uso del análisis del ciclo de vida en una industria de

USO DEL ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA EN UNA INDUSTRIA DE BEBIDAS
GASEOSAS
GONZÁLEZ COLÍN MIREYA, ROSA DOMÍNGUEZ ELENA REGLA Y
RODRÍGUEZ RICO IVÁN LEANDRO
INSTITUCIÓN: INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA
AV. INSTITUTO TECNOLÓGICO S/N. EX-RANCHO LA VIRGEN
METEPEC, MÉXICO. C. P. 52140
TEL: (722) 2087224, 2087218 y 2087200 (ext 345)
FAX: 2087220
E-MAIL: miregonc@yahoo.com.mx,
erosa@uclv.edu.cu,
ivanl@uclv.edu.cu
RESUMEN
La producción más limpia es la aplicación continua de una estrategia ambiental preventiva e
integrada, para procesos y productos, reduciendo los riesgos al hombre y al ambiente, causados
durante el “ciclo de vida” del producto o proceso. Una herramienta de la producción más limpia
es, el análisis de ciclo de vida (ACV), basado en una estructura sistémica según las normas
internacionales ISO 14040 y 14044, con el ACV se analizaron los impactos ambientales en las
etapas del ciclo de vida del proceso de producción, en una industria de bebidas gaseosas, con el
enfoque conocido como “desde la cuna hasta la tumba”, y se propusieron mejoras para mitigar
dichos impactos, una de éstas ha sido evaluada con la tecnología pinch, la cual eleva la eficiencia
del proceso. Combinando estas dos metodologías, es posible mejorar el desempeño ambiental y
tecnológico del proceso, y así lograr una producción más limpia en la industria.
I. INTRODUCCIÓN
El “análisis de ciclo de vida” (ACV) se define como la recopilación y evaluación de las entradas,
salidas y los impactos ambientales potenciales de un sistema producto durante su ciclo de vida; es
decir, durante las etapas consecutivas e interrelacionadas del sistema, desde la adquisición de la
materia prima o de su generación a partir de recursos naturales hasta la disposición final [5].
Este trabajo presenta un enfoque del análisis del ciclo de vida en una industria de bebidas
gaseosas, que integra la ingeniería básica del proceso, el consumo de recursos y la evaluación de
los daños ambientales asociados a cada etapa de la producción de bebidas gaseosas. Esta
herramienta se puede aplicar al diseño y/o re-ingeniería de plantas (por ejemplo en la evaluación
de alternativas) así como en la fase de investigación y desarrollo, puesto que toma en cuenta la
estructura y patrón esencial en todas las plantas químicas: entrada de materia prima y energía,
diferentes etapas del proceso y tratamiento de los residuos. Así mismo, presenta una de las etapas
que ha sido evaluada con la tecnología pinch para encontrar el uso adecuado del agua, dentro de
la industria estudiada.
La importancia del concepto del ciclo de vida surge de dos conceptos básicos [4]:
A. Cuantificar un indicador de impacto ambiental agregado (como una unidad de medida
ambiental), basado en los diferentes problemas ambientales determinados por sus distintas
variables (impactos). Esta cuantificación se realiza relacionando los impactos con los
problemas ambientales. Para la interpretación de estos impactos (por ejemplo cantidades de
energía, uso de materiales, emisiones) es importante establecer el efecto que tienen éstos
sobre los problemas.
B. Establecer prioridades ambientales como base para la planificación del mejoramiento del
desempeño ambiental. Basado en su enfoque sistémico, el ACV analiza todos los impactos
durante todo el ciclo de vida de un producto o proceso, identificando las prioridades con base
en las cuales se definen las estrategias preventivas del mejoramiento del desempeño
ambiental.
Dentro de la cuarta etapa del ACV es recomendable hacer un análisis de mejora, es decir, una
identificación y evaluación de los posibles métodos alternativos para reducir los efectos
medioambientales adversos del sistema objeto de estudio. Este análisis dependerá de los
objetivos y alcance establecidos en el ACV.
