UTILIZACION COMBINADA DE CULTIVOS FORRAJEROS

Seminario Bioenergía, Coyhaique 2012
UTILIZACION COMBINADA DE CULTIVOS FORRAJEROS CON FINES PECUARIOS Y ENERGÉTICOS: UN
MODELO DE ESCALA LOCAL
Christian Hepp, Daniel Cross, Pier Barattini y Noé Carrillo
Instituto de Investigaciones Agropecuarias – INIA – Chile
Centro de Investigación INIA Tamel Aike, Aysén, Patagonia
[email protected]
INTRODUCCIÓN
La generación de biocombustibles en muchos países del mundo es de larga data y su aplicación está
incorporada en sus matrices energéticas. Entre los biocombustibles líquidos de mayor aplicación se cuenta
el bioetanol y el biodiesel, los que pueden ser producidos a partir de diversas materias primas. En el caso del
primero, se diferencia básicamente aquellos que son de “primera generación”, que se producen a partir de
procesos de fermentación de carbohidratos simples, como son los azúcares solubles y el almidón.
El bioetanol generado a partir de estos carbohidratos proviene habitualmente de diferentes plantas de uso
agrícola. Este combustible se considera una fuente de energía “limpia”, sobre todo al favorecer un balance
de carbono al menos neutro. Junto a lo anterior, se reducen emisiones y contaminación del aire, lo que trae
efectos positivos en temas de polución ambiental. Pueden lograrse altos rendimientos de alcohol (bioetanol)
por unidad de superficie, dependiendo del cultivo utilizado y de la zona de producción. Se caracterizan por
generarse en procesos relativamente simples (fermentación y destilación) con subproductos útiles, como es
el caso de coseta, bagazo, vinaza, etc. En general, casi todo el cultivo se utiliza, ya sea con fines de producir el
alcohol. O bien en los usos alternativos y de subproductos.
En torno a los biocombustibles de primera generación hay una discusión extensa en cuanto a diferentes
aspectos. Uno de ellos se refiere a la cantidad de energía que se gasta para generar energía. Ello en realidad
es aplicable a cualquier combustible, incluso al petróleo y sus derivados. Al respecto, hay muchos estudios
que analizan el balance de energía y los resultados son también muy variables. Cada cultivo tiene índices
diferentes, siendo más eficientes los balances de caña de azúcar y remolacha, y menores los de maíz y trigo,
por ejemplo. Ello está relacionado con los rendimientos de alcohol factible de obtener, junto con los sistemas
de cultivos y su intensidad. Obviamente que un cultivo de maíz, con alta tecnología en su cultivo y rendimientos
intermedios de bioetanol de p.ej. 2-3 m3/ha, tendrá un balance más negativo que un cultivo de caña de
azúcar, que puede rendir 8 m3/ha, con menos intensidad de trabajo. También se pone en tela de juicio a los
biocombustibles, ya que usan superficie agrícola y de esta forma sustituyen áreas de producción de alimento
por áreas de generación de energía. Lo anterior también es relativo, ya que dependerá nuevamente de la
localización de las áreas de cultivo. Es así como en países como Brasil, donde hay extensas áreas de cultivo,
puede haber espacios para producir combustibles sin afectar necesariamente la producción de alimentos.
Este país tiene más de 800 millones de hectáreas como superficie total, y de ellas casi 77 millones de ha son
de cultivo. Allí se destina cerca del 5% de la superficie de cultivo a producir energía (bioetanol). En países
como Chile, la situación es diferente y es impensable un uso generalizado de superficie de cultivo para estos
fines, ya que competiría directamente con producción de alimentos, de alto valor exportable (figura 1). La
situación puede ser diferente al considerar suelos de zonas más marginales, como en el norte y extremo sur
del país.
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Brasil:
Chile:
Figura 1. Comparación de superficie total y superficie de cultivo (Mha) de Brasil y Chile.
El potencial de producción de alcohol de diferentes cultivos está relacionado a la concentración de azúcares y
otros carbohidratos de relativa fácil disponibilidad que contengan. Junto a ello está el potencial de rendimiento
del cultivo, que depende de diversos factores, como la localización y el manejo. De esta forma, hay una
variación importante de producción de bioetanol a partir de diferentes plantas, la que se grafica en la figura 2.
Fuente: GPC, 2008
Figura 2. Rendimiento de bioetanol para diferentes cultivos.
