FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL “POTENCIALES IMPACTOS AMBIENTALES NEGATIVOS GENERADOS EN EL ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA DEL BIOCOMBUSTIBLE 2,5 DIMETILFURANO, OBTENIDO A PARTIR DE RESIDUOS DE CABUYA (Agave americana L.)” Tesis para optar el título profesional de: INGENIERA AMBIENTAL Presentado por: Lizbet Rosa Márquez Roca (0000-0001-8383-8551) Asesor: Elvito Fabián Villegas Silva (0000-0001-9783-1641) Lima – Perú 2021 DEDICATORIA Dedico esta investigación principalmente a mi familia, por su apoyo incondicional en todo momento, especialmente a mi hijo Alessandro, que a su corta edad ha sabido comprender mi ausencia física en diversos momentos y que representa el centro de mi fortaleza y la razón más importante para seguir adelante en la vida y alcanzar mis metas. 1 AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios en primer lugar por todos los días de mi vida y por permitirme continuar en este gran camino de conocimiento y aprendizaje continuo, por ser mi guía en los momentos más difíciles y porque en su presencia pude encontrar paz y tranquilidad. Expreso un agradecimiento muy especial a mi asesor de Tesis, el Dr. Elvito Fabián Villegas Silva, por todo su apoyo y conocimientos esenciales para el desarrollo de esta investigación, así también agradezco a todas aquellas personas, entre ellos familiares, docentes, especialistas, compañeros de la carrera de Ingeniería Ambiental, por brindarme un poco de su tiempo y comprensión. 2 INDICE GENERAL I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 9 II. MARCO TEÓRICO 10 1. Biocombustibles 11 1.1. Biocombustibles a nivel mundial 1.2. Biocombustibles en el Perú 1.3. Tipos de biocombustibles 1.4. Cálculo de emisiones debido a la combustión 2. Cabuya (Agave americana L.) 20 2.1. Partes de la Cabuya (Agave americana L.) 3. Análisis del Ciclo de Vida (ACV) 25 3.1. Fases de un ACV 4. Análisis de Incertidumbre 26 4.1. Análisis de Monte Carlo 4.2. Análisis mediante matriz de Pedigree III. OBJETIVOS E HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACION 30 1. Objetivo General 30 2. Objetivos Específicos 30 3. Hipótesis general 31 IV. METODOLOGÍA 31 1. Tipo de Investigación 31 2. Población 31 3. Muestra y Muestreo 31 4. Técnica de Procesamiento y Análisis de Datos 32 4.1. Análisis de Sensibilidad 5. Procedimiento para la obtención del biocombustible 2,5 DMF 33 5.1. Etapa de extracción y recolección de biomasa residual 5.2. Etapa de transporte 5.3. Etapa de transformación o conversión de biomasa 5.4. Etapa de uso (combustión) 6. Selección de métodos y categorías de impacto 51 V. RESULTADOS 52 1. Análisis de laboratorio realizados para el AVC del biocombustible 2,5 DMF 52 1.1. Resultados del análisis de calidad del suelo zona 1 “Cultivos de Cabuya” 1.2. Resultados del análisis de calidad del suelo zona 2 “Cultivos de Locales” 1.3. Resultados del análisis para determinar metales en el extracto puro de Cabuya (Agave americana L.) 1.4. Resultados del análisis para determinar azúcares en el extracto puro de Cabuya (Agave americana L.) 1.5. Resultados del análisis del extracto hidrolizado de Cabuya (Agave americana L.) 1.6. Resultados del análisis de la muestra deshidratada 2. Fases del ACV del 2,5 DMF 58 2.1. Fase 1 Definiciones 2.2. Fase 2 Análisis de Inventario 3 2.3. Fase 3 Evaluación de Impacto Ambiental 3. Variabilidad de los impactos en el sistema desarrollado 69 4. Análisis de Incertidumbre 70 4.1. Análisis de Monte Carlo 4.2. Incertidumbre de la calidad de datos mediante matriz de Pedigree 5. Análisis de sensibilidad (escenarios propuestos) 72 5.1. Cuantificación y variabilidad de los impactos bajo escenarios propuestos 5.2. Comparación de impactos ambientales del sistema desarrollado y los escenarios propuestos VI. DISCUSION DE RESULTADOS 76 1. Análisis de la calidad del suelo zonas 1 y 2 76 2. Análisis en el extracto de Cabuya (Agave americana L.) 77 3. Análisis de Impactos en categoría Calentamiento Global 77 4. Análisis de impactos en método Recipe-2016 78 5. Análisis de impactos por método Demanda de Energía Acumulada 81 6. Variabilidad de impactos bajo el sistema desarrollado 81 7. Variabilidad y comparación de los impactos ambientales en los 82 escenarios evaluados VII. CONCLUSIONES 83 VIII. RECOMENDACIONES 85 IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 87 X. ABREVIATURAS 98 XI. ANEXOS 99 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Planta de Cabuya (Agave americana L.) encontrada en el área de 21 estudio Figura 2: Hojas de Cabuya (Agave americana L.) recolectadas en el área de 22 estudio Figura 3: Inflorescencia de Cabuya (Agave americana L.) recolectada en área de 22 estudio Figura 4: Simulación de Monte Carlo 27 Figura 5: Ubicación del área de estudio 34 Figura 6: Diagrama esquemático del proceso de conversión de fructosa a 2,5 DMF 40 Figura 7: Diagrama esquemático de la ruta de obtención del biocombustible 49 2,5 DMF Figura 8: Diagrama de Flujo de los procesos unitarios considerados en el ciclo de 50 vida del biocombustible 2,5 DMF Figura 9: Límites del sistema del ciclo de vida del biocombustible 2,5 DMF 59 Figura 10: Diagrama de Red del biocombustible 2,5 DMF analizado mediante 65 categoría Calentamiento Global (Método IPCC-2013) Figura 11: Aporte porcentual por cada proceso intermedio a las categorías de 68 impacto del sistema desarrollado mediante Método Recipe-2016 4 Figura 12: Comparación de emisiones totales entre el sistema desarrollado y 74 EP N° 1 Figura 13: Comparación de Impactos al agua entre el sistema desarrollado y 75 EP N°2 Figura 14: Comparación de consumo de energía fósil entre el sistema desarrollado 76 y EP N° 3 INDICE DE TABLAS Tabla 1 Comparación de las propiedades de combustibles 15 Tabla 2 Factores de emisión por defecto de CO2, CH4 y N2O 18 Tabla 3 Consumo de combustible tipico por km y categoria de vehiculo 19 Tabla 4 Valor calórico neto de combustibles 19 Tabla 5 Valor Calórico Neto y densidad de combustible aéreo 20 Tabla 6 Factores de emisión de CO2, CH4 y N2O del transporte aéreo 20 Tabla 7 Fases de un Análisis de Ciclo de Vida 26 Tabla 8 Matriz de Pedigree 29 Tabla 9 Factores de incertidumbre aplicados a la matriz de Pedigree 30 Tabla 10 Escenarios propuestos para la evaluación de impactos ambientales 33 Tabla 11 Ubicación de los puntos de muestreo 35 Tabla 12 Vehículos y combustibles empleados en el transporte de la biomasa 36 residual Tabla 13 Factor de emisión resultante de los combustibles empleados 37 Tabla 14 Emisiones de GEI por tramo recorrido en el tranporte de biomasa residual 37 Tabla 15 Transporte de insumos importados 38 Tabla 16 Consumo de combsutible estimado según hoja de cálculo AEMA 39 Tabla 17 Emisiones de GEI por tipo de transporte para los insumos importados 39 Tabla 18 Cantidad de compuestos requeridos para reacción de hidrogenólisis 45 Tabla 19 Consumo específico gravimetrico de combustibles evaluados 47 Tabla 20 Emisiones específicas de NOx, THC, CO y CO2 48 Tabla 21 Emisiones de GEI especificas generadas por la combustion de 1 L de 48 cada combustible Tabla 22 Metodos y categorias de impacto ambiental seleccionadas 51 Tabla 23 Análisis de calidad de suelos zona1 “Cultivos de Cabuya” 52 Tabla 24 Análisis de calidad de suelos zona 2 “Cultivos Locales" 54 Tabla 25 Análisis para de determinar metales en extracto puro de Cabuya 55 (Agave americana L.) Tabla 26 Análisis para determinar azúcares en extracto puro de Cabuya 57 (Agave americana L.) Tabla 27 Análisis del extracto hidrolizado 57 Tabla 28 Análisis de la muestra deshidratada deshidratada 58 Tabla 29 Resumen de los flujos de entrada por cada producto intermedio del 60 sistema desarrollado 5 Tabla 30 Resumen de los flujos de salida por cada producto intermedio del 61 sistema desarrollado Tabla 31 Cuantificación de emisiones totales del sistema desarrollado 63 Tabla 32 Emisiones de GEI generadas por la combustión de 1 L de cada 66 combustible Tabla 33 Cuantificación de los impactos en el agua por el sistema desarrollado 69 Tabla 34 Cuantificación del consumo de energia fósil del sistema desarrollado 69 Tabla 35 Variabilidad de impactos al aire, agua y energia del sistema desarrollado 70 Tabla 36 Simulacion de Monte Carlo para los impactos ambientales caracterizados 71 del sistema desarrollado Tabla 37 Analisis de Incertidumbre de calidad de datos para el potencial de 72 Calentamiento Global del sistema desarrollado Tabla 38 Variabilidad de impactos al aire, agua y energía bajo escenarios 73 propuestos INDICE DE ANEXOS Anexo 1. Tomas fotográficas del procedimiento experimental 99 Anexo 2. Traslado de la biomasa residual 112 Anexo 3. Transporte de insumos importados 113 Anexo 4. Constancia N° 298-USM-2019 del Museo de Historia Natural 115 Anexo 5. Informe de Ensayo N° 1-08129/19 Análisis calidad de suelos zona 1 116 Anexo 6. Informe de Ensayo N° 1-08130/19 Análisis calidad de suelos zona 2 117 Anexo 7. Parámetros de calidad de suelos proporcionados por CERPER S.A. 118 Anexo 8. Informe de Ensayo N° 1-08045/19 Análisis de metales por ICP 119 Anexo 9. Informe de Ensayo N° 1-08304/19 Análisis de azúcares por HPLC 121 Anexo 10. Informe Técnico N° 2150-19-LABICER Análisis de fructosa por HPLC 122 Anexo 11. Informe Técnico N° LAB.21-20-018 Análisis de HMF por Cromatografía 124 FID Anexo 12. Rango de incertidumbre de los impactos ambientales caracterizados 125 mediante simulación de Monte Carlo 6 Resumen La investigación tuvo como objetivo la determinación y análisis de los impactos ambientales generados en el ciclo de vida del biocombustible 2,5 Dimetilfurano (DMF), obtenido a partir de hojas de Cabuya (Agave americana L.). La metodología aplicada se basó en la NTP ISO 14040:2017 y la NTP ISO 14044:2019, la Unidad Funcional estudiada fue 1 L de biocombustible. Además, se evaluaron tres Escenarios Propuestos (EP) empleando el software de cálculo SimaPRO y los métodos de análisis fueron: IPCC-2013 Cambio Climático, Recipe-2016 y Demanda de Energía Acumulada. Los resultados fueron: emisiones al aire 243 605.48 kg CO2-eq, impactos en el agua 0.006 kg P-eq, 0.106 kg SO2-eq, 194.48 kg 1,4 DCB, 4.55 m3 de agua y consumo de energía fósil 665.01 MJ. En el EP N° 1 las emisiones se redujeron hasta 149.64 kg CO2-eq. En el EP N° 2 los valores se incrementaron a 0.026 kg P-eq, 0.287 kg SO -eq, 231.19 kg 1,4 DCB y 6.56 m3 2 de agua y en el EP N° 3 se redujo el consumo de energía fósil a 87.18 MJ. Durante el ciclo de vida del biocombustible 2,5 DMF se producen impactos ambientales negativos que afectan tanto al aire, agua y energía. La identificación de los procesos críticos permitió plantear escenarios, a fin de evaluar la variabilidad de los impactos, contribuyendo así al desarrollo de procesos productivos ambientalmente sostenibles con enfoque de economía circular en materia de biocombustibles de segunda generación. Palabras clave: Biomasa, Análisis del Ciclo de Vida (ACV), biocombustible 2,5 DMF, Cabuya (Agave americana L.), impactos ambientales. 7 Abstract The objective of the research was to determine and analyze the environmental impacts generated in the life cycle of the biofuel 2,5 Dimethylfuran (DMF), obtained from Cabuya leaves (Agave americana L.). The applied methodology was based on the NTP ISO 14040: 2017 and the NTP ISO 14044: 2019, the Functional Unit studied was 1 L of biofuel. In addition, three Proposed Scenarios (EP) were evaluated using the SimaPRO calculation software and the analysis methods were: IPCC-2013 Climate Change, Recipe-2016 and Accumulated Energy Demand The results were: air emissions 243 605.48 kg CO2-eq, impacts on water 0.006 kg P-eq, 0.106 kg SO2-eq, 194.48 kg 1.4 DCB, 4.55 m3 of water and consumption of fossil energy 665.01 MJ. In EP N ° 1, emissions were reduced to 149.64 kg CO2-eq. In EP N ° 2 the values increased to 0.026 kg P-eq, 0.287 kg SO2-eq, 231.19 kg 1.4 DCB and 6.56 m3 of water and in EP N ° 3 the consumption of fossil energy was reduced to 87.18 MJ. During the life cycle of the 2.5 DMF biofuel there are negative environmental impacts that affect both air, water and energy. The identification of the critical processes made it possible to propose scenarios in order to evaluate the variability of the impacts, thus contributing to the development of environmentally sustainable production processes with a circular economy approach in the field of second generation biofuels. Keywords: Biomass, Life Cycle Analysis (LCA), 2.5 DMF biofuel, Cabuya (Agave americana L.), environmental impacts. 8 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El consumo de energía desde finales del siglo XIX hasta la actualidad, se ha incrementado aproximadamente 50 veces, debido en gran parte al aumento de la población mundial, que supera actualmente los 7000 millones de habitantes. Asimismo, la mayor demanda de energía, ocasiona el agotamiento de los combustibles fósiles (Viñals et al., 2012; Pérez, 2016; Sikarwar et al., 2017). En efecto, el uso de combustibles fósiles corresponde actualmente al 80% de la energía total usada en el mundo, de la cual 32% recae en el petróleo, 21% en gas y 27% en carbón (Ferrari, 2013; Sikarwar et al., 2017). En consecuencia, este elevado consumo de energía fósil, produce mayores emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) a la atmosfera (Hallgren et al., 2013). En relación a la necesidad de encontrar nuevas fuentes de energía renovables y limpias, la atención mundial se ha enfocado en los recursos de la biomasa (Kaushik y Singh, 2016). Asimismo, el creciente interés en la producción de biocombustibles se ajusta a las nuevas políticas energéticas de Estados Unidos y la Unión Europea, las cuales requieren de un cierto grado de dependencia de energía renovable, como una medida para reducir las emisiones de gases y partículas contaminantes al aire, generadas por el sector transporte (Langholtz et al., 2014; Rulli et al., 2016). Los diversos métodos empleados en la conversión de la biomasa, incluyen procesos térmicos y bioquímicos, que liberan energía en forma de calor, electricidad y también generan biocombustibles liquido o gas (Kaushik & Singh, 2016). La producción de biocombustibles a gran escala ha generado cierta oposición, debido al empleo de cultivos alimenticios como materia prima (González & Castro, 2013). En ese sentido, se han desarrollado sistemas 9 productivos que utilizan biomasa lignocelulósica para generar energía sin afectar la seguridad alimentaria, ocasionando en función del tiempo una reducción de la disponibilidad de carbono orgánico en los suelos (Monforti et al., 2015), siendo los residuos agrícolas la fuente que provee de nutrientes esenciales al suelo (Pérez, 2016). Las hojas de Cabuya (Agave americana L.) representan una importante opción como materia prima secundaria para la generación de biocombustibles, debido a que dicha planta puede resistir bajas temperaturas y condiciones climáticas adversas (Rivera, 2016), estas grandes ventajas permitieron el uso integral del Agave por los pueblos indígenas del Perú, quienes obtuvieron diversos productos como hilos, redes de pesca, tejados, cercos, agujas, chancaca, jarabes curativos, entre otros (Pineda y Uribarri, 2014). El Análisis del Ciclo de Vida (ACV) constituye una herramienta muy útil para evaluar los impactos ambientales de las alternativas energéticas, debido a que no solo toma en cuenta las emisiones producidas en la combustión, sino también considera los impactos generados en todas las etapas que comprenden su producción (Arvesen et al., 2018; Zhang et al., 2017). La presente investigación busca determinar y analizar los potenciales impactos ambientales negativos generados durante el ciclo de vida del biocombustible 2,5 DMF, obtenido a partir de hojas de Cabuya (Agave americana L.). II. Marco Teórico Estados Unidos alcanzó en el año 2012 una producción de cerca de 57 billones de litros de etanol anhidro a partir de cultivos de maíz, en el año 2016 las emisiones de Dióxido de Carbono (CO2) registraron valores 145% más elevados 10 en comparación con la era preindustrial, debido principalmente a las actividades antropogénicas que demandan el uso de combustible fósil y a los cambios de uso del suelo (Organización Meteorológica Mundial [OMM], 2017). Aquellos hechos originaron que las políticas se enfocaran en promover el uso de cultivos no alimenticios como materia prima, principalmente biomasa residual o lignocelulosa (Langholtz et al., 2014). Para aprovechar estos recursos, Estados Unidos proyecta para el año 2022 incrementar su producción en 136 billones de litros de biocombustible, de los cuales aproximadamente 56 billones de litros provendrían de cultivos no alimenticios (Muth et al., 2013). El consumo de energía en el Perú para el sector transporte tuvo un incrementó de 6.9% en el año 2016 respecto al año 2015, lo cual se debió principalmente al consumo de diésel y petróleo. Se registró un aumento de las emisiones de CO2 en el periodo 2013-2016 con una variación de 33.4 a 37.9 mil millones de kg de CO2 (MINEM, 2016). 