Processing GFM

El Gap Filling Module de Procesamiento calcula las emisiones de gases de efecto invernadero de las operaciones de procesamiento de alimentos. Cubre una amplia gama de procesos incluyendo congelación, secado, horneado, producción de zumos y muchos más. El procesamiento puede afectar significativamente la huella ambiental de los productos alimentarios, haciendo este módulo esencial para evaluaciones precisas del ciclo de vida.

Referencia Rápida

Propiedad	Descripción
Se ejecuta en	`ModeledActivityNode` con padre `FoodProductFlowNode`, o `FoodProcessingActivityNode` para productos combinados
Dependencias	`OriginGapFillingWorker`, `AttachFoodTagsGapFillingWorker`, `ConservationGapFillingWorker`, `MatchProductNameGapFillingWorker`, `AddClientNodesGapFillingWorker`
Entrada clave	Etiquetas de procesamiento (términos de glosario), origen del producto, composición nutricional
Salida	Nodos de actividad de procesamiento con consumo eléctrico, flujos de materia prima
Activador	Producto coincide con combinaciones específicas de términos de glosario

Cuándo se Ejecuta

El módulo se activa cuando:

Un producto tiene un ModeledActivityNode con un padre FoodProductFlowNode que contiene un nombre de producto
El producto tiene términos de glosario coincidentes que activan un modelo de procesamiento
Todos los GFMs de dependencia han completado (origen, conservación, etiquetas de alimentos)
El producto no coincide con un término de no-alimento

Salida Clave

El módulo añade nodos de actividad de procesamiento al grafo de cálculo:

Consumo eléctrico: Flujos de mercado eléctrico específicos por país
Flujos de materia prima: Materiales de entrada requeridos para el procesamiento
Actividad de procesamiento: Inventario de ciclo de vida completo para el proceso

Metodología Científica

El Processing GFM usa dos enfoques fundamentalmente diferentes según el tipo de procesamiento:

Modelos de Procesamiento Simples

Los modelos de procesamiento simples añaden actividades de procesamiento sobre productos base existentes. Estos procesos:

Tienen una relación entrada-salida de 1:1 (1 kg de entrada = 1 kg de salida)
Escalan linealmente con el peso del producto
No cambian fundamentalmente las propiedades del producto

Ejemplos: Corte, triturado, mezclado, enfriado, molienda

Modelos de Procesamiento Complejos

Los modelos de procesamiento complejos crean nuevos inventarios de ciclo de vida para productos transformados. Estos procesos:

Pueden tener relaciones entrada-salida no unitarias (por ejemplo, se necesita más materia prima que salida)
Dependen de características del producto (composición nutricional)
Pueden crear productos fundamentalmente diferentes

Ejemplos: Secado, congelación, producción de zumos, producción de mermelada, producción de yogur

Categorías de Modelos de Procesamiento

El Processing GFM implementa varios tipos de modelos organizados en una jerarquía de clases:

AbstractProcessingModel
    |
    +-- ProcessWithElectricityNode (modelos solo electricidad)
    |       |
    |       +-- ProcessWithFixedElectricityAmount
    |       +-- FreezingProcessingModel
    |
    +-- ProcessWithBWNode (modelos Brightway/Ecoinvent)
            |
            +-- ProcessWithUnitRawMaterial
            +-- ProcessWithNonUnitRawMaterial
            +-- DryingProcessingModel

ProcessWithFixedElectricityAmount

Procesos simples que solo requieren consumo eléctrico, escalado por peso del producto.

Fórmula:

Electricidad [kWh] = Cantidad fija de electricidad [kWh/kg] * Cantidad de producción [kg]

Procesos usando este modelo:

Molienda
Corte
Triturado
Fermentación
Inflado
Liofilización
Enfriado
Mezclado

ProcessWithUnitRawMaterial

Procesos que usan nodos de actividad Brightway/Ecoinvent con relación de materia prima 1:1.

Fórmula:

Materia prima [kg] = Cantidad de producción [kg]
Flujo de procesamiento = Actividad Brightway * Cantidad de producción

Procesos usando este modelo:

Molienda de fruta seca
Carbonatación
Ahumado
Tostado
Picado
Calentamiento
Transporte

ProcessWithNonUnitRawMaterial

Procesos que usan nodos de actividad Brightway/Ecoinvent donde la entrada de materia prima difiere de la salida.

