Evaluación de impacto ambiental de procesos de extracción de nanopartículas de quitina de fuentes convencionales (marinas) y no convencionales

1 EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL DE PROCESOS DE EXTRACCIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE QUITINA DE FUENTES CONVENCIONALES (MARINAS) Y NO CONVENCIONALES Estudiante: Vallejo de Benito, Claudia Director: Lizundia Fernández, Erlantz Curso: 2022/2023 Fecha: Bilbao, 15 de mayo de 2023 2 Resumen Las destacables propiedades mecánicas de las nanopartículas de quitina están fomentando su aplicación progresiva en diversos ámbitos científicos y tecnológicos. Recientemente, se han encontrado alternativas a la extracción convencional de este material, que hasta ahora solo era posible mediante el empleo de tratamientos altamente perjudiciales para el medioambiente, como es la hidrólisis ácida de los caparazones de crustáceos y gambas. Actualmente, se conoce que la extracción de las nanopartículas de quitina de los hongos es una gran alternativa, que permite obtener las mismas ventajas que proporcionaba el método tradicional, pero evitando en este caso la desmineralización con ácidos como el clorhídrico (HCl). No obstante, éste se trata del primer trabajo existente que cuantifica los impactos ambientales de las diferentes variantes para la extracción de nanopartículas de quitina. Tiene como fin comparar los procesos convencionales de extracción hidrolítica de nanocristales de quitina a partir de caparazones de gamba, polvo de quitina y caparazones de cangrejo, y la hidrólisis por ácido sulfúrico de celulosa microcristalina a nanocristales de celulosa. En contraposición, proponemos un nuevo método de extracción a partir de los hongos con impactos ambientales reducidos. Para ello empleamos la metodología análisis de ciclo de vida (ACV), que nos permite cuantificar los impactos ambientales derivados de diversos procesos industriales. Esta metodología de creciente relevancia en el mundo industrial debido a las regulaciones establecidas por la Comisión Europea, permite el eco-diseño de procesos industriales para poder reducir, poco a poco, los impactos negativos resultantes de procesos productivos, y colaborar así con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), en concreto con los números 11, 12 y 13, que corresponden a ciudades y comunidades sostenibles, producción y consumo responsables y, acción por el clima, respectivamente. De esta manera, aquí cuantificamos a de manera pionera los beneficios ambientales del nuevo proceso de extracción, lo cual ayudará a su implementación futura. Asimismo, se pone de manifiesto que siguiendo un enfoque de Economía Circular se pueden valorizar diversos residuos de biomasa para reintroducirlos en el ciclo económico y, al mismo tiempo, evitar el vertido de biorresiduos tras el aislamiento de nanopartículas de quitina. Laburpena Kitina nanopartikulen propietate mekaniko nabarmenek aplikazio progresiboa sustatzen ari dira hainbat arlo zientifiko eta teknologikotan. Duela gutxi, material hau lortzeko ohiko erauzketarako alternatibak aurkitu dira, orain arte ingurumenarentzako oso kaltegarriak diren tratamenduen bidez soilik posible zenak, hala nola krustazeoen eta otarrainxka-oskolaren hidrolisi azidoa. Gaur egun, jakina da onddoetatik kitina nanopartikulen erauzketa alternatiba bikaina 3 dela, eta horrek metodo tradizionalaren abantaila berdinak lortzeko aukera ematen du azido klorhidrikoaren erabilera saihestuz. Hala ere, orain arte ez dago kitina nanopartikulen erauzketarako era ezberdinen ingurumen-inpaktuak kuantifikatzen dituen lanik. Beraz, prosezu hauen ingurumen abantailak ez daude guztiz argi. Ildo honetan, lan honek nanokitina onddoetatik lortzea eragiten dituen ingurugiro inpaktuak kuantifikatzen ditu, eta gainera, lortutako emaitzak otarrainxka-oskoletatik, kitina-hautsetik eta karramarro-oskoletatik kitina nanokristalen erauzketa hidrolitikoko prozesu konbentzionalekin alderatzen dira. Horretarako, bizi-zikloaren analisia (LCA, ingelesez) metodologia erabiltzen dugu, hainbat industria-prozesuetatik eratorritako ingurumen-inpaktuak kuantifikatzeko aukera ematen duena. Europako Batzordeak ezarritako araudiaren ondorioz industria munduan gero eta garrantzi handiagoa duen metodologia honek, prozesu industrialen ekodiseinua ahalbidetzen du, pixkanaka, ekoizpen prozesuen ondoriozko inpaktu negatiboak murrizteko, eta horrela, Garapen Jasangarriko Helburuekin (GJH) lankidetzan aritzea, zehazki, 11, 12 eta 13 zenbakiekin, hiri eta komunitate jasangarriei, ekoizpen eta kontsumo arduratsuei eta, azkenik, klima-ekintzari dagozkienak. Modu honetan, hemen modu aitzindari batean kuantifikatzen ditugu erauzketa prozesu berriaren ingurumen-onurak, zeinak etorkizunean ezartzen lagunduko dion. Era berean, frogatuta dago Ekonomia Zirkularrari jarraituz, hainbat biomasa-hondakin balioztatu daitezkeela ziklo ekonomikoan berriro sartzeko eta, aldi berean, kitina nanopartikulak isolatu ondoren biohondakinak isurtzea saihesteko. Abstract The remarkable mechanical properties of chitin nanoparticles are promoting their progressive application in various scientific and technological fields. Recently, alternatives to the conventional extraction of this material have been found, which until now was only possible through the use of highly environmentally damaging treatments, such as acid hydrolysis of crustacean and shrimp shells. Currently, it is known that the extraction of chitin nanoparticles from fungi is a great alternative, which allows obtaining the same advantages as the traditional method, but in this case avoiding demineralization with acids such as hydrochloric acid (HCl). However, this is the first existing work that quantifies the environmental impacts of the different variants for the extraction of chitin nanoparticles. Its purpose is to compare the conventional processes of hydrolytic extraction of chitin nanocrystals from shrimp shells, chitin powder and crab shells, and sulfuric acid hydrolysis of microcrystalline cellulose to cellulose nanocrystals. In contrast, we propose a new method of extraction from the fungi with reduced environmental impacts. To do this, we use the life cycle assessment (LCA) methodology, which allows us to quantify the environmental impacts derived from various industrial processes. This methodology of increasing relevance in the industrial world due to the regulations established by the European Commission, 4 allows the eco-design of industrial processes in order to reduce, little by little, the negative impacts resulting from production processes, and thus collaborate with the Sustainable Development Goals (SDGs), specifically with numbers 11, 12 and 13, which correspond to sustainable cities and communities, responsible production and consumption and climate action, respectively. In this way, here we quantify in a pioneering way the environmental benefits of the new extraction process, which will help its future implementation. Likewise, it is shown that following a Circular Economy approach, various biomass residues can be valorised to reintroduce them into the economic cycle and, at the same time, avoid the dumping of biowaste after the isolation of chitin nanoparticles. 5 Índice de figuras Figura 1. Esquema general del proyecto ............................................................ 8 Figura 2. Descripción ACV ............................................................................... 10 Figura 3. Etapas ACV. ...................................................................................... 