FRANCISCO SANCHEZ GODOY
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UN NIVERSIIDAD PO OLITÉCN NICA DE E MADR RID ES SCUELA TÉCNICA A SUPER RIOR DE INGENIE EROS AGR RÓNOMO OS POTEN NCIAL DEL D CU ULTIVO O DE LA A CHUM MBERA A (Oppuntia ficus-ind fi dica (L.)Miller) PARA LA OB BTENC CIÓN DE E BIOC COMBU USTIBLE ES TESIS S DOCTO ORAL FRAN NCISCO O SÁNCHEZ GO ODOY Ingenniero Agró ónomo 2012 DEPARTAMENTO DE PRODUCCIÓN VEGETAL: BOTÁNICA Y PROTECCIÓN VEGETAL ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS POTENCIAL DEL CULTIVO DE LA CHUMBERA (Opuntia ficus-indica (L.) Miller) PARA LA OBTENCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES TESIS DOCTORAL FRANCISCO SÁNCHEZ GODOY Ingeniero Agrónomo Directores de Tesis: JESÚS FERNÁNDEZ GONZÁLEZ Dr. Ingeniero Agrónomo M. DOLORES CURT FERNÁNDEZ DE LA MORA Dr. Ingeniero Agrónomo (D-15) Tribunal nombrado por el Magfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día de de 200 Presidente:__________________________________________________________________ Secretario: __________________________________________________________________ Vocal: _____________________________________________________________________ Vocal: _____________________________________________________________________ Vocal: _____________________________________________________________________ Suplente: ___________________________________________________________________ Suplente: ___________________________________________________________________ Realizado el acto de defensa y lectura de Tesis el día En la E.T.S.I. / Facultad EL PRESIDENTE de de 201 EL SECRETARIO Fdo.: Fdo.: LOS VOCALES Fdo.: Fdo.: Fdo.: Agradecimientos Desde estas líneas quiero expresar mi más sincero agradecimiento a todas aquellas personas que han hecho que este trabajo sea posible. A mis directores de Tesis, M. Dolores Curt y Jesús Fernández, por otorgarme la oportunidad de dedicarme a una actividad profesional con la que realmente disfruto. A José María Agüera, Mercedes Uceda, y Guillermo Zaragoza, de la Fundación Cajamar por impulsar el proyecto “Estudio del cultivo de chumbera (Opuntia ficus‐indica (L.) Miller) y tabaco arbóreo (Nicotiana glauca Graham) para la producción de bioetanol”, y por su amabilidad frente a mis continuas peticiones de datos. A todos mis compañeros del Grupo de Agroenergética: A Mercedes y a Javi, que descubrieron lo espinoso que puede llegar a ser el tema que nos ocupa. A Albert, Gema, y María B., por su ayuda en el laboratorio. A Fernando, por ayudarme a llegar hasta este momento sin haber sufrido electrocuciones (apenas). A Marta, por sus inestimables aportaciones gráficas. A Mercedes S. por escucharme A María H. por preocuparse por mi futuro. A Blanca, Borja, Fer, Irene, Maribel, Marina, Pedro, y Pili, por su interés y por su apoyo (y por los datos Fer, también por los datos). A los que no se han encontrado a si mismos en las líneas anteriores (me temo que alguno habrá). Junto con mis sinceras disculpas. A mis amigos, por interesarse, por apoyarme, y por dejar de preguntar cuando llegó el preciso momento de dejarlo. Gracias especialmente a Txus, que ya ve chumberas donde quiera que vaya. A mis padres, por su cariño y apoyo. Sin ellos habría sido del todo imposible llevar a cabo esta tarea. A mis abuelas, que para mi representan el vivo ejemplo del valor del esfuerzo. Por su cariño incondicional. A Cris, por ayudarme en lo más duro del duro invierno. A Carolina, porque, sin su ánimo, nada de esto habría siquiera comenzado. A mis abuelos, que me enseñaron a amar el campo. In memoriam. ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................................................. I ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................... V ABREVIATURAS EMPLEADAS .................................................................................................... VIII RESUMEN ............................................................................................................................................. IX ABSTRACT ............................................................................................................................................. X 0. OBJETO E INTERÉS DEL TEMA ...................................................................................................1 1. INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................................2 1.1. El bioetanol como biocarburante ............................................................................................................... 3 1.1.1. Definición. Biocarburantes basados en el bioetanol ........................................................................ 3 1.1.2. Materias primas empleadas en la producción de bioetanol ............................................................ 3 1.1.3. Producción de bioetanol por vía bioquímica ................................................................................... 4 1.1.3.1. La fermentación alcohólica ........................................................................................................ 4 1.1.3.1.1. Microorganismos productores de etanol.......................................................................... 5 1.1.3.1.2. Condiciones ambientales del proceso de fermentación alcohólica ................................. 6 -Temperatura ............................................................................................................................... 6 -pH ................................................................................................................................................. 6 -Nutrientes .................................................................................................................................... 6 -Oxígeno disuelto .......................................................................................................................... 7 -Densidad celulaR ........................................................................................................................ 7 -Concentración de etanol ............................................................................................................ 7 1.1.3.1.3. Sistemas de fermentación .................................................................................................. 7 1.1.3.2. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en azúcares .............................. 7 1.1.3.2.1. Producción de bioetanol a partir de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) ....... 8 1.1.3.2.2. Producción de bioetanol a partir de remolacha azucarera (Beta vulgaris L.subsp. vulgaris var. Altissima Döll)............................................................................................................. 12 1.1.3.3. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en polisacáridos de reserva .. 13 1.1.3.3.1. Producción de bioetanol a partir de grano de cereal ................................................... 13 1.1.3.3.2. Producción de bioetanol a partir de mandioca (Manihot esculenta Crantz)............... 17 1.1.3.4. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en celulosa y hemicelulosa .... 19 1.1.3.5. Gestión de subproductos y residuos ........................................................................................ 24 1.1.4. Producción de bioetanol por vía termoquímica.............................................................................. 25 1.1.5. Panorámica de la producción de bioetanol ..................................................................................... 25 1.2. El biogás para fines energéticos................................................................................................................ 27 1.2.1. Biogás. Definición y tipos.................................................................................................................. 27 1.2.2. El proceso de digestión anaeróbica .................................................................................................. 29 1.2.2.1. Fases y microbiología del proceso ........................................................................................... 29 1.2.2.2. Condiciones ambientales y parámetros de control ................................................................ 31 - Temperatura .................................................................................................................................. 31 - pH ................................................................................................................................................... 32 - Potencial Redox ............................................................................................................................. 33 1.2.2.3. Parámetros de alimentación .................................................................................................... 34 1.2.2.4. Nutrientes .................................................................................................................................. 34 1.2.2.5. Inhibidores ............................................................................................................................... 36 1.2.3. Materias primas empleadas para la producción de biogás ........................................................... 38 - Codigestiones ....................................................................................................................................... 41 - Pretratamientos ................................................................................................................................... 41 1.2.4. Tipos de digestor ............................................................................................................................... 42 1.2.5. Limpieza y utilización del biogás ..................................................................................................... 49 1.2.6. Gestión de subproductos e impacto ambiental de la producción de biogás ................................. 51 1.2.7. Panorámica de la producción de biogás .......................................................................................... 52 1.3. La Chumbera (Opuntia spp.) .................................................................................................................... 54 1.3.1. Taxonomía ......................................................................................................................................... 54 1.3.2. Origen e Importancia histórica del cultivo ..................................................................................... 56 1.3.3.Descripción de la planta y adaptación al medio .............................................................................. 57 1.3.4. Composición química........................................................................................................................ 59 - Cladodios ............................................................................................................................................. 59 - Nopalitos .............................................................................................................................................. 71 - Frutos ................................................................................................................................................... 72 - Consideraciones finales sobre la composición química de la biomasa de chumbera .................... 74 1.3.5. Agroecología ...................................................................................................................................... 75 1.3.5.1. Suelo .......................................................................................................................................... 75 1.3.5.2. Clima ......................................................................................................................................... 75 - Requerimientos hídricos ............................................................................................................... 75 - Requerimientos térmicos .............................................................................................................. 76 1.3.5.3. Productividad ........................................................................................................................... 78 - Bases de la productividad de biomasa ......................................................................................... 78 - Enfoques de la producción de biomasa de chumbera ................................................................ 82 - Otras consideraciones sobre la productividad ............................................................................ 84 - Productividad de las plantaciones de nopalitos .......................................................................... 88 - Productividad de las plantaciones destinadas a la producción de frutos.................................. 88 1.3.5.4. Manejo de las plantaciones de chumbera ......................................................................... 89 - Producción de higos chumbos ................................................................................................. 89 - Producción de nopalitos .......................................................................................................... 91 - Producción de palas para forraje .......................................................................................... 92 1.3.6. Plagas y enfermedades ................................................................................................................ 94 - Plagas .............................................................................................................................................. 95 - Enfermedades ................................................................................................................................ 98 1.3.7. Usos alimentarios y usos minoritarios de la chumbera .......................................................... 102 - Aprovechamiento de la chumbera para la obtención de alimentos ........................................ 102 - Usos alternativos de la chumbera .............................................................................................. 105 1.3.8. Usos energéticos de la chumbera.............................................................................................. 107 - Bioetanol....................................................................................................................................... 108 - Biogás ........................................................................................................................................... 110 1.3.9. La chumbera como especie alóctona........................................................................................ 114 2. MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................................. 116 2.1. Materias primas empleadas .................................................................................................................... 117 2.2. Caracterización de las materias primas................................................................................................. 117 2.3. Caracterización de los productos obtenidos .......................................................................................... 121 2.3.1. Productos obtenidos en la fermentación alcohólica ..................................................................... 121 2.3.2. Productos obtenidos en la digestión anaeróbica ........................................................................... 122 2.4. Producción de etanol a partir de cladodios de chumbera .................................................................... 122 2.4.1. Preparación del material vegetal ................................................................................................... 122 2.4.2. Experiencias previas ....................................................................................................................... 123 2.4.3. Obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera tratada mediante el empleo de dos métodos diferentes de hidrólisis ácida ..................................................................................................... 125 2.4.3.1. Diseño experimental ............................................................................................................... 125 2.4.3.2. Preparación de los sustratos fermentables ........................................................................... 126 2.4.3.3. Preparación del pie de cuba................................................................................................... 127 2.4.3.4. Desarrollo de las fermentaciones........................................................................................... 128 2.4.3.5. Determinación del etanol contenido en los fermentados ..................................................... 130 2.4.3.6. Estimación de los rendimientos del proceso de fermentación ............................................ 131 2.4.3.7. Análisis efectuados sobre las vinazas .................................................................................... 132 2.5. Producción de biogás a partir de cladodios de chumbera y de mezclas de cladodios de chumbera y frutos de tomate .............................................................................................................................................. 132 2.5.1. Instalación experimental ................................................................................................................ 133 2.5.2. Determinación del volumen de biogás obtenido ........................................................................... 138 2.5.3. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera y frutos de tomate ................................................................................................................... 138 2.5.3.1. Diseño experimental ............................................................................................................... 138 2.5.3.2. Preparación del material vegetal empleado ......................................................................... 138 2.5.3.3. Inóculo ..................................................................................................................................... 139 2.5.3.4. Puesta en marcha de la digestión .......................................................................................... 140 2.5.3.5. Seguimiento de la evolución del proceso............................................................................... 140 2.5.4. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera y frutos de tomate ................................................................................................................... 142 2.5.4.1. Diseño experimental ............................................................................................................... 142 2.5.4.2. Preparación del material vegetal empleado ......................................................................... 142 2.5.4.3. Puesta en marcha de la digestión .......................................................................................... 143 2.5.4.4. Seguimiento de la evolución del proceso............................................................................... 144 2.6. Análisis estadístico ................................................................................................................................... 145 3. RESULTADOS ..................................................................................................................... 146 3.1. Producción de bioetanol a partir de cladodios de chumbera ............................................................... 147 3.1.1. Composición del material vegetal empleado ................................................................................. 147 3.1.2. Experiencias previas ....................................................................................................................... 147 3.1.3. Obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera tratada mediante el empleo de dos métodos diferentes de hidrólisis ácida ..................................................................................................... 149 3.1.3.1. Factor de severidad combinada de las distintas hidrólisis llevadas a cabo ....................... 149 3.1.3.2. Evolución del pH en las fermentaciones llevadas a cabo con sustratos S2 ........................ 150 3.1.3.3. Concentración de etanol en los medios fermentados ........................................................... 150 3.1.3.4. Identificación de otros compuestos presentes en los fermentados...................................... 151 3.1.3.5. Rendimientos del proceso ...................................................................................................... 151 3.1.3.6. Contenido en carbono, nitrógeno, azufre y potasio de las vinazas ..................................... 152 3.2. Producción de biogás a partir de cladodios de chumbera y de mezclas de cladodios de chumbera y frutos de tomate .............................................................................................................................................. 153 3.2.1. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera y frutos de tomate ................................................................................................................... 153 3.2.1.1. Caracterización del material vegetal empleado ................................................................... 153 3.2.1.2. Caracterización del inóculo empleado .................................................................................. 154 3.2.1.3. Producción de biogás.............................................................................................................. 154 3.2.1.4. Parámetros de seguimiento y control.................................................................................... 157 - Evolución del pH ......................................................................................................................... 157 - Alcalinidad total y contenido en ácidos grasos volátiles ........................................................... 158 - Demanda química de oxígeno ..................................................................................................... 160 - Sólidos totales y sólidos volátiles ................................................................................................ 161 3.2.1.5. Eliminación de sólidos volátiles ............................................................................................. 162 3.2.2. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera y frutos de tomate ................................................................................................................... 163 3.2.2.1. Caracterización del material vegetal empleado ................................................................... 163 3.2.2.2. Producción de metano y biogás ............................................................................................. 164 3.2.2.3. Parámetros de seguimiento y control.................................................................................... 167 - Evolución del pH ......................................................................................................................... 167 - Alcalinidad total y contenido en ácidos grasos volátiles ........................................................... 168 - Sólidos totales y sólidos volátiles ................................................................................................ 171 3.2.2.4. Rendimientos por unidad de volumen y sólidos volátiles eliminados ................................ 173 4. DISCUSIÓN ............................................................................................................................ 175 4.1. Material vegetal empleado ...................................................................................................................... 176 4.2. Producción de bioetanol a partir de cladodios de chumbera ............................................................... 178 4.2.1. Experiencias preliminares .............................................................................................................. 178 4.2.2. Obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera tratada mediante el empleo de dos métodos diferentes de hidrólisis ácida ..................................................................................................... 179 4.3. Producción de biogás a partir de cladodios de chumbera y de mezclas de cladodios de chumbera y frutos de tomate .............................................................................................................................................. 182 4.3.1. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera ................................................................................................................................................... 182 4.3.2. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera ................................................................................................................................................... 185 4.3.3. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera y frutos de tomate ................................................................................................................... 187 4.3.4. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera y frutos de tomate ................................................................................................................... 190 4.4. Potencial del cultivo de chumbera para la obtención de bioetanol y biogás en la provincia de Almería (España) ............................................................................................................................................ 196 4.4.1. Estimación del potencial de producción de biomasa del cultivo de la chumbera en Almería .. 196 4.4.1.1. Estimación del rendimiento del cultivo de chumbera ......................................................... 196 4.4.1.2. Estimación de la superficie potencialmente disponible para el cultivo de la chumbera... 197 4.4.1.3. Potencial de producción de biomasa de chumbera en Almería .......................................... 198 4.4.2. Estimación del potencial de producción de bioetanol .................................................................. 198 4.4.3. Estimación del potencial de producción de biogás ....................................................................... 198 4.5. Balance energético de la producción de bioetanol y biogás de chumbera en Almería....................... 199 4.5.1. Balance energético de la producción de bioetanol ........................................................................ 199 4.5.1.1. Consumo energético del proceso ........................................................................................... 200 - Triturado ...................................................................................................................................... 200 - Hidrólisis ...................................................................................................................................... 200 - Concentrado ................................................................................................................................. 202 - Fermentación ............................................................................................................................... 203 - Destilación .................................................................................................................................... 204 - Prensado ....................................................................................................................................... 204 - Secado del las vinazas sólidas ..................................................................................................... 204 - Trasiegos ...................................................................................................................................... 204 - Consumo energético total ........................................................................................................... 204 4.5.1.2. Energía obtenida..................................................................................................................... 205 - Energía obtenida en la combustión de las vinazas sólidas ....................................................... 205 - Energía contenida en el producto obtenido ............................................................................... 205 4.5.1.3 Balance energético ................................................................................................................... 205 4.5.2. Balance energético de la producción de biogás............................................................................. 207 4.5.2.1. Consumo energético del proceso ................................................................................................. 208 - Triturado ........................................................................................................................................... 208 - Digestión ............................................................................................................................................ 208 - Limpieza y almacenamiento del biogás ........................................................................................... 208 - Separación de fases del digestato ..................................................................................................... 208 - Secado de la fracción sólida del digestato ....................................................................................... 208 - Trasiegos ............................................................................................................................................ 209 - Consumo energético total ................................................................................................................. 209 4.5.2.2. Energía producida en el proceso ................................................................................................. 209 4.5.2.3. Energía contenida en el digestato ............................................................................................... 209 4.5.2.4 Balance energético ........................................................................................................................ 209 5. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 211 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 214 ANEXO ...................................................................................................................................... 236 Determinación del volumen de biogás producido en un digestor GA ................................................... 237 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Consumos energéticos específicos en el proceso de destilación ............................................10 Tabla 1.2. Producción teórica de biogás a partir de diversos compuestos y composición del mismo ....27 Tabla 1.3. Rendimientos energéticos teóricos en el proceso de digestión anaeróbica de diversos compuestos orgánicos...............................................................................................................................28 Tabla 1.4. Efecto de distintos microelementos sobre la digestión anaeróbica de diferentes sustratos (Adaptado de Demirel y Scherer, 2011) ...................................................................................................36 Tabla 1.5. Dosis adecuadas para el óptimo crecimiento de cultivos de distintas arqueas metanogénicas, según Takashima y Speece (1990) ...........................................................................................................36 Tabla 1.6. Concentraciones mínimas de distintos microelementos para la adecuada conversión microbiológica de ácido acético en metano, según Takashima y Speece (1989) .....................................36 Tabla 1.7. Concentraciones beneficiosas e inhibidoras de diversos elementos en el proceso de digestión anaeróbica, según varios autores (adaptado de Chen et al, 2008) ............................................................38 Tabla 1.8. Producción de metano a partir de diversos sustratos vegetales ..............................................41 Tabla 1.9. Contenido en materia seca y materia orgánica en los cladodios de chumbera .......................61 Tabla 1.10. Contenido en fibra en los cladodios de chumbera ................................................................63 Tabla 1.11. Contenido en hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa en los cladodios de chumbera .............................................................................................................................................64 Tabla 1.12. Contenido en proteína bruta en los cladodios de chumbera .................................................66 Tabla 1.13. Contenido en lípidos en los cladodios de chumbera.............................................................67 Tabla 1.14. Contenido en diversos elementos en los cladodios de chumbera .........................................68 Tabla 1.15. Composición del mucílago de O. ficus – indica según Abraján (2008) ...............................70 Tabla 1.16. Composición del mucílago de O. ficus-indica según Sepúlveda et al (2007) ......................70 Tabla 1.17. Composición de la fracción carbohidratada del mucílago de O. ficus – indica, según Abraján (2008) .........................................................................................................................................70 Tabla 1.18. Composición de la fracción carbohidratada del mucílago de O. ficus – indica, según Tractenberg y Mayer (1981).....................................................................................................................71 Tabla 1.19. Composición de la fracción carbohidratada del mucílago de O. ficus – indica, según Amin (1970) .......................................................................................................................................................71 Tabla 1.20. Composición química de cladodios de distintas edades. Adaptado de Valdez – Cepeda (2008). ......................................................................................................................................................72 Tabla 1.21. Composición de los frutos de O. ficus – indica según Al – Kossori et al (1998).................72 Tabla 1.22. Composición de los frutos de O. ficus – indica según diversos autores ...............................73 Tabla 1.23. Composición de los frutos de O. dillenii, según Díaz Medina et al. (2007) ........................74 Tabla 1.24. Resumen de la composición de los cladodios de chumbera .................................................74 Tabla 1.25. Producción de biomasa de chumbera según diversos autores ..............................................86 Tabla 1.26. Rendimiento en frutos de una plantación de chumbera en función de su edad ...................89 Tabla 1.27.Dosis de fertilizantes recomendadas en la producción de higos chumbos (adaptado de Inglese, 1999) ...........................................................................................................................................91 Tabla 1.28. Potencial de producción de biogás a partir de cladodios de chumbera ..............................111 Tabla. 1.29. Resultados obtenidos por Uribe et al (1990) en la digestión anaeróbica de cladodios de chumbera ................................................................................................................................................112 Tabla 2.1. Cantidades de triturado de cladodios empleados en los ensayos pertenecientes a la experiencia preliminar 1. ........................................................................................................................123 Tabla 2.2. Cantidad de levadura fresca empleada en cada uno de los ensayos de la segunda experiencia preliminar de fermentación alcohólica de cladodios de chumbera.........................................................124 Tabla 2.3. Cantidades de triturado de cladodios, agua destilada y ácido sulfúrico concentrado (96 %) empleadas en la elaboración de los distintos sustratos pertenecientes al ensayo preliminar 3 ...............125 Tabla 2.4. Valores de tiempo de retención y temperatura en los distintos ensayos efectuados para la obtención de bioetanol............................................................................................................................126 I Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 2.5. Cantidades de cladodios, agua, y ácido sulfúrico empleadas en la elaboración de los sustratos S2 ............................................................................................................................................................127 Tabla 2.6. Cantidad de inóculo empleado, tiempos de retención y temperaturas en la fermentación alcohólica de los distintos ensayos de control ........................................................................................130 Tabla 2.7. Peso de los triturados de cladodios de chumbera y frutos de tomate introducido en cada uno de los digestores (materia fresca) ...........................................................................................................139 Tabla 2.8. Esquema del diseño experimental para la producción de biogás en digestores con alimentación semicontinua .....................................................................................................................142 Tabla 2.9. Fechas de introducción de sustrato y FeCl3 (así como dosis de este último) durante el periodo de transición ..............................................................................................................................143 Tabla 2.10. Carga orgánica y cantidades diarias de sustratos y nutrientes introducidos .......................144 Tabla 2.11. Fechas y dosis introducidas de KHCO3 y FeCl3 durante el ensayo de alimentación semicontinua (g digestor-1) .....................................................................................................................144 Tabla 3.1. Composición básica del triturado de cladodios empleado en los ensayos de obtención de etanol ......................................................................................................................................................147 Tabla 3.2. Producción de etanol a partir del triturado de cladodios sin hidrolizar (fermentación a 25ºC durante 5 días) ........................................................................................................................................147 Tabla 3.3. Rendimientos del proceso de fermentación de cladodios de chumbera sin hidrolizar (25ºC, 5 días) ........................................................................................................................................................148 Tabla 3.4. Concentración de etanol en las fermentaciones llevadas a cabo durante la segunda experiencia preliminar ............................................................................................................................148 Tabla 3.5. Hidratos de carbono obtenidos tras el autoclavado de biomasa triturada de cladodios sin adición de ácidos fuertes ........................................................................................................................148 Tabla 3.6. Producción de etanol en los ensayos de fermentación de la tercera experiencia preliminar. (Hidrólisis: 1,5 ml H2SO4 96%, 121ºC, 20 min. Fermentación: 25ºC, 5 días) .......................................149 Tabla 3.7. Rendimientos del proceso de fermentación del triturado de cladodios (a 25ºC durante 5 días) previamente sometidos a hidrólisis sulfúrica en autoclave (1,5 ml H2SO4 96%, 121ºC, 20 min) ..........149 Tabla 3.8. Factores de severidad combinada de las distintas hidrólisis aplicadas en los ensayos con sustratos S1 y S2.....................................................................................................................................149 Tabla 3.9. Valores iniciales y finales de pH en los distintos ensayos de fermentación en los que se emplearon sustratos S2 (hidrólisis con H2SO4, 121ºC, 20 min) .............................................................150 Tabla 3.10. Concentración de etanol en los medios fermentados de los distintos ensayos en los que se emplearon sustratos S1 y S2 ..................................................................................................................150 Tabla 3.11. Concentraciones y cantidades de etanol en los ensayos de control ....................................151 Tabla 3.12. Rendimientos obtenidos en la fermentación alcohólica de sustratos S1 (hidrólisis con HCl, 100ºC, 30 min) ..................................................................................................................................................... 151 Tabla 3.13. Rendimientos obtenidos en la fermentación alcohólica de sustratos S2 (hidrólisis con H2SO4, 121ºC, 20 min) ....................................................................................................................................... 152 Tabla 3.14. Composición de las vinazas correspondientes a los sustratos S2 (hidrólisis con H2SO4, 121ºC, 20 min) ..................................................................................................................................................... 152 Tabla 3.15. Características del triturado de cladodios de chumbera empleado en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el procedimiento batch ................................................................................. 153 Tabla 3.16. Características del triturado de tomate empleada en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el procedimiento batch ...................................................................................................................... 154 Tabla 3.17. Características del inóculo empleado en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el procedimiento batch............................................................................................................................................ 154 Tabla 3.18. Producción de biogás y rendimientos obtenidos en los distintos digestores mediante el sistema batch ........................................................................................................................................................ 155 Tabla 3.19. Producción media de biogás y rendimientos medios obtenidos por las distintas combinaciones de materias primas empleadas como sustratos en la digestión mediante el sistema batch. 155 II Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.20. Valores de pH en los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .................................................................................................................................. 157 Tabla 3.21. Alcalinidad (mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch ................................................................................................................................................... 158 Tabla 3.22. Contenido en ácidos grasos volátiles (mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch ............................................................................................. 159 Tabla 3.23. Relación AGV/ALC a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch ........................................................................................................................................................ 160 Tabla 3.24. Demanda química de oxígeno (mg L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .................................................................................................................................. 161 Tabla 3.25. Contenido en sólidos totales (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .................................................................................................................................. 161 Tabla 3.26. Contenido en sólidos volátiles (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .................................................................................................................................. 162 Tabla 3.27. Porcentaje de sólidos volátiles eliminados en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .................................................................................................................................. 163 Tabla 3.28. Contenido en sólidos totales, sólidos volátiles y azúcares reductores de la mezcla de tomate empleada en la experiencia de digestión anaeróbica semicontiua ................................................................ 163 Tabla 3.29. Volumen de biogás (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) y rendimientos obtenidos en los distintos digestores mediante el sistema semicontinuo de alimentación (TRH = 25,6 días).............. 164 Tabla 3.30. Volumen de metano (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) y rendimientos obtenidos en los distintos digestores mediante el sistema semicontinuo de alimentación (TRH = 25,6 días).............. 164 Tabla 3.31. Contenido medio en metano del biogás producido en los distintos digestores durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ......................................................................................... 166 Tabla 3.32. Contenido medio en metano del biogás producido a partir de las distintas mezclas de materias primas empleadas en la elaboración del sustrato ............................................................................ 166 Tabla 3.33. Valores de pH a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua.............. 168 Tabla 3.34. Alcalinidad total (mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ........................................................................................................................................................ 169 Tabla 3.35. Contenido en ácidos grasos volátiles (AGVs expresados en mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ......................................................................................... 169 Tabla 3.36. Relación AGV/ALC a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ... 169 Tabla 3.37. Contenido en sólidos totales (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ........................................................................................................................................................ 171 Tabla 3.38. Contenido en sólidos volátiles (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ........................................................................................................................................................ 172 Tabla 3.39. Volumen medio de metano y biogás producidos diariamente por cada litro de líquido contenido en el digestor en la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua .................................... 173 Tabla 3.40. Porcentajes de sólidos volátiles eliminados a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua .................................................................................................................................... 174 Tabla 4.1. Análisis de la varianza de los resultados obtenidos considerando la concentración de etanol en el medio fermentado como variable dependiente. ..................................................................................... 179 Tabla 4.2. ANOVA a partir de los datos obtenidos para diversos parámetros en la experiencia de producción de biogás mediante digestión anaeróbica en batch ................................................................... 189 Tabla 4.3. Rendimiento medio en la producción de biogás de los distintos sustratos empleados, respecto al máximo teórico ................................................................................................................................................ 