ANÁLISIS WATER-PINCH EN LA INDUSTRIA DEL VINO

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1 ANÁLISIS WATER-PINCH EN LA INDUSTRIA DEL VINO Oliver Patricia Dirección: Universidad 2359 (oeste)- CP: San Juan- Argentina Teléfono: Ingeniera Químico. Alumna de la Maestría Tecnologías Ambientales de la Univ. Nac. de San Juan. Rodriguez Rosa Ana Mag. en Tecnologías Ambientales. Egresada de la Univ. Nac. de San Juan Ing. Químico. Becario del CONICET. Alumna del Doctorado de Ingeniería de la Univ. Nac. de La Plata. Jefe de Trabajos Prácticos de la Univ. Nac. de San Juan Castro María Rosa Ing. Químico. Alumna de la Maestría Tecnologías Ambientales de la Univ. Nac. de San Juan. Jefe de Trabajos Prácticos de la Univ. Nac. de San Juan Echegaray Marcelo Ing. Químico. Alumno de la Maestría Tecnologías Ambientales de la Univ. Nac. de San Juan. (Tesis en evaluación). Jefe de Trabajos Prácticos de la Univ. Nac. de San Juan Palacios, Carlos Alberto Ing.en Minas. Alumno de la Maestría Tecnologías Ambientales de la Univ. Nac. de San Juan.. Jefe de Trabajos Prácticos de la Univ. Nac. de San Juan Hektor Klaus Doctor en Ciencias Naturales egresado de la Universidad Técnica de Aquisgrán de la República Federal de Alemania. Profesor titular, investigador del Instituto de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de San Juan. Director del Programa de Maestría Tecnologías Ambientales, categorizada por CONEAU con categoría Bn. Udaquiola Stella Maris Doctora en Ingeniería egresada de la Universidad Técnica de Aquisgrán de la República Federal de Alemania. Profesor titular, investigadora del Instituto de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de San Juan. Resumen. La creciente demanda de agua, tanto a nivel industrial como doméstico, sumado a las cada vez más estrictas regulaciones medioambientales en cuanto a la generación de efluentes, hacen que sea imprescindible optimizar el uso de este recurso. En las industrias de proceso el agua es empleada principalmente con fines de limpieza, desinfección, calefacción, enfriamiento, entre otros. El análisis water-pinch ofrece una alternativa eficiente para reducir las demandas de agua y los efluentes generados a nivel industrial. El presente trabajo describe la aplicación de este método de análisis a una bodega ubicada en la provincia de San Juan. La industria vitivinícola es la principal industria de la región. Su producción es del tipo estacional y, sus consumos de agua en época de elaboración son considerables. Los resultados obtenidos muestran que se puede lograr una reducción del consumo de agua de aproximadamente un 40%. Palabras clave. análisis water pinch, sólidos suspendidos totales, demanda química de oxígeno

2 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad el agua se ha convertido en un recurso muy preciado. En las zonas áridas, donde este recurso es escaso, la necesidad de reducir su consumo es de vital importancia, en tanto que en zonas húmedas, muchas veces su calidad impide el uso sin tratamientos previos, por lo que en cierto modo también es escasa. En este contexto es necesario desarrollar herramientas que permitan diseñar redes de agua, tanto urbanas como industriales, que optimicen su uso. Una reducción del consumo de este recurso conduce a una reducción de generación de efluentes. Minimizar la generación de aguas residuales, ya sea urbanas y/o industriales, disminuye la posibilidad de contaminación de los cursos de agua, de las zonas de recarga de acuíferos, y de cualquier otro curso donde se vuelquen los efluentes. Esto es importante ya que de algún modo estos sumideros son luego fuente de suministro. El análisis water pinch permite optimizar el consumo del agua, busca una integración de su uso entre las distintas operaciones que componen un proceso productivo. Permite calcular el reuso de las aguas industriales, la minimización de efluentes, y el diseño de un sistema de tratamiento de efluentes distribuido. 2. BREVE DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE VINO En términos generales el proceso de vinificación consta de las siguientes etapas: Estrujado o prensado Corrección de los mostos cuando fuere necesario Encubado y Maceración en la vinificación en tinto (fermentación alcohólica) Descubado o Separación del vino Fermentación Maloláctica en la vinificación en tinto y en blancos muy particulares. Clarificación, Filtración, Estabilización Crianza Embotellado La bodega bajo estudio es del tipo de ciclo completo (molienda, vinificación, tratamiento y embotellado). El período analizado es el de vendimia, época en la que hay más actividad en la bodega y se extiende desde el mes de febrero hasta fines de abril. 3. INTEGRACIÓN DE LA RED DE AGUA DE UNA BODEGA MEDIANTE EL ANÁLISIS WATER PINCH 3.1. Uso de Agua en la Bodega El agua en las bodegas se usa principalmente para refrigerar y en la limpieza de los distintos equipos y sectores involucrados en cada una de las etapas del proceso. Este trabajo se focaliza en el agua de limpieza. Se identificaron 25 operaciones que utilizan agua para limpieza, sin considerar el ablandador de agua, la caldera y el sistema de refrigeración. En la figura 1 se muestran las entradas de agua para limpieza y salidas de efluentes de cada una de las etapas del proceso.