Cuando se utiliza el método de análisis de proceso en la etapa de búsqueda de mejoras se puede
hacer una modelación del proceso que permita optimizar el uso de agua dentro de cada etapa de
éste; uno de los métodos más utilizados es la tecnología pinch. Ésta, es un conjunto de principios,
herramientas y reglas de diseño para encontrar la mejor manera de configurar los elementos de un
proceso [1].
Para procesos actuales las medidas de reducción de la contaminación tienen la siguiente
jerarquía: reubicar, reducir, recuperar, reusar, reciclar y finalmente tratar. Se puede usar este
método en cualquier opción de minimización que se esté estudiando.
La tecnología pinch es una herramienta conveniente para el análisis racional de una red de agua a
fin de identificar opciones de minimización y buen uso de este recurso. En términos simples, el
agua de proceso y los efluentes son analizados para determinar: si el uso del flujo es el óptimo [6,
8, 9, 10].
Esta metodología requiere de un inventario de las corrientes de agua y concentración de sus
componentes, también de las utilidades del agua y del tratamiento del agua residual. Además,
revela las corrientes del proceso que deban ser modificadas y evita tratar flujos de agua
demasiado grandes o tratar corrientes a un estándar excesivamente alto y proporciona una manera
sistemática de aplicación de técnicas básicas, para alcanzar el uso mínimo de agua en un sistema
particular de operaciones; sólo es útil para un sistema de varias operaciones, no puede ser
aplicado a una simple operación [2].
II. METODOLOGÍA
En base a las directrices propuestas en la norma mexicana NMX-SSA-14040-IMNC-2004, la
metodología para llevar a cabo el análisis de ciclo de vida, tiene las siguientes fases [5]:
Definición de la Meta y Alcance
Se define claramente la meta del estudio, las razones para realizar el estudio, estableciendo los
límites del sistema, y qué método de evaluación se utilizará. Se describe el sistema a estudiar, su
función y se escoge una unidad básica de comparación, que establece la cantidad de producto
neto para la cual se realizará la evaluación.
El propósito de establecer la unidad funcional es proveer una referencia con la cual, las entradas y
salidas estén relacionadas.
Análisis del Inventario
Implica la recolección de datos y los procedimientos de cálculo para cuantificar las entradas y
salidas pertinentes de un sistema producto. Estas entradas y salidas pueden incluir el uso de
recursos y descargas al aire, al agua y al suelo, asociados con el sistema, estos datos constituyen
la entrada para la evaluación del impacto del ciclo de vida.
Evaluación del Impacto
Esta fase está dirigida a evaluar los impactos ambientales potenciales usando los resultados del
análisis del inventario. Esta evaluación puede incluir elementos como: clasificación,
caracterización y ponderación, la agregación de los datos en casos muy específicos y sólo cuando
sean significativos.
Para esta fase, la caracterización de los impactos se puede realizar con la metodología del ecoindicador 99 que al mismo tiempo evalúa los daños, agrupándolos en 3 modelos: daños a la salud
humana, a la calidad del ecosistema y a los recursos [3].
Interpretación del Ciclo de Vida
En esta fase se combinan los resultados del análisis del inventario con la evaluación del impacto,
de acuerdo con los objetivos y alcance definidos, para obtener conclusiones y recomendaciones.
Al utilizar herramientas de análisis de proceso en esta fase del ciclo de vida se puede hacer una
modelación del proceso para optimizar el uso del agua y verificar si es posible reducir los
impactos producidos por el proceso. Esta modelación se desarrolló aplicando la tecnología pinch.
Se construyó un diagrama considerando los requerimientos o límites del proceso
(concentraciones de las corrientes de entrada y salida).