190 Tabla 4.4. ANOVA de los datos obtenidos en la experiencia de producción de biogás mediante la alimentación semicontinua de los digestores .................................................................................................. 193 Tabla 4.5. Grupos homogéneos de digestores en función de los resultados medios de los parámetros analizados ............................................................................................................................................................. 193 Tabla 4.6. Productividades empíricas del cultivo de chumbera empleadas en la creación de la función de productividadRendimiento (t MS ha-1año-1) = 0,0067 * P 1,1653 .............................................................. 197 III Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 4.7. Balance energético de la obtención de bioetanol de chumbera ................................................. 206 Tabla 4.8. Balance energético de la obtención de biogás de chumbera a partir de una tonelada de materia seca de cladodios ................................................................................................................................... 210 Tabla A.1. Cálculo de Vsi ................................................................................................................................. 244 IV Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1.1. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol a partir de caña de azúcar ...................................................................................................................................................................... 11 Fig. 1.2. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol a partir de remolacha azucarera.............................................................................................................................................. 12 Fig. 1.3. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol y subproductos a partir de grano de maíz según el procedimiento estándar de molienda en húmedo ..................................... 15 Fig. 1.4. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol y subproductos a partir de grano de maíz según el procedimiento de molienda en húmedo modificada................................ 16 Fig. 1.5. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol y subproductos a partir de grano de maíz según el procedimiento de molienda en seco........................................................... 17 Fig. 1.6. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol a partir de raíz de mandioca................................................................................................................................................................. 18 Fig. 1.7. Esquema en el que se muestran los tipos de microorganismos necesarios para la fermentación de los productos obtenidos en función de los tipos de pretratamiento e hidrólisis previamente seleccionados ......................................................................................................................................................... 24 Fig. 1.8. Fases del proceso de digestión anaeróbica......................................................................................... 30 Fig. 1.9. Digestor de cúpula fija .......................................................................................................................... 43 Fig. 1.10. Esquema de un digestor de cúpula flotante ..................................................................................... 43 Fig. 1.11. Esquema de un digestor de mezcla completa .................................................................................. 44 Fig. 1.12. Esquema de un digestor de flujo horizontal .................................................................................... 44 Fig. 1.13. Esquema de un digestor con recirculación de lodos....................................................................... 44 Fig. 1.14. Esquema de un filtro anaerobio......................................................................................................... 46 Fig. 1.15. Esquema de un reactor de película fija............................................................................................. 46 Fig. 1.16. Esquema de un reactor de película fija sobre soportes libres........................................................ 46 Fig. 1.17. Esquema de un reactor de lecho de lodos ........................................................................................ 47 Fig. 1.18. Esquema de un reactor de lecho expandido..................................................................................... 47 Fig. 1.19. Esquema de un digestor multietapa compuesto por un reactor hidrolítico-acidogénico apto para sustratos con un elevado contenido en sólidos y un reactor metanogénico tipo filtro anaerobio…48 Fig 1.20. Índice de Humedad (porcentaje diario de CO2 fijado -en tanto por uno y respecto al máximo posible - en función de la duración de la sequía del suelo) ............................................................................. 81 Fig. 2.1. Dispositivo para el cultivo de levaduras en cámara termoestática ............................................... 128 Fig. 2.2. Cilindro exterior (izda.) y pistón (dcha.) de un digestor GA antes de su montaje final ............ 134 Fig. 2.3. Esquema de un digestor GA completo, con sustrato ...................................................................... 134 Fig. 2.4. Instalación experimental de biogás ................................................................................................... 137 Fig. 2.5. Esquema parcial de la instalación durante el proceso de análisis de gas..................................... 138 Fig. 3.1. Evolución de la producción media acumulada de biogás para cada combinación de materias primas empleadas en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch (volumen medido) ................................................................................................................................................................. 156 Fig. 3.2. Producción media diaria de biogás en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch (volumen medido) ...................................................................................................................... 156 Fig. 3.3. Valores de pH para el conjunto de digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .............................................................................................................. 157 Fig. 3.4. Alcalinidad media en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .............................................................................................................. 158 Fig. 3.5. Contenido medio de ácidos grasos volátiles en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch ................................................................... 159 Fig. 3.6. Relación AGV/ALC media para el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch ............................................................................................. 160 V Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. 3.7. DQO media en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch .............................................................................................................. 161 Fig. 3.8. Concentración media de sólidos totales y volátiles en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch............................................................... 162 Fig. 3.9. Producción media diaria de metano durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) ................................................................................. 165 Fig. 3.10. Producción acumulada de metano durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) ................................................................................. 165 Fig. 3.11. Contenido porcentual de metano en el biogás obtenido durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua .................................................................................................................................... 167 Fig 3.12. Valores de pH para el conjunto de digestores, a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua .................................................................................................................................... 168 Fig. 3.13. Contenido medio en alcalinidad en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ................................................................................................................... 170 Fig. 3.14. Contenido medio en ácidos grasos volátiles en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua ......................................................................................... 170 Fig. 3.15. Relación AGV/ALC en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua .................................................................................................................................... 171 Fig. 3.16. Contenido medio en sólidos totales en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua .............................................................................................................. 172 Fig. 3.17. Contenido medio en sólidos volátiles en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua .............................................................................................................. 173 Fig. 4.1. Semilla de tomate extraída del digestor 1 tras 270 días en funcionamiento. A la izquierda, tal y como se halló en el digestor. A la derecha, tras seccionarla con un bisturí de modo que pueda apreciarse su interior ........................................................................................................................................... 178 Fig. 4.2. Producción media diaria de biogás (medido) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) ................................................................................................................................................. 182 Fig. 4.3. Producción media diaria de biogás (medido) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) y pH medio en los mismos ................................................................................................. 183 Fig. 4.4. Producción diaria de biogás (L digestor-1) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) y evolución de la alcalinidad. Media semanal .................................................................... 184 Fig. 4.5. Producción diaria de biogás (L digestor-1) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) y evolución de la relación AGV/ALC. Media semanal ..................................................... 184 Figura 4.6. Evolución del porcentaje de metano en el biogás y de la relación AGV/ALC media semanal correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) ......................................................... 186 Fig. 4.7. Evolución del contenido en sólidos totales, sólidos volátiles, y sólidos volátiles + alcalinidad parcial, a lo largo de la experiencia .................................................................................................................. 188 Fig. 4.8. Relación entre la carga orgánica empleada y la producción diaria de biogás y metano ........... 191 Fig. 4.9. Porcentaje de sólidos volátiles eliminados en función de la carga orgánica ............................... 191 Fig. 4.10. Rendimiento medio de los digestores en función de la carga orgánica empleada ................... 192 Fig. 4.11. Volumen diario de metano (L digestor-1) y alcalinidad. Media semanal para el conjunto de digestores .............................................................................................................................................................. 194 Fig. 4.12. Volumen diario medio de metano (L digestor-1) y relación AGV/ALC. Media semanal para el conjunto de digestores ........................................................................................................................................ 195 Figura 4.13. Diagrama con las distintas etapas del proceso de obtención de bioetanol de chumbera. En rojo aparecen los flujos internos de energía .................................................................................................... 200 Figura 4.14. Balance de masas del proceso de obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera. 200 Figura 4.15. Diagrama con las distintas etapas del proceso de obtención de biogás de chumbera ....... 207 Figura 4.16. Balance de masas del proceso de obtención de biogás a partir de biomasa de chumbera.207 VI Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. A.1. Esquema de la parte superior del digestor donde se muestra la acumulación de biogás en el pistón (dcha.) y la posición del mismo una vez el gas ha sido evacuado (izda.)........................................ 238 Fig. A.2. Esquema del desplazamiento del sustrato hacia el espacio dejado por el pistón en su ascenso. 239 Fig. A.3. Esquema del desplazamiento del sustrato hacia el espacio dejado por el tubo de alimentación en su ascenso ........................................................................................................................................................ 240 Fig. A.4. Esquema que muestra el descenso del nivel del sustrato en el interior del pistón como consecuencia de la presión del gas almacenado.............................................................................................. 242 VII Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. ABREVIATURAS EMPLEADAS Kep: Kilogramo equivalente de petróleo. M: Millones MF: Materia fresca MS: Materia seca p/p: peso/peso PCI: Poder calorífico inferior PCS: Poder calorífico superior smf: Sobre materia fresca smo: Sobre materia orgánica sms: Sobre materia seca ST: Sólidos totales SV: Sólidos volátiles SVS: Sólidos volátiles en suspensión tep: Tonelada equivalente de petróleo. v/v: volumen/volumen VIII Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. RESUMEN El presente trabajo trata sobre el potencial del cultivo de chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Miller) para la obtención de dos biocombustibles: bioetanol y biogás. Para lograr este objetivo se ha estudiado, por una parte, el empleo de procedimientos orientados a la producción de bioetanol no celulósico a partir de cladodios de chumbera, lo que ha dado como resultado rendimientos de entre 156 y 221 litros de etanol por cada tonelada de materia seca de biomasa, y, por otra, la obtención de biogás mediante la digestión anaeróbica de los mismos en régimen mesófilo, donde se han hallado rendimientos en torno a 198 m3 de metano por tonelada de materia seca. Una vez determinado el potencial de la materia prima se han diseñado procesos para una escala industrial que permitan la transformación de los cladodios de chumbera en ambos biocombustibles y se han determinado sus balances energéticos, los cuales han dado como resultado la autosuficiencia de ambos procesos, obteniéndose, además, un excedente térmico de 1.235 kcal L-1 de etanol producido, y en torno a 140 kep de energía total (térmica + eléctrica) por tonelada de materia seca empleada en la digestión anaeróbica. Por último se ha estimado el potencial de producción de ambos combustibles en un área apta para el cultivo de la chumbera. En concreto, este estudio se ha llevado a cabo para la provincia de Almería, elegida por tratarse de una zona con cierta tradición en el manejo de esta planta y presentar un clima semiárido mediterráneo. La superficie apta para el cultivo de la chumbera en esta provincia se ha estimado en 100.616 ha y el rendimiento medio del cultivo en 5 t MS ha-1 año-1. En el caso del bioetanol esto implicaría un potencial de producción en torno a 82.158 m3 año-1 que podrían dar lugar a la creación de dos macrodestilerías (con una producción de 100.000 L diarios) o de 49 microdestilerías (con 5.000 L diarios de producción). Si se optara por la transformación de la biomasa de chumbera en metano, podrían obtenerse 99,4 M de metros cúbicos, lo cual permitiría el establecimiento de 79 plantas de cogeneración de 500 kW cada una. IX Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. ABSTRACT The present work deals with the potential of prickly pear (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) biomass as a feedstock for bioethanol and biogas. In order to reach this objective different procedures aiming at the production of non-cellulosic bioethanol from cladodes were carried out; yields from156 to 221 litres of bioethanol per ton of dry matter were found. Mesophilic anaerobic digestion of cladodes was also studied and yields around 198 m3 of methane per ton of dry matter were reached. From these results, processes on an industrial scale were designed for both pathways of energy conversion of prickly-pear biomass and the respective energy balances were calculated. They resulted to be self-sufficient from an energetic point of view; the bioethanol pathway generated a thermal energy surplus of 1,235 kcal per litre of ethanol, while around 140 kep of total energy (heat + electricity) were obtained from the anaerobic digestion of one ton of dry cladodes. Finally, the potential production of both biofuels from prickly pear biomass was estimated for a specific area. The province of Almeria was chosen because of its climate conditions and the previous existence of prickly pear plantations. The area suitable for prickly pear cultivation in the province was estimated at a maximum of 100.616 ha, with an average yield of about 5 t DM ha-1 year-1. If prickly pear biomass were cropped for bioethanol in Almeria, the potential production of bioethanol could reach 82,158 m3 year-1, in either two macrodistilleries (100,000 L day-1) or 49 microdestilleries (5,000 L day1 ). If the biogas pathway were preferred, 99. 4 Mm3 of methane could be reached and this would represent 79 CHP plants (500 kW each one). X Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 0. OBJETO E INTERÉS DEL TEMA En el presente trabajo se evalúa el potencial del cultivo de chumbera (Opuntia ficus – indica (L.) Miller) para la obtención de dos biocombustibles: bioetanol no celulósico y biogás en régimen mesófilo. Una vez determinado el potencial de la materia prima para la obtención de cada uno de los biocombustibles reseñados, se diseñan procesos a escala industrial que permitan la transformación de los cladodios de chumbera en ambos productos, y se determinan los balances energéticos de los mismos. Por último se estima el potencial de producción de ambos combustibles en un área apta para el cultivo de la chumbera. En concreto, este estudio se lleva a cabo para la provincia de Almería, elegida por tratarse de una zona con cierta tradición en el manejo de esta planta y presentar un clima semiárido mediterráneo, poco apto para los cultivos alimentarios de secano. El interés del presente trabajo se enmarca en el creciente desarrollo de la biomasa como alternativa al empleo de combustibles fósiles, y, en concreto, en la búsqueda de cultivos energéticos capaces de adaptarse con éxito a tierras que, en la actualidad, se consideran inadecuadas para la producción agrícola tradicional. Tal es el caso de la chumbera, planta adaptada a zonas cálidas y áridas, cuya biomasa contiene un elevado porcentaje de hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa, junto con un bajo contenido en lignina, lo que la convierte en una materia prima prometedora para la obtención de los dos biocombustibles objeto de estudio. Las zonas cálidas áridas, y semiáridas, se caracterizan por una marcada marginalidad para la agricultura, consecuencia, no sólo de la escasez de precipitaciones, sino también de lo errático de las mismas. En estas circunstancias, la chumbera se convierte en uno de los pocos cultivos capaces de mantener una producción sostenible. Esta planta presenta una morfología perfectamente adaptada a la lucha contra la desecación, a la captación de agua tras fenómenos tormentosos y al posterior almacenamiento de la misma en sus tejidos. Este hecho, junto con un metabolismo tipo CAM que le permite un extraordinario ahorro en las pérdidas de agua por transpiración, permiten a este cultivo adaptarse a la escasez e impredecibilidad de la precipitación en estas zonas. 1 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 1. INTRODUCCIÓN 2 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 1.1. El bioetanol como biocarburante. 1.1.1. Definición. Biocarburantes basados en el bioetanol. Conforme al artículo 2 de la ORDEN ITC/2877/2008, de 9 de octubre, se denomina bioetanol al “alcohol etílico producido a partir de productos agrícolas o de origen vegetal, ya se utilice como tal o previa modificación o transformación química”. Este bioetanol puede obtenerse por vía bioquímica o termoquímica. En el primer caso procede, fundamentalmente, de la fermentación de monosacáridos, (principalmente hexosas) mediante el empleo de diversos microorganismos, entre los que destacan las levaduras pertenecientes al género Saccharomyces. En el caso del bioetanol obtenido por vía termoquímica (cuantitativamente mucho menos importante), la síntesis de este producto se logra mediante la gasificación y posterior catálisis de la biomasa empleada. De cualquier forma, el bioetanol que pretenda utilizarse en vehículos a motor debe cumplir una serie de requisitos técnicos, los cuales están recogidos –en el caso de España- en la norma UNE-EN 15376. La utilización del bioetanol como biocarburante se centra, en esencia, en tres productos: 1. Etanol hidratado. Se trata de la mezcla azeotrópica de etanol y agua. Es un combustible ampliamente utilizado en Brasil, cuya legislación limita el volumen de agua en la mezcla a un máximo del 4,9% (ANP, 2011). Se emplea en motores de ciclo Otto adaptados a los requerimientos específicos del carburante 2. Mezclas de etanol anhidro y gasolina en distintas proporciones. Se nombran habitualmente conforme a la nomenclatura EX, donde X representa el porcentaje de etanol en la mezcla. Algunos de los existentes a nivel comercial en distintos países del mundo son: E5, E10, E25, E75, y E85. Se utilizan, principalmente, en los llamados FFV (Flexible Fueled Vehicles), capaces de detectar la composición del combustible suministrado y adaptar los parámetros de combustión a la misma. 3. Líquidos derivados. Como el ETBE (etil terc-butil éter), empleado para aumentar el índice de octanaje de la gasolina. 1.1.2. Materias primas empleadas en la producción de bioetanol Las materias primas empleadas para la obtención de bioetanol se agrupan en función de la disponibilidad y accesibilidad de los monosacáridos contenidos en ellas a la hora de ser fermentados por las levaduras. De acuerdo con esto, se establecen los siguientes grupos: 1. Materias primas ricas en azúcares: Contienen elevadas cantidades de azúcares tales como la sacarosa, la glucosa y la fructosa. Estos pueden ser convertidos en etanol mediante levaduras del género Saccharomyces. Los cultivos tradicionales más 3 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. importantes pertenecientes a este grupo son la caña de azúcar (Saccharum officinarum L.), y la remolacha azucarera (Beta vulgaris L. subsp. vulgaris var. altissima Döll). Entre los cultivos emergentes destaca el sorgo azucarero (Sorghum bicolor (L.) Moench). Finalmente, ciertos residuos de la industria agroalimentaria – entre los que destacan aquellos procedentes de la industria vinícola – pueden considerarse dentro de este grupo de materias primas. 2. Materias primas ricas en polisacáridos de reserva: Contienen un alto porcentaje de hidratos de carbono que deben ser hidrolizados (convertidos en azúcares solubles) para que las levaduras puedan proceder a su fermentación. Estos carbohidratos suelen ser el almidón o la inulina. Entre los cultivos tradicionales más importantes de este grupo se encuentran los cereales para grano (maíz (Zea mays L.) en EE.UU; trigo (Triticum spp.) y cebada (Hordeum vulgare L.) en Europa) y la mandioca (Manihot esculenta Crantz). Entre los nuevos cultivos energéticos destaca la pataca (Helianthus tuberosus L.). Al mismo tiempo, están siendo estudiadas determinadas microalgas que tienden a acumular almidón (Brennan y Ofende, 2010). Es, en este grupo de materias primas, dónde mejor se podría encuadrar la biomasa de chumbera. 3. Materias primas ricas en celulosa y hemicelulosa: Estos compuestos, si se presentan en su forma natural, deben ser sometidos a pretratamientos que disgreguen la matriz lignocelulósica en la que se encuentran, para permitir su posterior hidrolizado, y, tras esto, la fermentación de los monosacáridos que los conforman. La hidrólisis de la celulosa rinde, en última instancia, glucosas. La de la hemicelulosa, por el contrario, una mezcla variable de monosacáridos, entre ellos, pentosas. Estas últimas no pueden ser fermentadas a etanol por las levaduras Saccharomyces spp. convencionales, por lo que es necesario recurrir a otros microorganismos, aún en fase de desarrollo. Existen multitud de cultivos aptos para obtener este bioetanol, llamado de segunda generación, a partir de su contenido en celulosa y hemicelulosa. De entre ellos, se prefiere aquellos con un contenido en lignina proporcionalmente bajo, para evitar los gastos derivados de los pretratamientos. Destacan algunos cultivos leñosos, como el chopo (Populus spp.), y herbáceos como el miscanto (Miscanthus spp.), el cardo (Cynara cardunculus L.), o las especies Phalaris arundinacea L. y Panicum virgatum L., así como ciertas variedades de cereales seleccionadas originalmente para forraje, como determinados centenos (Secale cereale L.) y triticales (×Triticosecale Wittm. ex A.Camus). Por último, suelen incluirse aquí una gran mayoría de los residuos o subproductos agrarios y forestales susceptibles de ser transformados en etanol, entre ellos la paja de cereal y el serrín, así como los bagazos obtenidos en las extracciones de azúcares de las materias primas contenidas en los dos grupos anteriores (y especialmente del primero). 1.1.3. Producción de bioetanol por vía bioquímica. 1.1.3.1. La fermentación alcohólica. El proceso de obtención de bioetanol por vía bioquímica se basa, tal y como se ha mencionado, en la fermentación alcohólica de monosacáridos mediante el empleo de microorganismos. Entre ellos destacan las levaduras pertenecientes a distintas cepas de la especie Saccharomyces cerevisiae, capaces de fermentar determinadas hexosas conforme a la reacción: C6H12O6 + H2O Æ 2C2H5OH + 2CO2 + H2O 4 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. El rendimiento teórico (hexosas/etanol) de la misma es del 51,1 % (en peso). En la práctica, rendimientos en torno al 47% pueden considerarse habituales (Fernández, 2008). Desde un punto de vista energético – considerando los poderes caloríficos de ambas sustancias - el rendimiento teórico de la reacción se sitúa en torno al 90%. 1.1.3.1.1. Microorganismos productores de etanol En la actualidad, prácticamente todo el bioetanol producido en instalaciones industriales se obtiene mediante el empleo de S. cerevisiae en la fermentación de glucosas y fructosas presentes como tales en las materias primas o procedentes de la hidrólisis de la sacarosa o el almidón contenidos en ellas. Las levaduras pertenecientes a S. cerevisiae son capaces de fermentar también otras hexosas tales como la manosa y –en el caso de ciertas cepas- la galactosa, y, al mismo tiempo, tienen la habilidad de hidrolizar disacáridos como la sacarosa, la maltosa, y, en algunos casos, la melobiosa, obteniendo de este modo hexosas posteriormente fermentables. Además de S. cerevisiae, existen otros microorganismos capaces de transformar hexosas en etanol. Entre ellos se encuentran algunas levaduras pertenecientes al género Kluyveromyces (como K. marxianus y K. thermotolerans), y bacterias tales como Zymomonas mobilis, Klebsiela oxitoca o Escherichia coli. El interés en el estudio de las bacterias etanologénicas está motivado por la rapidez con la que pueden llevar a cabo la transformación del sustrato: cuestión de minutos, frente a las horas empleadas por las levaduras. Además, en el caso de Z. mobilis, el rendimiento en el proceso de transformación es superior al obtenido con la levadura S. cerevisiae (su producción de etanol puede llegar a ser entre un 5 y un 10% superior, de acuerdo con Shashi, 2011) En cuanto a las pentosas, ningún microorganismo estudiado, de los existentes en la naturaleza, puede llevar a cabo la fermentación etílica del conjunto de las mismas. Las levaduras Kluyveromyces marxianus, Pichia stipitis, Candida shehatae, y C. parapsilosis pueden fermentar la xilosa, mientras que las bacterias Klebsiela oxitoca y E.coli pueden hacer lo propio con la arabinosa. No es de extrañar, por tanto, que se hayan creado mutantes artificiales tanto de S. cerevisae como de Zymomonas. mobilis capaces de fermentar xilosa, y, de hecho, existen cepas artificiales, tanto de E. coli como de K. oxitoca, capaces de fermentar todos los azúcares derivados de la biomasa lignocelulósica. Esta innovación presenta, sin embargo, diversos inconvenientes en el caso de la producción de etanol mediante E. coli. Entre ellos: menor rendimiento de fermentación frente a Z. mobilis (en cepas modificadas que fermentan los mismos tipos de azúcares), crecimiento en un rango de pH estrecho, situado, además, en torno a la neutralidad (6,0 – 8,0), menor rusticidad (en comparación con las levaduras), existencia de una cierta controversia respecto a los peligros de las cepas mutadas de esta especie, y falta de estudios acerca de la posible utilización de su biomasa residual para la alimentación del ganado. La Klebsiela oxitoca, por su parte, es una enterobacteria capaz de vivir a pHs tan bajos como 5 y a temperaturas de hasta 41ºC, y puede alimentarse, además, de otros sustratos, tales como la celobiosa y la celotriosa. 5 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 1.1.3.1.2. Condiciones ambientales del proceso de fermentación alcohólica Temperatura A escala industrial, el rango de temperaturas en el que habitualmente se lleva a cabo la fermentación destinada a la producción de bioetanol con la levadura S. cerevisiae es de 33 – 35ºC, de acuerdo con Zimbardi et al (2002). Existen, por otra parte, diversas cepas capaces de llevar a cabo este proceso a temperaturas entre los 20 y los 40 ºC (Lesaffre, 2011), e incluso ligeramente superiores (entre 40 y 43ºC, según Abdel-Fattah, 2000). Los cultivos de la especie Kluyveromices marxianus, por su parte, son capaces de crecer a temperaturas de 48ºC (Carrillo, 2003), y se ha comprobado la capacidad de algunas de sus cepas para producir bioetanol a gran escala a temperaturas de 40 – 43ºC (Abdel-Fattah, 2000). pH La fermentación alcohólica mediante el empleo de levaduras se lleva a cabo a pHs ligeramente ácidos. El rango idóneo de valores depende de cada especie y variedad y cuanto menor es, más fácilmente se evita la contaminación bacteriana del medio. De acuerdo con Carrillo (2003) la mayoría de las levaduras pueden toleran medios de cultivo con valores de pH entre 3 y 10, pero prefieren aquellos que presentan un pH entre 4,5 y 6,5. En el caso de S. cerevisiae, Joosten y Peters (2010), en una experiencia que implicaba la conversión de sacarosa en etanol a pHs variables entre 2,8 y 8,3, obtuvieron los mejores resultados en el rango de valores que va del 4,8 al 6. Retamal (1986), por su parte, estudió la influencia de distintos valores de pH (entre 3 y 4) sobre la fermentación de cladodios de chumbera previamente sometidos a hidrólisis ácida, y obtuvo los mejores resultados a pH = 3,8. Nutrientes La principal fuente de carbono de los microorganismos empleados en la fermentación alcohólica es el conjunto de azúcares metabolizables presentes en el sustrato. Debido a cuestiones relativas a la osmotolerancia, las levaduras no pueden desarrollar su actividad en medios cuya concentración en azúcares supere el 40%. A nivel industrial, concentraciones del 14 al 18% suelen permitir rendimientos de fermentación óptimos con S. cerevisiae (Zimbardi et al, 2002). En cuanto al nitrógeno, esta levadura puede emplear aminoácidos y compuestos amoniacales como fuentes del mismo, pero no es capaz de asimilar compuestos nítricos o nitrosos. La relación C/N en sustratos tales como la melaza de caña o el mosto de uva se ubica en torno a 16, y ambos sustratos son ampliamente utilizados en la fermentación alcohólica sin el empleo habitual de nitrógeno suplementario. Además de estos dos elementos, otros considerados como indispensables para el adecuado desarrollo de las levaduras son el fósforo, el magnesio, el azufre, el calcio, el hierro, el cobre, y el cinc. Según datos recogidos por Ertola (1994), algunos valores de concentraciones de microelementos dados para el crecimiento óptimo de cultivos de S. cerevisiae son: 200 µg L-1 de Zn, 75 µg L-1 de Fe y 12-15 µg L-1 de Cu. Oxígeno disuelto La fermentación alcohólica es un proceso que se lleva a cabo en condiciones de anaerobiosis y en determinadas condiciones aeróbicas. Las levaduras S. cerevisiae son organismos anaerobios facultativos que emplean esta ruta metabólica en situaciones en las que no existe oxígeno suficiente como para llevar a cabo la completa oxidación de los azúcares mediante un proceso 6 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. de respiración o, debido al efecto Crabtree, cuando la concentración de glucosa en el medio alcanza determinados valores (e independientemente de la existencia de oxígeno en el mismo). Densidad celular En una planta industrial, y de acuerdo con Zimbardi et al (2002), el rango medio de valores que alcanza la densidad celular de S. cerevisiae en una cuba de fermentación de jugos o melazas de caña oscila entre el 8 y el 17% (en volumen). En el caso de Ethanol Red, una cepa de la misma especie seleccionada específicamente para la obtención de bioetanol, sus desarrolladores proponen inóculos que permitan la existencia de entre 5 y 10 millones de células por mililitro de sustrato, lo que supone – aproximadamente – entre 25 y 50 gramos de levadura seca por hectolitro (Lesaffre, 2011). Concentración de etanol Como producto de la fermentación y residuo de la de alimentación de las levaduras, el etanol puede considerarse como inhibidor del propio proceso de fermentación. De acuerdo con Zimbardi et al (2002), concentraciones por encima del 10% (v/v) son capaces de eliminar diversas cepas de S. cerevisiae, aunque otras son capaces de sobrevivir a concentraciones de hasta el 17% (v/v). En el caso de la levadura selecta Ethanol Red, sus creadores exponen que puede tolerar sin problemas concentraciones de etanol de hasta el 18% (v/v) (Lesaffre, 2011). 1.1.3.1.3. Sistemas de fermentación. En función del modo de alimentación del reactor donde se lleva a cabo este proceso, se distinguen tres sistemas de fermentación: 1. Discontinuo (batch). Es un sistema de fermentación “por tandas”; tras introducir en el reactor el sustrato a fermentar y la levadura (o bacteria, en su caso), se cierra el mismo y se produce la fermentación hasta alcanzar los niveles de etanol deseados. Una vez que esto ha ocurrido, todo el material es conducido hacia la siguiente fase del proceso. La gran ventaja de este sistema es la reducción del impacto de cualquier posible contaminación microbiana del medio, que queda limitada a la “tanda” de sustrato correspondiente. 2. En lotes alimentados (fed-batch) En este sistema el reactor es alimentado conforme se va consumiendo el sustrato, hasta alcanzar las concentraciones de etanol deseadas, tras lo cual, todo el material es conducido hacia la siguiente fase del proceso. 3. Continuo En este sistema existe un flujo continuo de entrada de sustrato en el reactor y otro de salida de producto del mismo. En ocasiones, cuando el flujo es intermitente a lo largo del tiempo, se habla de sistema semicontinuo. 1.1.3.2. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en azúcares Las principales materias primas ricas en azúcares empleadas para la producción de bioetanol son la caña de azúcar y la remolacha azucarera. 7 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 1.1.3.2.1. Producción de bioetanol a partir de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) La caña de azúcar contiene entre un 12 y un 17% de azúcares, de los cuales el 90% es sacarosa y el 10% restante una mezcla de glucosa y fructosa (Zimbardi et al, 2002). El método más común de extracción de estos compuestos es el prensado mediante el empleo de molinos (en ocasiones con adición simultánea de agua caliente, para facilitar la separación de los azúcares). La eficacia de los mismos se sitúa en torno al 95%, y como resultado de este proceso se obtiene un residuo sólido rico en fibra (bagazo) y un líquido azucarado (jugo de caña). En Brasil, el principal productor mundial de bioetanol de caña de azúcar, existen dos enfoques a la hora de procesar el jugo de caña: la obtención combinada de azúcar y bioetanol, y la producción de bioetanol únicamente. En el primer caso, el jugo de caña es refinado mediante la adición de sustancias químicas que faciliten la floculación y precipitación de las impurezas contenidas en el mismo. Posteriormente, su temperatura se eleva hasta los 110ºC para evitar contaminaciones bacterianas, tras lo cual es sometido a un proceso de concentración por evaporación y los cristales de azúcar así obtenidos son separados del medio mediante centrifugado. El líquido resultante es conocido como melaza, y su contenido en azúcares suele oscilar en torno al 65% (Zimbardi et al, 2002). Finalmente, esta melaza, destinada a la producción del etanol, es diluida hasta alcanzar la concentración de azúcares idónea para la fermentación (14 – 18%, como se expuso anteriormente). En el caso de destilerías cuyo único producto es el etanol, el jugo también es refinado, esterilizado, y sometido posteriormente a evaporación –si fuera necesario- para alcanzar la mencionada concentración idónea de azúcares. Tras esto es decantado y fermentado. La fermentación, se lleva a cabo con Saccharomyces cerevisiae en la condiciones expuestas en el apartado anterior, y, habitualmente, en sistemas tipo batch. En ocasiones se lleva a cabo una recuperación de levaduras tras la fermentación (por decantación, centrifugado y métodos similares). Esto abarata los costes de adquisición de las mismas, pero requiere del empleo de antibióticos para evitar las contaminaciones bacterianas (Zimbardi et al, 2002). Posteriormente el efluente líquido es sometido a un proceso de destilación. El primer paso de esta fase es una destilación convencional, lo que permite obtener una mezcla con una concentración de etanol en torno al 45 – 50% (Sánchez y Cardona, 2005).Tras esto, y mediante el empleo de una columna de rectificación, la concentración del destilado se aumenta hasta valores en torno al 95%. Si el objetivo perseguido es la producción de etanol hidratado, el proceso finaliza en este punto, pero si – por el contrario- se pretende obtener etanol anhidro, es necesario elevar la concentración de alcohol en el destilado. Para ello, se han desarrollado diversas tecnologías: Destilación a bajas presiones (o destilación “a vacío”): Este sistema, según Sánchez y Cardona (2005), hace uso del cambio en el equilibrio de fases a presiones inferiores a la atmosférica, lo que conlleva la desaparición del azeótropo por debajo de los 6kPa. Presenta el inconveniente de que para obtener un producto de alta pureza es necesario utilizar torres con gran número de etapas (por encima de 40) y con altas relaciones de reflujo, lo que implica elevados costes de 8 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. capital y energéticos debido al mantenimiento del vacío en columnas con gran cantidad de platos. Destilación azeotrópica: Según Sánchez y Cardona (2005) consiste en la adición de un tercer componente a la mezcla etanol-agua que forma nuevos azeótropos que facilitan la separación en esquemas tecnológicos que involucran dos o tres columnas de destilación. Entre las sustancias (llamadas arrastradores) que se agregan a las mezclas de etanol-agua se utiliza principalmente el benceno, aunque también el tolueno, el n-pentano (y el ciclohexano, según Zimbardi et al, 2002). El proceso consiste en una columna de deshidratación (columna azeotrópica) que se alimenta con una mezcla de cerca de 90% de alcohol. A esta columna se le agrega en el plato superior el benceno, mientras de la parte inferior se retira alcohol anhidro con una concentración de agua menor al 1%. El vapor de salida de la parte superior de la columna, con una composición igual o cercana a la del azeótropo ternario, se condensa y lleva a un separador en donde la fracción rica en agua alimenta a una pequeña columna de lavado (columna despojadora) para la regeneración del arrastrador, mientras la otra fracción se recircula como reflujo a la parte superior de la columna azeotrópica. Destilación extractiva. Surge como alternativa al empleo del benceno (que es un producto carcinógeno). Mediante este método, según exponen Sánchez y Cardona (2005) la tercera sustancia que se agrega (denominada disolvente) modifica la volatilidad relativa de los componentes de la mezcla etanol-agua sin formar nuevos azeótropos, facilitando así la separación. El disolvente debe ser de baja volatilidad para que su separación en la segunda torre de destilación, donde se recupera, sea mucho más fácil. Como disolvente se ha usado tradicionalmente etilenglicol, pero los costes energéticos son mayores comparados con la destilación azeotrópica con benceno. Además de este compuesto, se ha estudiado el empleo de agentes extractivos salinos como el acetato de potasio para emplearlos en procesos de destilación extractiva. En este caso, la recuperación del disolvente se realiza por evaporación y secado por aspersión para la recuperación de la sal (Ligero y Ravagnani, 2003). Por último, se está estudiando el empleo de polímeros hiper-ramificados como poliesteramida y poliglicerol hiper-ramificado para la separación de mezclas etanol-agua, ya que exhiben una gran eficiencia y sus características se pueden escoger a voluntad (Seiler et al., 2003). Adsorción Consiste en el empleo de tamices moleculares (elaborados con aluminosilicatos de potasio) de tal modo que las moléculas de agua pasen a través de sus poros (o sean adsorbidas por sus paredes internas) al tiempo que el etanol, debido al mayor tamaño de su molécula, quede retenido en la superficie del tamiz (Sánchez y Cardona, 2005). Estos tamices deben ser regenerados y sustituidos cada cierto tiempo, por lo que este sistema de separación se considera costoso (Vargas, 2008). Pervaporación (evaporación a través de membranas) Es una operación basada en la separación de dos componentes mediante una membrana selectiva bajo un gradiente de presión. En este caso, la membrana es de polivinil alcohol (permeable al agua) y el gradiente se logra mediante la aplicación de vacío en el lado del permeado. Una variante de este proceso es la permeación de vapor, en la cual, la corriente de alimentación es gaseosa, y, gracias a esto, el flujo de materia, mayor (Sánchez y Cardona, 2005). Según Vargas (2008), la pervaporación es un sistema costoso y, por ello, no empleado a escala industrial. Utilización de fluidos supercríticos. Se basa en la gran capacidad de solubilización de un fluido a temperatura y presión superiores a las de su punto crítico líquido-vapor. Budich y Brunner 9 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. (2003) han utilizando CO2 supercrítico (333,2 K y 10 MPa) en contracorriente para la recuperación de etanol de mezclas acuosas, siendo regenerado el disolvente mediante un sistema de destilación multietapa y obteniendo una concentración de etanol en el extracto de 99,5% en peso (Sánchez y Cardona, 2005). En la Tabla 1.1 se recogen los consumos energéticos específicos (por litro de bioetanol obtenido) publicados por diversos autores, tanto para el proceso completo de destilación, como para sus distintas fases. Tabla 1.1. Consumos energéticos específicos en el proceso de destilación. Autores Proceso completo de destilación Energía consumida (1) (Kcal L-1) Tomsa Destil, S.A.(2008) Obtención de etanol anhidro 4220 Destilación BNDS-CGEE-FAO-CEPAL (2008) Convencional + Rectificación 1791 - 2090 Destilación (deshidratación) BNDS-CGEE-FAO-CEPAL (2008) Azeotrópica con ciclohexano 896 - 1194 Chianese y Zinnamosca (1990) Kiss y Suszwalak (2011) Sun et al (2011) Kiss y Suszwalak (2011) Azeotrópica con benceno Azeotrópica con n-pentano Azeotrópica DWC(2) con ciclohexano Azeotrópica DWC con n-pentano 916 1210 1489 965 Chianese y Zinnamosca (1990) Kiss y Suszwalak (2011) Meirelles et al (1992) Gil et al (2008) Gil et al (2005) Uyazán (2006) 600 347 332 269 306 278 Ligero y Ravagnani (1993) Kiss y Suszwalak (2011) Extractiva con gasolina Extractiva con etilenglicol Extractiva con etilenglicol Extractiva con etilenglicol y CaCl2 Extractiva con etilenglicol y glicerol Extractiva con glicerol Extractiva con etilenglicol y KCH3CO2 Extractiva con KCH3CO2 Extractiva DWC con etilenglicol 1749 313 Carmo y Gumulin (1997) Adsorción (tamiz molecular) 270 Pervaporación 868 Fu (2004) Batista y Meirelles (1997) 676 -1 (1) Considerando una densidad del etanol de 0,79 kg L . (2) DWC = Dividing-wall column (columna de pared divisoria) Entre estas tecnologías, y a escala industrial, las destilaciones son los métodos más empleados (Vargas, 2008). El conjunto de destilaciones implicadas a lo largo del proceso (convencional, de rectificación, y de deshidratación) demandan una gran cantidad de energía, la cual suele obtenerse mediante la combustión del bagazo, previamente secado. En la Figura 1.1 se muestra un diagrama de flujo de los distintos procesos implicados en la obtención de bioetanol a partir de caña de azúcar. 10 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Bagazo Caña de azúcar Molienda Quemado Secado Fermentación Destilación Deshidratación (1) Jugo Tratamiento químico y filtrado Dilución Etanol anhidro Melaza (2) Separación (centrifugado) Concentración (evaporación) Azúcar Fig. 1.1. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol a partir de caña de azúcar (las flechas discontinuas muestran un aporte energético). (1) En destilerías cuyo único producto es el bioetanol (2) En destilerías que producen azúcar y bioetanol A partir de una plantación de caña en Brasil suelen obtenerse entre 78 y 85 t de tallos frescos por hectárea (BNDS-CGEE-FAO-CEPAL, 2008), lo que implica un potencial de producción de bioetanol de unos 7,4 m3 ha-1. La producción de bagazo para estos rendimientos puede situarse, a su vez, en torno a 12,2 t ha-1. Dado que la demanda energética de la destilación suele estimarse en 4,22 Mcal por litro de etanol y que el poder calorífico del bagazo oscila entre 2,5 y 3 Mcal kg-1, las necesidades energéticas del proceso (unas 31.200 Mcal para el etanol procedente de una hectárea de cultivo) quedarían cubiertas por la energía procedente de la combustión del bagazo generado (en torno a 33.500 Mcal). De entre los cultivos emergentes, el sorgo azucarero (Sorghum bicolor (L.) Moench) podría procesarse de un modo muy similar al de la caña de azúcar. Si se considera un rendimiento de tallos en torno a 20 t MS ha-1 y un contenido en azúcares de los mismos del 41,2 % (sms) (Curt et al, 1995), la capacidad de producción de etanol (100%) por unidad de superficie será de, aproximadamente, 5,2 m3 ha-1. En España, ambos cultivos deben establecerse en regadío, pero las necesidades hídricas del sorgo son menores: 500 – 1000 mm año-1, frente a los 1200 – 1500 mm año-1de la caña de azúcar, y el rango de temperaturas en el que puede desarrollarse (8 – 40ºC) también resulta más amplio (el de la caña oscila entre 15 y 41ºC) (FAO, 1992). Por último, la eficiencia en el uso del agua del sorgo (50 - 74 kg MS mm-1 ha-1, según Fernández et al (1992), y Losavio et al (1994)) es mayor que la de la caña (donde 40 kg MS mm-1 ha-1 puede considerarse un valor representativo), y sus requerimientos en cuanto a la fertilidad del suelo, menores según la FAO (1992). 