3 Vendimia (1) Limpieza de pisos (1) Lavado de equipos (2) Almacenamiento Limpieza de pisos (3) Lavado de tanques 1º (4) Filtración (3) Limpieza de pisos (6) Lavado de filtros de tierras 1º Lavado de filtro de vacío 1º Lavado de filtro de vacío 2º Sello bomba de vacío (11) Agua de Pozo Centrifugación (4) Limpieza de pisos (12) Centrifugación (13) Lavado de equipos (14) Sistema de Enfriamiento (5) Condensador de vapor (15) Torre de enfriamiento (16) Tratamientodeagua(6) Regeneración de resina Purga de caldera (18) Enjuague de resina (19) Filtración Final (7) Limpieza de pisos (20) Lavado de tanques 1º (21) Lavado de tanques 2º (22) Lavado filtro de placas 1º (23) Lavado filtro de placas 2º (24) Lavado filtro cartuchos 1º (25) Lavado filtro cartuchos 2º (26) Fraccionamiento (8) Tratamiento de efluentes Limpieza de pisos (27) Lavado de equipos (28) Enjuague de botellas (29) Sello bomba de vacío (30) Figura 1. Operaciones que consumen agua Selección de contaminantes limitantes Los parámetros seleccionados para cuantificar la contaminación de las corrientes de agua son: demanda química de oxígeno (DQO) y los sólidos suspendidos totales (SST). Ambos parámetros se miden en ppm y sus valores, altos o bajos según el origen del efluente, se deben a los contaminantes transferidos a las corrientes de agua en las tareas de limpieza Extracción de Datos

4 La tabla 1 muestra los datos obtenidos a través de mediciones de consumo y análisis de efluentes de las diferentes operaciones así como las concentraciones límite de entrada y salida de cada corriente. Tabla 1. Datos de cada corriente Operación Caudal C DQO (A) in C out c lim in m c lim out C SST (B) in C out c lim in m c lim out (te/d) (ppm) (ppm) (ppm) (kg/d) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (kg/d) (ppm) 1 1 A B , A B A , B , A B A B A , B , A , B , A , B , A , B , A , B , A , B A , B , A B A , B , A , B , A ,5 700 B A ,2 240 B , A , B A ,2 140 B A , B , A ,1 140 B , A B A , B , A , B , A , B El caudal mínimo de agua pura, se puede obtener con la concentration-composite curve (CCC). Concentration-composite curve El caudal mínimo corresponde a la inversa de la pendiente de la línea de suministro de agua, m/ c. Esta línea es tangente a la CCC en un punto, freshwater pinch. Este punto es particularmente importante en la minimización de efluentes ya que el sistema no requiere agua pura por encima de la concentración freshwater-pinch. Las figuras 2 y 3 muestran la CCC y water supply line (WSL) según DQO y SST punto pinch: 540ppm 0 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 m A (kg/d) punto pinch: 1500ppm m B (kg/d) CCC WSL CCC WSL Figura 2. CCC y WSL para contaminante A Figura 3. CCC y WSL para contaminante B En la tabla 2 se muestran los resultados del análisis water pinch. La red de agua obtenida se muestra en la figura 4.

