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Revista mexicana de ciencias agrícolas

versión impresa ISSN 2007-0934

Rev. Mex. Cienc. Agríc vol.8 no.1 Texcoco ene./feb. 2017

http://dx.doi.org/10.29312/remexca.v8i1.85 

Nota de investigación

Composición química y rendimiento de biomasa de maralfalfa para producción de bioetanol de segunda generación

Joel Ventura Ríos1 

José Amador Honorato Salazar2 

Alfonso Hernández Garay1  § 

Jorge Arturo Aburto Anell3 

Humberto Vaquera Huerta1 

Javier Francisco Enríquez Quiroz4 

1Colegio de Postgraduados-Campus Montecillo. Carretera Federal México-Texcoco, km 36.5. Montecillo, Texcoco, Estado, México. CP. 56230. Tel. 01 595 9520279. (joelventur@gmail.com; hvaquera@colpos.mx).

2Campo Experimental, San Martinito. Carretera Federal México-Puebla, km 56.5. Col. San Martinito, Tlahuapan, Puebla, Puebla, México. CP. 74100. Tel. 01 248 4830424. (ahonorato650@gmail.com).

3Instituto Mexicano del Petróleo. Eje Central Lázaro Cárdenas núm.152. Col. San Bartolo Atepehuacan, Gustavo A. Madero. Ciudad de México, México. CP. 07730. Tel. 01 559 1758247. (jaburto@imp.mx).

4C. E. La Posta- INIFAP. Carretera Veracruz -Córdoba Paso del Toro, km 22.5. Col. Paso del Toro, Medellín de Bravo, Veracruz, México. CP. 94277. Tel. 01 229 2622222. (quiroz_jf@yahoo.com).

Resumen

El objetivo de este experimento fue evaluar la producción de biomasa, composición química, análisis proximal, poder calorífico y rendimiento de bioetanol del pasto maralfalfa (Pennisetum glaucum*Pennisetum purpureum) cosechado a seis frecuencias de corte. La mayor producción de biomasa, poder calorífico y rendimiento de bioetanol se encontró en la frecuencia de corte de 180 días con 28.5 Mg MS ha-1; 18.2 MJ kg-1 MS; 6982 L ha-1 de etanol (p< 0.05), respectivamente. El contenido de cenizas y materia volátil fue mayor (p< 0.05) en la frecuencia de corte de 60 y 150 días (9.6% y 77.8%, respectivamente); mientras que el contenido de humedad y carbono fijo fue mayor en la frecuencia de corte de 30 días (8.4% y 18.4%, respectivamente). La composición química varió de manera significativa (p< 0.01) a través de los diferentes estados fisiológicos, mientras el contenido de extractivos fue mayor (p< 0.05) en la frecuencia de corte de 150 días (15.1%). El rendimiento de biomasa, composición química, poder calorífico y análisis proximal del pasto Maralfalfa permiten que sea una buena fuente bioenergética para la industria de combustibles líquidos.

Palabras clave: Pennisetum; análisis proximal; bioetanol; composición química; poder calorífico

En los últimos años, la producción de bioetanol de primera generación ha sido muy debatida por emplear materia prima de primera necesidad para la humanidad e incrementar sus costos, donde la producción es a base de maíz (almidón) y jugo de caña de azúcar (sacarosa). La producción de bioetanol de segunda generación es una alternativa futura, dado que los recursos agrícolas son abundantes en la naturaleza; sin embargo, los estudios en esta área aún son limitados. En el trópico subhúmedo de México, en la última década se han introducido variedades del género Cenchrus purpureus (Schum.) Morrone, [previamente Pennisetum purpureum, (Chemisquy et al., 2010)] para uso común en la alimentación animal, debido a su potencial de crecimiento y capacidad de producir biomasa por arriba de 37 Mg MS ha-1 (Calzada et al., 2014); sin embargo, hay pocos estudios que muestran la edad óptima en que se alcanza la mayor producción y composición química de la biomasa para un mejor aprovechamiento (Ramos et al., 2013). Por lo que el objetivo del presente estudio fue evaluar la composición química, poder calorífico, análisis proximal y rendimiento teórico de bioetanol del pasto Maralfalfa (Pennisetum glaucum*Pennisetum purpureum) cosechado a diferentes frecuencias de corte con el fin de utilizarse como materia prima en la producción de bioetanol.

