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Nuevos materiales

Cenizas de valor

Los residuos de la quema del bagazo de la caña de azúcar se emplean en la elaboración de productos de alto valor agregado

SILVIO RAINHO TEIXEIRA / UNESPEl acelerado crecimiento de la industria de azúcar y alcohol brasileña durante los últimos años ha llevado al país a una posición destacada entre los fabricantes mundiales de combustibles alternativos. Alrededor de 27 mil millones de litros de etanol se producen por año en las centrales del país. El fortalecimiento de lesta actividad ha hecho crecer el volumen de bagazo de caña de azúcar que sobra en el proceso de producción. Casi la totalidad de ese material que se convirtió en  subproducto de valor agregado se quema en calderas, y el vapor se emplea para generar energía eléctrica en turbinas y generadores. Con la quema, surgió otro residuo, la ceniza del bagazo, cuyo volumen anual se estima en 4 millones de toneladas. Diversos estudios proponen un destino económico y ambientalmente factible para este producto, tal como lo muestra el trabajo del físico Silvio Rainho Teixeira, de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad Estadual Paulista (FCT/ Unesp), de Presidente Prudente, oeste paulista. Teixeira ha desarrollado al menos tres aplicaciones para el producto: la producción de briquetas, elaboradas con el polvo de carbón de la ceniza prensado, que sirve como alternativa al carbón vegetal común, de fritas, un insumo utilizado para dar acabado final a piezas cerámicas, y de vitrocerámicas, materiales producidos con base en la cristalización controlada de materiales vítreos. Existen ollas y tapas de “vidrio” de hornos eléctricos que constituyen ejemplos de utensilios vitrocerámicos transparentes. Uno de los primeros usos destinados a aprovechar las cenizas del bagazo consistió en arrojar ese material sobre los cultivos como abono complementario. Posteriormente, diversas pruebas dieron buenos resultados al incorporar el material en la fabricación de hormigón (lea en Pesquisa FAPESP n°171).

Teixeira explica el primer paso para la formulación de estos nuevos productos es la separación de la fracción orgánica de la inorgánica de las cenizas del bagazo. Las briquetas se fabrican a partir de la porción orgánica, mientras que las fritas y vitrocerámicas utilizan la parte inorgánica, que es rica en dióxido de silicio (SiO2), la materia prima de los vidrios más comunes. El carbón existente en la ceniza se presenta en dos formatos: pequeños pedazos, de más de un milímetro, que inicialmente flotan y pueden separarse mecánicamente, y una parte de carbón en polvo fino, que se sedimenta junto con el material inorgánico. La parte más gruesa se retira mediante el empleo de un colador, mientras que la fina es separada con un  hidrociclón, un aparato que separa partículas en suspensión en un líquido basado en las densidades de esas mismas partículas. Una vez hecha la separación, el polvo del carbón se mezcla con una sustancia aglutinante – una especie de cola – y es compactado y transformado en pequeños cilindros o barras, los formatos más comunes de las briquetas. Tienen mayor densidad y un poder calorífico igual o superior al de carbón de madera. Pueden tener aplicación industrial o residencial. “Como es difícil compactar el carbón puro para que adquiera una forma definitiva sin pulverizarse, usamos un aglutinante”, dice Teixeira. Esta parte del estudio cuenta la coordinación del profesor Algel Fidel Peña, de la Unesp.

Pisos y a azulejos
La fabricación de fritas y vitrocerámicas es un poco más compleja y requiere un alto gasto energético, porque es necesario someter al material a un proceso de fusión a temperatura elevada. La materia prima básica para la formulación de esos productos es la sílice existente en las cenizas del bagazo, que representan más del 80% de su peso, y otros óxidos – de hierro, aluminio, potasio, titanio, fósforo – también presentes en el residuo. Como el punto de fusión de la sílice es muy alto, es necesario mezclarla con carbonatos de calcio y carbonatos de potasio y sodio para permitir que la fusión de la mezcla se haga a una temperatura más baja, de entre 1.300 y 1.450 grados Celsius. Luego de fundírsela, la mezcla, en forma líquida, se vierte en un recipiente con agua a temperatura ambiente. El resultado es un sólido con  la estructura atómica propia de un líquido, porque el enfriamiento rápido “congela” al material y no permite que los átomos se organicen para formar un sólido cristalino. El material formado es un  vidrio que se rompe en pedazos muy pequeños llamados fritas. Se emplea para hacer la capa vitrificada de piezas cerámicas: pisos, azulejos y jarrones, entre otras. Teixeira estima que por cada kilo del residuo es posible fabricar casi un  kilo de frita.

