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Revista mexicana de ciencias forestales

versión impresa ISSN 2007-1132

Rev. mex. de cienc. forestales vol.7 no.38 México nov./dic. 2016

 

Ensayo Técnico

Química de la biomasa vegetal y su efecto en el rendimiento durante la torrefacción: revisión

Verónica Bustamante García1 

Artemio Carrillo Parra2  * 

José Ángel Prieto Ruíz3 

José Javier Corral-Rivas2 

José Ciro Hernández Díaz2 

1Doctorado Institucional en Ciencias Agropecuarias y Forestales, Universidad Juárez del Estado de Durango. México.

2Instituto de Silvicultura e Industria de la Madera, Universidad Juárez del Estado de Durango. México.

3Facultad de Ciencias Forestales, Universidad Juárez del Estado de Durango. México.

Resumen

La biomasa es una fuente de energía que presenta gran heterogeneidad estructural anatómica y química, con baja densidad energética, alto contenido de humedad e higroscopicidad, es hidrófila y con bajo poder calorífico. Para su aprovechamiento, la aplicación de tratamientos térmicos, conocidos como torrefacción promueven mayor eficiencia en la conversión a biocombustibles. En el presente trabajo se analizan la composición de la biomasa vegetal, su degradación térmica, rendimiento másico-energético y las propiedades químicas del producto final. Durante el proceso de torrefacción, se requiere de una atmósfera inerte e intervalos de temperatura de 200 a 300 °C. Este puede mejorar las características energéticas de la biomasa. Los productos sólidos, líquidos y gases obtenidos se emplean para generar energía calorífica. Los sólidos tienen menor contenido de oxígeno y humedad; lo que aumenta el poder calorífico, produce poco humo, no se fermenta, es hidrofóbico y resiste la pudrición. Los líquidos están conformados por agua, ácido acético, ácido furfural, ácido fórmico, metanol, ácido láctico, fenol, aldehídos y cetonas. Los gases generados son principalmente CO, CO2, H2 y CH4. Finalmente, para caracterizar las propiedades y la calidad de los biocombustibles, se emplean técnicas de análisis proximales y elementales. El proceso de torrefacción mejora las propiedades químicas de la biomasa vegetal, al aumentar su calidad como combustible.

Palabras clave: Biocombustibles; bioenergía; densidad energética; pirólisis; poder calorífico; tratamiento térmico

Introducción

En los últimos años, el mayor reto ha sido lograr un equilibrio entre el desarrollo económico y la calidad del ambiente (REN21, 2016). La principal causa del deterioro ambiental es la demanda creciente de energía, provocada por los modelos económicos que imperan y el incremento significativo de los requerimientos de iluminación, calefacción, refrigeración y transporte (Demirbas, 2005). Después de la crisis del petróleo de 1973, se hizo evidente la importancia de diversificar las fuentes de combustibles y tecnologías respetuosas del ambiente (Maffeo, 2003).

El avance actual en el uso de energías renovables y eficiencia energética juegan un papel crucial en la reducción del consumo de combustibles fósiles, gases de efecto invernadero y la contaminación ambiental. En el 2014, la producción de energías renovables representó cerca de 58.5 % de la capacidad mundial de generación energética. En el 2016, China fue el líder en la capacidad instalada sobre el particular, con 83.3 billones de dólares (REN21, 2016). Las energías renovables que más se consumen y comercializan a nivel mundial, según su nivel de importancia, son: la eólica (51%), la geotérmica (17%), la bioenergía (12%), la hidroeléctrica (10%) y la solar (1.1%) (Alemán-Nava et al., 2014).

La biomasa, una fuente de energía renovable, es todo tipo de materia orgánica que tiene origen en un proceso biológico (Kumar et al., 2015). En las plantas, durante la fotosíntesis (proceso de óxido reducción) se absorbe la energía solar en la clorofila y se transforma el dióxido de carbono (CO2) del aire y el agua del suelo en carbohidratos que almacenan energía química, mediante el proceso de conversión fotoelectroquímica de la fotosíntesis (Bustamante-García et al., 2013). Los carbohidratos se componen, principalmente, de hidratos de carbono, lípidos y prótidos, los cuales están en una proporción variable, en función de la naturaleza de la biomasa.

Desafortunadamente, el uso de la biomasa como combustible presenta desventajas por su heterogeneidad en la estructura anatómica, física y química. Desde el punto de vista físico se caracteriza por tener alto contenido de humedad, baja densidad, gran volumen, amplia higroscopicidad, dificultad de almacenamiento y alta tenacidad (Zheng et al., 2013). La composición química incluye mayores fracciones de hidrógeno, oxígeno y volátiles, así como menores cantidades de carbono y poder calorífico, en comparación con los combustibles fósiles.