Localización del área de estudio

El experimento se realizó en el Sitio Experimental “Papaloapan” de INIFAP, a 18° 06’ longitud norte y 95° 31’ latitud oeste y 65 msnm, en Cd. Isla, Veracruz. La siembra se efectuó el 22 de julio de 2011, en surcos con separación de 0.5 m, en parcelas experimentales de 5*16 metros. Las praderas se fertilizaron con la siguiente formula: 120-80-00 kg ha-1 de N y P2O5 y el N se dividió en dos aplicaciones a los 43 y 112 días después de la siembra. Los tratamientos consistieron en seis frecuencia de corte (30, 60, 90, 120, 150 y 180 días) distribuidos en un diseño de bloques al azar en parcelas divididas.

Rendimiento de biomasa (kg MS ha-1). Se determinó para cada frecuencia después del corte de homogeneización, mediante muestreos destructivos, durante un año. Para ello, en cada parcela se cosecho un área central de 2 m x 3 m, dejando un metro de borde en cada lado y 50 cm entre frecuencias de corte (6 m2) y se cortó el forraje total (planta entera), dejando el remanente a 20 cm de altura, para la recuperación de la planta. La biomasa cosechada se pesó en balanza de precisión, posteriormente, se tomó una sub muestra, se registró el peso fresco y se introdujo en una estufa de aire forzado a 55 °C hasta peso constante y se calculó la cantidad de materia seca (MS). Las muestras secas fueron después pulverizadas en un molino Wiley® y tamizadas en mallas del núm. 40 (0.42 - 1 mm) y 60 (0.25 - 0.42 mm), para posteriormente realizar las determinaciones químicas y de poder calorífico.

Composición química y rendimiento teórico de bioetanol. Para liberación de extractivos, se utilizó la norma TAPPI T-264. El contenido de holocelulosa se determinó por el método de cloración ácida (Rowell et al., 2005) y la Norma ASTM D1104, para celulosa. La hemicelulosa resultó de la substracción de celulosa de holocelulosa. La lignina se determinó conforme a la Norma TAPPI T-222 os-74. Para estimar el rendimiento de bioetanol, se utilizó la fórmula propuesta por Badger (2002) en base a la composición química de la materia seca, utilizando para los cálculos el contenido de celulosa (glucosa) y hemicelulosas (xilosa).

Análisis proximal y poder calorífico. Para determinar la humedad, material volátil y cenizas se utilizaron las Normas ASTM E871, ASTM E872 y ASTM D 1102-84, respectivamente, y para carbono fijo se empleó la fórmula: (CF) = 100 - (humedad + cenizas + material volátil). Para evaluar el poder calorífico se empleo la norma ASTM (E711) y una temperatura de 30 ±0.5 °C, con pastillas comprimidas de peso igual o menor a 1 g. Al mismo tiempo, se determinó contenido de humedad de las muestras en balanza Ohaus MB45®.

Análisis estadístico

Los datos se agruparon de manera anual, para su análisis estadístico, conforme al diseño experimental de bloques al azar con arreglo en parcelas divididas, donde la parcela grande es el genotipo y la parcela chica, la frecuencia de corte (30, 60, 90, 120, 150 y 180 ddch) con tres repeticiones. La comparación múltiple de las medias de tratamientos se realizó con la prueba de Tukey (α= 0.05), mediante el procedimiento estadístico PROC GLM del software SAS para Windows versión 9.3 (SAS, 2011).