13 Figura 4. Tipos de alcance ............................................................................... 14 Figura 5. Diagrama de flujo del proceso de extracción de nanopartículas de quitina a partir de fuentes fúngicas ................................................................... 18 Figura 6. Desglose del proceso ........................................................................ 19 Figura 7. Esquema que resume la extracción de nanocristales de quitina a partir de caparazones de camarones ........................................................................ 21 Figura 8. Diagrama de flujo del proceso de extracción de nanocristales de quitina a partir de polvo de quitina procedente de gambas .......................................... 24 Figura 9. Diagrama de flujo que resume la extracción de nanocristales de quitina del cangrejo ...................................................................................................... 27 Figura 10. Diagrama de flujo que resume el proceso de extracción de nanocristales de celulosa ................................................................................. 30 Figura 11. Distribución del GWP en función de agua, químicos y electricidad. 34 Figura 12. Reducción de impactos tras el Análisis de Sensibilidad .................. 36 Índice de tablas Tabla 1. Descripción de las categorías de impacto .......................................... 15 Tabla 2. Inventariado del primer proceso ......................................................... 19 Tabla 3. Consumo energético asociado al primer proceso .............................. 20 Tabla 4. Inventariado del segundo proceso. .................................................... 23 Tabla 5. Consumo energético asociado al segundo proceso. .......................... 23 Tabla 6. Inventariado del tercer proceso. ......................................................... 25 Tabla 7. Consumo energético asociado al tercer proceso ............................... 26 Tabla 8. Inventariado del cuarto proceso. ........................................................ 28 Tabla 9. Consumo energético cuarto proceso. ................................................. 29 Tabla 10. Inventariado quinto proceso. ............................................................ 31 Tabla 11. Consumo energético del quinto proceso .......................................... 31 Tabla 12. Distribución de impactos .................................................................. 33 Tabla 13. Impactos tras el análisis de sensibilidad ........................................... 36 Tabla 14. Diagrama de Gantt del proyecto. ...................................................... 39 Tabla 15.Coste del proyecto............................................................................. 40 6 Índice Resumen ............................................................................................................ 2 Laburpena .......................................................................................................... 2 Abstract .............................................................................................................. 3 Índice de figuras ................................................................................................. 5 Índice de tablas .................................................................................................. 5 1. Introducción .................................................................................................... 7 2. Contexto ....................................................................................................... 10 2.1. Definición del Análisis de Ciclo de Vida ................................................. 10 2.2. Historia del Análisis de Ciclo de Vida ..................................................... 11 2.3. Etapas del Análisis de Ciclo de Vida ...................................................... 13 2.4. Determinación de los límites en el Análisis de Ciclo de Vida ................. 14 2.5. Impactos ................................................................................................ 14 3. Objetivos ...................................................................................................... 17 3.1. Objetivo primario .................................................................................... 17 3.2. Objetivos secundarios ............................................................................ 17 4. Metodología .................................................................................................. 18 4.1. Proceso 1 ............................................................................................... 18 4.2. Proceso 2 ............................................................................................... 21 4.3. Proceso 3 ............................................................................................... 24 4.4. Proceso 4 ............................................................................................... 27 4.5. Proceso 5 ............................................................................................... 30 5. Resultados y discusión ................................................................................. 32 6. Análisis de sensibilidad ................................................................................ 35 7. Disposición del proyecto............................................................................... 37 7.1. Descripción de las tareas a realizar ....................................................... 37 7.3. Diagrama de Gantt ................................................................................. 39 8. Coste del proyecto ....................................................................................... 40 9. Conclusiones ................................................................................................ 41 10. Bibliografía ................................................................................................. 44 11. Anexos ....................................................................................................... 48 11.1 Proceso 1 .............................................................................................. 48 11.2. Proceso 2 ............................................................................................. 50 11.3. Proceso 3 ............................................................................................. 53 11.4. Proceso 4 ............................................................................................. 56 11.5. Proceso 5 ............................................................................................. 58 7 1. Introducción La quitina es, tras la celulosa, el segundo polímero natural más abundante que existe.1 Fue aislada por primera vez en 1811 por Braconnot de algunos hongos, tras lo cual lo denominó “fungina”. Posteriormente, en 1823, fue Auguste Odier quien aisló de un escarabajo un residuo insoluble a soluciones de KOH , tras lo que le dio el nombre de quitina, procedente del griego “chitón”, túnica o cobertura. Asimismo, Odier sugirió que la quitina sería el material base del exoesqueleto de los insectos y posiblemente de los arácnidos. Posteriormente, en 1929, Albert Hofmann, también conocido por sus grandes descubrimientos acerca de la dietilamida de ácido lisérgico (LSD), consiguió por primera vez describir correctamente su estructura química. 