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Agricultura

Aprovechamiento total

Nuevas técnicas transforman la paja de la caña de azúcar en bioaceite, carbón siderúrgico, carburo de silicio y en el futuro también etanol

Residuos con un gran potencial en el campo después de la cosecha

Eduardo Cesar Residuos con un gran potencial en el campo después de la cosechaEduardo Cesar

El hollín que sube al cielo debido a la quema de la paja de la caña de azúcar en el campo durante la zafra y se deposita en el suelo en forma de finos copos oscuros carga en su composición alrededor de 70 productos químicos prejudiciales para el medio ambiente, producto de la liberación de gases que contribuyen al efecto invernadero, y ocasionan serios problemas respiratorios en la población expuesta. Mientras que esa práctica no es definitivamente desterrada del cultivo cañero, varios grupos de investigación se abocan al estudiar fines más nobles para este material que tiene un gran potencial para la generación de energía eléctrica, la producción de biocombustible y la fabricación de productos tales como bioplásticos, carbón para siderúrgicas e incluso cemento. Las posibilidades de aprovechamiento del llamado ?palhiço? [pajizo] de caña, un material que queda en el campo luego de la cosecha compuesto de hojas verdes, puntas del vegetal, paja y restos del tallo, apuntan varias aplicaciones en el sector productivo. Una de las líneas de investigación, llevada adelante en el Departamento de Ingeniería de Materiales de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), resultó en la obtención de carburo de silicio, un versátil material sintético a base de sílice de paja de caña.

La innovación en la elección de la materia prima y del proceso utilizado para la producción del carburo de silicio resultó en un pedido de patente por parte de la universidad. Propiedades tales como su excelente resistencia al desgaste, al choque térmico y al ataque de ácidos permiten el empleo de este material, que también es semiconductor, en abrasivos, en la industria de refractarios, en el blindaje de aeronaves, en microelectrónica  y en otras aplicaciones. El descubrimiento surgió como despliegue de un proyecto destinado a la fabricación de carburo de silicio de paja de arroz, desarrollado anteriormente por el mismo grupo de investigación. ?Cuando hicimos el análisis químico del residuo de la paja de caña quemada, vimos que también era una rica fuente de sílice?, explica la profesora Ruth Kiminami, coordinadora del proyecto. La sílice fue entonces mezclada con una fuente de carbono como grafito y llevada a un horno especial con atmósfera controlada, sin oxígeno, para la formación de carburo de silicio. Este material se obtiene mediante la reacción de reducción carbotérmica, que sucede en alta temperatura. ?En unas cuatro o cinco horas, conseguimos producir partículas bien finas de carburo de silicio, de alrededor de 1 a 5 micrones, utilizadas en aplicaciones más avanzadas?, dice Ruth.

El método usado actualmente en escala industrial emplea una mezcla de sílice con carbono. Este compuesto, luego de llevarse a un horno eléctrico con temperatura superior a los 2.400°C durante entre 32 y 40 horas, resulta en bloques de silicio que deben ser procesados mecánicamente por picadura y molienda.  El proceso  que empleamos no requiere etapas adicionales de picadura y molienda, que encarecen el costo del producto, subraya.

En otra investigación, la paja de caña picada, dispuesta en un circuito cerrado movido en alta temperatura, resulta al final del proceso en tres productos con aplicaciones en áreas distintas un bioaceite con potencial de utilización en la industria química, un fino polvo de carbón vegetal que puede emplearse en la producción siderúrgica  y un gas con alto poder calorífico, compuesto de monóxido de carbono, metano e hidrógeno, indicado tanto para alimentar el propio reactor como para la generación de energía eléctrica. El proceso  de termoconversión utilizado es llamado pirólisis rápida. Es una rotura molecular hecha con alta temperatura en pocos segundos, explica el profesor Luis Augusto Barbosa Cortez, de la Facultad de Ingeniería Agrícola de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), coordinador del proyecto. Este proyecto, que empezó hace diez años, resultó en la empresa Bioware, incubada en el Centro de Tecnología de la universidad con apoyo de la FAPESP como parte del Programa de Investigación Innovadora en la Pequeña y Microempresa (Pipe).

Carbón siderúrgico hecho de productos obtenidos a partir de la paja

WANDERLEY DOS SANTOS E MARCOS BUCKERIDGE Carbón siderúrgico hecho de productos obtenidos a partir de la pajaWANDERLEY DOS SANTOS E MARCOS BUCKERIDGE

Para obtener un elevado rendimiento de bioaceite, los investigadores utilizan la técnica denominada lecho fluidificado burbujeante, que resulta de la combinación de aire y arena y temperaturas promedio en torno de 550ºC. En la puerta de entrada el lecho del reactor se pone carbón vegetal para dar inicio al proceso de calentamiento. Cuando la temperatura llega a 600ºC, la arena se pone en el reactor y se la sopla para formar el lecho fluidificado, donde la biomasa seca picada es colocada para su degradación y transformación en productos tales como el bioaceite, de coloración oscura y bastante viscoso, que puede emplearse como insumo químico, combustible de turbinas y calderas, sustituto del fenol petroquímico en resinas y aditivo en la formulación de concreto celular para la construcción civil. Mezclado al polvo de carbón obtenido en el proceso presenta características tales como la alta resistencia mecánica, con el 75% de carbono, y bajo tenor de vapores volátiles, de máxima un 25%, necesarias para la utilización en la fabricación de acero, dice el investigador Rodrigo Jordan, quien participa del proyecto con una beca de posdoctorado.