Los inconvenientes de la biomasa como fuente de energía se pueden mejorar con pretratamientos termoquímicos (Shankar-Tumuluru et al., 2012; Chen y Kuo, 2011; Arteaga-Pérez et al., 2015). Según Rousset et al. (2013), los principales métodos utilizados para transformar la biomasa en energía son: biológicos (digestión anaeróbica, fermentación), químicos (esterificación), mecánicos (densificado y reducción gravimétrica) y termoquímicos (combustión, licuefacción, gasificación, pirolisis y torrefacción). La mayoría de estos ayudan a romper las regiones amorfas y cristalinas de la biomasa (Shankar-Tumuluru et al., 2012).

La torrefacción es una pirolisis lenta que mejora las propiedades de la biomasa lignocelulósica para convertirla en combustible de buena calidad. Consiste en un calentamiento lento de la biomasa en una atmósfera inerte (ausencia de oxígeno), a una temperatura que varía de 200 a 300 °C (Chen et al., 2015), durante un tiempo de residencia por algunos minutos hasta una hora (Rousset et al., 2013). Las mejoras que se observan después de la torrefacción son reducción del contenido de humedad, aumento de la densidad energética, incremento de la relación C/O, mejora de la hidrofobicidad, la inflamabilidad, reactividad y molienda; se facilita el almacenamiento y transporte (Couhert et al., 2009).

Con base en lo anterior, el objetivo de este documento es realizar una revisión bibliográfica detallada sobre la torrefacción de la biomasa, que incluye: a) composición química de la biomasa, b) degradación térmica, c) productos de la torrefacción, d) rendimiento másico, e) rendimiento energético, y f) propiedades químicas del combustible. La finalidad es proporcionar información reciente sobre dicho proceso, que se considera que en el futuro será una de las principales tecnologías para obtener combustibles con alto valor energético, a partir de biomasa vegetal.

Composición química de la biomasa vegetal

La unidad estructural de todo organismo vegetal es la célula, la cual está compuesta de una pared celular que es una capa resistente, pero generalmente flexible, aunque en ocasiones es rígida y proporciona soporte estructural a las plantas. Además, le da protección a las tensiones mecánicas y térmicas. Sus principales constituyentes son hemicelulosa, celulosa, lignina y componentes extraíbles (Montoya-Arbeláez et al. 2014).

Hemicelulosa. Es un polímero complejo, compuesto de grupos heterogéneos de polisacáridos como: pentosas (D-xilosa y L- arabinosa) y hexosas (D-glucosa, D-manosa y D-galactosa) que forman cadenas lineales ramificadas; y los ácidos 4-O-metilglucurónico, D-galacturónico y D-glucurónico con enlaces β-1, 3 (Sun y Tomkinson, 2003; Scheller y Ulvskov, 2010). Se estructura en cadenas de 500-3 000 unidades de azúcar es responsable de aproximadamente 15 a 35 % del peso seco de la madera de latifoliadas y de 20 a 32 % de las coníferas (Cuadro 1).

Cuadro 1 Composición química de diferentes tipos de biomasa vegetal. 

Biomasa Hemicelulosa (%) Celulosa (%) Lignina (%) Extractivos (%)
Cáscara de arroz1 18.47 42.20 19.40 -
Bambusa sinospinosa McClure2 14.44 62.33 13.01 2.52
Madera de Fagus ssp.3 34.40 40.90 24.80 -
Paja4 27.20 34.00 14.20 -
Madera de Betula pendula Roth4 25.70 40.00 15.70 -
Salix ssp.5 14.10 49.30 20.00 -
Cáscara de coco6 28.40 52.20 36.00 -
Betula pendula Roth7 27.70 40.00 15.70 -
Latifoliadas8 15-35 40-44 18-25 -
Coníferas8 20-32 40-44 25-35 -
Cryptomeria japonica (Thunb. ex L. f.) D. Don9 7.65 46.86 42.11 -
Abies alba Mill.10 25.00 37.10 35.00 2.80
Picea abies (L.) H. Karst10 20.00 42.40 35.10 2.40

Fuente: 1 = Abdullah et al. (2010);2 = Chen et al. (2015a); 3 = Septien et al. (2012); 4 = Mohan et al. (2006); 5 = Bridgeman et al. (2008); 6 = Montoya-Arbeláez et al. (2014); 7 = Shankar-Tumuluru et al. (2011); 8 = Shah y Gardner (2012); 9 = Lu et al. (2013); 10 = Peng et al. (2013).

La degradación térmica de la hemicelulosa en la torrefacción ocurre en el intervalo de temperaturas de 130 a 260 °C; la mayor pérdida en peso se produce por encima de los 180 °C (Mohan et al., 2006), debido a su composición química y su relación con la lignina (Demirbas, 2009). En el Cuadro 1 se observa el porcentaje de hemicelulosa en diferentes tipos de biomasa, cuyos valores después de someterla a torrefacción, varían de 7.0 a 34.4 %. La biomasa agrícola es diferente a la leñosa, ya que los cultivos tienen un alto contenido de hemicelulosa, que se descompone fácilmente cuando se calienta (Wang et al., 2011). Rowell (2012) indica que la hemicelulosa se origina de grupos acetilo y metilo, los cuales son responsables de la liberación de gases volátiles ligeros (CO y CO2), durante un tratamiento térmico a temperaturas de 200 a 300 °C. Scheller y Ulvskov (2010) señalan que la proporción de alquitranes y carbón es menor que los obtenidos de la torrefacción de la celulosa.

