Biocombustibles. Especies de ciclo corto y especies perennes.

Biocombustibles. Especies de ciclo corto y especies perennes.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

Existen un gran número de especies con potencial para la producción de biocombustibles. Las especies oleaginosas son aptas para la producción de bio-diesel; las especies almacenadoras de carbohidratos (almidón, sacarosa, celulosa) son aptas para la producción de bioetanol; las especies acumuladoras de madera son aptas para la producción de biocombustible en forma de aserrín o brickets; y las especies acumuladoras de celulosa y madera son aptas para la obtención de gas por pirólisis.

Dentro del primer grupo se pueden mencionar cultivos oleaginosos como la canola, el girasol, la palma de aceite, la jathropha y la soya. 

En el segundo grupo, las especies acumuladoras de carbohidratos pueden mencionarse la papa, la caña de azúcar, la yuca, el plátano.

En el tercer grupo, las especies acumuladoras de madera, puede mencionarse a especies del género Psidium, los eucaliptos, Grevillea robusta, el género Pinus y el género Leucaena.

En el cuarto grupo, especies que acumulan celulosa y especies que acumulan madera, se pueden situar cultivos de pastos, más las especies acumuladoras de madera.

La producción de bio-diesel tiene como punto de partida los cultivos oleaginosos. La extracción del aceite es un procesos industrial bien conocido y posteriormente se separa el grupo glicerol de los triglicéridos, en un proceso conocido como trans-esterificación con hidróxido de sodio (equivalente a la acidez titulable a la fenolftaleína del aceite empleado) y metanol. Después se separa el glicerol por decantación y el sobrenadante se lava y se deshidrata. Los ácidos grasos son el producto final del proceso, o sea, el bio-diesel. Este combustible puede usarse en vehículos con motor de ciclo diesel. Es necesario agregar aditivos antioxidantes para aumentar su vida de anaquel.

La obtención de biodisel a partir de aceites vegetales se ilustra claramente en este video: Preparación de biodisel. Universidad Galileo. Guatemala.

La producción de etanol es también un proceso industrial que requiere de la fermentación por microorganismos anaerobios de la glucosa contenida en la materia prima: jugo de caña, yuca u otro producto rico en sacarosa y/o almidón. En ambos casos, la fermentación requiere un paso previo, en el caso de jugos ricos en sacarosa es necesario que la molécula se separe, glucosa + fructosa, y a continuación, por isomerización, la fructosa pase a glucosa. En el caso de jugos ricos en almidón, es necesario que las cadenas se rompan para obtener las unidades, monómeros, de glucosa que son la unidad básica del almidón. En el caso de materiales ricos en celulosa (material no soluble) es necesario obtener los monómeros, glucosa, generalmente utilizando hongos celulolíticos o una hidrólisis en medio ácido de la celulosa, para obtener la glucosa, el sustrato que las levaduras fermentan para producir el etanol.

Los carbohidratos obtenidos de las especies vegetales de este segundo grupo también pueden aprovecharse para la producción de bio-gas. Este es un proceso industrial en el que los carbohidratos en forma de jugos, solución acuosa, se mezclan con bacterias anaerobias que en ausencia de oxígeno, producen, en una primera etapa, ácidos orgánicos (ácidos acético y butírico entre otros) y bióxido de carbono, y en una segunda etapa, metano (CH4).

Los bio-combustibles que se aprovechan en su forma de celulosa o madera (celulosa + lignina) ya sea en forma de aserrín o en forma de brickets (aglomerados de aserrín o celulosa), requieren también un procesamiento a escala industrial, aunque en este caso no se realizan transformaciones químicas. Serían procesos de reducción de tamaño, secado, homogeneización, y extrudido, en el caso de la obtención de brickets.