11 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 1.1.3.2.2. Producción de bioetanol a partir de remolacha azucarera (Beta vulgaris L. subsp. vulgaris var. altissima Döll) El contenido en azúcares de las raíces de la remolacha es similar al de la caña (16 – 18%), y el azúcar mayoritario es, de igual modo, la sacarosa. En el caso de esta materia prima, el método de extracción suele ser la difusión, para lo cual las raíces son troceadas y maceradas en agua (recuperada de destilaciones posteriores) a una temperatura de 70 – 80 ºC. Una vez finalizada la maceración, la fracción sólida (pulpa) suele venderse para su empleo en alimentación animal (normalmente tras un secado previo) o en la industria farmacéutica (como fuente de ácido cítrico y ésteres del mismo), mientras que el líquido sigue un proceso de transformación prácticamente idéntico al jugo de caña, ya que, en este caso, también existen destilerías destinadas a la producción de etanol en exclusiva, y a la producción combinada de azúcar y etanol. La fermentación suele llevarse a cabo con Saccharomyces cerevisiae, aunque, según Zimbardi et al (2002), existen plantas que han llegado a emplear Zymomonas mobilis, si bien sólo en sistemas tipo batch. Al igual que en el caso de la caña de azúcar, la recuperación de levaduras es una etapa opcional del proceso. Finalmente, la destilación se lleva a cabo de igual modo que en caso del cultivo anterior. El proceso completo queda esquematizado en la Figura 1.2. Pulpa Raíz de remolacha troceada Difusión Secado Fermentación Venta Destilación Deshidratación (1) Jugo Dilución (2) Etanol anhidro Melaza Separación (centrifugado) Concentración (evaporación) Azúcar Fig. 1.2. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol a partir de remolacha azucarera. (1) En destilerías cuyo único producto es el bioetanol (2) En destilerías que producen azúcar y bioetanol De acuerdo con datos publicados por el MARM (2009), un cultivo de remolacha azucarera puede generar rendimientos medios en torno a 70 t MF ha-1, lo que – considerando el contenido en azúcares de esta materia prima – supondría una producción de etanol (100%) cercana a los 7 m3 por ha. En España, para alcanzar estos rendimientos, el cultivo de remolacha debe ser regado con cantidades de agua que oscilan aproximadamente entre 600 y 700 L m-2 en aquellas 12 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. zonas donde se lleva a cabo la siembra primaveral del cultivo (es decir, en la meseta). Por el contrario, en aquellos lugares más cálidos, donde se lleva a cabo la siembra otoñal (es decir, en Andalucía y Badajoz) el crecimiento de la remolacha coincide con un periodo de mayores precipitaciones y menor evaporación, y es habitual su cultivo en secano (Morillo – Velarde et al, 2001). 1.1.3.3. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en polisacáridos de reserva. El polisacárido de reserva más importante entre las plantas superiores es el almidón. Su transformación en bioetanol requiere del empleo de un paso más que en el caso de los azúcares contenidos en las materias primas anteriores: la hidrólisis del mismo en glucosa y maltosa. A nivel mundial, el grano de diversos cereales es la principal materia prima amilácea destinada a la producción de bioetanol. 1.1.3.3.1. Producción de bioetanol a partir de grano de cereal. En esencia, existen dos grandes procesos destinados a la producción de etanol a partir de grano de cereal a escala industrial: el que parte de la conocida como “molienda en húmedo” (wet milling) y el que lo hace a partir de la molienda en seco (dry milling). Ambos se detallarán a continuación considerando el grano de maíz como sustrato, ya que fueron inicialmente desarrollados para el procesado de esta materia prima (Zimbardi et al, 2002). Molienda en húmedo Es un método cuyo principal interés reside en la recuperación a lo largo del proceso (y de forma mayoritaria durante las primeras etapas) de ciertos subproductos con un alto valor de mercado. Como contrapartida, resulta un método más demandante en energía. Consta, según Zimbardi et al (2002), de las siguientes etapas (véase esquema en Figura 1.3): Macerado: En una solución acuosa con SO2 al 0,1 – 0,2 % a 50ºC durante 24 – 48 horas. De este modo los granos se ablandan y son fácilmente triturables. Del líquido resultante tras la maceración, una parte se empleará para ajustar el pH en el posterior proceso de sacarificación (en valores de 4 a 4,5) y proveerá nutrientes para la subsiguiente fermentación, mientras que la otra se concentrará hasta un 50% y dará lugar al primer subproducto valorizable, conocido como CSL (“corn steep liquor” o licor de maceración del maíz). El contenido proteico del mismo es del 50%, y suele comercializarse mezclado con el Corn Gluten Feed (ver más adelante) para alimentación animal, o emplearse como tal en la industria bioquímica (en la formulación de medios para el crecimiento de microorganismos). Molienda y separación de germen y fibra. En esta etapa se extrae el aceite, y se separa la fracción fibrosa. Separación del gluten: En esta etapa se extrae la fracción proteica conocida como Corn Gluten Meal. Se trata de un subproducto cuyo contenido proteico se sitúa en torno al 60% y se emplea en alimentación animal. 13 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Gelatinización del almidón: En este punto del proceso el material que aun no ha sido retirado está compuesto, de forma prácticamente exclusiva, por la fracción amilácea. La gelatinización consiste en aumentar la temperatura de modo que se genere una pasta en la que existan cadenas de amilosa de bajo peso molecular altamente hidratadas rodeando los agregados, también hidratados, de los restos de los gránulos de almidón. Licuefacción: Mediante el empleo de α – amilasas, el almidón es parcialmente hidrolizado y convertido en una mezcla de dextrinas. Para llevar a cabo este proceso se eleva la temperatura del gel hasta 70ºC, y se añade NaOH hasta alcanzar un pH de 5,5 – 6,2, y CaCl2 para facilitar la estabilización de las enzimas. Sacarificación: En esta fase, un grupo de enzimas conocidas como glucoamilasas hidrolizan las dextrinas dando lugar a moléculas de glucosa. Es un proceso que dura entre 45 y 72 horas. Fermentación: Normalmente mediante el empleo de S. cerevisiae y en las condiciones ya expuestas en el apartado correspondiente. Se emplean tanto sistemas continuos como batch. En ocasiones, se recupera el CO2 para su empleo en bebidas gasificadas y en el relleno de extintores. Destilación: Se lleva a cabo siguiendo el mismo proceso explicado en el caso del bioetanol de caña de azúcar. Las vinazas obtenidas se secan y reciben el nombre de Corn Gluten Feed. Son empleadas en alimentación animal, y su contenido proteico oscila en torno al 20%. Como variantes al método expuesto, pueden considerarse dos de gran importancia: El empleo del sistema SSF y la recuperación de levaduras. La primera consiste en la fusión de las fases de sacarificación y fermentación en una sola etapa (SSF corresponde a las siglas de “simultaneous saccharification and fermentation”). Su principal ventaja consiste en que los productos resultantes de la hidrólisis son eliminados del medio, por lo que no se acumulan y no inhiben la actuación de las enzimas implicadas. Además, la contaminación bacteriana genera un menor impacto en ellos, ya que debe enfrentarse in situ a la competencia por los monosacáridos contra las levaduras, y en un ámbito en el que existe una elevada concentración de etanol, tóxico para muchas de ellas. Entre sus inconvenientes están la necesidad de unos tiempos de retención muy largos (5 – 7 días), lo que los hace poco compatibles con los sistemas continuos, y el hecho de que las condiciones de temperatura y pH sean compartidas por los dos procesos que los integran, pudiendo no ser las óptimas para ninguno de ellos. La recuperación de levaduras es una fase opcional del proceso, al igual que ocurría en la transformación de las materias primas anteriormente mencionadas. Además de estas variantes sobre el conocido como “Proceso estándar de molienda en húmedo” existe una versión simplificada llamada “Molienda en húmedo modificada”, en la cual se eliminan las fases de separación previas para reducir el equipo y, de este modo, abaratar costes. Las vinazas obtenidas mediante este procedimiento son ricas en proteína, grasa, y fibra, y se separan por centrifugado en una fracción sólida (que es posteriormente secada y denominada DDG “distillers dried grain” o grano seco de destilería) y una fracción líquida. Un cierto porcentaje de esta última se reutiliza en el proceso como fuente de nutrientes, mientras que el resto se condensa mediante evaporación y se denomina DDS (“distillers dried soluble” o 14 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. grano soluble de destilería). Ambos productos se emplean en alimentación animal, por separado, o en combinación (formando, en este caso, el subproducto conocido como DDGS “distillers dry grain with solubles”o lías y solubles de destilería) (véase Figura 1.4). Aceite Fibra Molienda y 1ª separación Grano CGM Separación del gluten Almidón Licuefacción Macerado CSL Gelatinización Etanol anhidro CGF Deshidratación CO2 Destilación Sacarificación Fermentación Fig. 1.3. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol y subproductos a partir de grano de maíz según el procedimiento estándar de molienda en húmedo. CSL: Corn Steep Liquor, CGM: Corn Gluten Meal, CGF: Corn Gluten Feed. 15 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Molienda Grano Gelatinización Etanol anhidro Licuefacción CO2 Macerado Deshidratación Destilación Centrifugado Vinazas Sacarificación Fermentación CSL DDG (1) (2) Evaporación DDGS DDS Aceite Fibra Fracción proteica Fig. 1.4. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol y subproductos a partir de grano de maíz según el procedimiento de molienda en húmedo modificada CSL: Corn Steep Liquor, DDS: Distillers Dried Soluble, DDG: Distillers Dried Grain. DDGS: Distillers Dried Grain with Solubles. (1) Procedimiento habitual, sin recuperación fraccionada. (2) Con separación fraccionada de los compuestos contenidos en las vinazas. Molienda en seco Mediante este procedimiento el cereal es molido, mezclado con agua y calentado, para después ser sometido a los procesos de licuefacción, sacarificación, fermentación y destilado de forma prácticamente idéntica a como se describe en la molienda en húmedo. Las vinazas obtenidas son ricas en nutrientes y se procesan del modo descrito para la “Molienda en húmedo modificada”. En este proceso, al igual que ocurre con la molienda en húmedo, la sacarificación y fermentación simultáneas, así como la recuperación de levaduras también son variables posibles. Tanto en el caso de la molienda en húmedo modificada como en la molienda en seco, existe la posibilidad de recuperar de forma fraccionada los compuestos contenidos en las vinazas mediante el empleo de membranas selectivas, con la ventaja añadida – frente a la condensación - de utilizar menos energía en el proceso. Un esquema de este proceso puede verse en la Figura 1.5. 16 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Molienda Hidratación Gelatinización Etanol anhidro Licuefacción CO2 Grano Deshidratación Destilación DDG Centrifugado Vinazas (1) Sacarificación Fermentación (2) Evaporación DDGS DDS Aceite Fibra Fracción proteica Fig. 1.5. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol y subproductos a partir de grano de maíz según el procedimiento de molienda en seco. CSL: Corn Steep Liquor, DDS: Distillers Dried Soluble, DDG: Distillers Dried Grain. DDGS: Distillers Dried Grain with Solubles. (1) Procedimiento habitual, sin recuperación fraccionada. (2) Con separación fraccionada de los compuestos contenidos en las vinazas. Conforme a datos publicados por el MARM (2009), el rendimiento medio del cultivo de maíz en España se sitúa en torno a 10 t MS ha-1 de grano (para lo cual debe cubrirse una demanda de agua de riego de 600 – 700 L m-2, según Mateo Box, 2005). Esto supone un potencial de producción de bioetanol (100%) en torno a 4 m3 ha-1, si se considera un contenido en hidratos de carbono (azúcares y almidón) del 65% (smf) en el grano (FEDNA, 2003). En el caso de cereales como el trigo y la cebada, habitualmente cultivados en secano en España, sus rendimientos en este país podrían ubicarse entre 1,5 y 3,7 t MF ha-1 (MARM, 2009). Esto implica una producción estimada de bioetanol (100%) de entre 0,6 y 1,2 m3 ha-1, considerando un porcentaje conjunto de almidón y azúcares en el grano de entre el 54 y el 62 % (smf) (FEDNA, 2003). Pluviometrías entre los 450 y los 500 mm anuales permiten a la cebada obtener rendimientos como los antes expuestos, mientras que los requerimientos del trigo son ligeramente superiores: entre 500 y 600 mm año-1 (Mateo Box, 2005). 1.1.3.3.2. Producción de bioetanol a partir de mandioca (Manihot esculenta Crantz). En determinadas regiones subtropicales de Sudamérica (por ejemplo en Colombia), y África (Nigeria, noreste de Sudáfrica), así como en China y Tailandia, se emplea este cultivo para obtener bioetanol en destilerías – habitualmente - de pequeño tamaño. El procesado de la raíz de mandioca implica las fases de lavado, decorticado (opcional), y rallado (o triturado) de las mismas, así como la posterior mezcla con agua, de forma previa a la hidrólisis del almidón mediante procedimientos enzimáticos (de igual modo que en el caso de 17 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. los cereales) o termoquímicos. Estos últimos consisten en la utilización de ácidos a altas temperaturas (hidrólisis ácidas) para transformar el almidón en una mezcla de glucosa y maltosa. Tras la hidrólisis, el resto de las fases del proceso de obtención de etanol (fermentación y destilación) ocurren tal y como se ha expuesto en el caso de las materias primas anteriores. Raíz de mandioca Decorticado Rallado Hidrólisis ácida Etanol anhidro (1) (2) Gelatinización Rectificación de pH Licuefacción Deshidratación Destilación Adición de agua Fermentación Sacarificación Fig. 1.6. Diagrama de flujo de los procesos implicados en la obtención de bioetanol a partir de raíz de mandioca. (1) Mediante hidrólisis ácida. (2) Mediante hidrólisis enzimática. Según Kuiper et al (2007) también existe la posibilidad de procesar la mandioca mediante métodos muy similares a los empleados en el caso de los cereales (procedimiento estándar de molienda en húmedo, y molienda en seco). Se partiría para ello de láminas (chips) de raíz, desecadas hasta un contenido máximo de humedad del 14% (un producto en el que habitualmente se transforman las raíces de mandioca, para evitar su deterioro) y podrían recuperarse así subproductos tales como fibra y proteína. El rendimiento de la mandioca es muy variable (10 – 40 t MF ha-1) (Kuiper et al, 2007) aunque 25 t MF ha-1 puede considerarse un valor representativo, en plantaciones adecuadamente manejadas. Si se tiene en cuenta este rendimiento, un porcentaje de materia seca de la raíz del 33% (Cobana y Antezana, 2007) y un contenido aproximado de almidón y azúcares del 80% (sms) (FEDNA, 2003), la producción de etanol de este cultivo podría alcanzar los 3,9 m3 por hectárea. Para su adecuado desarrollo, la mandioca requiere entre 1000 y 1500 mm anuales de precipitación, valores ligeramente inferiores a los de la caña de azúcar, aunque su principal ventaja sobre este cultivo viene dada por sus menores requerimientos edáficos (FAO, 1992). De entre los cultivos emergentes, la pataca (Helianthus tuberosus L.) podría procesarse de un modo similar a la mandioca. En el caso de los tubérculos de esta planta el polisacárido de reserva mayoritario es la inulina, mucho más fácilmente hidrolizable mediante procedimientos termoquímicos que el almidón. Un cultivo de pataca produce entre 70 y 80 t MF ha-1 de tubérculos, lo que podría implicar entre 4 y 7 m3 de etanol por hectárea (Fernández, 2008). La pataca es, además, un cultivo rústico, que puede generar rendimientos similares a los antes 18 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. expuestos (de 15,7 t MS ha-1) con aplicaciones de riego de 1051 L m-2, pero que, además, puede alcanzar rendimientos tan altos como 12,7 t MS ha-1 con la mitad de esta dosis de riego, e incluso de 6,2 t MS ha-1 con 264 L m-2, según experiencias llevadas a cabo por Conde et al (1991), en Madrid. 1.1.3.4. Producción de bioetanol a partir de hemicelulosa. materias primas ricas en celulosa y De la celulosa suele decirse que es el polímero más abundante en la naturaleza. Esto implica que el potencial de generación de bioetanol de este grupo de materias primas a nivel mundial es muy superior al de los anteriores. Existen, sin embargo, una serie de dificultades en su transformación (entre las que destacan la necesidad de pretratamientos destinados a la ruptura de la matriz lignocelulósica, el coste de la hidrólisis enzimática de la celulosa y la generación de subproductos tóxicos para las levaduras en el caso de los tratamientos ácidos) que pueden reconocerse como las principales causas por las cuales apenas existen aun, a nivel comercial, plantas de producción de bioetanol que empleen este tipo de materias primas. La obtención de bioetanol a partir de materiales lignocelulósicos puede llevarse a cabo mediante dos procesos, basados en una hidrólisis ácida o en una hidrólisis enzimática, respectivamente, cuyas diferencias radican en las primeras etapas de los mismos (pretratamiento, hidrólisis, y purificación del sustrato). Éstas se describen a continuación para cada uno de ellos. A. Obtención de bioetanol celulósico basada en una hidrólisis ácida Pretratamiento de las materias primas. La biomasa empleada debe ser inicialmente reducida a partículas que posean un tamaño adecuado para su posterior manejo. Esto implica un proceso de astillado o picado (en función de lo lignificado del material). Hidrólisis En el caso de materiales lignocelulósicos, la hidrólisis es un proceso que tiene por objetivo degradar la celulosa y las hemicelulosas presentes en la biomasa. La hidrólisis de la primera rendirá glucosas, mientras que las hemicelulosas poseen una composición más variable, en función de la planta de la que procedan. A grandes rasgos, las llamadas “maderas duras” contienen una hemicelulosa rica en pentosas, al igual que ocurre con la mayoría de los subproductos agrícolas. Las “maderas blandas”, por el contrario, poseen una hemicelulosa que rinde, principalmente, hexosas. La hidrólisis ácida puede llevarse a cabo con ácidos diluidos o concentrados. ¾ Hidrólisis con ácidos diluidos: Es el método más empleado y normalmente se lleva a cabo en dos fases; una menos severa (a temperatura más baja) para degradar las hemicelulosas existentes, y una segunda, más severa, aplicada sobre los residuos sólidos de la primera, y destinada a la ruptura de la celulosa. Suele utilizarse sobre astillas. Procesos basados en el empleo de H2SO4 (concentración < 1%), a 215ºC durante tres minutos, permiten obtener rendimientos de sacarificación del 50 al 70%, según Hamelinck et al (2005). 19 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. ¾ Hidrólisis con ácidos concentrados: Es un método que requiere mayores tiempos de acción y menores presiones y temperaturas. También suele llevarse a cabo en dos etapas. Tiene como ventajas un mayor rendimiento y una menor degradación de los azúcares (con menor creación de subproductos tóxicos, por tanto), pero requiere de un manejo más delicado y de la recuperación del ácido, para ser un proceso económicamente rentable. Suele emplearse sobre sustratos reducidos a partículas de pequeño tamaño (serrines). Según Hamelinck et al (2005), el empleo de H2SO4 en concentraciones del 30 al 70%, a 40ºC y durante 2 – 6 horas, permite obtener unos rendimientos de sacarificación en torno al 90%. Purificación del hidrolizado (detoxification) Esta etapa es habitualmente necesaria tras el procesado de la materia a pHs muy ácidos. Entre los compuestos inhibidores más habituales se encuentran los ácidos acético, fórmico, glucurónico, y galacturónico, los derivados fenólicos solubles, el cinnamaldehido, el phidroxibenzaldehido, el siringaldehido, y los iones metálicos derivados de la corrosión del material empleado. Junto a ellos aparecen el furfural y el hidroximetilfurfural (HMF), productos derivados de la degradación de las pentosas y hexosas, respectivamente. Entre los métodos de purificación destaca la alcalinización (overliming) del hidrolizado, que consiste en la adición de NaOH, hasta un pH de 9 a 10,5 (lo que favorece la eliminación de un importante porcentaje de diversos inhibidores) seguido de una rectificación del pH hasta el necesario para la fermentación, por medio de H2SO4 ó HCl. Otros métodos investigados que han demostrado cierta eficacia sobre algunos de los compuestos inhibidores son: la evaporación (ácido acético y compuestos fenólicos), la extracción con disolventes orgánicos (furfural, HMF, ácidos orgánicos), la adsorción por medio de carbón activo u otros polímeros (furfural), la neutralización seguida de filtración u adsorción, las resinas de intercambio iónico (ácidos orgánicos) la adición de lacasa y lignina peroxidasa (compuestos fenólicos), y el empleo de microorganismos varios (entre ellos Trichoderma reesei, Pseudomomas putida, y Streptomyces setonii). Lamentablemente, algunos de estos tratamientos tienen indeseados efectos secundarios, por ejemplo, el uso de resinas de intercambio iónico puede suponer la pérdida de una considerable cantidad de azúcares fermentables, según se cita en Balat et al (2008). B. Obtención de bioetanol lignocelulósico basada en una hidrólisis enzimática Pretratamiento Al igual que ocurre en el proceso anterior, la biomasa debe ser reducida a partículas de tamaño manejable. Posteriormente se emplearán diversos pretratamientos destinados a la desestabilización o ruptura de la matriz lignocelulósica, que facilitarán a su vez las subsiguientes hidrólisis de la celulosa y hemicelulosa contenidas en ella. En determinados casos conllevan, no obstante, una hidrólisis parcial del material holocelulósico. Los principales pretratamientos, de acuerdo con Balat et al (2008, 2011) son los siguientes: Tratamientos con agua a elevadas temperaturas: Conocidos como tratamientos LHW (liquid hot water treatments), son, en esencia, cocciones a alta presión, con temperaturas en torno a los 200 – 226ºC durante 15 min, y a pHs ligeramente ácidos (4- 7). Esto supone la 20 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. hidrólisis de toda la hemicelulosa, así como de porcentajes variables de la celulosa. Su principal ventaja es la ausencia de producción de compuestos inhibidores. Steam explosion (explosión por vapor): Consiste, en esencia, en un calentamiento de la biomasa (hasta 160 – 260 ºC) con vapor a alta presión (0,7 – 4,9 MPa), y en la posterior despresurización repentina de la mezcla, lo que trae consigo una separación individual de las fibras. La eficacia de este proceso puede incrementarse llevándolo a cabo en presencia de H2SO4 ó SO2. En ambos casos esto supone, en la práctica, la hidrólisis de gran parte de la hemicelulosa. El sistema AFEX (Ammonia Fiber/Freeze Explosion) es una modificación de este método, que emplea amoniaco en lugar de vapor de agua, y que puede realizarse a una muy alta presión (12 atm) y temperatura ambiente. Otra variante del método es la utilización de CO2, pero no se considera muy eficaz (Sánchez et al, 2008) Pretratamiento ácido: Para ello se utilizan diversos ácidos (sulfúrico, clorhídrico, peracético, nítrico, fosfórico) tanto concentrados como diluidos. Estos últimos son los más utilizados, fundamentalmente mediante dos tipos de procesos; uno en continuo, con baja carga (5 – 10%) y alta temperatura (>160ºC) y el otro en batch, con alta carga de material (10 – 40 %) y a baja temperatura (<160ºC). Estos pretratamientos hidrolizan la hemicelulosa y facilitan la posterior hidrólisis enzimática de la celulosa. Pretratamientos alcalinos: Tienen la ventaja de utilizar menores presiones y temperaturas, en comparación con otros métodos, y, además, pueden separar la lignina sin afectar al resto de los componentes. Esto ayuda a evitar la aparición de los compuestos tóxicos derivados de la degradación de los azúcares que pueden aparecer en tratamientos ácidos severos, pero presenta el inconveniente de no hidrolizar la hemicelulosa. Las bases utilizadas en estos procesos son: NaOH (tanto concentrado como diluido), KOH, y CaOH (junto a O2, o aire, como oxidantes). Ozonolisis: Es un método que emplea el ozono para la eliminación de gran parte de la lignina, al tiempo que hidroliza la hemicelulosa y mejora la biodegradabilidad de la celulosa. Se lleva a cabo a temperatura ambiente y no produce compuestos inhibidores de la fermentación. Lamentablemente requiere de grandes cantidades de ozono, por lo que resulta un tratamiento costoso. Pretratamientos biológicos. Determinados hongos son capaces de solubilizar la lignina. Entre ellos Phanerochaete chrysosporium (Sánchez et al, 2008) Ceriporia lacerata, Stereum hirsutum, y Polyporus brumalis. Los pretratamientos basados en su acción, que supondrían una importante reducción en el consumo energético de esta fase del proceso, se enfrentan, sin embargo, a diversos inconvenientes de cara a su aplicación industrial. Por una parte son lentos, y hoy por hoy, sus rendimientos son bajos. Por otra, los derivados de la lignina degradada son, en ocasiones, tóxicos para los propios microorganismos implicados. Purificación del hidrolizado (detoxification) Esta fase será necesaria únicamente en el caso de que se haya empleado un pretratamiento ácido, y se lleva a cabo del modo descrito previamente. 21 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Hidrólisis Las hidrólisis enzimáticas tienen como ventajas la reducción en el coste energético del proceso (temperaturas suaves, presiones atmosféricas) y la ausencia de producción de compuestos tóxicos para la fermentación. Como principal inconveniente tradicional se encontraba el precio de las enzimas implicadas (celulasas principalmente). Según Sánchez, et al (2008) el coste de la celulasa comercial es prohibitivo, y una posible solución recaería en pretratamientos biológicos, en los cuales los microorganismos implicados fueran capaces de producir las enzimas necesarias para la hidrólisis posterior de la celulosa. Por el contrario, según Balat et al (2008), la hidrólisis enzimática resulta atractiva, entre otros motivos, porque los productores de enzimas “han reducido costes de forma sustancial, recientemente, mediante el uso de biotecnología moderna”, y su “coste de servicio” es menor que en el caso del proceso químico, gracias a la reducción del gasto energético. Celulasas es el nombre genérico de un conjunto de enzimas con efectos sinérgicos en la degradación de la celulosa. Se trata, en realidad, de un grupo de endoglucanasas, exoglucanasas y glucosidadas. En el caso de las hemicelulosas, su heterogeneidad y complejidad se refleja en la variedad de enzimas necesarias para su degradación, entre ellas, las siguientes: endoxilanasa, exoxilanasa, β-xilosidasa, a-arabinofuranosidasa, a-glucoronisidasa, acetil xilan esterasa, y feruloil esterasa. Existen diversos hongos y bacterias capaces de producir celulasas. Entre las bacterias las hay pertenecientes a los géneros Clostridium, Cellulomonas, Bacillus, Thermomonospora, Ruminococcus, Bacteroides, Erwinia, Acetovibrio, Microbispora, y Streptomyces. Entre los hongos pueden encontrase miembros de los géneros Aspergillus, Schizophyllum, Penicilium, y Sclerotium. A nivel industrial destacan Trichoderma viridae, T. reesei, y T. longibrachiatum, tanto en sus formas silvestres como mutadas, los cuales también son productores de hemicelulasas.El mecanismo propuesto para la degradación de la celulosa puede resumirse conforme al siguiente proceso: En primer lugar las enzimas actúan sobre la fracción amorfa de la molécula, así como en la superficie de las microfibrillas. En esta fase ciertas endoglucanasas hidrolizan los enlaces β-1,4 glucosídicos internos, y convierten las cadenas de celulosa en oligosacáridos (celodextrinas). Posteriormente las exoglucanasas cortan las cadenas de celulosa y de las celodextrinas a partir su extremo no reductor, rindiendo principalmente unidades de celobiosa. Una vez degradadas las zonas amorfas de la celulosa, la región cristalina comienza a ser hidrolizada como resultado de la acción de determinadas endoglucanasas, las cuales alteran la estructura cristalina y liberan las cadenas individuales de celulosa. Tras ello, las exoglucanasas actúan sobre el extremo de las cadenas liberadas dando lugar a celobiosas y celotetrosas. Finalmente se produce la hidrólisis de las celobiosas (así como de celotriosas y otras celodextrinas de cadena corta) a glucosa, mediante la acción de las β-1,4-glucosidasas. Las restantes etapas del proceso de obtención de etanol a partir de materiales lignocelulósicos (fermentación y destilación) pueden describirse de forma global, independientemente del tipo de hidrólisis empleada para obtener el sustrato fermentable. 22 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fermentación Debido a la presencia de pentosas procedentes de la hidrólisis de la hemicelulosa, el proceso de fermentación, aunque similar, es ligeramente distinto al expuesto para las materias primas azucaradas y amiláceas. La fermentación separada de pentosas y hexosas puede contemplarse en aquellos casos en los que se hayan empleado pretratamientos que hidrolizan la hemicelulosa pero no la celulosa, y en aquellas hidrólisis ácidas llevadas a cabo en dos fases, de tal forma que la degradación de estos dos compuestos también haya ocurrido por separado. En este caso, pueden emplearse microorganismos y condiciones específicas para cada uno de los dos sustratos. Cuando no se desea llevar a cabo una fermentación separada de hexosas y pentosas (o esto no es posible) pueden emplearse microorganismos capaces de fermentar xilosa y glucosa simultáneamente, como por ejemplo Kluyveromyces marxianus, o cepas mutadas de S. cerevisiae o Zymomonas mobilis. Obviamente, las cepas mutadas de E. coli y Klebsiela oxitoca mencionadas en el apartado 1.1.2. también podrían emplearse en este caso, pudiendo aprovecharse así el resto de pentosas presentes en el hidrolizado. Existe, por último, la posibilidad de llevar a cabo fermentaciones con cultivos mixtos formados por varias especies de microorganismos, de modo que puedan fermentarse en el mismo reactor los productos de la hidrólisis tanto de la celulosa como de la hemicelulosa. Al igual que ocurre en el caso del almidón, la fusión de las fases de hidrólisis enzimática y fermentación puede llevarse a cabo en un proceso SSF. Si se combinan ambas fases junto con los pretratamientos biológicos expuestos anteriormente, se dará lugar a los llamados sistemas DMC (direct microbiological conversion). Estos suponen un considerable ahorro de energía y costes derivados de la adquisición de enzimas, pero suman a los inconvenientes de los SSF, aquellos propios de los pretratamientos biológicos. Además, los rendimientos son bajos debido a la generación de acetato y lactato, así como por la toxicidad que supone el etanol para algunos de los microorganismos implicados en el proceso. En cualquier caso, tras la fermentación, el efluente del proceso puede someterse a un proceso de recuperación de levaduras (o bacterias, en su caso), de forma que los costes de adquisición de las mismas disminuyan. Un esquema de los distintos enfoques que pueden adoptarse durante esta fase del proceso de obtención de bioetanol queda expuesto en la Figura 1.7. 23 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Celulosa Glucosa Hidrólisis Fermentación con levaduras/bacterias capaces de emplear hexosas como sustrato (2) Pretratamientos que hidrolizan la hemicelulosa Mezcla de pentosas y hexosas (con predominancia de pentosas) Materia prima lignocelulósica Pretratamientos que NO hidrolizan la hemicelulosa Fermentación con levaduras/bacterias capaces de emplear pentosas como sustrato Fermentación con levaduras/bacterias capaces de emplear hexosas y pentosas como sustrato (1) Mezcla de celulosa y hemicelulosa Hidrólisis secuencial de celulosa y hemicelulosa Hidrólisis conjunta Mezcla de pentosas y glucosa (con predominancia de glucosa) Fig. 1.7. Esquema en el que se muestran los tipos de microorganismos necesarios para la fermentación de los productos obtenidos en función de los tipos de pretratamiento e hidrólisis previamente seleccionados. (1) Se considera una materia prima cuyas hemicelulosas estén compuestas, principalmente, por pentosas. (2)Las líneas discontinuas señalan la posibilidad de una fermentación conjunta de productos hidrolizados por separado. Destilación Esta etapa se lleva a cabo del mismo modo expuesto en el caso de las materias primas anteriores. 1.1.3.5. Gestión de subproductos y residuos. Tal y como se ha expuesto, los subproductos del procesado del grano de cereal y de la remolacha tienen una utilidad específica definida de la que se obtiene un rendimiento económico. El principal residuo sólido de la transformación de la caña de azúcar (el bagazo) se produce a razón de 2,5 – 3 kg L-1 etanol (BNDS-CGEE-FAO-CEPAL, 2008), y se emplea energéticamente en el propio proceso de obtención del producto, contribuyendo decisivamente a su rentabilidad económica. En cuanto a las vinazas (residuo líquido del proceso), éstas se producen en una cantidad aproximada de 10 a 15 litros por cada litro de etanol obtenido (Zimbardi et al, 2002) y poseen una DBO (demanda bioquímica de oxígeno) de entre 30.000 y 60.000 mg L-1 (Sánchez y Cardona, 2005). Normalmente se concentran (por centrifugado o tamizado) y su fracción libre de sólidos puede emplearse en distintas fases previas del proceso. El residuo concentrado puede emplearse en la fertilización de los propios campos de caña. Es rico en P, Ca, y Mg, y mejora las propiedades físicas del suelo (entre ellas la capacidad de retención de agua). Entre las desventajas de su aplicación se encuentran los olores fuertes, la proliferación de insectos, la posible lixiviación de sales, y la inhibición de la germinación de 24 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. las semillas, según recogen Sánchez y Cardona (2005). En ocasiones las vinazas se aplican sin previa concentración, lo que agrava el problema del lixiviado de sales. Las vinazas procedentes del procesado de otras materias primas pueden gestionarse de modo similar a las de la caña de azúcar. Si su contenido en materia orgánica es elevado, todas ellas pueden tratarse eficazmente mediante procesos de digestión anaeróbica, en los cuales se han llegado a obtener rendimientos de eliminación de DBO superiores al 90% para vinazas de maíz, trigo, y caña (Sánchez y Cardona, 2005), obteniendo –al mismo tiempo – energía a partir del proceso. Otra solución que se ha empleado es la concentración mediante evaporación de las vinazas y su posterior combustión (en un proceso que sería autosuficiente desde el punto de vista energético, según Sánchez y Cardona – 2005). Las cenizas procedentes de esta combustión son ricas en P y K, y –por tanto- un valioso fertilizante. En el caso de sustratos lignocelulósicos, la lignina residual obtenida en los pretratamientos puede comercializarse para su transformación en diversos productos químicos, lo que suele ser más rentable que emplearla para usos térmicos. Sus vinazas (unos 15 litros por litro de etanol obtenido, según Sánchez y Cardona – 2005) podrían, en principio, tratarse del mismo modo expuesto anteriormente, aunque existe una cierta acción inhibidora sobre el proceso de digestión anaeróbica de compuestos como los furfurales o ciertos derivados de la lignina, que podrían estar presentes en las mismas (Field, 1987). 1.1.3. Producción de bioetanol por vía termoquímica. Aunque no se vaya a analizar en detalle, al estar relacionada sólo de modo tangencial con los objetivos de este trabajo, si conviene citar la existencia de tecnologías que permiten la producción de etanol a partir de biomasa empleando procesos termoquímicos para ello. De acuerdo con Balat et al (2008) dichas tecnologías se basan en la gasificación de la biomasa, de tal modo que se obtenga una mezcla gaseosa compuesta por H2 y CO. Esta mezcla (denominada gas de síntesis) puede burbujearse posteriormente en un reactor donde determinados microorganismos la convertirán en etanol (tratándose, por tanto, de una vía mixta: termoquímica – bioquímica) o puede transformarse en el producto deseado mediante un proceso netamente químico conocido como conversión catalítica. Las diversas variantes de estos procesos han alcanzado rendimientos de conversión de entre el 50 y el 80% (Balat et al, 2008), pero han resultado ser muy costosas. En cualquier caso, son consideradas como prometedoras de cara a la obtención de etanol a partir de materias primas lignocelulósicas. 1.1.4. Panorámica de la producción de bioetanol. En 2010 la producción mundial de bioetanol se estimó en 85,6 millones de metros cúbicos, suponiendo este dato un incremento aproximado del 12% respecto al año anterior. Los principales países productores fueron EE.UU (57,3% de la producción mundial) y Brasil (30,6%) (MITYC e IDAE, 2011). Un elevadísimo porcentaje del bioetanol obtenido en estos países se basa en el maíz y la caña de azúcar, respectivamente. En la Unión Europea, la producción total de bioetanol se situó en 2010 en 4.455 millones de litros. Esto supone un incremento del 21,3% con respecto a 2009, y de más del 800% respecto al año 2004 (Eurobserver, 2010 y 2011a). Este notable crecimiento está auspiciado por la legislación de la UE, a través del acuerdo de Kyoto y de las Directivas 2003/30/CE y 2003/96/CE. Se trata, hoy por hoy, de una producción basada principalmente en sustratos ricos 25 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. en azúcares solubles y almidón. Se prevé, no obstante, que para cumplir los objetivos propuestos, la UE debe, por una parte, incrementar la producción de cultivos innovadores ricos en azúcares fácilmente fermentables (mediante procesos y técnicas sostenibles), y, por otra, optimizar la transformación de la biomasa lignocelulósica en etanol, mediante métodos bioquímicos, termoquímicos, o una combinación de ambos (Pin et al, 2011). Los principales países europeos productores de bioetanol en 2010 fueron Francia (1.050 M de litros), Alemania (900 M de litros), España (580 M de litros), y Bélgica (300 M de litros). En términos de consumo, y en ese mismo año, los países más destacados fueron Alemania (1.472 M de litros), Francia (966 M de litros), Reino Unido (624 M de litros), y España (460 M de litros), y su consumo conjunto supuso el 60,9 % del total de la Unión Europea (cerca de 5.782 M de litros), según las estimaciones llevadas a cabo por Eurobserver (2011a). Para el cálculo de volúmenes consumidos se ha considerado que el valor energético del bioetanol es equivalente a 0,5074 tep m-3, tal y como se proponía en el Plan de Acción Nacional de Energías Renovables (PANER) 2011 – 2020 (MITYC, 2010). En España, el Plan de Energías Renovables 2011-2020 (PER) expone un consumo previsto para el año 2020 de 960 M de litros (MICYT e IDAE, 2011). En la actualidad existen tres plantas de producción de bioetanol a escala industrial en funcionamiento, ubicadas en La Coruña, Murcia y Salamanca, con una capacidad conjunta de, aproximadamente, 544 ML año1 . Una cuarta planta, dedicada al destilado de subproductos vínicos (orujos) en Ciudad Real, aumenta la capacidad de producción nacional hasta los 587 ML año-1 (MICYT e IDAE, 2011). Existe, además, una quinta planta en construcción en Badajoz, con una capacidad prevista de producción de 171 ML año-1 (MICYT e IDAE, 2011). A excepción de la planta de Castilla-La Mancha, el resto de ellas emplean grano de cereal como materia prima (o está previsto que lo hagan cuando termine su construcción). La fábrica de Salamanca cuenta con una planta piloto de producción de bioetanol de segunda generación (a partir de paja de trigo y cañote de maíz) con una capacidad de 5 millones de litros anuales (Next Fuel, 2011). 26 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 1.2. El biogás para fines energéticos. 1.2.1. Biogás. Definición y tipos. Se suele denominar como biogás a la mezcla gaseosa obtenida en la fermentación anaerobia de materia orgánica. Está compuesto principalmente por CH4 (45 – 70 %) y CO2 (30 – 45 %), así como por CO, O2, H2, H2S, N2, NH3, y vapor de agua en proporciones variables, junto con trazas de decenas de otros compuestos (Osorio y Torres, 2009). El proceso de degradación de la materia orgánica mediante el cual se obtiene el biogás es conocido como digestión anaeróbica. Los rendimientos de este proceso se expresan habitualmente en metros cúbicos de gas por kilogramo de sólidos volátiles (SV) introducidos en el digestor. Estos sólidos volátiles (sólidos gasificados durante un proceso de calcinación en mufla a 550±50 ºC hasta peso constante de la muestra) se corresponderían con la materia orgánica contenida en el sustrato. De acuerdo con Tchobanoglous et al (1994) la composición teórica del biogás obtenido a partir de un determinado compuesto orgánico podría obtenerse conforme a la siguiente reacción: Ca H bOc N d + 1 1 1 ( 4a – b – 2c + 3d ) H 2O → ( 4a + b – 2c – 3d ) CH 4 + ( 4a – b + 2c + 3d ) CO2 + d NH 3 4 8 8 A partir de la misma pueden calcularse los valores de producción y composición del biogás obtenido a partir de diversos componentes de la materia orgánica, tal y como se recoge en la Tabla 1.2 Tabla 1.2. Producción teórica de biogás a partir de diversos compuestos y composición del mismo. Compuesto Hexosas Celulosa Proteínas Lípidos Fórmula Volumen de estequiométrica biogás (L kg-1) C6H1206 747 (C6H10O5)n 830 C16H24O5N4 (1) 1273 C16H3202 (1) 1400 CO2 (%) CH4 (%) NH3 (%) 50 50 39 28 50 50 41 72 0 0 20 0 (1) Según García de Cortázar y Varnero (1999) A partir de estos datos, y teniendo en cuenta el poder calorífico superior (PCS) tanto del metano (9.486 Kcal m-3) como de los sustratos considerados, pueden estimarse los rendimientos energéticos teóricos del proceso de digestión aneróbica, tal y como se expone en la Tabla 1.3. 27 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.3. Rendimientos energéticos teóricos en el proceso de digestión anaeróbica de diversos compuestos orgánicos Energía en el biogás Rendimiento obtenido a partir de energético del 1 kg de sustrato proceso de (Kcal) digestión (% cal/cal) Compuesto Fórmula estequiométrica PCS (Kcal kg-1) Hexosas C6H1206 4100 (2) 3542 86,4 4550 (2) 3935 86,5 6638 (3) 4980 75,0 9765 (3) 9546 97,8 Celulosa Proteínas Lípidos (C6H10O5)n C16H24O5N4 C16H3202 (1) (1) (1) Según García de Cortázar y Varnero (1999), (2) Palz y Chartier cit. en Camps y Marcos (2008), (3) Calculados conforme a la ecuación de Dulong modificada (Bueno Lorenzo, 2006), a partir de la fórmula estequiométrica propuesta. La ecuación expuesta por Tchobanoglous et al (1994) no considera el empleo de cierta cantidad de carbono y nitrógeno en el crecimiento de los microorganismos implicados en el proceso de digestión. Estos, en un sistema perfecto, se degradarían al final de su vida en el interior del digestor, liberando de nuevo los nutrientes al medio. En un digestor real, sin embargo, parte de ellos son arrastrados al exterior con el residuo del proceso (digestato), por lo que un cierto porcentaje de estos nutrientes se pierde. Tal vez por ello, García de Cortázar y Varnero (1999) sugieren producciones teóricas de biogás inferiores a las recogidas en la Tabla 1.2 en el caso de proteínas e hidratos de carbono. Son las siguientes: proteínas (C16H24O5N4) 980 L kg SV-1, hidratos de carbono (C6H10O5) 750 L kg SV-1. En la práctica, a nivel industrial, el tiempo fijado para la duración del proceso no suele permitir la degradación de todos los componentes del sustrato, por lo que los rendimientos suelen ser menores. De este modo, valores de 450 – 600 L kg SV-1 en un tiempo de digestión de 35 días pueden considerarse razonables para la degradación anaeróbica del maíz forrajero (Oslaj et al, 2010), el más destacado de los cultivos destinados a la producción de biogás. En función del objetivo primordial de la digestión anaeróbica, pueden distinguirse tres tipos de biogás: I. Biogás procedente de vertederos Es el resultado de un proceso de digestión anaeróbica que se produce como consecuencia del almacenamiento en condiciones anóxicas de grandes cantidades de residuos, algunos de ellos ricos en materia orgánica. En su origen, su aprovechamiento se basó en la necesidad de manejar adecuadamente y en condiciones de seguridad un gas que, de otra manera, puede provocar explosiones e incendios en los vertederos, y que supone, además, un riesgo por su toxicidad para la salud de los trabajadores de los mismos, así como para el medio ambiente, dado el carácter, tanto del CO2 como, en mayor medida, del CH4, de gases de efecto invernadero. En un principio el biogás de vertedero, adecuadamente canalizado, se quemaba en chimeneas abiertas llamadas antorchas. En la actualidad, la tendencia lógica es a emplearlo para diversos fines energéticos, y se ha convertido, en algunos países, en una importante fuente de energía renovable. 28 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. II. Biogás procedente de la gestión de residuos líquidos Este biogás, al igual que el anterior, se obtiene como consecuencia de un proceso cuyo objetivo primordial es la gestión de un residuo. La digestión anaeróbica forma parte de los procesos de depuración de aguas residuales desde el siglo XIX. El aprovechamiento del biogás generado a partir de la digestión de fangos activos supone, además, una reducción en los costes del proceso global de depuración. En el caso de que el residuo a depurar sean deyecciones ganaderas, el objetivo es el mismo. En la actualidad, el diseño global del proceso, de modo que el volumen existente de deyecciones pueda gestionarse adecuadamente, produciendo, además, una cantidad de biogás que suponga un balance energético positivo del mismo, y permita, a su vez, la amortización económica de las instalaciones empleadas, es uno de los objetivos primordiales de la investigación en digestión anaeróbica de residuos líquidos. III. Biogás obtenido expresamente para la producción de energía Este biogás se obtiene fundamentalmente a partir de cultivos energéticos y residuos agrarios (solos o en codigestión con residuos ganaderos). En algunos casos puede compartir con el tipo anterior infraestructuras y procesos, pero los parámetros operacionales de los mismos se ajustan de tal modo que el objetivo principal sea la producción de biogás, al margen de los efectos secundarios positivos que puedan derivarse de la digestión anaeróbica. 1.2.2. El proceso de digestión anaeróbica 1.2.2.1. Fases y microbiología del proceso. La digestión anaeróbica es un proceso bioquímico que comprende cuatro fases (véase esquema en Figura 1.8): 1. Fase hidrolítica: En ella las moléculas complejas (polisacáridos, proteínas, triglicéridos,…) son hidrolizadas, dando lugar a las moléculas sencillas que las constituyen (monosacáridos, aminoácidos, ácidos grasos, glicerina,…). Esta fase es llevada a cabo por una gran variedad de microorganismos, entre ellos, bacterias, hongos, y levaduras. 2. Fase acidogénica: Durante la misma, las moléculas sencillas son transformadas en ácidos orgánicos de cadena corta (butírico, propiónico, y – principalmente- acético), alcoholes (etanol, propanol), CO2, y H2, mediante la acción de un grupo de bacterias conocidas como acidogénicas. 3. Fase acetogénica: Esta se considera, en ocasiones, como parte de la anterior. En ella, los alcoholes y los ácidos propiónico y butírico son convertidos en ácido acético. Paralelamente, un cierto porcentaje de estos ácidos es transformado en CO2 y H2. Ambos procesos son llevados a cabo por bacterias. 