Rendimiento de biomasa. La producción anual de forraje se incrementó linealmente a medida que la planta avanzó en su desarrollo fisiológico; la mayor producción se obtuvo en la frecuencia de corte de 180 días con 28.5 Mg MS ha-1 y fue estadísticamente diferente (p< 0.05) a las demás frecuencias de corte (Cuadro 1). La frecuencia de corte de 180 días superó considerablemente a las demás frecuencias (p< 0.05) y produjo 248 y 97% más biomasa que las frecuencias de corte de 30 y 60 días, respectivamente. Las frecuencias de corte al día 90, 120 y 150 fueron similares (p> 0.05) y produjeron 18, 20.2 y 18.7 Mg MS ha-1 año-1, respectivamente.

a, b= diferente literal minúscula en la misma columna, indican diferencias significativas entre frecuencias de corte (p< 0.05).

Cuadro 1 Rendimiento de biomasa y bioetanol, poder calorífico, análisis proximal y composición química del pasto Maralfalfa a seis frecuencias de corte  

Carbono fijo. El mayor contenido de carbono fijo se encontró a edades tempranas, al cosechar cada 30 (18.4%), 60 (17.5%) y 90 (17.7%) días, sin presentar diferencias (p> 0.05); sin embargo, la frecuencia de corte cada 30 días fue diferente (p< 0.05) a las de 120 (16.7%), 150 (16.9%) y 180 (16.6%) días, los cuales mostraron el menor contenido (Cuadro 1). Parikh et al. (2005) obtuvieron 18.6% de carbono fijo en pasto Sudán (Sorghum drummondii), el cual es similar a la frecuencia de corte a cada 30 días.

Materia volátil. En material volátil, las frecuencias de corte de 120 (76.5%), 150 (77.8%) y 180 (77.6%) días, no fueron diferentes (p> 0.05); sin embargo, fueron superiores (p< 0.05) a las frecuencias de corte a cada 90 (74.8%), 60 (72.8%) y 30 (72.2%) días, que mostraron el menor contenido volátil (Cuadro 1). En estudios previos, Demirbas (2004) reportó material volátil de 76.7% en el pasto Switchgrass (Panicum virgatum) el cual es similar a las frecuencias de corte de 120, 150 y 180 días, que mostraron el mayor contenido (p> 0.05).

Humedad y cenizas. El mayor contenido de humedad se presentó en el corte cada 30 días (8.4%), el cual fue superior y diferente (p< 0.05) a las demás frecuencias de corte (Cuadro 1), mientras que el contenido de cenizas fue mayor en las frecuencias de corte de 30 (9.2%) y 60 (9.6%) días, con cantidades similares de cenizas (p> 0.05), pero superiores (p< 0.05) a las demás frecuencias de corte. En evaluaciones energéticas es importante considerar el contenido de humedad y cenizas, ya que estos compuestos pueden limitar el desempeño energético de la biomasa lignocelulosica.

Poder calorífico. El mayor poder calorífico se presentó en la frecuencia de corte de 180 días (18.2 MJ kg-1 MS), el cual fue superior y diferente (p< 0.05) a las demás frecuencias de corte (Cuadro 1); entre los cortes cada 30 (15.7 MJ kg-1 MS), 60 (16.1 MJ kg-1 MS), 90 (16.1 MJ kg-1 MS), 120 (16.3 MJ kg-1 MS) y 150 días (16.7 MJ kg-1 MS) no hubo diferencias significativas (p> 0.05). En trabajos previos, Jenkins et al. (1998) y Parikh et al. (2005) reportaron 18 y 17.8 MJ kg-1 MS para Switchgrass (Panicum virgatum) y rastrojo de maíz, respectivamente, los cuales concuerdan con el mayor poder calorífico registrado en la frecuencia de corte de 180 días.