Se traza la curva de composición límite, que representa la sumatoria de las corrientes individuales
del proceso, como la entrada de agua fresca está libre de contaminación, se traza una línea de
alimentación de agua que es tangente a la curva de composición límite.
El punto de contacto entre las curvas, indica el punto para reusar el agua, limitado por el punto
pinch donde las dos curvas coinciden. Al lado de la superposición se representa el blanco para el
consumo mínimo de agua (a la derecha) y la descarga mínima de agua (a la izquierda).
Este punto pinch, proporciona los requerimientos mínimos de agua para el proceso que puede
corresponder a la calidad del agua que entra o que sale (efluente final) o agua intermedia del
proceso [7, 8].
III. RESULTADOS
Definición de la Meta y Alcance
Se definió el objetivo del estudio es cual es, evaluar y cuantificar el impacto ambiental generado
en cada etapa de producción de bebidas gaseosas en una industria utilizando un enfoque de
análisis de ciclo de vida y llegar a la optimización del proceso, mediante herramientas de análisis
de procesos como la tecnología pinch.
La producción en una línea de embotellado es de 36,161 Kg/h de producto, ésta fue la base para
calcular los balances de materia y energía; lo que llevó a establecer la unidad funcional del
estudio, siendo, la producción de bebida en una hora. La producción en esta industria, inicia con
un tratamiento de agua para proceso, posteriormente, se elabora jarabe simple, seguido de la
adición de concentrado (sabor) de bebida a preparar, se homogeniza la mezcla y se deja en
reposo; ésta se envía a líneas de producción para preparar la bebida donde se mezcla con agua y
CO2, para enviarse a la llenadora. Previo al llenado, se enjuagan las botellas, se les aplica la
taparrosca y se codifican, finalmente se empacan y se almacenan para su distribución. Siendo los
límites del sistema, el proceso de producción.
Los datos se obtuvieron del sitio de producción, éstos fueron útiles para los cálculos de las
siguientes etapas del estudio; así mismo, los datos para la caracterización de las corrientes
residuales del saneamiento de los equipos, se utilizaron para la aplicación de la tecnología pinch.
La información fue introducida a una hoja de cálculo en Excel, como herramienta de interfase
para estas dos metodologías lo que hace posible evaluar los impactos ambientales para diferentes
capacidades de producción y variedad de producto. En este trabajo se presenta el estudio de la
primera etapa del proceso, cuyo diagrama de flujo se representa en la figura 1.
E C l2
ECl
EF
E C l2
EF
SM
FA
CM
APM
AM
FC
SFC
AC
FP
SPF
AT
ME
EDA
SDA
ECL
DA
ESA
AE
E C l3
EM
E C l3
TQAC
SA
SSA
CAS
SAS
AS
Figura 1. Diagrama de flujo de la primera etapa de proceso (TCAC: tanque de agua cruda, FA:
filtro de arena, DA: dealcalinizador, CM: cisterna de mezcla, FC: filtro de carbón, FP:
filtro pulidor, AT: agua tratada, SA: suavizador, CAS: cisterna de agua suave, AS: agua
suave).
Análisis del Inventario
Se calcularon los balances de materia y energía en cada etapa del proceso, teniendo como
variables: la producción y la variedad del producto, en una línea de embotellado. Para la etapa de
estudio que se presenta, los balances de materia se encuentran en la tabla 1.
Tabla 1. Balance de materia de la primera etapa de proceso.
BALANCES PARA TRATAMIENTO DE AGUA PARA PROCESO
VARIABLE
CANTIDAD
VARIABLE
CANTIDAD
mA.T. (kg)
2890,06
mSR,2 (kg)
0,0007
SDTEFC (ppm)
94,82
mEFA (kg)
4126,27
SDTSFC (ppm)
92,50
mP (kg)
0,09
mSR,1 (kg)
0,0067
mEAC (kg)
4126,18
mTM (kg)
2890,07
mCl,2 (kg)
0,10
mCl,1 (kg)
1,68
mAC (kg)
4126,08
mECM (kg)
2888,39
SDTESA (ppm)
4436,70
mA.F. (kg)
4126,27
SDTSSA (ppm)
121,77
mA.F/S (kg)
1237,88
mSR,3 (kg)
5,34
mA.F/DA (kg)
1237,88
mSSA (kg)
1232,54
mA.F/CM (kg)
1650,51
mAS (kg)
1234,22
SDTEFA (ppm)
117,99
mCS (Kg.)