La pirólisis es un proceso de separación de las cadenas carbonosas (bio-char) de las moléculas orgánicas. El resto de los componentes, H, O, N, se separan en forma de gases (monóxido de carbono, CO; metano, CH4; hidrógeno H2; y amonio, NH4+) que tienen un alto contenido energético y que pueden utilizarse como combustibles. También son combustibles de alto valor. Un ejemplo en marcha por la Unión Europea puede proporcionar un panorama más amplio de lo que es la puesta en marcha de proyectos multinacionales aprovechando la energía contenida en la biomasa de especies forestales, en este caso, proveniente de plantaciones comerciales de eucalipto (Euclyptus sp.). El proyecto se llama Eucalyptus Integrated Wood Processing. Si deseas diseñar un sistema como este, tal ve se interesante estudiar las diferentes acciones que se deben realizar durante su planificación.

Se utilizan las denominaciones gas de pirólisis o gas de síntesis para diferenciarlo del biogas. El gas de pirólisis se obtiene por un proceso físico-químico que separa los materiales orgánicos en una fracción gaseosa y otra fracción sólida (bio-char). El bio-gas se obtiene por fermentación de caldos orgánicos obtenidos de especies vegetales con alto contenido de carbohidratos fermentables (los más frecuentes: sacarosa, almidón y fructosa). Durante la segunda guerra mundial se generó escacez de lubricantes y de combustibles para mover maquinaria. En esos momentos muchos propietarios de automotores utilizaron el gas de la pirólisis de madera como combustible y aceite de canola como lubricante. La industria de la canola floreció a partir de ese momento y no ha decrecido su interés. Sin embargo la pirólisis solo alcanzó niveles de utilización domésticos y de carácter emergente. Sin embargo, en la industria este proceso no ha dejado de tener utilidad y se tienen equipos de mediana y gran capacidad.

En este video puedes ver algunas de las aplicaciones que se han comentado: Gasificación de biomasa leñosa.

Una revisión más a detalle del proceso de pirólisis se puede ver en este video: Pirólisis, gasificación y plasma. Parte1.

Producción industrial de gas de pirólisis o gas de síntesis: Proceso de gasificación de biomasa leñosa. Animación.

Experiencias en la aplicación de bio-carbón (bio-char): Agriculture: State of the art soil.

Un sistema de generación de gas de pirólisis acoplado con un automóvil, del tipo de los que se implementaron durante la segunda guerra mundial se puede ver explicado en el video: Auto a gassogeno (en italiano). El inconveniente de este sistema es que la generación se realiza en el automóvil, lo que requiere mucho espacio y equipo. El uso a gran escala permitirá obtener tanques del gas para colocarlos al vehículo, sin tener que batallar con la etapa de generación.

En Brasil, grandes extensiones de eucalipto se han establecido en la región de baixo Parnaíba, destinadas principalmente a la producción de celulosa para la producción de papel. Gran parte de este material se exporta a Europa y a otras regiones del mundo.

Pérez y col (2012), reportan que la madera de la especie Eucalyptus globulus tiene un contenido calórico de 17384kJ/kg, mientras que el de la especie E. nitens es 17927kJ/kg. Estos datos se obtuvieron de muestras de madera colectadas en plantaciones de la región de Cantabria, en el norte de España.

En Europa, España y Portugal tiene las mayores existencias en eucalipto con una superficie total de 1.4 millones de hectáreas plantadas.Su producción se destina principalmente a la fabricación de pulpa para hacer papel, por sus fibras cortas. Sin embargo, otros de sus usos potenciales pueden detonar el desarrollo de diferentes sectores industriales, ya que se puede extraer aceite de eucalipto, colorantes, carbón y bio-carbón (bio-char). En este último proceso está asociada la producción de gases de pirólisis.

