Desechos de cosecha y desperdicios energèticos aprovechables en

AGOROINDUSTRIA
DESHECHOS DE
COSECHA Y
DESPERDICIOS
ENERGÉTICOS
APROVECHABLES EN EL
AGRO
José Mauricio Zavala Pope 1
Febrero del 2011
1
Este trabajo ha sido elaborado por el Ing. M. Sc. José Mauricio Zavala Pope, especialista en agroindustria de la Dirección General de
Competitividad Agraria, del Ministerio de Agricultura del Perú; para poner a disposición de la Agroindustria, información sobre los parámetros
termodinámicos disponibles para racionalizar el empleo de los recursos energéticos locales. Se agradece el apoyo de todos los profesionales que
han contribuido en su elaboración con sus conocimientos, información y consejos; toda comunicación con el autor dirigirla a las direcciones
electrónicas [email protected] y [email protected]. Los puntos de vista que aparecen en el presente estudio son de exclusiva
responsabilidad de su autor y no constituye necesariamente la expresión de ningún tipo de opinión de parte del Ministerio de Agricultura. Otros
trabajos de autor pueden ser encontrados en el sitio: http://www.minag.gob.pe/direccion-de-promocion-de-lacompetitividad/direccion-de-promocion-de-la-competitividad.html
“La energía ni se crea ni se destruye” La Ley de la Conservación de la energía, o
Primera Ley de la Termodinámica, que es la más importante ley de la física, se haya
presente en cada faceta de nuestra vida cotidiana: el calor para preparar nuestro
desayuno, la luz del sol necesaria para que las plantas crezcan, los alimentos que
requerimos para que siga palpitando nuestro corazón… No podemos vivir sin comer
diariamente y nuestros carros no arrancan en la mañana sin gasolina. ¿Qué sucede,
cuando de pronto nos suben los precios de los combustibles? Este documento muestra
las grandes oportunidades que los recursos energéticos del agro ofrecen a los
tecnólogos.
COMBUSTIBLES DE ORIGEN AGRÍCOLA
Los combustibles son sustancias que al quemarse liberan energía. Esta energía
proviene de la unión química entre los átomos y moléculas de la materia orgánica
producto de la actividad fotosintética pasada acumulada en las plantas (combustibles
fósiles), como de la actual actividad de las plantas. Los animales herbívoros consumen
materia orgánica producida por los vegetales, los carnívoros a su vez se nutren de los
herbívoros. Los animales y el hombre, empleamos esta energía, presente en los
alimentos para suplir nuestras demandas fisiológicas diarias. El calor generado por la
combustión se denomina en termodinámica valor calórico (o poder energético), que es
en términos generales de 4 Kcal/g en el caso de los carbohidratos y proteínas y 9 Kcal/g
en el caso de las grasa. Estos valores caloríficos2 de los productos agropecuarios se
determinan experimentalmente en aparatos de laboratorio denominados Bombas
Calorimétricas.
Los combustibles fósiles son mezclas de compuestos orgánicos mineralizados
que se extraen del subsuelo. El origen de esos compuestos son seres vivos que murieron
hace millones de años y que por el trascurso del tiempo y las presiones que imperan a
miles de metros debajo de la superficie terrestre se han transformado en hidrocarburos.
Otros combustibles, los biocombustibles, provienen de la actividad agrícola
actual basada en la capacidad fotosintética de las plantas de fijar energía luminosa por
medio de enlaces químicos. Con el encarecimiento de los combustibles fósiles,
recientemente hemos visto surgir alternativamente la producción bioenergética de
alcohol anhidro y biodiesel.
Uno de los biocombustibles es el biodiesel, que se elabora a partir de los aceites
y grasa vegetales o animales mediante procesos industriales de esterificación y trans
esterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del
petróleo diésel.
El otro biocombustible es el alcohol, el cual se produce a partir de la
fermentación de azucares u otros carbohidratos proveniente de la agricultura. Se
2
La termodinámica es la parte de la física que estudia la energía y sus manifestaciones. Se define la
caloría como la cantidad de energía necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de
agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión normal de una atmósfera. Una Kcal es igual a 1,000 cal.