Fórmula:

Materia prima [kg] = Ratio de materia prima * Cantidad de producción [kg]
Flujo de procesamiento = Actividad Brightway * Cantidad de producción

Procesos usando este modelo:

Horneado
Producción de mermelada
Producción de zumos
Producción de yogur

Procesos Implementados

La siguiente tabla lista todos los tipos de procesamiento implementados con su clase de modelo:

Nombre del Proceso	Tipo de Modelo	Descripción
Molienda	ProcessWithFixedElectricityAmount	Reducción mecánica de tamaño
Molienda de fruta seca	ProcessWithUnitRawMaterial	Molienda de frutas secas
Carbonatación	ProcessWithUnitRawMaterial	Adición de dióxido de carbono
Corte	ProcessWithFixedElectricityAmount	Corte mecánico
Triturado	ProcessWithFixedElectricityAmount	Triturado mecánico
Fermentación	ProcessWithFixedElectricityAmount	Proceso de fermentación
Ahumado	ProcessWithUnitRawMaterial	Conservación por ahumado
Inflado	ProcessWithFixedElectricityAmount	Expansión por calor/presión
Liofilización	ProcessWithFixedElectricityAmount	Liofilización
Enfriado	ProcessWithFixedElectricityAmount	Refrigeración
Horneado	ProcessWithNonUnitRawMaterial	Procesamiento térmico
Producción de mermelada	ProcessWithNonUnitRawMaterial	Elaboración de conservas de fruta
Producción de zumos	ProcessWithNonUnitRawMaterial	Extracción de líquido
Producción de yogur	ProcessWithNonUnitRawMaterial	Fermentación láctea
Tostado	ProcessWithUnitRawMaterial	Cocción con calor seco
Picado	ProcessWithUnitRawMaterial	Corte mecánico
Calentamiento	ProcessWithUnitRawMaterial	Tratamiento térmico
Secado	DryingProcessingModel	Eliminación de humedad
Congelación	FreezingProcessingModel	Conservación por congelación
Mezclado	ProcessWithFixedElectricityAmount	Combinación de ingredientes
Transporte	ProcessWithUnitRawMaterial	Transporte al procesamiento

Modelo de Procesamiento de Congelación

El modelo de congelación calcula los requisitos energéticos basándose en la composición del producto usando principios termodinámicos.

Fórmula de Cálculo de Energía

La energía total de congelación se calcula como:

Q_total = Q_carga_térmica + Q_refrigerador

Donde:

Q_carga_térmica: Energía para enfriar y congelar el producto
Q_refrigerador: Energía para operación del sistema de refrigeración

Carga Térmica del Producto

Q_producto = W_pr / t_pr * (c_u * (T_i - T_if) + L * 1000 + c_fr * (T_if - T_out))

Donde:

W_pr: Masa del producto (kg)
t_pr: Tiempo de residencia (s)
c_u: Calor específico sin congelar (J/kg K)
T_i: Temperatura inicial (20 grados Celsius)
T_if: Temperatura inicial de congelación (-1,7 grados Celsius)
L: Calor latente de congelación (kJ/kg)
c_fr: Calor específico congelado (J/kg K)
T_out: Temperatura de salida (-18 grados Celsius)

Impacto de la Composición Nutricional

El modelo usa contenido de agua y grasa para calcular propiedades termofísicas:

# Fracción sólida
x_s = 1 - x_w - x_f

# Fracción de agua ligada (limitada por agua total)
x_b = min(0.25 * x_s, x_w)

# Fracción de hielo
x_i = (x_w - x_b) * (1 - T_if / T)

# Calor latente de congelación
L = 334 * x_i  # kJ/kg

Componentes de Carga Térmica

Para congelación continua por aire:

Componente	Porcentaje
Producto	60%
Ventiladores	20%
Pull-down	0%
Descongelación	15%
Otros	5%