Un propósito adicional que puede tener potencial en el futuro para las especies acumuladoras de madera está el relacionado con la fijación de carbono. Una tecnología que podrá aplicarse en este sentido es producir el aserrín y llevarlo a un horno pirolítico (carbonización en ausencia de oxígeno) donde se produce un material que queda fuera del alcance de microorganismos descomponedores de materia orgánica. Este material puede incorporarse a los suelos agrícolas como agente mejorador. Esto disminuye la densidad aparente, aumenta la capacidad de retención de agua, aumenta la capacidad de retención de nutrientes y disminuye la velocidad de liberación de nutrientes. Todas estas propiedades son ventajosas para la producción agrícola y ganadera. Un inconveniente es que durante el primer ciclo después de la aplicación de este carbón al suelo, se presenta una retención de nutrientes que genera deficiencias nutricionales en el primer ciclo de cultivo después de la aplicación. Por esta razón se recomienda establecer un cultivo de bajo valor (un forraje como la avena) con escasa fertilización mientras se satura la capacidad del carbono para retener nutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio).

El carbono en el suelo se refiere al contenido de carbono orgánico; se calcula que existen entre 1,200 y 1,800 Gigatoneladas de carbono almacenados en los suelos, el doble de la cantidad almacenada en todas las plantas terrestres. El carbono migra entre el suelo y la atmósfera en un ciclo impulsado por la fotosíntesis y se incorpora al suelo a través de raíces y residuos vegetales. Estos procesos están estrechamente relacionados con las condiciones de temperatura y humedad, por lo que los cambios en los patrones climáticos pueden significar una mayor o menor liberación de bióxido de carbono (CO2) y por lo tanto contribuir a las concentraciones de este gas en la atmósfera (http://www.sagarpa.gob.mx/desarrolloRural/Documents/cambioclimatico/Indicadores%20agroambientales.pdf). En este punto puede ser interesante recomendar un tema relacionado tratado en la entrada Balance global de agua, en este mismo blog.

La agricultura orgánica es una tecnología (conjunto de tecnologías) que permite incrementar la fijación de carbono en el suelo. Algunos países de la UE han fijado metas para llegar en 2010 a un 10‐20% de superficie ´bajo agricultura orgánica, ellos son: Alemania y Suecia (20%), Dinamarca, Bélgica y el país de Gales (10%). Otros países como Austria y Francia han fijado metas en términos de superficie o producción (SAGARPA).

Contenido calórico para la madera de algunas especies forestales:

Acacia aulacocarpa	4500-4900 kcal/kg
Acacia crassicarpa	22 600 kJ/kg
Acacia holocericea	4670 kcal/kg (carbón: 7536 kcal/kg)
Acacia mangium	4 800-4 900 kcal/kg
Acacia mearnsii	3500-4600 kcal/kg
Acacia senegal	3000 kcal/kg
Alnus acuminanta	19 250 kJ/kg
Caesalpina sappan	25 000 kJ/kg
Casuarina equisetifolia	5000 kcal/kg (Carbón: 7 000 kcal/kg)
Casuarina glauca	4 700 kcal/kg
Dalbergia melanoxylon	49 000 kcal/kg
Eucalyptus deglupta	18 500-21 100 kJ/kg
Eucalyptus globulus	19 900 kJ/kg
Grevillea robusta	4800 a 4950 kcal/kg
Leucaena leucocephala	4600 cal/kg
Morus alba	4370-4770 kcal/kg
Sesbania bispinosa	4281 kcal/kg
Tamarindus indica	4 850 kcal/kg
Tamarix aphyla	4835 kcal/kg
Theobroma cacao	16 000-19 000 BTU/kg

Otras especies que se han utilizado en diferentes partes del mundo para la producción de materiales combustibles son: Cocos nucifera (fruto), Pinus sp., Prosopis sp., Quercus sp., Rhizophora sp., Salix sp., y Schinus molle.

Al inicio se planteó el análisis del crecimiento (en términos de biomasa) de cultivos de ciclo corto en comparación con especies perennes para la producción de biomasa. Como las especies productoras de aceites y de carbohidratos como almidón, fructosa y sacarosa, son cultivos ya orientados a ese objetivo, no se aplica para ellas este análisis. Pero se comentó también que la producción de celulosa es una alternativa para la producción de gas por pirólisis, o la producción de aserrín o brickets combustibles para aplicaciones especializadas. En este caso puede ponerse como ejemplo una especie de ciclo corto, el maíz (Zea mays), especie de ciclo c4, y una especie perenne, el Eucalipto (Eucalyptus globulus).

