultiv. to End-Products. Elsevier Inc., pp. 1–44. Acién FG, Fernández JM, Molina-Grima E. 2014. Biofuels from Algae. In: Pandey, A, Lee, DJ, Chisti, Y, Soccol, CR, editors., pp. 313–325. https://www.idae.es/tecnologias/energias-renovables/uso-termico/biogas. AENOR. 2006a. UNE-EN ISO 14040:2006 Gestión ambiental. 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(Continuación) MUNICIPIO CENSO DE CERDAS REPRODUCTORAS CENSO DE ANIMALES EN CEBO m3/año km a Cuéllar Punto Cardinal LASTRAS DEL POZO 0 2400 5496,0 77 S MARTIN MIGUEL 681 2608 10140,0 65 S MARTIN MUÑOZ DE LA DEHESA 24 0 146,9 55 SO MARTIN MUÑOZ DE LAS POSADAS 304 4608 12412,8 62 SO MARUGAN 30 1002 2478,2 80 S MATA DE CUELLAR 250 3179 8809,9 18 O MELQUE DE CERCOS 0 750 1717,5 50 SO MIGUELAÑEZ 730 3001 11339,9 44 S MONTEJO DE AREVALO 0 15317 35075,9 54 SO MOZONCILLO 2641 10463 40123,2 56 S MUÑOVEROS 640 5427 16344,6 47 NO NAVA DE LA ASUNCION 4190 4151 35148,6 34 SO NAVALMANZANO 2114 10331 36595,7 25 S NAVAS DE ORO 3521 10656 45950,8 27 SO NIEVA 2733 8635 36500,1 49 S OLOMBRADA 505 9711 25328,8 14 E ORTIGOSA DE PESTAÑO 460 1200 5563,2 47 S PINAREJOS 1542 3613 17710,8 17 S PINARNEGRILLO 450 7877 20792,3 36 S RAPARIEGOS 24 0 146,9 50 SO Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 89 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 65. (Continuación) MUNICIPIO CENSO DE CERDAS REPRODUCTORAS CENSO DE ANIMALES EN CEBO m3/año km a Cuéllar Punto Cardinal RODA DE ERESMA 0 1550 3549,5 47 S SAMBOAL 2393 18289 56527,0 19 SO SAN CRISTOBAL DE CUELLAR 104 380 1506,7 16 O SAN CRISTOBAL DE LA VEGA 186 2150 6061,8 48 SO SANCHONUÑO 45 6160 14381,8 10 S SANGARCIA 6 4158 9558,5 70 S SAN MARTIN Y MUDRIAN 691 8910 24632,8 25 S SANTA MARIA LA REAL DE NIEVA 1465 17280 48537,0 45 SO SANTIUSTE DE SAN JUAN BAUTISTA 916 10234 29041,8 40 SO SAUQUILLO DE CABEZAS 494 6270 17381,6 38 SE TABANERA LA LUENGA 1725 7746 28295,3 38 S TOLOCIRIO 0 2654 6077,7 50 SO TUREGANO 4829 17861 70455,2 44 SE VALVERDE DEL MAJANO 1493 2300 14404,2 61 S VALLELADO 3580 19562 66706,6 14 O VEGANZONES 2757 3950 25918,3 48 SE VILLAVERDE DE ISCAR 12 1364 3197,0 27 SO YANGUAS DE ERESMA 1145 3795 15698,0 45 S Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 90 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 65. (Continuación) MUNICIPIO CENSO DE CERDAS REPRODUCTORAS CENSO DE ANIMALES EN CEBO m3/año km a Cuéllar Punto Cardinal ZARZUELA DEL PINAR 243 3285 9009,8 24 SO MARAZOLEJA 610 0 3733,2 70 S Dentro de la Tabla 65 se seleccionan los municipios que tienen un volumen de purines por encima de 20000 m3 y se encuentran a 15 km o menos de Cuéllar. Los municipios seleccionados son, por tanto, Cuéllar, Olombrada y Vallelado. Los municipios escogidos tienen en total 17925 cerdas reproductoras y 100072 lo cual implica 338866 m3 de purín al año según lo calculado en el balance de materia anexo A.3.1. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 91 Máster en Ingeniería Industrial A.2 Elección pretratamiento e hidrólisis enzimática En este apartado se escoge el mejor tratamiento a llevar a cabo. Para ello se busca el mejor pretratamiento que se puede llevar a cabo. En la Gráfica 21, se observa el porcentaje de sólidos volátiles que quedan retenidos en la fracción sólida tras el pretratamiento sin tener en cuenta la hidrólisis enzimática. Gráfica 21. Porcentaje de sólidos volátiles retenidos en las fracciones sólidas con respecto al contenido inicial de sólidos volátiles (Martín Juárez et al., 2018). En la Gráfica 21 se representa con cada letra los distintos pretratamientos: A - molino de bolas durante 5 min B - molino de bolas 60 min C – disolución de NaOH 0,5 M D – disolución de NaOH 2 M E - explosión de vapor a 130 °C F - explosión de vapor 170 °C G – disolución de H2O2 al 0,5% H - disolución de H2O2 al 7,5% I – ultrasonidos durante 5 min J – ultrasonidos durante 21 min K - disolución de HCl 0,5 M L - disolución de HCl 2 M Como se puede observar en la Gráfica 21, los pretratamientos que retienen menos sólidos volátiles en la fracción solida son los correspondientes a las letras C, D, K y L. Estas letras corresponden a los pretratamientos químicos que usan ácido y base como disolvente. El hecho de disponer de menos sólidos volátiles en la fase solida quiere decir que se han recuperado más en la fracción líquida que es lo más beneficioso. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 92 Máster en Ingeniería Industrial Para seleccionar entre uno entre todos los pretratamientos químicos, se realiza un análisis de sensibilidad. Para ello se utilizan los resultados obtenidos por el grupo de investigación del Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente de la Universidad de Valladolid. Para seleccionar uno se debe conocer la liberación de carbohidratos. El azúcar liberado es la fracción de este que se extrae del núcleo de la célula tras la ruptura de la pared celular con el pretratamiento. También, se debe conocer la recuperación de carbohidratos. El azúcar recuperado es la fracción de carbohidratos que se solubiliza en la fase líquida tras el pretratamiento. Además, se debe tener en cuenta la degradación de carbohidratos. El azúcar degradado es el azúcar liberado que no ha sido recuperado, es decir se queda retenido en la fracción sólida tras el pretratamiento. Otro factor que hay que tener en cuenta es la liberación de proteínas. Las proteínas liberadas son las que se extraen del núcleo de la célula tras la ruptura de la pared celular con el pretratamiento. Los lípidos liberados son los que se extraen del núcleo celular tras la ruptura de la pared celular con el pretratamiento. Todo esto se representa en la tanto Tabla 66 para el pretratamiento básico como para el ácido. Tabla 66. Porcentaje medio de los parámetros característicos para los pretratamientos químicos (Martín-Juárez et al., 2019). Pretratamiento % Liberación carbohidratos % Recuperación carbohidratos % Degradación carbohidratos % Liberación proteínas % Liberación lípidos NaOH 50,85 14,92 69,96 67,45 26,22 HCl 72,21 39,06 50,69 44,98 13,1 Como se puede observar en la Tabla 66, por lo que respecta al pretratamiento utilizado, se deduce que el pretratamiento ácido es mejor para la liberación y recuperación de carbohidratos. Además, reduce la degradación de carbohidratos y la liberación de lípidos. Sin embargo, el pretratamiento básico es mejor para la liberación de proteínas. Con todo esto, se realiza un análisis exhaustivo buscando maximizar la liberación y recuperación de carbohidratos, y principalmente la liberación de proteínas. Además de minimizar la de degradación de carbohidratos y la liberación de lípidos. Se concluye que el mejor pretratamiento sin considerar la hidrólisis enzimática posterior es el realizado en las condiciones recogidas en la