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EL CONCEPTO LOCAL
En la producción de biocombustibles es posible separar dos enfoques diferentes, dependiendo de la escala
en la cual se plantea el trabajo. En países como Brasil y Estados Unidos, existen grandes instalaciones que
procesan millones de hectáreas de materias primas para generar altos volúmenes de combustibles, los que se
incorporan a la matriz energética a nivel nacional. Otro concepto, totalmente diferente, está orientado a ver
los problemas de energía a nivel de localidad y tratar de solucionar dichos problemas a una escala local. Este
es el enfoque que se plantea en el presente trabajo.
En la Región de Aysén, se desarrolló entre 2008 y 2012 un proyecto financiado por Innova Chile (Corfo), en
el cual el Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA), a través de su Centro de Investigación Tamel
Aike, evaluó un modelo agroenergético basado en bioetanol a partir de varios cultivos forrajeros. A través de
esta iniciativa se validaron diferentes cultivos en un uso combinado con fines de producción agropecuaria y
también cogeneración de etanol. La información entregada en este artículo se basa en los resultados de este
proyecto.
El extremo sur de Chile (Patagonia), si bien está dominado por extensas zonas de bosques, grandes
estepas y praderas, también tiene suelos de mayor productividad y que presentan claras posibilidades de
intensificación productiva. Ello es el caso de ciertas áreas de la región de Aysén. En esta región, existe una
escasa diversificación productiva en el ambiente agropecuario y domina la producción de carne bovina y
ovina y lana. La rentabilidad de los rubros es habitualmente limitada y es necesario elevar los niveles de vida
de las zonas rurales, de modo de evitar, entre otros, la migración de zonas rurales a las urbanas. Es una región
de muy baja densidad poblacional, con cerca de 110.000 habitantes, lo que hace de ella un tamaño abordable
para modelos de este tipo.
Estos suelos marginales, pero que sin embrago poseen buen potencial agrícola, permiten sustentar sistemas
más intensivos, lo que elevaría sustancialmente su capacidad de rendimiento vegetal y con ello de producción
animal. La región de Aysén tiene una ganadería basada en praderas, en su mayoría con manejos relativamente
extensivos, pero donde hay mucho espacio de mejoramiento, con aumento de la producción primaria vía
fertilización e incorporación de nuevas especies forrajeras. Entre éstas, en ciertas situaciones de suelos
arables, es posible la incorporación de cultivos forrajeros intensivos, los que según antecedentes y pruebas
realizadas por el INIA en la zona, pueden aumentar entre tres a seis veces la capacidad productiva. Existe un
universo de alrededor de 90-100.000 ha arables en Aysén, las que pueden ser intensificadas y así dar espacios
para aumentos sustanciales de producción animal y, eventualmente, la incorporación de cultivos energéticos
en las rotaciones de cultivos. De esta forma, en la misma superficie se estaría aumentando la producción de
alimentos (producto animal), junto con la co-generación de biocombustible. Lo anterior no es el caso de otras
zonas de Chile, donde la existencia de muchas alternativas productivas de alta rentabilidad atenta contra la
idea de producir biocombustibles sobre suelos agrícolas.
Junto a la baja población de la región, su aislamiento y conectividad difícil, hacen de esta región una zona
donde soluciones de tipo local pueden tener mayor espacio de desarrollo, y donde los impactos de un enfoque
basado en energías no convencionales pueden ser de magnitud. Los mayores costos de los combustibles
fósiles y los problemas de contaminación del aire en centros poblados de la región son también factores que
aportan a la búsqueda de soluciones basadas en energías alternativas.
La generación de bioetanol a partir de sistemas combinados de producción agroenergética es una alternativa
que debería formar parte de un plan regional que incluya otras fuentes energéticas alternativas, de modo de
componer una matriz energética nueva para la localidad.
La forma de enfrentar los problemas energéticos de una zona y las alternativas que se puedan elegir no
responden a una receta universal, sino que van a depender de cada territorio, su realidad y los recursos
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disponibles.