1. Biocombustibles 1.1. Biocombustibles a nivel mundial Los principales exportadores de biocombustibles en el mundo son: EEUU, Brasil y la Unión Europea, los cuales emplean cultivos energéticos como maíz, caña de azúcar y aceites vegetales, generando de esta manera impactos en los medios de subsistencia, seguridad alimentaria y agua ( Raman et al., 2014). En el caso de Latinoamérica, Brasil alcanzó una producción a escala industrial de bioetanol a partir de la caña de azúcar de aproximadamente 29.35 millones de litros en el 2015. Argentina obtuvo en el mismo año, una producción de biodiesel de soya de más de 2 mil millones de litros y Colombia mediante el desarrollo de la industria de bioetanol y biodiesel logró una producción de 406 mil millones de 11 litros de etanol a partir de la caña de azúcar y 606 mil millones de litros de biodiesel a partir de la palma aceitera en el 2014 (Vásquez et al., 2016). El empleo de mezclas de biocombustibles con gasolinas y diésel ha impulsado su uso como aditivos, generando asi efectos positivos, debido a que la materia prima necesaria para producir algunos de los principales biocombustibles, pueden ser cultivadas en suelos degradados o en reemplazo de cultivos utilizados para la obtención de productos ilegales. En consecuencia, se generarían importantes beneficios sobre la calidad de aire, debido a que los biocombustibles reciclan el CO2 emitido mediante el cultivo de su materia prima. (Ramos et al., 2016; Vásquez et al., 2016). 1.2. Biocombustibles en el Perú A nivel nacional se cuenta con normas técnicas que promueven el desarrollo de los biocombustibles, tales como la Ley N° 28054 de fecha 8 de agosto del 2003, Ley que promueve el mercado de los biocombustibles y su Reglamento aprobado con Decreto Supremo N° 013-2005-EM. Asimismo, se cuenta con el Decreto Supremo N° 021-2007-EM de fecha 18 de abril del 2007, que aprueba el Reglamento para la comercialización de biocombustibles. Dentro de este marco legal nacional, el Perú empezó a producir bioetanol de caña de azúcar a partir del año 2009, alcanzando una producción aproximada de 240 millones de litros en el año 2010, además logró una producción de 97.3 mil barriles de etanol carburante y 0.6 mil barriles de biodiesel B100 en el año 2016 (MEM, 2016). Sin embargo, este escenario se vió opacado, debido a que la mayor parte de la tierra utilizada para los proyectos de biocombustible en el 12 valle de Chira, Piura, tuvo que ser transformada a tierra agrícola, lo cual ocasionó gran presión sobre la oferta del agua en la región (Urteaga, 2013). En materia de biocombustibles a pesar de la normatividad vigente, todavía nos queda mucho por investigar y profundizar en cuanto a los proyectos de generación de biocombustibles, debido a que es necesario establecer políticas claras y concertadas que promuevan el desarrollo de biocombustibles de manera sostenible, siendo un riesgo el impacto que tienen sobre la tierra y los recursos hídricos, dado que el Perú no cuenta con medidas de carácter regulatorio, que incluyan parámetros ambientales relacionados a la disponibilidad de agua para los cultivos energéticos en suelos frágiles (Urteaga, 2017). 1.3. Tipos de biocombustibles a. De Primera generación Los biocombustibles de primera generación son conocidos también como biocombustibles convencionales y se producen actualmente a escala industrial por países como Estados Unidos, Brasil y la Unión Europea, se obtienen a partir de la transformación de cultivos energéticos (azúcares comestibles o aceites). Entre los más comercializados, se tiene el bioetanol, el cual es producido por medio del proceso de fermentación, a partir de cultivos de caña de azúcar, maíz, remolacha, entre otros. Asimismo, el biodiésel es generado mediante el proceso de transesterificación, en el cual se mezclan los aceites y grasas provenientes de plantas oleaginosas con alcohol, generando ésteres grasos (Acosta, 2012; Alejos y Calvo, 2015; Ramos, 2016). 13 b. De Segunda generación o lignocelulósicos Los biocombustibles de segunda generación están constituidos por biomasa que no representa riesgo para los cultivos alimenticios, debido a que utilizan residuos agrícolas y forestales (Acosta, 2012; Pérez, 2016). Los componentes principales de la biomasa lignocelulósica son: la celulosa, hemicelulosa y lignina, los cuales inicialmente fueron empleados como alimento de animales. Sin embargo, en la actualidad poseen múltiples aplicaciones a nivel industrial, especialmente en la producción de combustibles líquidos de segunda generación (Hackenberg, 2014; Viñals et al., 2012). La producción de biocombustibles de segunda generación incorpora diversos procesos tecnológicos, tal es el caso del bioetanol que emplea el proceso de hidrólisis enzimática para liberar los azúcares reductores. Asimismo, la producción de biodiesel utiliza el proceso de Fischer -Tropsch para transformar la biomasa en gas (Morelos, 2016). Biocombustible 2,5 Dimetilfurano (DMF) El 2,5 DMF es un derivado furánico que se encuentra actualmente en investigación, además ha alcanzado mayor interés como biocombustible de segunda generación, debido a sus propiedades fisicoquímicas y a las nuevas rutas de producción más sostenibles (Alexandrino et al., 2017). Entre las propiedades más resaltantes se encuentran, su alto índice de octanaje y baja solubilidad en agua (ver Tabla 1) (Sindhu et al., 2019). Por tanto, la estrategia de la industria química “verde” se enfoca en conseguir rutas de conversión directa de la biomasa a 2,5 DMF, debido a que gran parte de los combustibles líquidos utilizados en el transporte, podrían obtenerse de recursos renovables (Ji et al., 2019) 14 Tabla 1 Comparación de las propiedades de combustibles Propiedades Etanol Gasolina 2,5 DMF Formula molecular C2H6O C2-C14 C6H8O Masa molecular (kg/kmol) 46.07 100-105 96.13 Índice de Octano (RON) 107-110 95.80-96.80 101-119 Densidad a 20°C (kg/L) 0.79 0.75 0.89 Solubilidad en agua (g/L) a 25 °C Muy soluble insoluble Insoluble < 1.47 Contenido de oxigeno gravimétrico (%) 34.78 0 16.67 Temperatura de auto-ignición °C 423 257 285.85 Densidad energética (MJ/L) 23 32.20 31.50 Nota. Adaptado de “Una revisión completa del 2,5 Dimetilfurano como candidato a biocombustible: Innovaciones más allá del bioetanol”, por H. Xu y C. Wang, 2019, Biocombustibles de biomasa Lignocelulósica. En relación a la toxicidad del 2,5 DMF, estudios demuestran que no es mutagénico ni genotóxico, pero sus componentes intermedios pueden presentar mayor toxicidad que el propio DMF. Asimismo, en cuanto a su persistencia, bioacumulación y toxicidad acuática, se encontró que el 2,5 DMF presenta niveles moderados. Respecto al impacto biológico, no se encontraron asociaciones directas a enfermedades. (Phuong et al., 2012). El 2,5 DMF ha sido estudiado a nivel nacional por Lozano (2012), en su artículo titulado “Estudio de pre-factibilidad para la producción de 2,5-DMF como biocomponente energético renovable y limpio para mejorar el octanaje de los biocombustibles de Refinería Talara – PETROPERÚ S. A.”, en el cual determinó que el 2,5 DMF es un biocombustible renovable y limpio debido a que se produce a partir de la biomasa, es hidrofóbico, por lo que no contamina el agua y evita su difusión al ambiente. Asimismo, es biodegradable en el suelo y además necesita 1/3 menos de energía para su evaporación en comparación con el etanol. 15 Ventajas de los biocombustibles de segunda generación Las principales ventajas que poseen los biocombustibles de segunda generación frente a los biocombustibles de primera generación están relacionadas a la materia prima utilizada, puesto que los primeros emplean cultivos no alimenticios (biomasa lignocelulósica), a diferencia de los biocombustibles de primera generación que utilizan cultivos energéticos (Nogués et al., 2010). Asimismo, los biocombustibles de segunda generación presentan una mayor ganancia neta de energía, poseen bajas emisiones y una gran diversidad de materia prima (Hackenberg, 2014; Sindhu et al., 2019). Potenciales Impactos Ambientales generados por los biocombustibles de segunda generación Las emisiones GEI por el uso de biocombustibles no siempre resultan ser menores que las producidas en la quema de los combustibles fósiles, debido a que también se generan emisiones a lo largo de su ciclo de vida (Sikarwar et al., 2017). Se considera tanto las emisiones producidas en la combustión, como los impactos generados en todas las etapas que comprenden su producción (Arvesen et al., 2018; Zhang et al., 2017). Asimismo, la extracción de los residuos agrícolas a gran escala para la producción de energía tiende a generar preocupación por la disponibilidad del carbono orgánico en los suelos (Monforti et al., 2015). La cuantificación de los impactos generados en el ciclo de vida de los biocombustibles de segunda generación podría tener una variación considerable respecto a los impactos reales, debido en muchos casos a supuestos 16 considerados en el análisis y a las decisiones tomadas durante el ciclo de vida del biocombustible (Raman et al., 2014). c. De tercera generación Los biocombustibles de tercera generación son aquellos que se obtienen a partir de algas, las cuales presentan importantes ventajas frente a los otros tipos de biocombustibles, debido a que son una de las materias primas más abundantes del planeta, poseen una elevada cantidad de lípidos, son capaces de fijar CO2, no requieren de un suelo fértil para su cultivo y son de crecimiento rápido (Machado, 2010; Sikarwar et al., 2017; Sindhu et al., 2019). 1.4. Calculo de emisiones debido a la combustión El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) y la Agencia Europea del Medio Ambiente (AEMA) han elaborado una serie de lineamientos que ayudan a calcular las emisiones de GEI debido a la quema de combustibles en diversos medios de transporte. En ese sentido, se presentan las ecuaciones y datos necesarios para llevar a cabo la estimación de las emisiones generadas por el transporte terrestre y aéreo: a. Emisiones debido al transporte terrestre El cálculo de las emisiones debido al transporte terrestre cuando no están disponibles los contenidos de carbono específicos del país, se puede realizar empleando la Ecuación de Nivel 1 y los Factores de Emisión (FE) por defecto para la combustión móvil, descritos en la Enmienda 2019 de las Directrices del IPCC-2006 para los Inventarios Nacionales de GEI (ver Tabla 2). 17 Ecuación (1): Ecuación de Nivel 1 para el cálculo de emisiones Emisiones = ∑[Combustiblea x FEa] a Nota. Tomado de “Enmienda 2019 de las Directrices del IPCC 2006 para los Inventarios Nacionales de GEI”, por IPCC, 2019. Donde: Emisiones = expresadas en (kg) FEa = Factor de emisión del combustible (kg/TJ) Combustiblea = Combustible vendido (TJ) (se considera igual al combustible quemado o consumido) a = Tipo de combustible a (diésel, gasolina, gas natural, GLP, etc.) Tabla 2 Factores de emisión por defecto de CO2, CH4 y N2O CO2 CH4 N2O Tipo de combustible (kg/TJ) (kg/TJ) (kg/TJ) Gasolina para motores 69 300 3.8 5.7 3.9 Diésel 74 100 3.9 Nota. Adaptado de “Enmienda 2019 de las Directrices del IPCC 2006 para los Inventarios Nacionales de GEI”, por IPCC, 2019. El combustible consumido (TJ) se determina mediante la Ecuación 2, para lo cual es preciso conocer el consumo de combustible típico de acuerdo a la categoría del vehículo y tipo de combustible utilizado (ver Tabla 3). Asimismo, para aplicar la ecuación es necesario tener el dato del Valor Calórico Neto (VCN) de los combustibles empleados (ver Tabla 4). Ecuación (2): TJ Combustibleconsumido(TJ) = (Dato de actividad(kg)) (VCN ( )) kg Nota. Tomado de “Enmienda 2019 de las Directrices del IPCC 2006 para los Inventarios Nacionales de GEI”, por IPCC, 2019. 18 Donde: Dato de la actividad: Combustible consumido (kg) VCN= Valor Calórico neto del combustible empleado (TJ/kg) Tabla 3 Consumo de combustible típico por km y categoría de vehículo Consumo de combustible típico Categoría de vehículo Combustible (g/km) Gasolina 70 Vehículo de pasajeros Diésel 60 Gasolina 100 Vehículo de carga ligero Diésel 80 Gas Natural 500 Vehículo pesado carga/ pasajeros Diésel 240 Nota. Adaptado de “Guía de Inventario de Emisiones de contaminantes del aire/ Energía/ Combustión/ Transporte por carretera 2019”, por AEMA, 2019. Tabla 4 Valor calórico neto de combustibles Tipo de combustible VCN Unidad Gasohol 90 0.04 GJ/kg Biodiesel DB5 0.04 GJ/kg Nota: Adaptado de “Reporte Anual de GEI del sector Energía 2016, Categoría: Combustión Móvil”, por Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC), 2020. b. Emisiones debido al transporte aéreo Las directrices elaboradas por el IPCC y la AEMA para determinar las emisiones debido al transporte aéreo requieren para su aplicación de información sobre el VCN y los FE por defecto del tipo de combustible utilizado para avión (ver Tabla 5 y Tabla 6). Ecuación (3): Ecuación de Nivel 1 para Aviación Emisiones = Combustible consumido × FE Nota. Tomado de “Enmienda 2019 de las Directrices del IPCC 2006 para los Inventarios Nacionales de GEI”, por IPCC, 2019. 19 Donde: Emisiones = expresadas en (kg) FE = Factor de emisión del combustible (kg/TJ) Combustible consumido = en unidades de energía (TJ) Tabla 5 Valor Calórico Neto y densidad de combustible aéreo Tipo de combustible VCN (MJ/kg) Densidad (kg/L) Turbo A1 43 0.81 Nota. Adaptado de “Reporte Anual de GEI del sector Energía 2016, Categoría: Combustión Móvil”, por MTC, 2020. Tabla 6 Factores de Emisión de CO2, CH4 y N2O del transporte aéreo FE CO2 FE CH4 FE N2O Tipo de combustible (kg/TJ) (kg/TJ) (kg/TJ) Queroseno para motor de 71 500 0.5 2 reacción Nota. Adaptado de “Enmienda 2019 de las Directrices del IPCC 2006 para los Inventarios Nacionales de GEI”, por IPCC, 2019. 2. Cabuya (Agave americana L.) El Agave es un género de plantas nativas del continente americano (Canadá, Estados Unidos, México, América Central y los Andes Sudamericanos), se desarrolla aproximadamente entre los 800 a 3700 m.s.n.m. y existe mayor variedad de especies en México (Rivera, 2016). Debido a su característica xerófita, muestra gran adaptabilidad a las condiciones climáticas y edáficas desfavorables, concentra una gran fuente de recursos naturales como: fibra, fructanos y productos medicinales (De La Torre et al., 2016). La Cabuya (Agave americana L.) es conocida con el nombre de maguey, pita, chauchau, entre otros. En el Perú crece y se desarrolla en forma silvestre 20 encontrándose en los departamentos de Cajamarca, Huánuco, Huancavelica y Ayacucho. Asimismo, las condiciones climáticas existentes en estas zonas favorecen su crecimiento, siendo cultivada en algunos lugares por los pobladores para su consumo local (ver Figura 1) (Cervantes e Inga, 2015). Figura 1 Planta de Cabuya (Agave americana L.) encontrada en la zona de estudio En relación a sus características físicas esta especie posee tronco corto, hojas largas suculentas, espinas laterales y terminales para incrementar la captación y direccionamiento del agua de lluvia hacia el centro, dispone de una cabeza cilíndrica, raíz primaria y secundaria (ver Figura 2) (Cervantes & Inga, 2015). Las hojas están conformadas por el 68.6% de los carbohidratos que contiene la cabeza (Montañez et al., 2011). Las hojas del género Agave presentan una alta cantidad de azúcares complejos, en comparación con otros cultivos energéticos, estas características facilitan su uso como materia prima para obtener combustibles líquidos (Davis et al., 2017). 21 Figura 2 Hojas de Cabuya (Agave americana L.) recolectadas en el área de estudio Otra característica a destacar del género Agave es su monocarpismo, debido a lo cual florecen una sola vez antes de la muerte (ver Figura 3). Su polinización se da por medio de las abejas, avispas, murciélagos, entre otros. Asimismo, la Cabuya (Agave americana L.) posee importantes propiedades medicinales y es fuente de materia prima para la elaboración de productos como: miel, medicinas, papel y tequila, cuya producción a gran escala genera gran cantidad de biomasa residual útil para la generación de biocombustible liquido u otro tipo de energía (Giraldo, 2017). 