Con la frita es posible desarrollar piezas de vitrocerámicas, un producto más noble y de más alto valor agregado. A tal fin, la frita es triturada hasta que se convierte en un polvo muy fino y luego se la calienta lentamente, mediante el empleo de un aparato de análisis térmico. “Este aparato acompaña las reacciones que el vidrio va a sufrir durante el proceso. Cuando calentamos, suministramos la energía para que los átomos se organicen y se transformen en un material cristalino, con un patrón de organización simétrico. Es un proceso bastante conocido y empleado. En nuestro caso, la novedad es la utilización del residuo de la quema del bagazo de caña como materia prima”, afirma Teixeira. “De acuerdo con la mezcla empleada – el tipo y la cantidad de carbonatos –, se producen materiales cerámicos distintos, con propiedades diferentes. Pretendemos obtener materiales de revestimiento tales como pisos, azulejos y otros que puedan usarse en la construcción civil”. Las cerámicas vítreas – o vitrocerámicas – tienen propiedades importantes, tales como la dureza, superior a la de las piedras naturales, absorción cero de agua y menor densidad. Por eso se las emplea como revestimiento interno y externo de edificaciones. Otra gran ventaja de este material en relación con las piedras naturales es que permite la producción de grandes placas planas, curvas o con la forma que se desee para revestir columnas.

EDUARDO CESAREl desarrollo de la vitrocerámica a base de cenizas de bagazo contó con la colaboración de los investigadores españoles Jesús María Rincón López y Maximina Romero Pérez, del Instituto Eduardo Torroja de Ciencias de la Construcción de Madrid, expertos en vidrio y cristalización de residuos. Por ahora, ni el proceso ni los nuevos  productos (briquetas, fritas y vitrocerámicas) han sido patentados, pero Teixeira evalúa dicha posibilidad. Los resultados de las investigaciones han sido presentados en eventos nacionales e internacionales, como en el caso del Congreso Brasileño de Cerámica, y publicados en revistas científicas. Según el investigador, después de los buenos resultados obtenidos en laboratorio, habrá que armar un proceso de producción en escala piloto y evaluar los costos de implantación de una empresa, y contar con una precisa evaluación de la factibilidad económica de las innovaciones. Aunque no existen negociaciones en marcha con empresas privadas para la transferencia de la tecnología, Teixeira dice que fue sondeado por firmas de consultoría y empresarios del sector, interesados en conocer las innovaciones.

Negro de humo
Las posibilidades de uso de la ceniza de bagazo también recaen sobre la producción de un material importante para la industria química, llamado negro de humo, un insumo presente en pinturas, barnices, neumáticos, artículos de goma y abono, entre otros productos. Una solución orgánica de ese material elaborada con ceniza del bagazo fue creada por el ingeniero químico paulista Leonardo Glidiz. Éste dice haber desarrollado el material cuando investigaba por cuenta propia las cenizas de bagazo y algunos compuestos de carbono con el objetivo de desarrollar un posible fertilizante, cuando, accidentalmente, derramó en el suelo, sobre su ropa y en el material de estudio algunos compuestos sólidos. “Enfadado, me fui a tomar un café. Cuando regresé a limpiar, observé que el compuesto había dejado marcas impregnadas, que no salían”, recuerda. “Reparé que el resultado de lo que parecía ser un desastre era a decir verdad un nuevo producto. Con  la ayuda de dos amigos, llevé muestras a una empresa para realizar un ensayo inicial y, para mi alegría, surgió el negro de humo orgánico.”

Glidiz no revela quiénes son sus amigos, ni mucho menos los compuestos sólidos empleados en la experiencia. Tudo forma parte del secreto de la fórmula. El pedido de patente, tanto del producto como del proceso y de la marca “Bio Carbon Black”, fue requerido en 2007 en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI). Glidiz llegó a hacer una pasantía en el hotel de proyectos de Supera, la Incubadora de Empresas de Base Tecnológica de Ribeirão Preto, para abrir una empresa, pero desistió y resolvió armar una organización socioambiental y científica llamada Centro Avanzado de Investigación y Desarrollo en Bionanotecnología, una  institución sin fines de lucro cuyo objetivo es desarrollar negro de humo orgánico y otros productos. Aún sin una sede definitiva, el centro aguarda la instalación del Parque Tecnológico de Ribeirão Preto para solicitar la ocupación de una plaza.

