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INTRODUCCIÓN
Actualmente, el mundo se encuentra en un cambio constante debido a la permanente búsqueda de sostenibilidad y el uso de recursos de manera responsable1. En contraste, el incremento de la población se traduce como mayor requerimiento energético2. Es así que múltiples equipos de investigación están aunando esfuerzos para encontrar nuevas alternativas que permitan contribuir a la producción de energía limpia, manteniendo la sostenibilidad como uno de los objetivos principales3),(5. Una de las estrategias es la transformación de biomasa por medio de procesos termoquímicos para la obtención de biocombustibles y productos de valor agregado con un balance entre la generación de energía y las emisiones de carbono6. Esto se debe principalmente a que la biomasa representa un problema por sí misma, al tratarse de un material de poca densidad, su transporte y almacenamiento no es sostenible a largo plazo. Dentro de los tratamientos termoquímicos, uno de los más aplicados es el de pirólisis mediante el cual se quema la biomasa en condiciones inertes, con el objetivo de obtener productos líquidos, sólidos y gaseosos con múltiples aplicaciones. Este método aparece como una posible vía para transformar residuos agrícolas en materia prima para la generación de energía de manera sostenible.
Una de las fuentes de ingresos principales de las familias bolivianas es la actividad agrícola7. Ésta, genera grandes cantidades de biomasa alrededor de diversas comunidades de Bolivia. El presente trabajo de investigación se centra en el estudio de muestras endémicas de biomasa para la producción de productos de valor agregado como bioaceites (un tipo de crudo de petróleo sintético), biochar (un sólido carbonoso ampliamente utilizado en el mejoramiento de la calidad de tierras de cultivo), y biogases (combinación de gases permanentes que generan energía por medio de la combustión de los mismos). En este caso particular, se trabajó con cáscara de castaña producida en el departamento de Pando. A nuestro conocimiento la conversión de castaña por pirólisis no ha sido publicada.
Debido a que las muestras de biomasa difieren en su comportamiento de pirólisis en función a distintos parámetros como ser composición química, contenido de humedad y otras propiedades, es imperativo desarrollar un diseño experimental con el objetivo de determinar los efectos principales sobre la distribución de productos y las propiedades de los mismos. El presente trabajo se enfoca en el estudio preliminar del efecto del tiempo y la temperatura de pirólisis de cáscara de castaña de la amazonía Boliviana. Estos resultados y una discusión más detallada serán publicados posteriormente.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Producción de Biochar, bioaceite y biogas sin pre-tratamiento
La cáscara de castaña fue sometida a distintas condiciones de pirólisis con el fin de estudiar los rendimientos de los productos biochar, bioaceite y biogas. Se modificaron las condiciones de temperatura y tiempo como se detalla en la Tabla 1 donde se puede observar que la modificación de la temperatura produce valores similares en el rendimiento del biochar generado. Estos valores también son similares cuando el tiempo de pirólisis aumenta. Por otro lado, respecto al rendimiento de los bioaceites, se puede observar que un aumento en la temperatura y en el tiempo de pirólisis (650°C, 90 min) provoca un aumento en su rendimiento de producción10. En consecuencia, el rendimiento de obtención de biogas es inversamente proporcional al rendimiento de producción de bioaceites. Así, a mayor rendimiento de biogases, menor será el rendimiento de bioaceites y viceversa. Este comportamiento se debe principalmente a un mayor grado de descomposición térmica de los bioaceites al aumentar la temperatura, ya que se favorece la descomposición de sustancias orgánicas que requieren de mayor energía10. Complementariamente, se puede mencionar que con un mayor tiempo de pirólisis se tendrá una mayor probabilidad de reacciones secundarias11.
Producción de biochar, bioaceite y biogas con pre-tratamiento
Durante las pruebas de pirólisis se pudo notar que los bioaceites obtenidos contenían agua lo cual provocaba una separación de fases. De acuerdo con la bibliografía revisada, un pre-tratamiento de secado de la biomasa reduce la cantidad de agua en la fracción de bioaceites, evitando la separación de fases. Sin embargo, se debe tener en cuenta que el tratamiento también puede afectar en la distribución de productos (rendimientos de biochar, bioaceites y biogases) y sus propiedades.
Los rendimientos obtenidos a partir del proceso de pirólisis con pre-tratamiento de secado se hallan resumidos en la tabla 2. Se pudo evidenciar que los bioaceites solo poseían una fase, además de una coloración más oscura (marrón-rojiza), confirmando que se logró reducir la cantidad de agua. Por comparación de los resultados obtenidos, existe un claro efecto en el rendimiento de los bioaceites obtenidos, y en el rendimiento de biochar. Por ejemplo, a 500°C sin tratamiento previo, los rendimientos de biochar y bioaceites son: 35.5% y 30.1% respectivamente, en contraste con los rendimientos de biochar y bioaceites obtenidos luego del proceso de secado: 55.2% y 6.7%, respectivamente. Este comportamiento se repite en las demás condiciones experimentales (575°C y 650°C). Debido al súbito aumento en el rendimiento de biochar (valores cercanos a 55%) se sugiere que la aplicación principal para la cáscara de castaña es su uso en la producción de biochar.
Propiedades del biochar y de bioaceites
El resumen de las propiedades estudiadas tanto para biochar como para los bioaceites se halla detallado en las Tablas 3 y 4, respectivamente. Se puede observar que las propiedades no son afectadas significativamente cuando se modifican la temperatura (500-650°C), el tiempo (30-90 min) y el pretratamiento de secado.