4. Fase metanogénica: Se lleva a cabo a través de dos rutas. En la primera de ellas se transforma el ácido acético en CH4 y CO2. En la segunda, un cierto porcentaje de ácido acético es convertido en CO2 y H2, uniéndose a los previamente producidos, para transformarse posteriormente en CH4 y CO2. Esta fase se lleva a cabo gracias a las llamadas arqueas metanogénicas, que se dividen en acetoclásticas (si utilizan la primera ruta) e hidrogenótrofas (si siguen la segunda). Tradicionalmente se ha estipulado que la 29 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. ruta acetotrófica podría ser la principal fuente de producción de CH4, pero estudios recientes sugieren que, en determinados sustratos y condiciones, la ruta hidrogenotrófica sería predominante (Krakat et al, 2009). MACROMOLÉCULAS (celulosa, almidón, triglicéridos, proteínas,…) Fase hidrolítica MOLÉCULAS SENCILLAS (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos,…) Alcoholes (etanol, propanol) Fase acetogénica Ácido acético Ruta acetoclástica Fase acidogénica Otros ácidos grasos de cadena corta Ruta hidrogenotrófica Fase metanogénica CH4 y CO2 H2, CO2 Fig. 1.8. Fases del proceso de digestión anaeróbica. Las microorganismos que llevan a cabo las reacciones de las dos primeras fases son en su mayoría bacterias anaerobias facultativas, y pertenecen a la familia Enterobacteriaceae, así como a los géneros Bacillus, Peptostreptococcus, Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus y Clostridium. Entre las bacterias celulolíticas se encuentran algunas pertenecientes a los géneros Bacteroides y Ruminococcus, así como cepas anaerobias estrictas de los géneros Clostridium y Thermocellum (Arce, 1986), junto a miembros del género Cellulomonas (Gerardi, 2003). Con actividad proteolítica son, en su mayoría, especies de los géneros Clostridium, Peptococcus, Bifidobacterium y Staphylococcus , así como Bacillus (Gerardi, 2003). En cuanto a las lipolíticas, entre ellas pueden citarse Anaerovibrio lipolytica y Butyrovibrio fibrisolvens, y ciertos miembros del género Mycobacterium (Gerardi, 2003). Las bacterias acetogénicas conocidas como OHPA (organismos acetógenos productores obligatorios de hidrógeno) establecen relaciones simbióticas con las arqueas hidrogenótrofas, ya que el H2 es un residuo de su metabolismo que debe ser retirado del medio para permitir su adecuado desarrollo, especialmente si existe en éste una baja disponibilidad de energía. Esta relación se conoce con el nombre de “transferencia interespecífica de hidrógeno”. Entre los OHPA pueden encontrarse las especies Syntrophomonas sapovorans, Syntrophobacter wolinii, Syntromonas wolfei, Syntrophospara bryantii, y Syntrophus buswelli. Además de los OHPA, en esta fase intervienen las bacterias homoacetogénicas, anaerobias estrictas cuyo único producto final es el acético, y entre las que se encuentran bacterias Gram (+) y Gram (-) formadoras de esporas, como por ejemplo Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum y Acetobacterium wooddi. (Díaz – Báez et al, 2002). Los microorganismos encargados de la metanogénesis pertenecen al actual dominio Archaea (arqueas). Hasta hace relativamente poco tiempo a los organismos de este grupo se les conocía como arqueobacterias, pero recientemente se ha estipulado que las diferencias entre ellos y el 30 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. resto de las bacterias (basadas en la estructura de su membrana y en sus peculiares coenzimas) son motivo suficiente para ubicarlas en un dominio propio y distinto. Algunos de los géneros implicados en la digestión anaeróbica son los siguientes: Methanosarcina, Methanosaeta Methanococcus, Methanogenium, Methanomicrobium, Methanospirillum. Methanobacterium, y Methanobrevibacter. Los organismos pertenecientes a los dos primeros géneros son los únicos capaces de producir metano a partir del ácido acético (ruta acetotrófica). Otras especies pueden hacerlo a partir del H2 y CO2 (como, por ejemplo, algunas pertenecientes al género Methanobacterium). Existen, por último, algunas especies capaces de seguir rutas consideradas como minoritarias en los digestores anaerobios - que emplean por sustrato sustancias tales como el CO, el ácido fórmico, el metanol, y la metilamina. A pesar de que algunas especies metanogénicas han sido ampliamente estudiadas, la ecología de los digestores anaerobios y el número de especies implicadas en la digestión están aún lejos de poder considerarse como algo plenamente conocido. Uno de los principales motivos es la variabilidad en las poblaciones microbianas en función de parámetros tales como el sustrato empleado, el régimen térmico, o el diseño del digestor. Como ejemplo de estudio en el que puede vislumbrarse aquello que queda por conocer puede citarse el de Zhu et al (2009), pionero en la determinación de especies metanogénicas en la monodigestión anaeróbica de purín de cerdo. En él se concluye que un 15,4% de las especies encontradas no se correspondían con ninguna de las clasificadas hasta ese momento. Junto a este, otro trabajo, de Zhang et al (2010), exponía la existencia, en los procesos de digestión estudiados, de un nutrido grupo de especies pertenecientes a la división Crenararchaeota, organismos no metanogénicos cuyo papel ecológico en los digestores es, por el momento, desconocido. Por su parte, Krakat et al (2009) investigaron los cambios poblacionales en función del régimen térmico en un reactor dedicado a la monodigestión de ensilado de remolacha y hallaron no sólo especies, sino Phyla desconocidos hasta ese momento. Por último, en los digestores existen bacterias no relacionadas con la producción de metano. Entre ellas destacan las sulforreductoras, que convierten el SO42- en H2S, y son capaces de utilizar sustratos tales como el acético y el H2 para producir alcoholes y ácidos varios (Gerardi, 2003) 1.2.2.2. Condiciones ambientales y parámetros de control La digestión anaeróbica es un proceso complejo, cuyas distintas fases deben ocurrir en unas condiciones ambientales dadas, si se pretende obtener una producción óptima de metano. Temperatura. La digestión anaeróbica es un proceso que puede llevarse a cabo a diversas temperaturas. En función de las mismas se definen los regímenes de digestión psicrófilo (< 25ºC), mesófilo (25 – 45 ºC) y termófilo (45 – 65ºC) (Muñoz Valero et al, 1987). Dentro de cada rango de temperaturas pueden establecerse valores o intervalos óptimos, por debajo de los cuales la producción de biogás disminuye, y por encima de los cuales un aumento de temperatura, aun cuando represente una mayor generación de biogás, no compensa el gasto energético en su calefacción. En el caso del régimen psicrófilo, estos valores superiores no existen ya que 25ºC sería su valor óptimo de temperatura. En el caso de los otros dos regímenes, estos valores son 35-37ºC, (mesófilo), y 55 - 60ºC (termófilo). 31 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. El régimen psicrófilo no suele emplearse a escala industrial, quedando su existencia limitada a los digestores rurales de bajo coste. Tiene la enorme ventaja de requerir un muy escaso aporte energético, pero los procesos que se dan en su ámbito resultan extraordinariamente lentos. En general, en este tipo de digestiones la temperatura no se controla (lo que también reduce el coste del reactor) y varía en función de la hora del día, y, por supuesto, a lo largo del año. Suelen ser procesos tipo batch. Esto implica que deben preverse paros temporales en la producción de cada digestor, pero permite, a su vez, que las temperaturas en el interior del digestor sean mayores sin el aporte de energía exterior. Conviene recordar que la digestión anaeróbica es un proceso globalmente exotérmico, que, sin embargo, en sistemas continuos o semicontinuos suele requerir de aportes energéticos debido a la continua salida del sistema de materia a la temperatura de digestión, que es reemplazada por sustrato con una menor temperatura. El régimen mesófilo es el más empleado a escala industrial. Su eficiencia energética suele considerarse como superior a la del régimen termófilo (Muñoz Valero et al, 1987). Su principal ventaja, no obstante, es su mayor robustez frente a posibles desórdenes en el reactor motivados por la acidificación o la presencia de inhibidores en el sustrato. La mayor lentitud a la que se desarrollan los procesos bajo el mismo, frente al régimen termófilo, permite la detección y actuación sobre los problemas antes de que las consecuencias sean más graves. El régimen termófilo, por último, cuenta con dos ventajas: en primer lugar permite procesar una mayor cantidad de sustrato por unidad de tiempo, y en segundo lugar, garantiza una eliminación más eficaz de los microorganismos patógenos (como ciertas enterobacterias, por ejemplo). Además de estos regímenes, considerados para el proceso global, las distintas fases de la digestión anaeróbica tienen requerimientos térmicos diferentes. Se puede aseverar que las fases hidrolítica y acidogénica son más estables que la metanogénica. Esto está directamente relacionado con las necesidades térmicas de los microorganismos implicados, y con el hecho de que pequeñas variaciones (tan ínfimas como 2ºC) en la temperatura de esta última fase supongan una cierta alteración en el predominio de unas especies u otras en el reactor. En un régimen mesófilo las dos primeras fases de la digestión pueden llevarse a cabo sin problemas a temperaturas entre 25 y 35ºC, siendo la fase metanogénica la que determina la necesidad de establecer la temperatura del proceso en 35-37ºC. pH. Los microorganismos metanogénicos presentan un grado de actividad óptima en ambientes cuyos valores de pH se sitúan en torno a la neutralidad, y en concreto, en el estrecho intervalo que va desde el 6,8 al 7,4. Cuando el pH es ligeramente más alcalino (7,4 – 8) el rendimiento del reactor no se ve gravemente alterado, sin embargo, si el pH desciende de 6,8 la proporción de CO2 en el gas aumenta en detrimento de la de CH4, y por debajo de 6,5 la producción de biogás se reduce, pudiendo incluso detenerse. Durante las fases hidrolítica y acidogénica, sin embargo, el pH óptimo oscila entre 5,5 y 6,5, y de hecho, la proliferación de ácidos en el reactor es una consecuencia obvia del proceso de acidogénesis. Los ácidos formados durante esta fase son ácidos grasos volátiles (AGVs), es decir, acético y ácidos grasos saturados de cadena corta (propiónico, butírico, valérico,…). 32 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. La convivencia de todas las fases del proceso en el digestor puede ocurrir gracias a la existencia de un cierto grado de alcalinidad en el mismo. La alcalinidad es un indicador de la capacidad del medio para neutralizar ácidos o resistir cambios en su pH, y resulta de la presencia de diversas sales, entre ellas hidróxidos, carbonatos, y – principalmente – bicarbonatos (Muñoz Valero et al, 1987). Numéricamente se expresa en términos de la concentración de carbonato cálcico que tendría la misma capacidad para neutralizar un ácido determinado (mg CaCO3 L-1). Valores adecuados de esta alcalinidad permiten que la concentración total de ácidos débiles pueda ser elevada sin que, por ello, descienda el valor del pH del medio. Ya que los intervalos óptimos de pH de las distintas fases no contienen valores en común, es necesario el decantarse por uno u otro, y dada la inestabilidad de las arqueas metanogénicas, la decisión suele ser optimizar los rendimientos de esta fase ya que, además, las primeras etapas si pueden llevarse a cabo, aunque no sea de forma óptima, a pHs superiores a 6,5. Cuando el sustrato empleado en la digestión anaeróbica es rico en ácidos orgánicos y pobre en compuestos alcalinos, el bicarbonato total en solución puede llegar a ser insuficiente para garantizar un buen desarrollo del proceso. Es necesaria entonces la adición de bases o tampones al reactor. Se pueden emplear para ello óxidos, hidróxidos, o bicarbonatos de sodio, potasio, calcio o magnesio. El inconveniente de estos cationes es que, en concentraciones elevadas, pueden resultar tóxicos e inhibir la digestión, lo que debe ser tenido en cuenta al dosificar su incorporación al reactor. Para pronosticar una posible acidificación del reactor con cierta antelación, y poder así evitarla, conocer el valor del pH en su interior no es suficiente, por lo que resulta útil determinar la relación entre el contenido total de ácidos grasos volátiles y la alcalinidad del mismo. El valor óptimo de esta relación se sitúa en torno a 0,1, y valores superiores a 0,3 – 0,4 alertan de la necesidad de intervenir mediante la adición de tampones o bases. Cuando la relación supera el límite de 0,8, la producción de metano se anula. En términos absolutos, la alcalinidad de un reactor funcionando de forma estable oscila habitualmente entre los 1.000 y los 5.000 mg CaCO3 L-1. Potencial Redox. Las arqueas metanogénicas son microorganismos estrictamente anaerobios. De hecho, concentraciones de 0,01 mg L-1 de oxígeno disuelto, en cultivos puros, inhiben completamente su desarrollo. Este es el motivo por el cual se ha determinado que los valores óptimos del potencial redox para la producción de metano deben oscilar entre los -300 y -330 mV (Arce, 1986). Sin embargo, valores muy superiores a estos (incluso de 0 mV) pueden registrarse en los reactores sin que esto suponga una disminución en el rendimiento del proceso. Esto se debe a la organización microbiana en el digestor, que se estructura en torno a la existencia de los llamados gránulos anaerobios. Estos son agregados de microorganismos dispuestos en capas, de tal modo que los metanogénicos se ubican en el centro de los mismos, los acidogénicos en las capas intermedias, y los hidrolíticos en las capas exteriores. Estos gránulos se forman en torno a partículas sólidas o en las paredes o soportes internos del reactor, y cuando se hallan libres en el seno del material en digestión, tienden a presentar una forma esférica. En ellos se establece un flujo de alimento desde el exterior hacia el interior, y un flujo de gas en sentido contrario, y en su superficie pueden encontrarse virus y depredadores de bacterias tales como los protozoos. La existencia de estos gránulos supone el aislamiento de los microorganismos 33 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. metanogénicos frente al posible oxígeno disuelto en el fluido circundante, pero, en cualquier caso, es importante limitar el acceso al reactor de sustancias oxidantes tales como nitratos y nitritos. Conviene señalar, por otra parte, que el valor óptimo del potencial redox de la fase hidrolítica es bastante superior, ya que ocurre de un modo más veloz en ambientes aeróbicos. Los organismos anaerobios facultativos se desarrollan sin problemas en ambientes cuyo potencial redox se halle entre -200 y 200 mV (Gerardi, 2003). 1.2.2.3. Parámetros de alimentación En toda digestión anaeróbica pueden definirse dos parámetros, de suma importancia, que determinan el ritmo de alimentación del digestor. Se trata de la carga orgánica (u OLR; Organic Load Rate) y del tiempo de retención hidráulica (TRH). La primera se podría definir como la cantidad de materia orgánica existente por unidad de volumen de sustrato introducido en el digestor en un tiempo determinado. La unidad de volumen suele ser el metro cúbico y la de tiempo, el día. En cuanto a la materia orgánica, ésta suele expresarse en kilogramos de sólidos volátiles (SV) aunque en ocasiones se recurre a otros parámetros, como la demanda química de oxígeno (DQO). Los valores habituales de carga orgánica en un digestor industrial están muy relacionados con su diseño, y –por lo tanto- con su capacidad para procesar sustratos con un mayor o menor contenido en sólidos, tal y como se expone en el apartado 1.2.4. En cuanto al tiempo de retención hidráulica, éste se define como el cociente del volumen que ocupa el sustrato en el reactor entre el caudal diario de entrada de dicho sustrato. Es, en la práctica, una medida aproximada del tiempo medio que permanece una partícula de sustrato en el interior del digestor, y se expresa en días. El TRH necesario para degradar las distintas moléculas que componen la materia orgánica es muy variable y depende no sólo de su propia naturaleza, sino de la ubicación relativa en la que se halle dicha molécula respecto a los otros componentes de la materia. Así, por ejemplo, la celulosa requiere de tiempos de retención relativamente largos para su degradación (valores en torno a 45 días han sido publicados al respecto – Arce, 1986), pero, al estar “inmersa” en una matriz lignocelulósica (la lignina es un compuesto recalcitrante, es decir, prácticamente no degradable) su digestión anaeróbica puede ser aún más lenta. Por el contrario, algunos TRHs dados para la digestión de residuos de frutas y hortalizas (habitualmente ricos en azúcares y polisacáridos de reserva, pero con un escaso contenido en polisacáridos estructurales) se sitúan entre los 15 y los 32 días (Gunaseelam, 1994) 1.2.2.4. Nutrientes Una adecuada relación entre el contenido en carbono y nitrógeno de un sustrato es fundamental para el desarrollo óptimo de los microorganismos que intervienen en su proceso de transformación. En el caso de las arqueas metanogénicas, esta relación se establece en valores que oscilan, aproximadamente, entre el 20 y el 30. Los microorganismos encargados de las primeras fases de la digestión son menos exigentes en sus demandas, y se desarrollan sin mayor problema sobre sustratos cuyas relaciones C/N vayan desde 10 a 45 (MARM, 2010). En cualquier caso, estos valores son orientativos ya que, según Arce (1986) la naturaleza del 34 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. sustrato (en lo que a la disponibilidad de estos elementos por parte de los microorganismos se refiere) tiene una influencia decisiva sobre el verdadero valor óptimo de esta relación en cada proceso. En cuanto al fósforo, una relación N/P que puede considerarse adecuada tendría un valor de 4 a 5 (Arce, 1986). Finalmente, los requerimientos en microelementos por parte del proceso se consideran, en la actualidad, uno de los aspectos a investigar más relevantes de la digestión anaeróbica, ya que, según exponen Demirel y Scherer (2009), si un digestor presenta una bajo rendimiento sin ninguno motivo aparente, lo primero que debe ser comprobado es la disponibilidad de microelementos en el medio. Se emplea, además, este término disponibilidad- ya que, procesos tales como la precipitación y la quelación de los mismos, son comunes en los digestores, e impiden su utilización por parte de los microorganismos, aunque estén presentes en el medio. En cuanto a su función biológica, ésta aun no está completamente definida, según estos mismos autores. Del hierro y el molibdeno se sabe, no obstante, que pasan a formar parte de la estructura de ciertas enzimas metánicas (Arce, 1986). Otros microelementos relevantes son el boro, el cobalto, el cinc, el manganeso, el molibdeno, el níquel, el selenio, y el wolframio. Es difícil, en cualquier caso, establecer las concentraciones óptimas de los mismos en el medio debido a que los diferentes estudios llevados a cabo presentan, en ocasiones, resultados aparentemente contradictorios, pudiendo llegar a ocurrir que los niveles óptimos hallados por algunos autores se conviertan en concentraciones inhibidoras del proceso en otros estudios similares (aunque no idénticos). Así, según exponen Demirel y Scherer (2011) concentraciones de Ni de 1 mg L-1 resultaron inhibidoras del proceso de metanización de lodos, mientras que valores de entre 0,012 mg L-1 y 5 mg L-1 resultaron ser estimulantes del proceso en cultivos de bacterias metanogénicas. Este fenómeno podría explicarse a la luz de los datos recogidos en la Tabla 1.5, que muestran el amplio rango de valores en la concentración óptima de microelementos para el cultivo de arqueas metanogénicas. Esta amplitud deriva de las distintas necesidades que presentan las diferentes especies. Si se tiene en cuenta, además, el relativamente escaso conocimiento sobre la ecología de los digestores, y que la predominancia de unas especies u otras es función de diversos factores (y difícil de conocer a priori, sin un estudio específico), puede llegarse a la conclusión de que las concentraciones ideales de microelementos deben considerarse en el contexto en el que se han estudiado, resultando tan sólo orientativas si se quieren extrapolar a otras condiciones. En cualquier caso, en la Tabla 1.4 quedan recogidos los efectos de diversos microelementos sobre las digestiones anaeróbicas de distintos sustratos. 35 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.4. Efecto de distintos microelementos sobre la digestión anaeróbica de diferentes sustratos (Adaptado de Demirel y Scherer, 2011) Autor Wilkie et al (1986) Elementos Ni, Co, Mo, Se Fe (FeCl3) Rajú et al (1991) Ni Co Sustrato Pennisetum purpureum Residuos de procesado de mango Efectos Incremento de la producción de CH4 (40%) Reducción concentración AGVs Incremento de la producción de biogás Incremento de la proporción de CH4 en biogás Incremento de la producción de biogás Incremento de la producción de biogás Incremento de la producción de biogás (35%) Incremento de la producción de biogás Incremento de la proporción de CH4 en biogás Hinken et al (2008) Fe, Co, Ni Rao et al (1994) Fe (FeSO4) Patel et al (1993) Fe (FeCl3) Jacinto de agua y estiércol de vaca Incremento de la producción de biogás (>60%) Hansen et al (1999) Fe (FeCl2) Purín de cerdo Limitación de la inhibición por sulfuros Ensilado de maíz Estiércol de vaca Cama de broiler Tabla 1.5. Dosis adecuadas para el óptimo crecimiento de cultivos de distintas arqueas metanogénicas, según Takashima y Speece (1990). Microelemento Dosis óptimas (mg m-3) Co 5,9 - 120 Se 79 - 790 Ni 48 Fe 280 - 50400 Finalmente, las concentraciones mínimas recomendables de tres de los microelementos más importantes en el proceso de digestión anaeróbica, se recogen en la Tabla 1.6. Tabla 1.6. Concentraciones mínimas de distintos microelementos para la adecuada conversión microbiológica de ácido acético en metano, según Takashima y Speece (1989). Microelemento Fe Co Dosis mínimas (g m-3) 1 0,1 Ni 0,2 1.2.2.5. Inhibidores La presencia, en ciertas concentraciones, de determinados elementos y compuestos puede dar lugar a la inhibición del proceso de digestión anaeróbica. Tal y como se ha mencionado, algunos de los microelementos citados como nutrientes pueden actuar como inhibidores a partir de determinadas concentraciones. La determinación de las dosis exactas a las cuales se produce 36 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. este fenómeno presenta – por tanto - las mismas limitaciones que en el caso de las dosis que permiten la optimización del proceso. Los principales microelementos capaces de causar inhibición son el cadmio, el cinc, el cobalto, el cobre, el hierro, el mercurio, el níquel, y el plomo. Su efecto sobre los microorganismos tiene que ver con la alteración de las estructuras enzimáticas (Chen et al, 2008). La toxicidad relativa de algunos de ellos puede considerarse en el siguiente orden: Cu>Zn>Cr>Cd>Ni>Pb para los organismos acidogénicos y Cd>Cu>Cr>Zn>Pb>Ni para los metanogénicos (Lin, 1992 y 1993). Entre algunos de ellos se producen efectos sinérgicos para la toxicidad (por ejemplo Ni – Cu y Ni – Hg), así como antagónicos (Ni – Cd, Ni – Zn). Una posible solución a la presencia excesiva de estos elementos en el medio es favoreciendo los procesos de precipitación y quelación. La adición de iones S2- permite la precipitación de diversos metales pesados, pero posee, a su vez, cierta capacidad inhibidora en si misma. La sobredosis de este ión puede compensarse con FeSO4, favoreciendo la precipitación de FeS. La posible liberación de Fe2+ subsiguiente no resulta tan dañina como la presencia de los metales originales, ya que este ión no resulta inhibidor hasta que alcanza elevadas concentraciones (del orden de varios de cientos de ppm). La adsorción de los metales pesados en la superficie de compuestos sólidos tales como carbón activo, bentonitas, caolinitas, celulosa, y humus, también reduce su toxicidad, al quedar inmovilizados. Otro inhibidor frecuentemente estudiado, debido a su abundante presencia en los residuos ganaderos, es el amoniaco. Los mecanismos propuestos para su acción inhibitoria tienen que ver con la alteración del pH intracelular, el incremento en las necesidades energéticas de los microorganismos, y la alteración de una reacción enzimática (Chen et al, 2008). Concentraciones por encima de los 4000 mg L-1 pueden considerarse inhibidores para los microorganismos más sensibles del digestor. La capacidad inhibidora del amoniaco aumenta con el pH. Un peculiar fenómeno que puede ocurrir en estos casos es el llamado estado de inhibición estable por el cual, en situaciones de pHs altos y exceso de amoniaco la metanogénesis se inhibe y aumenta la concentración de AGVs. Esto conlleva una posterior disminución del pH que rebaja la toxicidad del amoniaco, hasta que el ciclo empieza de nuevo al aportarse más amoniaco con el nuevo sustrato. El resultado final es la disminución del rendimiento global del proceso. La reducción del pH a la neutralidad (7,0) suele considerarse una forma de limitar el daño del exceso de amoniaco. Otras posibilidades son la adición de iones con efecto antagónico (Na+, Ca2+, y Mg2+) en cantidades adecuadas, de tal modo que no resulten tóxicos en si mismos, o la adsorción (de forma similar a lo que ocurre en el caso de los metales pesados). Por otra parte, se ha observado una cierta aclimatación de algunos microorganismos a concentraciones crecientes de amoniaco hasta valores de 5000 mg L-1. En cuanto a los ya mencionados iones S2-, su efecto inhibidor se produce debido a la toxicidad de esta especie para diversos microorganismos implicados en la digestión anaeróbica. Por otra parte, su presencia en exceso suele delatar una superpoblación de bacterias sulforreductoras en el digestor, las cuales compiten con las metanogénicas (y, probablemente, también con las acetogénicas) por los recursos del medio. Los iones de metales ligeros (Al, Mg, Ca, K, y Na) son, tal vez, los inhibidores potenciales más estudiados en los procesos de digestión anaeróbica. El Al3+ en exceso compite con el hierro y el manganeso, y puede retrasar el crecimiento microbiano adhiriéndose a las membranas y paredes celulares (Chen et al, 2008). El Ca2+ puede favorecer la precipitación excesiva de iones 37 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. CO32- y PO43-, mientras que una sobredosis de Mg2+ induce la producción de células aisladas (que son más sensibles a los procesos de lisis celular). En cuanto al K+, su exceso genera un flujo pasivo que neutraliza el potencial de membrana y su presencia en el medio favorece la liberación de metales pesados inmovilizados en los lodos (lo que puede ser tanto una ventaja como un inconveniente). El exceso de Na+, por su parte, puede afectar al metabolismo de los microorganismos del reactor. Entre estos metales ligeros también ocurren efectos antagónicos, entre los cuales destacan los que producen el Na+ y el Ca2+ (así como el NH4+, dicho sea de paso) sobre la toxicidad del K+. Tabla 1.7. Concentraciones beneficiosas e inhibidoras de diversos elementos en el proceso de digestión anaeróbica, según varios autores (adaptado de Chen et al, 2008). Ión Concentración beneficiosa (mg L-1) S2- 1- 25 (S) Al3+ - Ca2+ 200 K+ ≤400 Na+ ≤350 Concentración inhibidora (mg L-1) Concentración inhibidora tras periodo de aclimatación (mg L-1) 100 - 800 (S2-) 50 - 400 (H2S) 1000 >2500 (moderada) >8000 (fuerte) >5800 3500 - 5500 (moderada) > 8000 (fuerte) 1000 (H2S) 2500 <12000 Finalmente, una gran variedad de compuestos orgánicos pueden resultar inhibidores del proceso de digestión anaeróbica en distintas concentraciones. Entre ellos destacan los clorofenoles, los halogenuros alifáticos, determinados ácidos grasos de cadena larga (por ejemplo el oleico), y los llamados “N-substituted aromatics” (compuestos en los que un átomo de C y otro de H del anillo bencénico han sido sustituidos por un N). Algunos derivados de la lignina (como aquellos con grupos aldehído o sustitutos apolares) son muy tóxicos para los organismos metanogénicos, mientras que otros como los ácidos carboxílicos aromáticos lo son sólo de forma moderada. Tal y como resulta lógico, los detergentes, los antibióticos, y los biocidas en general (insecticidas, fungicidas, y herbicidas) tienen un cierto efecto inhibidor sobre los distintos microorganismos implicados en la digestión anaeróbica, que resulta variable en función de su concentración y del compuesto concreto del que se trate. 1.2.3. Materias primas empleadas para la producción de biogás Las materias primas que pueden emplearse para la obtención de biogás son muy diversas, y pueden dividirse conforme a los siguientes grupos. Residuos de origen vegetal: Entre ellos se encuentran: la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) en su mayor parte, los residuos de la industrias agroalimentarias (pulpas de cítricos, aguas residuales de las conserveras, alpechines, pieles y semillas de frutos varios,…), los residuos y subproductos agrarios (hojas de plantas aprovechadas por su raíz, plantas de especies anuales cultivadas por sus frutos, paja y cañote de cereales,…) y, tal y 38 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. como se ha mencionado anteriormente, las vinazas de las industrias relacionadas con la producción de alcohol. Sus principales virtudes como materias primas son su nulo coste (que puede tornarse incluso en “negativo” en aquellos casos en los que pueda considerase su procesado como la gestión de un residuo), y su elevado contenido en carbono orgánico, que redunda en altos rendimientos de biogás (esto último, claro está, no se aplica a las aguas residuales de la industria agroalimentaria). Entre sus inconvenientes, destacan los siguientes: Por una parte su relación C/N, la cual, aunque en ocasiones es la adecuada, en muchas de las materias primas pertenecientes a este grupo es alta, o muy alta (como en el caso del papel y el cartón). Por otra parte, su pH es más ácido que el requerido para una adecuada digestión anaeróbica (en ocasiones, extremadamente ácido, como es el caso de las pulpas de cítricos). Además, algunos de los sustratos contenidos en este grupo son materiales lignocelulósicos, y requieren, por tanto, de pretratamientos y elevados tiempos de retención hidráulica del proceso. Finalmente, es necesario tener en cuenta la heterogeneidad de algunos de ellos (FORSU) a la hora de planificar el proceso de digestión, mientras que otros son ricos en compuestos inhibidores del mismo (como, por ejemplo, los alpechines). Residuos ganaderos: De forma tradicional, los residuos ganaderos tratados mediante un proceso de digestión anaeróbica eran aquellos con un elevado porcentaje de agua, es decir los llamados purines y lisieres, y la gallinaza. En la actualidad, otros residuos ganaderos que habitualmente podrían ser tratados mediante métodos más económicos, como el compostaje, se emplean también como sustrato para obtener biogás. La principal ventaja de estos residuos, llamados, de forma general, estiércoles, es que su menor contenido en agua supone una mayor concentración de carbono orgánico. Es, precisamente, el bajo contenido en carbono orgánico de los residuos ganaderos en general (muy alto si de compara con las aguas residuales, pero menor que el de la mayoría de las materias primas aquí tratadas) uno de los principales inconvenientes de estos sustratos, y el principal motivo de la falta de rentabilidad de algunas de las plantas que procesan esta materia prima en monodigestión. Otros inconvenientes son su baja relación C/N (especialmente en el caso de la gallinaza) y su contenido en elementos que, en elevadas concentraciones, se comportan como inhibidores del proceso de digestión, tales como el Cu o el Zn. Entre sus ventajas destacan el aporte de microorganismos beneficiosos para el proceso, su elevado poder tampón, la presencia habitual de microelementos útiles, y el hecho de que, en ocasiones, los materiales lignocelulósicos de las plantas que les sirvieron de alimento a los animales, lleguen “pretratados” a la digestión anaeróbica. Por otra parte, y al tratarse de un residuo, su coste de adquisición es nulo (pudiendo llegar a ser, al igual que en el grupo anterior, “negativo”). Residuos de matadero: Conocidos, en su mayoría, como SANDACH (subproductos animales no destinados al consumo humano) algunos de ellos pueden ser empleados para su digestión anaeróbica, directa en ciertos casos, y tras un pretratamiento térmico, en otros, conforme a la ley. Cuentan entre sus ventajas con el hecho de ser residuos (con lo que esto supone, tal y como se ha comentado), y además, ricos en carbono orgánico (a excepción de las aguas de lavado, claro está). Otro aspecto positivo de algunos de los mismos es su aporte a la flora microbiana del digestor (como ocurre en el caso de los intestinos y los rúmenes). Entre sus inconvenientes: relaciones C/N que pueden ser muy altas (grasas) o muy bajas (sangre), tiempos de retención muy largos en el caso de algunos sustratos (grasas), y, en otros, necesidad de pretratamientos demandantes de energía para cumplir con la legislación vigente en materia de salubridad. 39 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Cultivos: En la actualidad, Alemania es el país donde el auge del empleo de cultivos para la obtención de biogas ha sido más destacado, y la principal materia prima utilizada es el maíz forrajero (Zea mays L.). También se emplea, a otra escala mucho menor, la remolacha azucarera. Ambos se utilizan tanto en fresco, como tras un proceso de ensilado. Las gramíneas pratenses, así como diversos cereales cosechados en verde, también han sido empleados con éxito, y otros cultivos, como la pataca, la chumbera, y el sorgo azucarero, parecen prometedores materias primas para la obtención de biogás. Entre sus inconvenientes se encuentran los mismos que en el caso de los residuos vegetales (a excepción de la heterogeneidad y las sustancias inhibidoras), y lo mismo puede decirse de sus ventajas. Es necesario tener en cuenta, además, sus posibles carencias en micro y macroelementos, especialmente si se trata de auténticos cultivos energéticos, producidos – por tanto- con un bajo nivel de insumos. Algas: Tanto las llamadas macroalgas, como las microalgas, se han empleado con relativo éxito en la producción de biogás. En el caso de estas últimas, sus principales ventajas como materias primas son una elevada productividad y un alto contenido en carbono orgánico. Al mismo tiempo, pueden ser alimentadas con el propio biogás, que mejora su calidad al perder parte de su contenido en CO2. Presentan, sin embargo, ciertos inconvenientes. En primer lugar, requieren de pretratamientos para romper la pared celular tras la que se ubican la mayor parte de los compuestos fácilmente metanizables, los cuales tendrán que ser especialmente eficaces en el caso de algas con pared celular de tipo TLS (con estructura trilaminar), compuesta por derivados de la esporopolenina muy difícilmente hidrolizables. En segundo lugar, las microalgas, si se introducen vivas en el digestor, retardan el proceso, ya que muchas de ellas pueden sobrevivir en él durante periodos de tiempo variables. Por otra parte, algunas algas, como determinadas especies del género Scenedesmus, contienen compuestos que son tóxicos para las arqueas metanogénicas. Finalmente, su relación C/N suele ser muy baja (en trabajos llevados a cabo por el Grupo de Agroenergética de la UPM se han encontrado relaciones C/N menores de 9 en diversas muestras de cultivos poliespecíficos de microalgas). Comoquiera que las microalgas son también materia prima para la obtención de otros productos (aceite para biodiesel, proteína para alimentación animal,…), la materia orgánica resultante de la extracción de los mismos puede considerarse, igualmente, como un adecuado sustrato para la obtención de biogás. Se eliminan así los problemas derivados de la vitalidad o de la presencia de una pared celular intacta, al mismo tiempo que el coste del producto disminuye. A la espera de la popularización de los bioreactores de última generación, el coste de producción de las microalgas es, en la actualidad, el principal limitante a su utilización generalizada como materia prima para la obtención de energía. Para obtener una visión más amplia del interés que pueden suscitar las distintas biomasas como sustratos metanizables, en la Tabla 1.8 se recogen algunos rendimientos obtenidos en ensayos semicontinuos por diversas materias primas. 40 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.8. Producción de metano a partir de diversos sustratos vegetales. Autores Sustrato Temperatura (ºC) Tiempo de retención hidráulica (días) Carga orgánica (g SV L-1 día-1) Rendimiento (L CH4 kg SV-1) 41 - 42 25 7,41 384 Stewart et al (1984) Remolacha azucarera (1) (ensilado) Avena 33 - 37 20 2,3 274 Jerger et al (1987) Sorgo 35 28 1,6 260 Stewart et al (1984) Maíz forrajero 33 - 37 20 2,3 253 Oslaj et al (2010) Vervaeren et al (2010) Maíz forrajero Maíz forrajero (ensilado) Residuos hortofrutícolas varios 35 ± 1 35 - 251 – 345 37 21 3 384 33 32 0,74 - 1,60 261 - 417 Piel de patata Fruto y tallo de plátano Paja (trigo blando) 33 - 37 20 2,5 426 33 - 37 20 2,5 529 33 - 37 20 2,36 259 35 20 1 154 28 -32 20 1,24 115 35 24 1,65 230 Demirel y Scherer (2009) Knol et al(1978) Stewart et al (1984) Stewart et al (1984) Stewart et al (1984) Arce (1986) (2) (3) Sarmientos de vid Parthenium Gunaseelan (1994) (3) hysterophorus Hansen et al (1987) Laminaria saccharina (1) Con adición de N, P, K, y micronutrientes. (2) Residuos de espinaca, espárrago, zanahoria, guisante, judía, fresa, y manzana. (3) Sin pretratamientos Codigestiones Tal y como puede observarse, muy pocas materias primas reúnen los requisitos idóneos para su adecuada digestión anaeróbica en solitario. Ocurre, sin embargo, que muchas de ellas presentan características que las hacen ideales para su combinación. Así, los sustratos con una elevada relación C/N suelen ser los que poseen pH bajo y escasez de microelementos (como ocurre con los cultivos energéticos y los residuos vegetales) y, al mismo tiempo, los materiales con una relación C/N baja, suelen tener un pH alcalino y/o un alto poder tampón, así como un contenido en microelementos suficiente como para suplir las carencias de sus co-sustratos (como ocurre, por ejemplo, en el caso de los residuos ganaderos). Este fenómeno, cuya correspondencia no siempre es ideal para todos los parámetros, es el motivo por el cual la codigestión de sustratos es una de las líneas de investigación primordiales en biogás en los últimos años, y su transferencia tecnológica es ya un hecho en diversas plantas de producción (Suárez, 2009). Pretratamientos En el caso de muchas de las materias primas mencionadas, la presencia de compuestos de lenta degradación que limitan el acceso a materiales más fácilmente degradables (como la lignina o los derivados de la esporopolenina), ha motivado la utilización de distintos pretratamientos para garantizar la biodisponibilidad de los sustratos y disminuir los tiempos de retención del proceso. Estos pretratamientos pueden ser similares o idénticos a los empleados en la 41 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. obtención de bioetanol de segunda generación (steam explosion, tratamientos ácidos y alcalinos, empleo de microorganismos fibrolíticos,…) o más novedosos, como la utilización de microondas (Jackowiak et al, 2009) o ultrasonidos para desestabilizar estructuras o agregados (Apul y Sanin, 2010). Otros pretratamientos se emplean, en cambio, para eliminar sustancias inhibidoras presentes en el sustrato. Un ejemplo de este fenómeno es el uso de la levadura Candida tropicalis para disminuir la concentración de los compuestos fenólicos presentes en orujos de aceite de oliva. 1.2.4. Tipos de digestor De acuerdo con Muñoz Valero et al (1987) los digestores pueden clasificarse en tres grandes grupos, en función del contenido en sólidos totales del sustrato que vayan a emplear. 1. Digestores capaces de emplear sustratos “sólidos” (con un contenido en sólidos superior a los 200 g L-1) Corresponden al modelo más sencillo de digestor, consistente en un reactor sin agitación, con funcionamiento en modo batch. Son también conocidos como digestores de 1ª generación. Actualmente se emplean, por una parte, en zonas en vías de desarrollo, debido a la sencillez de su construcción y manejo (y no necesariamente con cargas de sólidos tan altas), y, por otra, en la llamada “digestión anaeróbica seca” (dry anaerobic digestión). La digestión anaeróbica seca surge como solución al problema de tener que dotar al reactor de una cámara de digestión de gran volumen para el procesado de cantidades de materia orgánica proporcionalmente bajas. Esto se debe al contenido en agua del sustrato, y responde a dos motivos: por una parte, y de forma tradicional, los procesos de digestión anaeróbica se han ido optimizando – principalmente – para la depuración de residuos con un alto contenido en humedad (que no podían ser gestionados de forma menos costosa), y ,por otra parte, la dilución de la materia orgánica facilita la existencia en el digestor de una cantidad razonablemente baja de ácidos orgánicos, de forma que se evite la acidificación del medio. La solución evidente es la utilización, cuando el tipo de materia prima lo permita, de menores cantidades de agua en la digestión. En la digestión anaeróbica seca el contenido en sólidos del sustrato oscila entre el 22 y el 40%, y el proceso cuenta entre sus ventajas con la necesidad de un menor volumen de reactor para la misma producción diaria de biogás y una mayor facilidad de gestión posterior del digestato, así como un menor volumen del mismo. Entre sus inconvenientes destacan la necesidad de mayores cantidades de inóculo para su arranque y la posible acidificación si el sustrato es fácilmente hidrolizable, así como un mayor tiempo de retención (lo que debe ser estudiado cuidadosamente, ya que puede suponer, finalmente, una necesidad de incrementar el volumen del digestor, lo que invalidaría el planteamiento inicial que llevó a optar por un proceso seco). 2. Digestores capaces de emplear sustratos “semisólidos” (con un contenido en sólidos entre 10 y 200 g L-1) Entre ellos se encuentran los siguientes: Digestor de cúpula fija (o digestor chino): Consiste, en esencia, en un reactor muy similar al tipo anterior, pero que puede ser alimentado de modo continuo. Cuenta para ello con una 42 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. entrada para la alimentación, una salida para el efluente, y una cúpula fija (de obra) donde se acumula el biogás. Esta acumulación genera un incremento progresivo de presión que termina por desalojar parte del sustrato del reactor. Tras ello se procede a liberar parte del biogas, lo que reduce la presión y permite un reflujo del sustrato, con la consiguiente agitación parcial del contenido del reactor (Balasubramaniyan et al, 2008) (Figura 1.9) Alimentación Alimentación Alimentación Biogás Efluente Biogás Biogás Reflujo Agitación Fig. 1.9. Digestor de cúpula fija. A: Antes de que se produzca la descarga por sobrepresión. B: Durante la descarga de efluente. C: Durante el reflujo tras la descarga Digestor de cúpula flotante (o digestor indio): Similar al anterior, pero la cúpula donde se acumula el gas (normalmente de acero) flota por encima del sustrato. El desplazamiento del sustrato no se produce por sobrepresión, por lo que no existe agitación alguna (Figura 1.10). Alimentación Biogás Efluente Fig. 1.10. Esquema de un digestor de cúpula flotante. Digestor de mezcla completa (o CST: Continuous Stirring Tank): Es similar al modelo chino, pero el biogás no se acumula en el interior del reactor y además posee un sistema de agitación mecánica continuo, de modo que se evita la estratificación (Figura 1.11). 43 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Alimentación Biogas Efluente Fig. 1.11. Esquema de un digestor de mezcla completa. Digestor de flujo horizontal (o flujo pistón): Consiste en un reactor cilíndrico en el cual el eje longitudinal se ubica paralelo al suelo. La agitación, cuando existe, se produce mediante recirculación del biogás o mediante un dispositivo helicoidal (tipo tornillo sin fin). En su interior se produce una separación horizontal de las distintas fases de la digestión (Figura 1.12). Alimentación Biogás Efluente Fig. 1.12. Esquema de un digestor de flujo horizontal. Digestor con recirculación de lodos (o de contacto): Es un reactor de mezcla completa en el cual, para evitar la pérdida de parte de su población microbiana, se recircula, tras su decantación, parte del material saliente (lodos), de forma que pueda recuperarse cierta cantidad de microorganismos (Figura 1.13). Alimentación Biogás Efluente Fig. 1.13. Esquema de un digestor con recirculación de lodos 44 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3. Digestores capaces de emplear sustratos “líquidos” (con un contenido en sólidos inferior a 10 g L-1) En este grupo de digestores (también denominados “de tercera generación”) se encuentran aquellos que representan las distintas tipologías del conocido como “reactor de células inmovilizadas”. Han sido diseñados para dar respuesta al problema del arrastre de microorganismos fuera del digestor. Estos reactores contienen en su interior un conjunto de estructuras o soportes sobre los que pueden desarrollarse las poblaciones microbianas, impidiendo así que sean arrastradas fuera del mismo. Estas estructuras presentan una tipología muy variada: pueden ser fijas o móviles, orgánicas (como por ejemplo, la paja de cereal) o inorgánicas (y en este caso pueden ser de vidrio, plástico, cerámica,…), y su tamaño puede oscilar entre el prácticamente microscópico (zeolitas) y los varios centímetros de, por ejemplo, un disco de vidrio. Todos tienen en común, sin embargo, una alta porosidad o superficie específica, que permita la proliferación de las comunidades microbianas. Las ventajas de este sistema de soportes (al margen de solucionar el problema planteado inicialmente) varían en función del material utilizado; las zeolitas, por ejemplo, ayudan al secuestro de amoniaco cuando este se halla en elevadas concentraciones y participan en la regulación del contenido en CO2 mediante los fenómenos de adsorción y desorción del mismo que se producen en su superficie. Además, pueden suplementarse con microelementos, que se liberarían paulatinamente dentro del reactor. La paja, por su parte, es un material comparativamente mucho más barato, y su lenta degradación contribuye a la producción final de metano y a mejorar la relación C/N de determinados sustratos. Obviamente requiere, sin embargo, de una reposición más continua que otros materiales. El principal inconveniente del sistema de soportes es la colmatación. Este fenómeno puede darse en dos ámbitos; por una parte, las partículas sólidas del sustrato (que, además, nunca podrán ser muy grandes) pueden ocupar los poros del material, invalidándolo para su principal función como soporte microbiano, por otra, el inevitable (y, a la vez, deseable) crecimiento microbiano hace aumentar el tamaño de las estructuras, reduciendo el volumen útil del reactor. Los diferentes tipos de reactores que pueden encontrarse en este grupo se describen a continuación: Filtro anaerobio: Se trata de un reactor de funcionamiento continuo en cuyo interior se encuentra una estructura formada por soportes fijos que fomentan el desarrollo microbiano. El recorrido del sustrato se realiza en sentido ascendente (Figura 1.14). 45 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Biogás Efluente Alimentación Fig. 1.14. Esquema de un filtro anaerobio. Reactor de película fija: Similar al anterior, pero el sentido es descendente, por lo que se evita la creación de vías preferentes y se reduce la colmatación (Figura 1.15). Alimentación Biogás Efluente Fig. 1.15. Esquema de un reactor de película fija. Reactor de película fija sobre soporte libre: Similar al filtro anaerobio, pero en su interior los soportes no forman una estructura fija, sino que nadan libres en el seno del reactor (Figura 1.16). Biogás Efluente Alimentación Fig. 1.16. Esquema de un reactor de película fija sobre soportes libres. Reactor con lecho de lodos (o UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Similar al anterior, en él se adopta, sin embargo, una solución alternativa a los soportes artificiales consistente en favorecer el desarrollo de flóculos del propio lodo activo. El flujo del sustrato es ascendente (Figura 1.17). 46 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Biogás Efluente Alimentación Fig. 1.17. Esquema de un reactor de lecho de lodos. Reactor de lecho expandido: En él los soportes se encuentran libres, son de un tamaño muy pequeño, y se encuentran expandidos en el seno del reactor gracias al propio flujo del sustrato. La expansión mínima es del 10%, y si supera el 35% el nombre del reactor pasa a ser de lecho fluidizado (Figura 1.18). Biogás Efluente Alimentación Fig. 1.18. Esquema de un reactor de lecho expandido. Además de los tipos de digestores expuestos, existen aquellos que llevan a cabo el proceso de digestión anaeróbica en dos etapas sucesivas mediante el empleo de dos reactores distintos. Esta tecnología surge como respuesta a las diferencias en los valores óptimos de los distintos parámetros ambientales que existen entre las primeras fases de la digestión y la fase metanogénica. A partir de lo expuesto en el apartado 1.2.2. puede deducirse que las fases hidrolítica y acidogénica son mucho más estables que la metanogénica, debido a la mayor robustez de los microorganismos implicados a la hora de soportar ligeros cambios en las condiciones del reactor, y a su capacidad para rendir de forma óptima en circunstancias variadas. Esto ha motivado la separación del proceso de digestión en dos etapas (que se llevarían a cabo en dos reactores distintos) la primera de las cuales incluiría las fases más estables, mientras que la segunda se correspondería con la fase metanogénica. 