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Aprovechamiento de cáscara de piñón (Jatropha curcas L.) y paja
de arroz (Oriza sativa L.) para la elaboración de pellets como
biocombustible
Use of pine nut husk (Jatropha curcas L.) and rice straw (Oriza sativa L.) for the
production of pellets as biofuel
Autores: Wilmer Ponce
1
Ernesto Rosero
2
Gisella Latorre
2
Irvin Zambrano
3
Carolina Zambrano
3
Andrés Viteri
4
Dirección para correspondencia: wilmerhps@hotmail.com
Recibido: 2020-07-20
Aceptado: 2020-09-27
Resumen
El uso de los biocombustibles sólidos es una de las alternativas para reemplazar
a los combustibles convencionales en la producción de energía eléctrica y
calorífica. Este trabajo tiene como objeto el aprovechamiento biomásico residual
de la cáscara de piñón (Jatropha curcas L.) y paja de arroz (Oriza sativa L) para
la producción de pellets como biocombustible sólido. Se aplicó mediante un
diseño experimental (Simplex-lattice) la mezcla en proporciones de 100%-0%,
75%-25%, 50%-50%, 25%- 75%,0%-100% respectivamente. Se efectuaron
análisis a la materia prima y producto terminado en porcentaje del contenido de
humedad, cenizas, volátil, carbono fijo, adicionalmente el contenido de celulosa
y lignina a las materias primas. Para la obtención de pellets, se empleó un equipo
de pelletizado marca KL 1500, los pellets se elaboraron con recirculación para
eliminar el exceso de humedad para el mejoramiento de textura y dureza. Las
mezclas de las biomasas lignocelulósicas, que presentaron un mayor contenido
1
Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias, Estación Experimental Portoviejo, Portoviejo, Ecuador.
2
Universidad Técnica de Manabí, Departamento de Procesos Químicos, Portoviejo, Ecuador.
3
Universidad Técnica de Manabí, Escuela de Ingeniería Química, Portoviejo, Ecuador.
4
Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, Portoviejo, Ecuador.
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de carbono fijo fueron la M2 (75%-25%) =16,53 ±3,2 % y M5 (0%-100%) =23,51
±0,72%, en lo referente a material volátil fueron la M1 (100%-0%) =82,37±2,0%
y M2 (75%-25%) =81,57±3,47%. El poder calorífico calculado reveló que con una
mezcla del 75% de paja de arroz con un 25% de cáscara de piñón se obtiene un
poder calorífico de 29,21±0,1 Mj/Kg y la mezcla de 50% de paja de arroz y 50%
de cáscara de piñón, genera un valor de 29,01±0,01 Mj/Kg. Concluyendo que las
mezclas mencionada puede ser aprovechada para la generación de calor.
Palabras clave: Biocombustible sólido; biomasa; pellets; arroz; piñón.
Abstract
The use of solid biofuels is one of the alternatives to replace conventional fuels
in the production of electrical and heat energy. The objective of this work is the
residual biomass utilization of the pine nut husk (Jatropha curcas L.) and rice
straw (Oriza sativa L) for the production of pellets as solid biofuels. The mixture
was applied using an experimental design (Simplex-lattice) in proportions of
100% -0%, 75% -25%, 50% -50%, 25% - 75%, 0% -100% respectively. Analysis
of the raw material and finished product were carried out as a percentage of the
moisture, ash, volatile, and fixed carbon content, in addition to the cellulose and
lignin content of the raw materials. To obtain pellets, a KL 1500 brand pelletizing
equipment was used, the pellets were recirculated to remove excess moisture to
improve texture and hardness. The mixtures of lignocellulosic biomasses, which
had a higher fixed carbon content were M2 (75% -25%) = 16.53 ± 3.2% and M5
(0% -100%) = 23.51 ± 0, 72%, regarding volatile material, were M1 (100% -0%) =
82.37 ± 2.0% and M2 (75% -25%) = 81.57 ± 3.47%. The calculated calorific value
revealed that with a mixture of 75% of rice straw with 25% of pinion husk, a
calorific value of 29.21 ± 0.1 Mj / Kg is obtained and the mixture of 50% of rice
straw and 50% of pinion shell, generates a value of 29.01 ± 0.01 Mj / Kg.