Una caloría (cal) equivale exactamente a 4.1868 julios (J). La unidad de energía en el Sistema
Internacional de Unidades se emplea el Julio (o Joul) para medir energía, trabajo y calor; en el Sistema
Técnico de Unidades se emplea la caloría para expresar el poder energético de los alimentos. La BTU es
la unidad de energía en el sistema ingles que usa principalmente en los Estados Unidos. Una BTU (British
Thermal Unit) representa la cantidad de energía que se requiere para elevar en un grado Fahrenheit la
temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales. Una BTU equivale
aproximadamente a 252 calorías o 1,055.056 julios. Un Watt (energía eléctrica) es equivalente a
0.859845228 Kcal.
requieren 45 kg de almidón para producir 28.3 litros de alcohol. Un hectolitro de maíz
(75 kg) o sorgo (76 kg), rinden 27.2 litros de alcohol. Una tonelada de caña tiene un
rendimiento promedio de 104 kg de azúcar, 26 kg de melaza y 230 kg de bagazo, lo que
puede producir 75 litros de alcohol.
Densidad Poder calorífico
kg/Litro
Kcal/kg
Kcal/Litro
Gasolina (hidrocarburo)
Alcohol
Biodiesel
Carbohidratos
(Azucares almidones y celulosa)
Proteínas
Aceites y grasa
Gagazo de caña
Caña de Azúcar
Leña
0.74
0.823
0.84
11,500
6,450
5,700
8,510.0
5,308.4
4,788.0
1.5
1.43
0.9
0.12
0.20
0.70
4,000
4,000
9,000
4,435
6,000.0
5,720.0
8,100.0
535.2
3,100
2,170.0
DESHECHOS DE COSECHA Y DESPERDICIOS
AGROINDUSTRIALES ENERGÉTICOS
APROVECHABLES
El agro nos ofrece una fuente alternativa de combustibles baratos y sumamente
accesibles en el ámbito rural que se pueden aprovechar con grandes ventajas. El empleo
de deshechos provenientes de la cosecha y de la actividad forestal, desperdicios
agroindustriales o residuos pecuarios, están limitados a las áreas geográficas contiguas a
los centros de producción. Los altos costos en el trasporte para productos de bajo valor
económico y su gran volumen es la causa que a estos combustibles se les consideran
bienes no transables, que tienen una gran repercusión económica si nos encontramos
próximos a los campos de producción, Ténganse en cuenta las densidades que están en
juego, por ejemplo, en el caso del bagazo de caña es de 120 Kg/m3.
En general, se debe considerar que estos deshechos contienen 3,500 Kcal/kg de
materia seca y que se es necesario emplear 550 Kcal por kg de agua, para secar el
producto cuando está húmedo.
Los deshechos de cosecha que pueden emplearse en nuestro medio como
combustibles sólidos son: la paja de granos, la broza de algodón, la broza de espárrago,
la broza de las menestras, la cáscara de arroz, la cáscara de café, la cáscara cacao, la
cáscara de castañas, la cáscara de coco, el escobajo y las fibras de los frutos de la palma
aceitera, el bagazo de caña de la azúcar, etc. Los recursos forestales son otra fuente
barata de energía: la leña, las cortezas y los desperdicios del aserrado de las trozas,
como las cantoneras y el aserrín.
Los residuos sólidos de origen pecuario también pueden ser utilizados como
combustibles: el estiércol seco de ave, cerdos, ovino, camélidos, equinos y vacunos son
muy empleados en el campo. Otra alternativa para la obtención fácil de engría es el
empleo de estiércol húmedo o líquido, en biodigestores para producir metano por acción
microbiana bajo condiciones anaeróbicas. El biogas así producido, es un combustible
que tiene un poder calorífico de 290 a 580 Kcal/litro; su empleo debe ser cuidadoso ya
que puede ser explosivo en concentraciones de 5 a 15 %, en presencia de aire (fuente de
oxigeno) y una llama o chispa. El gas metano puede ser almacenado en tanques
(gasómetros), comprimido para se almacenarlo en balones y posteriormente emplearlo
en motores y vehículos de combustión interna.
