Investigación tecnológica para el diseño de un módulo sustentable, basado en los análisis exergético y de ciclo de vida para la producción de aceite esencial de naranja (Citrus Sinensis) - Calixto Carcausto, Dicson Bryan (2024)
Con la finalidad de promover la reconversión sustentable de la labor agraria en el Perú, mediante la agregación de valor a los productos del campo, se ha concebido un Módulo Tecnológico Sustentable, semi comercial, con adecuado manejo ambiental y energético, centrado en el proceso de extracción por arrastre de vapor, del aceite esencial contenido en la cáscara de naranja valenciana (Citrus Sinensis), tomando en cuenta los subproductos respectivos como son el jugo de naranja y agua aromática, y los desechos vegetales generados. Evaluando distintas rutas tecnológicas, mediante la aplicación del análisis de Ciclo de Vida (ACV) y el Análisis de Exergía (AE), el presente estudio identifica aquélla que, sin dejar de asegurar beneficio económico, minimiza el daño ambiental con un buen manejo de recursos materiales y energéticos. La evaluación de rutas tecnológicas se aborda considerando sus principales componentes, como son: el transporte de la materia prima desde 5 procedencias diferentes, el uso de 5 diferentes fuentes de energía para la generación de vapor (electricidad, gas natural, fuel oíl ligero, fuel oíl pesado y biomasa), las etapas de procesamiento de la naranja (lavado, pelado, extracción y pasteurización de jugo, extracción de aceite, condensación y separación de fases). Asimismo, se toma en cuenta la mecanización en contraposición con trabajo manual en algunas operaciones; la integración calórica en torno a la reutilización de condensado; y, la disposición de residuos evaluada en 3 escenarios (disposición sin tratamiento, generación de biogás y obtención de alimento seco para ganado). El ACV evalúo las rutas tecnológicas con un alcance que va desde la obtención de la materia prima en el campo de cultivo, los procesos de transformación, hasta la obtención de productos (en términos del ACV: “de la cuna a la compuerta de salida”), que identificó 10 impactos ambientales, que son: Acidificación (kg CO2 eq.), ecotoxicidad (CTUe), Eutrofización (kg N eq.), potencial de calentamiento global (kg CO2 eq.), partículas de aire para la salud humana (kg PM2.5 eq.), toxicidad humana, cancerígena (CTUh), Toxicidad humana, no cancerígena (CTUh), Aire agotador de ozono (kg CFC 11 eq.), uso de recursos fósiles (MJ), aire contaminado (kg O3 eq). La realización del ACV requirió de un Software especializado de reconocido prestigio en este campo denominado GaBi, (Vivanco et al, 2000), el mismo que cuenta con una amplia y sólida base de datos. En el ACV, el transporte de la materia prima hacia la ciudad de Arequipa se realizó desde los siguientes puntos de referencia: Chanchamayo, Quillabamba, Majes, La Joya y mercados mayoristas de Arequipa. Así mismo se evaluaron las 6 fuentes energéticas ya mencionadas para la generación de vapor cuales son: fuel oil pesado, fuel oil ligero, biomasa, gas natural, energía eléctrica proveniente de una planta hidroeléctrica y energía eléctrica obtenida de cogeneración. De igual forma se han evaluado las etapas de transformación de la naranja incluyendo la disposición de residuos. Dado que el manejo de residuos resultó ser la etapa con el mayor impacto ambiental, se analizaron tres rutas alternativas para minimizarlo, como son: compostaje, generación de biogás y obtención de alimento seco para ganado. Como resultados se obtuvo que el transporte de materia prima desde la distancia más lejana (Chanchamayo), es 10 veces más al impacto obtenido en el proceso de producción. Además, de todas las etapas evaluadas en el procesamiento de la naranja, la generación de residuos es la que produce mayor impacto. El implementar un sistema de tratamiento de residuos se reduce el impacto ambiental entre 92.1 % y 97.4, siendo el compostaje, la alternativa más ecológica. En cuanto a las fuentes energéticas, la electricidad proveniente de hidroeléctrica y el gas natural resultan ser las menos contaminantes, en contraposición al fuel oil pesado que es el que más contamina. Los resultados del AE se expresan en 8 indicadores exergéticos que son: la exergía destruida, la eficiencia exergética, la tasa de deterioro, la exergía total de cada corriente, la exergía total de ingreso, exergía total de salida, la tasa de generación de entropía y la pérdida total de exergía. Adicionalmente para mejorar el manejo energético del proceso, se considera la instalación de un sistema de integración energética al retornar el condensado a la caldera, donde se evalúa el cambio de eficiencia exergética y la masa de vapor generado en la caldera. En los resultados del AE, la eficiencia exergética para el extractor de aceite, condensador, pasteurizador y caldera fueron, respectivamente, 95.74%, 94.61%, 84.28% y 27.56% considerando la exergía química; sin embargo, tomando en cuenta únicamente la exergía física, se obtienen rendimientos de 63.62%, 0.75%, 43.02% y 27.56% respectivamente. Además, la cáscara usada y la pulpa exprimida cuentan con el mayor valor exergético a comparación de las demás corrientes. Estos resultados dejan en evidencia la importancia de la exergía química en términos ambientales. De otro lado, la exergía destruida en kilo Joules, para el extractor de aceite, condensador, pasteurizador y caldera fue de 2920, 4608, 1680 y 57806 respectivamente. Es así como se identifica a la generación de vapor como un proceso crítico para la selección de rutas tecnológicas sustentables, que aseguren la reducción de exergía destruida en la caldera, equipo que a su vez es el que genera la mayor entropía (193.89 kJ/K). En síntesis, la ruta tecnológica que mejor satisface las exigencias de sustentabilidad, presenta las siguientes características: (1) la planta de producción debe quedar lo más cercana posible al área de cultivo de la naranja, (2) la generación de vapor se haría mediante caldera a gas natural, lo que en términos exergéticos significa 2.78 veces más eficiente que empleando electricidad; (3) Es obligatoria la gestión de disposición de residuos orgánicos evitando que sean desechados sin tratamiento, donde lo más recomendable es la generación de compost o biogás; (4) Debe existir un sistema de integración energética para el aumento de 2.89% de eficiencia exergética en la caldera y la reducción de consumo de agua. La mecanización del proceso no cuenta con impacto significativo a comparación del resto, por lo que su implementación dependerá de la capacidad económica disponible.