Concluding that the mentioned mixtures can be used for heat generation.
Keywords: Solid biofuel; biomass; pellets; rice; pinion.
Introducción
La mayor parte de los países en este planeta dependen de los combustibles de
origen fósil los cuales suministran el 66% de la energía eléctrica a nivel global, y
éste a su vez responde al 95% de la demanda energética del mundo, que incluye;
la generación de calor, transporte y otros usos (Badii et al.,2016). Sin embargo,
este tipo de energía no renovable es finita y su extracción implica un alto impacto
ambiental (Oviedo-Salazar et al., 2015; Cortés y Londoño, 2017). Se han buscado
alternativas, que suplan la necesidad de combustibles, una de ellas es la
obtención de biocombustibles a partir de biomasa lignocelulósica (Quintero J. y
Quintero L., 2015).
Los Biocombustibles de segunda generación, se pueden clasificar en: sólidos
(Pellets y Briquetas), líquidos (bioetanol, bioaceite o biodiesel) y gaseosos (Biogás)
(Kheang, 2017). Respecto a los pellets, son frecuentemente usados por la
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facilidad de transporte y almacenamiento, ya que se opta por tener una forma
cilíndrica, cuyo diámetro es inferior a 10 mm y la longitud no mayor a 30 mm
(Forero-Núñez, 2012).
En virtud de obtener resultados viables y aprovechar los residuos que existen en
el medio, se utilizaron la paja de arroz (Oriza sativa L.) y la cáscara de piñón
(Jatropha curcas L.); cultivos que generan 700 ton/año (Serrano et al. 2017) y
50 ton/año de residuos lignocelulósicos respectivamente.
Metodología
Obtención de pellets
La materia empleada (biomasa) dentro de este estudio, fueron la paja de arroz
(Oryza sativa L.) proveniente del sitio Charapotó-Sucre-Manabí-Ecuador, y las
cáscaras de piñón (Jatropha curcas L.), pertenecientes a la Estación Experimental
Portoviejo (INIAP). Los residuos fueron sometidos a reducción del tamaño con un
Molino Eléctrico de Cuchillas marca FLAM-MC001, hasta un diámetro promedio
de 2mm. Diferentes proporciones de cada residuo fueron sometidos a un
mezclado basados en un diseño experimental (Simplex-Lattice) del cual se
obtuvieron 5 diferentes mezclas siendo estas: M1 (100% de Paja de Arroz); M2
(75% paja de arroz, 25% cáscara de piñón); M3 (50% paja de arroz, 50% cáscara
de piñón); M4 (25% paja de arroz, 75% cáscara de piñón) y M5 (100% de cáscara
de piñón).
La elaboración de los pellets se llevó a cabo en un equipo peletizador KL 1500, a
una presión de 20 MPa y una Temperatura de 110-130 °C. Para la elaboración
se agregó 20% de agua a cada mezcla con la finalidad de obtener una mejor
compactación de estos.
Balance de masa en la obtención de pellets
Se realizó el balance de masas en la obtención de pellets, mediante el diagrama
descrito en el gráfico 1, y en el cual originó la ecuación 1 para el balance de
materiales.
Mezclador
Biomasa
Pellets
C
D
B
H2O
P
A
Gráfico 1. Diagrama del Balance de materiales.
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A+B=C+D+P (1)
Donde:
A= Entrada de Biomasa
B= Entrada de H
2
O
C= Pellets
D= Partículas finas
P= Pérdida de Masa
Caracterización de materia prima
Análisis proximal
Inicialmente se efectuó el análisis proximal de biomasa a las materias primas
empleadas para conocer las características que poseen: humedad (%H), cenizas
(%C), materia volátil (%MV), carbono fijo (%CF), los métodos empleados están
basados por lo informado por Adegoke et al. (2014) y la Norma ASTM E870 − 82.