Celulosa. Es el principal componente de la biomasa celulósica (almidones) y lignocelulósica (bagazo, hojas, frutos, etcétera); constituye entre 40 y 60 % del contenido de la pared celular de la madera de latifoliadas y coníferas (Cuadro 1). Es un polímero de alto peso molecular que forma las fibras de la biomasa; tiene una estructura de 7 000 a 15 000 moléculas de glucosa (Basu et al., 2013). El polímero de D-glucosas está unido por enlaces glucosídicos β- (1 → 4), para formar moléculas de celobiosa (Nhuchhen et al., 2014). Se forma por una estructura de largas cadenas lineales (microfibrillas) unidas por puentes de hidrógeno con el oxígeno y fuerzas de van der Waals intramoleculares, que desarrolla una estructura fibrilar cristalina y una amorfa (Cuervo et al., 2009).

La región cristalina es difícil de penetrar por disolventes y reactivos; además, es más resistente a la despolimerización térmica (Sjöström, 1993). La amorfa contiene agua de hidratación y mantiene agua libre dentro de la planta, es más accesible y susceptible a todas las reacciones; cuando se calienta, rápidamente, esta se convierte en vapor que puede romper la estructura de la celulosa (Shankar-Tumuluru et al., 2011). Por lo tanto, de acuerdo al tipo de biomasa su contenido de celulosa después de la torrefacción variar de 34.00 a 62.33 % (Cuadro 1).

La celulosa es importante porque favorece la rigidez en las células vegetales, debido a la unión de las microfibrillas en una matríz de hidratos de carbono. Los grupos hidroxilos incrementan la capacidad de formar enlaces de hidrógeno y son responsables de su comportamiento higroscópico e influyen en el hinchamiento y contracción de la biomasa al absorber o perder humedad (Nhuchhen et al., 2014); por lo tanto, al someterla a un tratamiento térmico, ocurren fenómenos de contracción que provocan variaciones dimensionales (Nhuchhen et al., 2014). La degradación térmica de la celulosa comienza entre los 240 y 350 °C, lo que hace que se transforme en celulosa anhidro y levoglucosano (Mohan et al., 2006). Lignina. Es un polímero no cristalino, amorfo, tridimensional y ramificado con base estructural de unidades fenil-propano (C10H15O3)n, con un gran número de ciclos aromáticos unidos entre ellos por ciclos de furano o enlaces éter (β-O-4-arilo) (Vanholme et al., 2010). Se forma de la unión de varios ácidos, alcoholes fenilpropílicos y múltiples azúcares; se origina en la pared celular de muchas células vegetales, su contenido oscila entre 18 y 25% en madera de latifoliadas y de 25 a 35% en la de coníferas (Cuadro 1).

La lignina se localiza, principalmente, en la lámina media, donde se deposita durante la lignificación del tejido vegetal; cubre los espacios en la pared celular entre los componentes de celulosa, hemicelulosa y pectina (Brebu y Vasile, 2010). Por su naturaleza es hidrófoba y aromática; permite el transporte de agua, nutrientes y metabolitos; a su vez, proporciona dureza, rigidez y resistencia a la pared celular y actúa como puente de unión entre las células de la madera, y se le considera un pegamento, ya que une por unir células adyacentes (Bergman et al., 2005a).

La estructura de la lignina tiene diversas estabilidades térmicas; por lo tanto, se rompe a diferentes temperaturas (Brebu y Vasile, 2010). Según Yang et al. (2007), se descompone a un intervalo amplio de temperaturas, que varían de 280 a 900 °C, debido a los diferentes grupos funcionales que la componen y la completa desvolatilización de la madera. Shah y Gardner (2012) registran que, a temperaturas de 250 a 500 °C, la lignina es el elemento estructural más difícil de descomponer térmicamente. La producción de fenoles se realiza mediante la división de enlaces éter y enlaces carbono-carbono (Demirbas, 2009; Mohan et al, 2006).

Componentes extraíbles. La desvolatilización depende de la cantidad y ubicación de los extraíbles en la biomasa. Estos compuestos se dividen en componentes orgánicos e inorgánicos (minerales). Los orgánicos son responsables de las características de la biomasa, como el color, olor, gusto, densidad, higroscopicidad e inflamabilidad (Mohan et al., 2006). Son compuestos solubles en diferentes solventes, como el alcohol benceno que solubiliza ceras, grasas y resinas; en agua fría se solubilizan los taninos, gomas, azúcares y materiales colorantes, mientras que en agua caliente los almidones. Se clasifican en ácidos volátiles, aceites esenciales, ácidos resinosos y polifenoles (Lima, 2013).