22 Figura 3 Inflorescencia del cultivo de Cabuya (Agave americana L.) recolectada en el área de estudio El género Agave también posee la propiedad de bio absorbente de metales pesados como el cadmio (II) y el Plomo (II), registrando valores de 40 mg de plomo y 12.5 mg de cadmio por gramo de fibra a un pH de 2.6. Estas cualidades quelantes se podrían utilizar como fitorremediadora en aguas residuales contaminadas con metales pesados (Guevara y Vallejo, 2014). El néctar del Agave contiene aproximadamente 10% de azúcares, de los cuales el 90% está conformado por sacarosa y el resto por fructanos (oligosacáridos y polisacáridos) constituidos por unidades de fructosa (Cerda, 2011). El cultivo de Agave en el Perú necesita asesoramiento técnico para mejorar el crecimiento de las especies entre 5 a 7 años, aplicando tecnologías de cultivo in vitro, que permitan incrementar su propagación en menor tiempo (Criollo, 2011) y el uso de microorganismos que promuevan el crecimiento de la planta (De La Torre et al., 2016). 23 2.1. Partes de la Cabuya (Agave americana L.) a. Raíz La Cabuya (Agave americana L.) posee raíces primaria y secundaria, esta última llega hasta los 3 m de profundidad y le sirve como soporte, además tienen amplia utilidad en la producción de jabón y champú debido a su contenido de saponinas (Cervantes & Inga, 2015). b. Cabeza La cabeza o tallo es la parte central de planta, posee forma cilíndrica, concentra la mayor parte del néctar y desde aquí nacen las hojas (Cervantes & Inga, 2015). Su tallo es de tipo acaulescente (corto o ausente) y también se le conoce con el nombre de “corazón” o “piña” (Barrientos et al., 2019). c. Hojas Las hojas concentran gran cantidad de azúcares que equivalen a más de la mitad de los que posee la cabeza (Montañez et al., 2011). d. Flor La inflorescencia es de tipo espiga y sus flores poseen un color amarillo verdoso (Barrientos et al., 2019). e. Fruto El fruto es de forma capsular, alargado y en su interior posee una gran cantidad de semillas (Barrientos et al., 2019). f. Semillas Las semillas tienen forma alada y endospermo carnoso (Cervantes & Inga, 2015). 24 3. Análisis del Ciclo de Vida (ACV) El ACV es un tipo de contabilidad ambiental, se caracteriza por ser de carácter iterativo, sus fases individuales utilizan resultados de las fases anteriores. El ACV representa una herramienta esencial para evaluar los aspectos e impactos ambientales potenciales relacionados a un producto o servicio, a fin de plantear alternativas de mejora y orientar la toma de decisiones. El ACV no considera los aspectos económicos y sociales relacionados a un producto o servicio (Rodríguez et al., 2016). El ACV cuantifica los insumos, la energía utilizada en todo el proceso y los residuos liberados al ambiente (Sánchez et al., 2012). El uso de esta metodología permite identificar los puntos críticos o llamados también “hots pots” ambientales de un sistema específico, a fin de poder plantear posibles estrategias de mitigación a cada uno de los procesos críticos identificados (Vázquez et al., 2018). Con relación a los impactos generados por un producto o servicio, es importante tener en cuenta que los contaminantes producidos a lo largo de su ciclo de vida poseen un mecanismo de transporte, que les permite trasladarse de un medio a otro (aire, suelo y agua), causando efectos perjudiciales en la biodiversidad (Falabella et al., 2018). Las Normas Técnicas Peruanas (NTP) utilizadas para el desarrollo de la presente investigación fueron: - NTP-ISO 14040:2017 Gestión Ambiental -- Análisis del Ciclo de Vida -- Principios y Marco de Referencia. - NTP-ISO 14044:2019 Gestión Ambiental – Análisis del Ciclo de Vida – Requisitos y Directrices. 25 3.1. Fases de un AVC Las normas NTP-ISO 14040: 2017 y 14044:2019 consideran que todo ACV está conformado por cuatro fases que se encuentran debidamente interrelacionadas (ver Tabla 7). Tabla 7 Fases de un Análisis de Ciclo de Vida N° de Fase Nombre Descripción Definición de Se define el objetivo del ACV de forma clara y concreta, Fase 1 objetivo, Unidad la UF en base a la cual se realizarán la cuantificación Funcional (UF) y de los impactos y el alcance del sistema para establecer alcance los límites del análisis. Se realiza una recopilación de los datos de entrada, Fase 2 Análisis de Inventario intermedios y de salida de los procesos y operaciones unitarias incluidas en el ACV. Se realiza el cálculo de los impactos generados, en Fase 3 Evaluación de base a los métodos y categorías seleccionadas, a fin de Impacto Ambiental identificar los procesos que generan mayores efectos negativos al ambiente. Fase 4 Interpretación de Representa la base para la definición de las resultados conclusiones, recomendaciones y toma de decisiones. Nota. Adaptado de “Gestión Ambiental- Análisis del Ciclo de Vida – Requisitos y Directrices” (NTP-ISO 14044:2019), por Instituto Nacional de Calidad (INACAL), 2019. 4. Análisis de Incertidumbre 4.1. Análisis de Monte Carlo El análisis de Monte Carlo permite realizar el tratamiento estadístico de los datos de un ACV, mediante repetidas simulaciones, empleando algoritmos para generar valores aleatorios, que luego se utiliza en un modelo simple o complejo para obtener un rango de incertidumbre de los resultados del inventario (ver Figura 4) (Lozano, 2014; Corona, 2016). En ese sentido, contribuye a identificar la precisión de las estimaciones y el rango en el que se puede encontrar el valor real de los impactos (McMurray et al., 2017). 26 Figura 4 Simulación de Montecarlo SIMULACIONES DE MONTE CARLO Datos de entrada 1 Datos de entrada 2 Datos de entrada 3 Aplicación de los resultados de las simulaciones al modelo Distribución final Nota. Tomado de “Guía para aplicar el enfoque de Monte Carlo al análisis de incertidumbre en la contabilidad forestal y de Gases de Efecto Invernadero”, por McMurray et al., 2017, Winrock International. 4.2. Análisis mediante matriz de Pedigree El enfoque semicuantitativo aplicado para determinar la incertidumbre en la calidad de los datos sigue una distribución logarítmica normal y está basado en el uso de la matriz de Pedigree, la cual considera dos tipos de incertidumbre: la Incertidumbre básica (debido a la inexactitud de los datos o error estocástico) y la Incertidumbre adicional (debido al uso de datos imperfectos) (Müller et al., 2014). La matriz de Pedigree evalúa las fuentes de datos en base a cinco indicadores de calidad (confiabilidad, integridad, correlación temporal, correlación geográfica y correlación tecnológica adicional), a su vez cada indicador posee cinco valores de puntuación (ver Tabla 8 y Tabla 9). El análisis se realiza en base a las puntuaciones asignadas a cada indicador, con los cuales se crean grupos de datos y seguidamente se calcula la incertidumbre adicional. Se incluye también 27 en el cálculo, el factor de incertidumbre relacionado a la carga ambiental, el cual equivale a la incertidumbre básica, adicionalmente se toma como referencia la incertidumbre total obtenida para el grupo con puntuación ideal de cada indicador (Ciroth et al., 2016; Vázquez et al., 2017). Para realizar el cálculo matemático de cada proceso unitario se utiliza la Ecuación 4, mediante la cual se obtiene la varianza que luego se transforma en desviación estándar geométrica. Ecuación (4): U 2 2 2 2T = σ = exp √(ln U1) + (ln U2) + (ln U3) + (ln U ) 2 4 + (ln U ) 2 5 + (ln Ub) 2 Ua Nota. Tomado de “Empirically based uncertainty factors for the pedigree matrix in ecoinvent”, por Ciroth et al., 2016, International Journal of Life Cycle Assessment. Donde: UT = Incertidumbre total U1 = Factor de incertidumbre de confiabilidad U2 = Factor de incertidumbre de integridad U3 = Factor de incertidumbre de correlación temporal U4 = Factor de incertidumbre de correlación geográfica U5 = Factor de incertidumbre de correlación tecnológica adicional Ua = Factor de Incertidumbre adicional Ub = Factor de incertidumbre básica 28 Tabla 8 Matriz Pedigree Indicador de 5 1 2 3 4 puntuación (por defecto) Fiabilidad Datos Datos verificados Datos no Estimación Estimaciones no verificados en parte basadas verificados cualificada cualificadas. sobre la base en supuestos o basados en (por de las datos no parte en ejemplo, por mediciones. verificados estimacione experto de basados en s limitadas. la industria). mediciones. Integridad Datos Datos Datos Datos Representativida representativo representativos representati representati d de datos s de todos los de más del 50% vos de sólo vos de un desconocidos de sitios de los sitios algunos solo sitio un pequeño relevantes relevantes para el sitios (< relevantes número de sitios para el mercado 50% de para el y de periodos mercado considerado, sitios pero mercado más cortos. considerado, durante un de menor considerado durante un período suficiente período. , o en período para contrarrestar algunos suficiente para las fluctuaciones sitios, pero contrarrestar normales. a partir de las períodos fluctuaciones más cortos. normales. Correlación Menos de 3 Menos de 6 años Menos de Menos de Antigüedad de temporal años de de diferencia en 10 años de 15 años de los datos diferencia en el período de diferencia diferencia desconocidos o el período de tiempo del en el en el más de 15 años tiempo del conjunto de período de período de de diferencia en conjunto de datos. tiempo del tiempo del el período de datos. conjunto de conjunto de tiempo del datos. datos. conjunto de datos. Correlación Datos del área Datos promedio Los datos Los datos Los datos de una geográfica de estudio. en una gran área del área con del área con zona en la que se las pocas desconocida o incluye el área de condiciones condiciones claramente estudio. de de diferente producción producción (América del similares. similares. Norte en lugar de Oriente Medio, la OCDE y de Europa en lugar de Rusia). Correlación Datos de Datos de Datos de Datos de Datos sobre de nuevos empresas, procesos y procesos y procesos o procesos avances procesos y materiales del materiales materiales relacionados a tecnológicos materiales del estudio (es decir, del estudio, relacionado escala de estudio. idéntica pero de s. laboratorio o de tecnología), pero diferente una tecnología de empresas tecnología. diferente. diferentes. Nota. Adaptado de “Análisis del ciclo de vida como instrumento de desarrollo de la ecología industrial: aplicación al proceso de impresión de un periódico”, por Lozano, 2014. 29 Tabla 9 Factores de incertidumbre aplicados a la matriz de Pedigree 5 Indicador de puntuación 1 2 3 4 (por defecto) Fiabilidad 1 1.05 1.10 1.20 1.50 Integridad 1 1.02 1.05 1.10 1.20 Correlación temporal 1 1.03 1.10 1.20 1.50 Correlación geográfica 1 1.01 1.02 ND 1.10 Correlación de nuevos avances 1 ND 1.20 1.50 2.00 tecnológicos Nota. ND: No definido. Adaptado de “Empirically based uncertainty factors for the pedigree matrix in Ecoinvent”, por Ciroth et al., 2016, International Journal of Life Cycle Assessment. III. OBJETIVOS E HIPOTESIS DE LA INVESTIGACIÓN 1. Objetivo general Determinar y analizar los potenciales impactos ambientales negativos generados en el ACV del biocombustible 2,5 Dimetilfurano, obtenido a partir de hojas de Cabuya (Agave americana L.). 2. Objetivos específicos - Analizar el efecto de la Cabuya (Agave americana L.) y sus hojas sobre la calidad del suelo. - Comparar los impactos ambientales generados bajo el sistema desarrollado y los impactos ambientales obtenidos bajo los escenarios propuestos. - Identificar el escenario más sostenible ambientalmente y el escenario de menor sostenibilidad ambiental entre todos los escenarios evaluados. 30 3. Hipótesis general Durante el ciclo de vida del biocombustible 2,5 Dimetilfurano, obtenido a partir de hojas de Cabuya (Agave americana L.), se generan impactos negativos al aire, agua y energía. IV. METODOLOGÍA La presente investigación empleó la metodología del Análisis del Ciclo de Vida descrita en las NTP-ISO 14040:2017 y NTP-ISO 14044:2019. 1. Tipo de Investigación La presente Investigación corresponde al tipo experimental, dado que los datos de entrada y salida fueron obtenidos mediante procedimientos experimentales a escala de laboratorio, lo cual permitió evaluar los cambios en la variable independiente “Ciclo de vida del biocombustible 2,5-DMF”, a fin de determinar la variación de los efectos en la variable dependiente “Potenciales Impactos Ambientales negativos”. 2. Población La población seleccionada estuvo representada por las plantas de Cabuya (Agave americana L.) existentes en la zona de estudio. 3. Muestra y muestreo La muestra estuvo conformada por 5 hojas de plantas adultas de Cabuya (Agave americana L.), de 6 a 7 años aproximadamente, las plantas jóvenes y maduras fueron descartadas del estudio. Para la selección de las hojas de plantas adultas se aplicó un muestreo de tipo aleatorio simple. 31 4. Técnica de Procesamiento y análisis de datos El procesamiento de la información se realizó mediante el modelamiento de los procesos y operaciones unitarias en el software de cálculo SimaPRO versión 9.0 de origen holandés. Se empleó como entradas y salidas los datos obtenidos de forma experimental y los datos extraídos de la literatura científica, además se utilizó la base de datos Ecoinvent de origen suizo (principal base de datos de un ACV), a fin de realizar la cuantificación de los impactos ambientales por cada método y categoría seleccionada en el software SimaPRO. El análisis de datos estuvo conformado por un análisis de incertidumbre mediante la simulación de Monte Carlo empleando el software SimaPro. Para fortalecer la solidez de la investigación se incluyó el análisis de incertidumbre de la calidad de datos (Incertidumbre básica + Incertidumbre adicional) mediante la matriz de Pedigree. 4.1. Análisis de Sensibilidad El análisis de sensibilidad aplicado al presente estudio buscó evaluar la variabilidad de los impactos ambientales del 2,5 DMF, debido a la sustitución de los procesos críticos y parámetros sensibles identificados en el ACV. Para llevar a cabo el análisis de sensibilidad se empleó el software SimaPRO y se plantearon tres escenarios propuestos (2 positivos y 1 negativo), en los cuales se consideraron condiciones específicas de acuerdo a los procesos críticos identificados en el ACV (ver Tabla 10). Analizado los impactos bajo cada escenario se determinó el escenario con mayor y menor sostenibilidad ambiental para la producción del biocombustible 2,5 DMF. 32 Tabla 10 Escenarios propuestos para la evaluación de impactos ambientales Escenario Evaluación del Consideraciones propuesto (EP) Impacto EP N° 1: Al aire Escenario positivo que considera el transporte de la materia prima secundaria en un solo tramo con vehículo de carga ligero; asimismo, la sustitución de la hidrólisis enzimática por una hidrólisis térmica, con lo cual se evitaría la importación de la enzima del extranjero; además, se incluye la adquisición de insumos en un mercado local. EP N° 2: Por degradación del Escenario negativo que considera un agua sistema sin recirculación de materiales (productos evitados). EP N° 3: Por consumo de Escenario positivo que considera el uso de energía energía obtenida por cogeneración, empleando bagazo de Cabuya, a fin de abastecer la demanda total de energía del sistema. 5. Procedimiento para la obtención del biocombustible 2,5 DMF 5.1. Etapa de extracción y recolección de biomasa residual Esta etapa se llevó a cabo en el distrito de Huanca-Huanca, provincia de Angaraes, región Huancavelica, consideró un análisis del área de estudio y un análisis de calidad de suelo de las zonas seleccionadas. La extracción y recolección de la biomasa residual inicio con el retiro de las hojas de Cabuya (Agave americana L.) utilizando guantes protectores y una herramienta de corte. La biomasa recolectada fue cubierta con papel periódico para luego ser colocada de forma vertical dentro de bolsas plásticas y finalmente fue almacenada para su traslado a la ciudad de Lima. a. Análisis del área de estudio El distrito de Huanca-Huanca se encuentra ubicado aproximadamente a 3700 m.s.n.m., siendo la agricultura y ganadería las principales actividades 33 económicas. Debido a su ubicación geográfica esta zona es de difícil acceso y las condiciones de vida de sus pobladores se encuentran en un alto nivel de pobreza, además no cuentan con acceso a los servicios básicos para una vida saludable. El área de estudio estuvo conformada por dos zonas, la primera donde existían cultivos de Cabuya (Agave americana L.) se le denominó Zona 1 “Cultivos de Cabuya” y a la segunda donde existían diversos cultivos, se le denominó: Zona 2 “Cultivos locales” (ver Figura 5). Cabe mencionar, que la extracción y recolección de las muestras vegetales fue con la ayuda y autorización del señor Rafael Alvarado Moroche, agricultor local y dueño de la parcela de cultivo. Figura 5 Ubicación del área de estudio Nota. Tomado de Google-earth. Los ejemplares de Cabuya (Agave americana L.) encontrados en la zona seleccionada eran utilizados en su mayoría como cerco vivo alrededor de los terrenos agrícolas y en zonas de laderas para evitar la erosión de los suelos. 