El maíz de alto rendimiento puede generar una cosecha de grano de 6 a 8 ton*ha^-1 más una cosecha de celulosa de 14 a 16 ton*ha^-1. Como este cultivo produce una cosecha por año en las principales zonas productoras del mundo, se van a tomar estos datos como producción anual. La producción de biomasa aprovechable como biocombustible se considera la celulosa, mientras que el grano se aparta en estos cálculos. Como ejemplo de especie perenne se puede tomar el eucalipto, que tiene gran superficie en forma de plantaciones comerciales alrededor del mundo. Esta especie tiene un crecimiento exponencial, es decir, que su crecimiento anual está en función del tamaño actual de la planta o de la plantación (en términos de biomasa, ton*ha^-1). De manera que no genera, en el segundo año, la misma cantidad de biomasa que en el décimo año. La ecuación para el modelo exponencial se utilizó:

Se utilizan varios modelos para simular el crecimiento de plantaciones forestales. Por el momento se va a realizar un ejemplo utilizando un modelo exponencial para una plantación de Eucalyptus globulus. Para hacer el ejercicio se partió de los datos reportados por Malik y col (2003) para una plantación en la India (Palani Hills of South India), bajo un sistema de cultivo libre de malezas. Bajo este esquema se obtuvo un rendimiento de 128.11 m^3*ha^-1 en el séptimo año de crecimiento. Considerando que la densidad de la madera de esta especie es de 0.8 ton*m^-3 (0.796 para E. globulus: http://www.csudh.edu/oliver/chemdata/woods.htm), se obtiene una producción de 102.5 ton*ha^-1. Con este dato se obtiene un valor para la constante k de 0.4315.

Figura 1. Gráfico de rendimiento acumulado (especie anual) y crecimiento exponencial (especie perenne).

En una proyección a 12 años, se observa que el rendimiento acumulado de biomasa para un cultivo de ciclo corto como el maíz (ciclo anual en este caso) tiene un comportamiento lineal. El rendimiento de esta especie se mantiene por encima de la especie perenne durante los primeros 6 años (84 ton*ha^-1 contra 66.5 ton*ha^-1), mientras que a partir del séptimo año, el rendimiento de la especie perenne (en este caso Eucalyptus globulus) supera al rendimiento acumulado para la especie anual (112 ton*ha^-1 contra 157.8 ton*ha^-1).

Tabla 1. Crecimiento de dos especies expresado en biomasa.

Tiempo (años)	Especie anual: Maíz       (ton*ha^-1)	Especie perenne: Eucalipto       (ton*ha^-1)
0	0	0
1	14	7.697825701
2	28	11.8513041
3	42	18.24585466
4	56	28.09068179
5	70	43.24743445
6	84	66.58224247
7	98	102.5076995
8	112	157.8172807
9	126	242.9699838
10	140	374.0681172
11	154	575.9022333
12	168	886.6390025

Como se aprecia en la Tabla 1, el rendimiento de biomasa para la especie perenne (Eucalyptus globulus) supera en más de 100% el rendimiento acumulado por la especie anual a partir del décimo año de cultivo.

Utilizando la misma información, ahora con un modelo logístico, con un tope de crecimiento equivalente al rendimiento previsto para un periodo de 10 años en el modelo exponencial (374.1 ton*ha^-1), se obtiene el gráfico que se presenta en la Figura 2 y los datos se despliegan en la Tabla 2.