2 Su uso como agente floculante para el tratamiento de agua, para curar heridas, como espesante y estabilizador tanto de alimentos como de medicamentos, lo hace un producto de alto interés. Por esto, su extracción es un proceso importante, por lo que se interesa buscar la manera menos medioambientalmente agresiva de llevarlo a cabo. La quitina es un carbohidrato que se encuentra en diversos seres vivos como son las paredes celulares de los hongos, el exoesqueleto de los artrópodos, dentro de los cuales destacan las gambas y los crustáceos, las quetas de los anélidos y los perisarcos de los cnidarios.3 Las nanofibrillas de quitina son responsables de la extraordinaria resistencia mecánica de los exoesqueletos de algunos animales y de la iridiscencia de algunos insectos4. Las nanopartículas de quitina, en contraposición a la mayoría de los polímeros derivados del petróleo, son renovables y biodegradables. Por ello, permiten implementar una economía circular de materiales que consiste en el desarrollo de materiales medioambientalmente sostenibles capaces de ser renovados, biocompatibles, no tóxicos y biodegradables.5 Los métodos tradicionales de aislamiento de nanopartículas de quitina para la producción de nanocristales de quitina (ChNC, por sus siglas en inglés) de alta pureza se basan en procesos de hidrólisis ácida y oxidación química, y comúnmente se realizan a partir de endocutículas de cangrejo desechadas6 y caparazones de gamba.7 Estos métodos proporcionan valores altos de eficiencia de extracción de quitina , pero a costa de producir impactos medioambientales notables debido a, en primer lugar, su alto consumo de energía para calentar las reacciones químicas, y en segundo, las grandes cantidades de productos químicos que requieren para eliminar el alto contenido en minerales de las conchas. Este problema ha inspirado a considerar alternativas novedosas para extraer dichas nanopartículas de quitina de los desechos de biomasa8, planteando las fuentes fúngicas como alternativa principal en este escenario. De esta manera, se ha planteado extraer la quitina de las paredes celulares de los hongos, ya que, a diferencia del resto de métodos, se trata de una vía de aislamiento que no 8 requiere de desmineralización, siendo, por tanto, un proceso simple que constituye una gran reducción de impacto ambiental.9,10 A pesar de conocer los beneficios que esta vía alternativa proporciona, no existen trabajos previos que cuantifiquen los impactos medioambientales de la misma. Es por esto que, aunque se intuye una mejora notoria, este proyecto es pionero en dar resultados numéricos y responder a esta cuestión, así como en guiar la extracción medioambientalmente sostenible de nanopartículas de quitina. Para ello, se utiliza la metodología del ACV, mediante la cual es posible cuantificar los impactos de la extracción de nanopartículas de quitina a partir de fuentes fúngicas, así como de las fuentes convencionales, y finalmente llevar a cabo una comparativa de los 18 indicadores de impacto medioambiental para cada uno de los procesos, pudiendo consensuar el mejor procedimiento. Cabe destacar que la metodología ACV se trata de una estandarización según las normas internacionales ISO 14040 e ISO 14044 que permite cuantificar los impactos y clasificarlos en varias categorías de indicadores, dentro de los cuales la atención se centrará en el Índice de Calentamiento Global (en inglés, GWP). Figura 1. Esquema general del proyecto según Ref. 11 Para poder comparar los resultados con otras nanopartículas de origen renovable, también se han cuantificado los impactos de los nanocristales de celulosa, CNC por sus siglas en inglés12. Estos nanocristales son prometedores para su uso como refuerzo en nanocompuestos de alto rendimiento debido a su alta resistencia y rigidez, bajo peso y biodegradabilidad, ya que son extraídos de fuentes naturales y son renovables13, por lo que, además, los nanocristales de celulosa se consideran una alternativa a los polímeros basados en combustibles fósiles no degradables. Este proyecto pretende expandir el aislamiento de estas nanopartículas a partir de bases biológicas en los desafíos sostenibles globales, así como guiar el camino hacia una economía circular sostenible. Se trata de un trabajo encuadrado en el marco de la ingeniería industrial, la cual se trata de una rama multidisciplinar que tiene como objetivo la optimización del 9 uso de los recursos humanos, técnicos e informativos, así como del manejo y gestión óptimos de los sistemas, con el fin de obtener productos y servicios de alta calidad. Por tanto, es responsabilidad del ingeniero industrial llevar a cabo su objetivo atendiendo a la salud del medio ambiente, y aplicar las aptitudes obtenidas a optimizar los procesos persiguiendo la máxima eficiencia, atendiendo a minimizar la extracción de materias primas, reducir el consumo energético y de sustancias químicas, y cuidando la gestión de los residuos. 16 De entre los cuales, este estudio se centrará en el parámetro de calentamiento global, comparando el valor obtenido entre los cinco procesos, pudiendo así llegar a la conclusión de cuál es el más favorable. Al considerar únicamente este parámetro para la conclusión del análisis, podría decirse que trata de un análisis de Huella de Carbono, ACV particularizado para el calentamiento global. 17 3. Objetivos 3.1. Objetivo primario El objetivo primario de este proyecto es llevar a cabo el ACV del tipo “de la cuna a la puerta” de cinco procesos de extracción de nanopartículas de quitina, con el fin de analizar alternativas a los métodos de extracción convencional, evitando así la utilización de tratamientos altamente perjudiciales que involucran el uso de ácidos. Se aportan, de manera pionera, datos numéricos que puedan convertir el proceso de extracción de quitina mediante fuentes fúngicas en una alternativa sólida, así como se cuantifica lo realmente perjudiciales que son los métodos tradicionales para el medio ambiente. El estudio se realizará con 1 kg de muestra, para estandarizar los resultados y poder llevar a cabo una posterior comparación de los resultados obtenidos. 3.2. Objetivos secundarios Como objetivos complementarios se encuentran, por un lado, la realización del LCI y del uso de energía requerido para llevar a cabo el proceso de reciclaje; y, por otro lado, el GWP. Este será el indicador en el que se base la toma de decisiones acerca de la mejor técnica de reciclaje. 18 4. Metodología 4.1. Proceso 1 Extracción de nanopartículas de quitina a partir de fuentes fúngicas27 La secuencia de subprocesos ha sido extraída de las indicaciones proporcionadas por la Ref. 27, por lo que no se trata de un ensayo propio en el laboratorio. La evaluación de este proceso de extracción de quitina es el objeto principal de estudio de este proyecto, ya que se pretende proponer como una alternativa altamente sostenible en comparación con el resto de metodologías debido a su reducido consumo de sustancias químicas y electricidad. Figura 5. Diagrama de flujo del proceso de extracción de nanopartículas de quitina a partir de fuentes fúngicas según Ref. 27 19 El primer proceso a estudiar se trata de la extracción de nanopartículas de quitina a partir de hongos. Para llevarlo a cabo, en primer lugar, se pesó 1 kg de muestra de Agaricus Bisporus y se mantuvo congelada para evitar pérdidas de agua y degradación enzimática. Posteriormente, se procedió a descongelarla en agua destilada durante 5 min, para lo que se necesitaron 2 L de agua, y se enjuagaron para eliminar las impurezas. A continuación, se trituró la muestra de en una licuadora de alta velocidad. El posterior proceso de tratamiento con agua caliente y centrifugado, mediante