34 De acuerdo con la información recibida de los agricultores locales, el suelo donde se encontraban los “Cultivos de Cabuya” no recibe tratamiento para su fertilización ni riego periódico, razón por la cual el desarrollo de los cultivos es dependiente directamente de las condiciones ambientales del lugar. Por su parte, el suelo de la zona de “Cultivos Locales” era tratado con residuos agrícolas y excretas de ovinos, además utilizaban riego por goteo y aspersión mediante el uso de mangueras. Entre los principales cultivos principales destacan: papa, cebada, maíz, arveja y trigo, los cuales son utilizados para consumo familiar y para comercio con los pueblos aledaños. b. Análisis de Calidad de suelos El análisis completo de calidad de suelos fue realizado en el laboratorio de Certificaciones del Perú (CERPER) S.A. mediante el método de ensayo EPA 200.7.1994, con el objetivo de comparar la calidad de suelo de las zonas seleccionadas La recolección de muestras se realizó en cuatro puntos de muestreo en cada zona (ver Tabla 11). Tabla 11 Ubicación de los puntos de muestreo Zona 1: “Cultivos de Cabuya” Zona 2: “Cultivos Locales” Coordenadas Coordenadas Puntos de Coordenadas UTM WGS84- Coordenadas geográficas UTM WGS84- muestreo geográficas ZONA 18 S ZONA 18 S Latitud Longitud Norte Este Latitud Longitud Norte Este P1 12°51’42.24’’ 74°37’34.45’’ 8578125 540554 12°51’41.69’’ 74°37’33.46’’ 8578142 540584 P2 12°51’42.70’’ 74°37’34.62’’ 8578111 540549 12°51’41.82’’ 74°37’33.32’’ 8578138 540588 P3 12°51’42.73’’ 74°37’34.28’’ 8578110 540559 12°51’21.56’’ 74°37’33.19’’ 8578146 540592 P4 12°51’42.21’’ 74°37’33.92’’ 8578126 540570 12°51’41.43’’ 74°37’33.42’’ 8578150 540585 35 Los rangos de valores aceptados para cada parámetro en el análisis de suelos fueron proporcionados por el laboratorio CERPER y se emplearon como referencia para comparar los resultados obtenidos en cada zona (Ver Anexo 7). 5.2. Etapa de transporte La etapa de transporte de la biomasa residual consideró un viaje de ida y uno de retorno. Para el caso del transporte de insumos importados se consideró solo el envío desde el lugar de origen del producto. a. Transporte de biomasa residual El viaje de ida se realizó el viernes 30 de agosto del año 2019, inició en bus desde la ciudad de Lima rumbo a la ciudad de Huancavelica con un tiempo de viaje de 10 horas, se continuó el viaje en automóvil durante un tiempo de 3 horas hasta el distrito Huanca-Huanca, en donde se realizó la recolección de la biomasa residual. Para el retorno a la ciudad de Lima se utilizó la misma ruta y tipos de vehículos (ver Tabla 12). Tabla 12 Vehículos y combustibles empleados en el transporte de la biomasa residual Cantidad Distancia Tipo de Combustible de recorrida Trayecto recorrido Tramo vehículo utilizado pasajeros (km) 1 Vehículo 70 Diésel DB5 846 Trayecto ida desde Agencia pesado tipo (ida y Buses Lima hasta Agencia bus (transporte vuelta) Buses Huancavelica y de carga/ retorno mismo punto. pasajeros) 2 Vehículo ligero 3 Gasohol 90 218 Trayecto ida desde Agencia tipo automóvil octanos (ida y buses Huancavelica hasta (transporte de vuelta) zona de cultivo distrito pasajeros) Huanca-Huanca y retorno mismo punto. 3 Vehículo ligero 1 Gasohol 90 13.7 Trayecto se consideró solo tipo automóvil octanos (solo ida) ida desde Agencia buses (transporte de Lima hasta UNALM, distrito pasajeros) La Molina. 36 Los combustibles comercializados en el Perú, como el gasohol de 90 octanos y Diésel B5, contienen 7.8% de bioetanol y 5% de biodiésel respectivamente. En ese sentido, para determinar el FE resultante de los combustibles empleados en la investigación, se disminuyó el valor equivalente al porcentaje del contenido del biocombustible en el FE por defecto del combustible fósil (ver Tabla 13). Tabla 13 Factor de emisión resultante de los combustibles empleados COMBUSTIBLE 1 COMBUSTIBLE 2 GEI FEGEI-gasolina FEGEI-bioetanol FEGEI-gasohol FEGEI-Diésel FEGEI-biodiésel FEGEI-diéselB5 (kg GEI/TJ) (kg GEI/TJ) (kg GEI/TJ) (kg GEI/TJ) (kg GEI/TJ) (kg GEI/TJ) CO2 69 300.00 5 406.00 63 894.00 74 100.00 3 705.00 70 395.00 CH4 3.80 0.30 3.50 3.90 0.20 3.70 N2O 5.70 0.45 5.26 3.90 0.20 3.70 Nota. GEI: Gas de Efecto Invernadero, FE: Factor de Emisión. Las emisiones debido al transporte de la biomasa residual fueron calculadas empleando la Ecuación de Nivel 1 y los FE por defecto para la combustión móvil de las Directrices del IPCC (ver Tabla 14). Cabe indicar, que se utilizó el Nivel 1 de cálculo y los valores por defecto, debido a que no se encuentran disponibles los contenidos del carbono específicos del país. Tabla 14 Emisiones de GEI por tramo recorrido en el transporte de biomasa residual FEGEI-comb./ Consumo de Trayectos N°pasajeros Total emisiones GEI combustible recorridos (kg-GEI /TJ) (kg GEI) (TJ) CO2 8.12 x 10-3 1 005.64 8.17 Tramo 1 CH4 8.12 x 10-3 0.05 0.42 x 10-3 (Diésel B5) N2O 8.12 x 10-3 0.05 0.42 x 10-3 CO2 0.61 x 10-3 21 298.20 13.00 Tramo 1 CH4 0.61 x 10-3 1.17 0.71 x 10-3 (Gasohol 90 ) N2O 0.61 x 10-3 1.75 1.07 x 10-3 37 CO2 0.04 x 10 -3 63 894.60 2.45 Tramo 1 CH4 0.04 x 10 -3 3.50 0.13 x 10-3 (Gasohol 90 ) N2O 0.04 x 10-3 5.26 0.20 x 10-3 Nota. GEI: Gas de Efecto Invernadero, FE: Factor de Emisión b. Transporte de insumos importados Se consideró solo el transporte de insumos importados, debido a que no se producen en el país (ver Tabla 15). Para el resto de insumos utilizados se consideró un transporte por defecto incluido en los datos de inventario del software de cálculo SimaPRO. Tabla 15 Transporte de insumos importados Distancia Insumo Tipo de Lugar de Lugar de Compañía recorrida importado transporte origen destino (km) Aeropuerto Aeropuerto Enzima Sigma- Transporte Internacional Internacional 5 810.85 Inulinasa Aldrich aéreo de Lambert Jorge Chavez (tramo 1) (Estados (Perú) Unidos) Transporte Aeropuerto Universidad 24.20 Terrestre Internacional Nacional (tramo 2) Jorge Chavez Agraria la (Perú) Molina Transporte Aeropuerto Aeropuerto 6079.67 aéreo Internacional Internacional (tramo 1) Logan Jorge Chavez Strem (Estados (Perú) Catalizador Chemicals, Unidos) CuRu/C INC Transporte Aeropuerto Universidad 24.20 Terrestre Internacional Nacional (tramo 2) Jorge Chavez Agraria la (Perú) Molina Para determinar el combustible consumido en el transporte aéreo, se empleó la base de cálculo en Excel de la AEMA para aviación, correspondiente al año 2019 (ver Tabla 16). Asimismo, se consideró como combustible tipo Turbo jet A1 y un modelo de avión Airbus 330 para transporte de carga. 38 Tabla 16 Consumo de combustible estimado según hoja de cálculo AEMA Insumo transportado Total millas náuticas Total combustible quemado (nmi) recorridas (kg) Enzima Inulinasa de Asperlligus Níger 3137.61 38 506.30 metal CuRu/C 3282.76 40 101.73 Las emisiones de GEI producidas por el transporte de insumos importados fueron calculadas utilizando la Ecuación de Nivel 1 para aviación y los FE por defecto para el transporte aéreo de las Directrices del IPCC (ver Tabla 17). Tabla 17 Emisiones de GEI por tipo de transporte para los insumos importados Insumo Consumo de FEGEI-comb Total importado Tipo de combustible emisiones GEI transporte (kg-GEI /TJ) (TJ) (kg GEI) Aéreo CO2 1.66 71 500.00 118 387.62 (Turbo Jet CH4 1.66 0.50 0.83 Enzima A1) N2O 1.66 2.00 3.31 Inulinasa CO2 0.09 x 10-3 63 894.60 5.73 Terrestre CH4 0.09 x 10-3 3.50 0.31 x 10-3 (Gasohol 90) N2O 0.09 x 10-3 5.26 0.47 x 10-3 Aéreo CO2 1.72 71 500.00 123 292.77 (Turbo Jet CH4 1.72 0.50 0.86 Catalizador A1) N2O 1.72 2.00 3.45 CuRu/C CO2 0.09 x 10-3 63 894.60 5.73 Terrestre CH4 0.09 x 10-3 3.50 0.31 x 10-3 (Gasohol 90) N2O 0.09 x 10-3 5.26 0.47 x 10-3 Nota. GEI: Gas de Efecto Invernadero, FE: Factor de Emisión. 5.3. Etapa de transformación o conversión de biomasa Se llevó a cabo en el laboratorio de Química (Q-1) de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Agraria La Molina, ubicada en el distrito de La Molina, departamento de Lima. Para realizar la conversión de la fructosa se aplicó el 39 método desarrollado por Leshkov et al., (2007) (ver Figura 6). Asimismo, para complementar el citado método se realizó el pre-tratamiento de la biomasa, el prensado y la reacción de hidrólisis de fructanos. Figura 6 Diagrama esquemático del proceso de conversión de fructosa a 2,5 DMF Solvente Agua/ Solvente/ HCl + Agua (Solvente) Fase extractiva Catalizador (Solvente) Fase acuosa (HCl, NaCl) Fructosa Nota. Tomado de “Production of Dimethylfuran for liquid fuels from biomass-derived carbohydrates”, por Leshkov et al., 2007, Nature. a. Pre-tratamiento de la biomasa residual Para realizar la extracción de los fructanos, se aplicó el procedimiento reportado por Montañez et al. (2011), el cual consistió en someter las hojas de Cabuya (Agave americana L.) a un pretratamiento que incluyó el lavado de hojas, cortado y cocción. Después de realizar el lavado de hojas con agua de grifo, se retiraron las espinas empleando una tijera podadora, para luego separar las bases de las puntas 40 Solvente e Intermediarios (parte media superior) utilizando un cuchillo, debido a que las bases presentan mayor contenido de néctar. Posteriormente, las bases fueron cortadas en trozos pequeños para su cocción a una temperatura de 200°C. El consumo eléctrico del horno empleado se determinó considerando una potencia de 0.80 kW y un tiempo de cocción de 30 min. Las partes de las hojas no utilizadas (puntas, espinas y restos secos) fueron dispuestos como residuos de esta etapa. Sin embargo, estas partes son empleadas por los pobladores locales para la elaboración de hilos, cuerdas, agujas y compost para los cultivos. b. Prensado de los trozos de cabuya Se empleó un extractor de jugos casero para realizar el prensado de los trozos de Cabuya (Agave americana L.), a fin de obtener el extracto puro (aguamiel). Para determinar el consumo eléctrico del extractor casero, se consideró una potencia eléctrica de 0.30 kW y un tiempo de uso de 2 h de uso aproximadamente. El principal sub-producto obtenido de esta operación es el bagazo de Cabuya (Agave americana L.), el cual representa un recurso de especial importancia por poseer múltiples aplicaciones en la industria como la producción de papel, compost, energía, productos artesanales, bio absorbente (natural) y carbón activado. c. Filtrado y Dilución del extracto de cabuya El extracto puro fue filtrado utilizando una bomba de vacío, seguidamente el extracto filtrado se diluyo con agua ultra pura hasta obtener una muestra con 5% 41 en peso de extracto. Cabe mencionar, que la potencia eléctrica de la bomba de vacío utilizada fue de 0.10 kW y el tiempo de uso fue de 1 h. Análisis de Espectrometría de Masas con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-MS) El análisis de ICP-MS fue realizado en el laboratorio CERPER S.A. mediante el método de ensayo EPA 200.7.1994, para lo cual se envió una muestra en estado líquido de 500 mL de extracto de Cabuya (Agave americana L.). El análisis de ICP-MS tiene especial importancia para el proceso de conversión, porque determina la cantidad y tipos de metales presentes en la muestra de extracto puro. Dado que la presencia de metales en el extracto podría actuar como un tipo de inhibidor irreversible afectando la actividad enzimática durante la hidrólisis. Análisis de Cromatografía Liquida (HPLC) determinación de Azúcares Individuales y totales El análisis de HPLC para azúcares fue realizado en el laboratorio CERPER S.A. mediante el método de ensayo AACC 80-0401.11 thEd 2009, para lo cual se envió una muestra de 250 mL de extracto de Cabuya (Agave americana L.). El análisis de HPLC fue necesario para determinar la cantidad y tipos de azúcares individuales (monosacáridos) presentes en el extracto puro previo al proceso de hidrolisis enzimática. d. Hidrólisis enzimática de los fructanos La muestra diluida fue sometida a hidrólisis enzimática, empleando la enzima Inulinasa liofilizada de Aspergillus Níger (Merck) β-D-2,1- fructano 42 fructohidrolasa, la cual fue activada en una disolución amortiguadora a pH 5.5 en relación de (1:4). Posteriormente, las disoluciones fueron dispuestas en tubos eppendorf de 5 mL de capacidad y llevadas al horno eléctrico a 55°C. El consumo eléctrico del horno se determinó empleando una potencia eléctrica de 0.80 kW y un tiempo de reacción por muestra de 120 min. Análisis de Cromatografía Liquida (HPLC) de alto rendimiento para la determinación de fructosa El análisis de HPLC para fructosa fue realizado en el laboratorio Labicer ubicado en la Universidad Nacional de Ingeniería mediante el método AOAC 977.20 “Separation of Sugars in Honey”, a fin de determinar el contenido de fructosa en la muestra de extracto hidrolizado de Cabuya (Agave americana L.). e. Deshidratación ácida de la fructosa Los insumos y materiales empleados fueron: un catalizador ácido (HCl) a 0.25 M, un solvente de bajo punto de ebullición (1-butanol) y una sal (NaCl) al 35% p/V para mejorar la eficiencia en la extracción del 5-Hidroximetilfurfural (HMF). Se utilizó una bomba calorimétrica que cumplía la función de reactor de mesa casero, en su interior se colocó disoluciones de HCl, 1-butanol y NaCl, además se consideró una relación volumétrica de las fases orgánica y acuosa (Vorg/Vaq) de 3:2. Se utilizó un equipo agitador magnético con calentamiento, para someter la reacción a un baño de glicerina a 453 K y agitación constante durante 4 min, luego de este tiempo se dejó enfriar el reactor. Para el cálculo del consumo 43 eléctrico del agitador magnético, se consideró una potencia eléctrica de 1.52 kW y un tiempo de reacción de 1.47 h. f. Extracción y purificación de la fase orgánica El procedimiento para la extracción y purificación se inició con la separación de las fases orgánica y acuosa 1 empleando un embudo de decantación, luego se neutralizó el contenido de ácido en la muestra de fase orgánica utilizando una disolución de NaHCO₃. Se agregó un agente químico deshidratante Na2SO3 para extraer el contenido de agua presente en la muestra y se agitó por 5 min. En el embudo de decantación fue retirada la capa de agua formada en el fondo del recipiente (fase acuosa 2). La fase orgánica libre de agua se filtró empleando un embudo de vidrio y papel filtro a fin de retener las partículas de sal, obteniendo la fase orgánica purificada con el reactivo de interés (5-HMF). Tanto la fase acuosa 1 como las partículas de sal retenidas en el filtrado fueron recirculadas al proceso de deshidratación, a fin de reducir la cantidad de materiales empleados y residuos generados. Análisis por cromatografía de gases para la determinación de 5-HMF El análisis de cromatografía de gases con Detector de Ionización de Llama (FID) fue realizado en el laboratorio N° 21 de Investigación y Química Aplicada de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Ingeniería aplicando el método de ensayo EPA 8015B, mediante inyección directa con una columna capilar, se determinó el contenido de 5-HMF en la muestra deshidratada. 44 g. Hidrogenólisis Los elementos de entrada para la reacción de hidrogenólisis fueron modelados a partir de los datos obtenidos en el proceso anterior y mediante el empleo de fuentes secundarias de artículos científicos (ver Tabla 18). Tales como la investigación a escala de laboratorio para la obtención de 2,5 Dimetilfurano, realizada por Leshkov et al. (2007) y al Análisis Tecno-económico para la producción de Dimetilfurano e Hidroximetilfurfural a partir de fructosa pura en procesos catalíticos, elaborada por Kazi et al. (2011). En ese sentido, el procedimiento se inicia con la carga de la fase orgánica purificada (5-HMF+ solvente transportador), catalizador CuRu/C en el reactor discontinuo o batch. Previamente es necesario purgar el aire al interior del reactor con H2 para luego sellarlo. Las condiciones de reacción fueron: presión de 6.8 bar de H2 durante 10 h, temperatura de 493 K con una agitación de 400 RPM, se consideró también un consumo eléctrico del calentador de 45 kW-h. Con relación a los flujos de salida, se obtienen dos fases: la fase acuosa (agua + subproductos) y la fase orgánica (solvente + DMF), siendo necesaria su separación, para luego proceder a recircular la fase acuosa al proceso anterior. La fase orgánica se lleva a una destilación fraccionada para obtener el biocombustible generado y el solvente transportador es recirculado al proceso de deshidratación acida. 