El vapor utilizado para la producción de bioaceite, después de pasar por un proceso  de lavado, resulta en un agua ácida, que puede aplicarse como bioestimulante para el crecimiento de plantas y como bioinseticida en el cultivo del fríjol. Los gases liberados en el proceso de pirólisis pueden utilizarse para alimentar calderas o en el propio proceso de combustión del reactor, por lo tanto toda la paja se aprovecha. La planta piloto tiene capacidad para procesar 200 kilos de paja por hora, transformados en 80 kilos de aceite y 50 kilos de carbón.

Cortez, quien hace más de una década estudia otros usos para la caña además del azúcar y el alcohol, coordina entre otros proyectos una investigación sobre la agroindustria cañera del estado de São Paulo, en el marco del Programa de Investigación en Políticas Públicas de la FAPESP, en asociación con la Agencia Paulista de Tecnología de Agronegocios (Apta). Actualmente, dentro del sistema de producción utilizado, la eficiencia de la caña se ubica en torno del 28%, dice. Este cálculo se hace con base en la energía contenida en la caña dividida en partes iguales entre azúcar, bagazo y paja, es decir, un tercio por cada una de ellas.  Empleando el sistema de pirólisis para aprovechamiento de la paja, creo que este porcentaje podrá ubicarse entre el 50% y el 60%.

Imagen de microscopía del desarrollo de hojas de caña de azúcar

WANDERLEY DOS SANTOS E MARCOS BUCKERIDGE Imagen de microscopía del desarrollo de hojas de caña de azúcarWANDERLEY DOS SANTOS E MARCOS BUCKERIDGE

Poder calorífico
Aunque aún no se sabe exactamente el potencial de generación de energía contenida en el pajizo, porque no existen investigaciones agronómicas que apunten la cantidad ideal de paja que queda en el campo después de la zafra, un estudio coordinado por el profesor Nilson Augusto Villa Nova, del Departamento de Ciencias Exactas de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) de la Universidad de São Paulo, con sede en Piracicaba, muestra que es posible mantener una hidroeléctrica igual a la de Itaipú, en Foz de Iguaçu, funcionando durante el período de estiaje, de mayo a octubre, solamente con la energía de la biomasa del pajizo y del bagazo.

El pajizo, que actualmente es un problema ambiental a causa de la quema en el campo, tiene un excelente potencial de energía eléctrica debido a su alto poder calorífico, dice Villa Nova. Como no podemos sacar todo el pajizo del campo porque debemos mantener la calidad agronómica del suelo, nuestra propuesta consiste en extraer alrededor del 50% de ese material con fines energéticos, dice el profesor Tomaz Caetano Cannavan Rípoli, del Departamento de Ingeniería Rural de la Esalq, quien hace 18 años investiga este material, sus características  y cómo manejarlo. El otro 50% quedaría en el campo para mejorar las propiedades fisicoquímicas del suelo, es decir, para auxiliar en la relación carbono-nitrógeno, aumentar el tenor de materia orgánica, mejorar la actividad de la microbiota del suelo y protegerlo contra el impacto de las gotas de lluvia, que causan erosión.

Este trabajo, intitulado El futuro del pajizo de la caña de azúcar como gran fuente de energía eléctrica en Brasil, presentado en una conferencia internacional de ingeniería de la agricultura en 2007, indica que, debido a las posibles restricciones hídricas de las principales cuencas hidrográficas habida cuenta de los cambios climáticos, la utilización de la biomasa deberá ser la principal fuente de energía renovable. Por ese estudio y todos los otros proyectos en que estuvo involucrado durante 52 años de carrera, Villa nueva fue contemplado en la categoría Vida  y Obra del Premio Fundación Bunge 2008. Los cálculos a los efectos de demostrar el potencial de generación de electricidad debido a la quema del pajizo durante los 200 días de la cosecha se hicieron con 100 toneladas de caña por hora, pero una central puede moler 500, 1.000 y hasta 1.200 toneladas por hora.

El resultado de la ecuación apuntó 76.800 megavatios/ hora(MW/ h) por zafra. Considerando que la producción anual de caña de azúcar en Brasil es del orden de los 386 millones de toneladas por zafra, la expectativa energética anual con la biomasa se ubicaría en torno de 122.800.000 MW/ h por año, lo que daría para suplir la demanda de Itaipú en el período de sequía, dice Villa Nova.