El contenido de humedad (%H) se la realizó a temperaturas de (105+/-2)°C
durante 1 hora como lo expresa la norma BS EN 14774-3 (2009) en una estufa
marca PRECISION, empleando la ecuación 2.
(2)
Donde:
M1: Masa del recipiente vacío (g)
M2: Masa Inicial antes del secado (g)
M3: Masa final después del secado (g)
Las cenizas (%C) se ejecuta durante 3 horas a 575°C en mufla (Sluiter et al.,
2008) el equipo utilizado fue una mufla Termolyne marca THERMO SCIENTIFIC
y se expresa mediante la ecuación 3:
%C = ( +) − *100 (3)
La materia volátil (%MV) se realizó a 950°C durante 7 minutos como lo manifiesta
la ASTM D1762 – 84, expresado mediante la ecuación 4:
(4)
Donde:
A: Peso inicial (g)
B: Peso Final (g)
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El carbono fijo (%CF), según la norma ASTM E870 – 82 (2006), es la fracción de
carbono residual que permanece luego de retirar de la muestra la humedad, las
cenizas y el material volátil, su fórmula es:
%CF= 100- %H-%C-%MV (5)
Determinación porcentual de celulosa y lignina
Para determinar el Porcentaje de Lignina (%L) y Celulosa (%CE) se utilizó la
metodología de Domínguez-Domínguez et al. (2012).
Caracterización del pellets
Para la caracterización de pellets, se determinó por medio del análisis proximal
de biomasa, descrito en la caracterización de la materia prima.
Determinación de densidad y diámetros del pellet:
Para los diámetros (longitud y diámetro) de los pellets se efectuó a través de un
nonio y la densidad mediante el cálculo de la masa sobre el volumen, la masa se
calcula mediante el peso de la balanza analítica con precisión 0.0001 g y el
volumen mediante una probeta.
El análisis
Poder calorífico:
Se calculó mediante la metodología de Adegoke et al. (2014), el cual emplea los
porcentajes de carbono fijo y material volátil eliminando el porcentaje de
humedad existente en el material volátil; expresado mediante la ecuación 6.
= 2,326[147,6% + 144(% − %)] (M/) (6)
Análisis de datos
El análisis de datos a las biomasas lignocelulósicas PA y CP de los resultados de
%H, %C, %MV, %CF, %CE y %L se realizaron mediante estadística descriptiva y
superficie de respuesta a optimización con la ayuda del programa estadístico
Statgraphics Centurion XV.
Resultados
Balances de masas en la obtención de pellets
Durante el proceso de obtención de pellets, el mayor valor generado de pellets
corresponde al CP con 752.4 g, mientras que la mezcla de PA 500 g – CP 500 g
es la que menos generó con 638.7 g de pellets (Tabla 1).
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Tabla 1. Balance de materiales de PA, CP y mezclas correspondientes.
ENTRADAS
SALIDAS
A
B
C
D
P
PA: 1000 g
200 g
746,6 g
89,9 g
363,5 g
PA: 750 g
CP: 250 g
200 g
740,7 g
132,5 g
326,8 g
PA: 500 g
CP: 500 g
200 g
638,7 g
177,0 g
384,3 g
PA: 250 g
CP: 750 g
200 g
742,4 g
129,3 g
328,3 g
CP:1000 g
200 g
752,4 g
167,0 g
280,6 g
PA: Paja de arroz
CP: Cáscara de piñón.
Caracterización de la materia prima
El análisis proximal, %CE y %L a las biomasas lignocelulósicas (tabla 2),
representa un mayor contenido en PA a excepción del %CF, que éste refleja un
mayor resultado en CP.
Tabla 2. Análisis proximal, Lignina y Celulosa de la biomasa residual de PA y CP.
B.R.
%H
D.E.
%C
D.E.
%MV
D.E.
%L
D.E.
%CE
D.E.
%CF
D.E.