Las posibles consecuencias de la adopción de un modelo de producción combinada agroenergética, basado
en una localidad, serían:
• Aumento de la producción primaria de forrajes (3-6 veces)
• Disponibilidad de subproductos - uso animal (hojas – pulpa)
• Aumento de producción animal : ovinos – bovinos
• Co-generación de biocombustible líquido : bioetanol
• Diversificación productiva (se incorpora nuevo producto)
• Incorporación de tecnología en los sistemas productivos
• Disponibilidad de un nuevo combustible local
• Reemplazo parcial de otras fuentes más contaminantes y C-negativas
NUEVOS CULTIVOS – NUEVOS POTENCIALES
La introducción de cultivos forrajeros como las brassicas y otros, han significado un aumento sustancial en los
potenciales productivos que pueden esperarse en la zona. La figura 3 resume la secuencia de mejoramiento e
intervención en los sistemas pastoriles de la Región de Aysén. Estudios realizados por el INIA, indican que las
praderas naturalizadas de la zona tiene un período limitado de crecimiento, entre noviembre y marzo de cada
año. Estas praderas tienen además un bajo rendimiento, pero su rendimiento puede ser elevado notoriamente
con la corrección de deficiencias nutritivas del suelo. Nuevas especies, como la alfalfa, permiten aumentar
los techos productivos sobre los 10.000 kg de materia seca/ha. Las brassicas forrajeras logran aumentar aún
más los rendimientos, hasta 15.000 kg de materia seca/ha o más, con una oferta de forraje en períodos
donde las praderas no aportan, como es el caso de otoño e invierno. Estos cultivos forrajeros son por lo
tanto estratégicos para los sistemas de producción ganadera en Aysén, ya que entregan forraje utilizable en
sistemas de pastoreo y con un alto valor nutritivo.
El alto valor nutritivo de algunos de estos cultivos, específicamente la concentración de azúcares en las raíces
de nabos, rutabagas y remolacha, fueron la base para plantear el estudio de ellas como fuente alternativa de
energía o biocombustible.
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OBJETIVOS DEL PROYECTO
El proyecto que se desarrolló en Aysén tuvo varios objetivos, los que se resumen en:
•
•
•
•
•
•
Potenciar la fase agronómica de los cultivos.
Explotar el potencial bioenergético de primera generación.
Combinar el uso ganadero y bioenergético de cultivos
Establecer una planta piloto (bioetanol)
Probar/evaluar el bioetanol producido
Elaborar un modelo de desarrollo local
Fuente: Hepp, 2012
Figura 3. Secuencia de mejoramiento e intervención sistemas pastoriles – Región de Aysén.
ESPECIES UTILIZADAS
En este proyecto se utilizaron tres especies diferentes para la producción de biocombustible. El nabo forrajero
(Brassica rapa) y la rutabaga (Brassica napus var napobrassica), ambas pertenecientes al género Brassica.
Ellas tienen una selección de diferentes variedades, las que difieren en cuanto a su precocidad y adaptación,
lo que hace que se pueda acomodar un período de cosecha relativamente prolongado entre marzo y hasta
octubre. El otro cultivo que se probó, pero del cual aún falta mucha información, aunque se ha visto un
potencial muy alto en producción de bioetanol, es la remolacha (Beta vulgaris var saccharifera). Esta planta
también ha tenido buena adaptación a las condiciones locales, con buenos rendimientos en las pruebas
preliminares.
La mayor parte de la información siguiente se basa en los cultivos de nabo forrajero y de rutabaga, salvo que
se indique específicamente.
Las raíces de los cultivos de brassicas, como nabo y rutabaga, se caracterizan por tener contenidos elevados
de agua, con sólo 9-11% de materia seca. Tienen también una muy elevada digestibilidad (>90-95%) y niveles
de proteína de 14-20%. Su elevado contenido de energía (> 3 Mcal/kg energía metabolizable) se debe en
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parte a la concentración de azúcares solubles, de 35 a 55%, entre glucosa, fructosa y sacarosa.
Figura 4. Especies utilizadas para la generación de biocombustible en el proyecto: nabo forrajero (izquierda) y remolacha (derecha).
Los niveles de producción de raíces fluctúan habitualmente entre 6 - >9 t MS/ha, o bien de 60- >90 t raíces
frescas/ha. La planta completa alcanza un rendimiento de 12 a más de 16 t MS/ha. Las hojas son una fuente
forrajera de alto valor nutritivo (alta proteína), mientras que la pulpa residual ( = coseta), que se produce como
subproducto del proceso de molienda y filtrado en la generación de etanol, es un alimento suplementario.
FASE AGRONÓMICA
La fase agronómica incluye desde la selección de los terrenos de cultivo, su preparación de suelo, la siembra,
el manejo del cultivo propiamente tal, hasta la cosecha. También está la fase de utilización animal, que puede
contemplar parte del uso del cultivo durante o con posterioridad a la cosecha.
Siembra
La siembra se puede realizar sobre terreno preparado en forma convencional, o bien en sistemas de cero
o mínima labranza. En la Zona Austral, la siembra de estas brassicas se realizará preferentemente entre
mediados del mes de octubre hasta fines de noviembre. Zonas con clima más benigno podrán adelantar algo
la siembra, mientras que en zonas altas o más frías, se preferirán las siembras más tardías. Se requiere una
acabada preparación de suelo, con una cama de semillas firme, ya que las semillas son pequeñas y no deben
quedar en profundidad. Se utilizan dosis bajas, que dependiendo de la especie varían entre 3 y 5 kg/ha.