Carbohidratos estructurales. El mayor contenido de holocelulosa se encontró en la frecuencia de corte al día 60 (66%), el cual fue diferente (p< 0.05) y superior a la frecuencia de corte de 150 (60.2%) y 180 (63.3%) días (Cuadro 1); mientras que el mayor contenido de celulosa se encontró en la frecuencia de corte al día 60 (39.4%), el cual fue diferente (p< 0.05) a las demás frecuencias de corte. Por otro lado, el mayor contenido de hemicelulosas se presentó en el corte cada 120 (28.5%) días y superó (p< 0.05) a la frecuencia de corte de 150 (25.5%) días.

En investigaciones previas, Wongwatanapaiboon et al. (2012) obtuvieron un contenido de holocelulosa de 63.8% para pasto King grass (Pennisetum sp.), similar al registrado en las frecuencias de corte de 30, 90, 120, y 180 días. Así mismo, Mateus et al. (2012) reportaron 34.3% de celulosa en el pasto Maralfalfa (Pennisetum sp.), similar al contenido de celulosa observado al cosechar cada 90, 120, 150 y 180 días. Por otro lado, Wongwatanapaiboon et al. (2012), registraron concentraciones de hemicelulosas de 31.1% en pasto king grass (Pennisetum sp.), el cual es superior en 2.6% al obtenido por la frecuencia de corte de 120 días.

Lignina Klason. El mayor contenido de lignina se presentó en la frecuencia de corte de 180 días con 21.6%, siendo superior y diferente (p< 0.05) a las frecuencias de corte de 30 (18.4%), 60 (18.5%) y 90 (18.8%) días (Cuadro 1). Sin embargo, la lignina en las frecuencias de corte al día 30, 60 y 90 fueron superior en 13%, 13.4% y 15%, respectivamente, a lo reportado por Mateus et al. (2012) quienes encontraron 16.3% de lignina en el cultivar Maralfalfa (Pennisetum sp.).

Extractivos. El mayor contenido de extractos se presentó en la frecuencia de corte cada 150 días (15.5%) que fue diferente (p< 0.05) y superior a las demás frecuencias de corte (Cuadro 1). En promedio el contenido de extractos fue de 10.2%, el cual es similar a lo registrado por Mateus et al. (2012) quienes reportaron 10.7% para el cultivar Maralfalfa (Pennisetum sp.).

Rendimiento de bioethanol

En base a los cálculos propuestos por Badger (2002) el mayor contenido de glucosa y xilosa provenientes de la celulosa y hemicelulosas, respectivamente, indicaron que el mayor rendimiento de bioetanol por hectárea se obtiene en la frecuencia de corte cada 180 días con 2 893.5 (± 395.8) y 1 875.5 (± 352.3) kg ha-1 año-1, respectivamente, los cuales fueron diferentes (p< 0.05) a las demás frecuencias de corte; estas cantidades pueden producir un total de 4 769 (±747) kg ha-1 año-1 de bioetanol o su equivalente 6 037 (±945.6) L ha-1 año-1 (Cuadro 1). La frecuencia de corte cada 180 días produjo 2 002 litros más que la frecuencia de corte cada 30 días (p< 0.05), así mismo superó en 1 229 litros a la frecuencia de corte de 60 días.

Conclusiones

La biomasa que proporciona el mejor sustrato (glucosa y xilosa) por unidad de área para la producción de bioetanol y poder de combustión, se obtuvo al cosechar cada 180 días. En edades tempranas las plantas contienen mayor proporción de elementos inorgánicos, humedad y carbono fijo, de tal manera que estos compuestos van disminuyendo conforme incrementa la etapa fenológica de la planta.

El rendimiento de biomasa y características químicas del pasto Maralfalfa lo convierten en una alternativa potencial para la obtención de bioetanol en áreas tropicales.

Literatura citada

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Recibido: Diciembre de 2016; Aprobado: Febrero de 2017

§Autor para correspondencia: hernan@colpos.mx

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