La energía recuperada de los desechos agropecuarios tiene infinidad de
aplicaciones, con ella se puede generar energía eléctrica o vapor; emplearla
directamente para el secado de frutas, granos, plantas medicinales y colorantes; a fin de
estabilizarlos, luchar contra las fuerzas del deterioro y reducir su peso abaratando su
transporte; o emplearla en la cocción directa de los alimentos. La agroindustria rural
puede aprovechar al máximo estos recursos energéticos, para lo que se debe de
planificar anticipadamente el tipo de equipo específico requerido: de calderos o
deshidratadore
s, de acuerdo
con
la
disponibilidad
de recursos de
cada zona.
Hoy,
en
que
requerimos
cada vez más
calidad
de
nuestros
productos de
agro
exportación,
debemos echar
mano de estos recursos para no perder competitividad: por ejemplo, deberemos de
sustituir del secado solar por un secado tecnificado (deshidratadores de túnel), con la
finalidad de acelerar el proceso y evitar de que crezcan hongos que producen
aflatoxinas, en la páprika u otros productos, factor del que los mercados son cada vez
mas exigentes.
La hoja de cálculo que mostramos a continuación, contiene los poderes
caloríficos3 de los deshechos de cosecha, de la actividad forestal, de desperdicios
agroindustriales y de residuos sólidos de origen pecuario; comparados con los valores
de los recursos energéticos tradicionales. Se pueden introducir los actuales precios
unitarios para comparativamente estudiar las diferentes alternativas con que se cuenta, a
fin de que el profesional a cargo de la evaluación técnica de un proyecto pueda realizar
la elección más acertada considerando los valores termodinámicos y económicos.
Ejemplo:
3
Existen dos medidas del valor calorífico: a) El Valor Calorífico Bruto, también conocido como el Poder
Calorífico Superior; y b) El Valor Calorífico Neto, también conocido como el Poder Calorífico Inferior.
Se supone que el agua que se forma por la combustión, y el agua de constitución del combustible
permanece en forma de vapor. En la práctica industrial, no es posible reducir la temperatura de los
productos de combustión por debajo del punto de rocío para condensar la humedad presente y recuperar
su calor latente, por lo que el calor latente del vapor no está disponible para fines prácticos; es por esta
razón que en el presente trabajo solo nos referiremos a los Valor Calorífico Neto, o el Poder Calorífico
Inferior para caracterizar los deshechos de cosecha y desperdicios energéticos del agro.
En al realidad peruana se dan pasteurizadotes en Bach eléctricos de 1000 litros
de leche, instalados en pequeñas agroindustrias lácteas, si cambiaran a otro tipo de
equipo que utilizara una energía mas económica habría un ahorro. Queremos calcular si
el ahorro anual que tendríamos (al cambiar de electricidad, a quemar broza de algodón)
alcanzaría para amortizar el nuevo equipo. Un equipo para pasteurizar la leche de acero
inoxidable con chaqueta de vapor que incluye el caldero, para este propósito tiene un
costo de unos 5,000 dólares.
Calculamos las Kcal diarias necesarias, empleando la formula:
H =
W x (T1 – T2) x 100
-----------------------Eficiencia (%)
H = Kcal necessárias
W = Peso de la leche
T1 = Temperatura de pasterización en ºC, que se obtiene de la tabla que aparece en:
“ Manual de Centros de Acopio y Pasteurización, en pequeña escala “,
T2 = Temperatura de la leche al entrar al proceso
SH= Calor específico de la leche = 0.93
E = Eficiencia del proceso
Primeramente expresamos los mil litros en kilogramos:
W x DL = Volumen.
Considerando que la densidad de la leche es DL = 1.034, que la eficiencia en la
pasteurización es de 85%, que la leche llega a una temperatura de 15 ºC y que debemos
pasteurizarla a 65.5 ºC por 2 minutos:
1000 x (65.5 – 15) x 100
----------------------------- = 59,411.8 Kcal
85
Consultamos la hoja de calculo y en la columna de costo en dólares para 10,000 Kcal,
encontramos los valores para le energía eléctrica (1.5897) y para la broza de algodón
(0.04046), y vemos de que tenemos un ahorro de 1.5492 Kcal por cada 10,000 Kcal;
pero como empleamos 59,411.8 Kcal/día, el ahorro será de 9.20 US$ diarios, es decir
3,359 US$ anuales. Concluimos que con el ahorro, el equipo se amortizaría en un año y
medio, lo cual es sumamente conveniente.
H =