el cual comienza la extracción de quitina, tiene como fin eliminar cualquier componente soluble en agua. A éste le sigue un paso de desproteinización en solución alcalina y centrifugado para eliminar proteínas, lípidos y polisacáridos solubles en agua. Tras este, la torta residual obtenida de la centrifugación se resuspendió en agua (0.8 % 𝑤 𝑣) y se batió durante 10 minutos. La tasa de recuperación de este proceso es del 20.2 %, y la distribución de consumo eléctrico se detalla a continuación en la Tabla 3. Figura 6. Desglose del proceso según Ref. 27 El inventariado de este proceso se detalla a continuación en la Tabla 2. Concepto Cantidad (kg) Fuente/provider Agaricus Bisporus 1.00 - Agua desionizada 129.45 L market for water, deionised | water, deionised | Cutoff, U - Europe without Switzerland Hidróxido de sodio 0.16 market for sodium hydroxide, without water, in 50% solution state | sodium hydroxide, without water, in 50% solution state | Cutoff, U - GLO Electricidad 9.20 kWh market group for electricity, high voltage | electricity, high voltage | Cutoff, U - ENTSO-E Tabla 2. Inventariado del primer proceso; Fuente: Elaboración propia. 20 Proceso Consumo (kWh) Congelado 2.80 Triturado 0.10 Baño en agua caliente 0.40 Centrifugación 1.30 Tratamiento alcalino 3.10 Centrifugación 1.30 Triturado 0.20 Total 9.20 Tabla 3. Consumo energético asociado al primer proceso; Fuente: Elaboración propia. 21 4.2. Proceso 2 Extracción de nanocristal de quitina del caparazón de las gambas:28 Cabe destacar nuevamente que las etapas del proceso siguen las indicaciones proporcionadas por la Ref. 28, no habiéndolo desarrollado de primera mano en el laboratorio. Es necesario estudiar este procedimiento de extracción de quitina ya que es uno de los principales métodos que se llevan a cabo actualmente, y la finalidad de este trabajo es la comparación de los impactos medioambientales asociados a los procesos pioneros frente a los convencionales. Esta segunda metodología de extracción de nanopartículas de quitina se divide a su vez en dos subprocesos. El primero, consiste en el aislamiento de quitina en polvo a partir de caparazones de gambas, mientras que el segundo se trata de la extracción de quitina coloidal a partir de dicho polvo de quitina ya purificado. Primer subproceso: Se comenzó sumergiendo 1 kg de cáscaras de gambas en NaOH 0.5 [M] durante 24 h a temperatura ambiente con el fin de eliminar Figura 7. Esquema que resume la extracción de nanocristales de quitina a partir de caparazones de camarones según Ref. 28 22 proteínas y lípidos. Posteriormente, se lavó la muestra en agua desionizada hasta conseguir un pH neutro, tras lo cual se secó en un horno a vacío a una temperatura de 50 °C durante 48 h. Las cáscaras secas se molieron durante 15 min para conseguir reducirlas a polvo. Posteriormente, se llevó a cabo el proceso de desmineralización mediante un tratamiento con HCl 0.25 [M] durante 45 min a temperatura ambiente. El material se filtró en un embudo Büchner y se enjuagó conseguir nuevamente un pH de 7 con agua destilada. Los posteriores tratamientos de desproteinización y filtrado se repitieron tres veces para eliminar la proteína de la muestra. Dicha desproteinización conllevó 6 h, y se realizó a 80 ˚C bajo la presencia de NaOH 2.5 [M]. Por último, se filtró la mezcla en las mismas condiciones de los filtrados anteriores, y se secó a 40 ˚C en un horno a vacío. De esta manera se eliminaron los compuestos orgánicos solubles y se obtuvo un polvo blanco esponjoso. Segundo subproceso: Una vez obtenida la quitina purificada, se hidrolizó en presencia de HCl 3 [M] durante 1.5 h a 90 °C. Este proceso, junto con una centrifugación posterior, se repitió tres veces. Después, se resuspendió la muestra en agua desionizada hasta alcanzar un pH de 6. Tras esto, se procedió a la diálisis, para lo que se requirieron 125 L de agua desionizada. A continuación, la suspensión de nanocristales de quitina neutralizada final se mezcló en un mezclador a alta velocidad durante 5 min. La suspensión fina resultante se dispersó aún más en agua mediante homogeneización a 8000 psi durante 10 a 15 ciclos con un homogeneizador APV Gaulin. De este subproceso se obtuvieron, finalmente, los nanocristales de quitina. El rendimiento del proceso es del 12.5 %. 28 El inventariado de flujos requeridos para llevar a cabo dicho proceso completo se muestra a continuación en la Tabla 4. Concepto Cantidad (kg) Fuente/provider Cascara de gamba 1.00 - Agua desionizada 340.70 market for water, deionised | water, deionised | Cutoff, U -Europe without Switzerland Hidróxido de sodio 12.80 market for sodium hydroxide, without water, in 50% solution state | sodium hydroxide, without water, in 50% solution state | Cutoff, U - GLO Ácido clorhídrico 22.47 market for hydrochloric acid, without water, in 30% solution state | hydrochloric acid, without water, in 30% solution state | Cutoff, U - RoW Acetona 1.00 L market for acetone, liquid | acetone, liquid | Cutoff, U RER Etanol 1.00 L market for ethanol, without water, in 99.7% solution state, from fermentation | ethanol, without water, in 99.7% solution state, from fermentation | Cutoff, U - GLO 23 Electricidad 218.06 kWh market group for electricity, high voltage | electricity, high voltage | Cutoff, U - ENTSO-E Tabla 4. Inventariado del segundo proceso; Fuente: Elaboración propia. Asimismo, el consumo eléctrico del proceso global se detalla a continuación en la Tabla 5. Proceso 2 Consumo (kWh) Lavado 0.0010 Secado 72.00 Molienda 0.28 Desmineralización 0.074 Filtrado 0.0020 Desproteinización 55.56 Filtrado 0.0030 Secado 75.00 Hidrólisis 9.45 Centrifugación 3.90 Trituración 0.10 Tratamiento mecánico 1.63 Total 218.10 Tabla 5. Consumo energético asociado al segundo proceso; Fuente: Elaboración propia. 24 4.3. Proceso 3 Extracción de nanocristales de quitina a partir de polvo de quitina procedente de gambas: 29 El desarrollo de este proceso ha sido tomado de la Ref.29, y el estudio del mismo es necesario ya que es otro de los procedimientos convencionales en la actualidad, por lo que se necesita conocer cómo afecta a los 18 indicadores de impacto para poder elaborar una conclusión acerca de la validez de la nueva metodología propuesta como medioambientalmente sostenible. Figura 8. Diagrama de flujo del proceso de extracción de nanocristales de quitina a partir de polvo de quitina procedente de gambas según Ref. 17 Este proceso difiere del resto en que la muestra inicial a tratar ya se trata de polvo de quitina, por lo que no tiene en consideración los subprocesos necesarios para obtener dicho polvo a partir de las posibles materias primas. Se trata, por tanto, de un proceso no equiparable en cuanto a impacto ambiental con el resto de metodologías de extracción de quitina, aunque su gran importancia y el interés que suscita en la investigación lo ha convertido de igual manera en objeto de estudio. En primer lugar, el polvo de quitina se trató con una solución de NaOH (5 % en peso) a 80 ˚C durante 3 horas para eliminar cualquier proteína, en presencia de NaBH4 (0.3 % en peso) para evitar la degradación de la quitina inducida por la base (proporción de quitina a solución 1:20). Tras una etapa de temple en la que la reacción fue calmada, se procedió a centrifugar a muestra a 20.000 g durante 15 min, a una temperatura de 4 ˚C. Posteriormente, el sedimento se resuspendió en agua desionizada en una proporción 1:12.5 quitina a solución, tras lo que se sometió a blanqueo ácido en una solución de NaClO2 (0.3 % en peso) a 80 ˚C 25 durante 3 h (proporción de quitina a solución de 1:15). A