Estos cultivos normalmente se incluirán en un sistema de rotación con otras especies, de modo de evitar la
repetición del mismo cultivo en dos años seguidos. En la zona, se combinará el uso de brassicas forrajeras
con cereales (avena, cebada, etc.) y praderas de rotación corta, como es el caso de trébol rosado y algunas
ballicas anuales o bianuales. La selección de sectores de cultivo debe considerar aspectos de pendiente
(suelos arables) y de menor susceptibilidad a la erosión, especialmente eólica. La fecha de siembra coincide
con la época de fuertes vientos en la Patagonia.
Habitualmente se usan terrenos de praderas cuyo rendimiento ha decaído con el tiempo. Estos cultivos
requerirán entonces de una adecuada fertilización, de modo de poder sustentar los altos rendimientos que
logran en la temporada. Las deficiencias más comunes en la Zona Intermedia de Aysén son el nitrógeno y
el azufre, además de fósforo y en menor importancia el potasio. Es conveniente chequear los niveles de
nutrientes del suelo para ajustar la fertilización en cada caso particular. En zonas de suelos más ácidos (bajo 5,5)
no ha sido en general muy significativo la respuesta al encalado, transformándose en cultivos relativamente
tolerantes a la acidez. Con niveles excesivos de acidez, inferiores a pH 5,5, será conveniente el uso de encalado
de corrección. En ciertos sectores de Aysén se ha detectado niveles críticos de boro, un micronutriente que
causa algunos trastornos metabólicos en las brassicas, y cuyo efecto se observa habitualmente en el interior
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de las raíces, con cavidades y tejidos necróticos de color oscuro. En estos casos se corrige fácilmente con
aplicaciones de boro al cultivo.
Elección de especie y cultivar
Existen varias especies de brassicas forrajeras, pero las que se estudian para fines de producción de etanol
son el nabo forrajero y la rutabaga. Ambas especies han tenido excelente adaptación a las condiciones de
clima y suelo de la Región de Aysén y demuestran una gran resistencia al clima frío. Dentro de cada especie
hay diferentes cultivares o variedades, las que se distinguen especialmente en términos de precocidad. Por
ejemplo, hay nabos forrajeros precoces, que pueden estar listos para su consumo o cosecha en 90 días y otros
que son más tardíos, con sobre 120 días de siembra a cosecha. Las rutabagas tienen un período vegetativo
más prolongado, que puede superar los 180 días en algunos casos. Esta característica es muy relevante a
la hora de planificar la temporada de cosecha y por ende, el período en que pudiera haber abastecimiento
para una eventual planta de procesamiento. Diferentes especies y variedades permiten entonces combinar
para lograr un período de producción que pudiera iniciarse en el mes de marzo y finalizar tan tarde como
septiembre u octubre. Experiencias en la región de Aysén, han demostrado que las raíces de nabos tardíos y
rutabagas pueden pasar el invierno sin sufrir muchas pérdidas, ayudado por las bajas temperaturas reinantes.
Ello permite mantener las raíces en terreno y realizar cosechas graduales según requerimiento.
Rendimientos
Las brassicas forrajeras son plantas que permiten obtener muy altos rendimientos por unidad de superficie.
Los nabos forrajeros y rutabagas se siembran tradicionalmente para contar con recursos alimenticios para el
ganado en los períodos de otoño e invierno. Para fines bioenergéticos, la fecha de utilización será similar y se
combinará el uso animal con la generación de bioetanol.
Los rendimientos de las brassicas de raíz pueden variar ampliamente de acuerdo a múltiples factores, pero
generalmente fluctuará entre los 12.000 y 16.000 kg de materia seca por hectárea, como producción total.
Con un contenido promedio de 10% de materia seca, esto puede significar entre 120 a 160 toneladas de
forraje fresco por hectárea. Dependiendo de la condición del cultivo, la época del año, etc., la proporción
de raíces puede fluctuar entre 40-60% del rendimiento total, es decir entre 4,8 a casi 10 t MS/ha. El resto
corresponderá a hojas, las que son consumidas íntegramente por el ganado.
Figura 5. Proceso de siembra de brassicas (izquierda), cultivo en desarrollo (centro) y raíces en la nieve en invierno (derecha).
Cosecha
La cosecha para consumo animal se realiza en forma de pastoreo directo, habitualmente utilizando franjas
delimitadas con cerco eléctrico, de modo de ir consumiendo gradualmente el cultivo y provocando el menor
daño posible a éste y asegurando un buen porcentaje de utilización.