Los componentes inorgánicos (minerales) presentan algunos iones metálicos, esenciales para el óptimo desarrollo del árbol, su contenido varía de 2.5 a 12.0% del peso de la biomasa. Altos contenidos de minerales se encuentran en las hojas, ramas, corteza, raíces; su cantidad es influenciada por las condiciones del suelo y edad (Mohan et al., 2006). Los componentes más abundantes son el calcio, potasio y magnesio, en menor proporción fósforo, sodio, hierro, silicio, manganeso, cobre y zinc (Kim et al., 2012).

Productos de la torrefacción

En el proceso de torrefacción se obtienen diferentes productos: sólidos uniformes, compuestos orgánicos condensables (líquidos) y gases no condensables (van der Stelt et al., 2011). Bergman et al. (2005b), afirman que la cantidad y tipo de productos generados dependen de las condiciones operativas como la velocidad de calentamiento, la temperatura y el tiempo de residencia, así como de las propiedades físicas, anatómicas y químicas de la biomasa.

Productos sólidos. La producción de sólidos o también conocida como rendimiento másico, se define como la relación del peso seco de la biomasa sin tratar y el peso del producto sólido seco libre de cenizas (Basu et al., 2013). La descomposición térmica de la hemicelulosa, celulosa y lignina influye, ampliamente, en la pérdida de masa de los materiales lignocelulósicos. Chew y Doshi (2011), a partir de un análisis espectrométrico de masas, documentan que la pérdida de peso de la biomasa se debe a la reducción de la hemicelulosa y de lignina (Na et al., 2013).

Wang et al. (2011) observaron que al aumentar la temperatura en la torrefacción de tallos de Gossypium herbaceum L. y Triticum aestivum L. disminuye el rendimiento másico o de sólidos, pero aumentan las fracciones volátiles. En el Cuadro 2 se indica que el rendimiento de sólidos varía por el tipo de biomasa y la temperatura máxima que alcanza el proceso de torrefacción, ya que conforme se incrementa la temperatura disminuye el rendimiento. En general, el rendimiento másico después del proceso presenta un alto contenido de carbono y alta densidad energética. Shankar-Tumuluru et al. (2011) señalan que la fase sólida varía de color marrón a negro y puede utilizarse para bioenergía, ya que está compuesta por una estructura de azúcares, productos originados de la reacción, carbón y cenizas (Bergman et al., 2005b).

Cuadro 2 Rendimiento de los productos obtenidos de la torrefacción en función de la temperatura y biomasa. 

Biomasa Temperatura (%) Rendimiento másico (peso seco %) Rendimiento líquido (peso seco %) Rendimiento gaseoso (peso seco %)
Tallo de Gossypium herbaceum L.1 200 63.89 4.14 31.97
Tallo de Gossypium herbaceum L.1 250 33.80 13.80 52.40
Tallo de Gossypium herbaceum L.1 300 30.04 17.28 52.68
Tallo de Triticum aestivum L.2 200 47.56 3.93 48.51
Tallo de Triticum aestivum L.2 250 42.24 9.69 49.07
Tallo de Triticum aestivum L.2 300 31.61 11.57 56.82
Salix ssp.3 280 87.50 1.40 1.40
Salix babylonica L.4 230 91.00 8.00 1.00
Salix babylonica L.4 250 85.50 13.00 1.50
Salix babylonica L.4 280 79.00 18.00 3.00
Betula pendula Roth4 230 93.20 6.00 0.80
Betula pendula Roth4 250 88.00 10.80 1.20
Betula pendula Roth4 280 79.00 19.00 2.00
Miscanthus ssp.4 230 89.00 10.00 1.00
Miscanthus ssp.4 250 83.00 15.00 3.00
Miscanthus ssp.4 280 69.00 24.00 7.00
Bambusa sinospinosa McClure5 250 74.00 8.00 18.00
Bambusa sinospinosa McClure5 300 46.00 25.00 30.00
Bambusa sinospinosa McClure5 350 36.00 27.00 37.00

Fuente: 1 = Wang et al. (2011); 2 = Wang et al. (2011); 3 = Shankar-Tumuluru et al. (2011); 4 = Zanzi et al. (1989); 5 = Chen et al. (2015).

Li et al. (2012) consignan que en la torrefacción es mayor el rendimiento másico que en la carbonización, al obtener gran parte de biochar (70-85% en peso), el cual es factible usarlo como fertilizante, combustible en las industrias termoeléctrica y metalúrgica, y para la elaboración de productos químicos.