47 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. En el primer reactor la temperatura puede ser más baja y el control de la misma no necesariamente tan estricto, y las mismas consideraciones pueden hacerse sobre el pH. La anaerobiosis estricta no es necesaria, e incluso una cierta microaerobiosis podría considerarse beneficiosa en ciertos casos. Por el contrario, en el segundo reactor (que utilizaría como sustrato el efluente del primero) las condiciones estarían controladas con precisión y ajustadas a los niveles óptimos de la metanogénesis. El dimensionamiento de los reactores puede llevarse a cabo en función de las materias primas empleadas: cuando se trata de materiales lignocelulósicos, la fase retardante (limitante) del proceso de digestión anaeróbica es la hidrolítica, por lo que el volumen necesario en el primer reactor puede ser, en estos casos, mayor. Cuando, por el contrario, la materia prima es fácilmente hidrolizable, generando una gran cantidad de ácidos orgánicos de forma rápida, el reactor metanogénico puede sobredimensionarse respecto al primero. De acuerdo con Muñoz Valero et al (1987) los digestores de mezcla total en dos etapas se clasificarían como digestores capaces de procesar sustratos “semisólidos” (10 – 200 g L-1 de sólidos totales). Las posibilidades de la digestión por etapas son, sin embargo, múltiples y permiten diversas configuraciones, incluso una combinación de hidrólisis y acidogénesis secas en el primer reactor seguida de una metanización en un reactor de tercera generación que se alimentara con el líquido lixiviado del primero. Un ejemplo de este proceso queda esquematizado en la Figura 1.19. Salida biogás Entrada sustrato Salida digestato líquido Salida digestato sólido (compuestos orgánicos recalcitrantes) Ruta hidrolizado líquido Fig. 1.19. Esquema de un digestor multietapa compuesto por un reactor hidrolítico-acidogénico apto para sustratos con un elevado contenido en sólidos y un reactor metanogénico tipo filtro anaerobio. El funcionamiento del digestor de la figura 1.19 podría resumirse como sigue: En el primer reactor se llevarían a cabo las fases hidrolítica y acidogénica a partir de sustratos con un alto contenido en materia seca, sin que exista riesgo de que la bajada de pH afecte a la 48 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. producción (salvo situaciones extremas). El producto líquido de este reactor percolaría a través de un enrejillado y podría ser bombeado al reactor metanogénico, en las dosis adecuadas para evitar la acidificación del medio, o tras ser mezclado con alguna sustancia tampón. En este segundo reactor se habría instalado un sistema de soportes, los cuales apenas sufrirían procesos de colmatación, ya que el contenido en sólidos del fluido es muy bajo gracias al enrejillado, y puede disminuirse aun más, si fuera preciso, con algún mecanismo de decantación intermedio. Obviamente, las condiciones de temperatura, pH, y potencial redox, se ajustarían a las consideradas como óptimas en cada reactor. Este tipo de sistemas de digestión multietapa cuenta, además, con una ventaja añadida: el digestato se obtiene ya separado en sus dos principales componentes (sólidos por una parte, líquido de digestión por otra), lo que evita la separación, necesaria en los digestores convencionales, encaminada a la gestión de este subproducto. 1.2.5. Limpieza y utilización del biogás Tal y como se ha dicho, el biogás es una mezcla de diversos compuestos, entre los que destacan el metano y el dióxido de carbono. Cuando el destino del biogás es su combustión directa (por ejemplo, en una cocina de gas), es recomendable que el poder calorífico del mismo sea elevado mediante el aumento en la concentración de metano. Si, por el contrario, va a ser inyectado en una red de gas natural, o utilizado en un motor para la cogeneración de electricidad y calor o para la producción de energía cinética, este aumento en la concentración de metano es imprescindible, y junto a él, la eliminación de compuestos que puedan causar daños en motores o calderas. Entre estos compuestos destacan el H2S y el vapor de agua. Su combinación en una cámara de combustión motiva la conversión del H2S en H2SO4, con la consiguiente corrosión que este compuesto es capaz de producir sobre las piezas metálicas. El contenido en CO2 del biogás suele oscilar entre el 30 y el 45% y el de vapor de agua puede alcanzar el 6%.El contenido en H2S, por su parte, es muy variable, en función del sustrato empleado. En los residuos hortofrutícolas, el 0,1% se puede considerar un porcentaje estándar (Lastella et al 2002). En el purín de cerdo, en cambio, concentraciones de entre 0,2 y 0,5% se consideran habituales (Suárez, 2009). Para la limpieza del biogás (upgrading) pueden emplearse varios métodos. El lavado mediante el empleo de bases fuertes (tanto en solución como en estado sólido) es un procedimiento sencillo que reduce la concentración tanto de CO2 como de H2S, pero presenta como inconveniente el difícil manejo de estas bases a escala industrial (Petterson y Wellinger, 2009) . En caso de pretender la obtención de biometano (biogás cuyo porcentaje de metano es superior al 95%), pueden emplearse los siguientes métodos (Paulet, 2010): - Adsorción de CO2 con zeolitas en condiciones de alta presión (PSA; Pressure Swing Adsorption). Requiere regeneración de la columna y procesos previos de deshumidificación y desulfuración. Lavado químico con una solución de aminas. Retiene el CO2, pero requieren de una desulfurización previa del biogás. Separación mediante membranas (filtros permeables al CO2). Funcionan a alta presión (16 – 40 bares). En ellos se producen ligeras pérdidas de metano por permeabilidad. 49 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. - Lavado químico con solventes orgánicos. Como el polietilenglicol. No requiere de desulfuración previa. Destilación criogénica. Se basa en el uso de los diferentes puntos e evaporación/ sublimación del dióxido de carbono y del metano. Requiere desulfurización previa Lavado con agua a contrapresión (PWS; Pressurized Water Scrubber). Se basa en el aumento de solubilidad del CO2 en agua conforme aumenta la presión y disminuye la temperatura. No utiliza productos químicos añadidos y no requiere desulfuración previa. La eliminación de H2S (desulfuración) puede llevarse a cabo poniendo el gas en contacto con filtros de lana de acero, virutas de hierro, limonita, o tierras férricas, de tal modo que se produzcan las siguientes reacciones: Fe + H2O Æ FeO + H2 Æ FeO (+H2S) Æ FeS + H2O FeO + H2O Æ Fe (OH)2 (+ H2S) Æ FeS + 2 H20 El agua inicialmente necesaria para el proceso puede obtenerse del propio vapor contenido en el biogás. Según la empresa Emison (2011) son necesarios entre 1,47 y 1,77 kg de lana de acero para la eliminación de 1 kg de H2S. En el caso de las virutas de hierro, se ha estimado que 2,5 kg de virutas podrían utilizarse para la limpieza de 100 m3 de biogás cuyo contenido en H2S fuera menor del 1%. Existe otro compuesto de hierro que puede emplearse para la eliminación selectiva del H2S. Se trata del Fe2SO4, conforme a la reacción Fe2(SO4)3 + H2S Æ Fe SO4 + Sº + H2SO4 En el año 2002, un grupo de investigadores de la Universidad de Cádiz, liderado por Domingo Cantero, patentó un método que implica la utilización de este proceso acoplado a una regeneración microbiana del Fe (II) a Fe (III). Otros métodos biológicos se aplican ya a escala industrial (Petterson y Wellinger, 2009). Al margen de la utilización de compuestos de hierro, el empleo de ZnCO3, ZnO, y CaCO3, así como de filtros de carbón activo impregnado en KI, ZnO, ó K2CO3 parecen también soluciones prometedoras (Petterson y Wellinger, 2009). Por último, una forma alternativa de reducir el porcentaje de H2S en el biogás es mediante su eliminación en el propio digestor. Los cloruros de Fe (II) y Fe (III) pueden añadirse al medio con este objetivo (Petterson y Wellinger, 2009). En cualquier caso, la concentración final de H2S para la utilización del biogás en motores no deberá exceder de 25 ppm, según Acosta et al (2009).Según Pascual (2010) este límite sería del 0,05 % (en volumen, lo que supone – aproximadamente – 625 ppm) para su empleo en motores de cogeneración, y se reduciría a 23 ppb en el caso de vehículos. La concentración máxima de 50 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. este compuesto en el biogás si se pretendiera su inyección en la red de gas natural sería de 0,5 ppb, según este mismo autor. Otros compuestos presentes en el biogás, como el O2, el N2, y el NH3, suelen eliminarse total o parcialmente en los procesos de limpieza anteriormente descritos. En el caso de ser necesaria una eliminación total de los dos primeros, pueden emplearse tamices moleculares o filtros de membrana. (Petterson y Wellinger, 2009). Entre los compuestos minoritarios que pueden hallarse en el biogás, y que resulta necesario eliminar de cara a su combustión, destacan los siloxanos. Pueden estar presentes en el llamado biogás de vertedero (forman parte de desodorantes y champús) y su combustión genera óxido de silicio. Para su eliminación puede emplearse carbono activo, aluminio activo, gel de sílice, o un lavado a través de mezclas líquidas de hidrocarburos (Petterson y Wellinger, 2009). 1.2.6. Gestión de subproductos e impacto ambiental de la producción de biogás. Los posibles impactos ambientales, tanto beneficiosos como perjudiciales, atribuibles a la producción de biogás dependen del sustrato considerado. En el caso de los residuos (FORSU, agrícolas, ganaderos, de matadero, de las industrias agroalimentarias…) el beneficio ambiental es evidente por cuanto supone una etapa de depuración de los mismos con las siguientes implicaciones: - - Evita la emisión de los gases de efecto invernadero que se producirían durante su degradación en procesos incontrolados. Emplea sustancias cuya degradación al aire libre generaría malos olores, y mantiene confinados los compuestos olorosos que se crean en su proceso, los cuales, en caso de ser altamente volátiles como el H2S, son eliminados en el proceso de limpieza del biogás. Estabiliza la fracción de materia orgánica que no transforma en biogás, convirtiéndola en un producto más inclinado a la humificación que a la conversión en CO2. En cualquier caso y no obstante, el proceso de digestión anaeróbica produce un residuo que debe ser tratado posteriormente para evitar que se convierta en una fuente de contaminación del medio. De forma habitual, este residuo, conocido como digestato, es separado (mediante un tamiz de purines o aparato similar) en dos fracciones. Una, más o menos sólida, que contiene los compuestos orgánicos recalcitrantes (ligninas, lípidos no hidrolizables, determinadas proteínas,…) junto con otros compuestos que no han sido completamente degradados en el tiempo de retención estipulado (entre los que suele incluirse una fracción importante de la celulosa si el tiempo de retención hidráulica es inferior a los 45 días), y, por supuesto, una cierta cantidad de biomasa microbiana. Junto a ella se distingue una segunda fracción, líquida en este caso, que contiene algunos sólidos en suspensión y, obviamente, todos los compuestos solubles presentes en el digestato, incluyendo los iones de las sales solubles en las condiciones de digestión. La fracción sólida, adecuadamente manejada, es un excelente fertilizante orgánico. Para ello puede ser sometida a un proceso de compostaje que termine de estabilizarla. Si fuera necesario 51 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. puede emplearse durante el mismo una parte de la fracción líquida (para mantener el nivel de humedad necesario en las distintas fases) y lograr de este modo una mayor recuperación de nutrientes, así como la gestión simultánea de parte de esta fracción. Otra opción, por ejemplo en plantas de cogeneración, es el secado y posterior peletizado de la misma, de modo que pueda ser transportada con mayor facilidad (y su valor de mercado se eleve). Ambos procesos suponen la transformación de un residuo en un subproducto útil y, por tanto, valorizable. En algunos casos, una fracción sólida rica en componentes lignocelulósicos puede ser eficazmente convertida en un biocombustible sólido (Fürstaller et al, 2010). Esto dependerá, en gran medida, del grado de humedad de la misma. En cualquier caso su contenido en N y microelementos debe ser cuidadosamente controlado para evitar el deterioro de la caldera y limitar la emisión de compuestos altamente contaminantes. En cuanto a la fracción líquida, parte de ella puede emplearse en aumentar el contenido en humedad de materias primas con un excesivo porcentaje de materia seca. Si se dan las circunstancias apropiadas, el destino más adecuado de esta fracción es la fertirrigación, ya que este líquido, adecuadamente desprovisto de sólidos en suspensión, supone un concentrado de nutrientes (NH4+, PO43-, K+, Ca2+, microelementos,…) y una fuente económica de agua no potable que puede ser empleada con evidentes beneficios para la producción vegetal. En el caso concreto del cultivo de microalgas para la obtención de bioenergía, este líquido puede emplearse como base en la elaboración del sustrato de las mismas, reduciendo costes en su producción, y contribuyendo a cerrar en cierta media el ciclo de la materia empleada en el proceso. En caso de que nada de esto sea posible, deberá ser depurado como si se tratara de un agua residual, con el consiguiente impacto negativo que esto supone y la consecuente necesidad de inversión económica para reducirlo en la medida de lo posible. En algunos casos, el digestato no se fracciona y se procede a su secado y peletizado completo. La gran ventaja de este proceso es que el fertilizante así obtenido tiene un porcentaje de nutrientes muy superior al obtenido exclusivamente a partir de la fracción sólida. Como principal inconveniente puede citarse el mayor gasto energético del proceso. La transformación del digestato en fertilizante se considera, como se ha expuesto, una opción muy interesante para su gestión, desde los puntos de vista tanto ecológico como económico. Su empleo presenta, no obstante, una limitación que debe ser considerada: el contenido porcentual en microelementos del mismo puede estar por encima de lo recomendado para un fertilizante orgánico. Supone, en cierta medida, algo similar a lo que ocurre con la utilización agrícola de lodos de depuradora. Esto puede limitar las dosis aplicables, por lo que, para evitarlo, debe tratar de llegarse a un equilibrio entre las necesidades en microelementos de los microorganismos implicados en el proceso de digestión, y los límites a la presencia de los mismos en enmiendas orgánicas. 1.2.7. Panorámica de la producción de biogás. Al contrario de lo que ocurre en el caso del bioetanol, la producción de biogás no está centralizada en factorías con una elevada producción diaria de combustible. Resulta, por tanto, muy difícil estimar su producción mundial. En algunos países, como China, la producción de biogás es extremadamente dispersa. Se estima que existen en este país unos 2.000 digestores industriales destinados al tratamiento de deyecciones ganaderas, cuya producción sería de unos 90 M de metros cúbicos de biogás, 52 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. existiendo en 2005, además, unos 17 millones de digestores de tamaño familiar con una producción conjunta superior a los 6.500 M de metros cúbicos de biogás (MICYT e IDAE, 2011). Según expone Rosillo-Calle en 2006, sólo 190 de los digestores de tamaño industrial se empleaban para la producción de electricidad (unos 3 GWh). Algo similar ocurría en la India donde se calcula que existían 3,3 millones de digestores familiares en el año 2001, o en Nepal, donde este valor se cifraba en unos 49.000 en 1998 (Rosillo – Calle, 2006). En lo que respecta a otros países, según datos recogidos en el Plan de Energías Renovables 2011 – 2020 (MICYT e IDAE, 2011), la capacidad instalada de generación eléctrica con biogás en el conjunto de miembros de la OCDE era de 5.742 MW en 2007, el 64,5 % de los cuales estaba en Europa. En 2010, la producción de energía eléctrica a partir de biogás en la Unión Europea fue de 30.339,6 GWh, lo que supuso un incremento de, prácticamente, el 21% con respecto al año 2009 (Eurobserver, 2011b). El principal país productor europeo es Alemania, donde – en 2010 - había instaladas 7.100 plantas de biogás, con una previsión de crecimiento hasta las 7.470 plantas en 2011. Este país generó en 2010 el 53,4% de la energía eléctrica procedente de biogás en la UE, esto es 16.205 GWh (Eurobserver, 2011b). El crecimiento del sector en este país, de seguir en esta línea, permitiría reemplazar por biometano el 10% de su consumo de gas natural en el año 2030 (DENA, 2011). En términos de energía eléctrica producida, los países europeos más importantes en 2010, tras Alemania, fueron: Inglaterra (5.740 GWh) Italia (2.054,1 GWh) Francia (1.078,4 GWh) Holanda (1.028 GWh) y España (653 GWh) (Eurobserver, 2011b). En este último país, la potencia total instalada a finales de 2010 era de 177 MW, correspondiendo alrededor del 65% de la misma a biogás de vertedero (70% del biogás producido) (MICYT e IDAE, 2011). 53 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 1.3. La Chumbera (Opuntia spp.) 1.3.1. Taxonomía Las plantas denominadas de forma vernácula como “chumberas” se encuadran en la siguiente clasificación taxonómica (Cronquist, 1981): Reino: Plantae División: Magnoliophyta Clase: Magnoliopsida Subclase: Caryophyllidae Orden: Caryophyllales Familia: Cactaceae Subfamilia: Opuntioideae Tribu: Opuntieae Géneros: Opuntia y Nopalea El género Opuntia agrupa a la gran mayoría de las especies de chumbera, tanto cultivadas como silvestres, mientras que del género Nopalea sólo se cultiva una especie con fines agronómicos, la llamada Nopalea cochenillifera. El género Opuntia está compuesto por alrededor de 300 especies (Scheinvar, 1999), de entre las cuales, las principales cultivadas serían las siguientes: O. ficus-indica (L.) Miller. Es, por antonomasia, la chumbera cultivada. Se emplea, fundamentalmente, para la producción de nopalitos, palas para forraje, higos chumbos, y grana de cochinilla. O. amyclaea Tenore. Se trata, probablemente, de la forma espinosa de O. ficus – indica. Su cultivo tiene, por tanto, los mismos propósitos que en su caso. Se consideran sinónimos: Opuntia ficus-indica f. amyclaea (Ten), Opuntia ficus-indica var. amyclaea (Ten), y Opuntia albicarpa Scheinvar. (Kiesling, 1998) O. megacantha Salm-Dick. Cercanamente emparentada con O. ficus-indica (probablemente una forma primigenia silvestre) se cultiva para la producción de nopalitos, según Flores et al (2005) e higos chumbos, según Andrade et al (2008). O. streptacantha Lemaire Otra probable candidata a considerarse antecesora de O. ficusindica (Scheinvar, cit. en Kiesling, 1998). Se cultiva de forma casi exclusiva en huertos familiares para la producción de higos chumbos (tunas cardonas) (SAGARPA, 1999). Éstos también se recolectan en cantidades significativas de nopaleras silvestres de esta especie (López y Rodríguez, 1997). O. robusta H. Wendland ex Pfeiffer. Se cultiva fundamentalmente para la producción de higos chumbos (tunas taponas) (Bravo, 1978) y forraje (Mondragón y Pérez-González, 2001a). Al mismo tiempo, las nopaleras silvestres de O. robusta también se explotan para la recolección de nopalitos en algunas zonas de México (Flores Valdez, 1999) O .joconostle Weber. Se cultiva para la producción de xoconostles (Zavaleta et al 2001) O. matudae Scheinvar. Se cultiva para la producción de xoconostles (Zavaleta et al 2001) O. ellisiana Griffiths. Se cultiva para la producción de forraje. 54 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Existen, además, un gran número de especies de las que se obtiene cierto aprovechamiento forrajero como matorral pratense, especialmente en momentos de sequía. Las principales de entre ellas se citan a continuación: O. lindheimerii Engelmann. Su cultivo ocasional se lleva a cabo en algunas zonas de México y EE.UU. O. engelmanii Engelmann. Su cultivo ocasional se lleva a cabo en algunas zonas de México (Mondragón – Jacobo, 2001b) O. rastrera F.A.C.Weber. Su cultivo ocasional se lleva a cabo en algunas zonas de México (Mondragón – Jacobo, 2001b) O. microdasys (Lehm.) Pfeiffer O. leucotricha DC O. rufida Engelmann O. cantabrigiensis Lynch O. phaeacantha Engelmann O. violacea Engelmann Por último, un gran número de especies del género Opuntia son cultivadas únicamente por su valor ornamental. Dado su pequeño tamaño, o su disimilitud con las especies citadas anteriormente (algunas de ellas pertenecen al subgénero Cylindropuntia, y sus artejos son cilíndricos en lugar de oblongos u ovalados), no suelen denominarse como chumberas. La taxonomía del género Opuntia es un asunto controvertido. La grandísima variedad morfológica que pueden presentar individuos de una misma especie en distintas circunstancias, junto con la elevada promiscuidad interespecífica del género, dificultan sobremanera su estudio y el consenso en las conclusiones. Así, lo que para algunos autores es una especie diferente, es, según otros, tan sólo una variedad distinta. Para hacerse una idea de la complejidad del problema, y sólo en relación con O. ficus-indica (la más importante de las especies desde un punto de vista económico), puede consultarse el trabajo de Reyes-Agüero et al “Notas sistemáticas y una descripción detallada de Opuntia ficus-indica (L.) Mill. (Cactaceae)” (2005). En él destacan las disparidades entre las conclusiones de los autores, que consideran O. ficus-indica como una especie diferente de O.megacantha, y las conclusiones de Labra et al (2003), que sugieren que se trata, en realidad, de la misma especie. Ya anteriormente, Bravo-Hollis en su obra “Las cactáceas de México” (1978) expone el problema de la taxonomía de esta especie en los siguientes términos: “Britton y Rose opinan que este nopal [O. ficus-indica] es una forma inerme de especies relacionadas con la serie Streptacanthae y que su colocación en una serie especial es solamente "a matter of convenience". Berger cree que es una forma sin espinas de Opuntia amyclea, que bajo cultivo crece bien en Italia. Grifíiths (Journal of Heredity 5: 222. 1914) indica que el origen de esta forma sin espinas se encuentra en Opuntia megacantha; de esta opinión son también Benson y Walkinton (1965) que consideran a esta especie como el tipo silvestre de Opuntia ficus-indica”. En España, el tratado de referencia “Flora Ibérica”, publicado por el Centro Superior de Investigaciones Científicas (Berthet en Castroviejo et al (eds) 1989), sugiere el empleo del nombre O. maxima en lugar de O. ficus –indica, ya que “recientes estudios tipificativos parecen desaconsejar su uso para nuestra planta”. 55 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Otros ejemplos del alcance de la falta de consenso en la taxonomía del género son la existencia, según ciertos autores, de Opuntia cochenillifera (como sinónimo de Nopalea cochenillifera (Scheinvar, 1999)) o la consideración de Cylindropuntia como un subgénero dentro de Opuntia (Scheinvar, 1999) (en lugar de cómo un género distinto del mismo (Bravo, 1978)). En la actualidad, técnicas de investigación genética que recurren a herramientas tales como los microsatélites, el RAPD (Random Amplification of Polymorphic DNA), o el AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) se están utilizando en el estudio de la chumbera, y tal vez permitan en un futuro cercano importantes avances en el conocimiento y esclarecimiento de la taxonomía de este cultivo. Una muestra representativa de estos estudios aparece recopilada por Mondragón y Chessa (2010). En el presente trabajo, y a riesgo de simplificar en exceso, se considerará que las plantas empleadas con fines experimentales pertenecen a la especie Opuntia ficus-indica (L.) Miller. 1.3.2. Origen e Importancia histórica del cultivo Las chumberas son plantas originarias del continente americano. El centro de diversidad del género puede ubicarse en México (Bravo, 1978), y su vínculo con las culturas prehispánicas de este país puede rastrearse en la historia hasta el séptimo milenio A.C., en las excavaciones arqueológicas de Tehuacan, Puebla. El proceso de domesticación de la Opuntia ficus-indica se inicia en torno al año 6.000 A.C. según Hoffman (1999) y comprendería tres etapas más o menos diferenciadas. La primera etapa consistiría en la selección de ejemplares vigorosos de chumberas silvestres (probablemente alotetraploides originados a partir de diploides), que serían de alguna manera protegidos, e incluso cultivados cerca de sus asentamientos, por tribus recolectoras. Estos ejemplares se retrocruzarían con los silvestres, y este fenómeno, unido a un proceso de selección basado en el tamaño y sabor del fruto, daría lugar a ejemplares octoploides similares a los actuales. (Kiesling, 1998). La siguiente etapa sería la evolución producida en las llamadas “nopaleras de solar”. En ella, los agricultores habrían seleccionado los mejores ejemplares para cultivarlos en huertas (patios) cercanas a sus viviendas (en ocasiones formando cercas). En estas condiciones simpátricas artificiales se producirían un buen número de hibridaciones, a partir de las cuales serían seleccionados los ejemplares más aptos para los intereses del agricultor (Pimienta – Barrios et al, 1999). Estas huertas constituyen, aun hoy en día, una interesantísima fuente de material genético para el desarrollo de la chumbera. La tercera etapa consistiría en el establecimiento de las actuales plantaciones modernas comerciales. Esta fase se inició entre los años 40 y 50 del siglo XX, debido al aumento de la demanda del fruto (Barbera, 1999). Desde entonces, una rigurosa selección de los fenotipos más sobresalientes se ha llevado a cabo a partir del material existente en las “nopaleras de solar” con el objetivo de elegir las plantas que mejor puedan adaptarse a los distintos enfoques productivos existentes. Este proceso continúa en la actualidad, junto con el desarrollo, por parte de organismos de investigación y empresas privadas, de variedades comerciales con fines específicos. 56 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. A pesar de lo dicho, autores como Casas y Barbera (2002) exponen que no existen evidencias arqueológicas de que la chumbera fuese una de las primeras plantas cultivadas en el valle de Tehuacan, y que la documentación escrita sobre su cultivo no aparece hasta el siglo XVI. En cuanto a la dispersión del cultivo a nivel mundial, los primeros ejemplares de plantas del género Opuntia probablemente cruzaron el Atlántico en el primer o segundo viaje de Colón (Kiesling, 1998). Durante el siglo XVI, su dispersión documentada por Europa se basó en su interés como ornamental y curiosidad botánica, y su cultivo se circunscribió a los jardines botánicos y de mansiones aristocráticas (Barbera, 1999). Sin embargo, su distribución efectiva fue mayor, ya que los pájaros dispersaron sus semillas y los marineros sus cladodios (que utilizaban como antiescorbútico en los viajes). Las chumberas llegaron al noroeste de África desde España con los moriscos, y desde ahí se distribuyeron por toda la zona costera mediterránea del continente. En el siglo XVIII su presencia estaba ya documentada en Sudáfrica, India, Filipinas, China, e Indochina. A mediados del s.XIX la industria de la grana de cochinilla se hallaba en plena expansión; existían 14 plantas de producción en Argelia, y las Islas Canarias producían cantidades que doblaban las traídas de América. En la actualidad, más de un millón y medio de hectáreas de chumbera se cultivan en el mundo. Un estudio detallado de su distribución y enfoques productivos puede verse en el apartado dedicado a los usos del cultivo. 1.3.3. Descripción de la planta y adaptación al medio Las chumberas son plantas arbustivas, arbóreas en ocasiones, de porte generalmente erguido (salvo algunas especies rastreras), y cuya estructura aérea esta formada por tallos fotosintéticos tipo artejo llamados cladodios. Pertenecen a la familia de las cactáceas y presentan una serie de características anatómicas, morfológicas y fisiológicas que les permiten desarrollarse en zonas cálidas donde la aridez impide el establecimiento de la gran mayoría de los cultivos. Estas características, en relación con los sistemas u órganos que las presentan, se exponen a continuación. Sistema radicular Las chumberas presentan un sistema radicular carnoso de distribución horizontal que puede llegar a dispersarse entre 4 y 8 m, alcanzando una profundidad de unos 30 cm (Sudzuki, 1999). Durante el periodo de sequía en el suelo una parte de las raíces de la planta (llamadas absorbentes) mueren, mientras las restantes se cubren con una capa relativamente impermeable, evitando así el flujo de agua desde la planta hacia el suelo. Con la llegada de las lluvias, las raíces absorbentes vuelven a desarrollarse a partir de yemas latentes en las raíces estructurales. Las primeras pueden ser funcionales en cuestión de horas tras la humectación del suelo. Además de este mecanismo de adaptación a la sequía, el sistema radicular de la chumbera contribuye a reducir la transpiración de la parte aérea de la planta debido a un alto potencial negativo radicular. Tallos Los tallos de las chumberas están formados por artejos fotosintéticos aplanados de forma oblonga, ovoide, o circular llamados cladodios. La epidermis de los cladodios está recubierta por una cutícula gruesa, con una estructura cerosa básica de placas semiverticales en su superficie, lo que permite reducir la transpiración, al tiempo que serviría para aprovechar la 57 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. condensación de la humedad atmosférica, tal y como se ha sugerido para otras especies (Hull y Blekman, 1977). Esta cutícula posee, además, un color blanco que refleja la radiación solar, reduciendo así la temperatura del tallo. En cuanto a los estomas se refiere, su densidad es muy escasa en comparación con otras especies (de 15 a 35 estomas mm-2), y su poro está oculto (hundido respecto a la superficie del tallo). Las yemas axilares del cladodio reciben el nombre de areolas, y a partir de ellas aparecerán nuevos cladodios, flores, o raíces. Estas areolas presentan tanto espinas consideradas como tales – que proceden de primordios más robustoscomo pelos espinosos, llamados gloquidios. Las principales funciones de estos órganos (hojas modificadas, en realidad) son la condensación de agua del aire y la reducción de la temperatura del cladodio, así como su sombreo. La gran mayoría de las especies de chumbera presentan espinas, sin embargo, muchas de las especies cultivadas poseen variedades o ecotipos inermes. De éstas, la gran mayoría presenta gloquidios, si bien en algunos ecotipos son absolutamente inconspicuos. Bajo la epidermis aparece el tejido fotosintético (clorénquima) y más profundamente el parénquima blanco, dónde se almacenan los compuestos de reserva y grandes cantidades de agua. La acumulación de agua está muy relacionada con la existencia del mucílago, sustancia heterogénea e higroscópica sobre la que se tratará detalladamente más adelante (ver apartado 3.3.4), y que está presente en los tejidos hipodérmico, cortical, y vascular, así como en la médula. A partir del segundo año los cladodios comienzan un proceso de lignificación que puede conllevar la aparición, con el tiempo, de una corteza, a la vez que – en determinadas especies- se produce una evolución paulatina de los mismos hacia formas ahusadas o cilíndricas. Hojas Las hojas de las chumberas presentan una forma aproximadamente cónica, y son dehiscentes, desprendiéndose normalmente a las pocas semanas de aparecer. Flores Las flores de las chumberas son hermafroditas (unisexuales en el caso de determinados ejemplares de Opuntia robusta, según Bravo (1978)) y actinomorfas, y se desarrollan en la superficie de los cladodios de uno, dos, y ocasionalmente tres años. El periantio está formado por pétalos y sépalos (muy similares) fusionados en la base. Los estambres están insertados en la cavidad del receptáculo (exertos en el caso de Nopalea spp.) y arreglados en espiral, con filamentos libres. El gineceo está formado por cuatro o más carpelos fusionados y el ovario es unilocular con placentación parietal. El receptáculo, que se convertirá posteriormente en la piel del fruto, muestra hojas y areolas perfectas, lo que es exclusivo de un reducido número de especies vegetales (Sudzuki, 1999). La polinización puede ser autógama o alógama (frecuentemente melitófila; ornitófila en el caso de Nopalea cochenillifera) Frutos El fruto de la chumbera es una baya procedente de un ovario ínfero. Su piel presenta la misma morfología que el cladodio y su pulpa se forma a partir del funículo y el envoltorio funicular. Las semillas pueden ser viables o abortadas, sin que se haya establecido el porqué de esto último (Sudzuki, 1999). El tamaño depende de la especie, así como su forma, que oscila entre la piriforme y la globosa. Su color va desde el verde pálido hasta el rojo sanguino, pasando por las distintas tonalidades de amarillos y naranjas, en función no sólo de la especie sino de la variedad considerada. 58 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Entre las adaptaciones fisiológicas de la chumbera a la aridez, la más importante es la adopción del llamado metabolismo ácido de las crasuláceas (ó CAM, de sus siglas en inglés). Esto implica la apertura de estomas durante las horas nocturnas del día con el objeto de tomar CO2, el cual no se incorpora al proceso de fotosíntesis, sino que se almacena en las vacuolas celulares en forma de ácido málico. De esta manera se contribuye a reducir la pérdida de agua que se produce en la apertura de estomas, y que resultaría mucho mayor si se llevara a cabo en las calurosas horas del día. En este periodo, en cambio, el ácido málico se difunde fuera de las vacuolas y se descarboxila, liberando en el citosol el CO2, que se transformará en productos fotosintéticos, gracias a la luz y a la enzima Rubisco. Este sistema de captación de CO2 es, en esencia, un mecanismo de adaptación a la aridez, por lo que resulta lógico que se haya observado como las chumberas que no están sometidas a ninguna clase de estrés hídrico llevan a cabo una apertura de estomas previa a la puesta de sol y que se prolonga tras la salida del mismo. Durante estas horas de luz, el CO2 captado se incorpora directamente a las rutas metabólicas propias de las plantas C3 (Nobel, 1999). Otra interesante adaptación a la aridez consiste en que la pérdida de agua durante el periodo seco se produce preferentemente a partir de la acumulada en el tejido parenquimático, en lugar de a partir del clorénquima, más próximo al exterior. Esto permite que la actividad fotosintética de este último no se vea afectada, y evita tener que acumular grandes cantidades de agua en las células del mismo. Gracias a ello las vacuolas del clorénquima, que llegan a ocupar el 90% de la célula, pueden destinarse al almacenamiento de ácido málico (Nobel, 1999). 1.3.4. Composición química El conocimiento de la composición química de la chumbera es fundamental para los objetivos de este trabajo, ya que la aptitud de su biomasa para ser convertida en distintos tipos de biocombustibles, así como los rendimientos potenciales de conversión en cada uno de ellos, dependen en gran medida de la misma. Cladodios En este trabajo, el potencial de la chumbera para ser convertida en biocombustibles se basará en la biomasa procedente de sus cladodios maduros, por ello, en este capítulo se hará especial hincapié en la composición de los mismos frente a la de los frutos, o la de los cladodios jóvenes. En los últimos años, el creciente interés por la chumbera como recurso forrajero ha conllevado la aparición de diversos estudios en los que se analiza la composición de los cladodios de chumbera, centrándose su interés en el contenido en materia orgánica, fibras, y proteínas de los mismos. Materia seca y materia orgánica El contenido en materia seca de los cladodios de chumbera depende en gran medida de la época del año en la que sean cosechados. Esto se debe a la gran capacidad de sus tejidos para almacenar agua, de tal forma que los porcentajes más altos de materia seca se encontrarán en cladodios cosechados justo antes del inicio de la temporada de lluvias. Porcentajes cercanos al 18 % de materia seca se han encontrado en cladodios terminales sanos de chumbera (O. ficusindica) recogidos a finales del verano en Almería (España). Para la misma especie y en el mismo lugar se han hallado porcentajes de materia seca por debajo del 5% a principios de la misma estación (datos propios no publicados). Otro factor determinante es la edad del 59 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. cladodio, ya que conforme aumenta ésta, tiende a incrementarse el contenido en materia seca del mismo. El conocimiento del contenido en materia seca es fundamental a la hora de orientar el empleo energético potencial de una biomasa dada. Un bajo porcentaje descarta su uso eficaz como biocombustible sólido, y para cualquier otra aplicación, su cuantía debe ser considerada a la hora de planificar el mejor procedimiento posible para su transformación. En cuanto al contenido en materia orgánica, resulta útil tanto por si mismo (para estimar, por ejemplo, el rendimiento potencial de producción de metano en una digestión anaeróbica) como por lo que conlleva implícito; en términos generales podemos asumir que la materia seca de una biomasa está formada por la suma de su materia orgánica y sus cenizas, por lo que conociendo los dos primeros términos de la ecuación podemos determinar fácilmente el tercero. El contenido en cenizas es otro de los parámetros que permiten estimar la aptitud de una biomasa para ser empleada como biocombustible sólido, siendo ésta menor conforme se incrementa el porcentaje de aquellas. La especie de chumbera más ampliamente cultivada (Opuntia ficus-indica) es, como resulta lógico, acerca de la que más se ha investigado. Su composición resulta, además, la más relevante para los objetivos de este trabajo, ya que se trata de la especie utilizada en los trabajos experimentales que lo conforman. En la Tabla 1.9 aparecen los datos aportados por diversos trabajos científicos acerca del contenido en materia seca y materia orgánica de cladodios de O. ficus-indica, O. amyclea, Nopalea cochenillifera, y especies afines, junto con algunas características de las plantas objeto de estudio que permiten contextualizar los valores aportados. Se consideran especies afines aquellas especies cultivadas, productoras de frutos grandes y dulces, con cladodios de tamaño medio o grande de color verde, y aparentemente vinculadas taxonómicamente a O. ficus - indica, pero cuyos investigadores o desarrolladores han juzgado oportuno abstenerse de clasificarlas hasta el nivel de especie, dada la complejidad y la falta de consenso en la taxonomía del género. La mayoría de las contempladas tiene, sin embargo, un nombre comercial. Las entradas en la tabla están ordenadas en función del país donde se llevó a cabo a cabo la investigación, y, tras ello, conforme a la especie o variedad estudiada. Se ha respetado la nomenclatura original utilizada por los autores para designar el nombre científico de las plantas utilizadas. Asimismo se ha respetado la nomenclatura utilizada por los mismos para referirse al tipo de cladodio estudiado (en relación con su edad o posición en la planta). La tabla incluye, además, la precipitación de la zona de cultivo, cuando dicha información estaba disponible. Las variedades IPA/UFRPE han sido desarrolladas por el Centro de Investigaciones Agropecuarias de Pernambuco (Brasil). COPENA es el nombre genérico de un conjunto de variedades desarrolladas por la Universidad Autónoma de Chapingo, en México. 60 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. País Nopalea cochenillifera cv. Miúda Nopalea cochenillifera cv. Miúda O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O.ficus-indica O.ficus-indica Opuntia spp. cv. Sabra Opuntia spp. v. 06 México Opuntia spp. v. 16 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 19 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 20 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 53 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 69 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. Redonda O.ficus-indica O.ficus-indica O.ficus-indica O.ficus-indica O.ficus-indica Nopalea spp. O. ficus – indica var. Amarillo oro O. ficus-indica v. COPENA F-1 O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis O. amyclaea O. amyclaea O. amyclaea O. ficus-indica O. ficus-indica f. amyclaea O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis Especie y variedad No No No No No No No No No(3) No No No No No No No No No No No No Si(1) No No No Si(2) Si(2) Si(2) No Si(1) No No No No No No No Espinas Terminal y subterminal Terminal y subterminal Terminal y subterminal Terminal y subterminal Jóvenes Maduros Terminal y subterminal Terminal Terminal y subterminal 2 y 3 años Terminal y subterminal Terminal y subterminal Terminal y subterminal 2 y 3 años Tipo cladodio Tabla 1.9. Contenido en materia seca y materia orgánica en los cladodios de chumbera. Autor Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil España España España Etiopía Marruecos México México México Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Edad plantación (años) 37 39 ~10 ~10 ~10 - Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Silvestres Silvestres Silvestres Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación Plantación - Procedencia 10,28 9,2 9,93 11,56 8,3 ± 0,31 9,39 8,22 4,8 - 12,5 6,3 - 17,2 8,0 12 10,69 11,29 13 17,7 6,7 15,7 6,6 10,1 9,33 ± 0,75 10,4 12,7 6,6 19,1 6,3 9,7 ± 3,57 8,96 ± 0,53 Materia seca (%) 89,2 87,38 88,4 90,4 90,33 88,6± 0,41 88,25 83,06 87,2 88,4 88,9 87,9 89,6 89,3 88,4 86,7 78,0 - 70,2 70,6 - 75,3 76,5 72,5 80,4 73,79 86,93 86,8 74,6 76,2 74,2 74 76,5 69,8 74,35 ± 0,94 78,8 68,3 85,6 69,7 73,4 67 ± 2,15 76,70 ± 0,78 Materia orgánica (% sms) 700 600 390 390 390 390 350 350 - P (mm) (3) Sin especificar, pero los ecotipos en Brasil no suelen tener espinas. (4) Citados en Vázquez et al (2008) Batista et al (2003) Leal et al (2009) Batista et al (2003) Da Silva et al (2010) Leal et al (2009) Albuquerque et al (2002) Vieira et al (2008) Valença et al (2007) Ramalho et al (2006) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Retamal et al (1986) Retamal et al (1986) Retamal et al (1987) Gebremariam et al (2006) Malainine et al (2003) Griffiths y Hare (1906) (4) Bauer y Flores (1969)(4) Reveles et al (2010) Ben Salem et al (2002a) Ben Salem et al (2004) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Ben Salem et al (2002b) Ayadi et al (2009) Ben Salem et al (2005) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Rekik et al (2010) Ayadi et al (2009) (1) El ecotipo es espinoso pero los análisis se llevaron a cabo sobre cladodios desespinados. (2) Las espinas se quemaron de forma previa al análisis. 61 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fibras El conocimiento del contenido en celulosa, hemicelulosa, y lignina de una biomasa es importante de cara a estimar su potencial como materia prima para obtener diversos tipos de biocombustibles. En el caso de que el objetivo fuera utilizarla como biocombustible sólido, el contenido en fibras es fundamental, ya que éstas aportan gran parte del poder calorífico de la biomasa. En concreto, un alto contenido en lignina es deseable no sólo por ser el compuesto con mayor poder calorífico de los que habitualmente componen la materia vegetal, sino porque, además, genera una menor cantidad de escorias en su combustión en comparación con el resto de los componentes de la misma. De forma opuesta al caso anterior, si el objetivo es obtener el llamado bioetanol de segunda generación, un alto contenido en lignina dificulta la conversión de los otros dos componentes en monómeros fermentables, incrementando las necesidades energéticas de los pretratamientos necesarios. La hidrólisis de la hemicelulosa suele requerir una menor cantidad de energía que en el caso de la celulosa (resulta, por tanto, más económica si se opta por emplear hidrólisis físico-químicas), pero algunos de los monosacáridos obtenidos (pentosas) implican una mayor dificultad a la hora de su fermentación (menores rendimientos, desarrollo de microorganismos fermentadores en fase de I+D,…) frente a la celulosa, de cuya hidrólisis se obtiene, en última instancia, glucosas. En la producción de biogás, un elevado contenido en lignina presenta los mismos inconvenientes que en el caso anterior, ya que la lignina se degrada por vía anaeróbica a un ritmo extremadamente lento (se le considera un compuesto recalcitrante, según Gerardi, 2003) y, además, dificulta el acceso a los otros dos componentes. La celulosa, por su parte, es un compuesto más fácilmente metanizable, pero los tiempos de retención para su conversión resultan ser, también, elevados. Arce (1986) obtuvo una elevada conversión en biogás de la celulosa contenida en sarmientos de vid deslignificados, empleando tiempos de retención de 45 días. Hidratos de carbono no estructurales El contenido en hidratos de carbono no estructurales, así como la naturaleza de los mismos, es el factor más importante a la hora de determinar si una biomasa es susceptible de ser transformada en el llamado bioetanol de primera generación. Al mismo tiempo, estos compuestos son fácilmente degradables en condiciones anaeróbicas. En el caso de optar por la transformación de la biomasa en biocombustibles sólidos, un alto contenido en azúcares implica – sin embargo- una elevada generación de escorias de combustión. 62 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Autor Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil España España Etiopía Marruecos México México México Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez País Nopalea cochenillifera cv. Miúda Nopalea cochenillifera cv. Miúda O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia spp. cv. Sabra Opuntia spp. v. 06 México Opuntia spp. v. 16 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 19 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 20 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 53 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 69 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. Redonda Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Nopalea spp. O. ficus – indica var. Amarillo oro O. ficus-indica v. COPENA F-1 O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis Opuntia amyclaea Opuntia amyclaea Opuntia amyclaea Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Especie y variedad No No No No No No No No No(3) No No No No No No No No No No No Si(1) Dsc Dsc No No No Si(2) Si(2) Si(2) No No No No No No No Espinas Tabla 1.10. Contenido en fibra en los cladodios de chumbera. Batista et al (2003) Leal et al (2009) Vieira et al (2008) Batista et al (2003) Da Silva et al (2010) Leal et al (2009) Albuquerque et al (2002) Valença et al (2007) Ramalho (2006) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Retamal et al (1986) Retamal et al (1986) Gebremariam et al (2006) Malainine et al (2003) Griffiths y Hare (1906) (4) Bauer y Flores (1969)(4) Reveles et al (2010) Ben Salem et al (2004) Ben Salem et al (2002a) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Ben Salem et al (2002b) Ben Salem et al (2005) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Rekik et al (2010) Tipo cladodio FAD ( % sms) FND (% sms) 18,8 18,5 12,3 18,4 16,1 16,4 18 16,9 20 16,4 17,8 21,3 21,6 11,6 13,3 12,4 10,1 13,6 11,4 10,4 - 17,16 14,7 19,6 8,38 8,62 23,19 12,9 17 5,7 8 19,4 4,3 11,5 20,3 - 5,2 6,3 4,2 2,3 6,9 4,1 2,3 - Fibra LAD Celulosa Hemicelulosa Lignina Bruta (% sms) (% sms) (% sms) (% sms) (% sms) 4,2 3,9 3,2 5,4 3,8 4,7 4,2 4 4,8 3,4 4,4 10,7 - 12,3 11,0 - 24,6 5 3,6 17,21 7,62 10,1 4,2 3,9 3,2 5,4 3,8 4,7 4,2 4 4,8 3,4 4,4 5,0 5,2 6,3 4,2 2,3 6,9 4,1 2,3 - (2) Las espinas se quemaron de forma previa al análisis. (4) Citados en Vázquez et al (2008) 23 Terminal y subterminal 20,16 37,32 Terminal y subterminal 18,5 ± 0,38 33,8 ± 1,16 22,4 Terminal y subterminal 15,5 30,2 Terminal y subterminal 16,87 36,47 17,27 25,65 24,18 32,8 15,29 38,48 23,8 19,9 21,1 22,2 20,9 24,8 19,8 22,2 Jóvenes Maduros 26,3 39,2 Terminal y subterminal 25,5 Terminal 16,8 33,8 19,6 25,3 16,6 24,6 12,4 31,8 Terminal y subterminal 27,8 Terminal y subterminal 25,6 Terminal y subterminal 25,1 20,5 24,8 15,5 27 12,7 33 Terminal y subterminal 30,6 ± 4,07 (1) El ecotipo es espinoso pero los análisis se llevaron a cabo sobre cladodios desespinados. (3) Sin especificar, pero los ecotipos en Brasil no suelen tener espinas. FAD = Fibra Ácido Detergente. FND = Fibra Neutro Detergente. LAD = Lignina Ácido Detergente Los valores en azul se obtienen al asumir que %Celulosa = %FAD - % LAD, % Hemicelulosa = %FND - %FAD, y % Lignina = % LAD 63 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.11. Contenido en hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa en los cladodios de chumbera. (1) El ecotipo es espinoso pero los análisis se llevaron a cabo sobre cladodios desespinados. 