Tabla 67. Tabla 67. Pretratamiento óptimo sin considerar la HE. Pretratamiento CA CQ T t HCl 50 0,5 120 30 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 93 Máster en Ingeniería Industrial Siendo, CA es la concentración del alga seca en g/L, CQ es la concentración de HCl en mol/L, T es la temperatura en el autoclave en ºC y t es el tiempo en el autoclave en min. Para saber si este es el pretratamiento seleccionado hace falta evaluar cómo reacciona después a la hidrólisis enzimática. Por lo tanto, se comprueba si es necesaria una hidrólisis enzimática. Para ello se compara el resultado global obtenido después de someter a la microalga tanto al pretratamiento como a la hidrolisis enzimática, con el obtenido al realizar únicamente el pretratamiento. En la Tabla 68 se representan los mismos parámetros que en el caso anterior pero ahora considerando la hidrólisis enzimática. Tabla 68. Porcentaje medio de los parámetros característicos para los pretratamientos químicos y una hidrólisis enzimática posterior (Martín-Juárez et al., 2019) Pretratamiento % Liberación carbohidratos % Recuperación carbohidratos % Degradación carbohidratos % Liberación proteínas % Liberación lípidos NaOH 68,89 26,90 62,46 89,07 41,78 HCl 82,87 45,07 49,55 80,83 41,55 Se deduce de la Tabla 68 que la liberación y recuperación de carbohidratos mejoran si se aplica hidrólisis enzimática tras el pretratamiento. Además, también aumenta considerablemente la liberación de proteínas. Se decide, por tanto, aplicar esta etapa en la biorrefinería planteada. Entre los experimentos realizados se elige el que maximiza la liberación y recuperación de carbohidratos, y, principalmente, la liberación de proteínas. El tratamiento seleccionado es el mostrado en la Tabla 15 y la hidrólisis enzimática seleccionada es la citada en el apartado de etapas de alternativa 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 94 Máster en Ingeniería Industrial A.3 Balance de materia A.3.1 Alternativa 1 Para esta alternativa el balance de materia es sencillo debido a que el purín obtenido de los porcinos se aplica directamente como fertilizante orgánico. En toda la zona de Cuéllar en mayo de 2019 había 570194 porcinos (80118 cerdas y 490076 cerdos). Pero dentro de la zona los municipios seleccionados para tratar el purín tienen 117997 porcinos (17925cerdas y 100072 cerdos). Dentro de los porcinos machos en cebo se considera que el 30% son cerdos de entre 20 y 50 kg y que el 70% superan los 50 kg. Se sabe que la cantidad de metros cúbicos de estiércol que generan las hembras con lechones es de 6,12 m3/año, los cerdos de entre 20 kg y 50 kg producen 1,80 m3/año y los cerdos de entre 50 kg y 100 kg generan 2,50 m3/año. Es decir, la cantidad de purín que se va a utilizar como fertilizante orgánico es 338866 m3 anuales. A.3.2 Alternativa 2 En este apartado se desarrolla el balance de materia de la alternativa 2. Esta incluye el cultivo de las microalgas y la biorrefinería planteada. A.3.2.1 Planta de tratamiento En primer lugar, se sabe que la cantidad de purín diaria a tratar es 928,4 m3/d. En la Figura 7 se muestran las primeras etapas de la alternativa 2. Figura 7. Diagrama de las primeras etapas de la alternativa 2. El balance de materia en kg/d de estas etapas se observa en la Tabla 69. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 95 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 69. Corrientes de la planta de tratamiento en kg/d. Corriente 1 2 3 4 Total (kg/d) 928399,7 928399,7 1117992,7 9283996,7 Corriente 5 6 7 8 Total (kg/d) 2015000 7268996,7 7237604,3 31392,4 Estas corrientes se referencian a la unidad funcional en la Tabla 70. Tabla 70. Corrientes planta de tratamiento referenciadas a la UF, 1 m3 de purín. Corriente 1 2 3 4 5 6 7 8 Total (kg/m3 purín) 1000,0 1000,0 1204,2 10000,0 2170,4 7829,6 7795,8 33,8 Las corrientes 1 y 2 se corresponden con la cantidad de purín que se trata. La corriente 3 es el agua fresca que es necesario a portar al día. La corriente 4 es el purín diluido al 10%. La corriente 5 es la cantidad de agua que se evapora en los canales abiertos, se considera en esta zona es de 6,5 l/m2∙d de media anual. La corriente 6 es la salida de los canales abiertos que se dirige al proceso de deshidratación. La corriente 7 es la cantidad de agua que se recircula al tanque de dilución. La corriente 8 es la biomasa algal que se obtiene por m3 de purín, en este tipo de fotobiorreactor se generan 20 g/m2d de biomasa algal. Esto implica que entran en la biorrefinería 258,3 kg/h de biomasa algal seca. La composición de la corriente 8 se encuentra en la Tabla 71 siguiendo los porcentajes de la Tabla 7. Tabla 71. Composición de la corriente 8 en kg/h y referenciado a la UF. Componente Corriente 8 (kg/h) Corriente 8 (kg/m3 purín) CH 57,6 1,5 PR 133,6 3,5 L 34,6 0,9 Ceniza 32,4 0,8 Humedad 1049,7 27,1 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 96 Máster en Ingeniería Industrial La corriente 8 sigue las etapas de la biorrefinería propuestas. Estas etapas se muestran en la Figura 8. Figura 8. Diagrama con las etapas de la biorrefinería propuesta. A.3.2.2 Pretratamiento En segundo lugar, se lleva a cabo el pretratamiento. Para cumplir con las condiciones de pretratamiento de la Tabla 15 es necesario añadir 125,6 kg/h de disolución de HCl 1M (corriente 9). Usando los resultados de la Tabla 16 se conocen los carbohidratos, proteínas y lípidos liberados durante el pretratamiento, se obtienen los resultados de la Tabla 72. Tabla 72. Composición de la corriente 10 en kg/h y referenciada a la UF. Componente Corriente 10 (kg/h) Corriente 10 (kg/m3 purín) CH Liberado 42,4 1,1 No liberado 15,2 0,4 PR Liberado 72,7 1,9 No liberado 60,9 1,6 L Liberado 0,8 0,0 No liberado 33,8 0,9 Ceniza 32,4 0,8 Humedad 1049,7 27,1 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 97 Máster en Ingeniería Industrial A.3.2.3 Hidrólisis enzimática En tercer lugar, se realiza la hidrólisis enzimática. Para cumplir con las condiciones de la hidrólisis es necesario añadir 21,1 kg/h de celulasa (corriente 11). Si se usan los valores de la Tabla 18, se obtienen los resultados de la Tabla 73. Tabla 73. Composición de la corriente 12 en kg/h y referenciada a la UF. Componente Corriente 12 (kg/h) Corriente 12 (kg/m3 purín) CH Liberado 46,8 1,2 No liberado 10,8 0,3 PR Liberado 122,0 3,2 No liberado 11,6 0,3 L Liberado 5,5 0,1 No liberado 29,1 0,8 Ceniza 32,4 0,8 Humedad 1049,7 27,1 A.3.2.4 Centrifugación En cuarto lugar, se realiza la centrifugación. En la fracción líquida se encuentran los carbohidratos, las proteínas y los lípidos recuperados. El porcentaje de carbohidratos recuperados se encuentra en la Tabla 18; este valor está calculado respecto a la biomasa de entrada. Sin embargo, de los lípidos y proteínas aún no se han obtenido valores en el laboratorio. Por lo tanto, se ha aproximado que la recuperación de lípidos es igual que la de carbohidratos con respecto a los liberados, 93%; y que la recuperación de proteínas es algo menor, un 80% de las liberadas. También, se encuentran en la fracción líquida la humedad de la biomasa algal y la disolución empleada en el pretratamiento. Todo esto se resume en la Tabla 74. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 104 Máster en Ingeniería Industrial - El diseño sísmico de los tanques está basado en el apéndice E de la norma API 650 año 2007. - Solo es aplicable a tanques cuyo fondo está uniformemente soportado. Se recomienda utilizar junta frágil en la unión techo-cuerpo para tanques de techo cónico fijo. - Capacidad de venteo de vapor normal y de emergencia. - Si el tanque es diseñado con junta frágil, no requiere de venteo de emergencia. - Solo es aplicable en el caso de tanques de acero. El espesor de los tanques con diámetro nominal menor de 15 m debe ser en todo momento mayor o igual que 5mm. Se calculan los espesores por condiciones de diseño y por prueba hidrostática del tanque y se elige el más restrictivo, siempre y cuando este sea superior a los 5 mm. Para ello aplicamos las siguientes fórmulas: td=4,9∙D∙(H−0,3)∙G Sd+CA tt=4,9∙D∙(H−0,3) St siendo D el diámetro nominal en m, H la altura del tanque en m, G es la gravedad relativa del fluido en el interior del tanque, Sd y St son las presiones máximas permitidas para condiciones de diseño y de prueba hidrostática respectivamente expresadas en MPa, y CA es la corrosión permitida en mm. Los valores de Sd y St se buscan en las tablas del código API para el acero inoxidable SS304 siendo Sd = 155,13 MPa y St = 186,16 MPa. Se conoce que la corrosión promedio para este tipo de acero es de 0,1mm/año y se asume que vida media del tanque de 20 años. Una vez calculados estos espesores se elige el mayor entre ellos si son mayores de 5 mm, y si ninguno es mayor se elige el mínimo permitido por la normativa, es decir, 5mm. Para los tanques que trabajan a presión, en este caso únicamente el del pretratamiento, se aplica la norma ASME BPVC Section VIII (American American Society of Mechanical Engineers, 2019). La ecuación para el cálculo del espesor de pared frente a un esfuerzo circunferencial (juntas longitudinales) es la siguiente: t= P∙R S∙E−0,6P siendo P la presión de diseño en psig, R el radio interno en m, S tensión máxima admisible por el material en psi y E eficiencia de las juntas. Se considera el valor de la eficiencia de las juntas de 0,85 debido a que se supone una junta doblemente soldada. Para la determinación de la tensión máxima se utiliza la norma ASME que determina que el valor es de 15,85 kpsi para el acero inoxidable SS-304 a 100ºC. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 105 Máster en Ingeniería Industrial Una vez calculado el espesor se considera que la corrosión promedio para este tipo de acero es de 0,1mm/año y se asume que vida media del tanque de 20 años. Por lo tanto, hay que sumar 2 mm al resultado obtenido. Para los tanques que tienen unas condiciones de temperatura específicas es necesario conocer el calor que es preciso aportar. Para calcular el calor en watios requerido se utiliza la fórmula siguiente: Q=m󰇗 ∙cp∙∆T Siendo m󰇗 el flujo másico de entrada al tanque en kg/s, cp el calor específico y ∆T la diferencia entre la temperatura que se quiere alcanzar y a la que se encuentra el fluido. A.4.2.3 Membrana de ultrafiltración Para realizar el proceso de ultrafiltración es necesaria una membrana con polarización de la concentración. La ecuación que caracteriza este tipo de membrana es la siguiente: J=k∙ln⁡(cg cp) siendo J la densidad del flujo en m3/m2/s, k el coeficiente de transferencia de materia en m3/m2/s, cg y cp la concentración de las proteínas. La concentración de proteínas es del 3% y la concentración típica de un gel para proteínas es del 22% (Wankat, 2017). Para calcular la k se relaciona con el número de Sherwood de la siguiente forma (van den Berg et al., 1989): Sh=k∙dh∙D Siendo dh el diámetro hidráulico del sistema y D el coeficiente de difusividad. Para el coeficiente se escoge al valor de la caseína debido a que es la única proteína de la que se ha hallado el valor (Cheryan and Cheryan, 1998). El diámetro hidráulico seleccionado es 2,5 cm. La fórmula para calcular el número de Sherwood varía en función de si el flujo que atraviesa la membrana es turbulento o laminar. Con las condiciones de fluido el Reynolds obtenido es laminar. Para régimen laminar la ecuación varía en función de si la longitud de los tubos es mayor que la longitud de entrada. La longitud de los tubos seleccionada es de 0,5 m y la longitud de entrada se calcula de la siguiente forma: L∗=0,029∙dh∙Re La L* obtenida es 1,26 m que es mayor que la longitud de los tubos. Por lo tanto, se usa la ecuación de Grober: Sh=0,664∙Re0,5 ∙Sc0,33∙(dh L)0,33 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 106 Máster en Ingeniería Industrial Cuando se conoce el valor del número de Sherwood ya se puede calcular el coeficiente de transferencia de materia y con este el valor de la densidad de flujo. La densidad de flujo obtenida es de 9,29∙10−4 m3/m2/s. Con este valor se obtiene el área de la membrana, usando el caudal que atraviesa la membrana en m3/s, como se observa en la Tabla 38, la corriente que atraviesa la membrana es de 32,8 kg/m3 de purín, como se sabe que la cantidad de purín diaria es 928,4 m3/d y la densidad es aproximadamente 1000 kg/m3 se obtiene que el flujo en m3/s es 3,53E-4. Am=Q J Con este valor y el área de contacto de cada tubo se calcula el número de tubos necesarios en la membrana. A.4.2.4 Bombas Se pretende en este subapartado diseñar las bombas de la alternativa 2. Las bombas existentes en este proceso son las siguientes. Para evaluar las pérdidas de carga que se producen en los tramos donde se encuentran las bombas, se debe tener en cuenta que existen pérdidas de fricción a través de las tuberías y pérdidas locales. Estas últimas pérdidas son producidas si se atraviesa un filtro, si en el tramo hay una entrada o una salida a un tanque o a un intercambiador, además de la caída de carga existente en los tubos del intercambiador. Los valores de las constantes de pérdidas se encuentran recogidos en la Tabla 82. Tabla 82. Constante de pérdidas locales Elemento Constante de pérdida (adimensional) Nombre de la constante Filtro 8 Kf Salida de un tanque 0,5 Kst Entrada a un intercambiador 1 Kei Salida de un intercambiador 0,5 Ksi Entrada a un tanque 1 Ker Para comenzar con el dimensionado se toma el caudal que circula a través de la bomba y a partir de la Ecuación de Bernoulli se calcula la altura a desarrollar: (P1 