Bergman y Kiel (2005) indican que después de la torrefacción de la madera de Salix spp. a 280 °C, el rendimiento másico es de 87.5 %. Bergman et al. (2005a) lo calcularon en 70 %, mientras que el 30 % restante de la masa se convierte en gases. Almeida et al. (2010) mostraron que dicho producto es posible utilizarlo como un indicador cuantitativo para medir el grado de torrefacción.

Compuestos condensables (líquidos)

Conforme aumenta la temperatura en el proceso de torrefacción, mayor es la liberación de gases condensables (compuestos líquidos) y no condensables (gases), debido a la competencia entre la carbonización y las reacciones de desvolatilización (Cuadro 3). Según van der Stelt et al. (2011), los productos líquidos se dividen en cuatro subgrupos: 1) agua de reacción producida a partir de la descomposición térmica; 2) agua libre que se obtiene de la evaporación; 3) compuestos orgánicos y lípidos producidos durante la desvolatilización y la carbonización; y 4) compuestos como ceras y ácidos grasos. En cambio, Shankar-Tumuluru et al. (2011) citan indican que los productos líquidos comprenden agua, ácido acético, ácido furfural, ácido fórmico, metanol, ácido láctico, fenol, aldehídos y cetonas.

Cuadro 3 Rendimiento del gas obtenido de la torrefacción de los componentes de la biomasa. 

Componente Rendimiento del gas producido (m M g-1 biomasa)
H2 CO CH4 CO2 C2H4 C2H6
Hemicelulosa 8.75 5.37 1.57 9.72 0.05 0.37
Celulosa 5.48 9.91 1.84 6.58 0.08 0.17
Lignina 20.84 8.46 3.98 7.81 0.03 0.42

Fuente: Yang et al. (2007).

El agua es el principal producto condensable de la torrefacción, que se libera durante el secado cuando la humedad se evapora y en las reacciones de deshidratación entre las moléculas orgánicas. El ácido acético se origina, principalmente, a partir de los grupos metoxi presentes como cadenas laterales en unidades de xilosa (parte de la fracción de hemicelulosa) y acetoxi (Shah y Gardner, 2012).

Compuestos no condensables (gases)

El tipo y la cantidad de gas liberado durante la torrefacción dependen del tipo de materia prima, composición anatómica, molecular y química. Yang et al. (2007) registran que los principales gases que se forman durante la torrefacción, son el H2, CO y CO2 (Cuadro 3). La hemicelulosa con más contenido de grupos funcionales carboxilo presentó mayor rendimiento de CO2. La celulosa tiene alto rendimiento de CO, debido a la degradación térmica del carbonilo y carboxilo. La lignina tiene el rendimiento más alto de H2 y CH4, lo cual es atribuible al alto contenido de anillos aromáticos y a los grupos metoxilos (O-CH3), responde al agrietamiento y la deformación del compuesto, lo que origina una gran liberación de H2 y CH4.

La liberación de C2H4 y C2H 6, en general es muy baja, en comparación con otros gases. La deshidroxilación del grupo carboxilo (-COOH) tiene un papel crucial en la producción del gas que contiene oxígeno (Cuadro 3). El H2 proviene, principalmente, del agrietamiento y deformación de los grupos de los alquenos (C=C) y de los enlaces carbono-oxígeno (C-H), mientras el CH4 se debe, fundamentalmente, al agrietamiento del grupo metoxilo (-O-CH3).

Shah y Gardner (2012) citan que la formación de CO se debe a la deshidratación o reacciones de descarboxilación; el aumento de la producción de CO es causado por la reacción del CO2 y vapor de agua. La liberación de CO2 se presenta por la descarboxilación de los grupos de ácidos de la biomasa.

Los gases no condensables formados en la torrefacción de tallos de G. herbaceum y paja de T. aestivum fueron principalmente: CO y CO2. Debido al incremento de la temperatura y a que el contenido de volátiles de G. herbaceum es mayor (76.92%) que en la paja de T. aestivum (71.59%); se observan pequeñas cantidades de CH4 y H2, que se liberan a los 400 °C (Wang et al., 2011). Shah y Gardner (2012), al comparar la composición del gas de madera y de residuos agrícolas observaron que los residuos se caracterizan por una mayor producción de CO2. La relación de CO y CO2 aumenta con la temperatura, debido a que la celulosa y la lignina se descomponen a mayor temperatura.

Rendimiento energético

El rendimiento energético refleja la magnitud de la conversión de energía de la biomasa durante el proceso de torrefacción (Wang et al., 2011). Bergman y Kiel (2005), registran un rendimiento energético de 94.9 % (Cuadro 4), mientras que Bergman et al. (2005a) informan un rendimiento energético de 90 % de energía de la biomasa y 10 % de la energía se transformó en calor. Bates y Ghoniem (2013) señalan que el rendimiento energético (en términos del poder calorífico) del producto sólido obtenido es un importante parámetro de la torrefacción.

Cuadro 4 Rendimiento energético de biomasa torrefacta a diferentes temperaturas de torrefacción. 

