Lignina Obtenida de Residuos Agrícolas Como Biocombustible de Tercera Genreación - Torres Ramos Et Al 2015
Lignina Obtenida de Residuos Agrícolas Como Biocombustible de Tercera Genreación - Torres Ramos Et Al 2015
Lignina Obtenida de Residuos Agrícolas Como Biocombustible de Tercera Genreación - Torres Ramos Et Al 2015
de tercera generacin
Ricardo Torres Ramos1, Gisela Montero Alprez2, Mary Triny Beleo
Cabarcas3, Lydia Toscano Palomar4 y Laura Janet Prez Pelayo5
Resumen
El bioetanol lignocelulsico es uno de los biocarburantes de segunda generacin
ms estudiado en la actualidad. Su produccin requiere la eliminacin total o parcial
de la lignina presente en el material vegetal. Esta lignina puede ser aprovechada
para la generacin de energa trmica y elctrica, ayudando a disminuir los costos
que implica el abastecimiento energtico a partir de biomasa. Lo anterior resulta
importante para Baja California, Mxico, dada las grandes cantidades de material
lignocelulsico generado en sus cultivos agrcolas. En 2013, se generaron 527,103 t de
paja de trigo y 98,004 t de vara de algodn. Para el desarrollo de esta investigacin se
aisl y cuantific el contenido de lignina Klason en dichos residuos (ASTM D1106).
Despus, se determin el poder calorfico superior (PCS) (ASTM E711) y se realiz
el anlisis prximo (ASTM E870). Finalmente, se evalu el potencial energtico de
ambas ligninas como biocombustible de la regin. Como resultados, se encontr que
en 2013, se disponan de 92,519 t de lignina de paja de trigo y 18,135 t de lignina de
vara de algodn, cuyos PCS fueron 22.99 MJ/kg y 24.99 MJ/kg, respectivamente.
El potencial energtico fue 2,573 TJ, equivalente a la energa obtenida de 78,951
t de carbn antracita 102,953 t de carbn lignito. Segn el anlisis prximo esta
lignina puede ser usada en procesos eficientes de conversin, como gasificacin o cocombustin con carbones sub-bituminosos; convirtindola en un importante recurso
energtico de tercera generacin para la regin.
Palabras clave: bioetanol, paja de trigo, vara de algodn, poder calorfico y
anlisis prximo.
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Abstract
The lignocellulosic bioethanol is one of the second generation biofuels most
studied today. Its production requires partial or total removal of the lignin presents
in the plant material. This lignin can be harnessed to generate thermal energy and
electricity, helping to reduce the costs of energy supply from biomass. This is
important for Baja California, Mexico, given the large amounts of lignocellulosic
material generated in their crops. In 2013, it was generated 527,103 t of wheat straw
and 98,004 t of cotton stalk. For the development of this research was isolated and
quantified the Klason lignin contained in such waste (ASTM D1106). After it was
determined the gross calorific value (HHV) (ASTM E711) and was performed the
proximate analysis (ASTM E870). Finally, the energy potential of both lignins
as biofuel in the region was assessed. As a result, it was found that in 2013, were
disposed 92.519 t of wheat straw lignin and 18.135 t lignin cotton stalk, whose HHV
were 22.99 MJ / kg and 24.99 MJ / kg, respectively. The energy potential was 2,573
TJ, equivalent to the energy obtained from 78.951 t of anthracite coal or lignite coal
102.953 t. According to the proximate analysis this lignin can be used in efficient
conversion processes such as gasification or co-firing with sub-bituminous coals;
this makes to lignin an important third generation energy resource for the region.
Keywords: bioethanol, wheat straw, cotton stalk, calorific value and proximate
analysis.
Introduccin
Los biocombustibles de segunda y tercera generacin constituyen una importante
oportunidad en la bsqueda de soluciones energticas que no afecten el medio
ambiente y no pongan en peligro la seguridad alimentaria de los humanos y/o
animales. Estos biocombustibles a diferencia de los biocombustibles de primera
generacin, son producidos a partir de materias primas que no son fuentes
alimenticias. Las materias primas ms estudiada para producir biocarburantes de
segunda generacin (bioetanol), son los residuos agrcolas lignocelulsicos: paja
de trigo, paja de arroz, bagazo de caa de azcar, tallo de algodn, tallo de maz
(Wheals, Basso, Alves & Amorim, 1999; Serrano, Marn, Gonzalo & Labidi, 2012).