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Si el destino del cultivo es para ser llevado a una planta de procesamiento, es necesario cosechar las raíces.
Para ello hay diferentes alternativas, que van desde el arranque manual, hasta el uso de maquinaria. En
algunas variedades de nabos forrajeros, el arranque manual es bastante simple, ya que una proporción alta
de la raíz se encuentra sobre la superficie del suelo (Figura 6). No obstante, es un trabajo laborioso y de bajo
rendimiento, ya que además implica ir cortando las hojas y apilando las raíces para su posterior carguío.
Figura 6. Planta de nabo forrajero con la raíz expuesta.
Existen en el mercado diferentes modelos de máquinas cosechadoras para este tipo de plantas, que realizan
la labor con alta velocidad y eficiencia, separando las raíces de las hojas y descargándolas hacia tolvas de
camiones o carros de arrastre que las llevan a lugares de acopio (Figura 7). Las hojas quedan en el terreno y
pueden ser consumidas por el ganado, incorporadas al suelo como abono verde u otro uso.
Figura 7. Cosecha mecanizada de nabo forrajero.
(Farm Bureau Photo, Oklahoma)
Una vez cosechadas, las raíces de nabos y rutabagas deben ser transportadas hacia el lugar de proceso. Debe
considerarse que este es un material voluminoso y donde cerca del 90% del peso transportado corresponderá
a agua.
FASE INDUSTRIAL
Una vez recibidas las raíces de nabo y/o rutabaga (materia prima) en el patio de acopio de la planta de
procesamiento, éstas deben pasar por diferentes etapas o fases, las que se grafican en la figura 8.
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Para el desarrollo del proyecto que se describe, fue necesario construir una planta piloto (figura 9), que
permite realizar las diferentes etapas que se describen en la figura 8, hasta obtenerse el producto final, que
es el bioetanol.
Figura 9. Planta piloto para la generación de bioetanol.
Centro de Investigación INIA Tamel Aike, Chile
Figura 8. Esquema del modelo de producción combinada de biocombustible (bioetanol) y productos animales (con residuos de
cultivo y subproductos de proceso industrial.
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En la planta piloto se realizan una serie de procesos, los que se pueden dividir en:
Molienda, prensado y filtrado
Éste incluye en primer término la recepción de la materia prima en la planta, donde ésta es descargada y
posteriormente lavada con agua para eliminar el exceso de suelo adherido que puedan traer las raíces. Éstas
luego son copiadas en bins y luego pesadas e ingresadas en un registro. Desde los bins se procede a cargar una
cinta transportadora que eleva las raíces hasta un punto, donde se alimenta el molino de martillo, que procede
a picar y moler el material vegetal hasta la formación de una pulpa de consistencia pastosa (Figura 10).
Figura 10. Acopio y carguío de raíces de nabo forrajero en correa transportadora.
La pulpa producida es luego bombeada hacia el punto de alimentación del filtro-prensa, el que somete a
ésta a una presión de hasta 12 bar y que permite extraer la fracción líquida de la pulpa (figura 11). Este
jugo o filtrado contiene gran parte de los azúcares solubles de la planta y será la materia prima para el
proceso siguiente. Es transferida desde el filtro hacia estanques o reactores, donde se acopia en espera de
la fermentación. En el filtro-prensa se obtiene además el primer subproducto del proceso, el prensado o
“coseta” (Figura 11). Este material queda en las placas de la máquina, desde donde es retirado y su contenido
nutritivo lo hace útil para el consumo animal.
Figura 11. Proceso de molienda, prensado y filtrado. Molino de martillo y filtro de prensa (izquierda). Placa con coseta adherida
(centro) y obtención de coseta luego del proceso de filtrado y prensado (derecha).
Fermentación
En los estanques o reactores de 3000 litros, donde está acopiado el filtrado, se procede a agregar levaduras
(Saccharomyces cerevisiae), las que empiezan el proceso de fermentación, donde los azúcares son
transformados a etanol (Figura 12). Este proceso demora habitualmente entre 72 a 96 horas. También se
usan con frecuencia agentes que favorecen la fermentación de levaduras, como el benzoato de sodio y sulfito
de sodio.
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Figura 12. Reactores de fermentación en planta piloto (izquierda). Jugo o filtrado en reactor en
proceso de fermentación (derecha).
El proceso es monitoreado frecuentemente, incluso con toma de muestras para análisis con cromatografía
líquida (Figura 13). Los azúcares solubles que estaban presentes en el jugo filtrado han sido consumidos
durante el proceso de fermentación. El producto final de este proceso es una “cerveza” con un contenido de
etanol que fluctúa habitualmente entre 2 y 3%.