PA
11,7
±
0.3
13,7
±
1.05
88.04
±
1.3
71,7
±
1.5
61.29
±
2.1
9,89
±
1.3
CP
10,5
±
0.1
13.03
± 0.2
77.07
±
4.4
58,2
±
6.7
52,5
±
1.4
20,4
±
4.5
B.R.: Biomasa Residual.
Caracterización de pellets
En la figura 2-A se observa que los pellets elaborados con M2 y M5 alcanzaron
un mayor contenido de humedad que es más del 10%, por el contrario, la mezcla
que menor contenido de humedad presentó fue M1 con un 7,4 % de humedad.
Estos valores muestran que los pellets elaborados con M2 y M5 deberían
someterse a un proceso de secado para incrementar su PC y para una mejor
conservación. En la misma figura, en el contenido de cenizas que se obtuvieron
donde el M4 sobresalió con más del 16%, a diferencia del M2 que bordea el 12%,
éste último, es más atractivo para un proceso de combustión. En el proceso de
los datos de material volátil, resaltó el M1, M2 y M3, que tiene más del 75%; el
carbono fijo resaltó el M4 que representa más del 20%.
El poder calorífico de los pellets, con un rango de 28.14 MJ/Kg a 29.21 MJ/Kg,
en el cual resaltó el M2.
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0
4
8
12
Humedad (%)
M1 M2 M3 M4 M5
Combinaciones
M1
M2
M3
M4
M5
0
6
12
18
Cenizas (%)
M1 M2 M3 M4 M5
Combinaciones
M1
M2
M3
M4
M5
0
15
30
45
60
75
Material volatil (%)
M1 M2 M3 M4 M5
Combinaciones
M1
M2
M3
M4
M5
0
5
10
15
20
25
Carbono Fijo (%)
M1 M2 M3 M4 M5
C ombinaciones
M1
M2
M3
M4
M5
0
5
10
15
20
25
30
35
Poder Calorifico (MJ/Kg)
M1 M2 M3 M4 M5
Combinaciones
M1
M2
M3
M4
M5
Figura 2A. Análisis proximal y poder calorífico de combinaciones de PA y CP.
En la optimización de la mezcla, mientras mayor tenga el contenido de PA,
excepto en Humedad, aumenta el PC, según se indica la Tabla 3, para ello, a
través de las gráficas de superficie (Figura 2B), se generaron las ecuaciones de
optimización que se presentan en la Tabla 4 para mejorar la eficiencia de mezcla.
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Humedad Material Volátil
Cenizas Carbono Fijo
Figura 2B. Gráficas de superficie del proceso de mezcla de la biomasa residual de PA y CP del análisis proximal de
biomasa y poder calorífico.
Tabla 3. Optimización de mezcla de la biomasa residual de PA y CP para los análisis proximales y poder calorífico.
Factor
Bajo
Alto
%H
%C
%MV
%CF
PC
PA
0,0
100
25,1
63,3
87,7
100
60,2
CP
0,0
100
74,9
36,7
12,3
0,0
39,8
Tabla 4. Ecuaciones de optimización de mezcla de la biomasa residual de PA y CP para el análisis proximal de biomasa
y poder calorífico.
% = 7,73406
+ 9,85099
+ 4,25165
% = 14,7003
+ 15,8101
− 4,1657
% = 82,2863
+ 71,176
+ 14,757
% = 10,7475
+ 22,8649
− 6,33968
PC (Mj/Kg) = 28,6622
+ 28,391
+ 1,32893
Poder Calorífico
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1.1. Determinación de densidad y diámetros
En la tabla 5, la densidad y diámetro de los pellets, el M5, proporcionó mayor
densidad (1001,64 Kg/m
3
), mientras el M2 presentó mayor longitud en los
productos generados después del proceso de peletizado.
Tabla 5. Densidad y diámetro en las mezclas de biomasa en los pellets.