64 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Proteínas La mayor parte del nitrógeno contenido en la biomasa de origen vegetal suele estarlo en forma de proteínas. Una adecuada relación C/N es necesaria de cara a llevar a cabo los procesos microbianos de la digestión anaeróbica y la fermentación alcohólica. Debido a esto, y si bien las proteínas son compuestos susceptibles de ser metanizados, el interés por el contenido proteico de una biomasa se deriva, en gran medida, del interés por su contenido en nitrógeno. En la producción de biogás, resulta también una información relevante por otro motivo: la degradación de las proteínas conduce a la formación de nitrógeno amoniacal, compuesto que puede llegar a ser tóxico e inhibidor del proceso si alcanza determinadas concentraciones. En el caso de pretender emplear la biomasa para su combustión, un elevado contenido en nitrógeno supone una elevada producción de óxidos de nitrógeno (gases tóxicos y altamente contaminantes). (Tabla 1.12). Lípidos El contenido en lípidos, así como su naturaleza, es el factor más importante a la hora de determinar si una biomasa es susceptible de ser transformada en biodiesel. Los lípidos son, además, los compuestos orgánicos con un mayor rendimiento en la producción de biogás. Sin embargo, algunos de ellos (como los llamados “lípidos no hidrolizables”) son extremadamente lentos a la hora de ser degradados por vía anaeróbica. (Tabla 1.13) Macro y microelementos Un adecuado contenido en estos elementos es fundamental en los distintos procesos bioquímicos que conllevan la producción de biogás y bioetanol. Tanto su exceso como su falta pueden contribuir al retardo e incluso a la inhibición de los mismos. Al mismo tiempo, el exceso de determinados elementos puede conllevar distintos problemas en la combustión de la biomasa (escorias, riesgos de corrosión,…).(Tabla 1.14) 65 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.12. Contenido en proteína bruta en los cladodios de chumbera Autor Batista et al (2003) Leal et al (2009) Vieira et al (2008) Da Silva et al (2010) Leal et al (2009) Albuquerque et al (2002) Valença et al (2007) Ramalho (2006) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Retamal et al (1986) Retamal et al (1986) Retamal et al (1987) Gebremariam et al (2006) Griffiths y Hare (1906) (4) Bauer y Flores (1969) (4) Reveles et al (2010) Ben Salem et al (2004) Ben Salem et al (2002a) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Ben Salem et al (2002b) Ayadi et al (2009) Ben Salem et al (2005) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Rekik et al (2010) Ayadi et al (2009) País Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil España España España Etiopía México México México Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Especie y variedad Espinas Tipo cladodio Nopalea cochenillifera cv. Miúda Nopalea cochenillifera cv. Miúda O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante O. ficus-indica cv. Gigante Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia spp. cv. Sabra Opuntia spp. v. 06 México Opuntia spp. v. 16 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 19 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 20 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 53 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. 69 IPA/UFRPE Opuntia spp. v. Redonda Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Nopalea spp. O. ficus – indica var. Amarillo oro O. ficus-indica v. COPENA F-1 O. ficus-indica f. inermis O. ficus-indica f. inermis Opuntia amyclaea Opuntia amyclaea Opuntia amyclaea Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica f. amyclaea Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis Opuntia ficus-indica f. inermis No No No No No No No No(3) No No No No No No No No No No No No No No No Si(2) Si(2) Si(2) No Si (1) No No No No No No No Terminal y subterminal Terminal y subterminal Terminal y subterminal Terminal y subterminal Jóvenes Maduros Terminal y subterminal Terminal Terminal y subterminal 2 y 3 años Terminal y subterminal Terminal y subterminal Terminal y subterminal 2 y 3 años (1) El ecotipo es espinoso pero los análisis se llevaron a cabo sobre cladodios desespinados. (2) Las espinas se quemaron de forma previa al análisis. (3) Sin especificar, pero los ecotipos en Brasil no suelen tener espinas. (4) Citados en Vázquez et al (2008). 66 Proteína bruta ( %, sms) 6,2 5,48 3,8 4,4 4,01 3,6 4,9 5,89 6,8 6,5 6,3 6,7 7,7 6,3 6,4 6,7 10,5 - 16,7 4,7 - 11,1 10 8,3 8,92 3,81 4,4 5 4,6 7,1 4,28 6,2 7,7 8,74 ± 0,51 3,3 3,8 5,85 2,97 7,7 4,4 ± 0,9 8,88 ± 0,74 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.13. Contenido en lípidos en los cladodios de chumbera. (1) El ecotipo es espinoso pero los análisis se llevaron a cabo sobre cladodios desespinados. (3) Sin especificar, pero los ecotipos en Brasil no suelen tener espinas. (4) Citados en Vázquez et al (2008). 67 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. País Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil España España Etiopía Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Especie y variedad Espinas Nopalea cochenillifera cv. Miúda No O. ficus-indica cv. Gigante No Opuntia spp. cv. Sabra No Opuntia spp. v. 06 México No Opuntia spp. v. 16 IPA/UFRPE No Opuntia spp. v. 19 IPA/UFRPE No Opuntia spp. v. 20 IPA/UFRPE No Opuntia spp. v. 53 IPA/UFRPE No Opuntia spp. v. 69 IPA/UFRPE No Opuntia spp. v. Redonda No Opuntia ficus-indica No Opuntia ficus-indica No O. ficus-indica No O. ficus-indica f. inermis No O. ficus-indica f. inermis No Opuntia amyclaea Si(1) Opuntia amyclaea Si(1) Opuntia ficus-indica No Opuntia ficus-indica No Opuntia ficus-indica f. inermis No Opuntia ficus-indica f. inermis No Opuntia ficus-indica f. inermis No Opuntia ficus-indica f. inermis No Tipo cladodio P(*) 0,4 0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,3 0,3 0,3 0,3 Jóvenes Maduros 0,26 Terminal y subterminal <0,1 Terminal 0,1 0,08 0,05 Terminal y subterminal 0,1 Terminal y subterminal 0,15 Terminal y subterminal 0,18 0,11 0,04 Terminal y subterminal 0,12 ±0, 05 Tabla 1.14. Contenido en diversos elementos en los cladodios de chumbera. Autor Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Batista et al (2003) Retamal et al (1986) Retamal et al (1986) Gebremariam et al (2006) Ben Salem et al (2004) Ben Salem et al (2002a) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Ben Salem et al (2002b) Ben Salem et al (2005) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Abidi et al (2009) Rekik et al (2010) (*) En % sms. (**) En mg kg ms-1. (1) Las espinas se quemaron de forma previa al análisis K (*) 3,87 4,30 2,6 4,69 2,41 2,35 0,44 4,58 2,37 - Ca(*) Mg (*) 2,8 3,4 3,9 3,6 4,2 3,7 4,2 2,9 4 3,8 4,44 2,05 4,48 2,40 4,5 7 0,6 5,21 1,09 8,4 0,122 8,4 0,126 7,22 0,83 5,64 0,19 7,02 0,043 7,8 0,94 9,2 1,15 7,47 ± 1,71 - Na (*) 0,09 0,10 0,1 0,06 2,3 3,12 0,08 0,4 0,67 1,7 3,1 - Cu (**) Fe(**) Mn (**) 6,5 170,8 248,9 10,58 345 25,1 10,24 217 27,7 5,55 1,38 17,48 4,55 277 40,2 8,52 130 27,3 - Zn (**) 31 17,9 14,5 35,53 23,2 11,9 - 68 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Mucílago El mucílago de la chumbera es una sustancia heterogénea; un hidrocoloide que forma redes moleculares capaces de retener agua (Sepúlveda et al, 2007). Los mucílagos son polímeros complejos de naturaleza carbohidratada, con estructuras muy ramificadas formadas por Larabinosa, D-galactosa, L-ramnosa, D-xilosa, y ácido galactaurónico, en proporciones variables. De acuerdo con Sepúlveda et al (2007) se suele distinguir en ellos dos fracciones: una con propiedades gelificantes en presencia de Ca2+ (pectina), y otra no gelificante. Para estos mismos autores (y citando a Trachtenberg y Mayer (1981)), los mucílagos se encuentran en las vesículas del aparato de Golgi de células específicas (mucilaginosas) en los tejidos clorenquimático y – en mayor proporción- parenquimático. Sin embargo, según Cárdenas et al, (1997), sólo la fracción no gelificante (que ellos denominan – en un uso más restringido del término que los autores anteriores- mucílago) se sintetizaría en las células mucilaginosas y se vertería posteriormente al apoplasto (de acuerdo con Nobel (1992)), ya que la fracción gelificante (pectina) “no parece estar químicamente asociada, ni de forma covalente ni de ninguna otra manera” a la fracción no gelificante y se produciría durante las primeras etapas del crecimiento de la pared celular, formando parte de ésta y acumulándose principalmente en la lámina media. Las similitudes en la composición química de ambas fracciones, y la variedad de métodos de extracción, contribuyen a la confusión entre ambos componentes. De cualquier forma, no conviene olvidar que la lámina media se forma igualmente a partir de vesículas del aparato de Golgi. En lo sucesivo, se utilizará el término mucílago en sentido amplio (incluyendo, por tanto a la fracción gelificante) a menos que se especifique lo contrario. Según diversos autores, la proporción exacta de mucílago en los cladodios de chumbera es difícil de determinar, debido fundamentalmente a que los métodos de extracción del mismo influyen en el resultado final. Sepúlveda et al (2007) obtuvieron un rendimiento medio (en peso) del 1,48% sobre materia fresca (20,8% sobre materia seca) en cladodios de dos y tres años de edad de Opuntia ficus-indica. Goldstein y Nobel (1991), por su parte, obtuvieron rendimientos entre el 9 y el 19% (sms), y destacaron la variabilidad del resultado en función del porcentaje de materia seca del cladodio, ya que el contenido en mucílago parece incrementarse conforme disminuye ésta, especialmente en el parénquima, donde se acumula la mayor proporción de agua. Saag, et al (1975), obtuvieron rendimientos del 0,53% (smf) para O. monacantha y 0,48% (smf) para Nopalea cochenillifera y también llegaron a la conclusión de que estos valores fluctúan en función de las condiciones climáticas, así como con la edad de los cladodios. En cuanto a la composición del mucílago, los resultados medios obtenidos por Abraján (2008) a partir de 4 métodos de extracción diferentes (ninguno de los cuales incluía –aparentementela separación de las fracciones gelificante y no gelificante) se resumen en la Tabla 1.15. 69 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.15. Composición del mucílago de O. ficus – indica según Abraján (2008) Hidratos de carbono (%, sms) Fibra cruda (%, sms) Proteínas (%, sms) Grasa (%, sms) Cenizas (%, sms) 64,9 - 74,8 0,1 - 1,3 3,0 - 4,0 0,6 - 0,9 20,5 - 25,9 Con un enfoque distinto – sin considerar los hidratos de carbono - la composición del mucílago según Sepúlveda et al (2007) se recoge en la Tabla 1.16. Tabla 1.16. Composición del mucílago de O. ficus-indica según Sepúlveda et al (2007). Todos los valores han sido corregidos al 0% de humedad. Proteína (% sms) Extracto etéreo (% sms) Fibra bruta (% sms) Cenizas (% sms) Ca (% sms) K (% sms) N (% sms) 7,7 0,8 0,7 39,5 10,4 1,6 1,2 Abraján (2008) estudió también la fracción carbohidratada del mucílago obtenido mediante uno de los métodos de extracción, al que llamó “escaldado”. Partió de cladodios pelados de un año de edad, y obtuvo un mucílago con un contenido del 72,9±1,7 % de hidratos de carbono. El fraccionamiento de los mismos queda recogido en la Tabla 1.17. Tabla 1.17. Composición de la fracción carbohidratada del mucílago de O. ficus – indica, según Abraján (2008). Arabinosa (%, moles) Galactosa (%, moles) Xilosa (%, moles) Ramnosa (%, moles) Ácido galacturónico (%, moles) 44,54 18,16 23,98 6,58 6,80 Trachtenberg y Mayer (1981), por su parte, aunque exponen que el mucílago se localiza de forma casi exclusiva en las llamadas células mucilaginosas, llevan a cabo posteriormente un proceso de extracción del mucílago que no separa –aparentemente, una vez más- la fracción gelificante de la no gelificante. El estudio del fraccionamiento de los hidratos de carbono que llevaron a cabo se recoge, adaptado, en la Tabla 1.18. El porcentaje de arabinosa se ha determinado tras restar el porcentaje medio de ácidos urónicos al valor inicial, ya que – según los propios autores- durante el proceso de determinación, estos ácidos (que son – principalmente- galacturónicos) se descarboxilan rindiendo arabinosa. 70 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.18. Composición de la fracción carbohidratada del mucílago de O. ficus – indica, según Tractenberg y Mayer (1981). Arabinosa (%) Galactosa (%) Xilosa (%) Ramnosa (%) Ácido galacturónico (%) 12,9 40,1 22,2 13,1 11,7 Amin et al, (1970) tras aplicar un método de extracción de mucílago muy distinto a los utilizados por los autores citados anteriormente, y someter el mismo a hidrólisis ácida (al igual que Trachtenberg y Mayer) obtiene el fraccionamiento de carbohidratos en el mucílago recogido en la Tabla 1.19. La ausencia de ácidos urónicos se debe, probablemente, a la descarboxilación de los mismos sufrida durante la hidrólisis ácida, tal y como se menciona anteriormente. Tabla 1.19. Composición de la fracción carbohidratada del mucílago de O. ficus – indica, según Amin et al, (1970). Arabinosa (%) Galactosa (%) Xilosa (%) Ramnosa (%) Ácido galacturónico (%) 37,5 35,7 15,5 11,5 0,0 Tal y como puede observarse, las diferencias entre autores son considerables. Al margen de sus numerosas aplicaciones industriales o medicinales, el interés agroenergético del mucílago se basa fundamentalmente en dos aspectos. Por una parte, supone la existencia de una cantidad importante (de entre el 9 y el 21 % de la materia seca total del cladodio, según lo expuesto) de compuestos carbonados no ligados a la lignina y fácilmente hidrolizables, que son –por tanto- prometedores como materia prima para obtener metano a partir de una proceso de digestión anaeróbica. Por otra parte, el mucílago podría representar una importante fuente de monosacáridos, susceptibles de ser convertidos en bioetanol mediante procesos de fermentación. En otro orden de cosas, la existencia de los azúcares del mucílago podría explicar la diferencia, fácilmente apreciable en la Tabla 1.10, entre la suma de los azúcares solubles y el almidón y la cantidad total de carbohidratos presentes en el cladodio y no pertenecientes a la fracción fibrosa. Nopalitos Los nopalitos tienen una composición química muy similar a las palas completamente desarrolladas. Desde el punto de vista de los componentes que se están considerando en este estudio las principales diferencias se encuentran en el mayor contenido en fibra y menor en proteínas que presentan éstas últimas (Valdez – Cepeda et al, 2008). La Tabla 1.20 resume la composición bromatológica básica de nopalitos y palas de edades crecientes de 20 variedades de chumbera, y permite apreciar la evolución de los distintos componentes. 71 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.20. Composición química de cladodios de distintas edades. Adaptado de Valdez – Cepeda et al, (2008). Ceniza Fibra Cruda (% sms) (% sms) Extracto no nitrogenado (% sms) Edad (años) Descripción Proteína (%sms) Grasa (% sms) <1 Renuevos (nopalitos) 9,4 1,00 21,0 8,0 60,6 1 Pencas 5,4 1,29 18,2 12,0 63,1 2 Pencas 4,2 1,40 13,2 14,5 66,7 3 4 Pencas Tallos suberificados 3,7 2,5 1,33 1,67 14,2 14,4 17,0 17,5 63,7 63,9 Frutos La composición de los frutos de chumbera depende de la especie y variedad en cuestión. Una vez más, los frutos de Opuntia ficus-indica resultan ser los más estudiados. En la Tabla 1.21 pueden verse los resultados medios obtenidos en un estudio llevado a cabo por Al - Kossori et al (1998) sobre la composición de las distintas fracciones del fruto de esta especie. Tabla 1.21. Composición de los frutos de O. ficus – indica según Al – Kossori et al (1998) Cenizas (% sms) Proteina (% sms) Lípidos (% sms) Fibras (% sms) De las cuales Hemicelulosa (%) Celulosa (%) Pectinas (%) Lignina (%) Almidón (% sms) Sacarosa (% sms) Glucosa (% sms) Fructosa (% sms) Nitrógeno no proteico (% sms) Ca (mg/100 g de ms) Mg (mg/100 g de ms) Na (mg/100 g de ms) K (mg/100 g de ms) P (mg/100 g de ms) Fe (mg/100 g de ms) Cu (mg/100 g de ms) Zn (mg/100 g de ms) Mn (mg/100 g de ms) Mb (mg/100 g de ms) 72 Pulpa 8,5 5,13 0,97 20,5 Piel 12,1 8,3 2,43 40,8 Semillas 5,9 11,8 6,77 54,2 15,5 14,2 70,3 0,01 4,55 0,22 35 29,6 0,025 163 76,1 7,77 559 0,063 16,5 <0,78 1,55 6,99 <0,31 20,8 71,4 7,71 0,06 7,12 2,36 21 2,89 0,024 2090 322 <0,85 3430 0,064 8,31 <0,85 1,7 72,9 <0,34 9,95 83,2 6,69 0,19 5,35 0 0 0 0,012 258 208 <0,83 275 110 12,1 <0,83 4,16 <0,83 <0,33 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. El porcentaje de pulpa en el fruto oscila entre el 30 y el 45% en peso (varios autores, cit. en Duru y Turker, 2005), mientras que el porcentaje de semillas supone entre el 2,2 y el 5,6% del peso del fruto según Felker et al (2002). Algunos resultados obtenidos en otros estudios se recopilan en la Tabla 1.22 con el objetivo de dar una idea de la variabilidad de algunos de los compuestos considerados Tabla 1.22. Composición de los frutos de O. ficus – indica según diversos autores. Autores Material analizado Materia seca (%) Cenizas (% sms) Proteina (% sms) Lípidos (% sms) Fibra (% sms) Sawaya (1983) y Salim (1999), cit. en Shedbalkar et al. (2010) Pulpa Semilla 14,4 94,7 3,06 3 1,46 16,6 0,83 17,2 Díaz Medina et al. (2007) Varios, cit. en Duru y Turker (2005) Fruto completo 17,73 2,21 5,08 2,82 Fruto completo 15 - 30,29 - 0,14a 49,60a 6 -14b - - 53 47 184 184,67 5,33 1073,33 10 102,7 194,44 194,44 5,56 1118,06 10,42 106,94 16 75 68 163 9 152 Azúcares no procedentes de la fracción fibrosa (% sms) De los cuales Glucosa (%) Fructosa (%) Ca (mg/100 g de ms) 148,34 Mg (mg/100 g de ms) 141,57 Na (mg/100 g de ms) 3,53 K (mg/100 g de ms) 892,84 Fe (mg/100 g de ms) 1,12 Cu (mg/100 g de ms) 0,22 Zn (mg/100 g de ms) 1,16 Mn (mg/100 g de ms) 1,71 Ni (mg/100 g de ms) 0,16 Cr (mg/100 g de ms) 0,06 P (mg/100 g de ms) a No incluye pectinas b Considerado sobre materia fresca En la Tabla 1.23 se recoge la composición de los frutos de Opuntia dillenii, de acuerdo con el trabajo de Díaz Medina et al. (2007). 73 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.23. Composición de los frutos de O. dillenii, según Díaz Medina et al. (2007). Materia seca (%) Cenizas (% sms) Proteina (% sms) Lípidos (% sms) Fibra (% sms) Ca (mg/100 g de ms) Mg (mg/100 g de ms) Na (mg/100 g de ms) K (mg/100 g de ms) Fe (mg/100 g de ms) Cu (mg/100 g de ms) Zn (mg/100 g de ms) Mn (mg/100 g de ms) 18,32 2,39 2,84 3,88 51,80 292,03 247,82 83,52 495,63 0,84 0,18 0,70 2,78 Ni (mg/100 g de ms) Cr (mg/100 g de ms) 0,11 0,08 Consideraciones finales sobre la composición química de la biomasa de chumbera Tal y como puede observarse, los datos recopilados acerca de la composición de la biomasa son muy variables para la mayoría de los parámetros considerados, a pesar de haber limitado la revisión bibliográfica a Nopalea cochenillifera, Opuntia ficus-indica, O. amyclea, y especies afines. Los factores implicados en esta variabilidad son diversos. Entre ellos se encuentra la edad de los cladodios (tal y como muestra la Tabla 1.20), la época del año (como sugieren los estudios de Retamal et al (1986)), la variedad a la que pertenezca la planta considerada, el nivel de fertilización aplicado en el cultivo, la fertilidad inherente al propio suelo de la plantación, e incluso –muy probablemente- el método de análisis empleado en la determinación del parámetro en cuestión. A grandes rasgos podemos concluir que un cladodio de chumbera sin espinas tendrá, probablemente, una composición que se encontrará entre los valores mínimos y máximos recogidos en las tablas anteriores (1.9, 1.10, 1.11, 1.12, 1.13, 1.14). Estos valores aparecen en la siguiente tabla-resumen (Tabla 1.24). Tabla 1.24. Resumen de la composición de los cladodios de chumbera. Materia seca (%) Materia orgánica (% sms) Celulosa (% sms) Hemicelulosa (% sms) Lignina (% sms) Mucílago (% sms) Hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa (% sms) (*) Azúcares reductores (% sms) Azúcares solubles (% sms) Almidón (% sms) Proteína bruta (% sms) Fracción lipídica (% sms) (*) Incluye la fracción carbohidratada del mucílago 74 Valor mínimo 4,8 67 10,1 4,3 2,3 9 25,1 Valor máximo 19,1 90,4 21,6 23,19 6,9 21 51,4 1,0 2,49 7,63 2,97 1,2 10,3 10,3 22,6 16,7 7,2 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Lamentablemente, escasean en la literatura datos sobre la composición de las variedades y ecotipos inermes afines a la especie Opuntia robusta (como los híbridos de Burbank “Robusta”, “Monterrey” y “Chico”, o la variedad Larreyi). Una interesante recopilación de datos sobre la composición de otras especies de chumbera puede consultarse en el trabajo de López – García et al “Production and Use of Opuntia as Forage in Northern Mexico” (2001). 1.3.5. Agroecología 1.3.5.1. Suelo Las chumberas son plantas muy poco exigentes en cuanto al tipo de suelo sobre el que pueden desarrollarse. Por este motivo su establecimiento puede llevarse a cabo en suelos someros o pedregosos, muy poco adecuados para el resto de los cultivos. La única exigencia inequívoca de las chumberas es la necesidad de un buen drenaje del terreno, y por ello son preferibles los suelos ligeros a los arcillosos. Inglese (1999) considera que el contenido en arcilla del suelo no debe exceder del 20% para evitar la pudrición de las raíces, y que suelos con 60 - 70 cm de profundidad no presentan ya ninguna limitación para el desarrollo de cultivos de chumbera destinados a la producción de fruta (donde las plantas adquieren generalmente mayores tamaños que en el caso de cosecharse los cladodios). Las chumberas, por otra parte, son plantas moderadamente tolerantes a la salinidad, por lo que la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo no debe exceder los 5-6 mS cm-1 (Le Houérou, 1992 cit. en De Kock, 2001). En cuanto a la fertilidad de los mismos, las chumberas se encuentran entre las plantas cultivadas más sobrias a la hora de cubrir sus necesidades minerales básicas (Saiz, 1988), aunque poseen, al mismo tiempo, una gran capacidad de respuesta a la fertilización, que redunda en elevados incrementos en los rendimientos, tanto de frutos como de biomasa. En cualquier caso, y para obtener producciones de fruta rentables, no deben faltar en el suelo los siguientes elementos: potasio (en sus formas asimilables), calcio, magnesio, y fósforo (Nicola 1962, cit. en Saiz, 1988). En consonancia con esto, el pH idóneo del suelo será neutro o ligeramente alcalino. Las secciones 1.3.5.3 y 1.3.5.4 de este trabajo tratan las cuestiones relativas a la productividad y el manejo de las plantaciones de chumbera, y en ellos se discuten las necesidades de fertilización del cultivo en profundidad. 1.3.5.2. Clima Requerimientos hídricos La chumbera es uno de los cultivos más resistentes a la escasez de agua. Tal y como se ha visto, su morfología y fisiología le permiten resistir prolongadas temporadas de sequía, pero a pesar de ello – y como es lógico-, posee unos requerimientos mínimos de agua para su pervivencia. De acuerdo con L´Houerou (1966), el mínimo de precipitación anual necesario en una zona donde quiera establecerse una plantación de chumbera (O. ficus-indica) será de 150 mm, siempre que el suelo sobre el que se ubique la misma sea profundo y arenoso. De forma más general, este mismo autor establecerá posteriormente en 200 mm la precipitación por 75 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. encima de la cual la chumbera puede desarrollarse de forma conveniente (L´Houerou, 1984). A partir de estos valores mínimos, responde muy positivamente al incremento en la precipitación (Monjauze y L´Houerou, 1965).Como en la mayoría de los cultivos, es difícil establecer para la chumbera un límite máximo de precipitación anual (ya que las limitaciones a este respecto vendrán impuestas por las necesidades en radiación del cultivo), pero lo cierto es que por encima de 800 mm año-1 es recomendable dotar a la parcela de una pendiente de al menos el 5 %, ya que se trata de un cultivo muy sensible al encharcamiento del suelo (situación que debe evitarse bajo cualquier régimen hídrico). A pesar de lo expuesto, y según datos publicados por la FAO (2002), el límite máximo de precipitación para el adecuado desarrollo de la chumbera sería de 1.700 mm año-1, mientras que el límite máximo dentro de unas condiciones óptimas de cultivo sería de 1.300 mm año-1. De la Rosa y Santana (1998) destacan, por su parte, que uno de los inconvenientes del cultivo de la chumbera en zonas con abundante precipitación es el desarrollo de pudriciones en los cladodios. Un aspecto importante acerca de los requerimientos hídricos de la chumbera es su respuesta altamente positiva a cantidades de agua proporcionalmente pequeñas aplicadas en momentos especialmente críticos. Así, en una experiencia llevada a cabo por el Grupo de Agroenergética de la UPM con O. ficus-indica en España, la producción de biomasa prácticamente se triplicó en un régimen de riego que aplicaba 240 mm (200 mm en 5 riegos repartidos en los meses de noviembre, diciembre, enero, febrero, y marzo, más 40 mm aplicados a finales de julio) frente a otro régimen en el que sólo se aplicaban los 200 primeros milímetros (Saiz, 1988). Requerimientos térmicos Los requerimientos térmicos de la chumbera dependen en gran medida de la especie en cuestión y son el objeto de un importante número de investigaciones cuyo objetivo final es el de extender su cultivo a zonas semiáridas más frías de en las que habitualmente se ha cultivado. Para O. ficus-indica, L´Houerou (1984) establece que el valor de la temperatura mínima media del mes más frío del año (t´1) ha de ser igual o superior a 3ºC, para evitar limitaciones en su adecuado desarrollo. Si en lugar de este parámetro se toma como referencia la temperatura mínima absoluta por debajo de la cual esta especie sufre daños severos, el valor de referencia publicado por la FAO (2002) es de -10ºC. Tanto este valor, como los citados por otros autores (de -5ºC a -8ºC según Nobel (1999)), deben tomarse en consideración de forma orientativa, ya que los daños sufridos dependen tanto de los mismos como del número de horas durante las cuales la planta esté sometida a temperaturas extremas, o la velocidad con la que éstas se hayan alcanzado (disminuyendo o aumentando así el tiempo de aclimatación de la planta) (Felker et al, 2006). Mondragón, a su vez, lo expresa así en una de sus publicaciones (2001): “En Opuntia, la falta de resistencia a heladas, probablemente no se deba a la falta de tolerancia a temperaturas frías per se, sino al rango de temperaturas entre el día y la noche, que generalmente va desde 28 °C a –12 °C en el mismo día [en Texas]. Lo que impide que la planta se aclimate y resulta dañada por el frío.” En su labor investigadora Felker et al (2006) han hallado y cultivado clones inermes de O.ficus-indica adaptados a zonas más frías que aquellas en las que tradicionalmente se suele cultivar, incluyendo uno que podría estar adaptado a zonas clasificadas como “7” según la 76 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. escala de resistencia al frío del USDA (USDA hardiness zones), lo que implicaría su resistencia a temperaturas mínimas de entre -12ºC y -18ºC. En México, la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro Saltillo ha desarrollado un clon inerme perteneciente a la especie O. crassa, llamado ANV4, que puede soportar temperaturas de hasta -16ºC (Ochoa, 2003). Esta especie está cercanamente emparentada con O. ficus-indica (Bravo, 1978). En lo que a otras chumberas se refiere, la resistencia al frío de especies como O. engelmanii u O. lindheimerii es muy superior a la de O.ficus-indica (de O. lindheimerii se ha comprobado su desarrollo sin problemas en la zona 7 estadounidense según Felker et al (2006)). Ambas especies son capaces de generar una abundante producción de biomasa, y se emplean como recurso forrajero en el norte de México y sur de los EE.UU. Presentan, sin embargo, un número abundante de espinas de gran tamaño en sus palas, lo que limita sus posibilidades como alimento debido a la necesidad de pretratamientos del forraje que cada vez resultan más caros al basarse – los más eficaces de ellos -en el quemado de las espinas con derivados del petróleo. Una posible solución a este problema está siendo investigada por Felker y Guevara y consiste en la hibridación de O. lindhemerii y O.ficus-indica y en la posterior reproducción vegetativa de aquellos ejemplares sin espinas resistentes al frío (Felker et al, 2006 y 2010). Una especie de chumbera que reúne las deseadas características de resistencia al frío (con supervivencia sin apenas daños en zonas clasificadas como “7”) y ausencia de espinas, es O. ellisiana. Lamentablemente, su crecimiento es lento, y su producción de biomasa se limita a valores entre la mitad y algo más de un tercio de los alcanzados por O. ficus-indica en similares circunstancias (Guevara y Estévez, 2003). En cuanto a O. robusta, Valdez et al (2001) exponen que la variedad comercial “Tapón Aguanoso” puede soportar temperaturas de -11ºC. Monjauze y Le Houérou (1965) sitúan este valor crítico en -12ºC para los cultivares inermes “Robusta”, “Monterrey”, y “Chico”, híbridos de Burbank probablemente pertenecientes a la especie O. robusta según Mondragón y Pérez (2003). Felker, sin embargo, vio perecer ejemplares de los tres cultivares a -12ºC en 1989 (1999). En el extremo de la resistencia al frío se sitúan especies silvestres como O. polyacantha, que se encuentra distribuida por el centro-oeste de EE.UU y la zona colindante del sur de Canadá, o la O. humifusa, una chumbera rastrera de crecimiento lento nativa del este de EE.UU y Canadá, que puede soportar temperaturas de -24ºC (Nobel, 1999). Como curiosidad anecdótica, existe una especie de Opuntia de tallos cortos (≤ 12 cm) y tuberculados, oriunda de EE.UU y Canadá, capaz de soportar temperaturas de -40ºC (Nobel, 1999). Su nombre, irónicamente, es Opuntia fragilis (y se lo debe a la facilidad con la que se desprenden sus artejos al clavarse en los animales; un medio de dispersión zoocora de los mismos). Según Nobel y Bobich (2001), la tolerancia al frío en especies del género Opuntia parece estar relacionada con el contenido de agua en los tejidos del tallo. Cladodios con una menor cantidad de agua tienden a soportar temperaturas menores, lo que sugiere un mecanismo de tolerancia basado en el incremento de la presión osmótica. Los cladodios de O. humifusa pierden un 35% de su contenido en agua cuando llega el invierno, y cuando las temperaturas día/noche descienden desde 30/ 20ºC a 10/0 ºC, el incremento de su presión osmótica es cuatro veces 77 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. superior al que ocurre en O. ficus-indica u O. streptacantha, gracias a un incremento en la síntesis de azúcares simples y a la producción de manitol. El contenido en mucílagos podría estar también relacionado con la tolerancia al frío de las chumberas. En el caso de O. ficus-indica, se ha observado que el contenido en mucílago de sus cladodios se incrementa en un 24% al descender las temperaturas día/noche de 30/20 ºC a 10/0 ºC. Este incremento fue prácticamente del 100% en el caso de plantas de O. humifusa cuando las temperaturas descendieron de 25/15 ºC a 5/-5 ºC. (Nobel et al, 2001). En lo que a temperaturas máximas se refiere, se ha documentado la supervivencia de plantas de chumbera expuestas a temperaturas de más de 50ºC (Le Houerou, 2002), si bien es cierto que lo habitual es que se desarrollen en zonas cuyas temperaturas máximas medias (T´) en verano no superen los 42ºC (Inglese et al, 2009). Al margen de las temperaturas extremas que pueda soportar, la chumbera, debido a su metabolismo CAM (y a la apertura de estomas nocturna que esta conlleva), se beneficia de cierto descenso nocturno de las temperaturas. Según Nobel (1999), la fijación máxima de CO2 se produce cuando las temperaturas día/noche se encuentran en torno a 25/15ºC, y se reduce un 60% a 35/25ºC, y hasta un 100% a 44/34ºC (en cambio, sólo un 18% a 30/20ºC). De forma parecida ocurre con otras especies que poseen el mismo tipo de metabolismo, como el Agave tequiliana Weber .Según experiencias llevadas a cabo por Pimienta-Barrios et al su fijación de CO2 disminuía hasta un 70% al pasar de valores de temperaturas día/noche de 25/15ºC a 35/25ºC). Conviene mencionar, por último, el rango de temperaturas que recoge la FAO (1992) como óptimas para el cultivo de la chumbera, y que va de los 18ºC a los 26ºC. 1.3.5.3. Productividad Bases de la productividad de biomasa La productividad de la chumbera, como la de cualquier otro cultivo, está determinada por la disponibilidad de luz, nutrientes, y agua, así como por las limitaciones que puedan derivarse de factores ambientales tales como la temperatura y las condiciones edáficas. Estos últimos factores han sido tratados anteriormente, por lo que este apartado se centrará en los tres primeros. Para ello se recurrirá principalmente a los resultados y conclusiones de las investigaciones llevadas a cabo por el equipo del Dr. P.S. Nobel, recogidas en las publicaciones “Agroecología, cultivo y usos del nopal” (1999) y “Cacti: Biology and Uses” (2001). Teniendo en cuenta que la producción de biomasa se basa en la toma de CO2 y su posterior acumulación en forma de fotoasimilados, una aproximación a la productividad del cultivo podría hacerse considerando las limitaciones a la toma de CO2 que pueden derivarse de cada uno de los mencionados factores. Para evaluar la influencia del factor luz, éste debe ser primero cuantificado, lo que se lleva a cabo considerando la existencia de un conjunto (o densidad) de fotones de flujo fotosintético que incide sobre las superficies fotosintéticas (FFS ó DFFF, también conocido como PAR – photosynthetically active radiation) y que se expresa en “moles de fotones por unidad de área por unidad de tiempo”. En el caso de Opuntia ficus-indica, por debajo de 2 moles m-2 día-1 no 78 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. existe fijación de CO2, la mitad del máximo de absorción posible ocurre a 13 moles m-2 día-1, el 90% del máximo a 22 moles m-2 día-1y el límite a partir del cual se produce la saturación ocurre a los 30 moles m-2 día-1. Esta evolución en la toma neta relativa de CO2 en función del FFS se conoce con el nombre de Índice de FFS (IFSS). El FFS incidente depende de la orientación de la superficie considerada y de la época del año. Si se promedian todas las orientaciones para un año entero y se consideran todos los días como despejados, el FSS total diario sería de 21 moles m-2 día-1 para latitudes bajas (distancia 0º - 20º del Ecuador), 21 moles m-2 día-1para latitudes medias (20º – 40º) y 17 moles m-2 día-1 para latitudes altas (40º – 60º). Obviamente, estos valores disminuyen conforme aumenta el número de días nublados. Como las superficies expuestas al Sur reciben una mayor PAR, los cladodios orientados este – oeste toman una mayor cantidad de CO2, y ya que los cladodios hijos suelen presentar la misma orientación que sus padres, la producción total del cultivo puede verse significativamente afectada por la orientación del cladodio originalmente plantado. En plantas silvestres, los cladodios tienden a presentar esta orientación, si bien es cierto que de forma menos acusada en zonas más alejadas del ecuador, y – en cualquier caso- dependiendo del momento del año en que se inicie su crecimiento. Si obviamos las necesidades relativas a la mecanización del cultivo, y la disponibilidad de agua y nutrientes no está limitada, la determinación de la densidad de plantación óptima de la chumbera tendrá que representar un equilibrio entre aumentar todo lo posible la superficie fotosintética receptora de FFS por cada unidad de superficie de suelo, y evitar el sombreo que puedan producir estas superficies entre si. En O. ficus-indica, la relación entre superficie fotosintética receptora y superficie de suelo se denomina IAT, “Índice de Área de Tallo” (término análogo al Índice de Área Foliar –IAF- de las especies con hojas) y su valor óptimo se halla entre 4 y 5. Por encima de este rango, el sombreo entre cladodios reduce la toma neta de CO2. A pesar de lo expuesto, Cano-Santana et al, (1992) propone la consideración de un factor más en este equilibrio: ya que las opuntias no pueden evitar la subida de la temperatura de sus tejidos mediante la transpiración (puesto que los estomas permanecen cerrados durante el día, salvo en condiciones de riego o en climas húmedos) la disposición espacial de los cladodios - y por tanto el posible sombreado entre ellos - podría contribuir a evitar que dichas temperaturas alcanzaran valores a partir de los cuales ciertos procesos (como, por ejemplo, la fotosíntesis) no pueden alcanzar rendimientos óptimos. En cuanto a los nutrientes se refiere, la respuesta de la chumbera a su presencia y cantidad depende en gran medida de la textura y el pH del suelo, como se ha comentado. Dicho esto, 5 son los elementos que presentan mayor influencia en su productividad: nitrógeno, fósforo potasio, boro, y sodio. Sus efectos sobre la toma de CO2 podrían resumirse en el siguiente “Índice Nutricional” (IN): IN CO2 = (1, 418 + ln N ) x ( 1 + 0, 95 ln ( )) ( P 60 x 1 + 0,177 ln ( )) K 250 xB 0,213 x (1 − 0, 00288 Na ) Donde: IN CO2: Es la influencia del elemento del suelo sobre la toma relativa de CO2 N: Es el porcentaje del peso seco de nitrógeno en el suelo, con un máximo de 0,3%. P: Es el contenido en fósforo del suelo, en partes por millón de peso seco, con un máximo de 60 ppm. 79 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. K: Es el contenido en potasio del suelo, en partes por millón de peso seco, con un máximo de 250 ppm. B: Es el contenido en boro del suelo, en partes por millón de peso seco, con un máximo de 1 ppm. Na: Es el contenido en sodio del suelo, en partes por millón de peso seco, con un máximo de 150 ppm. Esta ecuación, adecuada para suelos areno-limosos, refleja en los valores máximos de cada nutriente (N, P, K, B) los porcentajes de los mismos que se requieren para que la toma relativa de CO2 no disminuya en absoluto. Los niveles que conducen a la mitad del crecimiento potencial máximo de la Opuntia serían un 0,07% de N (superior al de suelos pobres de regiones áridas y semiáridas pero inferior al de la mayoría de los suelos agrícolas), 3 ppm de K (un valor relativamente bajo) y 5 ppm de P (menor que el necesario para la mayoría de las plantas C3 y C4). El B no suele ser limitante en la mayoría de los suelos agrícolas. En cuanto al sodio, la tolerancia depende de la especie de chumbera en cuestión, pero, según esta ecuación, 100 ppm de salinidad inhiben la toma de CO2 en un 30%. La salinidad reduce el crecimiento de los brotes e induce la abscisión de raíces laterales y la inhibición de la expansión celular en la zona de elongación que empieza a los 2 mm del ápice de la raíz. En términos generales, la chumbera no puede considerarse como un cultivo especialmente tolerante a la salinidad, aunque esto depende del periodo de exposición y del grado de desarrollo del sistema radicular. En cuanto a la disponibilidad de agua, el potencial hídrico (Ψ) de los tallos de la chumbera (Ψt) es del orden de -0,3 a -0,6 MPa, y determina el Ψ del sistema radicular (Ψr), ya que éste supone únicamente entre el 7 y 12% de la materia seca de la planta. Cuando el Ψ del suelo (Ψs) es menor que Ψr, la planta deja de tomar agua del mismo (comienza el periodo de sequía) y debe vivir a expensas de la almacenada en sus tejidos, lo que conduce a una reducción gradual de la apertura de estomas, y, por tanto, de la toma de CO2. En el caso de las chumberas, esta reducción se inicia al cabo de una semana de sequía, y los tejidos de los cladodios son capaces de mantener valores elevados de su Ψt por mucho más tiempo que las plantas C3 y C4. El efecto de la duración de la sequía (Ψs < Ψr) sobre la disminución relativa en la toma de CO2 puede representarse en una gráfica (ver Figura 1.20) y ser asociada a una función. De este modo obtendríamos el parámetro llamado “Índice de Humedad” (IH) 80 Porcentaje diario de CO2 fijado por UAT Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Duración de la sequía (días) Fig. 1.20. Índice de Humedad (porcentaje diario de CO2 fijado -en tanto por uno y respecto al máximo posible - en función de la duración de la sequía del suelo). (Adaptado de Nobel et al, 2001). Del mismo modo, podría representarse la disminución relativa en la toma de CO2 frente a las distintas temperaturas día/noche comentadas en el capítulo dedicado al clima, y obtener así el parámetro “Índice de Temperatura” (IT). Este índice también puede estimarse mediante la siguiente fórmula (García de Cortázar y Nobel, 1990) IT = 0,559 + 0, 075T − 0, 00319T 2 Dónde T es la temperatura nocturna media del tejido, estimada habitualmente como dos grados por encima de la temperatura mínima ambiental. Todos estos índices (IFSS, IN, IH, e IT) resultan de estudiar en condiciones controladas la toma de CO2. Estas condiciones implican mantener fijos (y en condiciones habitualmente ideales) los valores del resto de los parámetros que no son objeto de estudio en la determinación de cada uno de los índices. Sus resultados son, por tanto, cæteris paribus. Obviamente, en la naturaleza esto no ocurre así, por lo que una posible aproximación al problema generado por circunstancias complejas es la multiplicación de los distintos factores entre sí. Comoquiera que este problema es conocido desde el principio del planteamiento, no es casualidad que todos los índices se encuentren normalizados entre 0 y 1, y - por tanto - el resultado de su multiplicación también lo esté. A este valor se le conoce como “Fracción de la Toma Máxima Diaria de CO2” o “Índice de Productividad Ambiental (IPA)” y representa el porcentaje de CO2 fijado (de un máximo posible en condiciones ideales) para unas condiciones ambientales dadas. Así: IPA = IFSS x IH x IT x IN Queda por resolver cual es el valor máximo de toma neta de CO2 en condiciones ideales. Los valores experimentales citados por Nobel et al (2001) y Nobel (1999) son, respectivamente, 81 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 0,698 y 1,14 moles m-2 día-1 para O. ficus – indica. Por último, la toma de CO2 puede convertirse en producción de biomasa asumiendo la transformación aproximada de 30 g mol-1. Para averiguar, finalmente, la producción de materia seca por hectárea y año, es recomendable – no obstante- estimar el IPA de distintas partes de la planta (en esencia, por las diferencias en el IFSS), por lo que el cálculo final es más laborioso de lo que pudo suponerse en un principio. Enfoques de la producción de biomasa de chumbera Las características morfológicas y fisiológicas expuestas hasta el momento presentan a la chumbera como un cultivo capaz de producir biomasa en condiciones marginales para la mayoría de los cultivos C3 y C4. Es decir, como una planta claramente “rústica”. Esta rusticidad es uno de los pilares sobre los que se asienta la dispersión mundial de este cultivo, y ha determinado históricamente su manejo agronómico. Esto ha implicado que la chumbera haya sido habitualmente plantada en terrenos no aptos para el resto de los cultivos (secos, poco fértiles, someros, pedregosos,…) sin aportes de insumos, sin escardas ni aplicación de fitosanitarios, y sin apenas más cuidados que la cosecha (“al nopal lo van a ver sólo cuando tiene tunas” es – de hecho- un refrán popular en México). Aunque esta tendencia histórica ha cambiado radicalmente en el cultivo de la chumbera para producción de nopalitos e higos chumbos a escala comercial va evolucionando de forma menos evidente (salvo, tal vez, en Brasil) para las plantaciones de chumbera como cultivo forrajero, donde el producto se comprende principalmente como un recurso de emergencia y baja calidad nutricional, y, donde, en ocasiones, la frontera entre el cultivo y la nopalera silvestre manejada como matorral pratense es un tanto difusa. Desde un punto de vista agroenergético, la idoneidad de la chumbera viene dada en gran medida por esta rusticidad, que permite llevar a cabo una agricultura de bajos insumos con un balance energético positivo. Bajo este planteamiento, pueden cultivarse opuntias con fines energéticos en aquellos terrenos donde la producción de higo chumbo o nopalito no es técnicamente posible o rentable, así como allí donde no hay mercado para estos productos. Evidentemente, en estos terrenos, difícil es que pudieran cultivarse de forma rentable la gran mayoría del resto de los cultivos alimentarios. A pesar de lo expuesto, este enfoque, válido principalmente para aquellas zonas con limitaciones de superficie agraria o recursos como el agua, no es el adoptado por todos los grupos que en la actualidad desarrollan programas de investigación sobre el cultivo de chumbera con fines energéticos. En Chile, un consorcio investigador encabezado por Alexis Vega (Universidad Mayor de Chile) ha decidido enfocar la producción de biomasa de chumbera como un cultivo de alto rendimiento. Basándose en los planteamientos explicados en el apartado anterior, sus propuestas se centran en los siguientes puntos: 1. Establecer una densidad de plantación tal que el IAT se acerque lo más posible a 5, de forma que el IFSS no sea limitante de la productividad (se acerque, pues, lo más posible a la unidad). Para ello pretenden experimentar con densidades de plantación de 25.000, 35.000, 45.000, y 66.000 plantas ha-1. 2. Establecer las plantaciones en condiciones de regadío, evitando en todo momento que Ψs sea menor que Ψr. Conviene recordar que esto evitará la muerte de las raíces absorbentes y favorecerá la captura de CO2 durante las horas diurnas (véase apartado 1.3.3). Estimar el Kc del cultivo de chumbera en estas circunstancias. 82 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3. Fertilizar adecuadamente las plantaciones, incluso por encima del nivel de suficiencia, de tal modo que se favorezca la producción de citoquininas. 