45 Tabla 18 Cantidad de compuestos requeridos para reacción de hidrogenólisis Magnitudes medidas 5-HMF (C6H6O3) H2 2,5 DMF (C6H8O) H2O N° de moles iniciales 1.00 3.00 1.00 2.00 N° de moles finales 9.26 27.78 9.26 18.52 Masa molecular (g/mol) 126.10 2.02 96.13 -- Masa (kg) requerida 1.17 0.06 0.89 -- Densidad (g/L) 1290.00 -- 890.00 -- Volumen (L) requerido 0.91 -- 1.00 -- Rendimiento energético del 2,5 DMF El rendimiento energético del 2,5 DMF se determinó mediante la relación entre la energía desprendida por el biocombustible durante la combustión y la energía empleada durante su proceso de generación. Para realizar el cálculo se consideró el valor calorífico del biocombustible y un escenario de producción local (adquisición de insumos en mercado local, uso de energía obtenida por cogeneración del bagazo de cabuya), siendo factible conocer si la contribución energética del 2,5 DMF es útil o beneficiosa en relación con la energía consumida en su producción. 5.4. Etapa de uso (combustión) El proceso de combustión completa fue evaluado mediante el software SimaPRO y se realizó una comparación entre las emisiones totales en kg CO2-eq de 2,5 DMF, gasolina sin plomo y etanol anhidro, con el fin de conocer el combustible de mayor impacto sobre el calentamiento global. Para realizar el cálculo fue necesario recolectar datos de las emisiones específicas que se generan durante la quema de cada combustible seleccionado. Los datos de consumo de combustible, gases de combustión y valores caloríficos fueron obtenidos de la literatura científica consultada, dichos valores fueron 46 ingresados al software de cálculo SimaPRO, a fin de realizar la evaluación por el método IPCC-2013 en la categoría de impacto Cambio Climático. Para conocer la cantidad de combustible empleado y las emisiones generadas, se consideró el consumo especifico gravimétrico necesario para producir 1 kW en 1 h (ver Tabla 19). El cálculo se realizó para carga baja con Presión Efectiva Media (IMEP) de 3.5 bar y carga alta con IMEP de 7.5 bar. Tabla 19 Consumo especifico gravimétrico de combustibles evaluados Ítem Combustibles Densidad Unidad 3.5 bar IMEP 8.5 bar IMEP 1 Biocombustible 2,5 DMF (DMF) 890 g/L g 325 297 680 g/L 2 Gasolina sin plomo (ULG) g 250 235 3 Biocombustible Etanol (ETH) 798 g/L g 398 352 Nota. Adaptado de “Effect of spark timing load on a DISI engine fueled with 2,5-dimethylfuran”, por Ritchie et al., 2011, Fuel. Para determinar las emisiones totales generadas por cada tipo de combustible se utilizaron las emisiones específicas de NOx, THC, CO, y CO2 para cada IMEP y tipo de carga del motor seleccionada (ver Tabla 20). Asimismo, para el cálculo de las emisiones de GEI especificas generadas por la combustión de 1 L de cada combustible se utilizó el valor de la densidad de cada uno de ellos (ver Tabla 21). 47 Tabla 20 Emisiones específicas de NOx, THC, CO y CO2 Gasolina sin Etanol (ETH) 2,5 DMF Ítem Principales GEI plomo (ULG) Unidad 3.5 8.5 3.5 8.5 3.5 8.5 bar bar bar bar bar bar 1 Óxidos de Nitrógeno g 6.85 11.20 6.75 9.00 5.5 9.10 (NOx) 2 Hidrocarburos Totales g 6.80 4.80 7.50 5.20 2.60 1.85 (THC) 3 Monóxido de Carbono g 35.60 28.30 33.50 30.50 35.20 28.20 (CO) Dióxido de Carbono 4 g 900.00 825.00 840.00 792.00 870.00 780.00 (CO2) Nota. Adaptado de “Effect of spark timing load on a DISI engine fueled with 2,5-dimethylfuran”, por Ritchie et al., 2011, Fuel. Tabla 21 Emisiones de GEI especificas durante la combustión Gasolina sin 2,5 DMF plomo (ULG) Etanol (ETH) Ítem Emisiones Unidad 3.5 8.5 3.5 8.5 3.5 8.5 bar bar bar bar bar bar IMEP IMEP IMEP IMEP IMEP IMEP Óxidos de 1 g 18.76 30.67 18.36 24.48 10.90 18.04 Nitrógeno (NOx) Hidrocarburos 2 g 18.62 13.15 20.40 14.14 5.15 3.67 Totales (THC) Monóxido de 3 g 97.49 77.50 91.12 82.96 69.78 55.90 Carbono (CO) Dióxido de 4 kg 2.47 2.26 2.28 2.37 1.73 1.55 Carbono (CO2) El procedimiento para la generación del 2,5 DMF se puede observar en el diagrama esquemático que resume de forma gráfica su ruta de obtención (ver Figura 7). Asimismo, se presenta un diagrama de flujo, en donde se aprecian los flujos de entrada, salida e intermedios, pertenecientes a todos los procesos y operaciones unitarias consideradas en el ACV (ver Figura 8). 48 Figura 7 Diagrama esquemático de la ruta de producción del biocombustible 2,5 Dimetilfurano desarrollado en la presente investigación PRE- TRATAMIENTO sale del BIOMASA RESIDUAL sistema Bagazo de Cabuya (cortado, lavado, (sub-producto) cocinado) Extracción de biomasa residual MOLIENDA (cabuya – A. americana L.) (extracción de néctar de Extracto de cabuya) cabuya Filtrado de extracto Extracto diluido Extracto de cabuya diluido NaCl reciclado Solución de Enzima fructosa Inulinasa HMF + Soluci Hidrolisis ón Fase orgánica Solvente a m o r ti g u a d o r a enzim á t i c a 1-butanol (HMF + Solvente) HCl Separación Adición de Filtración de agua NaSO4 anhidro Solución NaCl Deshidratación Separación fase (retención (formación de presente en acida orgánica- acuosa NaCl) fase acuosa) solvente Fase acuosa (H2O, 1- H2O reciclada H2O para b utanol, HCl, fructosa tratamiento no reaccionada co- 2,5 DIMETILFURANO (sale del productos) reciclada sistema) H2 CuRu/C 2,5 DMF + Solvente Destilación extractor fraccionada HMF + Separación fase Solvente Hidrogenolisis orgánica- acuosa (Reactor Batch) Solvente extractor 49 Figura 8 Diagrama de Flujo de los procesos y operaciones unitarios considerados en el ciclo de vida del biocombustible 2,5 DMF Herramienta de corte, Extraccion y recoleccion de Hojas no seleccionadas para bolsas plásticas, hojas de Cabuya el proceso, formaran parte alcohol, cultivos de de la biomasa del suelo, o se cabuya. Hojas de cabuya emplearan para obtener seleccionadas productos de interés local. Gasohol de 90 / Diésel Transporte de materia prima - Emisiones de GEI B5 e insumos (combustión) - Generación de energía Hojas de cabuya mecánica maduras sucias Agua de grifo Lavado de hojas Agua de lavado Hojas de cabuya limpias Cuchillo y Puntas, espinas y partes de podadera Cortado (bases y puntas) hojas no utilizadas. Hojas cortadas en trozos Energía eléctrica Coccion (horno) Ningún residuo Trozos de hojas blandos - Bagazo de cabuya (sub-Energía eléctrica y agua Prensado (extractor casero) producto) de grifo - Agua de lavado Extracto puro de Cabuya Energía eléctrica Residuos de partículas Filtrado (bomba de vacio) solidas Extracto de cabuya filtrado Agua ultra pura Ningún residuo Dilución - Energía eléctrica Extracto diluido de - Enzima Inulinasa Cabuya - Solución amortiguadora Hidrolisis enzimatica (Horno) Agua de lavado - Agua ultra pura - Agua de grifo Disolución de - Catalizador ácido (HCL) fructosa - Solvente (1-butanol) Deshidratacion acida (bomba Agua de lavado - Sal (NaCl) calorimetrica) - Energía eléctrica Fase orgánica y fase - Agua ultra pura acuosa - Agua de grifo - Fase acuosa - Agente químico Separacion y purificacion de - Partículas sólidas de sal deshidratante fase organica - Agua de lavado - Agua ultra pura - Bicarbonato de sodio Disolución de 5-HMF - Agua de grifo - Sulfito de sodio anhidro - Catalizador Ru/C Hidrogenolisis (reactor batch) Fase acuosa 2 - Hidrógeno Biocombustible 2,5 DMF Disposición final (combustión) Emisiones de GEI 50 6. Selección de métodos y categorías de impacto El modelamiento de los procesos y operaciones unitarias se realizó en el software de cálculo SimaPRO, para lo cual se seleccionaron los métodos y categorías de impacto ambiental a evaluar (ver Tabla 22). Asimismo, se ingresaron los datos obtenidos en el desarrollo experimental y de esa manera se cuantificaron los impactos ambientales producidos. Tabla 22 Métodos y categorías de impacto ambiental seleccionadas Método Categoría de Unidad Aplicación Impacto Calentamiento kg CO2- eq Cuantifica las emisiones de GEI totales del IPCC 2013 Global 100 años sistema, mediante la evaluación del potencial de Cambio calentamiento global, considerando como Climático horizonte de evaluación un tiempo de 100 años. Acidificación kg SO2- eq Mide la pérdida de la capacidad que tiene el suelo para neutralizar los agentes químicos ácidos, los cuales regresan a este producto de las emisiones a la atmosfera de óxidos de azufre y nitrógeno, además mediante los mecanismos de transporte como la lixiviación y escurrimiento se trasladan al agua. Eutrofización kg P-eq Cuantifica el incremento desmedido de nutrientes en el medio acuático, los cuales generan a su vez el aumento de la biomasa y destrucción de la diversidad. ReCiPe Ecotoxicidad kg 1,4- Mide los efectos tóxicos que impactan sobre la 2016 DCB superficie, agua dulce y marina. Considera como factor de caracterización la persistencia ambiental, el grado de exposición y el efecto o nivel de toxicidad de un producto químico. Toxicidad humana kg 1,4- Mide la persistencia y la bioacumulación en la DCB cadena alimenticia humana, causados por el contacto con tóxicos. Consumo de agua m3 Mide el consumo total de agua del sistema, tanto (directo + el consumo directo (empleado en cada proceso y indirecto) operación unitaria), como el consumo indirecto (agua consumida en la producción de los materiales e insumos empleados). Energía Fósil No MJ Mide el consumo de energía fósil del sistema, Demanda renovable considerando tanto el gasto de energía por los de Energía equipos eléctricos, como la energía fósil Acumulada empleada en la producción de los materiales e insumos utilizados. Nota. Adaptado de “Evaluación de la huella de agua, caso de estudio: quesos de pasta semidura”, por Falabella et al., 2018, Instituto Nacional de Tecnología Industrial. 51 La fase 4 Interpretación del ACV se incluyó como parte de la sección Discusión de resultados, en la cual se interpretaron y fundamentaron los resultados obtenidos en la fase de evaluación de impacto. Se realizó la comparación de los resultados obtenidos bajo el sistema desarrollado en la investigación y los resultados obtenidos bajo los escenarios propuestos. V. RESULTADOS 1. Análisis de laboratorio realizados para el ACV del biocombustible 2,5 DMF 1.1. Resultados del análisis de calidad del suelo zona 1 “Cultivos de Cabuya” Los resultados del análisis de calidad del suelo de la zona 1 “Cultivos de Cabuya”, se muestran en la Tabla 23. Previo tratamiento de la muestra, los análisis se realizaron por ICP-MS, técnica analítica que permite analizar muestras acuosas con concentraciones de analito de 1 x 10‒6 mg/L, utilizando el método de ensayo EPA 200.7.1994. Los resultados comprenden dos etapas: en la primera se determinó los parámetros fisicoquímicos referentes a pH, CE, disponibilidad de P, K, materia orgánica y clase textural del suelo (franco arenoso). En la segunda se determinó la concentración de metales livianos (Na, K, Ca, Mg, B) y pesados (Cu, Fe, Mn, Zn) caracterizados como macronutrientes y micronutrientes, los cuales son biológicamente fundamentales en el crecimiento y desarrollo de los cultivos de Cabuya (Agave americana L.). 52 Tabla 23 Análisis de calidad de suelos zona 1 “Cultivos de Cabuya” Parámetros Valores pH 7.27 CE (ds/m) (*) 1.00 P disponible mg/kg 8.49 K disponible mg/kg 272.00 % Arena 58.00 Análisis textural % Limo 28.00 % Arcilla 14.00 Clase textural Franco arenoso Ca2+ 12.17 Capacidad de Mg2+ 2.76 Intercambio K1+ 0.58 catiónico Na1+ 0.29 meq/100g Al3+ <0.01 Suma de cationes 15.80 C.I.C. 15.80 Materia orgánica % 4.62 CaCO3 % 6.60 Ca2+ 5350.00 Mg2+ 604.20 Elementos (SO )2‒ 4 7.41 disponibles mg/kg B 1.52 Cu 5.08 Fe 25.40 Mn 29.93 Zn 16.73 Nota. Adaptado de Informe de Ensayo N° 1-08129/19, por CERPER S.A., 2019. 1.2. Resultados del análisis de calidad del suelo zona 2 “Cultivos Locales” Los resultados del análisis de calidad del suelo de la zona 2 “Cultivos Locales”, se muestran en la Tabla 24. Previo tratamiento de la muestra los análisis se realizaron por ICP-MS, técnica analítica que permite analizar muestras acuosas con concentraciones de analito de 1 x 10‒6 mg/L, utilizando el método de ensayo EPA 200.7.1994. Los resultados comprenden dos etapas: en la primera se determinó los parámetros fisicoquímicos referentes a pH, CE, disponibilidad de P, K, materia orgánica y clase textural del suelo (franco). En la segunda se 53 determinó la concentración de metales livianos (Na, K, Ca, Mg, B) y pesados (Cu, Fe, Mn, Zn) caracterizados como macronutrientes y micronutrientes, los cuales son biológicamente fundamentales en el crecimiento, desarrollo y subsistencia de los vegetales, animales y el ser humano. Tabla 24 Análisis de calidad de suelos zona 2 “Cultivos Locales” Parámetros Valores pH 7.45 CE (ds/m) (*) 0.54 P disponible mg/kg 1.45 K disponible mg/kg 256.70 % Arena 50.00 Análisis textural % Limo 30.00 % Arcilla 20.00 Clase textural Franco Ca2+ 14.43 Mg2+ 4.14 Capacidad de K1+ 0.73 Intercambio catiónico Na1+ 0.30 mEq/100g Al3+ <0.01 Suma de cationes 19.60 C.I.C. 19.60 Materia orgánica % 1.77 Co3Ca % 5.19 Ca2+ 6805.00 Mg2+ 616.80 Elementos disponibles (SO4)2‒ 4.94 mg/kg B 1.20 Cu 4.23 Fe 10.50 Mn 7.93 Zn 4.47 Nota. Adaptado de Informe de Ensayo N° 1-08130/19, por CERPER S.A., 2019. 1.3. Resultados del análisis para determinar metales en el extracto puro de Cabuya (Agave americana L.) Los resultados del análisis para determinar metales en el extracto puro de Cabuya (Agave americana L.), se muestran en la Tabla 25. Previo tratamiento de la muestra los análisis se realizaron por ICP-MS, técnica analítica que permite analizar muestras acuosas con concentraciones de analito de 1 x 10‒6 mg/L, 54 utilizando el método de ensayo EPA 200.7.1994. En los resultados se muestra la presencia de no metales y metales livianos bioacumulados por encima del límite de detección (B, Ba, Ca, K, Mg, P, Sr). Los metales pesados bioacumulados por encima del límite de detección (Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Zn) y los no metales, metales livianos y metales pesados que están por debajo del límite de detección (Be, Li, Na, Se, As, Ag, Ce, Co, Cr, Hg, Mo, Ni, Sb, Sn, Pb, Tl, V). La población de la zona consume como bebida alcohólica el extracto de Cabuya (Agave americana L.) fermentado que contiene Al (2.41 mg/kg) y Cd (0,2 mg/kg) bioacumulados durante el crecimiento y desarrollo de la planta. Tabla 25 Análisis para determinar metales en el extracto puro de Cabuya (Agave americana L.) Ensayo LC Unidad Resultados 2.41 Aluminio (Al) 0.25 mg/kg <0.25 Antimonio (Sb) 0.25 mg/kg <0.06 Arsénico (As) 0.06 mg/kg 0.63 Bario (Ba) 0.05 mg/kg <0.05 Berilio (Be) 0.05 mg/kg 1.81 Boro (B) 0.25 mg/kg 0.20 Cadmio (Cd) 0.05 mg/kg 2 844.00 Calcio (Ca) 2.50 mg/kg Metales por <0.02 ICP-MS Cerio 0.02 mg/kg <0.05 Cobalto (Co) 0.05 mg/kg 0.39 Cobre (Cu) 0.05 mg/kg <0.05 Cromo (Cr) 0.05 mg/kg <0.10 Estaño (Sn) 0.10 mg/kg 2.23 Estroncio (Sr) 0.05 mg/kg 186.00 Fósforo (P) 0.50 mg/kg 1.22 Hierro (Fe) 0.20 mg/kg 55 <0.15 Litio (Li) 0.15 mg/kg 1 168.00 Magnesio (Mg) 0.35 mg/kg 1.36 Manganeso (Mn) 0.05 mg/kg <0.01 Mercurio (Hg) 0.01 mg/kg <0.05 Molibdeno (Mo) 0.05 mg/kg <0.05 Níquel (Ni) 0.05 mg/kg <0.54 Oxido de Silicio 0.54 mg/kg <0.05 Plata (Ag) 0.05 mg/kg <0.10 Plomo (Pb) 0.10 mg/kg 570.00 Potasio (K) 4.50 mg/kg <0.25 Selenio (Se) 0.25 mg/kg <1.50 Sodio (Na) 1.50 mg/kg <0.25 Talio (Tl) 0.25 mg/kg <0.15 Titanio (Ti) 0.15 mg/kg <0.05 Vanadio (V) 0.05 mg/kg Zinc (Zn) 0.05 mg/kg 5.33 Nota. LC: Limite de cuantificación. Adaptado de Informe de Ensayo N° 1-08045/19, por CERPER S.A., 2019. 1.4. Resultados del análisis para determinar azúcares en el extracto puro de Cabuya (Agave americana L.) Los resultados del análisis para determinar azúcares (monosacárido y disacáridos) en el extracto puro de Cabuya (Agave americana L.) se muestran en la Tabla 26. Los análisis se realizaron por HPLC utilizando el método de ensayo AACC 80-0401.11. Los resultados obtenidos corresponden a valores por debajo del límite de detección (0.70 g/100g) para azúcares individuales (reductores) y para disacáridos (maltosa y sacarosa). 56 Tabla 26 Análisis para determinar azúcares en extracto puro de Cabuya (Agave americana L.) Ensayo LC Unidad Resultados Fructosa 0.70 g/100 g <0.70 Azúcares Glucosa 0.70 g/100 g <0.70 individuales y totales Lactosa 0.70 g/100 g <0.70 Maltosa 0.70 g/100 g <0.70 Sacarosa 0.70 g/100 g <0.70 Azúcares reductores 0.70 g/100 g <0.70 Azúcares Totales 0.70 g/100 g <0.70 Nota. LC: Limite de cuantificación. Adaptado de Informe de Ensayo N° 1-08304/19, por CERPER S.A., 2019. 1.5. Resultado del análisis del extracto hidrolizado de Cabuya (Agave americana L.) El resultado del análisis del extracto hidrolizado de Cabuya (Agave americana L.) se muestra en la Tabla 27. Los análisis se realizaron por HPLC utilizando el método de ensayo AOAC 977.20. El resultado obtenido representa el 40.22 % de fructosa liberada en la hidrólisis. Tabla 27 Análisis del extracto hidrolizado Análisis Resultado(1) R.S.D (2) Fructosa Fructosa 40.22 % 0.004% Nota. (1) Porcentaje expresado como masa entre volumen. (2) R.S.D.: Desviación estándar relativa. Adaptado de Informe de Ensayo N° 2150-19, por LABICER, 2019. 