Discusión
Los resultados obtenidos de los análisis realizados a la materia prima mostraron
que tanto para la paja de arroz (PA) como para la cáscara de piñón (CP),
presentaban similar contenido de humedad (PA=11.65% y CP=10.48%) así como
el de cenizas (PA=13.72% y CP=13.03%), en cuanto al material volátil, contenido
de celulosa y lignina; la paja de arroz presentó los mayores valores, al contrario
el contenido de carbono fijo que fué mayor en la cáscara de piñón, estos valores
son similares a informados por Abril et al. (2009) para este tipo de residuos. Los
diferentes niveles en el contenido de carbono fijo, material volátil así como el de
cenizas, son parámetros que afectan directamente al poder calorífico de los
pellets, sobre esto Boumanchar et al. (2017) mencionan que es posible
incrementar el poder calorífico incrementa el contenidos de material volátil y
carbono fijo.
Poder calorífico de los pellets
En la Figura 2A, se observan los resultados obtenidos del cálculo de poder
calorífico de los cuales, los pellets elaborados únicamente con un solo tipo de
biomasa lignocelulósica se obtuvieron valores de 28,59Mj/Kg y 28,48 Mj/Kg para
el 100% de paja de arroz y cáscara de piñón respectivamente, referente a las
mezclas el mayor poder calorífico se obtiene en una mezcla de 75% de paja de
arroz con 25% de cáscara de piñón.
En la tabla 4 se observa las ecuaciones de optimización realizada para maximizar
un análisis proximal ideal, en el cual, parámetro de interés como el poder
calorífico obtuvieron como resultado que con una mezcla del 60,31% de paja de
arroz y 39,81% de cáscara de piñón se obtiene un poder calorífico de 28,87
Mj/Kg, valor que se lo obtiene a partir del grafico de superficie de respuesta
(Figura 2B), y reemplazando las fracciones de la mezcla en la ecuación de
optimización (Tabla 4). Casanova, Solís, y Carrillo (2017) informan un poder
Mezclas
Proporciones (PA-
CP)
Densidad
(Kg/m
3
)
D.E.
Longitud (cm)
D.E.
Diámetro
(mm)
M1
100%-0%
970,26
±19,45
2,33
±0,23
10
M2
75%-25%
893
±18,16
2,43
±0,17
10
M3
50%-50%
937,93
±14,18
2,40
±0,24
10
M4
25%-75%
954,47
±40,42
2,22
±0,11
10
M5
0%-100%
1001,64
±30,7
2.24
±0,23
10
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calorífico de 18,90±13 Mj/Kg para pellets elaborados a partir de residuos de
aserradero; Lee et al. (2015) Indican un poder calorífico de 18.2±0.1 Mj/Kg para
pellets elaborados a partir de desechos de pino, Abril, D., Navarro, E. y Abril, A.
(2009) lograron alcanzar un poder calorífico de 24,2 Mj/Kg con una mezcla 50/50
de carbón bituminoso y madera residual, por su parte Seijas et al. (2014)
informan valores de 16,55 Mj/Kg con aserrín de madera, En la presente
investigación únicamente se llegó al cálculo teórico de los niveles de las variables
independientes para alcanzar el máximo valor (óptimo) del poder calorífico,
quedando pendiente la validación de estos niveles mediante métodos de
combustión.
Conclusiones
La paja de arroz (Oriza sativa L.) y la cáscara de piñón (Jatropha curcas L.)
muestran una composición química (cenizas, material volátil y carbono fijo)
adecuada para ser utilizados como materia prima en la elaboración de pellets con
fines energéticos. Las mezclas de biomasas lignocelulósicas evaluadas,
presentaron un poder calorífico comparable con algunos informes de otras
investigaciones, siendo para la presente investigación la mezcla del 60,19% PA y
39,81% CP la óptima para obtener el máximo poder calorífico con estos dos tipos
de biomasas lignocelulósicas. El poder calorífico calculado para M2 fue de 29,21±
0.10 Mj/Kg y M3 fue de 29,01±0.01 Mj/Kg siendo estos los dos valores más
relevantes dentro de las mezclas evaluadas, demostrando la buena capacidad
calorífica que puede ser aprovechada para la generación de calor en equipos
como calderas.
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