Constantes Físicas

Parámetro	Valor	Unidad
Temperatura de alimento congelado (T)	-23	grados Celsius
Temperatura central (T_c)	-15	grados Celsius
Temperatura del medio de enfriamiento (T_f)	-32	grados Celsius
Coeficiente de Rendimiento (COP)	2,75	-
Densidad del agua (p_w)	1000	kg/m3
Densidad de la grasa (p_f)	930	kg/m3
Densidad de sólidos (p_s)	1450	kg/m3
Calor específico del agua (c_w)	4180	J/kg K
Calor específico del hielo (c_i)	2110	J/kg K
Calor latente del agua (L1)	334	kJ/kg

Modelo de Procesamiento de Secado

El modelo de secado calcula la evaporación de agua basándose en el ratio de escalado de nutrientes del Nutrient Subdivision GFM.

Cálculo de Pérdida de Agua

Agua a evaporar [kg] = (Ratio de escalado - 1.0) * Cantidad de producción [kg]

El ratio de escalado representa cuánto producto fresco se necesita para producir 1 kg de producto seco.

Fórmula de Evaporación

El porcentaje de pérdida de agua se calcula como:

Pérdida de agua % = 100 * {1 - [(% agua final / 100) * (Peso total - Peso de agua)] /
                         [(1 - % agua final / 100) * Peso de agua]}

Para productos secos:

Contenido final de agua: 0-20% (contenido de peso seco 80-100%)
Basado en investigación de Afolabi 2014

Integración con Nutrient Subdivision GFM

El modelo de secado trabaja en conjunto con el Nutrient Subdivision GFM:

Nutrient Subdivision GFM: Calcula el ratio de escalado basado en la diferencia de contenido de agua
Drying GFM: Añade la energía de evaporación basada en el ratio de escalado
Actividad de procesamiento: Se adjunta al nodo de escalado existente

Variantes de Proceso de Secado

Proceso	Término de Glosario	Descripción
Secado general	J0116	Proceso de secado por defecto
Secado lácteo	J0116 + términos lácteos	Producción de leche en polvo
Secado de cereales	J0116 + términos de cereales	Secado de cereales
Secado de legumbres	J0116 + términos de legumbres	Secado de judías/guisantes
Secado de frutos secos	J0116 + términos de frutos secos	Deshidratación de frutos secos
Secado de semillas oleaginosas	J0116 + términos de oleaginosas	Secado de semillas
Secado de especias	J0116 + términos de especias	Secado de hierbas/especias
Secado de frutas	J0116 + términos de frutas	Deshidratación de frutas
Secado de verduras	J0116 + términos de verduras	Secado de verduras

Detalles de Implementación

Sistema de Etiquetas de Activación

El procesamiento se activa por combinaciones específicas de términos de glosario FoodEx2. La configuración se almacena en una Hoja de cálculo de Google con:

Columnas B-D: Combinaciones de términos de glosario
Columna E: ID de Brightway o cantidad de electricidad
Columna F: GFM involucrado
Columna G: Comentarios (ubicación: GLO, RER, etc.)

Prioridad de Etiquetas

Cuando múltiples combinaciones de etiquetas coinciden, se selecciona la más específica:

# El procesamiento con mayor número de etiquetas se prioriza
# ya que son más específicos para este producto particular
if len(processing_xid_and_tags.tags) > len(viable_processing[0].tags):
    viable_processing = [processing_xid_and_tags]

Electricidad Específica por País

El módulo usa mercados eléctricos específicos por país:

# Electricidad de baja tensión para procesamiento
electricity_node = electricity_node_by_country.low_voltage.get(country_code)

# Fallback a global si el país no está disponible
if electricity_node is None:
    electricity_node = electricity_node_by_country.low_voltage.get("GLO")

Adición de Transporte

El transporte a instalaciones de procesamiento se añade cuando:

El término de glosario Z0001 (Características Adjuntas de Alimento No Conocidas) está presente
El proceso crea un nuevo ICV (no solo añade procesamiento encima)
Excluye: Enfriado y Congelación (para evitar doble conteo)

# Añadir término de transporte para creación de nuevo inventario
if "Z0001" in filtered_tag_term_xids:
    filtered_tag_term_xids.add("EOS_Transportation")

Integración con el Grafo de Cálculo

Estructura de Nodos

El Processing GFM crea la siguiente estructura de grafo:

FoodProductFlowNode (padre)
    |
    +-- FoodProcessingActivityNode (actividad de procesamiento)
            |
            +-- FoodProductFlowNode (flujo de materia prima)
            |       |
            |       +-- ModeledActivityNode (nodo Brightway original)
            |
            +-- PracticeFlowNode (flujo de procesamiento)
                    |
                    +-- ModeledActivityNode (electricidad o proceso Brightway)

Secuencia de Mutaciones

Eliminar arista entre flujo padre y nodo Brightway original
Crear FoodProcessingActivityNode
Añadir arista del flujo padre a la actividad de procesamiento
Duplicar flujo padre como flujo de materia prima
Actualizar cantidades en el flujo de materia prima
Añadir arista del flujo de materia prima al nodo Brightway original
Crear PracticeFlowNode para procesamiento
Conectar flujo de procesamiento a proceso de electricidad/Brightway

Ejemplo de Cálculo

Escenario: 1 kg de guisantes congelados, producidos en Alemania

Paso 1: Determinar Composición Nutricional

De los datos de nutrientes:

Contenido de agua (x_w): 78,9%
Contenido de grasa (x_f): 0,4%

Paso 2: Calcular Propiedades Termofísicas

# Fracción sólida
x_s = 1 - 0.789 - 0.004 = 0.207

# Fracción de agua ligada
x_b = min(0.25 * 0.207, 0.789) = 0.052

# Fracción de hielo a -23 grados Celsius
x_i = (0.789 - 0.052) * (1 - (-1.7) / (-23)) = 0.682

# Calor latente
L = 334 * 0.682 = 227.8 kJ/kg

Paso 3: Calcular Requisitos de Energía

# Calor específico sin congelar
c_u = 4180 * 0.789 + 1600 * 0.207 + 1900 * 0.004 = 3638 J/kg K

# Calor específico congelado (simplificado)
c_fr = 2650 J/kg K

# Carga térmica del producto
Q_producto = 1 * (3638 * (20 - (-1.7)) + 227800 + 2650 * ((-1.7) - (-18)))
          = 79,005 + 227,800 + 43,185 = 349,990 J

# Total incluyendo componentes del congelador (60% carga del producto)
Q_calor_total = 349,990 / 0.6 = 583,317 J

# Energía del refrigerador (COP = 2.75)
Q_refrigerador = 583,317 / 2.75 * 1.175 = 249,425 J

# Energía total
Q_total = 583,317 + 249,425 = 832,742 J = 0.231 kWh/kg

Paso 4: Aplicar Electricidad Específica por País

Emisiones = 0.231 kWh * Mix eléctrico alemán [kg CO2eq/kWh]

Salida Final

El módulo añade:

Nodo de actividad de procesamiento para congelación
Flujo de electricidad (0,231 kWh) conectado al mercado eléctrico alemán de baja tensión

Limitaciones Conocidas

Cobertura de Modelos

No todos los tipos de procesamiento tienen modelos dedicados
Algunos procesos usan enfoques simplificados solo de electricidad
Los procesos complejos de múltiples pasos pueden no estar completamente capturados

Lagunas de Datos

Las cantidades de electricidad por defecto pueden no reflejar la práctica industrial real
Algunos parámetros de procesamiento específicos del producto no están disponibles
Las variaciones regionales en eficiencia de procesamiento no están capturadas

Riesgo de Doble Conteo

Los productos con procesamiento existente en el inventario base pueden tener el procesamiento contado dos veces. Una solución potencial implica etiquetar las actividades Brightway que ya incluyen procesamiento.

Dependencia Nutricional

Para secado y congelación:

Los modelos requieren datos de composición nutricional
Si los nutrientes no están disponibles, se usan valores por defecto
Por defecto se asume 90% de contenido de peso seco para secado

Coincidencia de Cadenas de Proceso

Las siguientes cadenas de procesamiento se coinciden automáticamente con sus respectivos procesos:

# Variantes de secado
"drying", "dairy drying", "grain drying", "legume drying",
"nut drying", "oilseed drying", "spice drying",
"fruit drying", "vegetable drying"

# Procesos de producción
"fruit jam production", "fruit yoghurt production (cow milk)",
"fruit yoghurt production (soy milk)", "fruit juice production",
"fruit juice concentrate production"