1.6. Resultado del análisis de la muestra deshidratada El resultado del análisis de la muestra deshidratada se indica en la Tabla 28. El análisis se realizó por cromatografía de gases con Detector de Ionización de 57 Llama (FID), utilizando el método de ensayo EPA 8015B. El resultado demuestra la presencia del compuesto 5-HMF (0.008 mg/L) en la muestra deshidratada. Tabla 28 Análisis de la muestra deshidratada Concentración HMF Archivo de Muestra HMF Tr mg/mL Cromatograma MP-std Muestra Patrón 28.900 0.765 FOE Muestra fase 29.010 0.008 orgánica Nota. Tr: Tiempo de reacción. Adaptado de Informe de Ensayo N° 21-20-19, por Laboratorio de Investigación y Química Aplicada UNI, 2019. 2. Fases del ACV del 2,5 DMF 2.1. Fase 1 Definiciones a. Propósito del ACV del biocombustible 2,5 DMF Analizar los impactos ambientales negativos en el agua, aire y energía, generados en el ciclo de vida del biocombustible 2,5-DMF, identificando los procesos críticos para reemplazarlos en los escenarios propuestos. b. Unidad Funcional (UF) La UF estudiada fue 1 L de biocombustible 2,5 DMF. c. Alcance El alcance del ACV del biocombustible 2,5 DMF comprendió el desarrollo de 4 etapas: extracción y recolección de las hojas de Cabuya (Agave americana L.), transporte de materia prima e insumos importados, conversión de la biomasa residual y la etapa de uso (ver Figura 9). En ese sentido, se encuentran fuera del alcance el ACV del biocombustible 2,5 DMF, la fase de cultivo de la planta, el cambio indirecto de uso de suelo, la distribución hacia el usuario final y el análisis económico. Por lo tanto, el ACV realizado tuvo una perspectiva de la “tumba a la 58 tumba”, puesto que inicia con la recolección de biomasa residual (fin de vida de la planta) y finaliza con el uso (quema del biocombustible). Figura 9 Límites del sistema del ciclo de vida del biocombustible 2,5 DMF Imp actos ambientales al aire, agua y consumo de energía Entorno sistema –Limite del sistema EXTRACCION Y TRANSPORTE TRANSFORMACIÓN Uso RECOLECCIÓN DE BIOMASA RESIDUAL •Materia • Pre- •Combustión •Analisis prima tratamiento completa 2,5 del area secundaria •Hidrólisis DMF de estudio enzimatica •Insumos: •Toma de catalizador •Deshidratacion muestras ácidaRu/ de suelo •Purificacion y enzima filtrado Inulinasa • Hidrogenólisis Recursos Primarios Bagazo de cabuya Hojas de Cabuya Energía Agua 2.2. Fase 2 Análisis de Inventario Los valores de los flujos de entrada y salida correspondiente a cada producto intermedio obtenido en el desarrollo del ciclo de vida del biocombustible 2,5 DMF se muestran en las Tablas 29 y 30 respectivamente. Los resultados del análisis de inventario corresponden al resumen de los cálculos y mediciones realizadas en cada etapa de la recopilación de datos. 59 Tabla 29 Resumen de los flujos de entrada por cada producto intermedio del sistema desarrollado Biomasa Biomasa Disol. Biocom. residual Extracto Disol. Disol. Entradas pre- Extracto 2,5 DMF7 Unid. útil1 2 Cabuya 3 Fructosa5 5-HMF6 tratada Cabuya4 Bolsas de plástico (polietileno de baja g 5.00 -- -- -- -- -- -- densidad) Alcohol medicinal (etanol) g 15.78 -- -- -- -- -- -- Papel periódico (reciclado) g 15.00 -- -- -- -- -- -- Transporte terrestre materia prima secundaria – km/p Tramo 1 (bus/ 70 erson 12.09 pasajeros) a Transporte terrestre materia prima secundaria – -- -- -- -- -- -- km 72.67 Tramo 2 (auto/3 pasajeros) Transporte terrestre materia prima secundaria – -- -- -- -- -- -- km 13.70 Tramo 3 (auto/ 1 pasajero) Hojas de Cabuya kg 1.00 recolectadas Biomasa residual útil kg -- 0.82 -- -- -- -- -- Agua de grifo L -- 0.50 -- -- -- -- -- Consumo eléctrico - -- 0.40 -- -- -- -- -- cocinado (Pretratamiento) kW-h Biomasa residual kg -- -- 0.54 -- -- -- -- pretratada Consumo eléctrico - -- -- 0.60 -- -- -- -- Prensado kW-h Agua de grifo (lavado de L -- -- 0.50 -- -- -- -- materiales) Extracto de cabuya puro L -- -- -- 0.25 -- -- -- Consumo eléctrico - filtrado -- -- -- 0.10 -- -- -- kW-h Agua ultrapura –dilución L -- -- -- 4.73 -- -- -- Disolución de extracto de L -- -- -- -- 4.98 -- -- cabuya Enzima Inulinasa mg -- -- -- -- 311.50 -- -- Asperlligus Niger Transporte aéreo de kgkm -- -- -- -- 1.81 -- -- enzima Inulinasa (tramo 1) Transporte terrestre de kgkm -- -- -- -- 0.01 -- -- enzima Inulinasa (tramo 2) solución amortiguadora a g -- -- -- -- 40.34 -- -- pH 5,5 (sal fosfato) Agua ultrapura L -- -- -- -- 1.25 -- -- Agua de grifo L -- -- -- -- 1.00 -- -- Consumo eléctrico horno kW-h -- -- -- -- 9.97 -- -- disolución de fructosa L -- -- -- -- -- 6.23 -- Catalizador ácido HCl g -- -- -- -- -- 0.28 -- Solvente 1-butanol kg -- -- -- -- -- 20.00 -- Sal NaCl kg -- -- -- -- -- 6.54 -- Agua ultrapura kg -- -- -- -- -- 12.66 -- Agua de grifo L -- -- -- -- -- 4.00 -- Consumo eléctrico-agitador -- -- -- -- -- -- magnético con calentador kW-h 2.23 Bicarbonato de sodio g -- -- -- -- -- 51.68 -- disolución 5-HMF kg -- -- -- -- -- -- 23.36 Rutenio g -- -- -- -- -- -- 35.01 Transporte aéreo de -- -- kgkm -- -- -- -- 212.85 Catalizador Ru/C (tramo 1) 60 Transporte terrestre de -- -- kgkm -- -- -- -- 0.85 Catalizador Ru/C (tramo 2) Consumo eléctrico del -- -- -- -- -- -- reactor kW-h 45.00 Hidrógeno g -- -- -- -- -- -- 56.00 Nota. 1 Biomasa residual útil: comprende las etapas de extracción y recolección de la biomasa residual y el transporte de la biomasa residual. 2 Biomasa pre tratada: abarca el pretratamiento (lavado, cortado y cocción). 3 Extracto de Cabuya: comprende la operación de prensado. 4 Disolución de extracto: comprende operaciones unitarias de filtrado y dilución.5 Disolución de fructosa: abarca el proceso de hidrolisis enzimática y transporte de enzima. 6 Disolución de 5-HMF: comprende el proceso de Deshidratación acida y extracción y purificación de fase orgánica. 7 Biocombustible 2,5 DMF: abarca proceso de hidrogenolisis, transporte de catalizador, separación y extracción de biocombustible 2,5 DMF. Tabla 30 Resumen de los flujos de salida por cada producto intermedio del sistema desarrollado Biomasa Disol. Biomasa Extracto Disol. Disol. Biocom. Salidas Unidad residual extracto pretratada Cabuya Fructosa 5-HMF 2,5 DMF útil Cabuya Residuos de bolsas g 5.00 -- -- -- -- -- -- plásticas Residuos de papel g -- -- -- -- -- -- 15.00 periódico Emisiones de CO2 debido al transporte terrestre de materia -- -- -- -- -- -- prima secundaria (Tramo kg 8.17 1° ida y vuelta). Bus/ 70 pasajeros Emisiones de CH4 debido al transporte terrestre de materia -- -- -- -- -- -- prima secundaria (Tramo kg 0.43 x 10-3 1° ida y vuelta). Bus/ 70 pasajeros. Emisiones de N2O debido al transporte terrestre de materia prima secundaria (Tramo -- -- -- -- -- -- 1° ida y vuelta). Bus/ 70 kg 0.43 x 10-3 pasajeros. Emisiones de CO2 debido al transporte terrestre de materia prima secundaria (Tramo -- -- -- -- -- -- 13.00 2° ida y vuelta). kg Automóvil / 3 pasajeros Emisiones de CH4 debido al transporte terrestre de materia prima secundaria (Tramo -- -- -- -- -- -- kg 0.70 x 10-3 2° ida y vuelta). Automóvil / 3 pasajeros Emisiones de N2O debido al transporte terrestre de materia prima secundaria (Tramo -- -- -- -- -- -- -2 2° ida y vuelta). kg 0.11 x 10 Automóvil / 3 pasajeros Emisiones de CO2 debido al transporte terrestre de materia -- -- -- -- -- -- prima secundaria (Tramo kg 2.45 3° solo ida). Automóvil/ 1 pasajero. Emisiones de CH 4 debido al transporte -- -- -- -- -- -- -3 terrestre de materia kg 0.13 x 10 61 prima secundaria (Tramo 3° solo ida). Automóvil/ 1 pasajero Emisiones de N2O debido al transporte terrestre de materia -- -- -- -- -- -- prima secundaria (Tramo kg 0.20 x 10-3 3° solo ida). Automóvil/ 1 pasajero Biomasa residual útil kg 0.82 -- -- -- -- -- -- (producto intermedio) Residuos de biomasa kg 0.18 recolectada (deteriorada) Agua de lavado L -- 0.50 -- -- -- -- -- Residuo de biomasa vegetal (trozos no -- -- -- -- -- -- usados, puntas y kg 0.28 espinas) Biomasa pretratada kg -- 0.54 -- -- -- -- -- Agua de lavado L -- 0.50 -- -- -- -- Residuos de biomasa vegetal (trozos no -- -- -- -- -- -- kg 0.35 utilizados y bagazo de cabuya) Extracto puro de cabuya L -- -- 0.25 -- -- -- -- (producto intermedio) Residuos de partículas sólidas orgánicas -- -- -- -- -- -- g 90.48 retenidas en filtrado Disolución de extracto de -- -- -- -- -- -- cabuya L 4.98 Agua de lavado L -- -- -- -- 1.00 -- -- Disolución de fructosa L -- -- -- -- 6.23 -- -- Emisiones de CO2 debido al transporte -- -- -- -- aéreo de enzima kg -- -- 118 387.60 Inulinasa Emisiones de CH4 debido al transporte -- -- -- -- -- -- aéreo de enzima kg 0.83 Inulinasa Emisiones de N2O debido al transporte kg -- -- -- -- -- -- aéreo de enzima 3.31 Inulinasa Emisiones de CO2 debido al transporte kg -- -- -- -- -- -- terrestre de enzima 5.73 Inulinasa Emisiones de CH4 debido al transporte g -- -- -- -- -- -- terrestre de enzima 0.31 Inulinasa Emisiones de N2O debido al transporte g -- -- -- -- -- -- terrestre de enzima 0.47 Inulinasa Agua de lavado L -- -- -- -- -- 4.00 -- Fase acuosa 1 (se recircula a proceso de deshidratación, se -- -- consideró como L -- -- -- 14.00 producto evitado. -- -- -- -- -- -- L 2.58 62 Fase acuosa 2 (agua residual para tratamiento) Partículas de sal reciclada-producto evitado (se recircula a -- -- 5.88 proceso de kg -- -- -- deshidratación acida) Disolución de 5-HMF (fase orgánica -- -- -- -- -- -- kg 23.36 purificada) Emisiones de CO2 debido al transporte -- -- -- -- -- -- aéreo de catalizador kg 123 292.80 Ru/C Emisiones de CH4 debido al transporte -- -- -- -- -- -- aéreo de catalizador kg 0.86 Ru/C Emisiones de N2O debido al transporte -- -- -- -- -- aéreo de catalizador kg -- 3.45 Ru/C Emisiones de CO2 debido al transporte -- -- -- -- -- -- terrestre de catalizador kg 5.72 Ru/C Emisiones de CH4 debido al transporte -- -- -- -- -- -- -3 terrestre de catalizador kg 0.31 x 10 Ru/C Emisiones de N2O debido al transporte -- -- -- -- -- -- -3 terrestre de catalizador kg 0.47 x 10 Ru/C Fase acuosa recirculada -- -- (producto evitado) L -- -- -- -- 3.00 Solvente transportador recuperado y recirculado -- -- kg -- -- -- -- 19.00 (producto evitado) Biocombustible 2,5 DMF L -- -- -- -- -- -- 1.00 2.3. Fase 3 Evaluación de Impacto Ambiental a. Método Cambio Climático IPCC 2013 El total de emisiones calculadas mediante la categoría de impacto Calentamiento Global para la generación de 1 L de biocombustible 2,5 DMF se muestra en la Tabla 31. El resultado neto alcanza un valor de 2.44 x 105 kg CO2-eq por efecto de las emisiones especificas generadas debido al transporte de insumos importados, el proceso de hidrólisis enzimática y la hidrogenólisis. 63 Tabla 31 Cuantificación de emisiones totales del sistema desarrollado Categoría de Impacto Calentamiento Global 100 años para UF (1 L de biocombustible 2,5 DMF) Productos Intermedios/ Final Valor (kg CO2- eq) Biomasa residual útil 51.80 Biomasa residual pretratada 51.90 Extracto de cabuya puro 52.00 Disolución de extracto 52.10 Disolución de fructosa 1.19 x 105 Disolución de 5-Hidroximetilfurfural 1.20 x 105 Biocombustible 2,5 Dimetilfurano 2.44 x 105 El Diagrama de Red obtenido del software SimaPro se muestra en la Figura 10, en donde se observa la contribución de emisiones específicas de cada proceso desarrollado al valor total de emisiones del sistema (ACV del biocombustible 2,5 DMF). Asimismo, Las flechas rojas de mayor grosor indican mayor contribución de emisiones de GEI y las flechas delgadas señalan menor contribución. Las barras laterales ubicadas en cada proceso muestran el nivel de contribución individual al resultado neto de emisiones. 64 Figura 10 Diagrama de Red del biocombustible 2,5 DMF analizado mediante categoría Calentamiento Global (Método IPCC-2013) 0.001 m3 B IOCOMBUSTIBLE 2,5 D IMETILFURANO 2.44E5 kg CO2 eq 23.4 kg 1 p 1 p 202 MJ SOLUCION DE Transporte T ransporte aereo E lectricity, high 5-HIDROXIMETILFU terrestre de d e catalizador voltage {PE}| R FURAL1 c atalizador en rutenio en avion p roduction mix | 1 .19E5 kg CO2 eq 5.86 kg CO2 eq 1.24E5 kg CO2 eq 1 3.6 kg CO2 eq 0 .00623 m3 1 kg 8 0.4 MJ S OLUCION DE 1 -butanol {GLO}| E lectricity, high F RUCTOSA market for | APOS, v oltage {PE}| U electricity 1.19E5 kg CO2 eq 3.26 kg CO2 eq 9 .3 kg CO2 eq 0 .00498 m3 1 p 1 p SOLUCION DE Transporte de Transporte E XTRACTO DE e nzima Inulinasa t errestre de enzima CABUYA (Agave e n avion de carga Inulinasa en 5 1.9 kg CO2 eq 1.19E5 kg CO2 eq 5 .86 kg CO2 eq 0.000249 m3 E XTRACTO DE C ABUYA PURO ( Agave americana 51.8 kg CO2 eq 0.541 kg BIOMASA R ESIDUAL PRE-TRATADA 5 1.7 kg CO2 eq 0.819 kg BIOMASA RESIDUAL UTIL (HOJAS DE 5 1.6 kg CO2 eq 1 p 1 p 1 p T ransporte de T ransporte de T ransporte de biomasa residual biomasa residual b iomasa residual en bus tramo 1 e n automovil en automovil 9 .61 kg CO2 eq 3 5.3 kg CO2 eq 6.65 kg CO2 eq 8 .64E4 m T ransport, p assenger car, s mall size, petrol, 26.1 kg CO2 eq 0.691 kg 4.99 kg Passenger car, P etrol, low-sulfur p etrol/natural gas {RoW}| market for | {GLO}| market for | APOS, U 4 .9 kg CO2 eq 3 .28 kg CO2 eq 0 .691 kg Passenger car, petrol/natural gas {GLO}| production | 4 .9 kg CO2 eq 0 .511 kg G lider, passenger car {GLO}| market f or | APOS, U 3.28 kg CO2 eq 0.511 kg Glider, passenger car {GLO}| production | APOS, 3.28 kg CO2 eq Nota. Tomado de software de cálculo SimaPro 65 Los resultados de las emisiones en la etapa de uso del biocombustible se indican en la Tabla 32, se consideró las emisiones totales generadas en la combustión completa del biocombustible 2,5 DMF. Las evaluaciones fueron comparadas para diferentes cargas del motor utilizando combustibles comerciales como gasolina sin plomo y etanol anhidro. Tabla 32 Emisiones de GEI generadas por la combustión de 1 L de cada combustible Combustible IMEP 3.5 IMEP 8.5 (kg CO2-eq) (kg CO2-eq) 2,5 DMF 3.63 3.42 Etanol anhidro 3.08 2.89 Gasolina sin plomo 2.82 2.90 b. Método de Evaluación Recipe-2016 Los resultados de los impactos por degradación del agua del sistema desarrollado se muestran en la Tabla 33. Dichos valores corresponden a los productos intermedios obtenidos en las operaciones y procesos unitarias del ciclo de vida del 2,5 DMF. Se aprecia que los procesos que contribuyen en mayor medida al consumo neto de agua del sistema son la hidrogenólisis y la deshidratación ácida. Los resultados obtenidos en la categoría Acidificación tienen influencia por la cantidad de SO2 equivalente proveniente de la combustión en el transporte como en los procesos industriales para la producción de los insumos empleados. En la categoría Eutrofización los valores indican una contribución de los procesos debido a la cantidad de P equivalente proveniente de efluentes con alta carga orgánica. En la categoría Ecotoxicidad se observa mayor contribución por efecto del transporte y consumo de energía. En la 66 categoría Toxicidad humana influye la persistencia de 1,4-DCB como contribución del proceso de deshidratación acida. Tabla 33 Cuantificación de los impactos en el agua por el sistema desarrollado Categorías de impacto evaluadas mediante método Recipe-2016 para UF (1 L de biocombustible 2,5 DMF) Productos Intermedios/ Final Consumo Acidificación Eutrofización Ecotoxicidad Toxicidad de agua (kg SO2- eq) (kg P-eq) (kg 1,4-DCB) humana (m3) (kg 1,4-DCB) Biomasa residual útil 0.026 0.046 0.001 137.645 10.730 Biomasa residual 0.056 0.046 0.001 137.655 10.830 pretratada Extracto puro 0.101 0.046 0.001 137.845 10.832 Disolución de extracto 0.115 0.047 0.001 137.845 10.835 Disolución de fructosa 0.867 0.052 0.002 140.102 11.498 Disolución de 5-HMF 3.180 0.305 0.025 267.986 70.360 Biocombustible 2,5 4.548 0.106 0.006 156.020 31.976 DMF El aporte porcentual de cada producto intermedio a las categorías de impacto evaluadas del sistema desarrollado mediante el Método Recipe- 2016 se presenta en la Figura 11. En donde se puede observar de forma gráfica el nivel de contribución de cada producto intermedio al resultado neto. 67 Figura 11 Aporte porcentual por cada producto intermedio a las categorías de impacto evaluadas del sistema desarrollado mediante el Método Recipe-2016 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Acidificación Eutrofización Ecotoxicidad Toxicidad humana Biomasa residual útil Biomasa residual pre-tratada Extracto de cabuya puro Solución de extracto Solución de fructosa Solución de 5-Hidroximetilfurfural Biocombustible 2,5 Dimetilfurano c. Método Demanda de Energía Acumulada (LHV) Los resultados obtenidos en la categoría Energía Fósil No renovable se indican en la Tabla 34. Dichos valores demuestran que el proceso de deshidratación ácida consume mayor cantidad de energía fósil. Permitiendo apreciar una importante reducción en el valor neto respecto al penúltimo producto intermedio y restringiendo la formación de otros productos al ser recirculados al sistema. 