“El negro de humo orgánico que desarrollamos es la única alternativa de reemplazo del actual producto derivado de petróleo”, asegura Glidiz, quien obtuvo el segundo lugar en el área de biotecnología en la Olimpíada de la Agencia de Innovación de la Universidad de São Paulo (USP) en 2008. Mediante un proyecto de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes), aprobado en el marco de la convocatoria Pública MEC/ MCT/ MDIC que reúne a los ministerios de Educación, Ciencia y Tecnología e Industria y Comercio, Glidiz realizó su proyecto en el campus de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de Ribeirão Preto de la USP. También llamado hollín o negro de carbono (del inglés carbon black), el negro de humo es un polvo negro que se caracteriza por que es la forma química del carbono libre de impurezas. Empezó a fabricarse en escala industrial en 1870. Su primer destino fue la industria de pinturas. Durante las primeras décadas del siglo XX, este insumo cobró importancia debido al descubrimiento de sus propiedades de resistencia, al mezclárselo con el caucho en el proceso de vulcanización empleado en la fabricación de neumáticos, desarrollado por el norteamericano Charles Goodyear. Sucede que el negro de humo no se produce en la naturaleza y su proceso productivo afecta al medio ambiente. La sustancia industrial utilizada es fabricada por pirólisis, una reacción de descomposición que ocurre debido a la acción de altas temperaturas o a la quema incompleta de materiales derivados de petróleo. Los gases residuales del proceso incluyen monóxido de carbono y metano. Según Glidiz, se estima que se producen en Brasil alrededor de 500 mil toneladas anuales de negro de humo. El mercado mundial es evaluado en 11,7 millones de toneladas, con una evolución anual promedio superior al 4%.

“La innovación que proponemos consiste en transformar las cenizas generadas en la quema del bagazo de caña de azúcar en negro de humo orgánico, un producto alternativo con ventajas ambientales, económicas y sociales”. La etapa inicial de fabricación de este producto, según Glidiz, consiste en un estudio previo de las cenizas residuales del bagazo en centrales asociadas, a los efectos de desarrollar un sistema de recolección. Posteriormente, el residuo es transportado hasta la empresa licenciada para el tratamiento, donde se separan las impurezas y se selecciona el tamaño de las partículas en coladores vibratorios. El material final va luego a mezcladores con compuestos reactivos para formar el negro de humo alternativo.

El objetivo del investigador es licenciarles la tecnología a empresas interesadas, y no montar una unidad propia para producir el insumo y vendérselo a terceros. “Ya cuento con empresas de cuatro segmentos industriales distintos – construcción civil y cerámica, automovilístico, plástico y polímeros – interesadas en el proceso”, dice Glidiz. La inversión para el montaje de una unidad de procesamiento con  capacidad de mil toneladas anuales es de aproximadamente 500 mil reales, incluyendo el valor del terreno, las maquinarias y la compra de cenizas. El estudio de factibilidad económica realizado por el investigador apunta que el retorno económico se concretará al cabo de dos años. Como parte del “secreto industrial”, se les suministrará un compuesto reactivo a las empresas licenciadas para su adición al proceso.

Los análisis y pruebas de ingeniería de materiales realizados hasta el momento con  el producto, de acuerdo con el investigador, fueron prometedores y tuvieron resultados positivos. “Para la confección de productos que no dependen de certificación, la inserción del negro de humo orgánico en el mercado es inmediata. Sin embargo, para algunas aplicaciones industriales, tales como neumáticos, es necesario desarrollar y ensayar con prototipos durante tres a cinco años, de acuerdo con la legislación”, dice Glidiz.

El proyecto
Desarrollo de material vitrocerámico por vitrificación y cristalización de ceniza de bagazo de caña (nº 08/04368-4); Modalidad Auxilio Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Silvio Rainho Teixeira – Unesp; Inversión R$ 5.566,00 y US$ 37.892,50 (FAPESP)

Artículos científicos
TEIXEIRA, S.R. et al. Briquetting of charcoal from sugar-cane bagasse fly ash (scbfa) as na alternative fuel. Waste Management. v.30, n.5, p. 804-07. mai. 2010.
TEIXEIRA, S.R. et al. Sugar-cane bagasse ash as a potential quartz replacement in red ceramic. Journal of the American Ceramic Society. v. 91, n. 6, p.1.883-87. 2008.

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