Biomasa Temperatura (°C) Rendimiento energético (%)
Salix ssp.1 280 94.90
Leñosas2 240 99.90
Leñosas2 260 91.40
Leñosas2 280 80.40
Leucaena ssp.3 200 94.10
Leucaena ssp.3 250 76.20
Briquetas de madera4 220 95.90
Briquetas de madera4 250 78.40
Astillas de Pinus ssp.5 250 90.00
Astillas de Pinus ssp.5 275 87.00
Astillas de Pinus ssp.5 300 71.00
Residuos forestales5 250 92.00
Residuos forestales5 275 82.00
Residuos forestales5 300 72.00
Liriodendron tulipifera L.5 240 99.90
Liriodendron tulipifera L.5 260 91.40
Liriodendron tulipifera L.5 280 80.40

Fuente: 1 = Bergman y Kiel (2005); 2 = Kim et al. (2012); 3 = Wannapeer et al. (2011); 4 = Chew y Doshi (2011); 5 = Phanphanich y Mani (2011).

Propiedades químicas de los productos sólidos obtenidos en la torrefacción

La torrefacción influye significativamente en las propiedades químicas de la biomasa. La caracterización de la composición proximal y elemental de la biomasa permite determinar, si un producto es aceptable como combustible. Los análisis proximales consisten en determinar el porcentaje de humedad, carbón fijo, material volátil y cenizas (Na et al., 2015). Los análisis elementales son una herramienta para caracterizar las propiedades del producto (Sadaka y Negi, 2009).

Análisis proximales

Cuando la temperatura del proceso de torrefacción es alta, existen cambios significativos en la composición proximal debido a que disminuye el contenido de humedad, el material volátil y las cenizas, pero aumenta el porcentaje de carbón fijo debido a la desvolatización de la biomasa. El carbón fijo es la masa de materia orgánica restante que queda después de que se libera el material volátil y la humedad. Se le considera el componente de mayor importancia energética, que genera una estructura cristalina, en lo cual el enlace químico se rompe en átomos de carbono (Bustamante-García et al., 2015). Está formado por estructuras carbonosas que al finalizar el proceso forman la masa carbonosa sólida de la biomasa tratada hasta la combustión. En diversas investigaciones se documenta que en la torrefacción de diferentes tipos de biomasa se incrementa el contenido de carbón fijo conforme aumenta la temperatura del proceso (Cuadro 5).

Cuadro 5 Resultados de análisis proximales de diversos tipos de biomasa sometidas a diferentes temperaturas de torrefacción (valores en base seca). 

Biomasa Temperatura (°C) Carbón fijo (%) Material volátil (%) Cenizas (%)
Tallo de Gossypium herbaceum L.1 250 44.48 36.13 12.69
Tallo de Gossypium herbaceum L.1 300 48.00 31.16 14.74
Tallo de Triticum aestivum L.1 250 43.66 28.21 23.30
Tallo de Triticum aestivum L.1 300 55.43 14.84 24.95
Madera torrefacta2 250 28.00 55.00 1.50
Madera torrefacta2 300 30.00 65.00 -
Bambusa sinospinosa McClure3 250 19.00 66.00 4.00
Bambusa sinospinosa McClure3 300 30.00 42.00 5.00
Bambusa sinospinosa McClure3 350 53.00 32.00 6.00
Eucalyptus sp.4 250 24.70 75.00 0.30
Eucalyptus sp.4 300 44.10 55.60 0.30
Picea spp.5 200 15.95 83.92 0.12
Picea sp.5 225 25.12 74.40 0.14
Betula pendula Roth5 200 14.76 85.15 0.09
Betula pendula Roth5 225 26.09 73.71 0.13
Eucalyptus grandis W.Hill6 240 20.37 79.56 0.07
Eucalyptus grandis W.Hill6 280 24.13 75.60 0.27
Pinus sp.7 225 22.75 76.37 0.87
Pinus sp.7 250 29.02 70.03 0.94
Pinus sp.7 275 42.49 56.53 0.98

Fuente: 1 = Wang et al. (2011); 2 = Shankar-Tumuluru (2011); 3 = Chen et al. (2015a); 4 = Lu et al. (2012); 5 = Bach et al. (2014); 6 = Rousset et al. (2012); 7 = Lee-Carter (2012).

Los compuestos orgánicos volátiles se remueven de la biomasa; a medida que se incrementa la temperatura, el contenido de volátiles disminuye y se vuelve más hidrofóbico, difícil de encender, además cambia de color marrón a oscuro (Ratte et al., 2011; Kim et al., 2012); en cambio, el alto contenido de volátiles puede ser benéfico en la co-combustión con carbón mineral, debido a que la mezcla permite aumentar la temperatura de ignición y, como consecuencia, el poder calorífico (Demirbas, 2004). Demirbas (2003) indica que el producto con alto porcentaje de material volátil y bajo contenido de carbón fijo reduce la friabilidad y fragilidad; también aumenta su resistencia a la compresión y cohesión.