Ocho centrales paulistas, entre las cuales se encuentran Equipav, Cuatá, Cosan, Rafard y Santa Elisa, están mezclando bagazo con pajizo para la co-generación de energía en las calderas. La tendencia actual es la zafra integral, dice Rípoli. En lugar de cosechar la caña y dejar la paja en el suelo, para posteriormente transportarla a la central, se lleva todo junto a estaciones de pre limpieza, donde se hace la separación del material. Es la solución más barata para recoger el pajizo, porque se trabaja con una cosechadora con el sistema de limpieza desconectado o en menor rotación, subraya. El proceso está funcionando en escala comercial, pero todavía experimentalmente. Sucede que aún no se sabe a ciencia cierta cuál es la proporción de pajizo y bagazo que debe emplearse en las calderas durante la zafra para no interferir en la eficiencia del proceso. No tengo dudas de que dentro de 15 años no va a haber más centrales de azúcar sino centrales de energía, dice Rípoli.

Otra perspectiva futura para el uso de la paja es la producción de etanol, que cobró impulso recientemente con el lanzamiento del Programa FAPESP de Investigación en Bioenergía (Bioen). Vamos a usar hongos que degradan la paja  y el bagazo para producir azúcares fermentables desde la pared celular, dice el profesor Marcos Buckeridge, del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (USP) y uno de los coordinadores del programa. Parece sencillo, pero los mecanismos destinados a entender cómo se produce esa degradación celular pasan primeramente por el conocimiento del genoma de la caña.  Encontramos 469 genes relacionados con el metabolismo de la pared celular de la caña, informa.  En ese amplio estudio entran incluso variables relacionadas con los cambios climáticos, con alto nivel de gas carbónico en la atmósfera. En ese escenario habrá cambios en la composición de la pared celular y necesitamos estar atentos a eso, porque, dependiendo de la enzima utilizada, podrán ocurrir alteraciones en el proceso de obtención del etanol.

Eduardo CesarForraje animal
La paja picada se usa como sustrato en la siembra de granos para la producción en pocos días de un alimento voluminoso para vacunos, porcinos y aves.

La propuesta de José Luiz Guimarães de Souza, profesor jubilado de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) de Botucatú, y del economista José Abílio Silveira Cosentino, consiste en integrar la caña de azúcar y la ganadería en pequeñas propiedades rurales, utilizando la paja que actualmente se quema durante la zafra. Mediante el empleo de una técnica llamada forraje verde hidropónico o FVH, un proceso de producción sin uso del suelo, es posible obtener en poco tiempo y con escasa necesidad de agua un volumen considerable de alimento de calidad para animales, elaborado utilizando la paja de la caña como sustrato.

Encima de una lona negra se pone la paja picada, sembrada con varios tipos de granos, tales como el maíz, la soja, el trigo, el fríjol gandul, la avena, el mijo y el sorgo. Cada 18 ó 20 días se pueden por ejemplo cosechar 25 kilos de FVH de maíz por metro cuadrado, dice Souza. La FHV de maíz o de cualquier otro grano plantado se levanta como una alfombra constituida por la paja, por las semillas que germinaron y sus respectivas hojas y raíces, y también por las semillas que no germinaron, para reemplazar al pasto en la dieta del animal. La cantidad recogida es la misma que un animal adulto, una vaca en el período de engorde, debe recibir por día, complementada por un concentrado compuesto de maíz, salvado de soja, salvado de trigo y sal mineral, dice el investigador. El objetivo de la utilización de la técnica es producir gran cantidad de masa vegetal, de buena calidad  y en un corto lapso de tiempo.

El único cuidado consiste en mojar el cantero según la necesidad, como en una huerta convencional. Por los cálculos del investigador, confirmados con estudios en campo, con 25 metros cuadrados es posible producir alimento para una vaca el año entero; bastan con plantar y juntar un metro cuadrado por día. En Holambra II, municipio de Avaré, interior paulista, un propietario rural que criaba ganado de la raza Santa Gertrudis mantuvo 18 canteros de 60 metros cuadrados cada uno durante dos años. Levantaba un cantero por día y trataba de 60 a 80 cabezas, informa Souza. Todo el proceso fue seguido con recabado de datos y pesaje de animales. El mismo método puede aplicarse también para alimentar cerdos y aves.

Para pequeñas propiedades donde se planta solamente caña de azúcar, la propuesta es utilizar también la paja en varios tipos de productos hechos artesanalmente, tales como porta macetas, revestimiento de botellas, sombreros, macetas, placas y otros. La paja cumpliría así una función social generando ingresos, en lugar de quemársela en el campo. Los investigadores han probados varias formulaciones en sociedad con un artesano, incluso con teñido del material, que resultaron en productos que pueden fabricarse sin mucha dificultad.

Los proyectos
1. Biocombustible obtenido del aceite pirolítico de la paja de caña de azúcar: evaluación técnico-económica y ambiental de su uso (nº 06/52843-8); Modalidad Auxilio regular a proyecto de investigación; Coordinador Luis Augusto Barbosa Cortez – Unicamp; Inversión R$ 35.056,65 (FAPESP)
2. Obtención de bioaceite vía pirólisis rápida de residuos agrícolas para uso como combustible y materiales (nº 02/02166-9); Modalidad Investigación innovadora en la pequeña  y microempresa (Pipe); Coordinador Edgardo Olivares Gomez – Bioware; Inversión R$ 67.733,61 (FAPESP)

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