1,80
SDTSFA (ppm)
117,81
Con los balances se llevó a cabo el análisis de inventario de emisiones con la base de datos del
software Simapro, utilizando la versión demo de éste, esto es una limitante, pues no se puede
modificar la base de datos y adaptarla a las condiciones de un país en vías de desarrollo como
México. Este inventario se observa en la figura 2.
Figura 2. Resultados del análisis de inventario (Demo Simapro).
Evaluación del Impacto
Para la evaluación del impacto se utilizó el mismo software que desarrolla esta evaluación con la
metodología del eco-indicador’99, la cual agrupa los impactos en diferentes categorías, conocida
como caracterización, las categorías son: sustancias carcinogénicas, efectos respiratorios
orgánicos e inorgánicos, cambio climático, radiación, reducción de la capa de ozono, eco
toxicidad, acidificación/eutrofización, uso del suelo, minerales y combustibles fósiles. La
evaluación de daños consiste en la agrupación de las categorías anteriores en tres modelos: daños
a la salud humana, daños a la calidad del ecosistema y daños a los recursos. Las figuras 3a y 3b
muestran la caracterización de los impactos y la evaluación de daños, respectivamente.
(a)
(b)
Figura 3: (a) Caracterización de impactos. (b) Evaluación del daño.
Interpretación del Ciclo de Vida
Con el análisis de inventario y la evaluación de los impactos ambientales, se observa que los
daños más significativos son a la calidad del ecosistema y una de las causas principales es el
elevado consumo de agua que hay en cada operación del saneamiento de los equipos.
Dentro de esta fase del ciclo de vida, se hizo una modelación de las operaciones del saneamiento
de un filtro de arena, para encontrar el flujo mínimo de agua fresca a utilizar en éstas, el
saneamiento consta de las siguientes etapas: primer retrolavado con agua, retrolavado aire-agua
(divido en tres) y segundo retrolavado con agua, para el saneamiento se utiliza un total de agua
fresca de 164.93 ton/h. La caracterización de las corrientes residuales se observa en la tabla 2,
donde la columna 1 representa el número de operación del saneamiento; en la columna 2 está el
flujo de agua necesario para cada operación; las columnas 3 y 4, representan la concentración
límite al inicio y al termino de cada operación, respectivamente, expresada en ppm; y la columna
5 muestra la carga de contaminante en cada operación.
Tabla 2. Caracterización de las corrientes residuales.
Operación Flujo (te/h) Concentración límite Concentración límite Carga de masa
a la entrada (ppm)
a la salida (ppm)
(Kg./h)
1
33.14
3.00
38.00
1.16
2
32.14
10.00
38.00
0.90
3
32.86
7.00
28.00
0.69
4
32.50
3.00
7.00
0.13
5
33.10
3.00
32.00
096
Se utilizó la tecnología pinch para realizar la modelación del comportamiento de las etapas de
saneamiento, ésta tomó en cuenta los datos de la tabla anterior para graficar la sumatoria de las
operaciones, siendo la curva superior que se presenta en la figura 4, conocida como curva de
composición límite. La línea de alimentación del agua fresca es tangente a la curva de
composición límite. El punto de contacto entre las 2 curvas, indica el punto para reusar el agua, a
éste se le da el nombre de punto pinch, siendo de 28 ppm. El análisis llevó a la identificación de
este punto, que proporciona los requerimientos mínimos de agua para el proceso, siendo el flujo
mínimo de agua de 109.09 ton/h. Teniendo un ahorro en el consumo de agua fresca de 55.84
ton/h.