Las cenizas son residuos sólidos inorgánicos generados en la oxidación completa de la biomasa a altas temperaturas, están compuestas de silicatos, carbonatos, sulfatos y otros minerales (Lee-Carter, 2012). Las cenizas indican la cantidad de minerales que tiene el producto sólido que será sometido a oxidación completa; a medida que su valor disminuye se garantiza que la biomasa será convertida eficientemente en combustible. Thyrel et al. (2013) consignan que las cenizas se consideran un subproducto industrial y contaminante ambiental, debido a que tienen un alto contenido de metales alcalinos; por lo tanto, son altamente reactivas.

Las concentraciones de elementos inorgánicos en la biomasa, como el sílice, azufre y metales alcalinos son una desventaja, porque forman silicatos alcalinos o sulfatos que se funden o ablandan a temperaturas de 700 °C (Shankar-Tumuluru et al., 2012). Ahmaruzzaman (2009) identificó que, durante la combustión del producto sólido, la ceniza puede reaccionar con el azufre y cloro, lo cual provoca la formación de escoria, suciedad y problemas de corrosión.

Los compuestos inorgánicos pueden absorber calor y humedad, lo cual baja la eficiencia del proceso; por lo tanto, es un parámetro que afecta directamente el poder calorífico. En los combustibles de madera, el contenido de corteza influye en el contenido de cenizas; principalmente, porque la corteza tiene niveles más altos de impurezas minerales, como arena y tierra.

Kim et al., (2012) observaron que el contenido de compuestos inorgánicos en la biomasa cruda y torrefacta de Liriodendron tulipifera L., cambia ligeramente, excepto el Fe y Zn que, probablemente, se liberaron en la superficie del acero inoxidable del reactor, donde se realizó la torrefacción (Cuadro 6). Bridgeman et al. (2008) documentan que los compuestos inorgánicos absorben calor de la misma manera que la humedad, con ello disminuye la eficiencia de la torrefacción y estimula la formación de residuos carbonosos (char). Por lo tanto, el contenido de los inorgánicos influye, de manera directa, en el poder calorífico.

Cuadro 6 Compuestos inorgánicos obtenidos de la biomasa de Liriodendron tulipifera L. torrefactada a diferentes condiciones 

Compuesto inorgánico Condiciones de la trorrefacción
Material crudo 240 °C 240 °C 260 °C 260 °C 280 °C 280 °C
(ppm) 3-10 min 10-30 min 3-10 min 10-30 min 3-10 min 10-30 min
Al 54.00 58.00 46.00 48.00 49.00 50.90 61.00
Ca 1600 1310 1330 1360 1320 1300 1600
Cr 3.96 2.26 1.96 2.58 2.1 2.75 1.79
Cu 13.40 8.78 12.60 13.20 6.72 12.10 8.62
Fe 83.4 2690 2130 4170 2140 4750 2320
K 443 403 411 418 419 474 500
Mg 222 196 197 205 203 217 243
Mn 14.50 33 29.8 46.9 31.1 48.8 36.8
Na 40.00 41.50 47.10 43.40 43.40 50.40 47.40
Ni 0.36 0.38 0.40 0.68 0.35 81.00 0.41
P 100.00 70.00 69.00 81.00 73.00 81.00 91.00
Pb 6.69 7.15 7.75 8.90 6.86 18.80 5.54
S 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
Si 175 105 73.30 97.80 70.20 67.00 89.20
Zn 22.70 93.20 86.60 97.70 117 124 87.90

Fuente: Kim et al. (2012).

Análisis elementales

Los análisis elementales detectan características importantes de la biomasa, ya que muestran, exactamente, los elementos atómicos que contiene. La composición puede variar de acuerdo al tipo de biomasa y de la región donde se colecta. Su determinación en la fracción orgánica de la madera torrefacta permite establecer el balance de la masa y energía de la combustión, para aprovechar en forma eficiente el combustible (Bustamante-García et al., 2015). Además, es importante determinar su contenido para equilibrar las ecuaciones químicas que ayudan a predecir los productos que resultan de una reacción química (Friedl et al., 2005; Sheng y Azevedo, 2005). Los análisis elementales se realizan con métodos de oxidación, descomposición y reducción. En el Cuadro 7 se observa que en la composición elemental de diversos tipos de biomasa, el carbono varía de 48.05 a 69.56 %, el hidrógeno 1.58 a 3.63 %, el oxígeno 17.63 a 27.60 %, el nitrógeno hasta un máximo de 0.70 % y el azufre menos de 0.02 %.

Cuadro 7 Resultados de análisis elementales de diferentes tipos de biomasa sometidas a torrefacción (base seca). 