Para esto se utilizó la forma de la ecuación logística:

El valor de M, el crecimiento máximo se fijó en 374.1 ton*ha^-1, el rendimiento esperado en 10 años. El valor de la constante k se había fijado en 0.4315 en el modelo de crecimiento exponencial. El valor de a se calculó como: 73.82; suponiendo que el rendimiento en el año 0 es de 5.0 ton*ha^-1, valor que se utilizó en el modelo exponencial. Cuando t=0, Y(t)=5 ton*ha^-1.

Figura 2. Gráfico de rendimiento acumulado (especie anual) y crecimiento logístico (especie perenne).

Tabla 1. Crecimiento de dos especies expresado en biomasa. Modelo logístico.

Tiempo (años)	Especie anual: Maíz       (ton*ha^-1)	Especie perenne: Eucalipto       (ton*ha^-1)
0	0	0
1	14	7.6427
2	28	11.6382
3	42	17.6219
4	56	26.4576
5	70	39.2360
6	84	57.1711
7	98	81.3136
8	112	112.0469
9	126	148.5044
10	140	188.3004
11	154	227.9836
12	168	264.1406
13	182	294.4753
14	196	318.2121
15	210	335.7933
16	224	348.2923
17	238	356.9217
18	252	362.7596
19	266	366.6549
20	280	369.2302
21	294	370.9224
22	308	372.0299
23	322	372.7528
24	336	373.2238
25	350	373.5304
26	364	373.7298
27	378	373.8595

En este caso, el rendimiento de la especie perenne se hace mayor que el rendimiento acumulado de la especie anual a partir del noveno año de crecimiento. Sin embargo, a partir de los 20 años de crecimiento, el rendimiento de la especie perenne se estabiliza y pronto se hace menor que el rendimiento acumulado de la especie anual. En el año 15 de crecimiento se dá la mayor diferencia en rendimiento (125.79 ton*ha^-1). De este modo, el mejor ciclo para la especie perenne se puede fijar alrededor de los 15 años de crecimiento, por ejemplo, entre los años 13 y 17. Para obtener la mayor diferencia con respecto al rendimiento acumulado de una especie anual.

Para hacer una revisión del modelo logístico de crecimiento se puede ver el siguiente video: Modelo logístico en biología.

Este ejemplo se basa en un sistema de cultivo de Eucalyptus globulus que solo considera el control de malezas. Sin embargo, un manejo más intensivo puede incluir fertilización y control de plagas, con lo que el rendimiento sería superior y lo hace una buena elección para terrenos de temporal y con relieve difícil para realizar labores de cultivo.

Conclusiones.

- Es necesario revisar el comportamiento de diferentes especies productoras de bio-combustibles para elegir las mejores alternativas que se puedan adaptar en cada región, de acuerdo a sus características climáticas, edáficas, acceso a infraestructura de transporte, topografía, capacidad financiera de la empresa, entre otros factores.

- El cultivo de especies de ciclo perenne puede resultar atractivo en ciclos de 13 a 17 años (en el caso de Eucalyptus globulus), en comparación con especies de ciclo corto para la producción de biomasa (celulosa + lignina).

Sitios:

Life Eucalypthus Energy.

S. Pérez; C. J. Renedo; A. Ortiz; M. Mañana; D. Silió; and J Peredo. 2012. Comparison of energy potential of the Eucalyptus globulus and the Eucalyptus nitens. http://www.icrepq.com/icrepq06/285%20Perez.pdf

World Agroforestry Center.

Malik, M.S; C. Surendran and K. Kailasham. 2003. A MATHEMATICAL MODEL FOR PREDICTING THE GROWTH OF Eucalyptus globulus UNDER AGROFORESTRY PLANTATION. XII World Forestry COngress, 2003. Québeq City, Canada.

Disponible: http://www.fao.org/docrep/ARTICLE/WFC/XII/1021-B1.HTM

Alexandre Alonso Alves, Bruno G. Laviola, Eduardo F. Formighieri and Nicolas Carels. Perennial plants for biofuel production: Bridging genomics and field research. Article first published online: 10 NOV 2014