5 Considerando que la elaboración de vino es un proceso batch, deben incluirse en la red depósitos de agua que almacenen agua de calidades diferentes. Estos depósitos serán los que suministren las aguas de reuso. Tabla 2. Caudales y corrientes de reuso Operación F i Reuso (te/d) E i (te/d) A B 1 0,00 0,00 0,01 0,24 0,08 0,67 0,01 1, , ,00 2 0,50 0,00 0,50 1, , ,00 3 0,00 0,00 0,01 0,04 0,20 0,00 0,08 0,00 0,67 0,01 1, , ,00 4 1,14 7,05 0,03 0,84 0,39 0,48 9,93 699, ,00 5 6,08 0,80 2,67 9,56 240, ,00 6 0,04 0,02 0,00 0,00 0,10 0,00 0,33 0, , ,00 7 0,01 0,00 0,03 0,06 0,20 0, , ,00 8 0, ,00 500,00 9 0,04 0,00 0,00 0,03 0,10 0,33 0, , , , ,00 500, ,79 0,06 2,34 3,19 539,88 80, ,01 0,00 0,06 0,10 0,33 0, , , ,00 0,00 2, , , ,31 0,02 0,04 0,13 0, , , ,02 0,11 0,20 0,67 1, , , ,55 0,45 0,00 1,00 608, , , ,00 500, ,04 0,22 0,06 0,34 0,00 0, , , , ,00 500, ,02 0,11 0,00 0,20 0,67 1, , , ,00 1,00 100,00 500, ,02 0,11 0,20 0,67 1, , , ,00 1, ,00 800, ,80 12,80 80,00 80, ,58 0,01 0,17 1,29 3,06 540,12 80,00 F total Figura 4. Red de suministro de agua

6 Tabla 3. Datos de las corrientes de efluentes Efluente Caudal te/d (F) A (DQO) B (SST) F x A F x B 1 1, , , , ,51 2 1, , , , ,00 3 1, , , , ,66 4 9,93 699, , , ,61 5 1,35 240, ,00 323, ,43 6 0, , , ,95 752,88 7 0, , ,00 420,23 442,44 8 0,00 100,00 500,00 0,00 0,00 9 0, , , ,02 678, ,00 100,00 500,00 0,00 0, ,16 539,88 80, ,30 252, , , , ,18 788, , , , , , , , ,00 670,13 554, , , , , , ,00 608, ,00 608, , ,00 200,00 500,00 0,00 0, , , ,00 865,25 849, ,00 100,00 500,00 0,00 0, , , , , , ,00 100,00 500,00 0,00 0, , , , , , , ,00 800, ,20 799, ,33 80,00 80,00 106,43 106, ,04 540,12 80, ,52 243,43 Los límites permitidos para vuelco en curso de agua son: SST: 40ppm y DQO: 75ppm. La información de los procesos de depuración disponibles para el tratamiento de las corrientes se muestra en la tabla 4. Tabla 1. Datos de los procesos de tratamiento Proceso h r SST r DQO Sedimentación I 0,9 0,8 Tratamiento Biológico II 0,7 0, Caudal mínimo de tratamiento El costo de tratamiento disminuye conforme disminuye el caudal de efluente, por lo tanto el objetivo es minimizar el caudal de entrada al proceso de tratamiento. En el caso de múltiples contaminantes y múltiples procesos de tratamiento, todos los contaminantes están presentes en las corrientes de efluente en forma simultánea. Es por esto que para un proceso de tratamiento i, el caudal mínimo de tratamiento verdadero es el máximo entre los caudales de tratamiento mínimos de todos los contaminantes, esto es, f f f i min k i ( f ) = max (64) k, min I min = max(31.77;31.77) = k II min = max(21.64;25.67) = k 31.77te / d 25.67te / d Donde f i k,min es el caudal mínimo de tratamiento para el proceso de tratamiento i y el contaminante k Diseño del Sistema de Tratamiento de Efluentes