4. Llevar a cabo dos cosechas de cladodios al año. Esto, junto con la sobrefertilización comentada, pretende favorecer el crecimiento vegetativo continuo frente a una eventual fructificación, que no llegaría a producirse. Para optimizar el rendimiento debe hallarse, además, el índice de cosecha óptimo. El objetivo final es alcanzar, en una experiencia piloto de gran magnitud, las productividades cuasi-teóricas cercanas a 50 t MS ha-1año-1 obtenidas en parcelas experimentales (Nobel ,1999). Obviamente esto supone una demanda de insumos muy elevada, más aun teniendo en cuenta que la intención es ubicar las parcelas en suelos marginales áridos, pero presenta dos aspectos positivos que han de considerarse. En primer lugar el empleo de la biomasa de chumbera para energía puede permitir, si se planifica adecuadamente, la recuperación de gran parte del agua almacenada en sus tejidos. Si la planta de transformación se ubica próxima a la plantación, este agua puede reutilizarse como riego, cosa que resulta muy complicada en el resto de los enfoques productivos de la chumbera, que implican el envío del material a otros lugares (exportando un agua que jamás se recupera) o su transformación en productos tales como orina y heces, cuya reincorporación a un proceso de reciclado del agua implicaría planteamientos más completos y ambiciosos (y sólo en los casos en los que puedan recuperarse estos residuos). En segundo lugar, si el producto final de la biomasa es su transformación en biogás mediante un proceso de digestión anaeróbica, una buena parte de los nutrientes minerales (y un porcentaje no desdeñable de materia orgánica) podrán reutilizarse en forma de fertilizante, reduciendo así la necesidad de este insumo. En otros países, el enfoque agroenergético de la chumbera pasa necesariamente por otros planteamientos, en función de sus potenciales y limitaciones. En México, el agua es escasa en las zonas nopaleras y la tecnificación de la agricultura no está ampliamente popularizada (en términos generales), pero la diversidad genética de la chumbera es mayor que en cualquier otro lugar del mundo. Por ello, el cultivo de especies y variedades rústicas y adaptadas a las condiciones locales en terrenos no aptos para la producción de nopalitos o tunas (junto con los restos de podas y los frutos de destrío de las plantaciones tradicionales) podrían suponer una importante cantidad de biomasa, cuyo destino podría repartirse entre la alimentación animal y la producción de energía. En España, la producción de nopalitos no tiene mercado, y la de higos chumbos una demanda limitada (en 2009 la producción española fue de 1.390 toneladas, según datos publicados por el MARM en 2010). Al mismo tiempo, diversos factores socioeconómicos (incremento del coste del petróleo y de la mano de obra, desaparición de aranceles,…) han convertido la agricultura tradicional de secano de las zonas templadas y cálidas en una actividad de escasa rentabilidad (subvenciones al margen). Esto, junto con el despoblamiento rural y la falta de relevo generacional en la agricultura (motivados parcialmente por esos mismos factores socioeconómicos) ha generado un creciente abandono de tierras de labranza que ha comenzado, como es lógico, por las más marginales para la producción. Aparece, por tanto, un escenario propicio para una agricultura de bajos insumos en el que la chumbera con fines energéticos podría ocupar un lugar relevante en aquellas zonas cálidas más secas, donde sería difícil para otros cultivos mantener producciones sostenibles y rentables. 83 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Resulta interesante, por todo ello, el conocimiento de las productividades alcanzadas de facto en diversas circunstancias agronómicas y países, de tal modo que pueda disponerse de un marco de referencia con previsiones realistas para los distintos escenarios. Algunas de las productividades publicadas por diversos investigadores se recogen en la Tabla 1.25. Para Felker (1999) “el principal factor que afecta a la productividad de Opuntia ssp. en plantaciones forrajeras es la presencia de vegetación competitiva (malezas)”. Esto puede relacionarse con las bases productivas expuestas anteriormente en la medida en que esta maleza establece una competencia por los recursos que afecta fundamentalmente al IH, al IN, e incluso al IFSS en los primeros años de la plantación o cuando se trata de malezas de porte arbustivo. Esta declaración de Felker pone de manifiesto la influencia de factores de manejo “secundarios”, tales como la gestión de las malas hierbas (considerando como “primarios” aquellos que determinan de forma más directa los índices de producción considerados, es decir, el marco de plantación, el riego y la fertilización). La variabilidad de todos ellos resulta en una considerable dificultad a la hora de poder comparar las diferentes producciones de biomasa de chumbera publicadas. Incluso aquellas derivadas de estudios en condiciones controladas presentan, a menudo, una descripción poco detallada del manejo llevado a cabo, o un control inadecuado del llamado “efecto borde”, según este mismo autor. Resulta, por último, interesante, reseñar que la aplicación del IPA propuesto por Nobel supondría una productividad potencial en torno a 12 t MS ha-1año-1 en secano y de 20 t MS ha1 año-1 en regadío, para la península Ibérica. Estas cifras fueron estimadas por García de Cortázar y Nobel en 1990, sin emplear el IN, y se calcularon para una escala mundial (generando un único valor para cuadrículas de 10º x 10º). Llaman la atención por lo elevado del valor en secano y lo comparativamente bajo que resulta, en cambio, el valor en regadío (teniendo en cuenta los valores potenciales óptimos de 40 – 50 t MS ha-1año-1), lo que pone de manifiesto la importancia del factor IFSS en la productividad (o, al menos, su importancia en la determinación del IPA propuesto). Otras consideraciones sobre la productividad Las plantas del género Opuntia interactúan con hongos endomicorrízicos arbusculares de los géneros Glomus, Gigaspora, y Acaulospora. En los primeros estudios en los que se evaluó el efecto de las micorrizas sobre la fisiología de la chumbera no se encontraron efectos significativos de la colonización sobre el intercambio gaseoso o la absorción de nutrientes (Ciu y Nobel, 1992 cit. en Estrada-Luna y Davies 2008). En cambio, los propios Estrada-Luna y Davies (2008) concluyeron que O. albicarpa era “una especie dependiente de las micorrizas en el proceso de absorción nutrimental, particulamente de P y Zn, ya que la colonización logró incrementar significativamente el contenido de estos nutrimentos en las plantas, dando como resultado mayor crecimiento”. Estos autores estudiaron el crecimiento y la absorción de nutrientes de plantas de O. albicarpa cv. Reyna inoculadas con tres poblaciones diferentes de micorrizas, y concluyeron que dichos inóculos tenían una influencia, variable pero en muchos casos significativa, sobre la acumulación de materia seca en los tejidos, y la absorción de diversos nutrientes. Por su parte, Mascarúa-Esparza et al (1988) hallaron en raíces de O. ficus-indica colonias de Azospirillum brasilense y A. lipoferum, bacterias relacionadas con la fijación de N2 atmosférico y la estimulación de la producción de auxinas y citoquininas. Al mismo tiempo, 84 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. estudios llevados a cabo en Nuevo León (México) con ejemplares silvestres de O. microdasys, y O. lindheimerii sugieren la existencia de enterobacterias capaces de fijar N2, en las raíces de las mismas (Llovera, et al 1995). Tal y como insinúa Estrada-Luna, estas investigaciones abren el camino hacia aplicaciones biotecnológicas ya habituales en otras especies y que podrían dar como resultado incrementos en la productividad del cultivo de la chumbera. 85 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Autor Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia ficus-indica f.inermis Opuntia spp. Opuntia spp. Opuntia spp. Opuntia spp. Opuntia spp. O. ficus-indica var.T O. ficus-indica var.Aguascalientes O. ficus-indica var.3P O. ficus-indica var.TC O. ficus-indica var.CE2 O. ficus-indica var.Chicomostoc O. ficus-indica var.PAB 3 O. ficus-indica var.PT O. ficus-indica var. FC O. ficus-indica var.Italiano Morado O. ficus-indica var. VI O. ficus-indica var.Verdura O. ficus-indica var. PAB 2 O. ficus-indica var.Esmeralda O. ficus-indica var.R2 O. ficus-indica var.Verdura Calera O. ficus-indica var.COPENA O. ficus-indica var.COPENA O. ficus-indica var.COPENA O. ficus-indica var.COPENA Especie Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Túnez Argelia Argelia Sudáfrica Sudáfrica Sudáfrica Sudáfrica Sudáfrica México México México México México México México México México México México México México México México México México México México México País Duración Edad Densidad de Marco experiencia planta plantación Plantación (años) (años) (plantas ha -1 ) (m x m) 3 5 5 0-5 2 2920 2 2920 2 2920 2 2920 2 2920 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 65789 0,76 x 0,2 1 32895 0,76 x 0,4 1 21930 0,76 x 0,6 1 16447 0,76 x 0,8 Tabla 1.25. Producción de biomasa de chumbera según diversos autores. Cordier (1947 cit. en Monjauze y Le Houérou, 1965) Cordier (1947 cit. en Monjauze y Le Houérou, 1965) Charmentant (cit. en Monjauze y Le Houérou, 1965) Dumont (cit. en Monjauze y Le Houérou, 1965) Goormagntigh (cit. en Monjauze y Le Houérou, 1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) Monjauze y Le Houérou (1965) De Kock (2001) De Kock (2001) De Kock (2001) De Kock (2001) De Kock (2001) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) Flores-Ortiz et al (2010) K 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - Orgánica (t ha-1 ) Fertilización P 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Mineral (kg ha -1 ) N 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Riego (mm año-1 ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 75 152 229 305 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 0 0 0 0 No No No No No No No No No No No No No No No No Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Tratamientos Precipitación plagas/ Desherbado (mm año-1 ) enfermedades No No No No No No No No No No No No No No No No - 450 450 230 280 450 150 150 350 400 400 400 400 500 400 325 178 178 178 178 178 - Producción Producción 31 34 33 30 80 13 25 50 85 85,5 34 13,4 60 50 200 24,89 38,61 66,49 97,6 106,68 - (t MS *ha -1 *año -1 ) (t MF *ha -1 *año -1 ) 4,0 4,4 4,3 3,9 10,4 1,7 3,3 6,5 11,1 11,1 4,4 1,7 7,8 6,5 26,0 3,3 4,2 6,1 9,1 10,6 56,62 47,6 46,5 45,1 43,4 43,3 43,3 40,4 40,0 38,2 37,4 36,6 27,9 23,2 17,6 16,9 38 36,5 40,6 30,5 86 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Autor Opuntia spp. var. 1317-Chile fruit Opuntia spp. var.1327-Marmillon Fodder Opuntia spp. var.1267-Algeria Fodder Opuntia spp. var.1294-Mexico Vegetable Opuntia spp. var.1294-Mexico Fodder Opuntia spp. var.1258-Additional Opuntia spp. var.1311-Marmillon Fodder Opuntia spp. var.Algerian (Southafrica) Opuntia spp. var.IPA Clone-20 Opuntia spp. var.IPA Clone-19 Opuntia spp. var.1316-Chile fruit Opuntia spp. var.Palma Gigante Opuntia spp. var.Palma Doce Opuntia spp. var.Palma Redonda Opuntia spp. var.1258-Additional Opuntia spp. var.IPA-90-73 Opuntia spp. var.1278-Mexico Fodder Opuntia spp. var.IPA Clone-20 Opuntia spp. var.IPA-90-155 Opuntia spp. var.1311-Marmillon Fodder Opuntia spp. var.IPA-90-18 Opuntia spp. var.IPA-90-75 Opuntia spp. var.1267-Algeria Fodder Opuntia spp. var.IPA-90-156 Opuntia spp. var.IPA-90-106 Opuntia spp. var.IPA-90-111 Opuntia spp. var.1327-Marmillon Fodder Opuntia spp. var.Palma Gigante Opuntia spp. var.IPA-90-92 Opuntia spp. var.1294-Mexico Vegetable Opuntia spp. var.Palma Redonda Opuntia spp. var.1317-Chile fruit Opuntia spp. var.Algerian (Southafrica) Opuntia spp. var.Palma Doce Opuntia spp. var.Palma Gigante Opuntia spp. var.COPENA F-1 Opuntia spp. var.IPA Clone-20 Opuntia spp. var.Palma Redonda Opuntia spp. var.COPENA V-1 Opuntia spp. var.Palma Doce Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Opuntia ficus-indica Especie Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil Brasil España España España España País Duración Edad Densidad de Marco experiencia planta plantación Plantación (años) (años) (plantas ha -1 ) (m x m) 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 4 0 -3 7144 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 3 0 -3 7143 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 20000 1 x 0,5 4 0-4 4 0-4 4 0-4 4 0-4 4 0-4 4 0-4 3 0-3 10000 1x1 3 0-3 10000 1x1 3 0-3 10000 1x1 3 0-3 10000 1x1 N 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 P 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - K 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Mineral (kg ha -1 (t ha ) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) 28,6 (fondo) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si No No No No Orgánica Fertilización Tabla 1.25 (continuación). Producción de biomasa de chumbera según diversos autores. Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Gonzaga de Albuquerque y Cordeiro dos Santos (2006) Saiz (1988) Saiz (1988) Saiz (1988) Saiz (1988) (1) Precipitación media para una serie de años en la zona de estudio. En azul, rendimientos estimados considerando un porcentaje medio de materia seca en los cladodios del 13%. Riego (mm año-1 ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) !30 (establecimiento) 0 0 0 0 0 0 200 240 400 600 No No No Si Tratamientos Precipitación plagas/ Desherbado (mm año-1 ) enfermedades Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si No No No No 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 550(1) 0 0 0 0 Producción Producción 54,2 36,3 36,3 39,0 33,0 33,2 33,0 37,2 34,5 31,2 30,5 26,9 15,3 15,9 121,8 107,4 98,0 101,1 100,8 84,7 79,9 86,9 84,6 71,4 74,6 72,9 67,4 67,8 65,4 64,8 57,3 49,7 41,6 9,8 102,9 77,5 73,6 79,2 32,8 24,3 - (t MS *ha -1 *año -1 ) (t MF *ha -1 *año -1 ) 6,1 4,2 4,14 4,02 4,02 3,92 3,7 3,65 3,55 3,37 2,9 2,85 1,8 1,73 10,45 9,16 8,71 8,24 7,94 7,59 7,12 7,03 6,32 5,92 5,87 5,83 5,74 5,65 5,58 5,15 4,08 3,7 3,34 0,82 10,81 7,7 7,39 6,79 3,14 2,57 2,94 8,35 9,54 15,84 87 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Algunas consideraciones que conviene tener en cuenta para la interpretación de la Tabla 1.25 están relacionadas con la edad de la planta. Los únicos datos disponibles se encuentran en forma de intervalo, y coinciden con el número total de años en los cuales la experiencia publicada se ha llevado a cabo. La productividad en estos casos (recogida en la columna con el encabezamiento “Producción (t MS ha-1 año-1)”) se expresa como el total de la producción finalmente cosechada entre el número de años de duración de la experiencia. Cuando el intervalo de duración de la experiencia corresponde al formato 0 – i (con i = 3, 4, 5…n años) esto implica que la productividad final corresponde al cociente entre la biomasa total cosechada y los n primeros años de vida de la planta. Dado que, tal y como se suele dar por sentado, la chumbera alcanza su madurez productiva entre los 4 y los 5 años de edad, la productividad mostrada es menor que aquella que se podría obtener anualmente en una plantación regular (consolidada) de más de 5 años, y no representa adecuadamente el potencial del cultivo en las condiciones dadas. Productividad de las plantaciones de nopalitos Los nopalitos no son ni más ni menos que cladodios jóvenes. Las bases fisiológicas de su producción son, por tanto, las mismas que en el caso de las palas maduras. El sistema de manejo de las plantaciones es, sin embargo y habitualmente, más intensivo, tal y como se explicará más adelante. La productividad media en la principal zona de cultivo del mundo (Milpa Alta, México DF) es de 80 - 90 t MF ha-1año-1 (Flores – Valdez, 1999). Por otra parte, en ensayos llevados a cabo por Flores – Hernández et al (2005) bajo riego por goteo, se obtuvieron rendimientos de hasta 108 t MF ha-1año-1. En Baja California Sur (México), Ruiz – Espinoza et al (2008) obtuvieron rendimientos comprendidos entre 55,5 y 138 t MF ha-1año-1, en función del cultivar considerado. Estos últimos datos, obtenidos en plantaciones establecidas sobre suelos salinos, adecuadamente manejadas, y regadas con aguas de mala calidad (CE = 4 - 5 mS cm-1), corresponden al material cosechado entre marzo y agosto, por lo que pueden preverse mayores rendimientos para una temporada completa de cosecha. Productividad de las plantaciones destinadas a la producción de frutos La producción de frutos está determinada en gran medida por la acumulación de materia seca del cladodio (Nobel, 1999), y, en este sentido, es dependiente de los mismos parámetros tratados en la producción de biomasa. De forma general, los rendimientos obtenidos en una plantación dependen de la fertilidad de los cladodios, del número de cladodios fértiles de primer año existentes, de la eficacia del raleo practicado (ver apartado dedicado al manejo de la plantación), y del peso final individual alcanzado por cada fruto (Inglese, 1999). Algunos datos recopilados por Inglese (1999) respecto a la productividad de O. ficus-indica en t MF ha-1 año-1 para distintos países son: de 15 a 25 para Italia e Israel, de 6 a 15 para Chile, de 4 a 10 para México, y de 20 a 30 para plantaciones experimentales en Sudáfrica. Este mismo autor considera que las producciones expuestas para México y Chile son, en general, bajas, y también que las amplias diferencias entre valores se deben, fundamentalmente, a cuestiones de diseño de la plantación. Ochoa (2003), por su parte, considera productividades medias de entre 15 y 22 t MF ha-1 año-1 en Argentina, y según datos recopilados por Ayala (2008) los rendimientos en Perú para la 88 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. década 1995 – 2005 variaron, en función de los años y las regiones consideradas, desde 0,2 a 11 t MF ha-1 año-1, oscilando las medias nacionales entre 5,2 y 7,3 t MF ha-1 año-1. En México, las variedades selectas COPENA T1, T2 y T3 han alcanzado rendimientos de entre 22 y 30 t MF ha-1 año-1 (Barrientos, 1981). En la provincia de Almería (España), Mendizábal exponía en 1952 que existían chumberales “sin apenas labores ni atenciones” que producían entre 25 y 28 t MF ha-1, y afirmaba que 20 t MF ha-1 podía considerarse como un valor medio de rendimiento para una plantación “regular y en plena producción”. La productividad está también determinada por la edad de la planta. Datos en función de la misma, expuestos por López – Finlay (1985) para plantaciones con una densidad de 625 plantas ha-1, se recogen en la Tabla 1.26. Tabla 1.26. Rendimiento en frutos de una plantación de chumbera en función de su edad (t MF-1 ha-1) Edad de la plantación (años) 2 3 4 5 - 10 10 - 15 16 - 20 21 - 30 Rendimiento -1 -1 (t MF ha ) 1,2 3,1 3,8 6,3 11,3 15,6 7,5 1.3.5.4. Manejo de las plantaciones de chumbera En este apartado se exponen de forma resumida los manejos habituales de las plantaciones de chumbera para la producción de higos chumbos, nopalitos, y palas para forraje, haciendo especial hincapié en este último uso, por ser sus objetivos prácticamente idénticos a aquellos que persigue la producción de palas para biomasa. Producción de higos chumbos El manejo de las plantaciones de chumbera para la producción de fruto, según Inglese (1999), se expone a continuación: Para la implantación del cultivo se recomienda llevar a cabo un subsolado a 60-80 cm de profundidad para facilitar el drenaje, seguido de pases cruzados, con cincel (chissel) para evitar la alteración del perfil del suelo. Conviene, junto al último de estos pases, llevar a cabo un abonado de fondo. Existen pocas recomendaciones en la literatura respecto a la fertilización, tanto de fondo como anual, de este cultivo, algunas de las cuales han sido recopiladas por Inglese (1999) y se recogen en la Tabla 1.27. El material de siembra suele ser un cladodio o un fragmento del mismo (o varios por hoyo, dispuestos en triángulo o cuadrado) previamente curado a la sombra durante 3 ó 4 semanas, y cuyo corte se haya desinfectado con caldo bordelés u otra sustancia antimicrobiana similar. 89 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Algunos de los marcos de plantación más habituales son 1,5 x 4; 2 x 3; 3 x3; 4 x 5; 4 x 6; y 5 x 7 (m x m) dependiendo de la variedad, el manejo posterior, y el país del que se trate. Esto supone entre 290 y 1.666 plantas por hectárea. Se recomienda que las filas estén orientadas N – S para maximizar la intercepción del PAR (véase el apartado 1.3.5.3, dedicado a la productividad), si bien esto resulta menos importante en latitudes por debajo de 27º. La época óptima de plantación depende del país considerado; en la región mediterránea suele llevarse a cabo en mayo o junio. El control de malas hierbas se considera imprescindible para un adecuado rendimiento de la plantación. Puede llevarse a cabo labrando de forma somera en los meses en que la planta se halla en reposo vegetativo, pero el sistema radicular de la chumbera es muy superficial y puede resultar fácilmente dañado. La aplicación de herbicidas es una solución cada vez más difundida, pero debe evitarse la deriva, ya que los cladodios son muy sensibles a sus efectos. Por último, puede cortarse la maleza y dejarse sobre el suelo, manteniendo la humedad y dificultando su rebrote. En aquellas regiones donde el verano es seco, y – de forma general - allí donde la precipitación anual es menor de 300 mm, se recomienda la aplicación de riegos durante esta época, especialmente si las plantaciones se manejan de modo intensivo. Dosis de 60 – 100 mm aumentan el rendimiento, el tamaño del fruto, y el porcentaje de pulpa. Para obtener una producción de frutos óptima deben llevarse a cabo tres tipos de poda sobre la chumbera: La poda de formación, en la que se selecciona el futuro porte de la planta ( en “vaso”, “globo”,…), la de producción, que tiene por objetivo evitar el sombreo entre cladodios y eliminar los mayores de dos años que ya han producido y sobre los que no se observa actividad vegetativa, y la poda de rejuvenecimiento, que permite recuperar la productividad en plantas mayores de 25 – 30 años. En función del autor consultado, la cantidad de frutos por cladodio óptima para conseguir un producto de calidad es de 6 a 12 higos por pala. Comoquiera que la producción de yemas florales viables en los cladodios terminales de plantaciones adecuadamente manejadas puede llegar a ser de 25 a 30, se hace necesario un raleo de frutos. La mejor época para llevarlo a cabo es desde la floración hasta dos semanas después del cuajado. Por otra parte, en aquellas zonas donde sólo se obtiene una cosecha anual suele llevarse a cabo una eliminación de flores y cladodios que resulta en una segunda floración forzada, entre 30 y 40 días después de la primera. Este proceso, denominado “scozzolatura” o “tirado” permite obtener frutos más grandes y con una menor relación semillas/pulpa. Una segunda floración es también posible aplicando riegos y una intensa fertilización nitrogenada tras la primera cosecha, aunque sólo en zonas dónde el invierno sea cálido. La cosecha debe llevarse a cabo cuando el contenido en sólidos solubles del fruto alcanza valores entre el 12 y el 15%. Hoy por hoy debe realizarse a mano, dado que es un fruto delicado y su ubicación es espacialmente irregular. 90 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 1.27. Dosis de fertilizantes recomendadas en la producción de higos chumbos (adaptado de Inglese, 1999) Autor Inglese (1999) Abonado de fondo Mineral País Italia N (kg ha-1) P2O5 (kg ha-1) 0 300 N (kg planta-1 año-1) 110ª 0,25 -0,35 (NH4SO2) Orgánico K2O (kg ha-1) Estiércol (t ha-1) 350 Abonado de cobertera Mineral P2O5 K20 (kg planta-1 (kg planta-1 año-1) año-1) 80 (P)ª 100 (K)ª 0,2 -0,3 0,1 - 0,2 (superfosfato) (K2SO4) - Orgánico Estiércol (kg planta-1 año-1) Inglese (1999) Italia - Inglese (1999) Chile Mondragón y Pimienta (1990) Mondragón y Pimienta (1990) - 0,15 (NH4SO2) 0,1 (superfosfato) 0,1 (K2SO4) 6 - 60ª 20ª 20ª 6-9 10 - 15 ª En kg ha-1 Producción de nopalitos La producción de nopalitos ha sido detalladamente descrita por Flores-Valdez (1999). Una adaptación resumida se expone a continuación. La preparación del terreno es similar a la llevada a cabo en el caso de la producción de fruto, aunque es frecuente añadir un pase de rotocultor para desterronar y homogeneizar el terreno. Para la plantación se emplea una pala por hoyo. En el sistema tradicional el marco utilizado es de 0,25 – 0,5 x 1 – 1,5 m, considerándose lo más habitual establecer en torno a 17.000 plantas por hectárea. En el sistema intensivo, o de camas, éstas tienen un tamaño aproximado de 1,2 a 2 m de ancho y entre 40 y 47 m de largo, y están separadas entre sí de 1 a 1,5 m. El marco de plantación en ellas es de 0,05 x 0,2 - 0,3 m. Esto supone una densidad de entre 120.000 y 160.000 plantas por hectárea, y los nopalitos cosechados son brotes del cladodio madre o – como mucho- de cladodios desarrollados en el primer piso. Este sistema es el más empleado para la producción invernal, ya que permite la colocación de túneles de plástico sobre las camas. La fertilización es abundante. En el sistema tradicional se cubren las calles con entre 10 y 15 cm de estiércol, generalmente bovino, cada 2 ó 3 años, y en ocasiones se añaden fertilizantes químicos nitrogenados entre una y tres veces al año. En sistemas intensivos se emplean entre 100 y 200 t ha-1 de estiércol al año y cantidades de N y P que van de 100 a 200 y de 80 a 100 kg ha-1, respectivamente. En las principales zonas de producción (centro de México), el cultivo se realiza en secano. No obstante, experiencias llevadas a cabo aplicando 100 mm de agua en verano han supuesto 91 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. incrementos de producción de entre el 10 y el 25% en el sistema intensivo. Allí donde se riega por goteo (procedimiento habitual en las plantaciones del noreste de México), la fertilización puede llevarse a cabo mediante fertirrigación (Vázquez – Alvarado, et al 2009) Los ataques de plagas y enfermedades son frecuentes, pero de escasa gravedad salvo en zonas de elevada humedad y altas temperaturas (Morelos, México). En ellas se emplean grandes cantidades de fitosanitarios para combatirlas. El control de malas hierbas se lleva a cabo de forma manual y con la ayuda que supone el empleo de grandes cantidades de estiércol y el sombreo en los sistemas de alta densidad. En ocasiones se aplican herbicidas. La poda de formación en el sistema tradicional se lleva a cabo para despejar los caminos y mantener la altura de las plantas entre 1 y 1,5 m. En el periodo de mayor oferta en los mercados algunos agricultores cortan los cladodios terminales a la mitad, deteniendo la producción y permitiendo que la planta acumule reservas para las cosechas de otoño e invierno, cuando suben de nuevo los precios. La cosecha se lleva a cabo cuando los nopalitos miden entre 15 y 20 cm y pesan entre 80 y 120 g. Esto suele ocurrir a los 30 – 60 días de la brotación. Producción de palas para forraje. Al igual que ocurre en la producción de nopalitos pueden distinguirse – a grandes rasgos - dos sistemas de explotación: Uno extensivo, tradicional, apropiado para cultivos en secano, y otro intensivo, sobre suelos más fértiles y bajo riego (o en zonas con elevada precipitación), y con requerimientos de insumos mucho mayores. En el sistema extensivo los cladodios, preferiblemente enteros, se curan (tal y como se expuso en el apartado sobre la producción de higos chumbos) y se plantan en hoyos excavados en el terreno previamente desbrozado. Las densidades de plantación oscilan entre las 2.500 y las 5.000 plantas ha-1, siendo frecuentes los marcos de plantación de 2 x 2 y 3 x 1 m. El control de malezas no suele realizarse, aunque resulta un factor tremendamente influyente en la producción, tal y como se explica en el apartado destinado a la productividad. En una investigación llevada a cabo por Peter Felker en Argentina, la producción de una plantación adecuadamente desherbada fue en torno al triple de la obtenida en la plantación control, sin tratamientos (Guevara et al, 2009). De llevarse a cabo un manejo contra las malezas, podrían seguirse las mismas directrices que el caso de las plantaciones para fruto. Las plantaciones extensivas tradicionales de chumbera forrajera (plantaciones de “agostadero o tierras marginales” como las denomina Flores-Ortiz et al (2010)) no son fertilizadas habitualmente, o al menos no se tiene constancia de ello en la literatura. Esto es un error de manejo, tal vez basado en que el agua suele considerarse como el factor limitante del crecimiento del cultivo en estas condiciones. Sin embargo, siguiendo una reflexión propuesta por Guevara et al (2009), si se tiene en cuenta que los aportes naturales de N en suelos de zonas áridas y semiáridas donde no se cultivan leguminosas no suelen exceder de los 2 kg ha1 año-1, y se considera – por otra parte - un contenido en N del 0,5% de la materia seca del cladodio (valor extremadamente bajo, pero hallado en cladodios sanos de ecotipos sin espinas en Almería), se llega a la conclusión de que la mayor producción de materia seca por hectárea que puede obtenerse en un sistema de explotación sostenible es de 0,4 t MS ha-1año-1. Incluso 92 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. aunque se produjera una explotación “no sostenible”, con los mencionados aportes y considerando la existencia de ciertas pérdidas de N por volatilización, la producción máxima posible de materia seca no podría exceder en mucho esa cifra. Teniendo en cuenta que se han publicado producciones superiores a 2 t MS ha-1año-1 para precipitaciones tan bajas como 150 – 200 mm año-1 (Le Houerou, 1965), es necesario plantearse la posibilidad de que, en ocasiones, el N sea el factor limitante de la producción incluso en estas condiciones de aridez. Por este motivo, sería conveniente fertilizar de acuerdo al potencial de producción estimado para cada valor de precipitación. Una recomendación similar aparece publicada por De Kock (2001), basándose tanto en trabajos propios como de Monjauze y Le Houérou. De forma excepcional, y en lo que respecta al N, su aplicación podría no ser necesaria en plantaciones con una adecuada flora microbiana simbionte (tal y como se expone en el apartado correspondiente a la productividad) una vez que las investigaciones al respecto hayan elucidado las aportaciones cuantitativas reales de esta flora al contenido en nutrientes de la planta. En cuanto al aprovechamiento de este tipo de plantaciones, puede realizarse de tres formas: La primera de ellas es a diente por el animal, técnica no muy recomendada porque pueden producirse daños en la planta y se desperdicia un cierto porcentaje de cladodios, aunque resulta muy barata para alimentar animales manejados en régimen extensivo. La segunda es el corte de las palas y la alimentación de los animales “in situ”. Consiste en cortar las pencas a mano (generalmente con machete) y dejarlas en el suelo para que el animal las coma. Es una técnica que permite planificar la producción, dejando estratos de cladodios intactos y evitando daños innecesarios a la planta, pero supone un mayor gasto en mano de obra. La tercera forma de aprovechamiento es su cosecha y traslado a las instalaciones ganaderas. El corte y la carga se hacen habitualmente a mano y el acarreo en remolques, si bien es cierto que se han publicado resultados de ensayos que parecen prometedores para la mecanización total de la cosecha (Walter et al 1995). En cualquiera de los tres casos es muy recomendable, si se trata de plantas con espinas, la quema de las mismas de forma previa a su consumo por parte de los animales, ya que, aunque se ha sugerido que esta práctica podría disminuir el contenido proteico en los cladodios (Gutiérrez, 2007), los daños causados por las espinas pueden ser causa de infecciones letales para el animal (Felker, 2001). El quemado de espinas se realiza habitualmente con lanzallamas de propano, manuales o acoplados a remolques e incluso a furgonetas tipo pick-up. En cuanto al sistema intensivo de producción, este se emplea fundamentalmente en Brasil, pero también en algunas zonas de México y - a escala piloto - en Chile (González, comunicación personal). El terreno es preparado de forma similar a la expuesta en el apartado sobre la producción de higos chumbos, y las densidades de plantación oscilan habitualmente entre las 10.000 y las 40.000 plantas por hectárea (e incluso más, hasta 80.000 plantas ha-1). Para ello puede utilizarse un sistema de camas similar al anteriormente descrito para la producción de nopalitos. Mondragón-Jacobo et al (2001b) recomienda camas de 3 ó 4 surcos separados entre si 0,3 m con plantas separadas 0,4 m en el surco, y una distancia entre camas de 2 ó 3 m. Luna y Urrutia (2008) proponen camas de 3 surcos con separación entre plantas de 0,5 x 0,5 m, y una separación entre camas de 3 m. Otra posibilidad es la combinación 0,5 x 1 x 3 m (donde 3 m es la distancia entre pares de filas con una separación interna de un metro). Cuando no se opta por el sistema de camas se emplean marcos uniformes tales como 0,5 x 1 ó 0,25 x 1 m. 93 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. El control de malas hierbas se lleva a cabo de forma mecánica en las calles y manualmente en las zonas donde la alta densidad no permite lo anterior (por ejemplo en las camas). En ocasiones se aplican herbicidas. La fertilización, de forma similar a lo expuesto para las plantaciones de nopalitos, se lleva a cabo con estiércol bovino y fertilizantes minerales. Según Carneiro y Viana (1992) 20 t ha-1de estiércol bovino aplicadas cada dos años supusieron un incremento de productividad del 100% en experiencias llevadas a cabo en Brasil. Cordeiro dos Santos et al (1996) informaron de un incremento del 30% en la producción al aplicar dosis de 50-50-50 kg ha-1 de N-P2O5-K2O, y Lima et al (1974) hallaron respuestas a la aplicación de N hasta 100 kg ha-1 y de P hasta 50 kg ha-1. Como ejemplo de alta intensidad en fertilización y manejo, en una plantación de 60.000 pies en el noreste brasileño (en una zona con 600 mm de precipitación) se aplicaron 600 kg ha-1 de urea, 1.200 kg ha-1 de fosfato, 15 t ha-1 de estiércol seco, y diversos herbicidas de preemergencia y postemergencia, y se obtuvo una cosecha de 40 t MS ha-1 en 16 meses (Guevara et al 2009). En este tipo de plantaciones se llevan a cabo tratamientos fitosanitarios cuando se considera necesario, lo que resulta inevitable en ciertas áreas del noreste de Brasil debido a la presencia de Diaspis echinocacti Bouché, que es frecuentemente combatida por medios biológicos o químicos. La cosecha puede llevarse a cabo de la misma forma que en el caso de las plantaciones extensivas, aunque en este caso es menos habitual el aprovechamiento a diente. El momento de la cosecha debe ser, en cualquier caso, adecuadamente planificado, de modo que la planta permanezca en estado vegetativo a lo largo del mayor tiempo posible, evitando así que entre en floración. En las plantaciones intensivas esto suele verse potenciado por la competitividad entre plantas que genera el pequeño marco de plantación utilizado. Existen, por último, otras posibilidades de producción de palas de chumbera. Una de ellas, bastante extendida en México, es el cultivo asociado con otras especies, como judías, cereales diversos, e incluso gramíneas forrajeras. Otra, menos habitual, es la producción combinada de nopalitos y palas. En una experiencia citada por Mondragón-Jacobo et al (2001b), se obtuvieron dos cosechas de nopalitos y una tercera de 53 t MF ha-1 de palas, en una plantación adecuadamente manejada. 1.3.6. Plagas y enfermedades La chumbera es atacada por diversas plagas y enfermedades, aunque muy pocas de ellas tienen una incidencia destacable sobre los rendimientos de las plantaciones (Longo y Rapisarda, 1999). A continuación se expondrá una revisión sucinta de las mismas a nivel mundial, basada principalmente en los trabajos de Longo y Rapisarda (1999) y Granata (1999). 94 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Plagas Thrips (Thrysanoptera Tripidae) Destaca en este grupo Neohydatothrips opuntiae (Hood). Adultos de 1 mm de longitud blancoamarillentos con marcas color café y un ventrículo rojizo. Estadíos jóvenes de color amarillo rojizo. Ataca cladodios y frutos causando perforaciones, deformaciones, y manchas plateadas. Se le encuentra en México, Estados Unidos, Sicilia, y –probablemente- España (observación personal del autor). Otra especie interesante según Zimmermann y Granata (2002) sería Sericothrips opuntiae. Se le encuentra en México y EE.UU. Chinches (Hemiptera Coreidae) Destaca el género Chelinidea y dentro del mismo la especie C. tabulata (Burmeister). Adultos entre 12,5 y 16 mm de longitud, de color amarillo paja a rojo claro, con puntos oscuros. Tanto estos como los ejemplares de estadíos preimaginales succionan savia de las chumberas creando manchas circulares de color verde claro que después se secan y agrietan. Se le encuentra en Norteamérica, Centroamérica, algunas zonas de Sudamérica (Venezuela), y Australia. Otras especies de hemípteros interesantes, de acuerdo con Zimmermann y Granata (2002) son C. vittiger (en México y EE.UU) y Narnia femorata en México. Cochinilla (Homoptera Dactylopiidae) En este grupo se incluyen tanto especies explotadas por el hombre para la producción de colorante como las más destructivas plagas de las chumberas, empleadas en ocasiones como control biológico de las mismas en lugares donde no interesaba su proliferación. Son insectos sedentarios y gregarios, y las hembras adultas se recubren a si mismas y a sus huevos con una característica cera blanda y floculenta. Las especies más destacables son: Dactylopius coccus (Costa). Se cría para la producción de colorante (véase el apartado dedicado a usos de la chumbera). Su hábitat natural es el continente americano, pero hoy en día puede encontrársela de igual forma en la ribera del Mediterráneo, en Sudáfrica, en las islas de San Mauricio y Madagascar, en la India, o en Australia. Dactylopius ceylonicus (Green). En México se la considera la especie más peligrosa. Originaria de América, fue introducido en Sudáfrica y Australia para el control biológico de especies del género Opuntia no deseadas. Dactylopius opuntiae (Cockerell). También originaria de América, ha sido introducida en diversos lugares del mundo como agente de control biológico de cactáceas. Actualmente se la puede encontrar en África, Australia, y Ceilán. Otras especies de cierta importancia serían D. austrinus, y D. tomentosus (Zimmermann y Granata, 2002). Estos insectos devoran tanto el cladodio como el fruto de la chumbera. Suelen ubicarse en la base de las espinas, y su saliva tóxica contribuye, junto a los mordiscos, al amarilleamiento e incluso desprendimiento de los órganos afectados. 95 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Entre los agentes naturales capaces de controlar sus poblaciones destacan la lluvia, el granizo, y las temperaturas extremas (como factores abióticos de efecto reducido), la especie de mariquita Cryptolaemus montrouzieri Muslant y el patógeno fungoso Entomophtora lecanii (Zimm.) MacLeod & Muller – Kogler (= Empusa lecanii Zimm.). En caso de existir condiciones favorables para una elevada probabilidad de infestación (temperaturas elevadas, variedades susceptibles) es necesario llevar a cabo una poda en forma de copa que exponga a los insectos a la luz y a los tratamientos químicos (metidatión, carbaryl, paratión,…) que resultan más eficaces si se aplican con maquinaria de alta presión y junto a agentes humectantes. Escama blindada (Homoptera Diaspididae) Destaca en este grupo la Diaspis echinocacti (Bouche). Es un pequeño (0,8 – 2,2 mm) insecto polífago de cactáceas, que ataca principalmente los cladodios basales, succionando la savia. Aunque, de forma general, se puede considerar que la producción no se ve demasiado afectada, sí se deprecia el valor del fruto, al aparecer sobre él manchas cloróticas. En invernadero o en plantaciones especializadas puede convertirse en una plaga, que habitualmente se controla mediante especies predadoras (Coleoptera Coccinellidae) y parásitas (Hymenoptera Aphelinidae). Si la aplicación de métodos químicos es necesaria, puede recurrirse a la aspersión de aceite mineral blanco (1 – 1,5%) mezclado con un compuesto organofosforado. Esta especie puede encontrarse en cualquier parte del mundo donde se cultiven chumberas. El noroeste de Brasil puede considerarse un buen ejemplo de lugar donde este insecto adquiere un claro status de plaga dañina. En experiencias llevadas a cabo por Gonzaga de Alburquerque y Cordeiro dos Santos (2006), estos autores llegaron a la conclusión de que variedades como la Palma Doce (perteneciente a la especie Nopalea cochenillifera) eran particularmente susceptibles al ataque de este insecto que – en general - afectaba de forma más dañina a las variedades locales. También investigaron acerca de posibles tratamientos a base de: sal común, jabón con extracto de tabaco y queroseno, y aceite mineral con compuestos organonofosforados (con y sin sal). Concluyeron que todos ellos eran eficaces, pero que el primero era más barato. Otros homópteros de interés son los pertenecientes al género Pseudococcus, que aparecen esporádicamente en todos los países en los que se cultiva chumbera (Zimmermann y Granata, 2002). Polillas (Lepidoptera Pyraloidea) Este grupo incluye varias especies polífagas u oligófagas cuyas larvas se alimentan de cladodios (e incluso frutos) y pueden causar daños muy serios a las plantaciones de chumbera. Las especies más peligrosas son aquellas que ponen sus huevos en grupos y cuyas larvas se desarrollan de forma gregaria. Entre ellas destaca la especie Cactoblastis cactorum (Berg), nativa de Sudamérica e introducida como elemento de control biológico en Sudáfrica y Australia. La lucha contra esta polilla se basa en medidas preventivas, ya que ningún insecticida puede alcanzar las larvas dentro del cladodio. Para ello deben aplicarse productos tales como carbaryl, deltametrin, o metidatión cuando los huevos presentan un color similar al café, lo que coincide con el inicio de la eclosión. La eliminación de los cladodios infestados (que inicialmente serán los más jóvenes) es también recomendable. 96 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Otras polillas dañinas son algunas de las pertenecientes al género Olycella (entre la que destaca la O. nephelepasa (Dyar)) o la Laniifera cyclades (Druce) (=Megastes cyclades), considerada una importante plaga en México. Todas ellas pueden combatirse con estrategias similares a las empleadas en el caso de C. cactorum. Escarabajo (Coleoptera) Existen más de 50 especies de escarabajos que se alimentan de plantas del género Opuntia. De entre ellas, el 40% pertenecen a las familias Cerambycidae y Curculionidae. A la primera pertenece Archlagocherius funestus (Thompson), un barrenador cuyas larvas atacan los cladodios de más edad de las plantas de O. ficus - indica. Oriundo de México, según se cree, se introdujo en Australia y Sudáfrica como agente de control biológico, pero obtuvo poco éxito ya que sus huevos y larvas son poco resistentes a la acción del mucílago, por lo que el colapso de plantas completas debido a su acción es un fenómeno posible pero difícil de observar. A la segunda familia pertenecen los gorgojos Metamasius spinolae (Gyllenhaue) y Cylindrocopturus biradiatus Champ. Los adultos del primero se alimentan de los cladodios jóvenes, mientras que sus larvas barrenan los tallos basales. Es nativo de México, donde se le encuentra por doquier y está considerado como especie peligrosa. En Sudáfrica se introdujo como elemento de control biológico, con eficacia desigual en función de las zonas estudiadas. C. biradiatus es también nativo de México, y sus larvas se alimentan en las areolas de los cladodios, dando lugar a una característica secreción gomosa en las mismas. Otras especies de interés son las pertenecientes al género Phyllophaga, y los barrenadores Cactophagus fahraei (Metamasius fahraei), Cylindrocopturus ganglbauberi, y Moneilema variolare, en México, el Cactophagus spinolae (Metamasius spinolae), tanto en este país como en EE.UU, y el barrenador de la familia Nititulidae en Perú. En general, el impacto de los escarabajos sobre las plantaciones es limitado, y no son necesarias medidas específicas de control. En caso de infestación pueden tomarse medidas similares a las empleadas contra Cactoblastis cactorum. Moscas (Diptera) Destaca entre ellas la familia Tephritidae, cuyo principal representante es la Ceratitis capitata (Wiedemann). Se trata de una mosca cuyo tamaño es ligeramente inferior al de la común, y cuyas larvas son capaces de alimentarse de frutos de más de cien especies de plantas. En la zona mediterránea tiene un claro carácter de plaga. La lucha contra esta especie consiste en el monitoreo del crecimiento de sus poblaciones mediante trampas quimo-atrayentes, en la eliminación de los adultos mediante la aplicación de atrayentes proteicos tóxicos sobre los cladodios (en las primeras etapas de la infestación) y en la aspersión directa de insecticidas (dimetoato) contra las larvas, una vez que la plaga ya está extendida. Otras especies de dípteros interesantes serían Anastrepha sp. y Dasiops bennetti (en México) y Asphondylia opuntiae (en México y EE.UU), de acuerdo con Zimmermann y Granata (2002). Hormigas (Hymenoptera formicidae) En Bolivia, las hormigas del género Atta suponen un serio problema en las plantaciones de chumbera ya que sus obreras raspan los cladodios jóvenes para emplear el material en el cultivo de hongos simbióticos. Las medidas de control propuestas pasan por la destrucción de los nidos que estén en la plantación. 97 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Otras plagas Otro insecto interesante es el ácaro Tetranychus opuntiae, que se alimenta de la savia de los cladodios y resulta de cierta importancia en México y EE.UU. Entre el resto de los animales que pueden llegar a desarrollarse como plagas en las plantaciones de chumbera destacan los nemátodos fitoparasíticos que atacan las raíces de las plantas en Perú (hasta 13 géneros conocidos), los gasterópodos en la región mediterránea (cuyas raras infestaciones pueden controlarse con trampas en el suelo) o los gorriones y roedores en México (estos últimos muy relacionados con las enfermedades bacterianas). Enfermedades Enfermedades causadas por bacterias y levaduras Las principales de entre ellas son las siguientes: Mancha Bacteriana Enfermedad producida por la bacteria Erwinia carotovora subsp. carotovora. La infección se produce habitualmente tras los daños provocados por heladas y granizo en cladodios y frutos. La aparición de manchas acuosas que se tornan negras (con la superficie seca o roñosa) precede a la rotura del cladodio. Se combate mediante la aplicación de fungicidas a base de cobre, y mediante la eliminación de los cladodios afectados. Las altas temperaturas del verano suelen frenar su proliferación. Agalla de la Corona del Nopal Enfermedad producida por la bacteria Agrobacterium tumefaciens. La infección se produce habitualmente a través de heridas. Masas de tumores oscuros de hasta 10 cm de longitud aparecen en la base de las pencas, al tiempo que se producen exudados de color ámbar en las mismas. Se combate mediante la eliminación de los tumores y la aplicación de fungicidas a base de cobre en las heridas. Pudrición Blanda Causada por la levadura Candida boidimi (Ramírez), está frecuentemente asociada a la Mancha Bacteriana. Sus síntomas iniciales se confunden con los de ésta, por tanto. Posteriormente, la pudrición afecta sólo a los tejidos internos, de forma que el cladodio se convierte en una bolsa irregular que contiene un líquido desagradable. Se combate mediante la eliminación de los cladodios afectados y la aplicación preventiva de caldo bordelés tras la cosecha o cualquier evento que pueda producir daños en los cladodios (podas, granizo,…). Enfermedades fúngicas Al contrario que las bacterias y levaduras, las cuales sólo pueden introducirse en el organismo aprovechando las heridas infligidas por terceros, los hongos patógenos pueden perforar la cutícula y la pared celular mediante procedimientos mecánicos o enzimáticos. No es de extrañar, por tanto, que constituyan el grupo de organismos patógenos más importante para la chumbera. Las principales enfermedades de origen fúngico son: 98 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Pudrición de armillaria y Pudrición de Tallos La Armillaria mellea (Vahl.Fr.) Kummer es un hongo basidiomiceto que produce carpóforos de tamaño apreciable a simple vista - es, de hecho, una seta comestible - con el sombrero color café y el pie amarillento. Cubre los órganos de chumbera afectados con un micelio blanco y provoca la pudrición de los cladodios. Previamente puede observarse una pérdida de turgencia acompañada de amarilleamiento del cladodio y exudado de tejido viscoso desde la base del tallo, junto con la momificación de los frutos. No existe profilaxis posible contra esta amenaza. Tras la infección debe cortarse la planta y excavar profundamente para eliminar todas las raíces. La armillaria no tolera la sequía, por lo que su expansión se ve reducida en las áreas de cultivo menos húmedas. Gomosis por Dothiorella Es una enfermedad confinada a la isla de Linosa, en Italia. Causada por Botryosphaeria ribis (Grassenb. Y Duggar) se manifiesta mediante la presencia de cánceres redondos (1 – 20 cm) de superficie roñosa color café, con exudados inicialmente amarillos y luego negros. Cuando coinciden dos o más sobre el mismo cladodio, la pudrición del mismo es rápida y la planta puede morir en pocos años, especialmente si el tronco se ve afectado. Este hongo causa enfermedades similares en cítricos, y se le combate mediante la aplicación sistemática de fungicidas (Benomyl, tiofanato de metilo) en el periodo de marzo a septiembre. La eliminación de los cladodios afectados es también una práctica recomendable. Pudrición del cuello inducida por Phytophtora Los hongos de este género son abundantes en suelos muy húmedos o regados, donde producen infecciones en el cuello o la raíz de diversas plantas. Las especies que afectan a la chumbera son P. cactorum (Leb. Y Cohn.) y P.nicotianae (Breda da Hahn). Los síntomas de su aparición se inician con clorosis y pérdida de turgencia seguida de pudrición color café con exudado líquido en plantas no lignificadas y gomoso en tallos maduros. El tallo basal no suele verse afectado más allá de los 30 primeros centímetros, pero esto, junto con una eventual pudrición de las raíces, es suficiente para provocar el colapso completo de la planta. Para su control es necesario evitar los suelos con más de un 30% de arcilla, el encharcamiento de los mismos, y el riego en contacto con la corona. Mancha Dorada por Alternaria También llamada mancha dorada, está causada por el hongo Alternaria alternata (según Zimmermann y Granata, 2002) que es también el responsable de la enfermedad llamada “mancha (o secamiento) de la penca”. El patógeno penetra por la base de las espinas o por alguna herida, y allí forma una mancha protuberante de color dorado inicialmente, que evolucionará hacia un tono amarillo con el centro oscuro. El tejido por debajo de la mancha se torna, a su vez, verde claro. Para su control se recomiendan fungicidas a base de cobre. 