68 Tabla 34 Cuantificación del consumo de energía fósil del sistema desarrollado Categoría de impacto Energía fósil no renovable para UF (1 L de biocombustible 2,5 DMF) Productos Intermedios/ Final Valor (MJ) Biomasa residual útil 359.00 Biomasa residual pre-tratada 360.00 Extracto puro 363.00 Disolución de extracto 363.00 Disolución de fructosa 402.00 Disolución de 5-HHMF 1.92 x 103 Biocombustible 2,5 DFM 665.00 Rendimiento energético del 2,5 DMF El rendimiento energético calculado bajo un escenario de producción local, sin necesidad de importar insumos fue de 0.38, dicho resultado se debe a que 1 L de biocombustible bajo estas condiciones consume 82.30 MJ de energía fósil, considerando como dato de valor calorífico del 2,5 DMF 31.5 MJ/L. 3. Variabilidad de los impactos en el sistema desarrollado Los resultados de la variabilidad de los impactos en el sistema desarrollado se muestran en la Tabla 35, en donde la variación de los impactos del aire, agua y energía fueron evaluados para distintas cantidades de biocombustible 2,5 DMF, observando que el aumento en la producción de 2,5 DMF produce un incremento en los impactos, por utilizar mayor cantidad de energía fósil en el transporte y producción de insumos, además de un mayor consumo de agua e incremento de residuos del sistema. 69 Tabla 35 Variabilidad de impactos al aire, agua y energía del sistema desarrollado Biocombustible Emisiones Consumo Eutrofización Acidificación Ecotoxicidad Toxicidad Consumo 2,5 DMF (L) GEI (kg de agua (kg P-eq) (kg SO2-eq) (kg 1,4 DCB) humana de energía CO 32-eq) (m ) (kg 1,4 fósil (MJ) DCB) 1 243605.48 4.55 0.01 0.12 162.50 31.98 665.01 10 243669.25 14.67 0.02 0.29 274.89 72.72 1887.78 20 243811.91 25.92 0.04 0.51 399.76 117.98 3246.76 30 243882.85 37.18 0.05 0.72 524.63 163.25 4605.83 40 243953.79 48.42 0.07 0.94 649.50 208.52 5964.90 50 244309.46 60.42 0.09 1.16 775.77 254.14 7323.99 100 243605.48 115.93 0.17 2.22 1398.73 480.12 14119.47 4. Análisis de Incertidumbre 4.1. Análisis de Monte Carlo Los resultados del análisis de incertidumbre mediante la simulación de Monte Carlo para cada categoría de impacto evaluada se indican en la Tabla 36. Dicho análisis fue realizado en base a un intervalo de confianza del 95%, observando que la mayoría de categorías evaluadas presentan un nivel de incertidumbre bajo, siendo la desviación estándar de cada categoría de impacto dividida por la media menor a 0.3. La categoría Cambio Climático posee menor incertidumbre acumulada. Las categorías Eutrofización y Consumo de Agua obtuvieron un porcentaje de variación alto, lo que indica una mayor incertidumbre con valores de confianza distanciados de la media. 70 Tabla 36 Simulación de Monte Carlo para los impactos ambientales caracterizados del sistema desarrollado Categorías de Impacto Unidad Media SD CV 2,5 % 97.5 % SEM Calentamiento kg CO2 - 2.44 x 105 0.84 0.0003% 2.44 x 105 2.44 x 105 0.03 Global eq kg SO2- Acidificación 0.11 0.01 5.44% 0.10 0.12 0.20 x 10-3 eq Eutrofización kg P-eq 0.60 x 10-2 0.20 x 10-2 40.50% 0.30 x 10-2 0.011 7.40 x 10-5 kg 1,4- Ecotoxicidad 155.00 21.50 13.90% 127.00 211.00 0.68 DCB Toxicidad kg 1,4- 30.30 6.36 21% 22.40 45.60 0.20 Humana DCB Consumo de m3 4.35 5.86 135% -9.13 14.90 0.19 agua Energía Fósil MJ 664.00 32.50 4.90% 602.00 732.00 1.03 No renovable Nota. SD= Desviación típica; CV= Coeficiente de Variación; SEM= Error estándar de la media. 4.2. Incertidumbre de la calidad de datos mediante matriz de Pedigree Los resultados del análisis de incertidumbre de la calidad de datos mediante la matriz de pedigree se muestran en la Tabla 37. Dichos valores fueron obtenidos en base a la categoría del impacto Calentamiento Global, debido a que esta categoría representa las emisiones directas de GEI generadas durante el ciclo de vida del biocombustible 2,5 DMF. La Incertidumbre Total (UT) estuvo representada por la Desviación Estándar Geométrica de las emisiones de GEI de cada producto intermedio. La varianza geométrica fue más alta en los procesos unitarios de hidrólisis enzimática (disolución de fructosa) e hidrogenólisis (biocombustible 2,5 DMF) y generó una mayor incertidumbre relacionada con la Integridad, Correlación Temporal y 71 Correlación Tecnológica, debido a que los datos fueron obtenidos a menor escala y empleando materiales de diferente tecnología. Tabla 37 Análisis de incertidumbre de calidad de datos para el potencial de calentamiento Global del sistema desarrollado Desviación Incertidumbre adicional (Ua) Producto del estándar Ub Varianza proceso Fi In Ct Cg Cte geométrica (UT) 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.05 1.05 1.03 Biomasa residual útil Biomasa residual 1.00 2.00 1.00 1.00 1.00 1.05 1.05 1.03 pretratada 1.00 1.00 1.00 1.00 3.00 1.05 1.11 1.06 Extracto puro Disolución de 1.00 1.00 1.00 1.00 3.00 1.05 1.11 1.06 extracto Disolución de 1.00 3.00 1.00 1.00 3.00 1.05 1.13 1.06 fructosa 1.00 2.00 1.00 1.00 3.00 1.05 1.12 1.06 Disolución de 5-HMF Biocombustible 2,5 2.00 5.00 3.00 2.00 3.00 1.05 1.25 1.12 DMF Nota. Fi= Fiabilidad; In= Integridad; Ct= Correlación temporal; Cg= Correlación geográfica; Cte= Correlación tecnológica; Ub= Incertidumbre básica (Factor ambiental). 5. Análisis de Sensibilidad (escenarios propuestos) 5.1. Cuantificación y variabilidad de los impactos bajo escenarios propuestos Los resultados de la evaluación realizada bajo el EP N° 1 se indican en la Tabla 38, demostrando una clara reducción de las emisiones totales, debido a que dicho escenario contempla condiciones favorables para el sistema como la sustitución de procesos críticos, los cuales contribuyen a la reducción de las emisiones específicas de GEI. 72 Los resultados de impactos para el EP N° 2 se muestran en la Tabla 38, en donde se evidencia un incremento sustancial de los impactos por degradación del agua, debido a que este escenario no contempló una etapa de recirculación de productos, ocasionando de esta manera mayor consumo de materiales y generación de residuos. El resultado de la evaluación bajo el EP N° 3 presentado en la Tabla 38 refleja una reducción en el consumo neto de energía fósil del sistema, resultando beneficioso para este escenario al contemplar condiciones favorables para la producción del biocombustible 2,5 DMF, como el uso del bagazo de Cabuya (Agave americana L.) para la generación de energía y la adquisición de insumos en un mercado local. Tabla 38 Variabilidad de impactos al aire, agua y energía bajo escenarios propuestos Evaluación Evaluación EP N° 2 Evaluación EP N° 1 EP N° 3 Biocombustible Emisiones Consumo Eutrofización Acidificación Ecotoxicidad Toxicidad Consumo 2,5 DMF (L) GEI (kg de agua (kg P-eq) (kg SO2-eq) (kg 1,4 DCB) humana de energía CO 32-eq) (m ) (kg 1,4 fósil (MJ) DCB) 1 149.64 6.56 0.03 0.29 164.75 66.44 87.18 10 216.07 35.39 0.26 2.70 1587.96 649.51 871.84 20 289.37 67.42 0.51 5.39 3169.31 1297.37 1743.37 30 364.37 99.46 0.77 8.07 4750.65 1945.23 2615.06 40 438.37 131.49 1.03 10.76 6331.99 2593.09 3486.85 50 511.37 163.53 1.29 13.44 7913.34 3240.95 4358.54 100 881.38 323.71 2.57 26.87 15820.05 6480.25 8716.87 5.2. Comparación de impactos ambientales del sistema desarrollado y los escenarios propuestos La comparación de las emisiones totales calculadas bajo el escenario desarrollado y el EP N° 1 se muestran en la Figura 12. En donde se observa una 73 considerable reducción de emisiones de GEI en el EP N°1, indicando que las condiciones planteadas en dicho escenario favorecen la reducción de emisiones totales. Figura 12 Comparación de emisiones totales entre sistema desarrollado y EP N° 1 245500 245000 244500 244000 243500 243000 242500 1 10 20 30 40 50 100 BIOCOMBUSTIBLE 2,5 DMF (L) Emisiones GEI Escenario actual Emisiones GEI Escenario EP-1 La comparación de los resultados obtenidos en el escenario desarrollado y el EP N° 2 se presentan en la Figura 13. En donde se evidencia un incremento de los impactos por degradación del agua en el EP N° 2, dado que este escenario no contempla la recirculación de materiales en el sistema. Por lo que, a medida que aumenta la producción del biocombustible 2,5 DMF se utilizarán mayor cantidad de insumos y se generarán también mayor cantidad de residuos al ambiente. 74 EMISIONES (kg CO2-eq) Figura 13 Comparación de impactos al agua entre el sistema desarrollado y EP N° 2 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1 10 20 30 40 50 100 BIOCOMBUSTIBLE 2,5 DMF (L) Escenario propuesto (EP N° 2) Escenario desarrollado Toxicidad humana (Kkg 1,,4 DCB)) Escenario EP-2 Toxicidad humana ((Kkg 1,,4 DCB)) Escenario actual Ecotoxicidad (kKg 1,,44 DCB)) Escenario EP-2 Ecotoxicidad ((Kkg 1,4 DCB) Escenario actual Acidificación ((kKgg SO22-eq)) Escenario EP-2 Acidificación (Kk g SO22-eeqq)) Escenario actual Eutrofización (dkeg aPg-ueaq )d ulce (Kg P-eq) Escenario EP-2 Eutrofización d(keg aPg-ueaq )d ulce (Kg P-eq) Escenario actual Consumo de agua (m33)) Escenario EP-2 Consumo de agua (m33)) Escenario actual El resultado de la comparación entre el escenario desarrollado y el EP N° 3 se presenta en la Figura 14. Se aprecia una notable reducción del consumo de energía fósil en el EP N° 3 debido a la sustitución de los procesos críticos con alto consumo de energía fósil y el uso de energía por cogeneración. 75 VALORES DE CATEGORIAS DE IMPACTO Figura 14 Comparación de consumo de energía fósil entre el sistema desarrollado y EP N° 3 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1 10 20 30 40 50 100 BIOCOMBUSTIBLE 2,5 DMF (L) Energía fósil (en MJ) Escenario actual Energía fósil (en MJ) Escenario EP-3 VI. DISCUSION 1. Análisis de calidad del suelo zonas 1 y 2 Los suelos evaluados son secos con tendencia a ser básicos pH = 7.27 en la zona 1 (ver Tabla 23) y pH = 7.45 en la zona 2 (ver Tabla 24) bajo estas condiciones presentan mayor capacidad de intercambio catiónico por la presencia de los iones Ca2+, Mg2+, K1+, Na1+ (ver Anexos 5 y 6) y menor actividad de los metales pesados caracterizados como elementos trazas. El suelo evaluado es de buena calidad para el cultivo de la Cabuya (Agave americana L.) en la zona 1, es franco arenoso y tiene buena disponibilidad de fósforo (P = 8.49 mg/kg). En la zona 2 el suelo es franco y tiene menor disponibilidad de fósforo (P = 1.45 mg/kg) debido a la rotación de cultivos que capturan el fósforo disponible en el suelo. La Cabuya (Agave americana L.) es eficiente en la producción de biomasa a pesar del estrés hídrico, debido a su gran capacidad para capturar carbono, lo que contribuye a su vez con la mitigación del cambio 76 CONSUMO ENERGÍA FÓSIL (%) climático, además la abertura de su follaje formado por hojas carnosas cubre el suelo y evita la pérdida de agua en el binomio suelo–raíz, por lo que no necesita riego continuo, fertilizantes y plaguicidas (Garcia et al., 2011; Saulino, 2011; Rivera, 2016). 2. Análisis en el extracto de Cabuya (Agave americana L.) El extracto es ácido pH = 4.85 a 20°C y a la misma temperatura la densidad es 1.04 g/mL. La población utiliza este recurso por el contenido de carbohidratos para elaborar miel con la denominación “miel de Cabuya” y por fermentación obtienen una bebida alcohólica que consumen en diferentes ceremonias. El resultado del análisis de metales livianos y pesados se muestran en la Tabla 25, los grupos disponibles encontrados son: macrominerales Ca (2844 mg/kg), P (186 mg/kg), K (570 mg/kg) y Mg (1168 mg/kg), elementos traza: Fe (1.22 mg/kg), Cu (0.39 mg/kg), Zn (5.33 mg/kg) y Mn (1.36 mg/kg) y elementos que no cumplen ninguna función biológica Al (2.51 mg/L), Cd (0.21 mg/L), Sr (2.32 mg/L). El Al se encuentra ampliamente distribuido en el ambiente, la EPA ha recomendado un nivel secundario de contaminante máximo de 0.05 a 0.2 mg/L para el Al en el agua potable. La EPA ha determinado que no se espera que la exposición durante toda la vida a 0.005 mg/L de Cd cause efectos adversos. Las principales fuentes de exposición al Sr son los alimentos y el agua potable, la EPA para cuidar la salud pública ha establecido un límite de 0.004 mg/L en agua potable (Rivera, 2016). 3. Análisis de Impactos en categoría Calentamiento Global La producción de 1 L de biocombustible 2,5 DMF evaluado mediante la categoría Calentamiento Global emite en total 2.44 x 105 kg CO2-eq (ver Tabla 31). Este valor se debe a las emisiones especificas generadas por la importación de 77 insumos que considera un transporte aéreo de larga distancia para trasladar la enzima Inulinasa y el catalizador CuRu/C. Se evidencia que los procesos de hidrólisis enzimática e hidrogenólisis generan mayor cantidad de emisiones. Asimismo, se observa en el resultado neto una reducción de emisiones respecto al penúltimo proceso, debido a que se logra recircular el solvente recuperado 1- butanol. El uso de técnicas como la recirculación y el reúso de efluentes líquidos generados en los procesos, junto con procesos eficientes y sostenibles contribuyen sustancialmente en la reducción de impactos al ambiente, además mediante el empleo de tecnología moderna y catalizadores óptimos se lograría mejorar la eficiencia de conversión de monosacáridos a 2,5 DMF (Saulino, 2011; Qian et al., 2015). El resultado de las emisiones generadas durante el proceso de combustión interna de 1 L de combustible de 2,5 DMF es 3.42 kg CO2-eq, dicho valor es 18.34% mayor que las emisiones del etanol anhidro (2.89 kg CO2-eq) y 17.93% mayor que las de gasolina sin plomo (2.9 kg CO2-eq) (ver Tabla 32). El mayor porcentaje de emisión del 2,5 DMF está influenciado por tener mayor densidad (0.89 g/mL) que los otros combustibles indicados, además la rápida velocidad de combustión le permite liberar energía, alcanzando en el sistema altas temperatura que favorecen la generación de emisiones de NOx y CO respecto al etanol y la gasolina (Shaohua et al., 2010; Qian et al., 2015). 4. Análisis de Impactos en método Recipe-2016 Los resultados de la evaluación de la huella hídrica medida bajo el consumo de agua total para la generación de 1 L de biocombustible 2,5 DMF fue de 4.55 m3 (ver Tabla 33), este valor incluye el consumo de agua directo de cada proceso 78 como el consumo indirecto de agua, empleada en la generación de los materiales requeridos. Para desarrollar la reacción de hidrogenólisis se utiliza energía eléctrica, de acuerdo con el método de evaluación el uso de dicha cantidad de energía equivale al consumo indirecto de agua de 3.35 m3. De forma similar, la deshidratación ácida consume gran cantidad de agua en forma indirecta (2.14 m3) debido al uso del 1–butanol como disolvente (Sindhu et al., 2019). El análisis de la huella de Agua por su degradación se realizó dado que la huella hídrica solo hace referencia al volumen total de agua utilizado, no contemplando el efecto nocivo en el agua (ver Tabla 33). Los impactos por degradación de agua indican que para la categoría Acidificación 1 L de biocombustible 2,5 DMF genera 0.11 kg SO2- eq. La emisión de dicho contaminante primario se presenta por la combustión fósil que se da en el transporte de materia prima e insumos y en los procesos industriales, tales como la ruta petroquímica para la producción del solvente 1- butanol (Rodríguez et al., 2018). Los agentes químicos ácidos se emiten a la atmosfera, trasladándose al suelo y mediante procesos de lixiviación y escurrimiento ingresan al agua provocando su degradación (Vázquez et al., 2018). La producción de biodiesel de segunda generación presenta una mayor contribución de emisiones de SO2 en la etapa de transformación debido a la producción y uso de metanol, generando H2SO4 en la atmosfera que luego se traslada a la superficie terrestre en forma de lluvia acida (Vidal et al., 2017) La categoría Eutrofización indica que 1 L de biocombustible 2,5 DMF genera 0.006 kg P-eq (ver Tabla 33). Este valor evidencia que tanto los procesos como los materiales empleados en el sistema desarrollado contribuyen en menor medida a la generación de efluentes con alta carga orgánica rica en nitrógeno y fosforo. El aporte más significativo ocurre en el proceso de deshidratación ácida 79 por el uso de compuestos orgánicos. La degradación de la materia orgánica restringe la disponibilidad de oxígeno y contamina con diversos compuestos los cuerpos de agua incrementando una gran diversidad de algas que causan la muerte de la fauna en el ambiente acuático (Saulino, 2011; Ji et Al., 2019). La categoría Ecotoxicidad muestra que 1 L de biocombustible 2,5 DMF genera 156.03 kg de 1,4-DCB por efecto del transporte de la biomasa residual, fabricación de vehículos utilizados y consumo de energía en la producción del solvente 1-butanol (ver Tabla 33). En relación al ciclo de vida del biodiésel, las etapas de cultivo y extracción de aceite contribuyen en mayor medida a la categoría ecotoxicidad por el uso de fertilizantes, pesticidas y otros agentes químicos. A diferencia del cultivo de cabuya (Agave americana L.) que presenta cierta ventaja, porque se realiza sin utilizar fertilizantes y plaguicidas químicos que afectan al ambiente a corto, mediano o largo plazo (Rodríguez et al., 2018). La categoría Toxicidad humana indica que 1 L de biocombustible 2,5 DMF produce 31.98 kg de 1,4-DCB, valor generado principalmente por el impacto debido a la fabricación del medio de transporte de la biomasa residual y el consumo de energía en la producción del solvente 1- butanol (ver Tabla 33). Los impactos ambientales de esta categoría en la salud humana por efecto del 2,5 DMF están generando mucho interés por tratarse de un compuesto derivado furánico, los estudios realizados en la Universidad de Birmingham (Inglaterra) sobre la toxicidad relativa y mutagenicidad del 2,5 DMF concluyen que no es genotóxico y la toxicidad de los productos intermedios de combustión son de mayor riesgo que las emitidas por el 2,5 DMF (Hongming y Chongming, 2016). 