7 Para diseñar una red de múltiples procesos de tratamiento, se comienza por diseñar una subred para el tratamiento de cada contaminante. Finalmente, se unen todas las subredes y se hacen todas las simplificaciones posibles (por ej. Reduciendo la cantidad de unidades) para obtener un diseño final óptimo. El diagrama de la figura 5 muestra la red obtenida. Limpieza pisos (I) Limpieza de pisos (VIII) Lavado equipos (I) Limpieza pisos (II) Limpieza pisos (IV) Limpieza pisos (VII) Limpieza pisos (III) Lavado 1º filtro vacío F DQO SST Lavado equipos (VIII) 24,2 3110,9 1674,4 T I 24,2 F T II 24,2 F Lavado 1º filtro tierras 622,2 DQO 62,2 DQO Lavado equipos (IV) 167,4 SST 50,2 SST Lavado 1º filtro placas Lavado 1º filtro cartuchos Centrigugación Lavado 1º Tanques (II) F DQO SST Lavado 1º Tanques (VII) 31,8 64,9 40 Lavado 2º Tanques (II) F F Sello bomba vacío 3,2 F T I 3,2 1,4 T II 1,4 F 539,9 DQO DQO ,8 DQO 80 SST SST 8 1,74 F 2,4 SST Enjuague botellas F Sello bomba vacío 4,37 F T I 4,4 6,11 F 6,1 F Figura 5. Red de tratamiento de efluentes 400,2 DQO DQO DQO 88 DQO 80 SST SST 8 8 SST 8 SST 5. Conclusiones La reducción del requerimiento de agua pura en la bodega bajo estudio puede alcanzar un máximo de 46%. Una disminución de esta magnitud, requiere de cambios estructurales en la red de distribución de agua, lo que implica una inversión. A menos que existan restricciones por regulaciones ambientales, disponibilidad de agua insuficiente o subdimensionamiento de la planta de tratamiento de efluentes por aumentos no planificados la capacidad de producción de la planta, puede suceder que la inversión no se justifique y que la reducción que se logra con la implementación de buenas prácticas en el uso del agua sea suficiente. En la tabla 5 se muestran los porcentajes en que pueden reducirse tanto los caudales de consumo de agua como los caudales de tratamiento de efluentes con respecto a la situación actual de la planta. Tabla 5. Reducción de caudales Tecnología pinch Caudal de consumo de agua 46,06 % Trat. I Trat. II Caudal de efluente a tratar % % En la provincia de San Juan, los costos de consumo de agua únicamente se hacen evidentes a través de los costos de bombeo y costos por mayor volumen de efluente a tratar. El costo ambiental, por escasez y contaminación de fuentes de suministro, es más difícil de cuantificar, pero es necesario prever que en un futuro no muy lejano los costos ambientales sean las única, o al menos más importantes, restricciones al momento de diseñar una red de agua. 6. Nomenclatura

8 F: caudal de agua pura necesario E: caudal de agua que va a tratamiento c: concentración de contaminante limitante Subíndices i; j: cualquier operación que consuma agua h: proceso de tratamiento de efluentes Superíndices in: entrada a un tanque out: salida de un tanque w: freshwater ww: wastewater Parámetros m i : carga másica de contaminante en la operación i C in,max i : límite máximo permitido de concentración de contaminante a la entrada de la operación i C out,max i : límite máximo permitido de concentración de contaminante a la salida de la operación i r: proporción de remoción de contaminante del proceso de tratamiento REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. HALLALE N. A new graphical targeting method for water minimisation. Advances in Environmental Research 6, p , KIM J.; SMITH R. Cooling System Design for Water and Wastewater Minimization. Ind. Eng. Chem. Res. 43, p , MANN G.; LIU Y.Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization. Editorial Mc Graw- Hill, PRAKOTPOL D., SRINOPHAKUN T. GApinch: genetic algorithm toolbox for water pinch technology. Chemical Engineering and Processing 43, p , STORM D. Winery Utilities: Planning, Design and Operation. Editorial: Kluwer Academic /Plenum Publisher, THEVENDIRARAJ S; KLEMES J.; PAZ D.; ASO G.; CARDENAS G.Water and wastewater minimisation study of a citrus plant. Resources, Conservation and Recycling 37, p. 227-/250, FOO CHWAN YEE, ZAINUDDIN ABDUL MANAN, ROSLI MOHD YUNUS, RAMLAN ABDUL AZIZ, TAN YIN LING. Water minimization for batch process systems A Pinch Technology Approach. 2 nd World Engineering Congress, Sarawak, Malaysia, July T. MAJOZI AND FRANK X.X. ZHU. A novel Continuous-Time MILP Formulation for Multipurpose Batch Plants. 1. Short-Term Scheduling. Ind. Eng. Chem. Res. 2001, 40, X.X. ZHU AND T. MAJOZI. A novel Continuous-Time MILP Formulation for Multipurpose Batch Plants. 2. Integrated Planning and Scheduling. Ind. Eng. Chem. Res. 2001, 40, DOMINIC CHWAN YEE FOO, ZAINUDDIN ABDUL MANAN, YIN LING TAN. Synthesis of maximum water recovery network for batch process systems. Journal Cleaner Production 13 (2005).