Biomasa Temperatura (°C) C (%) H (%) O (%) N (%) S (%) Cenizas (%)
Eucalyptus spp.1 250 57.80 4.90 37.00 0.00 0.00 0.30
Eucalyptus spp.1 300 68.20 4.20 27.30 0.00 0.00 0.30
Bambusa sinospinosa McClure2 250 55.81 1.50 38.45 0.52 0.00 3.83
Bambusa sinospinosa McClure2 300 69.56 1.58 23.25 0.12 0.00 5.38
Cáscara de Oryza sativa L.3 250 48.05 4.63 33.40 0.70 0.00 13.18
Cáscara de Oryza sativa L.3 300 69.56 4.77 17.63 0.28 0.00 23.11
Madera torrefacta4 250 51.30 5.90 40.90 0.40 - 1.50
Liriodendron tulipifera L.5 260 52.42 5.81 29.22 0.15 - -
Liriodendron tulipifera L.5 280 54.42 5.65 27.21 0.15 - -
Abies alba Mill.6 225 56.92 5.87 37.07 0.07 <0.02 -
Betula pendula Roth6 225 56.92 5.86 37.13 0.09 <0.02 -
Residuos de café7 503K 55.10 6.36 36.29 2.25 Nulo -
Residuos de café7 563K 58.82 6.01 32.53 2.64 Nulo -
Residuos de café7 623K 67.03 4.95 25.28 2.74 Nulo -
Pinus sp.8 225 53.67 5.70 39.02 0.78 - 0.87
Pinus sp.8 250 57.14 5.27 35.83 0.84 - 0.96
Pinus sp.8 275 64.17 4.81 29.27 0.81 - 0.98

Fuente: 1 = Lu et al. (2012); 2 = Chen et al. (2015a), 3 = Chen et al. (2012); 4 = Shankar-Tumuluru (2011); 5 = Kim et al. (2012); 6 = Bach et al. (2014); 7 = Tsai y Liu (2013); 8 = Lee-Carter (2012).

Cuando el proceso se lleva a cabo a altas temperaturas, el contenido de carbono en la masa se incrementa; mientras, el hidrógeno y el oxígeno se reducen; en cambio, a bajas temperaturas y tiempo reducido de residencia, los cambios son limitados. Según Di Blasi (2008), la biomasa tratada a bajas temperaturas retiene altos porcentajes de nitrógeno; y a altas temperaturas se libera en forma de gas con HCN. Algunos autores aseguran que la cantidad de nitrógeno en el producto sólido no produce efectos negativos al ambiente, si se compara con los combustibles fósiles que presentan valores de 1.0 a 1.5 % (Jenkins et al., 1998; Demirbas, 2005).

Si el producto presenta alto contenido de azufre puede tener efectos negativos, ya que reduce la temperatura en el proceso, limita la expulsión de gases y al oxidarse se forma SO3, que provoca problemas en calderas, para finalmente transformase en ácido sulfúrico (H2SO4), que se libera a la atmósfera. Shankar-Tumuluru et al. (2012), cuando la biomasa se torrefacta a 300 °C, el contenido de azufre en la biomasa disminuye aproximadamente 50 %.

Conclusión

El proceso de torrefacción mejora las propiedades químicas de la biomasa vegetal, al aumentar su calidad como combustible. La composición química se modifica al degradarse térmicamente la hemicelulosa, celulosa y lignina, afectando principalmente la hemicelulosa. Los grupos hidroxilos se fragmentan, lo que permite obtener un producto hidrofóbico. En la torrefacción se obtienen productos sólidos, líquidos y gases. La calidad del producto sólido depende de la biomasa y condiciones del proceso, ya que conforme aumenta la temperatura y el tiempo de residencia, el porcentaje de carbón fijo y poder calorífico se incrementan. El rendimiento másico y energético dependen de las condiciones en que se realiza la torrefacción, ya que al aumentar la temperatura el rendimiento másico y energético se reduce; en cambio, aumenta el rendimiento de líquidos y gases. Por lo tanto, el rendimiento másico y energético es un indicador de la eficiencia del proceso de torrefacción.

Agradecimientos

El primer autor desea extender su agradecimiento al Dr. José Rodolfo Goche Telles y asesores por el apoyo que brindado a lo largo de los estudios de doctorado y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) por el financiamiento otorgado para el mismo fin.

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Recibido: 06 de Noviembre de 2016; Aprobado: 23 de Diciembre de 2016

*Autor por correspondencia. Correo-e: acarrilloparra@ujed.mx

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Verónica Bustamante García: revisión de literatura, elaboración de la propuesta inicial, corrección de observaciones y envío del manuscrito; Artemio Carillo Parra: elaboración de la estructura del manuscrito, elaboración de propuesta, revisión de correcciones; José Ángel Prieto Ruíz: revisión de manuscrito inicial y correcciones en la versión final; José Javier Corral-Rivas: revisión del manuscrito inicial y corrección de versión final; José Ciro Hernández Díaz: corrección de versión final.

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