continuación, la mezcla de reacción se diluyó con agua desionizada y se volvió a centrifugar siguiendo los parámetros anteriores. Todas las reacciones se realizaron con agitación de alta cizalladura, utilizando un agitador mecánico. Después de todos los pasos de purificación, se dispersó mediante agitación la muestra hasta convertirse en una disolución de aproximadamente el 2 % en peso de quitina y se dializó contra agua Milli-Q. Los siguientes subprocesos de calentamiento bajo reflujo, temple y centrifugado se repitieron dos veces. El calentamiento bajo reflujo requirió de 1.14 kg de ácido clorhídrico, para el temple se usaron 60 L de agua desionizada, y la centrifugación se llevó a cabo a 4 ˚C durante media hora. Por último, se dializó la muestra nuevamente contra agua Milli-Q, y se sometió a una sonicación mediante la cual se recuperaron 760 g de nanocristales de quitina. La tasa de recuperación de este proceso es, por consiguiente, del 76 %, y el consumo de electricidad se detalla en la Tabla 7. Asimismo, se muestra a continuación en la Tabla 6 el inventariado de los flujos presentes durante el mismo. Concepto Cantidad (kg) Fuente/provider Polvo de quitina 1.00 - Agua desionizada 2104.45 market for water, deionised | water, deionised | Cutoff, U - Europe without Switzerland Hidróxido de sodio 6.00 market for sodium hydroxide, without water, in 50% solution state | sodium hydroxide, without water, in 50% solution state | Cutoff, U - GLO Ácido clorhídrico 4.37 market for hydrochloric acid, without water, in 30% solution state | hydrochloric acid, without water, in 30% solution state | Cutoff, U - RoW Clorito de sodio 0.040 market for sodium chloride, powder | sodium chloride, powder | Cutoff, U - GLO Ácido acético 0.040 market for acetic acid, without water, in 98% solution state | acetic acid, without water, in 98% solution state | Cutoff, U - GLO Borohidruro de sodio 0.18 market for sodium borates | sodium borates | Cutoff, U - GLO Electricidad 158.80 kWh market group for electricity, high voltage | electricity, high voltage | Cutoff, U - ENTSO-E Tabla 6. Inventariado del tercer proceso; Fuente: Elaboración propia. Proceso Consumo (kWh) Remojo 36.00 Centrifugación 10.30 Resuspensión 1.20 Blanqueamiento 3.60 32 5. Resultados y discusión A continuación, se muestra en la Tabla 12 la distribución de impactos medioambientales de los cinco procesos estudiados, en lo que a las 18 categorías de impacto se refiere. Categoría de impacto Unidad de referencia ChNFHONGOS ChNCGAMBA ChNCGAMBAQUITINA ChNCCANGREJO CNC Formación de partículas finas 10-3 kg PM2.5 eq 27.93 1522.59 164.94 862.25 282.46 Escasez de recursos fósiles kg oil eq 4.91 248.72 28.09 150.07 92.05 Ecotoxicidad en agua dulce 10 -1 kg 1,4DCB 6.35 402.92 39.53 244.04 390.15 Eutrofización de agua dulce 10-3 kg P eq 18.61 823.50 103.69 493.57 56.74 Calentamiento global kg CO2 eq 18.46 906.77 105.17 543.46 177.95 Toxicidad cancerígena humana 10-1 kg 1,4-DCB 12.34 635.42 71.61 420.90 60.45 Toxicidad humana no cancerígena kg 1,4-DCB 23.54 1233.00 138.34 744.49 95.90 Radiación ionizante kBq Co-60 eq 9.30 392.21 50.81 238.22 23.81 Uso del suelo m2a crop eq 0.46 31.61 2.62 13.10 1.49 Ecotoxicidad marina 10-2 kg 1,4-DCB 87.00 5415.18 537.79 3294.25 544.51 Eutrofización marina 10-4 kg N eq 15.13 872.96 121.79 476.08 52.89 Escasez de recursos minerales 10-3 kg Cu eq 24.70 2003.01 172.88 1172.01 186.31 Formación de ozono, Salud humana 10-3 kg NOx eq 31.97 2644.18 188.67 990.77 391.31 Formación de ozono, Ecosistemas terrestres 10-3 kg NOx eq 32.30 3232.03 190.69 1005.44 432.74 Agotamiento del ozono estratosférico 10-6 kg CFC11 eq 9.97 651.30 61.61 330.12 27.93 Acidificación terrestre 10-3 kg SO2 eq 66.54 3604.71 387.65 2053.81 855.00 Ecotoxicidad terrestre kg 1,4-DCB 21.67 2194.07 162.07 1236.48 330.70 33 Tabla 12. Distribución de impactos; Fuente: Elaboración propia. En verde, se muestra el mejor resultado dentro de cada categoría, y en naranja, por el contrario, el peor. Se aprecia como el proceso de extracción de quitina a partir de fuentes fúngicas destaca por su bajo perjuicio ya que aporta los mejores resultados en todas las categorías. En concreto, para el caso del GWP, se cuantifican únicamente 18.45 kg de CO2 equivalente por kilo de nanopartículas. En contraposición, es la extracción a por cáscaras de gambas el proceso que más daña el medioambiente, ya que ofrece los valores más altos en todas las categorías de estudio, siendo el GWP 49 veces superior al caso del primer proceso. Para los casos intermedios de extracción de quitina, se conoce que el tercer proceso, el cual consistía en tratar polvo de quitina, es alrededor de 6 veces más contaminante que el de los hongos, a pesar de que, como se ha comentado previamente, mediante esta metodología se ignoraban todos los tratamientos previos a la extracción de dicho polvo, y que por ello no era realmente semejante a los demás. En cuanto a la extracción de nanocristales de celulosa, se conoce tras este análisis que toma un lugar intermedio, siendo casi 10 veces más perjudicial que el de fuentes fúngicas, pero 5 veces menos que el extraído de caparazones de gambas. Por último, el proceso de extracción a partir de caparazones de cangrejo, el cual comparte estructura con el de extracción a partir de gambas, se trata de la segunda metodología más perjudicial, con un GWP de 543.46 kg de CO2 equivalente. Tras este análisis, se sostiene la premisa de que la extracción de nanopartículas de quitina a partir del se trata de un proceso muy superior a sus semejantes en cuanto a sostenibilidad se refiere. Esto se debe a su bajo uso tanto de sustancias químicas como de electricidad. La contribución de cada factor al GWP total queda reflejada en la Figura 11 que se muestra a continuación. Consumo de agua m3 1.01 21.44 2.29 14.15 3.86 34 Figura 11. Distribución del GWP en función de agua, químicos y electricidad. Adaptado de Ref. 11 Se puede observar que el primer proceso, el que menor impacto medioambiental tiene, es de todos el que menor cantidad de sustancias alcalinas requiere para poder ejecutarse. De su GWP global, los químicos aportan únicamente 1.03 kg CO2 equivalente, lo cual supone el 5.59 % del impacto total, siendo el consumo eléctrico el factor predominante con 17.13 kg de CO2 equivalente. Por el contrario, dentro de la Huella de Carbono del proceso más contaminante, el procedente de las gambas, destacan tanto el uso de químicos (28.34 % del total) y de electricidad (71.08 %). Estos dos factores aportan 256.97 y 644.53 kg de CO2 equivalente, respectivamente. 