Figura 13. Determinación de azúcares solubles y etanol por cromatografía líquida. INIA Tamel Aike.
Destilación
La “cerveza” así obtenida está en condiciones de entrar a la fase de destilación. Este procedimiento se lleva a
cabo a través de una columna de destilación (Figura 14), la que en una altura total de nueve metros, cuenta
con 21 cuerpos (unidad básica modular) y 40 platos, además de un cuerpo para el condensador y otro para
el intercambiador de calor.
La unidad básica modular de la columna se denomina “cuerpo”, el cual está construido en acero inoxidable.
Cada cuerpo contiene dos platos y un punto de alimentación. Los cuerpo se unen o acoplan entre sí por
medio de pernos. Las figuras siguientes muestran los detalles de construcción y acoplamiento de los cuerpos.
La cerveza, inyectada en la columna, circula en contracorriente por esta unidad tomando el calor necesario
para producir el vapor que aporta la energía para que el proceso de destilación se lleve a cabo en cada plato.
Otro elemento esencial de la columna es el “condensador”, donde los vapores de etanol se recogen en forma
líquida, es decir son condensados.
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Figura 14. Columna de destilación diseñada para planta piloto (izquierda). Conjunto de intercambiador de calor en la base de la
columna (centro). Control rutinario de niveles de alcohol mediante refractometría (derecha).
La columna descrita se opera con dos secciones. En primer lugar existe un segmento “destrozador”, que
se ubica entre los platos 20 a 40 (numerados de arriba hacia abajo). La segunda sección es el segmento
“rectificador”, que se encuentra entre los platos 19 a 1. La gradiente de temperatura que se genera fluctúa
entre 95 a 74 ºC. El caudal de alimentación de cerveza hacia la columna experimental es de 0,5 - 1,2 litros/
min, generándose una producción de bioetanol de 2 litros/h (etanol 70%). En una cerveza diluida, como la
que se procesa en este caso, el caudal de líquido descendente es mayoritario respecto al flujo ascendente de
vapor, rico en etanol.
El etanol al 70%, que aún contiene demasiada agua, debe ser concentrado, lo que se logra a través de una
segunda destilación o rectificación. Similar a lo que ocurre en el caso de la primera destilación (cerveza a
aguardiente 70°), para la rectificación se opera la columna con dos secciones. La primera es el segmento
destrozador, que comprende los platos 36 a 40 y luego está el segmento rectificador (más largo en este caso),
que involucra los platos 35 a 1. La gradiente de temperatura es de 72-73 °C, el caudal de alimentación de
0,05 - 0,1 litro/minuto, mientras que la producción de bioetanol es de 1 a 2 litros/h.
En cada plato, la fracción de vapor se enriquece en vapor de etanol hasta llegar al límite físico puesto por el
diseño de la columna y las característica fisicoquímicas de la mezcla etanol:agua, ya que forma un azeotropo.
Esto significa que a cierta estequiometria, ambos compuestos (agua y etanol) destilan por partes iguales a
una temperatura dada (se comportan como un líquido puro).
En el proceso de destilación y rectificación se genera un remanente líquido, libre de etanol, que se denomina
vinaza. Ésta se acumula en un estanque o laguna exterior. Si bien está constituida principalmente por agua,
tiene componentes nutritivos, que la hacen potencialmente interesante de ser aplicada sobre cultivos o
praderas, como aporte de fertirriego.
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MODELO DE PRODUCCIÓN
A través de diferentes experiencias realizadas, se obtuvo información de las diferentes fases que involucra la
producción de materia prima y el posterior procesamiento para la generación de biocombustible.
La figura 15 resume la partición de los diferentes componentes del cultivo, en base a la experiencia obtenida
en terreno. Fuera del material vegetal descartado en la cosecha (hojas), que va a pastoreo, se obtienen 2,5-5
t de pulpa o coseta, que también se utiliza como suplemento en raciones de rumiantes. Los resultados de
diferentes ciclos de procesamiento dieron como promedio un rendimiento que puede extrapolarse a valores
de 0,65-1,3 m3 de bioetanol por hectárea de cultivo. El principal determinante de este rango es el rendimiento
de raíces obtenido a nivel de campo.
Figura 15. Partición de la producción de una planta de brassica forrajera para uso mixto
en producción de bioetanol y consumo animal.
Considerando diferentes escenarios de rendimiento de los cultivos, se puede estimar la producción de cada
componente, como se ejemplifica en el cuadro 1. En este cuadro se consideran las diferentes fases y los
productos intermedios que se pueden lograr en cada escenario.