# Procesos mecánicos
"grinding", "dried fruit grinding", "cutting", "shredding",
"tree nut chopping", "chopping", "mixing"

# Procesos térmicos
"roasting", "nut roasting", "baking", "heating",
"cooking with fat or oil", "uht pasteurization"

# Procesos de conservación
"freezing", "cooling", "smoking", "fermenting", "freeze-drying"

# Otros procesos
"artificial carbonation", "puffing",
"transportation for processing", "cooled transportation for processing"

Referencias

Afolabi, I.S. (2014). Moisture Migration and Bulk Nutrients Interaction in a Drying Food Systems. Food and Nutrition Sciences, 5(8), 692-714. http://dx.doi.org/10.4236/fns.2014.58080
ASHRAE Handbook - Refrigeration (2018). Chapter 19: Thermal Properties of Foods.
Camenzind, R. (2016). Food Processing LCA Data. ZHAW Report for Eaternity.
Ecoinvent Database v3.6. Swiss Centre for Life Cycle Inventories.
FoodEx2 Classification System. European Food Safety Authority (EFSA).

Referencia Rápida​

Cuándo se Ejecuta​

Salida Clave​

Metodología Científica​

Modelos de Procesamiento Simples​

Modelos de Procesamiento Complejos​

Categorías de Modelos de Procesamiento​

ProcessWithFixedElectricityAmount​

ProcessWithUnitRawMaterial​

ProcessWithNonUnitRawMaterial​

Procesos Implementados​

Modelo de Procesamiento de Congelación​

Fórmula de Cálculo de Energía​

Carga Térmica del Producto​

Impacto de la Composición Nutricional​

Componentes de Carga Térmica​

Constantes Físicas​

Modelo de Procesamiento de Secado​

Cálculo de Pérdida de Agua​

Fórmula de Evaporación​

Integración con Nutrient Subdivision GFM​

Variantes de Proceso de Secado​

Detalles de Implementación​

Sistema de Etiquetas de Activación​

Prioridad de Etiquetas​

Electricidad Específica por País​

Adición de Transporte​

Integración con el Grafo de Cálculo​

Estructura de Nodos​

Secuencia de Mutaciones​

Ejemplo de Cálculo​

Paso 1: Determinar Composición Nutricional​

Paso 2: Calcular Propiedades Termofísicas​

Paso 3: Calcular Requisitos de Energía​

Paso 4: Aplicar Electricidad Específica por País​

Salida Final​

Limitaciones Conocidas​

Cobertura de Modelos​

Lagunas de Datos​

Riesgo de Doble Conteo​

Dependencia Nutricional​

Coincidencia de Cadenas de Proceso​

Referencias​

Referencia Rápida

Cuándo se Ejecuta

Salida Clave

Metodología Científica

Modelos de Procesamiento Simples

Modelos de Procesamiento Complejos

Categorías de Modelos de Procesamiento

ProcessWithFixedElectricityAmount

ProcessWithUnitRawMaterial

ProcessWithNonUnitRawMaterial

Procesos Implementados

Modelo de Procesamiento de Congelación

Fórmula de Cálculo de Energía

Carga Térmica del Producto

Impacto de la Composición Nutricional

Componentes de Carga Térmica

Constantes Físicas

Modelo de Procesamiento de Secado

Cálculo de Pérdida de Agua

Fórmula de Evaporación

Integración con Nutrient Subdivision GFM

Variantes de Proceso de Secado

Detalles de Implementación

Sistema de Etiquetas de Activación

Prioridad de Etiquetas

Electricidad Específica por País

Adición de Transporte

Integración con el Grafo de Cálculo

Estructura de Nodos

Secuencia de Mutaciones

Ejemplo de Cálculo

Paso 1: Determinar Composición Nutricional

Paso 2: Calcular Propiedades Termofísicas

Paso 3: Calcular Requisitos de Energía

Paso 4: Aplicar Electricidad Específica por País

Salida Final

Limitaciones Conocidas

Cobertura de Modelos

Lagunas de Datos

Riesgo de Doble Conteo

Dependencia Nutricional

Coincidencia de Cadenas de Proceso

Referencias