35 6. Análisis de sensibilidad Con el fin de estudiar la reducción de impacto medioambiental asociado con el aislamiento de nanofibrillas de quitina de hongos y de nanocristales de quitina de caparazones de gambas, se ha considerado un nuevo escenario en el que, se estima que la demanda eléctrica se reducirá en un 30 % debido a una mejora de la eficiencia energética y al aumento de escala. Además, se considera que los disolventes se recogen mediante destilación para que no se liberen a la atmósfera, utilizando para ello un evaporador rotatorio con una capacidad de 20 L y una tasa de evaporación máxima de 5 𝐿 ℎ. Posteriormente, se considera que los productos recuperados se recirculan nuevamente a la producción y que solo se requiere un 5 % de productos químicos frescos para cada procedimiento. De esta manera, se modelan veinte ciclos, donde los productos químicos crudos solo se agregan en el primer ciclo y los siguientes 19 ciclos requieren agregar 5 % en peso de reactivos frescos. Se han elegido estos dos procesos para llevar a cabo el análisis de sensibilidad ya que se tratan de los escenarios menos y más contaminantes, respectivamente. Los resultados de las 18 categorías de impacto tras la aplicación del análisis de sensibilidad se muestran a continuación en la Tabla 13. HONGOS GAMBA Categoría de impacto Unidad de referencia Impacto por kg recuperado Impacto por kg recuperado Formación de partículas finas kg PM2.5 eq 0.023 0.69 Escasez de recursos fósiles kg oil eq 3.93 125.69 Ecotoxicidad en agua dulce kg 1,4-DCB 0.51 15.59 Eutrofización de agua dulce kg P eq 0.016 0.49 Calentamiento global kg CO2 eq 14.75 468.92 Toxicidad cancerígena humana kg 1,4-DCB 1.03 31.16 Toxicidad humana no cancerígena kg 1,4-DCB 20.35 603.09 Radiación ionizante kBq Co-60 eq 7.60 246.36 Uso del suelo m2a crop eq 0.41 12.87 Ecotoxicidad marina kg 1,4-DCB 0.70 21.42 Eutrofización marina kg N eq 0.0049 0.05 Escasez de recursos minerales kg Cu eq 0.027 0.58 Formación de ozono, Salud humana kg NOx eq 0.026 0.88 Formación de ozono, Ecosistemas terrestres kg NOx eq 0.026 0.95 36 Agotamiento del ozono estratosférico kg CFC11 eq 0.0000080 0.00025 Acidificación terrestre kg SO2 eq 0.054 1.68 Ecotoxicidad terrestre kg 1,4-DCB 16.22 458.19 Consumo de agua m3 0.38 9.52 Tabla 13. Impactos tras el análisis de sensibilidad; Fuente: Elaboración propia. Los resultados obtenidos del análisis son muy significativos, tal y como se puede observar en la Figura 12, el GWP se reduce en un 20.1% para el caso de las fuentes fúngicas, alcanzando un valor mínimo de 14.7 𝑘𝑔 𝐶𝑂2 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣 𝑘𝑔 , el cual es un valor muy competitivo para plantear esta alternativa como optima; y un 48.3 % para el de los caparazones de gambas. Sin embargo, para de los hongos, la escasez de recursos minerales y la eutrofización marina aumentan en un 10.0 y un 227.6 %, respectivamente, debido al mayor consumo de energía para alimentar el rotavapor. Figura 12. Reducción de impactos tras el Análisis de Sensibilidad. Adaptado de Ref. 11 37 7. Disposición del proyecto 7.1. Descripción de las tareas a realizar Tarea 1: Preparación Descripción de la tarea: En esta etapa del proyecto, se leyeron los documentos proporcionados por el director del trabajo. Recursos humanos: Ingeniero/a Junior (90h) Ingeniero/a Senior (15h) Duración: 2 semanas Tarea 2: Búsqueda de información Descripción de la tarea: Se comenzó a indagar en el tema. Esta etapa implica la lectura de distintos artículos relacionados con el asunto a tratar y la búsqueda de bibliografía. Recursos humanos: Ingeniero/a Junior (150h) Duración: 3 semanas Tarea 3: Cálculo LCI Descripción de la tarea: Se analizaron las 5 diferentes metodologías de extracción de quitina. Se realizó el inventariado, entradas y salidas del ACV. Recursos humanos: Ingeniero/a Junior (210) Ingeniero/a Senior (40) Duración: 12 semanas Tarea 4: Obtención y análisis de resultados OpenLCA Descripción de la tarea: Se introdujeron dichas entradas y salidas en el software OpenLCA, mediante el cual se calcularon los impactos de cada proceso de reciclaje. Recursos humanos: Ingeniero/a Junior (30) Ingeniero/a Senior (10) 38 Duración: 5 semanas Tarea 5: Redacción del documento Descripción de la tarea: Una vez obtenidos los resultados, se procedió a redactar el documento que engloba la contextualización, procedimiento y conclusiones del trabajo. Recursos humanos: Ingeniero/a Junior (60) Ingeniero/a Senior (10) Duración: 2 semanas 7.2. Duración total La duración total del trabajo será de 24 semanas, comenzando en septiembre de 2022 y finalizando en febrero de 2023. 39 7.3. Diagrama de Gantt Tabla 14. Diagrama de Gantt del proyecto. Fuente: Elaboración propia. SEM: semanas. 40 8. Coste del proyecto El coste del proyecto considera: i. Un tiempo de amortización de 3 años. ii. Un 10 % de costes indirectos. iii. Un precio de la electricidad de 0.28 € / kWh. El coste del proyecto asciende a 20455 €. CONCEPTO TASA HORARIA (€/HORA) UNIDAD (HORAS) TOTAL PERSONAL Ingeniero/a Junior 30 450 13500 € Ingeniero/a Senior 70 75 5250 € AMORTIZACIONE S Ordenador 0.90 450 405 € Licencia OpenLCA 1.60 100 160 € Licencia Microsoft 0.50 150 75 € Ecoinvent 0.50 100 50 € GASTOS Material de oficina - - 400 € Electricidad 0.28 450 126 € SUBTOTAL 18586 € Costes indirectos (10 %) 1859 € TOTAL 20445 € Tabla 15.Coste del proyecto; Fuente: Elaboración propia 41 9. Conclusiones En el presente trabajo, se ha cuantificado de manera pionera los impactos medioambientales que se originan del aislamiento de nanopartículas de quitina a partir de recursos fúngicos y crustáceos mediante la evaluación de ciclo de vida. A pesar de conocerse las potenciales ventajas frente a los métodos convencionales, nunca antes se había estandarizado y cuantificado, de manera que se pudiese comparar de una manera real y objetiva dicha diferencia. Los impactos de la cuna a la puerta de los ChNF de los hongos se enfrentan a la producción de ChNC por hidrólisis ácida a partir de caparazones de camarón, caparazones de cangrejo y polvo de quitina. A modo de comparación, también se considera la hidrólisis de celulosa inducida por ácido sulfúrico análoga para obtener CNC. Se ha normalizado la cantidad de materia prima entrante al proceso, de manera que en todos los casos se utiliza 1 kg de material de origen (hongos, caparazones de camarones y cangrejos, polvo de quitina, celulosa microcristalina). Los 18 impactos que muestran el efecto medioambiental nocivo de cada una de las metodologías están basados en el consumo de material de entrada, electricidad y emisiones durante el desarrollo de cada proceso. La extracción de nanopartículas de quitina a partir de fuentes fúngicas resulta ser el proceso más respetuoso con el medio ambiente, y tal como se ha analizado previamente, se conoce que sus impactos en las diferentes categorías son los más bajos entre todas las metodologías estudiadas. Por el contrario, el método de extracción a partir de caparazones de gambas se trata del más perjudicial, siendo sus impactos los más altos en todas y cada una de las categorías. Se conoce que el GWP del caso fúngico, es de 18.5 kg CO2 equivalente por 1 kg de nanopartículas dispersadas en agua, mientras que los ChNC de los caparazones de los camarones presentan un valor de 906.8 kg·CO2 equivalente por 1 kg, alrededor de 49 veces superior. El análisis de sensibilidad realizado al primer proceso extraído de los hongos, el cual consiste en la suposición de un escenario en el que el 95 % de las sustancias químicas requeridas se recirculan y que el consumo energético disminuye en un 30 %, muestra un GWP de 14.7 kg CO2 equivalente por 1 kg, lo cual supone una reducción del 20.1 %. De esta manera queda aclarada la posible duda sobre la validez de dicho método y se propone como una alternativa muy interesante a implementar para el desarrollo de este campo. Asimismo, un análisis de sensibilidad análogo realizado sobre el proceso de obtención de quitina por medio de caparazones de gambas, revela una reducción del 48.3 % respecto a la situación original. No obstante, este escenario, el cual disminuye el impacto para la mayoría de las categorías tanto en el caso de las fuentes fúngicas como en el de las gambas, resulta perjudicial para la eutrofización marina y la escasez de recursos minerales siguiendo la metodología de los hongos. Estos índices aumentan en un 227.6 y un 10 % respectivamente, lo cual 48 11. Anexos 11.1 Proceso 1 Obtención de nanofibrillas de quitina a partir de hongos considerando 1 kg de Agaricus Bisporus como material de origen y un rendimiento del 20.2 % (rendimiento medio entre el 25.4 % para el tallo y el 15.0 % para el sombrero)27 1. Congelado Se congela inicialmente 1 kg de Agaricus Bisporus durante 10 h. Considerando una potencia de 370 W, se necesita un consumo del 75 % del máximo, 2.8 kWh.32 2. Descongelación Para descongelar la muestra se utiliza 1 L de agua desionizada, bañando los hongos por 5 min. El procedimiento se repite dos veces, consumiendo 2 L de agua. 3. Triturado A continuación, la muestra se licúa durante 10 min con una licuadora de 800 W, que teniendo en consideración que se trabaja al 75 % del máximo, supone un consumo energético de 100 Wh. 4. Baño en agua caliente Se realiza un baño a 85 ˚C durante 30 min para eliminar los componentes hidrosolubles. Para ello se añade agua desionizada hasta obtener un volumen total de 3 L. La electricidad requerida es de 386.25 Wh, debido al uso de un agitador magnético y un baño calefactor (1030 W de potencia). 