Aunque estos materiales suelen ser abundantes y de bajo costo, las tecnologas
empleadas en la produccin de bioetanol no son en la actualidad una alternativa
energtica real, debido a los altos costos que presentan algunas etapas del proceso,
entre ellas el pre-tratamiento de la biomasa. Esta etapa constituye un tercio de los
costos totales de produccin y sigue siendo una de las barreras principales que
impiden el xito comercial del bioetanol (McAloon, Taylor, Yee, Ibsen & Wooley,
2000; Shi, Sharma-Shivappa, Chinn & Howell, 2009).
Una forma de contribuir en la disminucin de los costos de produccin de
bioetanol, es maximizando el uso de todos los componentes de la biomasa
lignocelulsica (Huber, Iborra & Corma, 2006; Nakagame, Chandra, Kadla &
Saddler, 2011). El pretratamiento en la biomasa busca separar la lignina del resto
de componentes estructurales (celulosa y hemicelulosa) (Shi et al. 2009; Binod
et al. 2012; Watkins, Nuruddin, Hosur, Tcherbi-Narteh & Jeelani, 2014). Puesto,
que la lignina afecta la eficiencia del proceso tanto en la hidrlisis de la celulosa
y hemicelulosa, como en la fermentacin de azcares (Chang & Holtzapple,
2000; Dong et al. 2011). Por tanto, la produccin de etanol a partir de materiales
lignocelulsicos implica la generacin de grandes cantidades de lignina como
subproducto. Esta lignina posee propiedades energticas similares a las de
combustibles slidos como el carbn mineral. Sus caractersticas fisicoqumicas
denotadas por el anlisis prximo, anlisis elemental, anlisis de estabilidad
trmica y poder calorfico, pueden ser aprovechadas para la produccin de energa
trmica y/o elctrica (Cotana et al. 2014). De esta forma, la lignina se convierte
en un biocombustible de tercera generacin que promueve el uso integral de los
residuos agrcolas y disminuye los costos de operacin que implica el abasteciendo
energtico a partir de biomasa, lo cual mejora la competitividad de esta fuente de
energa renovable especialmente en regiones agrcolas (Buranov & Mazza, 2008).
La lignina es un polmero aromtico de estructura tridimensional, compleja,
ramificada y amorfa. Formada principalmente por tres unidades de fenilpropano:
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Figura 1. Unidades monomricas de la lignina (Brinchi, Cotana, Fortunati & Kenny, 2013).
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Nombre
Metodologa
Lignina Klason
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Metodologa
La determinacin del contenido de lignina requiere que el material vegetal se
encuentre libre de humedad y libre de extrables totales (extrables en solvente
orgnico y agua caliente). A continuacin se describen los anlisis realizados
segn el orden en que se llevaron a cabo. Todas las determinaciones se realizaron
por triplicado.
a. Preparacin de la muestra
Se recolectaron 200 g de muestra (paja de trigo y vara de algodn) en un campo
agrcola del estado de Baja California. Ambas muestras fueron molidas finamente
en un molino de cuchillas GRINDOMIX GM 300 de la marca Retsch, y tamizadas
en un tamiz N 35.
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b. Humedad
Se agreg 1 g de muestra en un crisol de porcelana previamente seco y de peso
conocido. El crisol se llev al horno durante 8 h a 105C. El porcentaje de humedad se
determin por la prdida de peso en la muestra, de acuerdo con la norma ASTM E871.
c. Extrables totales
La determinacin del porcentaje de extrables en solvente orgnico se llev a
cabo segn la metodologa de la TAPPI T264. Mientras el porcentaje de extrables en
agua caliente se realiz de acuerdo a la TAPPI 207. La suma de ambos porcentajes
se reporta como extrables totales.
d. Porcentaje de lignina
En un vaso de precipitado de 50 mL se pes 1 g de muestra seca y libre de extrables
en cetona y agua caliente. Luego, se agregaron 15 mL de H2SO4 al 72%, a 13C de
temperatura y se agit vigorosamente durante 1 minuto. Enseguida, se dej reposar
durante 2 h, con agitacin frecuente a una temperatura de 19C. La mezcla resultante
se trasvas a un matraz Erlenmeyer de 1 L, y se diluy la concentracin del cido a
3% adicionando 560 mL de agua destilada. La mezcla se llev a ebullicin durante
4 h con un condensador de reflujo. Trascurrido el perodo indicado, la mezcla en el
Erlenmeyer se dej enfriar hasta que el material insoluble decant. Posteriormente,
se filtr al vaco utilizando papel filtro N 3, el cual fue secado previamente a 105C.