Figura 4. Curva de composición límite, identificación del punto pinch.
Una vez que se ha logrado el arreglo óptimo del proceso ya existente, fue necesario modificar el
proceso para cualquier reducción en los requerimientos de agua, de manera que se pueda utilizar
el agua o se produzcan corrientes de distintas calidades. La figura 5 presenta el diagrama de uso
del agua, una vez que se identificó el flujo mínimo para su reuso, en las diferentes etapas del
saneamiento.
Figura 5. Diagrama de uso del agua modificado en las etapas de saneamientos.
III. CONCLUSIONES
El análisis de ciclo de vida es una herramienta útil para determinar los impactos ambientales de
un proceso e identificar en qué etapa se encuentran las mayores emisiones al ambiente; así
mismo, la tecnología pinch es una herramienta que proporciona una estructura sistemática y
lógica para determinar la mejor ubicación de los principales recursos en un proceso o sistema de
procesos.
Este proyecto está por desarrollar la siguiente etapa de la investigación; es decir, la parte en
donde se vinculen esas dos metodologías, aún cuando se ha reducido el consumo de agua en las
operaciones de saneamientos, no se ha determinado si efectivamente disminuye el impacto
ambiental provocado a la categoría de los recursos o a la calidad del ecosistema. La experiencia
de trabajos encontrados en la literatura indica que es posible integrarlas, porque el análisis de
ciclo de vida evita el incremento de la contaminación y permite cumplir con los objetivos de la
optimización de la tecnología pinch. Sin embargo, la reducción en el consumo de agua fresca
para el saneamiento ya es parte de una producción más limpia, pues el agua ha sido reciclada
antes de tratarla al final del proceso.
Crear una herramienta como la hoja de cálculo, permite que el análisis se desarrolle para
diferentes escenarios del proceso; es decir, modificando la producción y la variedad de producto,
por lo anterior, la evaluación del daño ambiental y la optimización del proceso estarán en función
de estas dos variables. Así como, el vínculo de las metodologías desarrolladas en este trabajo.
Las metodologías del análisis de ciclo de vida y la tecnología pinch, deben aplicarse a otros
recursos, los cuales serán un campo fértil para futuras investigaciones.
IV. REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Bodo. Pinch Analysis. Chairman and CEO. Linnhoff March International, Ltd. Manchester,
England.
Doyle, SJ. Smith, R (1997). Targeting Water Reuse with Multiple Contaminants. Trans
IchemE, 75, Part B, 181-189.
Goedkoop, M.J. Spriensma, R. (2001). The Eco-indicator 99. A damage oriented method
for Life Cycle Impact Assessment. Methodology Report. Third Edition. PRé Consultans B.
V.
Hoof, B. (2000). Introducción en producción más limpia. Bogotá, Colombia.
NMX-SSA-14040-IMNC-2004. Gestión ambiental - Análisis del ciclo de vida - Principios
y marco de referencia. Instituto Mexicano de Normalización y Certificación A.C.
Olleson, S.G. Polley, G.T. (1997). A simple Methodology for the Design of Water Network
Handling Single Contaminants. Trans IchemE. 75, 420-426.
Tainsh, R.A. Rudman, A. R. (1999). Practical techniques and methods to develop an
efficient water management strategy. IQPC conference “Water Recycling and Effluent ReUse”. Linnhoff March International.
Wang, Y.P. Smith, R. (1994). Wastewater minimisation. Chemical Engineering Science,
49(7): 981-1006
[9]
Wang, Y.P. Smith, R. (1995a). Wastewater minimisation with flow rate constraints. Trans
IchemE. 73a, 889-904.
[10] Wang, Y.P. Smith, R. (1995b). Time Pinch Analysis. Trans IchemE. 73a, 905-914.