5. Centrifugado La mezcla se centrifuga a 7000 rpm durante 15 min para eliminar el agua residual. Para ello, utilizando una centrifugadora de 6900 W de potencia y 6 L de capacidad, el consumo energético asociado al 75 % del total es de 1.3 kWh. 6. Tratamiento alcalino La mezcla se somete a un tratamiento alcalino para eliminar proteínas, lípidos y polisacáridos alcalino solubles. Se utilizan aproximadamente 2 L de hidróxido de sodio (NaOH) 1[M] (80 g de NaOH), y la mezcla se calienta a 65 ˚C durante 3 h. consumiendo 3.1 kWh. El dispositivo utilizado es el LBX H20SQC.33 7. Neutralización y centrifugado Se añaden 5 L de agua y se realiza un paso de centrifugado similar al anterior para eliminar el NaOH. El consumo de energía es de 1.3 kWh. El equipo utilizado es una centrífuga refrigeradora modelo CR22N, Hitachi Koki con una capacidad de 6 L.34 49 8. Resuspensión Se resuspende la mezcla hasta conseguir que sea una solución 0.8 % (𝑤 𝑣). Para ello, la cantidad de agua a añadir es de 124.32 L. 9. Triturado Finalmente, la mezcla se bate durante 10 min. El equipo utilizado es el modelo Dynamic MX2000, con una potencia de 600 W y una capacidad de 100 L. Para realizar el proceso se requieren 3 pasos, ya que el volumen a tratar considerando un factor de seguridad de duplicación es de 250 L.35 El consumo energético es de 225 Wh. 50 11.2. Proceso 2 Para obtener nanocristales de quitina a partir de caparazones de camarón considerando 1 kg de caparazón de camarón como material de origen y un rendimiento del 12.5 %: aPrimer subproceso: 1. Remojo Las cáscaras de los camarones se sumergen en 20 L de NaOH 0.5 [M] durante 24 h para eliminar las impurezas a temperatura ambiente (400 g de NaOH puro). 2. Lavado Se utilizan 20 L de agua desionizada. Se filtra la mezcla mediante un Büchner, cuya capacidad es de 20 𝑙 𝑚𝑖𝑛, y 60 W de potencia. El consumo energético es, por tanto, de aproximadamente 1 Wh, considerando que se utiliza una potencia del 75 % de la máxima. 3. Secado La mezcla se seca a 50 ˚C durante 48 h, consumiendo 72 kWh a un 75 % de la potencia máxima. 4. Molienda Las cáscaras de los camarones se muelen (para reducir el tamaño de las partículas) durante 15 min usando 20 L de agua DI. El consumo de energía es de 281 Wh al 75 % de la potencia máxima considerando el modelo YLK-S-50L.36 5. Desmineralización Para este proceso de desmineralización se requieren 20 L de solución de HCl 0.25 [M] (182.3 g de HCl puro). La energía utilizada para el proceso es de 74 Wh, correspondiendo esta energía a la agitación de la mezcla, mediante el uso de un agitador de cabeza digital con un consumo de energía de 130 W. El proceso se realiza a temperatura ambiente, y el tiempo necesario para el proceso es de 45 min.37 6. Filtrado Se utiliza un filtrador a vacío tipo Büchner, con una capacidad de 20 𝑙 𝑚𝑖𝑛, y 60 W de potencia.38 Se utilizan 10 L de agua DI con un consumo de energía de 2 Wh al 75 % de la producción. 7. Desproteinización El proceso se repite 3 veces. Se añaden 20 L de NaOH 2.5 [M] (2 kg de NaOH cada vez), trabajando con 19.27 L de agua desionizada y 1.54 kg de NaOH a una temperatura de 80 ˚C durante 6 horas, consumiendo 18,52 kWh. El 51 dispositivo utilizado para este proceso es el agitador magnético Labbox modelo LBX H20SQC, con una potencia de 1030 W y una capacidad de 10 L. Para realizar este paso se necesitan 4 etapas.33 8. Filtrado El proceso de filtrado también se repite 3 veces. Se utiliza nuevamente un filtro de vacío tipo Büchner con un consumo de energía de 1 Wh (considerando el 75 % del máximo). Se añaden 10 L de agua desionizada. 9. Filtrado Se lleva a cabo un paso de filtrado adicional. Para ello se requiere 1 L de acetona y 1 L de etanol. 10. Secado La muestra se seca a 40 ˚C para eliminar toda el agua restante. Este consume 72 kWh al 75 % de la potencia máxima. bSegundo subproceso: 11. Hidrólisis En este punto la muestra está formada por polvo de quitina que se utiliza en el proceso de hidrólisis. El proceso de hidrólisis consiste en 20 L de solución ácida 3 [M] (2.187 kg de HCl y 18.63 L de agua) a 90 ˚C durante 15 min con agitación constante. Este proceso se realiza tres veces y se lleva a cabo en una unidad Gerhardt de hidrólisis automática Hydrotherm con 2800 W de potencia durante 15 min, consumiendo un total de 3.15 kWh de energía al 75 % de la potencia máxima.39 12. Centrifugado Este proceso se repite 3 veces, y para cada una de ellas, la centrifugación requiere 15 min. Por tanto, se consume un 1.3 kWh en cada etapa. 13. Resuspensión Se añaden 1.5 L de agua a la mezcla. 14. Diálisis La diálisis de la quitina se lleva a cabo para eliminar las moléculas no deseadas de la dispersión. Como las moléculas grandes no pueden pasar a través de los poros de las membranas de diálisis, la quitina permanece dentro de las bolsas de diálisis, mientras que las moléculas pequeñas se difunden libremente a través de la membrana hacia el medio exterior. Para ello, la suspensión de quitina a una concentración del 2 % en peso se dializa contra agua destilada utilizando membranas de diálisis de celulosa regenerada durante 48 h. El agua se reemplaza cada 12 h. Teniendo en cuenta la cantidad de nanoquitina extraída, 52 la cantidad de agua requerida es: 6.25 L de suspensión de nanoquitina al 2 % en peso, que requiere ser cinco veces el agua en el tanque para diálisis, constando de 4 etapas, es decir, 125 L de agua. 15. Licuado A continuación, la muestra se bate durante 10 min con una batidora de 800 W de potencia, consumiendo el 75 %, 100 Wh. 16. Dispersión La muestra se vuelve a dispersar mediante la adición de 5 L de agua. 17. Tratamiento mecánico Para este tratamiento mecánico se utiliza un Homogeneizador APV Gaulin, requiriendo un consumo energético de 1.63 kWh al 75 %.40 18. Redispersión Finalmente, la muestra se vuelve a dispersar en 5 L de agua. 53 11.3. Proceso 3 Para el proceso de obtención de nanocristales de quitina a partir de polvo de quitina considerando 1 kg de polvo de quitina como material de partida y un rendimiento del 76 %:29 1. Desproteinización Se trata 1 kg de quitina en polvo. Para ello, se añade a la solución de quitina, NaOH al 5% en peso y borohidruro de sodio (NaBH4) al 0.3 % en peso, en una proporción de 1:20 (1 kg de NaOH puro y 60 g de NaBH4 puro). Este proceso, mediante el cual se eliminan las proteínas, que representan el 22.07 % de la masa inicial, se repite 3 veces El dispositivo utilizado debe mantener el coeficiente de seguridad de 2, para garantizar el correcto cumplimiento del proceso. Por tanto, se necesita un depósito que permita una capacidad de 46 L. Se utiliza un agitador magnético con una capacidad de 10 L. Se requieren 6 etapas a 80 ˚C para