Recientemente se han realizado algunas pruebas con remolacha azucarera como materia prima, con
rendimientos de bioetanol muy superiores a los reportados para nabo o rutabaga. Es posible obtener
rendimientos entre 1-1,5 veces más altos al utilizar este cultivo, el que aún se encuentra en fases preliminares
de prueba.
En cuanto a la producción animal factible de obtener en un sistema mixto de manejo, uno de los componentes
que debía ser probado era el uso de pulpa o coseta en las raciones. La coseta tiene un contenido de energía
metabolizable en promedio de 2,99 Mcal/kg), proteína cruda de 12,2%, fibra detergente neutro de 33,9% y
9,4% de cenizas.
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Producción cultivo
bajo
normal
alto
Raíces
kg MS/ha
4.800
7.000
9.600
Hojas
kg MS/ha
7.200
7.000
6.400
Pulpa
kg MS/ha
2.522
3.678
5.045
Filtrado
litros/ha
29.298
42.726
58.596
Fermentado (2,7+%)
litros/ha
27.107
39.532
54.215
Bioetanol 70%
litros/ha
908
1.325
1.817
Bioetanol 96%
litros/ha
650
948
1.300
Cuadro 1. Producción de diferentes componentes y productos intermedios en el modelo de producción mixta de biocombustible en
base a brassicas forrajeras.
Figura 16. Uso de pulpa húmeda o coseta en raciones de rumiantes.
El contenido de materia seca de la pulpa húmeda es de alrededor de 12% (tal cual se agregó en las dietas).
Los animales fueron alimentados en base a forrajes como heno y ensilaje, con adiciones de entre 25-50%
de la dieta diaria. En base a los antecedentes experimentales, es posible realizar algunas estimaciones de
producción animal, las que se indican en el cuadro 2. Ellas se basan en un supuesto de la alimentación de
novillos de 350 kg de peso vivo, por 180 días en el año y con un 50% de la dieta obtenido a partir de hojas/
coseta de brassica.
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Rendimiento cultivo
Bajo
Normal
alto
Forra je (hojas + pulpa)
kg MS/ha
9.722
10.678
11.445
Consumo para 0,8 kg/d ganancia
de peso
kg MS/d
5,25
5,25
5,25
Días alimentación
D
1.852
2.034
2.180
N° animales
n/180 d
10,3
11,3
12,1
kg peso vivo ganado
kg /180 d
1.481
1.627
1.744
Cuadro 2. Producción animal a partir de residuos y subproductos de brassicas forrajeras en un sistema mixto para la generación de
bioetanol y producción de carne, con tres escenarios de rendimiento del cultivo.
De acuerdo a este ejemplo, en 1 hectárea de brassicas forrajeras (nabo o rutabaga), sería posible generar
entre 1.480 a 1.740 kg de peso vivo, lo que es adicional a los 650-1.300 litros de bioetanol señalados en el
cuadro 1.
Otro componente del modelo es la producción de vinaza, un elemento líquido que es el subproducto del
proceso de destilación. Es fundamentalmente agua, pero con un contenido de diferentes nutrientes, que tiene
un potencial uso como fertirrigación. Análisis realizados a la vinaza producida en la planta piloto arrojó valores
de concentración de nitrógeno, fósforo, azufre y potasio de 0,37; 0,19; 0,61; y 1,45 g/litro, respectivamente.
De acuerdo a lo anterior, al aplicar 100 m3 de vinaza, por ejemplo sobre una pradera, se estarían aportando
cerca de 36 kg de N/ha, 19 kg de P/ha, 61 kg de S/ha y 144 kg de K/ha. Todos los valores anteriores son de
significancia para la producción agrícola y pudiera llegar a remplazar parcial o totalmente la aplicación de
fertilizantes comerciales. Se están realizando experiencias de efectos de uso de vinazas a nivel de laboratorio,
que arrojarán antecedentes más concretos a futuro.
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APLICACIONES
Finalmente, a través de este proyecto se ha validado el uso del biocombustible en su uso final, es decir en la
aplicación práctica. Para ello se contó con un vehículo equipado con un motor tipo flex-fuel, el que puede ser
alimentado con alcohol o con gasolina indistintamente. Se están realizando pruebas y demostraciones con este
vehículo en la ciudad de Coyhaique. También se realizó una prueba de instalación de un kit de adaptación en
un vehículo usado con motor bencinero, que le permite ser fácilmente transformado en etanolero (figura 17).
Figura 17. Aplicaciones de bioetanol como combustible para vehículos. Camioneta flex-fuel (izquierda) y kit de transformación de
motores bencineros convencionales a etanol (derecha).