80 5. Análisis de impactos por método Demanda de Energía Acumulada El resultado del consumo neto de energía fósil para la producción de 1 L de biocombustible 2,5 DMF fue 665 MJ (ver Tabla 34). El mayor consumo se presenta en la etapa de deshidratación ácida por la producción del solvente 1- butanol (1.92 x 103 MJ). Dicho compuesto es un alcohol primario, obtenido mediante una ruta petroquímica económicamente competitiva, pero con un alto requerimiento de energía fósil (Morelos, 2016). El valor neto de la energía usada por el sistema resulta menor que la energía consumida en el proceso más crítico cuando se recircula al sistema el solvente 1-butanol, lo cual disminuye el uso y el consumo energético. El uso de rutas de producción selectivas del 2,5 DMF a partir de 5-HMF utilizando alcoholes secundarios como fuente de hidrogenación, tales como la Hidrogenación Catalítica por Transferencia (CTH) facilita que el H2 pueda ser transferido fácilmente de los alcoholes secundarios para producir 2,5 DMF, viabilizando un proceso eficiente y sostenible sin utilizar derivados del petróleo (Jae et al., 2013; Barrientos et al., 2019). 6. Variabilidad de impactos ambientales bajo el sistema desarrollado Los resultados de la variabilidad respecto a las emisiones netas, degradación del agua y consumo de energía fósil, reflejan un aumento progresivo de los impactos en todas las categorías evaluadas debido al incremento de insumos, energía fósil y consumo de agua al aumentar la producción del biocombustible 2,5 DMF (ver Tabla 35). La insolubilidad del 2,5 DMF en agua respecto al etanol, representa una ventaja dado que se genera menor contaminación en dicho medio durante 81 el transporte y almacenamiento, además requiere una menor energía en la etapa de destilación (Hongming y Chongming, 2016). 7. Variabilidad y comparación de los impactos ambientales en los escenarios evaluados El resultado de las emisiones totales generadas en el EP N° 1 indica que 1 L de biocombustible 2,5 DMF genera 149.64 kg CO2-eq (ver Tabla 38). La emisión neta de CO2 refleja una gran reducción respecto al resultado obtenido bajo el sistema desarrollado (ver Figura 12). La disminución de las emisiones de CO2 se presenta por la influencia en el cambio del modo de transporte de la materia prima, adquisición de insumos en el mercado local y la sustitución de la hidrólisis enzimática por la hidrólisis térmica, constituyendo el EP N° 1 un escenario eficiente y sostenible ambientalmente para la producción de 2,5 DMF. En el caso de la producción de biodiesel de segunda generación, las mayores emisiones de GEI se presentan por el uso de combustible fósil, NaOH y metanol, indicando que las emisiones no corresponden exclusivamente al proceso de producción de biodiésel sino también a la fabricación de los insumos utilizados en los procesos que poseen una carga ambiental propia (Vidal et al., 2016). El resultado de evaluar los impactos por degradación del agua en el EP N° 2 indican que 1 L de biocombustible 2,5 DMF genera en las categorías: Eutrofización 0.026 kg P-eq, Acidificación 0.287 kg SO2-eq, Ecotoxicidad 158.271 kg 1,4 DCB, Toxicidad humana 66.44 kg 1,4 DCB y consumo de agua 6.56 m3 (ver Tabla 38). Los valores obtenidos reflejan un incremento respecto a los valores netos calculados en el escenario desarrollado (ver Figura 13). El impacto se justifica en el EP N° 2 porque se ha evaluado sin considerar ningún tipo de recirculación en el sistema y al aplicar el software de cálculo, este asume 82 como residuos los materiales no recuperados y además se incrementa la cantidad de insumos a medida que aumenta la producción del biocombustible 2,5 DMF. Por los resultados obtenidos el EP N° 2 representa un escenario negativo para la producción de 2,5 DMF, pasando a ser esencial la recirculación de materiales para reducir la generación de residuos del sistema y la cantidad de insumos empleados. Para disminuir los impactos por degradación del agua es fundamental atender el aspecto de generación y tratamiento de efluentes líquidos e implementar tecnologías para la recuperación de los residuos orgánicos, puesto que la producción de biocombustibles emplea agua en distintas etapas y en cada una genera efluentes líquidos que de no ser tratados adecuadamente pueden contribuir a la contaminación de los cuerpos receptores (Saulino, 2011; Falabella, 2018). El resultado neto del consumo de energía fósil en el EP N° 3 para producir 1 L de biocombustible 2,5 DMF es 87.18 MJ (ver Tabla 38), demostrando que en dicho tratamiento se ha logrado reducir el consumo de energía fósil respecto al valor obtenido en el sistema desarrollado (ver Figura 14). El menor consumo energético en el EP N° 3 se consiguió promoviendo el cambio en el transporte de la materia prima, adquisición de insumos en el mercado local y generación de energía por combustión del bagazo de Cabuya (Agave americana L.), logrando un escenario sostenible ambientalmente para la producción del biocombustible 2,5 DMF (Carvalho et al., 2016). VII. CONCLUSIONES Considerando los resultados alcanzados y los objetivos propuestos para la presente investigación, se formulan las siguientes conclusiones: 83 La Cabuya (Agave americana L.) brinda un efecto positivo en la conservación del suelo, además con el extracto de esta planta se produce miel y por fermentación se obtienen bebidas alcohólicas de amplio consumo a nivel mundial, dichas aplicaciones generan gran cantidad de biomasa residual que pueden ser utilizados como materia prima secundaria para la producción de biocombustibles, realizando de esta manera un uso integral de la planta. Durante el ciclo de vida del 2,5 DMF bajo el sistema desarrollado, se generaron impactos ambientales en aire (2.44 x 105 kg CO2 -eq), agua (consumo = 4.55 m3, Acidificación = 0.11 kg SO2-eq, Eutrofización = 0.01 kg P-eq, Ecotoxicidad = 156.03 kg 1,4 DCB, Toxicidad humana = 31.98 kg 1,4 DCB) y consumo de energía Fósil (665 MJ), evidenciando un mayor efecto negativo en las categorías: Calentamiento Global, Consumo de Agua, Ecotoxicidad, Toxicidad Humana y Consumo de Energía Fósil, debido principalmente al uso de combustibles no renovables en la generación y transporte de insumos. El impacto ambiental generado bajo los escenarios EP N° 1 (149.64 kg CO2-eq) y EP N° 3 (87.18 MJ) son menores a los obtenidos bajo el sistema desarrollado, siendo favorable la sustitución de los procesos críticos identificados, mientras que los impactos producidos bajo el escenario EP N° 2 fueron mayores (consumo = 6.56 m3, Acidificación = 0.29 kg SO2-eq, Eutrofización = 0.03 kg P-eq, Ecotoxicidad = 164.75 kg 1,4 DCB y Toxicidad Humana = 66.44 kg 1,4 DCB) respecto al sistema desarrollado, debido a que dicho escenario no contempló la recirculación de materiales. Los escenarios EP N° 1 y EP N° 3 poseen mayor sostenibilidad ambiental para la producción del biocombustible 2,5 DMF, dado que se genera menor cantidad 84 de emisiones de GEI y menor consumo de energía fósil respectivamente. A diferencia del escenario EP N° 2 que posee menor sostenibilidad ambiental por generar mayores impactos en el agua. El ACV del biocombustible 2,5 DMF ha permitido determinar los impactos ambientales negativos considerando todas las etapas (extracción de biomasa residual, transporte, conversión de biomasa y uso) de su producción e identificando los procesos críticos (transporte de insumos importados, deshidratación acida e hidrogenólisis), para mejorarlos mediante escenarios alternativos que permitan obtener sistemas productivos más eficientes y sostenibles ambientalmente. VIII. RECOMENDACIONES Se recomienda continuar investigando sobre nuevas fuentes de materia prima para la producción de biocombustibles, especialmente biomasa residual (residuos municipales, agrícolas e industriales). Se recomienda continuar la búsqueda de nuevas y mejores rutas de producción, sostenibles y con enfoque de economía circular, de esta manera se podría reducir los impactos al ambiente y ampliar el mercado de biocombustibles en un futuro próximo. Se recomienda tener actualizado el registro de terrenos que existen en el Perú, especialmente aquellos eriazos o zonas áridas y semiáridas, a fin de promover su uso para el cultivo de Cabuya (Agave americana L.); puesto que, se ha comprobado que esta planta puede crecer sin problemas en estos tipos de suelo, además de contribuir a la fertilidad y conservación del mismo, en beneficio de los agricultores de las zonas correspondientes. 85 Se recomienda complementar los resultados del análisis de impacto ambiental realizado, con estudios de impacto social y económico, con la finalidad de que los resultados sean considerados en la propuesta de políticas integrales que promuevan el desarrollo sostenible. Finalmente, se recomienda promover el uso del ACV como herramienta de evaluación de impactos ambientales, a fin de conocer la viabilidad ambiental de productos o servicios que se pretendan producir o desarrollar a futuro. 86 IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Acosta, A. (2012). Biocombustibles. 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DMF: Dimetilfurano 10. ETH: Etanol 11. EPA: Agencia de Protección Ambiental 12. FOS: Fructooligosacáridos 13. GEI: Gases de Efecto Invernadero 14. HMF: Hidroximetilfurfural 15. ISO: Organización Internacional de Normalización 16. IPCC: Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático 17. INACAL: Instituto Nacional de Calidad 18. IMEP: Presión especifica media indicada 19. KW-H: Kilo watts –hora 20. kg SO2- eq: Kilogramo de Dióxido de azufre equivalente 21. kg Peq: Kilogramo de fosforo equivalente 22. kg 1,4-DCB: kilogramo de 1,4 Diclorobenceno 23. MIMEN: Ministerio de Energía y Minas 24. MJ: Mega Joule 25. M3: metros cúbicos 26. N2O: Óxido de Nitrógeno 27. NOx: Óxidos de nitrógeno 28. OMM: Organización Meteorológica Mundial 29. O3: Ozono 30. RSD: Desviación Estándar Relativa 31. THC: Hidrocarburos totales 32. ULG: Gasolina sin plomo 33. UTM: Universal Transversal Mercator 34. UF: Unidad Funcional 98 XI. ANEXOS Anexo 1: Tomas fotográficas del procedimiento experimental Planta de Cabuya (Agave americana L.) encontrada en el distrito de Huanca-Huanca, provincia de Angaraes, región Huancavelica. Recolección de las hojas de Cabuya Vista del corazón del cultivo de Cabuya 99 Preparación de la muestra vegetal para transporte Toma de muestra de suelo zona 1 Toma de muestra de suelo zona 2 100 Vista del distrito de Huanca-Huanca Zonas de cultivo de cabuya Muestras vegetales empaquetadas para su traslado 101 Cortado de espinas y puntas de hojas Equipos para el cocinado y prensado Hoja de cabuya antes del cortado 102 Separación de la parte superior de la hoja Cortado longitudinal de la parte inferior de la hoja Cortado en trozos pequeños hojas de Cabuya 103 Cocción de los trozos de hojas de Cabuya Prensado de muestra con extractor casero Residuos del proceso de cortado y prensado (bagazo de Cabuya) 104 Filtrado del extracto de Cabuya empleando bomba de vacío Extractos de Cabuya filtrado (derecho) y No filtrado (izquierdo) Medición de pH en la muestra de extracto de cabuya puro 105 Extracto de Cabuya diluido en agua ultra pura Enzima Inulinasa diluido en solución amortiguadora Muestras de extracto de cabuya sometidas a hidrolisis enzimática 106 Comparación de prueba de fehling en muestra hidrolizada y en Disolución de extracto puro Mezcla de sal NaCl con solvente 1-butanol para reacción de deshidratación acida Mezcla de disolución de fructosa con HCl y NaCl para reacción de deshidratación ácida 107 Bomba de vacío utilizada como reactor para deshidratación acida Reactor envuelto en papel filtro para concentrar el calor Vista interior de la bomba de vacío 108 Vista de fase orgánica y fase acuosa en muestra después de haber sido sometida a deshidratación ácida Separación de fases luego de la deshidracion ácida Separación de fases orgánica y acuosa empleando embudo de decantación 109 Filtración de muestra deshidratada Mezcla de sulfito de sodio anhidro (agente químico deshidratante) en muestra de fase orgánica Formación de fase acuosa en el lado inferior de la muestra de fase orgánica 110 Decantación de fase acuosa residual formada en muestra de fase orgánica Vista de fase acuosa residual formada Prueba con reactivo 1-naftol realizada a muestra deshidratada (formación de anillo furánico-lado derecho) y disolución de extracto de cabuya 111 Anexo 2. Traslado de la biomasa residual Distancia total recorrida primer tramo. Fuente: Google- maps Distancia total recorrida segundo tramo. Fuente: Google- maps Distancia total recorrida tercer tramo. Fuente: Google- maps 112 Anexo 3. Transporte de insumos importados Transporte aéreo de enzima Inulinasa de Asperlligus Niger. Fuente: Google-maps Transporte terrestre de enzima Inulinasa de Asperlligus Niger. Fuente: Google-maps. 113 Transporte aéreo de catalizador Ru/C. Fuente: Google-maps. Transporte terrestre de catalizador Ru/C. Fuente: Google-maps. 114 Anexo 4. Constancia N° 298-USM-2019 del Museo de Historia Natural 115 Anexo 5. Informe de Ensayo N° 1-08129/19 Análisis calidad de suelos zona 1 116 Anexo 6. Informe de Ensayo N° 1-08130/19 Análisis calidad de suelos zona 2 117 Anexo 7. Parámetros de calidad de suelos proporcionados por CERPER S.A. Rango de niveles de nutrientes en el suelo Elemento Unidad Déficit Medio Adecuado Oxido de Potasio kg/ha <300 300-600 >600 Calcio disponible mg/kg --- -- >1000 Magnesio disponible mg/kg <40 40-120 >120 Sulfato disponible mg/kg -- -- >60 Fosforo mg/kg <7 7-14 >14 Boro mg/kg <0.4 0.5-1.0 1.0-2.0 Cobre mg/kg <0.9 0.9-1.5 >1.5 Hierro mg/kg <12 12-50 >50 Manganeso mg/kg <15 15-29 >29 zinc mg/kg <3 3-5 >5 Rango del contenido de cationes cambiables Cationes cambiables mEq/100 g Bajo Medio Alto Ca <3.0 3.0-6.0 >6.0 Mg <1.5 1.5-2.5 >2.5 K <0.2 0.2-0.4 >0.4 Rango de valores de pH del suelo Valor Categoría <5.5 Extremadamente acido 5.5-5.9 Moderadamente acido 6.0-6.5 Adecuado 6.6-7.3 Neutro 7.4-8.0 Alcalino >8.0 Muy alcalino Rango de valores de contenido de fosforo y porcentaje de materia orgánica Fosforo olsen (mg/kg) Materia orgánica (%) Bajo <0.7 Bajo <2 Medio 7.0-14.0 Medio 2.0-4.0 Alto >14.0 Alto >4.0 Rango de valores de conductividad eléctrica Conductividad eléctrica C.E.*=C.E. x2 0-2.0 Bajo salino 3.0-4.0 Ligeramente salino 4.0-8.0 Moderado 8.0-15.0 Fuerte >15.0 Muy fuerte Rango de valores de porcentaje de carbonato de calcio Nivel de CaCO3 (%) 0-1.0 Adecuado 1.0-8.0 Alto 9.0+ Muy alto 118 Anexo 8. Informe de Ensayo N° 1-08045/19 Análisis de metales por ICP 119 120 Anexo 9. Informe de Ensayo N° 1-08304/19 Análisis de azúcares por HPLC 121 Anexo 10. Informe Técnico N° 2150-19-LABICER Análisis de fructosa por HPLC 122 123 Anexo 11. Informe Técnico N° LAB.21-20-018 Análisis de HMF por Cromatografía-FID 124 Anexo 12. Rango de incertidumbre de los impactos ambientales caracterizados mediante Simulación de Monte Carlo Análisis de Incertidumbre de la categoría Calentamiento Global Análisis de Incertidumbre de la categoría Acidificación 125 Análisis de Incertidumbre de la categoría Eutrofización Análisis de Incertidumbre de la categoría Ecotoxicidad 126 Análisis de Incertidumbre de la categoría Toxicidad Humana Análisis de Incertidumbre de la categoría Consumo de agua Análisis de Incertidumbre de la categoría Consumo de energía fósil 127