El precipitado se lav con 500 mL de agua caliente hasta quedar libre de cido. El
papel filtro y su contenido se secaron en un horno durante 4 h a 105C. Despus, se
retir el papel filtro del horno y se dej enfriar dentro de un desecador por tres horas.
Tras alcanzar peso constante, se pes el papel filtro y se determin el contenido de
lignina, segn la Ecuacin 1, de la metodologa ASTM D1106.
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Muestra
En paja de trigo
Humedad Extrables
En lignina aislada
Lignina
MV
(% w/w)
CF
Cen
PCS
(% w/w)
(MJ/kg)
8.6721
25.5593
20.5575
69.8032
27.0972
2.1074
22.8924
8.9582
25.9891
20.9717
69.0136
27.0594
2.2538
22.8752
8.8813
26.2096
20.9015
68.6391
28.4713
2.5109
22.9908
Promedio
8.8372
25.9193
20.8102
69.1519
27.5426
2.2907
22.9194
D.S.
0.1480
0.3694
0.2216
0.5942
0.8044
0.2042
0.0623
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Humedad
Extrables
Lignina
En lignina aislada
MV
(% w/w)
CF
Cen
(% w/w)
PCS
(MJ/kg)
6.2842
11.5735
0.7074
25.1642
6.2696
11.4587
22.3258 70.6088
29.594
0.7538
24.8709
6.2916
11.7033
0.8901
24.9611
Promedio
6.28
11.57
0.7837
24.9987
D.S.
0.0112
0.3357
0.3110
0.0949
0.1502
0.3361
0.3735
Los valores obtenidos del porcentaje de materia voltil, cenizas, carbono fijo
y PCS en ambas ligninas, estn acorde con los valores reportados en la literatura
(Blunk, Jenkins & Kadam, 2000; Horst, Behainne, de Andrade Jnior & Kovaleski,
2014). En cuanto a los resultados del anlisis prximo; el alto contenido de voltiles
encontrados en la lignina, revela importantes propiedades trmicas. Este material
presenta alta reactividad, su ignicin se puede realizar a bajas temperaturas, requiere
menos tiempo de permanencia en el hogar, lo cual producen un incremento en la
eficiencia del proceso de combustin (Nogus, Garca-Galindo & Rezeau, 2010).
Cuantificar el contenido de cenizas en un material combustible es importante,
puesto que las cenizas disminuyen el poder calorfico y la eficiencia de la
combustin. Las ligninas aisladas de los dos materiales, presentaron bajos contenido
de cenizas, comparadas con la biomasa fuente. Esto supone la ocurrencia de pocos
problemas asociados a las emisiones de polvo, dificultades en el mantenimiento,
formacin de escoria e incrustaciones en los intercambiadores de calor. As mismo
los bajos contenidos de ceniza facilitan los procesos de molienda y transporte
(Suramaythangkoor & Gheewala, 2010).
El carbono fijo hace referencia a la porcin del material que se quema lentamente
sin formar llama, su valor se relaciona con el tiempo que tarda la oxidacin completa
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Conclusin
Las grandes cantidades de lignina generada en cultivos agrcolas en el estado
de Baja California, representan una carga de alimentacin energtica significativa
y es actualmente subutilizada. La suma de la lignina disponible a partir de paja
de trigo y vara de algodn suman un total de 110,655 t de lignina, cuyo potencial
energtico asciende a 2,573 TJ.
Dada la periodicidad en la que se generan los residuos agrcolas, y su alto
poder calorfico, la lignina se convierte en un importante recurso energtico de
tercera generacin, para el estado de Baja California. Dicho energtico puede ser
fcilmente transportado y convertido en energa en sistemas de conversin ms
eficientes como: la gasificacin o co-combustin con carbones sub-bituminosos.
A partir de un mismo residuo lignocelulsico es posible obtener varios productos,
lo cual disminuye los costos de operacin y adquisicin del material, en una planta
de produccin energtica. De esta forma se agrega valor a los residuos agrcolas y
promueve el desarrollo econmico del sector rural.
Agradecimientos
Los autores agradecen a la Universidad Autnoma de Baja California, al
CONACYT y al Instituto de Ingeniera de la UABC, por su apoyo en la realizacin
del presente trabajo.
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