Otro uso alternativo del etanol es para calefacción. Para ello existen en el mercado diferentes modelos de
estufas, muchas de ellas de diseños avanzados y modernos. En el caso de este proyecto se está probando la
adaptación de quemadores de bioetanol en estufas convencionales tipo combustión de doble cámara, como
alternativa de transformación de combustible. Es un área que debe ser explorada e investigada a futuro
(figura 18).
Figura 18. Uso de bioetanol como combustible para calefacción.
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Seminario Bioenergía, Coyhaique 2012
IMPACTOS POSIBLES
En base a la información recopilada en el proyecto, es posible realizar estimaciones del impacto que pudiera
tener la aplicación de un modelo como el descrito, a una escala local en una región. Los escenarios posibles
de analizar son múltiples, pero en el cuadro 3 se resume uno de ellos, que implica el destino de una superficie
de sólo 5.000 ha de nabos/rutabagas, o bien de 2.000 ha de remolacha.
Considerando rendimientos esperables y con ello la partición observada de la producción primaria y su
transformación ulterior, se llega a más de 5 millones de litros de etanol con la primera alternativa y de sobre
8 millones de litros en el caso de la remolacha (cuadro 3).
Brassica
Remolacha
5.000
2.000
75
90
total t fresco raíces
375.000
180.000
total t coseta producida (12%)
22.585
15.188
bioetanol por t materia fresca
(l/t)
13,54
46
volumen bioetanol producido
(96%) (l)
5.077.500
8.226.000
Bioetanol por hectárea (l/ha)
96%
1.016
4.113
Superficie cultivada (ha)
raíces (t/ha)
Cuadro 3. Dos escenarios de producción de bioetanol a partir de brassicas forrajeras o remolacha.
Con las producciones señaladas, se puede abastecer entre 2.250 - 3.650 vehículos que se abastezcan en un
100% de etanol (E100), o 10 veces más si se considera como un aditivo a razón de 10%, es decir E10. En una
ciudad como Coyhaique, donde el parque automotriz total puede acercarse a unos 15-18-000 vehículos, estas
cifras son altamente significativas, sobre todo si se considera que sólo una fracción de ellos son bencineros
(factibles de usar etanol). En términos del uso como combustible, el impacto es aún mayor, ya que se podría
abastecer entre 8.000 a más de 13.000 hogares, es decir casi la totalidad de la población de una ciudad como
Coyhaique (cuadro 4). Adicionalmente no hay que olvidar el producto animal co-generado, que equivale a un
rango de 27.000 a 40.000 unidades animales que se pueden alimentar.
Brassica
Remolacha
Combustible E100 para vehículos (Considera
18.000 km/año). N° de vehículos abastecidos.
2.257
3.656
o bien: Combustible para calefacción (considera
210 días de uso; 3 l/d; 5-6 horas calefacción). N° de
hogares con bioetanol.
8.060
13.057
N° personas (4/hogar)
32.238
52.229
Suplemento animal (coseta; 25% de la dieta diaria,
por 180 días). N° de UA que se alimentan
40.152
27.000
Bioetanol permitiría:
Cuadro 4. Impactos del uso de biocombustible (bioetanol) en el modelo sugerido.
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COMENTARIOS FINALES
Según los resultados obtenidos en el proyecto y las estimaciones y proyecciones realizadas, es posible concluir
lo siguiente:
•
•
•
•
•
•
•
Los cultivos forrajeros pueden producir biocombustible líquido a niveles interesantes de explorar
económicamente.
Los rendimientos explorados varían entre 650-1.300 l/ha con brassicas y pudieran superar 4.000 l/
ha con remolacha.
La remolacha debe ser evaluada como alternativa productiva y hay aun que dilucidar factores de
manejo en la zona. Otras opciones pueden agregarse.
72-76% de la materia seca producida va a consumo animal (subproductos)
La viabilidad económica está íntimamente ligada a uso de subproductos (pueden ser más significativos
que el etanol en si): considerar el modelo como un todo (ganadería).
El uso de vinazas debe ser profundizado. Es una fuente fertilizante de interés.
Se ha demostrado el uso local de bioetanol con aplicaciones en motores de combustión y en
calefacción, junto con el uso de subproductos con sistemas prácticos.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el apoyo financiero recibido de Innova Chile (Corfo) a través del proyecto “Diversificación de la matriz energética con un
modelo local de desarrollo agroenergético basado en bioetanol a partir de nabo forrajero”, y al Ministerio de Agricultura, a través
del financiamiento de parte de la infraestructura y equipamiento. Se reconoce también en forma especial el apoyo recibido por el
senador Sr. Antonio Horvath durante todo el desarrollo del programa.
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