completar el proceso. La potencia consumida por este dispositivo es de 1030 W, por lo que la electricidad consumida será de 13.91 kWh, siendo el tiempo necesario de 3 h.33 2. Temple (Quenching) La reacción se diluye con un volumen de agua 10 veces el de la muestra, es decir, 230 L. 3. Centrifugado La mezcla se centrifuga a una velocidad de 20000 g, durante 15 min a una temperatura de 4 ˚C, para lo cual se utiliza una centrifugadora-frigorífico modelo CR22N, hitachi koki de 6 L de capacidad. Por tanto, el proceso se tendrá que realizar en 8 etapas, ya que el volumen a centrifugar es de 46 L, y queremos mantener el factor de seguridad. La potencia de este dispositivo es de 6900 W, por lo que el consumo eléctrico será de 13.8 kWh, considerando las 8 etapas, y el tiempo requerido de 15 min. De nuevo, el consumo eléctrico se estimará en el 75 % del máximo, 10.35 kWh. 34 Por medio de este proceso, se eliminan ¾ de la cantidad total de agua, 13.8 kg, quedando para la etapa siguiente 4.6 kg. 4. Resuspensión Para este proceso de resuspensión se utilizan 20 L de agua. La energía consumida es la correspondiente al mezclado, el cual se indica que está presente en todas las etapas de purificación. Para ello se utilizará nuevamente el agitador magnético mencionado anteriormente, consumiendo 1.59 kWh. (una sola etapa de mezclado, potencia de 530 W y 3 h de duración) que al 75 % suponen 1.2 kWh. 54 5. Blanqueamiento Con una proporción de solución de quitina a clorito de sodio (NaClO2) de 1:15, la concentración de NaClO2 es 0.3 % en peso. A partir de 1 kg de quitina, la masa de solución será de 15 kg y la de NaClO2 en consecuencia (40 g). Asimismo, para la etapa de blanqueo, se especifica que es necesaria la adición de ácido acético (AcOH) hasta que el pH sea 3. Esto da como resultado 0.044 L de AcOH, o 0.0462 kg de AcOH. En cuanto a la energía eléctrica consumida en el blanqueo, se calcula de igual forma, 1.59 kWh, y al 75 %, 1.2 kWh. Además, se necesita energía para la agitación, se realizan 4 etapas con un agitador magnético de 10 L de capacidad y 1030 W de potencia, consumiendo un total de 9.27 kWh considerando un consumo energético del 75 %. 6. Temple (Quenching) Considerando los 16.42 L de solución, se realiza un temple agregando 165 L de agua. 7. Centrifugado Utilizando la misma centrifugadora que antes, por medio de 6 etapas, durante 30 min, consumiendo (al 75 %), 15.6 kWh. Mediante este proceso se eliminan ¾ del volumen de agua y todos los residuos, que son 12.15 kg de agua, quedando en el proceso un total de 4.05 kg de agua. 8. Redispersión Se usan 5 L de agua. 9. Diálisis Como se ha explicado previamente, la diálisis de la quitina se lleva a cabo para eliminar las moléculas no deseadas de la dispersión. Para ello, la suspensión de quitina a una concentración del 2 % en peso se dializa contra agua destilada utilizando membranas de diálisis de celulosa regenerada durante 48 h. El agua se reemplaza cada 12 h. Teniendo en cuenta la cantidad de nanoquitina extraída, la cantidad de agua requerida es: 6,25 L de suspensión de nanoquitina al 2 % en peso que requiere cinco veces el agua en el tanque para diálisis, con 4 etapas, es decir, 760 L de agua. Este proceso se repite dos veces. 10. Calentamiento y reflujo Se necesitan 9 kg de HCl 4 [M] (1.31 kg de HCl puro). Se aplica calentamiento durante 540 min a 70 ˚C bajo reflujo. Para llevar a cabo este proceso se tienen 19.3 L de mezcla, se necesitan 4 etapas con el agitador magnético utilizado anteriormente durante 540 min, consumiendo un total de 27.81 kWh (al 75 % de potencia). 11. Temple 55 Se añaden 60 L de agua. 12. Centrifugado Se procede a centrifugar la mezcla utilizando la misma centrifugadora que antes, con 7 etapas durante 30 min, consumiendo al 75 %, 18.1 kWh. Mediante este proceso se eliminan las ¾ partes del volumen de agua y todos los residuos, que son 14.5 kg de agua, quedando en el proceso un total de 4.8 kg de agua. 13. Diálisis La fase de diálisis se repite, consumiendo de nuevo 760 L de agua. 14. Ultrasonidos Implica someter a ultrasonidos la dispersión en etapas de 100 mL. El equipo utilizado es VCX 1500 HV con un consumo máximo de potencia de 2500 W. La energía necesaria al 75 % de la potencia es, por tanto, de 41.56 kWh.41 56 11.4. Proceso 4 1. Desproteinización En este primer paso se añaden 20 L de NaOH al 5 % (20.07 kg de agua desionizada y 1.06 kg de NaOH). Para completar este proceso se utiliza un agitador mecánico con un consumo de energía de 1030 W Labbox modelo LBX H20SQC.33 Para llevar a cabo el proceso se requieren 6 etapas, ya que la capacidad es de 10 L y el volumen a tratar es de 30 L. Además, se requiere un factor de seguridad de 2. La duración del proceso es de 6 h, por lo que el consumo eléctrico es de 27.8 kWh, teniendo en cuenta que se considera un 75 % de la potencia máxima. 2. Lavado Se utilizan 10 L de agua desionizada. Se lleva a cabo la filtración con un filtrador a vacío tipo Buchner, con una capacidad de 20 𝑙 𝑚𝑖𝑛, y un consumo eléctrico de 60 W. La electricidad consumida es por tanto de 2.5 Wh aproximadamente, considerando que se utiliza el 75 % de la potencia máxima. 3. Desmineralización Se añaden 20 L de HCl 7 % en volumen (1.4 L o 2.086 kg de HCl puro). La energía utilizada para el proceso es de 9.4 kWh, ya que el dispositivo utilizado es un agitador de cabeza (proceso a temperatura ambiente) con un consumo eléctrico de 130 W y una capacidad de 40 L. El tiempo necesario para el proceso es de 4 días. 4. Lavado De nuevo, se usan 20 L de NaOH 5 % en peso (1.06 kg de NaOH puro). El consumo energético es de aproximadamente 3 Wh. 5. Despigmentación Para eliminar el pigmento residual, 20 L de peróxido de hidrógeno (H2O2) 5 % en volumen se añade a la muestra (1.7 kg de H2O2 puro). La mezcla se calienta hasta alcanzar los 90 ˚C, y se agita durante 1 h en el agitador magnético de 1030 W comentado anteriormente. La capacidad de este dispositivo es de 10 L, por lo que se requieren 6 etapas con un consumo de 4.7 kWh. 6. Lavado De nuevo, se usan 20 L de NaOH 5 % en peso (1.06 kg de NaOH puro). El consumo energético es de aproximadamente 3 Wh. 7. Secado La muestra se seca a 40 ˚C durante 16 h con el horno modelo Carbolite Gero Apex AX120 de 2000 W, con un consumo de 24 kWh. 57 8. Desmineralización La muestra se trata con 2.6 L de HCl 4 [M] (379.2 g de HCl puro). El proceso se completa en 10 h a 104 ˚C, y el dispositivo utilizado es el agitador magnético mencionado anteriormente, con un consumo de 7.7 kWh. 9. Decoloración Se añaden 130 mL de H2O2 30 % en volumen durante los últimos 30 min de la fase de desmineralización (56.5 g de H2O2 puro). 10. Dilución La mezcla se diluye hasta duplicar el volumen, agregando así 2.86 L. 11. Centrifugado Para eliminar aproximadamente el 80 % del aporte líquido a la muestra, se realiza un proceso de centrifugación de 15 min a 2200 rpm. El equipo utilizado es la centrifugadora modelo CR22N, hitachi koki con una capacidad de 6 L con un consumo de potencia de 6900 W. El volumen tratado es de aproximadamente 5.8 L, como previamente se ha explicado, por lo que se requieren 2 etapas. La electricidad consumida es de 2.6 kWh. 12. Diálisis Teniendo en cuenta la cantidad de nanoquitina extraída, la cantidad de agua requerida es: 4.85 L de suspensión de nanoquitina al 2 % en peso que requiere cinco veces el agua en el tanque para diálisis, con 4 etapas, es decir, 97 L de agua. 13. Tratamiento ultrasónico En este proceso se utiliza el Limpiador Ultrasónico ZORTRAX, el cual tiene un consumo de potencia de 120 W. Para realizar esta última fase se requiere 1 h, consumiendo 90 Wh.