ρ+V12 2+u1)+g∙HB=(P2 ρ+V2 2 2+u2)+g∙Hp Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 107 Máster en Ingeniería Industrial siendo HB la altura manométrica de la bomba en m y Hp la altura de pérdidas. El punto 1 es el principio de la tubería y el punto 2 el final de la tubería en la que se encuentra la bomba. El termino cinético se desprecia debido a que al ser un proceso continuo y tratarse de equipo de grandes dimensiones la velocidad en los puntos 1 y 2 es prácticamente nula, estado cuasiestacionario. El término debido a la energía potencial (u) se desarrolla como gravedad por altura. El caudal que circula a través de la bomba es el que pasa a través de las tuberías 1 y 2. Si se tiene todo esto en cuenta la ecuación de altura de la bomba queda de la siguiente forma: HB=(P2−P1 ρ∙g )+(z2−z1)+Hp siendo los dos primeros términos de la ecuación correspondientes a la altura estática. Hest =(P2−P1 ρ∙g )+(z2−z1) Para calcular la Hp, altura de pérdidas se utiliza la ecuación: Hp=Hpfricción⁡+Hplocales⁡ Siendo a su vez las pérdidas de fricción iguales a lo desarrollado en la ecuación: Hpfricción⁡ =(8∙Q2 Π2∙g)∙(∑fi∙Li Di5) Y las perdidas locales iguales a lo desarrollado en la ecuación: Hplocales⁡ =(8∙Q2 Π2∙g)∙∑Ki Di4+(−ΔPintercambiador) ρ∙g La Ki es la suma de las pérdidas de fricción recogidas en la Tabla 82. Con todo esto se calcula la altura de la bomba que es la que permite elegir una bomba del catálogo (Hidrostal, 2020). Una vez hallada la altura de la bomba se puede calcular la potencia desarrollada: Pdesarrollada =G∙HB∙g La potencia consumida se calcula en función de la desarrollada y el rendimiento de la bomba que viene dado en el catálogo: Pconsumida =Pdesarrollada ή Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 108 Máster en Ingeniería Industrial A.5 Análisis de inventario En este apartado se desarrollan los cálculos e hipótesis realizados para la obtención de las emisiones en ambas alternativas. A.5.1 Alternativa 1 A.5.1.1 Almacenamiento de purín Para conocer las emisiones es necesario seguir una serie de pasos. En primer lugar, se caracteriza el estiércol. La caracterización depende del tipo de almacenamiento y de la región de estudio. Los parámetros que hay que definir son: VS – sólidos volátiles excretados por día (kg VS/m3 purín) Bo – capacidad máxima de producción de metano (m3 CH4/kg VS) MCF – factor de conversión de metano para cada sistema de gestión El tipo de almacenamiento se divide en dos grupos. En primer lugar, se almacena el purín por debajo del lugar de confinamiento de los porcinos durante menos de un mes. En segundo lugar, se almacena en la balsa como líquido fango durante al menos 3 meses. Además se sabe que la temperatura media anual en Cuéllar es de 12 ºC (IDAE, 2020). Con el tipo de almacenaje y la temperatura se entra al Cuadro 10.17 aportador por el IPCC para obtener el MCF (Dong et al., 2006), mostrado en la Tabla 83. Tabla 83. Valores de MCF por temperatura para sistemas de gestión del estiércol (Dong et al., 2006). Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 109 Máster en Ingeniería Industrial Como se puede observar en la Tabla 83, en las condiciones citadas, el valor de MCF es del 3% para almacenamiento menor de un mes en las granjas y del 13% para almacenamiento como sólido. En el Cuadro 10A-7 aportado por el IPCC se obtiene el valor de Bo. Se representa el cuadro en la Tabla 84. Tabla 84. Derivación de factores de emisión de metano por gestión del estiércol para porcinos de carne (Dong et al., 2006) De la Tabla 84 se deduce que para Europa Occidental el valor de Bo es 0,45 m3 CH4/kg VS. El valor de los sólidos volátiles se obtiene de la Tabla 1. En segundo lugar, se calculan las emisiones de metano debidas al almacenamiento de estiércol. Para ello, se utiliza la siguiente ecuación: CH4⁡estiércol =VS∙Bo∙0,67∙MCF Siendo estas las emisiones de metano por m3 de purín. En tercer lugar, se calculan las emisiones de óxido de nitrógeno debidas al almacenamiento de estiércol. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones directas de N2O del sistema de gestión elegido, EF3. Este valor se obtiene del Cuadro 10.21 del Volumen 4: Agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra (Dong et al., 2006), representado en la Tabla 85. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 110 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 85. Factores de emisión por defecto para emisiones directas de N2O de la gestión del estiércol. Como se puede observar en la Tabla 85 el valor de EF3 es de 0,002 kg N20-N/kg de N excretado para el almacenaje debajo de los cerdos y EF3 es de 0,005 kg N20-N/kg de N excretado para el almacenaje en las balsas. Con estos valores se pueden calcular las emisiones directas de N20 en kg N2O/m3 purín, con la siguiente ecuación: N2Odirectas =N∙EF3∙44 28 En cuarto lugar, se calculan las emisiones indirectas, N2Oindirectas. Estas emisiones son las debidas a la volatilización de NH3 y NOx del estiércol. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones indirectas de N2O, EFi. Este valor es igual a 0,00012 kg N20 indirecto-N/kg de N excretado para el almacenaje debajo de los cerdos y es de 0,0003 kg N20 indirecto-N/kg de N excretado para el almacenaje en las balsas (Wu et al., 2020). Con estos valores se pueden calcular las emisiones indirectas de N20 en kg N2O inidrecto/m3 purín, con la siguiente ecuación: N2Oindirectas =N∙EFi∙44 28 En quinto lugar, se calculan las emisiones de N2. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones de N2, EF2. Este valor es igual a 0,006 kg N2-N/kg de N excretado para el almacenaje debajo de los porcinos y 0,015 kg N2-N/kg de N excretado para el almacenaje en balsas (Wu et al., 2020). Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 111 Máster en Ingeniería Industrial Con estos valores se pueden calcular las emisiones de N2 en kg N2/m3 purín, con la siguiente ecuación: N2=N∙EF2∙28 28 En sexto lugar, se calculan las emisiones de NH3. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones de NH3, EF4. Este valor es igual a 0,008 kg NH3-N/kg de N excretado para el almacenaje debajo de los porcinos y 0,02 kg NH3-N/kg de N excretado para el almacenaje en balsas (Wu et al., 2020). Con estos valores se pueden calcular las emisiones de NH3 en kg NH3/m3 purín, con la siguiente ecuación: NH3=N∙EF4∙17 14 En séptimo lugar, se calcula las emisiones de NOx. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones de NOx, EF5. Este valor es igual a 0,002 kg NOx-N/kg de N excretado para el almacenaje debajo de los porcinos y 0,005 kg NOx-N/kg de N excretado para el almacenaje en balsas (Wu et al., 2020). Con estos valores se pueden calcular las emisiones de NOx en kg NOx/m3 purín, con la siguiente ecuación: NOX=N∙EF5∙46 14 A.5.1.2 Transporte del purín Existen dos emisiones de transporte, las debidas al traslado del purín a las balsas y las debidas al traslado del fertilizante a las tierras de cultivo. Para calcular las emisiones del traslado del purín a las balsas se conoce la superficie de cada municipio; esta se muestra en la Tabla 86. Tabla 86. Superficie municipios y camiones necesario. Municipio Superficie (km2) Radio (km) Camiones Cuéllar 350 10,5 24 Olombrada 66 4,6 3 Vallelado 35 3,4 7 Se obtiene con los valores de la Tabla 86 que es necesario trasladar 14303,4 tkm/d en Cuéllar, 91,64 tkm/d en Olombrada y 694,0 tkm/d en Vallelado. Estos valores Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 112 Máster en Ingeniería Industrial referenciados a la unidad funcional equivalen a 15,4 tkm/m3 de purín en Cuéllar, 9,9E-2 tkm/m3 de purín en Olombrada y 7,5E-1 tkm/m3 de purín en Vallelado. A.5.1.3 Aplicación del purín como fertilizante orgánico En primer lugar, se calculan las emisiones debidas al traslado del purín a los cultivos. Para calcular las emisiones de transporte debidas al traslado de fertilizante a las zonas de cultivo es necesario conocer las hectáreas que se pueden fertilizar usando el purín. Por lo tanto, se necesita conocer la cantidad de nitrógeno que excreta de media un porcino al año. Se sabe que la cantidad de nitrógeno que generan las hembras con lechones es de 18 kg N/año; los cerdos de entre 20 kg y 50 kg generan 6 kg N/año; y los cerdos de entre 50 kg y 100 kg generan 8,5 kg N/año (BOE, 2000). Al conocerse la cantidad de porcinos de cada categoría se puede calcular el valor promedio buscado, se obtiene el valor de 9,3 kg N/cabeza∙año este valor se denomina Nex. Con ese valor se puede calcular la cantidad de nitrógeno que generan los porcinos de la zona seleccionada: Ntotal=Nex∙NT Siendo NT el número de porcinos totales de la zona. Es decir, en la zona seleccionada se generan 1098208 kg N/año. Además, la cantidad máxima de nitrógeno que se puede aplicar por hectárea es de 170 kg N/ha. Por lo tanto, con la cantidad de purín seleccionada se pueden cubrir 6460 ha. Para cubrir esta cantidad de hectáreas de superficie agrícola en Segovia es necesario recorrer 8761 ha, debido a que el porcentaje de superficie agrícola en esta provincia es el 74% de su superficie total (Instituto Nacional de Estadística, 2009). Esta superficie tiene un radio de 5,3 km. Esto y el número de camiones se muestra en la Tabla 87. Tabla 87. Superficie cultivos y camiones necesario. Superficie (ha) Radio (km) Camiones 8.761 5,3 46 Por lo tanto, es necesario transportar 24821,6 tkm/d. Si este valor se expresa con la referencia seleccionada, se obtienen 26,8 tkm/m3 de purín. En segundo lugar, se calculan las emisiones de óxido de nitrógeno debidas al uso de los purines como fertilizante orgánico. Siendo EF1 igual a 0,01 kg N20-N/kg de N, valor para abonos orgánicos según el Cuadro 11.1 aportado por el IPCC (Klein et al., 2006); este se muestra en la Tabla 88. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 113 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 88. Factor de emisión por defecto para estimar las emisiones directas de N2O de los suelos gestionados. Las emisiones directas de N2O se calculan con la fórmula siguiente: N2Odirectas =N∙EF1∙44 28 Con esta ecuación se obtienes las emisiones directas de N20 en kg N2O inidrecto/m3 purín. En tercer lugar, se calculan las emisiones de óxido de nitrógeno indirectas debidas al uso de los purines como fertilizante orgánico. Estas emisiones son las debidas a la volatilización de NH3 y NOx del estiércol. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones indirectas de N2O, EFi. Este valor es igual a 0,0007 kg N20 indirecto-N/kg de N excretado (Wu et al., 2020). Con estos valores se pueden calcular las emisiones indirectas de N20 en kg N2O inidrecto/m3 purín, con la siguiente ecuación: N2Oindirectas =N∙EFi∙44 28 En cuarto lugar, se calculan las emisiones de N2. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones de N2, EF2. Este valor es igual a 0,047 kg N2-N/kg de N excretado (Wu et al., 2020). Con estos valores se pueden calcular las emisiones de N2 en kg N2/m3 purín, con la siguiente ecuación: N2=N∙EF2∙28 28 En quinto lugar, se calculan las emisiones de NH3. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para emisiones de NH3, EF4. Este valor es igual a 0,07 kg NH3-N/kg de N excretado (Wu et al., 2020). Con estos valores se pueden calcular las emisiones de NH3 en kg NH3/m3 purín, con la siguiente ecuación: NH3=N∙EF4∙17 14 En sexto lugar, se calculan las emisiones de NOx. Para calcular las emisiones, se utiliza el valor de nitrógeno de la Tabla 1. También es necesario conocer el factor de emisión para Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 120 Máster en Ingeniería Industrial A.5.2.14 Infraestructura Se calcula la infraestructura necesaria para llevar a cabo la alternativa 2. La infraestructura se divide en 4 submontajes. Para cada submontaje se considera el área que ocupa, la transformación del terreno necesaria desde pastos a industrial y el tiempo de construcción de cada uno. En primer lugar, se hace referencia al tanque de dilución. El tanque está construido en acero de 18 mm de espesor. Este material tiene un peso específico es de 141,3 kg/m2 (Grupo Manni, 2019). El tanque presenta forma cilíndrica; por lo tanto, para calcular su área, se suma el área de las bases más el cuerpo del tanque. Se muestran los valores de superficie y de requerimiento de acero en la Tabla 90. Tabla 90. Características del tanque de dilución. Tanque Volumen (m3) Diámetro (m) Altura (m) Superficie (m2) kg acero Tanque de dilución 10164,0 25,8 19,4 2.622,2 370519,5 Con los datos de la Tabla 9 se obtiene que el tanque ocupa 524,4 m2 y tiene una vida útil de 20 años. Este tanque se tarda en construir un mes. En segundo lugar, se considera la planta de tratamiento. La planta de tratamiento está compuesta por los canales Raceway. Estos canales se aproximan a forma rectangular y están construidos en hormigón de 10 cm de espesor. Este hormigón tiene un peso específico de 230 kg/m2. Además, poseen una aislante geotextil de polipropileno con un peso específico 100 g/m2. Para realizar el geotextil es necesario laminar el polipropileno. La planta se tarda en construir un año. Se muestran los valores de superficie y de requerimiento de acero y geotextil en la Tabla 91. Tabla 91. Superficie y hormigón necesario en los Raceway. Tanque Nº Superficie (m2) kg hormigón kg polipropileno Raceway 31 10103,5 2323816,5 1010,4 La plata de tratamiento ocupa 34 ha, tiene una vida útil de 20 años y se tarda en construir un año. En tercer lugar, se analizan los tanques de la biorrefinería. Estos tanques están hechos en acero de 7 mm de espesor. Este acero tiene un peso específico del acero es 54,95 kg/m2 (Grupo Manni, 2019). Los tanques tienen formas cilíndricas; por lo tanto, para calcular su área, se suma el área de las bases más el cuerpo del tanque. Se muestran los valores de superficie y de requerimiento de acero en la Tabla 92. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 121 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 92. Características de los tanques principales de biorrefinería. Tanque Volumen (m3) Diámetro (m) Altura (m) Superficie (m2) kg acero Pretratamiento 1,7 1,0 2,1 8,3 458,5 Hidrólisis Enzima 20,6 3,3 2,5 42,1 2310,9 Centrífuga 0,8 0,7 2,2 5,2 287,9 Neutralización 0,4 0,9 0,7 3,1 171,8 Fermentador 96,2 6,3 3,1 123,0 6.758,9 Digestor Anaerobio 146,1 4,5 9,1 161,2 8858,4 Estos tanques tienen una vida útil de 20 años y se tardan en construir un año. La superficie industrial que se deja reservada para tanques es de 511,5 m2. Por último, se hace referencia a la membrana de ultrafiltración. Dicha membrana está elaborada con el material PSU. Este polímero tiene una densidad de 1,24 g/cm3 (elaplas, 2020). Como la membrana tiene una longitud de 50 cm, se llega al peso específico de 62 g/cm2, es decir 620 kg/m2. Se muestran los valores de superficie y de requerimiento de PSU en la Tabla 93. Tabla 93. Superficie y PSU necesario de la membrana de ultrafiltración. Membrana Superficie (m2) kg PSU Ultrafiltración 0,92 570,4 La membrana tiene una vida útil de 2 años. Esta infraestructura tiene una vida útil de 20 años. Por lo tanto, con los años de vida propuestos solo es necesario cambiar la membra de ultrafiltración. Se necesita cambiar este 10 veces, es decir, hacen falta 10 submontajes de la membrana. El total de la infraestructura viene definido en la unidad anteriormente mencionada p. Sabiendo el purín que se trata, 338866 m3/año, se conoce la porción de infraestructura que corresponde a un metro cúbico de purín: 1,48E-7 p/m3 de purín. A.5.2.15 Cargas evitadas En primer lugar, se calculan las cargas evitadas de etanol. Para el etanol se asume que el bioetanol tiene las mismas propiedades que el etanol producido mediante métodos tradicionales. Por lo tanto, como se generan 0,5 kg de bioetanol por m3 de purín, se evita la producción de esa misma cantidad de etanol mediante métodos tradicionales. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 122 Máster en Ingeniería Industrial En segundo lugar, se calculan las cargas evitadas de proteínas comerciales. La caracterización de las proteínas obtenidas se describe en la Tabla 26. Se ha seleccionado está composición debido a que se ha realizado la extracción de microalgas cultivadas con estiércol porcino, al igual que en este trabajo. Como ninguna de las extracciones era exactamente la descrita en este trabajo se han obtenido los valores de la Tabla 26 calculando la media de los resultados de cada extracción. Los resultados de las distintas extracciones no diferían excesivamente entre sí, por lo tanto, se asume que la caracterización es una aproximación bastante razonable. Para conocer la cantidad de proteínas comerciales que se evita producir, se sabe la cantidad de proteínas que debe contener un pienso para porcinos en crecimiento de manera ideal (Santamaría-Fernández and Lübeck, 2020). Estos valores se comparan con los representados en la Tabla 26 y se obtiene cuál de los aminoácidos esenciales es el limitante. Los valores ideales de composición porcina en función de la cantidad de lisina vienen representados en la Tabla 94. En esta tabla también aparecen reflejados los valores de aminoácidos en función de la lisina obtenidos en la biorrefinería. Tabla 94. Valores ideales de aminoácidos en el pienso porcino y valores reales de aminoácidos obtenidos Aminoácido % g/g lisina ideales % g/g lisina obtenidos Histidina 32 35,5 Treonina 65 64,3 Arginina 42 118,3 Valina 70 105,1 Metionina + Cisteína 60 48,1 Fenilalanina +Tirosina 95 188,4 Isoleucina 53 84,0 Leucina 100 190,1 Lisina 100 100,0 Por lo tanto, los aminoácidos limitantes son la metionina y la cisteína. Como en lugar de tener 60 g de metionina más cisteína con respecto a 100 g de lisina en las proteínas obtenidas, se tienen 48,1 g, se sabe que el rendimiento de las proteínas obtenidas mediante la biorrefinería es el 80,2% de las proteínas comerciales para pienso de porcinos Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 123 Máster en Ingeniería Industrial en crecimiento. Como para un metro cúbico de purín se consiguen 2,3 kg de proteínas, se evita la producción de 1,8 kg proteínas comerciales. En tercer lugar, se calculan las cargas evitadas de fertilizante sintético. Para ello, en este estudio se utiliza el fosfato diamónico (DAP) el cual posee un 23,5% de P y un 21,2 % de N. Por lo tanto, se sabe que 1 kg de DAP posee 0,24 kg de P y 0,21 kg de N. De este fertilizante se asimila el 100% tanto de nitrógeno como de fósforo por los suelos (CorbalaRobles et al., 2018). La composición del digestato viene definida en la Tabla 27. Además, se sabe que la cantidad de materia seca para un digestato formado en las condiciones del digestor anaerobio para una biomasa algal pretratada con un ácido es del 2,1% (Martín Juárez et al., 2018). La eficiencia de asimilación de este digestato sólido es del 50% (Corbala-Robles et al., 2018). La cantidad de digestato que se forma por cada m3 de purín es de 3,9 kg de los cuales 1,39E-3 son de N y 1,64E-3 son de P. Con estos valores se obtiene que el equivalente a un metro cubico de purín en DAP es 4,0E-3 kg DAP/m3 purín para el N y 4,1E-3 kg DAP/m3 purín para el P. Es decir, el nutriente limitante es el nitrógeno, pero prácticamente no hay diferencia. En cuarto lugar, para las cargas evitadas de gas natural se selecciona un gas natural con la composición y propiedades mostradas en la Tabla 95. Tabla 95. Composición y propiedades gas natural (Ulbig and Hoburg, 2002). Componente % Propiedades Metano 95,0 Densidad (kg/m3) 0,753 Etano 2,1 Propano 0,3 Poder calorífico (kcal/m3) 9032 Nitrógeno 1,9 Resto 0,7 Como se sabe que el poder calorífico del biogás formado en el digestor anaerobio es de 21,5 MJ/m3, es necesario pasar este valor a las mismas unidades que presenta el gas natural en la Tabla 95 para poder compararlos. El poder calorífico del biogás es 5135 kcal/m3 de biogás. Por lo tanto, se generan 3367 kcal/m3 de purín. Esto quiere decir que se evitan 0,28 kg de gas natural por cada m3 de purín. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 124 Máster en Ingeniería Industrial A.6 Evaluación de impacto del ciclo de vida En este anexo se recogen los valores obtenidos a partir del software SimaPro. A.6.1 Infraestructura Se muestran en la Tabla 96 los valores obtenidos para cada categoría de impacto para las infraestructuras de la alternativa 1 y 2. Tabla 96. Valores de las categorías de impacto para la infraestructura de las alternativas 1 y 2. Categoría de impacto Unidad Alternativa 1_Montaje Alternativa 2_Montaje Cancerígenas kg C2H3Cl eq 1,30E+03 9,56E+03 No cancerígenas kg C2H3Cl eq 3,33E+03 1,66E+04 Inorgánicas respirables kg PM2.5 eq 4,99E+02 2,17E+03 Radiación ionizante Bq C-14 eq 1,37E+06 5,52E+07 Destrucción de la capa de ozono kg CFC-11 eq 2,50E-02 2,15E-01 Orgánicas respirables kg C2H4 eq 2,14E+02 7,18E+02 Ecotoxicidad acuática kg TEG water 1,96E+07 1,21E+08 Ecotoxicidad terrestre kg TEG soil 3,79E+05 5,31E+07 Acidificación y eutrofización terrestre kg SO2 eq 1,01E+04 5,60E+04 Uso del suelo m2org.arable 9,66E+05 5,56E+06 Acidificación acuática kg SO2 eq 2,06E+03 1,07E+04 Eutrofización acuática kg PO4 P-lim 1,62E+01 1,93E+02 Calentamiento global kg CO2 eq 2,52E+05 4,61E+06 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 125 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 96. (Continuación) Categoría de impacto Unidad Alternativa 1_Montaje Alternativa 2_Montaje Energías no renovables MJ primary 7,12E+06 4,74E+07 Extracción de minerales MJ surplus 4,11E+02 4,72E+05 Se muestran en la Tabla 97 los valores obtenidos para cada categoría de daño para las infraestructuras de la alternativa 1 y 2. Tabla 97. Valores de las categorías de impacto para la infraestructura de las alternativas 1 y 2. Categoría de daño Unidad Alternativa 1_Montaje Alternativa 2_Montaje Salud humana DALY 3,63E-01 1,61E+00 Calidad de los ecosistemas PDF*m2*yr 1,07E+06 6,54E+06 Cambio climático kg CO2 eq 2,52E+05 4,61E+06 Recursos MJ primary 7,12E+06 4,78E+07 Se muestran en la Tabla 98 la normalización de las categorías de impacto para las infraestructuras de las alternativas 1 y 2. Tabla 98. Normalización de las categorías de impacto para la infraestructura de las alternativas 1 y 2. Categoría de impacto Alternativa 1_Montaje Alternativa 2_Montaje Cancerígenas 5,13E-01 3,77E+00 No cancerígenas 1,31E+00 6,56E+00 Inorgánicas respirables 4,92E+01 2,14E+02 Radiación ionizante 4,05E-02 1,63E+00 Destrucción de la capa de ozono 3,70E-03 3,19E-02 Orgánicas respirables 6,43E-02 2,16E-01 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 126 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 98. (Continuación). Categoría de impacto Alternativa 1_Montaje Alternativa 2_Montaje Ecotoxicidad acuática 7,18E-02 4,43E-01 Ecotoxicidad terrestre 2,19E-01 3,07E+01 Acidificación y eutrofización terrestre 7,64E-01 4,25E+00 Uso del suelo 7,69E+01 4,42E+02 Acidificación acuática 0,00E+00 0,00E+00 Eutrofización acuática 0,00E+00 0,00E+00 Calentamiento global 2,54E+01 4,65E+02 Energías no renovables 4,69E+01 3,12E+02 Extracción de minerales 2,70E-03 3,11E+00 A.6.2 Alternativa 1 Se representan en la Tabla 99 las categorías de impacto de la categoría de daño a la salud humana para la alternativa 1. Tabla 99. Las categorías de impacto de la categoría de daño a la salud humana para la alternativa 1. Categoría de impacto Cancerígena No cancerígena Inorgánicas respirables Radiación ionizante Destrucción de la capa de ozono Orgánicas respirables Unidad kg C2H3Cl eq kg C2H3Cl eq kg PM2.5 eq Bq C-14 eq kg CFC-11 eq kg C2H4 eq Total 1,22E+01 3,71E+02 5,77E-02 -7,04E+01 -4,67E-07 1,54E-02 Alternativa 1_Montaje 1,92E-04 4,91E-04 7,36E-05 2,02E-01 3,69E-09 3,16E-05 Almacenami ento interno del purín 0,00E+00 1,61E-03 6,54E-03 0,00E+00 0,00E+00 2,59E-03 Almacenami ento externo del purín 0,00E+00 4,02E-03 1,63E-02 0,00E+00 0,00E+00 1,12E-02 Transporte del purín a las balsas 5,07E-03 3,48E-02 2,21E-03 1,34E+01 3,60E-07 9,12E-04 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 127 Máster en Ingeniería Industrial Se representan en la Tabla 100 las categorías de impacto de la categoría de daño a la calidad de los ecosistemas para la alternativa 1. Tabla 100. Las categorías de impacto de la categoría de daño a la calidad de los ecosistemas para la alternativa 1. Categoría de impacto Ecotoxicidad acuática Ecotoxicidad terrestre Acidificación y eutrofización terrestre Uso del suelo Acidificación acuática Eutrofización acuática Unidad kg TEG water kg TEG soil kg SO2 eq m2org.arabl e kg SO2 eq kg PO4 P-lim Total 1,42E+06 9,09E+05 6,41E+00 -1,99E+00 7,37E-01 -2,02E-02 Alternativa 1_Montaje 2,89E+00 5,60E-02 1,48E-03 1,43E-01 3,04E-04 2,39E-06 Almacenami ento interno del purín 1,23E-01 3,09E-01 5,88E-01 0,00E+00 7,41E-02 0,00E+00 Almacenami ento externo del purín 3,07E-01 7,71E-01 1,47E+00 0,00E+00 1,85E-01 0,00E+00 Transporte del purín a las balsas 1,36E+02 1,58E+02 5,74E-02 7,89E-02 9,34E-03 1,56E-04 Aplicación del purín como fertilizante orgánico 1,42E+06 9,09E+05 4,29E+00 -2,21E+00 4,68E-01 -2,04E-02 Se representan en la Tabla 101 las categorías de impacto de las categorías de daño a los recursos y cambio climático para la alternativa 1. Tabla 101. Las categorías de impacto de las categorías de daño a los recursos y cambio climático para la alternativa 1. Categoría de impacto Energías no renovables Extracción de minerales Calentamiento global Unidad MJ primary MJ surplus kg CO2 eq Total -8,24E+01 -7,34E-01 3,11E+01 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 128 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 101. (Continuación) Categoría de impacto Energías no renovables Extracción de minerales Calentamiento global Alternativa 1_Montaje 1,05E+00 6,06E-05 3,72E-02 Almacenamiento interno del purín 0,00E+00 0,00E+00 5,01E+00 Almacenamiento externo del purín 0,00E+00 0,00E+00 1,85E+01 Transporte del purín a las balsas 3,02E+01 2,30E-03 1,85E+00 Aplicación del purín como fertilizante orgánico -1,14E+02 -7,36E-01 5,69E+00 Se representan en la Tabla 102 las categorías de daño para la alternativa 1. Tabla 102. Las categorías de daño para la alternativa 1. Categoría de daño Salud humana Calidad de los ecosistemas Cambio climático Recursos Unidad DALY PDF*m2*yr kg CO2 eq MJ primary Total 1,11E-03 7,27E+03 3,11E+01 -8,32E+01 Alternativa 1_Montaje 5,35E-08 1,57E-01 3,72E-02 1,05E+00 Almacenamiento interno del purín 4,59E-06 6,14E-01 5,01E+00 0,00E+00 Almacenamiento externo del purín 1,15E-05 1,53E+00 1,85E+01 0,00E+00 Transporte del purín a las balsas 1,66E-06 1,41E+00 1,85E+00 3,02E+01 Aplicación del purín como fertilizante orgánico 1,10E-03 7,26E+03 5,69E+00 -1,14E+02 Se representan en la Tabla 103 la normalización de las categorías de impacto de la categoría de daño a la salud humana para la alternativa 1. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 129 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 103. Normalización de las categorías de impacto de la categoría de daño a la salud humana para la alternativa 1. Categoría de impacto Cancerígena No cancerígena Inorgánicas respirables Radiación ionizante Destrucción de la capa de ozono Orgánicas respirables Total 4,82E-03 1,46E-01 5,72E-03 -2,05E-06 -6,51E-08 4,65E-06 Alternativa 1_Montaje 7,57E-08 1,94E-07 7,26E-06 5,98E-09 5,46E-10 9,49E-09 Almacenamiento interno del purín 0,00E+00 6,35E-07 6,45E-04 0,00E+00 0,00E+00 7,78E-07 Almacenamiento externo del purín 0,00E+00 1,59E-06 1,61E-03 0,00E+00 0,00E+00 3,37E-06 Transporte del purín a las balsas 2,16E-06 1,48E-05 2,35E-04 4,28E-07 5,74E-08 2,95E-07 Aplicación del purín como fertilizante orgánico 4,82E-03 1,46E-01 3,22E-03 -2,49E-06 -1,23E-07 1,97E-07 Se representan en la Tabla 104 la normalización la categoría de daño a la calidad de los ecosistemas para la alternativa 1. Tabla 104. Normalización de las categorías de impacto de la categoría de daño a la calidad de los ecosistemas la alternativa 1. Categoría de impacto Ecotoxicidad acuática Ecotoxicidad terrestre Acidificación y eutrofización terrestre Uso del suelo Acidificación acuática Eutrofización acuática Total 5,19E-03 5,25E-01 4,87E-04 -1,58E-04 0,00E+00 0,00E+00 Alternativa 1_Montaje 1,06E-08 3,23E-08 1,13E-07 1,13E-05 0,00E+00 0,00E+00 Almacenamiento interno del purín 4,50E-10 1,78E-07 4,46E-05 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 Almacenamiento externo del purín 1,13E-09 4,45E-07 1,12E-04 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 Transporte del purín a las balsas 5,35E-07 9,85E-05 4,69E-06 6,76E-06 0,00E+00 0,00E+00 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 136 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 111. Normalización de las categorías de impacto de la categoría de daño a la calidad de los ecosistemas para la alternativa 2. Categoría de impacto Ecotoxicidad acuática Ecotoxicidad terrestre Acidificación y eutrofización terrestre Uso del suelo Acidificación acuática Eutrofizació n acuática Alternativa 2_Montaje 6,53E-08 4,52E-06 6,28E-07 6,53E-05 0,00E+00 0,00E+00 Almacenami ento interno del purín 4,50E-10 1,78E-07 4,46E-05 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 Transporte del purín al tanque de dilución 9,73E-07 1,79E-04 8,52E-06 1,23E-05 0,00E+00 0,00E+00 Tanque de dilución 1,81E-08 5,71E-07 2,03E-07 1,30E-07 0,00E+00 0,00E+00 Planta de tratamiento 3,37E-07 1,06E-05 3,77E-06 2,42E-06 0,00E+00 0,00E+00 Deshidrataci ón 1,10E-07 3,48E-06 1,23E-06 7,91E-07 0,00E+00 0,00E+00 Pretratamie nto 4,75E-07 1,89E-05 2,95E-06 2,43E-06 0,00E+00 0,00E+00 Hidrólisis enzimática 5,19E-09 1,64E-07 6,92E-07 3,72E-08 0,00E+00 0,00E+00 Centrifugaci ón 1,46E-08 4,60E-07 1,63E-07 1,05E-07 0,00E+00 0,00E+00 Neutralizaci ón 6,34E-07 2,90E-05 5,59E-06 3,41E-06 0,00E+00 0,00E+00 Ultrafiltració n 4,55E-08 7,42E-05 -6,21E-06 -3,10E-04 0,00E+00 0,00E+00 Fermentació n -3,80E-08 -1,42E-06 -5,15E-07 -1,69E-07 0,00E+00 0,00E+00 Digestión anaerobia -3,64E-08 4,57E-07 1,41E-07 1,02E-07 0,00E+00 0,00E+00 Aplicación del digestato como fertilizante orgánico 1,38E-06 4,91E-04 1,22E-07 -1,85E-07 0,00E+00 0,00E+00 Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 137 Máster en Ingeniería Industrial Se representan en la Tabla 112 la normalización de las categorías de impacto de las categorías de daño a los recursos y cambio climático para la alternativa 2. Tabla 112. Normalización de las categorías de impacto de las categorías de daño a los recursos y cambio climático para la alternativa 2. Categoría de impacto Energías no renovables Extracción de minerales Calentamiento global Alternativa 2_Montaje 4,60E-05 4,59E-07 6,87E-05 Almacenamien to interno del purín 0,00E+00 0,00E+00 5,06E-04 Transporte del purín al tanque de dilución 1,08E-03 8,23E-08 1,02E-03 Tanque de dilución 1,85E-05 8,02E-10 1,35E-05 Planta de tratamiento 3,44E-04 1,49E-08 2,52E-04 Deshidratación 1,12E-04 4,88E-09 8,24E-05 Pretratamiento 3,63E-04 1,19E-07 2,63E-04 Hidrólisis enzimática 1,93E-04 2,30E-10 2,30E-04 Centrifugación 1,49E-05 6,46E-10 1,09E-05 Neutralización 3,46E-04 2,19E-08 3,75E-04 Ultrafiltración -8,16E-05 -3,51E-08 -2,68E-04 Fermentación -1,43E-04 -9,11E-10 -5,10E-05 Digestión anaerobia -3,49E-05 6,02E-10 -3,13E-05 Aplicación del digestato como fertilizante orgánico -1,26E-06 -5,10E-09 -4,09E-07 A.6.4 Comparación alternativas 1 y 2 Se muestran en la Tabla 113 los valores obtenidos para cada categoría de impacto para las infraestructuras de la alternativa 1 y 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 138 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 113. Valores de las categorías de impacto para las alternativas 1 y 2. Categoría de impacto Unidad Alternativa 1 Alternativa 2 Cancerígenas kg C2H3Cl eq 1,22E+01 1,41E-01 No cancerígenas kg C2H3Cl eq 3,71E+02 9,15E-01 Inorgánicas respirables kg PM2.5 eq 5,77E-02 2,31E-02 Radiación ionizante Bq C-14 eq -7,04E+01 3,33E+02 Destrucción de la capa de ozono kg CFC-11 eq -4,67E-07 4,21E-06 Orgánicas respirables kg C2H4 eq 1,54E-02 4,61E-03 Ecotoxicidad acuática kg TEG water 1,42E+06 1,09E+03 Ecotoxicidad terrestre kg TEG soil 9,09E+05 1,40E+03 Acidificación y eutrofización terrestre kg SO2 eq 6,41E+00 8,16E-01 Uso del suelo m2org.arable -1,99E+00 -2,80E+00 Acidificación acuática kg SO2 eq 7,37E-01 1,48E-01 Eutrofización acuática kg PO4 P-lim -2,02E-02 5,41E-03 Calentamiento global kg CO2 eq 3,11E+01 1,80E+01 Energías no renovables MJ primary -8,24E+01 2,38E+02 Extracción de minerales MJ surplus -7,34E-01 9,28E-02 Se muestran en la Tabla 114 los valores obtenidos para cada categoría de daño para las alternativas 1 y 2. Evaluación ambiental mediante ACV del tratamiento de purín porcino con microalgas, para su valorización en biorrefinería. 139 Máster en Ingeniería Industrial Tabla 114. Valores de las categorías de daño para las alternativas 1 y 2. Categoría de daño Unidad Alternativa 1 Alternativa 2 Salud humana DALY 1,11E-03 2,50E-05 Calidad de los ecosistemas PDF*m2*yr 7,27E+03 1,39E+01 Cambio climático kg CO2 eq 3,13E+01 2,44E+01 Recursos MJ primary -8,09E+01 3,43E+02 Se muestran en la Tabla 115 la normalización de las categorías de impacto para las alternativas 1 y 2. Tabla 115. Normalización de las categorías de impacto para las alternativas 1 y 2. Categoría de impacto Alternativa 1 Alternativa 2 Cancerígenas 4,82E-03 5,57E-05 No cancerígenas 1,46E-01 3,61E-04 Inorgánicas respirables 5,70E-03 2,28E-03 Radiación ionizante -2,08E-06 9,86E-06 Destrucción de la capa de ozono -6,92E-08 6,23E-07 Orgánicas respirables 4,63E-06 1,38E-06 Ecotoxicidad acuática 5,19E-03 3,98E-06 Ecotoxicidad terrestre 5,25E-01 8,11E-04 Acidificación y eutrofización terrestre 4,87E-04 6,19E-05 Uso del suelo -1,58E-04 -2,23E-04 Acidificación acuática 0,00E+00 0,00E+00 Eutrofización acuática 0,00E+00 0,00E+00 Calentamiento global 3,14E-03 1,82E-03 Energías no renovables -5,42E-04 1,56E-03 Extracción de minerales -4,83E-06 6,11E-07