A partir de los resultados presentados en la tabla 4, se puede observar que no existe efecto del tiempo y la temperatura sobre la densidad y el pH. Sin embargo, los cambios más representativos se producen a consecuencia del pre-tratamiento de secado y esto se ve reflejado en los valores de viscosidad. Previo al pre-tratamiento de las muestras los valores de viscosidad se encuentran alrededor de 1.3 cm2/s y 1.8 cm2/s. Despúes del tratamiento de secado, la viscosidad se redujo a un rango entre 0.4 cm2/s y 0.9 cm2/s. Esto muestra que existe una influencia del pre-tratamiento en la viscosidad de los bioaceites. Este comportamiento puede ser una consecuencia de reducir la cantidad de agua en el material inicial (pretratamiento a 105°C).
EXPERIMENTAL
Colección de muestras
La cáscara de castaña o el pericarpio de la especie Bertholletia excelsa fue recolectada en la localidad de “El Choro” en el departamento de Pando, Bolivia. Para poder asegurar una homogeneidad durante el proceso de pirólisis las muestras fueron trituradas en un molino mecánico, y posteriormente tamizadas con una malla de 5mm.
Pirólisis de la cáscara de Castaña
Se realizaron pirólisis modificando la temperatura y el tiempo y el verificó el rendimiento relativo de biochar, bioaceites y biogases. Las pruebas se realizaron con pre-tratamiento (por triplicado) y sin pre-tratamiento (por duplicado debido a que la variación de los resultados fue muy baja). Las condiciones de pirólisis usadas en el presente estudio se hallan resumidas en la Tabla 1. Resumiendo, se utilizaron temperaturas de 500°C, 575°C, 650°C, y tiempos de pirólisis de 30, 60 y 90 minutos. Las demás condiciones experimentales fueron la rampa de calentamiento de 10 °C/min, con 50 mL/min de flujo de nitrógeno y la presión atmosférica (492mmHg) que se mantuvieron constantes durante todo el desarrollo de las pruebas de pirólisis. Respecto al pre-tratamiento se realizó un secado de las cáscaras de castaña a 100°C hasta obtener peso constante. La recuperación de los gases condensables y bioaceites se realizó con un sistema de condensación acoplado a un sistema de recirculación de agua. Se pesó la fracción sólida (biochar) producido durante la pirólisis, y por diferencia respecto a la masa inicial, se calculó su rendimiento. Se pesaron los bioaceites recuperados junto al sistema de condensación. Para determinar el porcentaje de gases generado durante la pirólisis se calculó la diferencia de masa entre la masa inicial (masa de biomasa introducida al sistema) y las masas reportadas de biochar y bioaceites.
Caracterización de las propiedades de biochar
Para la caracterización de biochar se realizó un procedimiento previo de tamizado a través de malla N°18 de 0.5 mm de tamaño de partícula17. La densidad aparente fue determinada en función a la relación entre la masa observada y el volumen aparente ocupado por la muestra sólida dentro de una probeta graduada18. En contraste, la medición de la densidad real del biochar se realizó introduciendo la muestra en un picnómetro de 5mL y posteriormente se aforó con agua destilada. Se determinó la masa del picnómetro en seco y aforado únicamente con agua. Los cálculos se realizaron mediante la Ecuación 1 (Ec. 1) (19.
La capacidad de retención de agua y la medida del pH se realizaron de manera simultánea. Para esto, 0.5 g de biochar fueron sumergidos en 50mL de agua destilada y se dejaron en agitación constante durante 30 minutos. Posteriormente, el pH fue medido con un pHmetro Oakton de Cole-Parmer. Se procedió a dejar la muestra de biochar sumergida en agua durante 24 horas para finalmente, separar el biochar por filtración en papel filtro con un tamaño de poro de 11µm. Se registró la masa húmeda y se calculó la capacidad de retención por diferencia simple20
La determinación de la densidad de los bioaceites se realizó por medición directa con un picnómetro (Glascobol) de 5mL. La medición de pH también fue realizada de manera directa con un pHmetro marca Perkin Elmer. Complementariamente, la medición de la viscosidad se realizó mediante el uso de un viscosímetro de Ostwald (Glascobol) realizando la medición por triplicado de acuerdo a la metodología sugerida por Beléndez21.
Actualmente la investigación sigue en desarrollo, se esperan tener resultados complementarios y con mayor detalle en un futuro cercano.
CONCLUSIÓN
Se presentaron los resultados preliminares de la conversión de residuos de cáscara de castaña de la Amazonía Boliviana a través de un proceso de pirólisis. Se obtuvo como productos: biochar, bioaceites y biogas. Se realizaron los experimentos a diferentes condiciones de operación (500 a 650°C de temperatura y 30-90 min de tiempo de pirólisis) y un tratamiento de secado (a 105°C) previo a la pirólisis. En general, las propiedades finales de los productos no sufren cambios significativos en el rango de condiciones de operación estudiado. El cambio más representativo se produjo a consecuencia del pretratamiento de secado y esto se ve reflejado en los valores de viscosidad. Este comportamiento puede ser una consecuencia de reducir la cantidad de agua en el material inicial (pretratamiento a 105°C). De acuerdo a las condiciones de operación estudiadas,, 500°C y 30 minutos de pirólisis permiten el mayor rendimiento de biochar (después del tratamiento de secado) y a la vez con las que tienen menor consumo energético. En caso de buscar una distribución más balanceada entre los productos, se puede optar por el uso de biomasa sin pre-secado y realizar la pirólisis a 575°C durante 60 minutos. Actualmente se están realizando mayores investigaciones para comprender mejor el efecto de las condiciones de operación de pirolisis en las propiedades finales de los productos obtenidos a partir de residuos de cáscara de castaña.