99 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Marchitez por Fusarium Los organismos pertenecientes a este género causan enfermedades en diversas especies vegetales en zonas cálidas y húmedas. Las especies problemáticas para la chumbera son F. solani, y F.oxisporum (Schlect) Synd. y Hans f.s. opuntarium. Causan marchitamento y la coloración rojiza de vasos conductores y cilindro cortical. El desarrollo de la enfermedad se ve favorecida por suelos encharcados y ácidos, circunstancias que deben evitarse. Por lo demás, su aparición sólo puede controlarse empleando suelos y material vegetal sin contaminar. Escama de Roya Causada por Phyllosticta opuntiae (en la zona mediterránea) y por P. concava (en México), las diferencias entre los síntomas generados por una u otra son confusas. Estos consisten en la aparición de manchas amarillo rojizas en cladodios de dos años de edad que tornan en escamas blanco grisáceas los años húmedos, degenerando finalmente en la pudrición del cladodio. Se combate mediante la aplicación preventiva de productos a base de cobre al final de verano e invierno (lo que implica antes de las temporadas templadas y con lluvias en la región mediterránea, por tanto), y mediante la eliminación de los cladodios infectados. Pudrición algodonosa Esta es una enfermedad presente de forma casi exclusiva en Chile. Causada por Sclerotina sclerotorium (Lib.) de Bary, los síntomas se caracterizan por la decoloración de los cladodios seguida de un ablandamiento de la cutícula. Posteriormente se produce la pudrición y el recubrimiento de los mismos por una masa algodonosa de color blanco, junto con la aparición de esclerocios negros. Si estos tocan el suelo pueden permanecer vivos en él durante años. Los cladodios afectados deben ser destruidos. Moho gris El organismo conocido como Sclerotina fuckeliana (de Bary) Fuck (= Botryotinia fuckeliana (de Bary) Whetzel, f.c. Botrytis cinera Pers.) es el responsable del desarrollo de esta enfermedad sobre los frutos cosechados. La enfermedad se manifiesta mediante manchas grises (o verde grisáceas) que encubren una pudrición interna. Este hongo penetra a través de las heridas, inevitables debido a las perforaciones que producen los gloquidios durante la recogida y limpieza de los frutos. Cuando estos se cosechan con parte del cladodio se reduce en cierta medida la facilidad de proliferación del moho. Otros hongos patógenos Existen muchos otros agentes fúngicos capaces de generar enfermedades en la chumbera. Los más importantes son los siguientes: Colletotricum spp. Causa antracnosis de cladodios y frutos. Se le combate con Captan y sales de cobre. 100 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Capnodium spp. Causa la fumagina, principalmente en zonas con elevada humedad y temperatura. No penetra en el tejido, pero cubre los cladodios con una película de hollín que dificulta la fotosíntesis. Macrophomina spp. Es el causante de la pudrición negra, una enfermedad frecuente y muy severa en México. Se caracteriza por la aparición de manchas cloróticas en el exterior y oscuras en el interior, que posteriormente se rajan debido a la pudrición. Se le combate mediante la aplicación de Benlate, Captán, o Zineb. Cercospora spp. Es la causa del 94% de las infecciones patógenas en Perú. Se caracteriza por la aparición de heridas circulares necróticas (1 – 1,5 cm) que reducen la capacidad fotosintética de las plantas (y la superficie para el cultivo de cochinilla). Aecidium spp. Es el agente causante de una roya que afecta principalmente a las variedades amarillas sin semilla en Perú. Esta enfermedad se manifiesta mediante unas manchas cloróticas en cladodios y frutos que evolucionan hacia pústulas anaranjadas en su centro, deforman el órgano infectado, evitan la maduración de la zona, y pueden degenerar en la pudrición del fruto. Microdochium lunatum. Es un agente patógeno sobre Opuntia spp. en Argentina, Sudáfrica, Australia, y España. Causa manchas necróticas que se desprenden dejando una herida abierta, y en determinadas circunstancias pueden causar la podredumbre completa del cladodio (Zimmermann y Granata, 2002). Phoma spp,, Cytospora spp., Gleosporium spp., Mycospherella sp., y Pleospora herbarum sp, son organismos que también producen manchas necróticas en los cladodios, generalmente de poca severidad, y cuya taxonomía requiere un mayor estudio. Aureobasidium pullulans y Fusarium proliferatum son hongos patógenos que se desarrollan sobre algunas opuntias nativas en el continente americano (Zimmermann y Granata, 2002). Enfermedades generadas por micoplasmas Estos microorganismos causan alteraciones en el floema y, por tanto, debilitamiento y clorosis en la planta. Se trasmiten habitualmente a través de la saliva de insectos succionadores de savia, o mediante injertos. Se suelen tratar exitosamente con tetraciclinas. Enfermedades de causa desconocida Engrosamiento de cladodios Es una de las enfermedades más importantes en México. Causa debilitamiento y decoloración de los cladodios, así como el engrosamiento de los mismos. Además, las escasas flores que aparecen se desarrollan en la parte plana de la pala. Algunas variedades de chumbera han demostrado ser más resistentes que otras pero, aún así, los cladodios o plantas afectadas deben destruirse. Proliferación de flores De momento es una enfermedad exclusiva de México. Consiste en la aparición de un número excesivo de flores por toda la superficie del cladodio, que caen tempranamente, junto con una abcisión prematura de las espinas. Los cladodios jóvenes se deforman y puede existir 101 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. diferenciación de nuevos frutos en la parte superior de los ya formados. Los cladodios y plantas afectados deben eliminarse. Caspa En Chile, una enfermedad de origen desconocido e improbablemente biótico, causa manchas duras en los cladodios y, ocasionalmente, en los frutos de las chumberas. 1.3.7. Usos alimentarios y usos minoritarios de la chumbera Dentro de este epígrafe, los distintos aprovechamientos de las chumberas pueden clasificarse en dos grandes grupos. El principal estaría compuesto por todos aquellos que implican de un modo u otro la producción de alimentos, y determinan, por tanto, los sistemas de manejo anteriormente tratados. El segundo grupo, en cambio, estaría formado por aplicaciones minoritarias, pero que se encuentran en auge en la actualidad. Aprovechamiento de la chumbera para la obtención de alimentos Cladodios La explotación de la chumbera para la utilización de su cladodios se agrupa en torno a dos productos: los nopalitos y las palas. Nopalitos o nopal verdura Bajo estos nombres se denominan los cladodios jóvenes (15 - 20 cm) de diversas especies de chumbera, entre las que destacan Opuntia ficus-indica, O. robusta, y Nopalea cochenillifera. La explotación de la chumbera para la obtención de nopalitos es una actividad que, a nivel comercial, requiere (o al menos ha logrado) un elevado desarrollo en el grado de tecnificación del cultivo, tal y como se expone en el apartado dedicado al manejo del mismo. A pesar de esto, un cierto porcentaje de nopalitos en México son recolectados en nopaleras silvestres para consumo familiar, e incluso para su comercialización (esto último – por lo visto- es casi exclusivo de la zona de San Luis de Potosí (Flores – Valdez, 1999)). Gran parte de la producción de nopalitos se comercializa en fresco, habitualmente tras un proceso de desespinado, y para su consumo en crudo (en forma de zumo), asado, o en guisos (carne de res con nopalitos, nopales a la mejicana,…). También se pueden encontrar en el mercado congelados, en conserva (encurtidos) y en productos elaborados (mermeladas, zumos, siropes, comidas preparadas, salsas, patés vegetales, gominolas,…). En ocasiones se utiliza seco y molido sustituyendo parcialmente a la harina de cereal en tortillas, pan, galletas, y pastas alimenticias. Por último, su mucílago se utiliza como ingrediente adicional en siropes de frutas (Valdez – Cepeda et al, 2008). La principal zona de cultivo de nopalitos destinados al comercio en México se ubica en la zona de Milpa Alta (Distrito Federal). En 2005 la superficie destinada a la producción de nopalitos en este país ocupaba unas 10.400 ha, el 72% de las cuales se hallaban en el Distrito Federal. En EE.UU se cultivaban aproximadamente 100 ha, repartidas entre Texas y California, y, de forma aún más anecdótica, se tiene conocimiento de una partida de nopalitos exportada para su comercio desde Chile a Nueva York. (Flores-Valdez et al, 1995b). 102 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. En 2007, se redactó un documento (en la actualidad retirado de Internet) bajo los auspicios del Consejo Mejicano de Nopal y Tuna (COMENTUNA), la empresa VINCO y el Consejo de Promoción de Nopal y Tuna de México, según el cual, los principales países productores de nopal en el año 2006 fueron: México (759.000 t), China (156.000 t), EE.UU (36.000 t), Corea del Sur (12.000 t) e Israel (6.000 t). El conjunto de países centro y sudamericanos produjeron, por su parte, 22.000 toneladas. A nivel mundial, el 76% del nopal se comercializó en fresco, el 20% en forma de productos procesados para el sector alimentario, y el 4% restante en forma de derivados para otros sectores (farmacéutico, cosmético,…). En el caso de China y Corea del Sur, la mayor parte de la producción se comercializó en forma de productos procesados . Pencas, palas, o paletas Estos son los distintos nombres por los que suele conocerse a los cladodios completamente desarrollados de la planta de chumbera. El principal empleo de los mismos es su utilización como forraje para el ganado y puede considerarse, en términos de superficie cultivada, como el más importante de los usos de esta planta, ya que en la actualidad existen en el mundo más de un millón de hectáreas de chumbera cultivadas con este propósito. Para dar una idea de su relevancia como recurso forrajero, Abraján (2008) expone que la superficie cultivada de “palma forrageira” en Brasil (nombre que recibe la chumbera en este país, lo que ya da una idea clara de su destino) se estima en torno a las 500.000 ha. Se trata, fundamentalmente, de cultivos de tres ecotipos de chumbera, dos de los cuales pertenecen a la especie Opuntia ficus-indica (“palma grande” y “palma redonda”), y un tercero que pertenece a Nopalea cochenillifera (“palma miúda”). En México, unas 150.000 ha cultivadas con plantas de chumbera se destinan a la producción de forraje, resultando éste, sin embargo, un número pequeño si es comparado con las más de 3.000.000 de hectáreas de terreno cubierto por nopaleras, silvestres en su mayoría, que se explotan como matorral pratense en las zonas centro y norte del país. En el caso del noroeste de África, Abraján (2008) expone que la superficie de chumbera cultivada con fines forrajeros se ubicaría en torno a 75.000 ha en Túnez, y L´Agence du Sud marroquí cifra en más de 90.000 hectáreas la superficie ocupada por chumbera para forraje en su territorio (2010). Otros países donde se cultivan cantidades significativas de chumberas como recurso forrajero son Argentina (10.000 ha según Abraján, 2008), Chile, Eritrea, Etiopía, Perú y Sudáfrica (en este último cubren una superficie de 525.000 ha según Reveles-Hernández et al, 2010). En EE.UU, donde se cultivan unas 1000 ha de chumberas forrajeras y se explotan otras 500.000 ha de silvestres (Abraján, 2008), existe un gran interés en la investigación y desarrollo de la chumbera como alimento animal - prueba de ello es la existencia de la “Asociación Profesional para el Desarrollo del Cactus” (PACD, de sus siglas en inglés) - centrado en la importancia como recurso forrajero pascícola de determinadas especies, entre las que destaca Opuntia lindheimerii. De hecho, la explotación en el sur de EE.UU (así como en algunos lugares de México) de las nopaleras silvestres no se limita a su aprovechamiento “a diente” en épocas de carestía de pasto herbáceo, sino que llega –en ocasiones- al cosechado y procesado de sus chumberas para ser empleadas en explotaciones lecheras intensivas. Desde un punto de vista medioambiental, el uso como recurso forrajero de las nopaleras silvestres en México ha llegado, en algunas zonas, a un nivel que puede ser considerado de sobrepastoreo, poniendo en serio peligro la supervivencia de las mismas (Mondragón y Pérez-González, 2001a). 103 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Frutos Higos chumbos, chumbos, o tunas Estos son los nombres que reciben los frutos dulces y carnosos de algunas especies de chumbera, entre las que destacan Opuntia ficus-indica, O. amyclea, O. streptacantha, O. megacantha, y O. robusta. La explotación de la chumbera por sus frutos es, probablemente, la que mayor dispersión ha logrado a nivel mundial. Según un Informe del Mercado Mundial de la Tuna en 1995 (Flores Valdez et al 1995a), la producción de higos chumbos era una actividad que se llevaba a cabo en Argelia, Argentina, Bolivia, Chile, Colombia, Egipto, España, EE.UU, Grecia, Israel, Italia, Jordania, Libia, Marruecos, México, Pakistán, Perú, Portugal, Sudáfrica y Túnez, aunque sólo concurrían al mercado internacional los productos de seis de estos países: México (dónde se cultivaban unas 50.000 ha), Italia (2.500 ha de huertos especializados y 25.000 ha de plantaciones de propósito múltiple, según Mondragón y Pérez-González (2001a)), Sudáfrica (1.500 ha), Chile (1.000 ha), Israel (300 ha), y EE.UU (200 ha). El informe de la empresa VINCO anteriormente citado expone que en el año 2000 la producción mundial fue de 973.400 t, de las cuales el 44% fueron cosechadas en México (con 70.000 ha de superficie cultivada), el 18% en Túnez (unas 500.000 ha cultivadas en total – incluyendo las destinadas a forraje – según Mondragón y Chessa, 2010), el 7,7% en Argelia, el 6,6% en Italia (3.000 ha especializadas), y el 3% en Sudáfrica (1.500 ha). Según sus estimaciones, el crecimiento a nivel mundial en el periodo 2000-2006 fue del 0,5% anual, lo que supondría una producción para este último año de 997.735 t (VINCO, 2007). La gran mayoría de los higos chumbos proceden de plantaciones de multitud de variedades comerciales de las especies Opuntia ficus-indica y O. amyclea, siendo el uso de las otras especies casi exclusivo de México (O. streptacantha se cultiva también en Bolivia según Barbera (1999)). La mayor parte de la producción se destina al mercado del producto en fresco, una vez eliminados los gloquidios. También pueden encontrarse productos procesados, como mermeladas o zumos. Asimismo, existen diversos productos tradicionales elaborados a partir de los higos chumbos y escasamente comercializados. Entre ellos destacan el colonche, la melcocha, y el queso de tuna. El colonche es una bebida alcohólica elaborada a partir de los frutos de distintas opuntias, destacando entre ellas O. streptacantha. La melcocha es una jalea obtenida mediante la cocción de higos chumbos, que -si espesa la suficiente- alcanza la textura necesaria para ser considerada queso de tuna. Estos tres productos se elaboran en América, principalmente en México. En Europa, zonas con cierta tradición en el cultivo de la chumbera, como las existentes en España e Italia, también cuentan entre sus productos gastronómicos con dulces elaborados a base de higos chumbos. Como usos minoritarios - pero reseñables- del chumbo, pueden citarse la utilización del fruto de Opuntia lindheimerii en la elaboración de una de las múltiples recetas de sangrita (refresco que se toma en compañía del tequila) o el empleo de los higos de O. ficus – indica para aromatizar un licor comercializado en España (Licores Artesanales Gómez, 1999). 104 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Xoconostles, joconostles, o tunas agrias Estos son los nombres más comunes por los que se conoce al fruto ácido de algunas especies de plantas del género Opuntia. El xoconostle, como producto hortícola, se obtiene de las especies Opuntia joconostle y Opuntia matudae. Los frutos de estas plantas son, generalmente, de menor tamaño que los higos chumbos y se emplean en la elaboración de diversos platos mexicanos, así como en zumos, refrescos, y licores (Gallegos – Vázquez et al, 2010). El fruto de la Opuntia leucotricha (duraznillo) puede considerarse también un tipo de xoconostle y se utiliza con fines medicinales. Al mismo tiempo, xoconostle es también el nombre que recibe el fruto de una cylindropuntia; la Opuntia imbricata. Obtención de miel Tal y como se expuso en el apartado correspondiente a la descripción del cultivo, en muchas de las especies de chumbera puede producirse polinización melitófila. Esto las convierte en plantas adecuadas para la producción de miel. De este uso minoritario se tiene conocimiento, al menos, en la provincia de Almería (España). Usos alternativos de la chumbera Producción de grana de cochinilla La cochinilla Dactylopius coccus Costa es una plaga de diversas especies de chumbera, entre las que destaca O. ficus-indica. Las hembras adultas de este insecto contienen un alto porcentaje de ácido carmínico, compuesto que se utiliza, transformado en colorante, en las industrias cosmética, farmacéutica, y alimentaria (colorante E-120), y en el teñido de tejidos. A pesar de la gran importancia histórica de este producto, a finales de los años 90 se producían en el mundo en torno a 500 t año-1 de cochinilla (Flores – Flores y Tekelenburg, 1999), siendo los principales (y probablemente únicos) países productores: Bolivia, Chile, Colombia, España, México y Perú. En la actualidad, sin embargo, existe un renovado interés por la producción de grana de cochinilla, como promotor del desarrollo rural, y basado en sus propiedades hipoalergénicas frente a determinados colorantes sintéticos. La superficie mundial de cultivo de chumbera empleado en la producción de cochinilla se puede estimar en unas 81.000 ha, de acuerdo con Chavez – Moreno (2010), repartidas conforme a la siguiente distribución: 10 ha en México, 50 ha en Argentina, 100 ha en Sudáfrica, 300 ha en España, 500 ha en Chile, 10.000 ha en Bolivia, y 70.000 ha en Perú. La producción en este último país se estima en unas 500 t año-1, según la misma autora. Una interesante recopilación de artículos sobre la producción de grana de cochinilla se recoge en la publicación “Cactusnet Newsletter”, editada por Nefzaoui. (Volumen 7, año 2002). 105 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Aplicaciones medicinales Diversas especies del género Opuntia han sido utilizadas como plantas curativas en la medicina tradicional, tanto americana como europea y asiática (Nefzaoui et al, 2008). Entre las afecciones que se tratan con remedios caseros obtenidos a partir de los cladodios y frutos de estas plantas se encuentran la diabetes, la hipercolesterolemia, la obesidad, la veisalgia, la arteriosclerosis, la colitis, y la hipertrofia prostática benigna (Rodríguez-Fragoso et al, 2008). En la actualidad, y en consonancia con lo anterior, las líneas de investigación relacionadas con las aplicaciones medicinales de la chumbera se agrupan en torno a los siguientes puntos. 1. Contenido en compuestos bioactivos antioxidantes: Los frutos de diversas plantas del género Opuntia son ricos en compuestos fenólicos (entre ellos flavonoides y betalaínas) así como en otros compuestos antioxidantes, por ejemplo el biothiol. Esto implica una cierta capacidad anticancerígena, según han comprobado Chávez-Santoscoy et al (2009) y Zou (2008). 2. Contenido en compuestos con propiedades antiurticantes y antiulcerantes: Algunos de los polisacáridos de alto peso molecular contenidos en los cladodios de O. ficus-indica podrían tener la capacidad de facilitar la curación de heridas, de acuerdo con Trombetta et al (2006). 3. Posibles aplicaciones en su uso contra la veisalgia: La chumbera ha demostrado ser útil para mitigar algunos de los síntomas de la veisalgia, inhibiendo la producción de compuestos antiinflamatorios, y también gracias a su actividad antioxidante. 4. Posibles aplicaciones en su uso contra la hiperglucemia: La ingesta de cladodios de chumbera podría actuar contra la hiperglucemia gracias a diversos mecanismos simultáneos, tal y como se expone en los estudios recopilados por Rodríguez-Fragoso et al (2008). 5. Posibles aplicaciones en su uso contra la hipercolesterolemia: Las pectinas de la chumbera podrían actuar sobre el metabolismo hepático del colesterol de forma beneficiosa para la salud, según Shapiro y Gong (2002, cit. en: Rodríguez-Fragoso et al (2008)). 6. Posibles aplicaciones antivirales: Es posible que el extracto de cladodios de O. streptacantha tenga cierta capacidad virucida basada en la acción de una proteína localizada en el tejido externo no cuticular de las palas (Nefzaoui et al, 2008). Otras aplicaciones de los cladodios de chumbera frente a enfermedades, sobre las que también se han obtenido resultados científicos positivos, han sido los tratamientos de la arteriosclerosis y la hipertrofia prostática benigna. Es conveniente añadir, sin embargo, que en este último caso ciertos remedios tradicionales, que utilizan las flores de la planta, podrían agravar algunos de los síntomas según Palevitch et al (1994, cit. en: Rodríguez-Fragoso et al (2008)). Una interesante y extensa recopilación sobre las aplicaciones medicinales de las chumberas se recoge en el volumen 11 (enero de 2008) de la publicación “Cactusnet Newsletter”, editado por Nazareno y Nefzaoui. 106 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Aplicaciones cosméticas Basándose en sus propiedades antiurticantes e hidratantes se han comercializado diversos productos cosméticos elaborados a partir de cladodios de chumbera como, por ejemplo, jabones, geles, y cremas (Sáenz y Arias, 2006, Nefzaoui et al, 2008). Aplicaciones contra la degradación edáfica y otros usos agronómicos Debido a su gran rusticidad y escasos requerimientos edáficos, las chumberas han sido utilizadas en proyectos de recuperación de tierras degradadas con el objetivo de limitar el grado de erosión del suelo. Los mecanismos implicados en este proceso tienen que ver con la sujeción física de las partículas del mismo mediante el extenso sistema radicular, así como con el incremento de su materia orgánica, derivado de la descomposición de las raíces adventicias de la planta (L´Houerou, 1996). Por otra parte, las chumberas se han utilizado como cortavientos, y también se ha propuesto el empleo de sus cladodios como abono verde (Inglese et al, 1995) Otras aplicaciones del mucílago de chumbera. 1. En la construcción: El mucílago de la chumbera se ha empleado con éxito como aditivo en el mortero de cal, prolongando la vida útil de los encalados y para su uso en construcciones de piedra (Ventolà et al, (2011), Chandra et al (1998)). Al mismo tiempo, podría resultar un útil antioxidante sobre materiales férricos (Hammouch et al, 2008). 2. Como floculante: Las propiedades floculantes del mucílago motivan su uso ocasional, en comunidades rurales de México, como parte del proceso de potabilización de aguas. 3. Como recubrimiento de alimentos: Sus propiedades lo convierten en un material prometedor para tal fin, según Abraján (2008). Otras aplicaciones del fruto En la actualidad existe un gran interés por el conocimiento y la explotación comercial, como colorantes, de los pigmentos contenidos en los frutos de la chumbera, especialmente de aquellas variedades granates, ricas en betalaínas (Sáenz – Hernández 1999, Moßhammer et al 2006). 1.3.8. Usos energéticos de la chumbera. De forma tradicional, los cladodios lignificados de la chumbera se han utilizado como combustible sólido de emergencia, y esta práctica aun se lleva a cabo en zonas rurales de África. A pesar de ello, esta orientación productiva no parece la más prometedora en el ámbito energético. Una planta de chumbera tarda muchos años en poseer un número importante de cladodios lignificados, y, para cuando esto ocurre, suele haberse desarrollado por encima de ellos una gran cantidad de biomasa con un elevado porcentaje de agua, poco adecuada para su uso como biocombustible sólido. Además, comoquiera que los cladodios lignificados se ubican en los primeros estratos, su cosecha supone la muerte de la planta, o – en el mejor de los casos- la posibilidad de reducir la plantación a un grupo de cladodios basales o de primer estrato, altamente lignificados, cuyos sucesivos rebrotes tienden a ser cada vez más débiles, 107 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. según se ha observado en experiencias llevadas a cabo por el Grupo de Agroenergética de la UPM. Al margen de este uso minoritario, la investigación y aplicaciones de la biomasa de chumbera como materia prima para la generación de energía se han centrado en la obtención de bioetanol y biogás. Bioetanol Tal y como se expuso en el capítulo dedicado a la composición química de la planta, los cladodios de chumbera poseen un contenido en hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa que podría oscilar, aproximadamente, entre una cuarta parte y la mitad de su peso seco. Sus frutos, por otra parte, poseen un contenido en azúcares aún mayor, entre el 6 y el 15 % de su peso en fresco, según diversos autores (Tabla 1.21). Esto convierte a la biomasa de chumbera en una interesante materia prima para la producción de bioetanol. La primera noticia documentada de la que disponemos acerca de la obtención de alcohol a partir de higos chumbos data de 1805, fecha en la cual De Rojas Clemente relata que en el municipio de Lubrín (Almería) se produce aguardiente de este fruto, y que “30 arrobas de chumbos [unos 345 kg] dieron 5 arrobas de mosto [unos 57,5 kg] y media de aguardiente [unos 5,75 kg]” (De Rojas Clemente, 2002). Al margen de estas experiencias anecdóticas de carácter local, la obtención de etanol a escala industrial a partir de frutos de chumbera, se remonta, por lo menos, al año 1865. Según Casas y Barbera (2002) en ese año, una planta ubicada en Catania (Italia) producía 2.500 litros de etanol diarios a partir de higos chumbos. En los años 40 del siglo XX, y en este mismo país, la idea se reconsideró de cara a garantizar una cierta autosuficiencia en materia energética. En la siguiente década, y en España, se promovió el cultivo de chumberas en la provincia de Almería con el objetivo de obtener diversos productos, entre ellos, etanol (Mendizábal, 1952). Ninguna de estas experiencias, hasta donde sabemos, mantiene hoy en día su actividad. Desde el punto de vista de la investigación, en 1923, Fowler y Gopalakrishnamurti, estudiaron este proceso en el contexto de un posible aprovechamiento de chumberas espinosas (probablemente pertenecientes a la especie Opuntia dillenii), que abaratara los costes de su eliminación en la India. Los primeros resultados obtenidos no resultan exitosos, debido – según los autores – a la textura y a la dificultad de clarificación del zumo del fruto (sin que se especifique más al respecto de estas experiencias). No obstante, se recogen (en un pie de página del mismo estudio) los resultados obtenidos más tarde por Gopalakrishnamurti con frutos de chumbera procedentes de otra zona de estudio (y de una especie sin definir). En ellos se habla de fermentaciones exitosas (con rendimientos cercanos al teórico) empleando levaduras presentes en el propio fruto, así como procedentes de la flor de mahua (Madhuca longifolia (L.) Macbr. (Bassia longifolia L.)). Estos frutos contenían, según el autor, menos mucílago que los anteriores. Tras este trabajo, y hasta la década de los 80, se extiende un periodo durante el cual apenas aparecen publicaciones al respecto, y las que lo hacen logran muy poca difusión (como la tesis publicada por Ayala en 1932 acerca de la aplicación en la industria alcoholera de la tuna cardona). En 1981 aparece un nuevo artículo sobre la fermentación alcohólica de chumbos de Opuntia ficus – indica, centrado en su aspecto enológico (Bustos, 1981), y en la primera mitad de esta década, el Grupo de Agroenergética de la UPM comienza sus investigaciones en torno 108 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. al potencial de la chumbera como materia prima para la producción de bioetanol. Fruto de las mismas, aparecerá la publicación del artículo “Ethanol Production by Fermentation of Fruits and Cladodes of Prickly Pear Cactus (Opuntia ficus – indica (L.) Miller)” (Retamal et al 1987) cuyos resultados muestran la obtención de elevados porcentajes de conversión de azúcares en alcohol y exponen la posibilidad de obtener fermentados con una concentración de en torno al 5% de etanol, lo que supone un rendimiento de 48 litros por tonelada de frutos. Estas experiencias se llevaron a cabo empleando diversas variedades de Saccharomyces cerevisiae, y sin ninguna clase de hidrólisis previa del material. Tras estos trabajos se vuelve a abrir un paréntesis histórico, en el cual no aparecen trabajos relacionados con esta materia, que se cerrará en el año 2000 con la publicación de un estudio de Lee et al sobre la fermentación de frutos de O. ficus - indica, orientado, una vez más, hacia la producción enológica. La misma orientación tendrán los sucesivos trabajos, de Suescún (publicado en 2005 y en el cual se emplean los frutos de O. dillenii), y Arrizón et al (2006, con frutos de O. ficus - indica). Estas investigaciones vinícolas, al igual que la de Bustos, tienen como objetivo principal la producción de bebidas alcohólicas a partir de frutos que no se ajustan a los estándares del mercado en fresco. Ligeramente distinto es el enfoque de Castellar et al (2008), los cuales utilizan la fermentación como medio para extraer y concentrar betalaínas de los frutos de O. stricta, obteniendo bioetanol como subproducto. En cuanto a los cladodios se refiere, las primeras investigaciones dedicadas a la transformación de los mismos en bioetanol aparecen en el trabajo de Fowler y Gopalakrishnamurti (1923). Los resultados obtenidos no fueron muy halagüeños; tras un proceso de extracción de azúcar basado en una hidrólisis ácida con sulfúrico al 6% y bajo 30 – 60 Kpa de presión, el hidrolizado fue neutralizado, concentrado, y, finalmente, fermentado con “distillery yeast” (entendemos que Saccharomyces cerevisiae, por tanto), dando como resultado “poca o ninguna fermentación”. Los autores afirman que la glucosa solo era uno más entre los múltiples azúcares presentes en el hidrolizado, y que, tal vez, éste contuviera compuestos tóxicos para las levaduras. Se desconoce, en principio, la cantidad de ácido utilizado en la hidrólisis, a menos que los autores se refieran a la utilización de un 6% de sulfúrico concentrado en el volumen total del jugo extraído tras el triturado, hervido, y filtrado grosero del cladodio original. En cualquier caso, y especialmente en esta última situación, una hidrólisis ácida tan severa puede, efectivamente, eliminar gran parte de la glucosa originariamente presente en el extracto (libre, o procedente del almidón) y transformarla, además, en un producto tóxico para la fermentación: el 5 - hidroximetilfurfural. En este caso, el extracto obtenido por los autores podría contener, principalmente, pentosas procedentes de la hidrólisis del mucílago o la hemicelulosa, no fermentables por S. cerevisiae, por tanto. Posteriormente, el citado trabajo del Grupo de Agroenergética profundiza ampliamente en la producción de bioetanol a partir de cladodios, tanto frescos como secos, de la especie O. ficus – indica. Se emplean para ello hidrólisis ácidas y enzimáticas, tanto por separado como en combinación, y se obtienen rendimientos cercanos a 9 litros de alcohol por tonelada de materia fresca de cladodios, en el mejor de los casos (hidrólisis combinadas). Las fermentaciones se llevaron a cabo mediante la utilización de distintas variedades de S. cerevisiae, y el mejor porcentaje de conversión de azúcares fue del 68%. Lamentablemente, la concentración de alcohol en el medio fermentado resultaba muy baja (por debajo del 1%) y, en el caso de emplear únicamente la hidrólisis ácida, considerablemente más barata que la enzimática, la producción de bioetanol se reducía a algo menos de 6 litros por tonelada de materia fresca. A pesar de esto demostraba la posibilidad de emplear cladodios de chumbera como materia prima 109 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. para la obtención de este combustible, ya que, al margen del problema de la concentración de alcohol en el medio fermentado, la producción estimada podría llegar a ser considerable si se tienen en cuenta los rendimientos por hectárea susceptibles de ser alcanzados por esta planta. En la actualidad, un grupo de investigación liderado por J. Du Preez estudia, en Sudáfrica, la posible utilización de los cladodios de O. ficus – indica como materia prima lignocelulósica para la obtención de bioetanol (du Preez, 2008). Su investigación se centra en el desarrollo de levaduras que conviertan eficazmente la D-xilosa en alcohol etílico. En Bélgica, el equipo de J. Thevelein llevó a cabo, entre los años 2007 y 2009, un proyecto de investigación basado en la utilización de la biomasa de chumbera para la obtención de este biocombustible. Sus resultados, hasta donde sabemos, aún no se han publicado. A pesar de la diferencia en cuanto al rendimiento por tonelada de materia fresca se refiere, el empleo de los chumbos como materia prima para la obtención de energía resulta menos prometedor que el uso de los cladodios, por diferentes motivos: En primer lugar, los frutos – hoy por hoy – deben cosecharse a mano debido a su irregular ubicación espacial en la planta. Esto implica un elevado coste en mano de obra. En plantaciones adecuadamente planificadas podría lograrse una cosecha mecanizada de frutos, pero incluyendo –inevitablemente – un elevado porcentaje de biomasa de cladodios en el material cosechado. En un posterior proceso industrial que no incluyera hidrólisis ácida (ya que los frutos no la necesitan) esa biomasa de cladodios apenas aportaría azúcares y reduciría la concentración de etanol en el fermentado final. Por otra parte, en plantaciones manejadas de modo intensivo, la producción de biomasa de cladodios por hectárea supera en tal magnitud el potencial de producción de frutos, que compensa su menor contenido en azúcar. Si se considera un rendimiento de 40 t MS ha-1 año-1 de cladodios (véase Tabla 1.25) con un 30% de hidratos de carbono fácilmente hidrolizables, esto supone un rendimiento de 12 t de hidratos de carbono por hectárea. En cambio, considerando 30 t MF ha-1 año-1 de frutos (Barrientos, 1981) con un 11% de azúcares fermentables, el rendimiento en hidratos de carbono desciende a 3,3 t ha-1, aunque estos serán, mayoritariamente, azúcares. Si, por el contrario, se contempla el cultivo de la chumbera como una opción rústica, es decir, como una alternativa a cultivos más exigentes, nos encontraremos con que la chumbera – al igual que ocurre con otras especies – necesita que las condiciones ambientales para su reproducción sean mejores que las meramente imprescindibles para su crecimiento vegetativo. Esto implica que en condiciones subóptimas (secanos semiáridos con suelos poco fértiles, por ejemplo) la probabilidad de obtener abundantes cosechas de cladodios es bastante mayor que la de obtener una gran producción de frutos. Por último, en caso de contemplarse la opción de obtener etanol de segunda generación a partir de la fracción lignocelulósica de la biomasa, el aporte de fibra de los cladodios sería significativamente mayor. Biogás Debido a su composición química, los cladodios de chumbera poseen un elevado potencial de producción de biogás, el cual puede estimarse empleando, por una parte, el valor medio de cada uno de los compuestos metanizables presentes en los cladodios (tablas 1.8 – 1.13), y, por 110 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. otra, los valores de potencial de producción de cada compuesto propuestos por García de Cortázar y Varnero en 1999 (véase apartado 1.2.1). Este potencial se muestra en la Tabla 1.28. Tabla 1.28. Potencial de producción de biogás a partir de cladodios de chumbera. Componente Contenido (%, smo1) Hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa 50,4 Celulosa Hemicelulosa Proteína bruta Fracción lipídica 18,4 15,9 7,2 3,0 1 Producción teórica de biogás (L kg-1) Producción de biogás (L kg SV-1) 378 750 980 1440 138 120 71 43 749 smo = sobre materia orgánica Al igual que ocurre en el caso del bioetanol, aunque de forma menos definida, las primeras experiencias de producción de biogás de chumbera aparecen recogidas en el trabajo de Fowler y Gopalakrishnamurti (1923). En él se exponen las experiencias llevadas a cabo en torno a la fermentación anaeróbica de cladodios de chumbera, tanto solos, como mezclados con una pequeña cantidad de lodos de fosa séptica. En el primer caso se constata la aparición de H2, CO2, y trazas de CH4 en las primeras 48 horas de duración de la experiencia, mientras que, en el segundo, los autores observan una “rápida” desaparición del mucílago, quedando sólo un líquido claro con las espinas y la fibra del cladodio. Los gases obtenidos son los mismos, con una clara predominancia del CO2 sobre el H2 conforme avanza el tiempo. Los autores suponen que esto se debe a la fermentación del oxalato cálcico y de los ácidos procedentes de la descomposición del mucílago. En una tercera fermentación, llevada a cabo con el mismo inóculo pero en condiciones de aireación, el pH de la muestra se acidifica progresivamente, tornando posteriormente hacia la neutralidad. Esta misma acidificación ocurriría previsiblemente en la experiencia anterior, y es – probablemente- la responsable de que la proporción de CH4 en el gas producido sea tan pequeña. Posteriormente, en el año 1952, y en el contexto de la creación de nuevas plantaciones de chumbera en la provincia de Almería, Mendizábal sugiere evaluar la utilización de los cladodios de chumbera para la producción de biogás. Para evitar el problema de la acidificación excesiva de los digestores propone un sistema de dos etapas compuesto por una primera fase de hidrólisis y una segunda de metanización. Este sistema es, en esencia, el germen del actual método de fermentación anaeróbica en etapas sucesivas, pero Mendizábal y su equipo proponen la eliminación completa de los azúcares solubles y del almidón por vía aeróbica, (y su transformación total en CO2, en lugar de en ácidos orgánicos, CO2, y H2) lo que supone la desaparición de la mayoría de los compuestos capaces de contribuir a la producción de CH4 en tiempos de retención hidráulica relativamente cortos. Esto implica que sólo la celulosa, y –tal vez- las hemicelulosas más recalcitrantes, serían realmente metanizadas. Este sistema supone el desperdicio de gran parte de la biomasa, así como la necesidad de emplear tiempos de retención acordes con la tasa de degradación de la celulosa, que resulta ser muy lenta. 111 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tras esto, no es hasta la década de los 80 cuando renace el interés por las experiencias encaminadas a investigar las posibilidades de la utilización de cladodios de chumbera como materia prima para la obtención de biogás. Éstas se llevan a cabo, fundamentalmente, en Chile. Como resultado de sus investigaciones, Contreras y Toha publicaron en 1984 el artículo “Biogás Production from a Suspension of Homogenized Cladodes of the cactus Opuntia cacti”en el que se exponen los resultados obtenidos al fermentar cladodios de chumbera en distintas condiciones experimentales, lo que condujo a la producción de hidrógeno y metano. Los rendimientos obtenidos en las fermentaciones en las que se produjo hidrógeno fueron de aproximadamente 50 ml de H2 por cada gramo de materia seca (formando parte de un gas compuesto por alrededor del 17% de H2) en las siguientes condiciones: 35-40ºC, pH=6, y tiempo de retención máximo de 70 horas. En el caso de la fermentación metanogénica, llevaron a cabo ensayos sobre la digestión anaeróbica de distintas fracciones del cladodio de chumbera (médula, piel, y cladodio completo) empleadas como cosustrato de lodos digeridos, en proporción 1: 4 (chumbera: lodos, en volumen). Los procesos de digestión se llevaron a cabo mediante el sistema discontinuo, a una temperatura de 35ºC, un pH = 6, y durante un tiempo total de 26 días. Los resultados obtenidos (una vez restado el biogás producido por los lodos en un ensayo adicional de control) fueron de, aproximadamente, 525, 400, y 480 L biogás kg ST-1 para las correspondientes fracciones citadas. No se especifican las condiciones (presión, temperatura) del gas, pero si que su contenido en metano era del 60%. La eliminación de sólidos totales, por su parte, alcanzó el 90% del contenido inicial. Posteriormente, en 1990, Uribe, Varnero, et al recogieron los resultados de sus investigaciones respecto a la codigestión de cladodios de chumbera con residuos ganaderos en las publicaciones “Biomasa de la Tuna (Opuntia ficus-indica L. Mill.) como acelerador de la digestión anaeróbica de guano de bovino” y “Factibilidad de una biodigestión anaeróbica con mezclas de guano de caprino y cladodios de tuna (Opuntia ficus-indica L. Mill)”, obteniendo como conclusión general la mejora de distintos parámetros del proceso al sustituir parte de los residuos ganaderos por biomasa de chumbera. En el primero de estos trabajos se llevó a cabo una experiencia de codigestión de cladodios de chumbera y estiércol de vacuno en distintas proporciones. Las mezclas emplearon porcentajes de 0, 25, 50, 75, y 100% de chumbera (en peso seco), y los resultados obtenidos, para una carga total de 28 g ST L-1 y una temperatura de 30ºC, se recogen en la Tabla 1.29. Tabla. 1.29. Resultados obtenidos por Uribe et al (1990) en la digestión anaeróbica de cladodios de chumbera Porcentaje de chumbera en el sustrato (%) Tiempo transcurrido hasta el cese de producción de biogás (d)(1) pH 0 25 50 75 100 38 32 29 21 15 7,5 7,4 6,7 6,1 5,3 (1) Sólidos Biogás Rendimiento totales producido (L biogás kg introducidos (ml) ST-1) (g) 1800 1700(1) 1500(1) 2200 836 Datos estimados a partir de las figuras presentes en la publicación citada 112 28 28 28 28 28 64 61 54 79 30 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Los pHs de las mezclas no fueron corregidos, por lo que la digestión de chumbera como monosustrato se llevó a cabo a un pH muy por debajo del valor óptimo de este parámetro, lo que se tradujo en porcentajes de metano en el biogás cercanos al 40%. El mero hecho de que se obtuviera metano a este pH es, en si mismo, interesante, ya que suele admitirse de forma común que en valores de pH inferiores a 6 la metanización difícilmente puede producirse. En cualquier caso, esto podría estar directamente relacionado con el comparativamente escaso rendimiento de la mezcla (en un contexto donde los rendimientos podrían considerarse, en su conjunto, como muy bajos). El porcentaje de metano del biogás en el resto de los ensayos osciló en torno al 65%, y es destacable, una vez más, que esto ocurra incluso a pHs tan bajos como 6,1, circunstancia en la que –además- se obtiene el rendimiento más elevado de biogás (mezcla con 75 % de chumbera). Las conclusiones de estos trabajos quedaron recogidas más tarde en las monografías de la FAO “Agroecología, cultivo y usos del nopal” (García de Cortázar y Varnero, 1999) y “Utilización agroindustrial del nopal” (Sáenz y Arias, 2006). Más tarde, en el año 2006, aparece el trabajo de Obach y Lemus referente a la digestión anaeróbica de cladodios mediante un sistema semicontinuo de alimentación de sustrato. Tras el arranque de la fermentación con una mezcla inicial formada por cladodios de chumbera e inóculo procedente de un digestor que operaba con residuos de la industria de la levadura, el reactor fue alimentado exclusivamente con cladodios de chumbera. La carga orgánica empleada fue de 0,84 g SV L-1 día-1 Este experimento se llevó a cabo a temperaturas entre 30 y 40 ºC, y con un tiempo de retención hidráulica de 69 días, el cual probablemente sea suficiente, de acuerdo con las experiencias de Arce (1986), para lograr la metanización de la celulosa contenida en el sustrato. Obach y Lemus emplearon bicarbonato de sodio para regular la relación AGV/ALC durante el proceso, manteniendo el valor de la alcalinidad en torno a los 12.200 mg CaCO3 L-1, y el del pH entre 7,5 y 8,5. En estas circunstancias obtuvieron un rendimiento de 861 L biogás kg SV-1 (con un porcentaje medio de metano del 58,2 %), lo que implica la completa digestión de prácticamente todos los componentes orgánicos de la biomasa empleada. En el ámbito científico-académico, los trabajos de investigación “Tratamiento anaerobio de residuos agrarios” y “Optimización de la digestión anaerobia de cladodios de tuna mediante la codigestión con residuos de gallinas ponedoras” fueron presentados en 2009 para obtener el título de Ingeniero Agrónomo por Ramos y Picazo, respectivamente. En ellos se estudia la codigestión de residuos avícolas con cladodios de chumbera y se demuestra su viabilidad como sustrato para la producción de biogás, a partir de experiencias llevadas a cabo en la Universidad Politécnica de Madrid y en la Universidad Técnica Federico Santamaría (Valparaíso, Chile). Ramos (2009), cuyo trabajo experimental versa sobre la codigestión anaeróbica de cladodios de chumbera y cama de pollos de engorde, obtuvo rendimientos de 192 y 126 L CH4 kg SV-1 para mezclas con proporciones chumbera: residuo de 5:1 y 1:1, respectivamente. Las experiencias se llevaron a cabo mediante el sistema discontinuo, a una temperatura de 37ºC, y requirieron de 35 días (mezcla 5:1) y 27 días (mezcla 1:1) para su finalización. Estos rendimientos se obtuvieron a partir de unas cargas orgánicas equivalentes de 0,17 y 0,43 g SV L-1 día-1. Picazo (2009), cuyo trabajo partía de un planteamiento muy similar al anterior, pero en el cual el cosustrato de la chumbera era gallinaza de ponedoras, obtuvo rendimientos mayores, en 113 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. concreto 212 (mezcla 5:1) y 325 (mezcla 1:1) litros de metano por cada kilogramo de sólidos volátiles en suspensión introducidos en los digestores. La duración total de los experimentos llevados a cabo fue de 34 días. Por otra parte, en la Universidad de Hohenheim (Alemania) y en el año 2008, un trabajo no experimental llevado a cabo por Tarrisse denominado “Natural gas consumption of Turkey and the strategic use of drought tolerant energy crops for biogás production”pone de manifiesto las posibilidades de la producción de biogás a partir de chumbera para sustituir un elevado porcentaje del gas natural consumido en Turquía. Tarrisse expondrá más tarde, en una entrevista publicada por BIOPACT (2008), que dos millones de hectáreas de tierras agrícolas marginales y de baja productividad en Turquía podrían ser empleadas en el cultivo de la chumbera con fines energéticos y ser el sostén de una industria con un valor económico superior a los 3000 millones de euros, gracias a la que se podrían crear entre doscientos y trescientos mil puestos de trabajo. A medio camino entre las experiencias sobre producción de biogás de chumbera que pueden describirse como de investigación y las empresariales, pueden ubicarse las experiencias piloto. Un ejemplo de las mismas es el proyecto que se lleva a cabo en la provincia chilena de Chañaral, donde la que la Fundación Chile a través del proyecto “Plataforma Solar Atacama” está ejecutando la plantación de 20 ha de chumbera para la producción de biogás en una planta piloto que incluirá desde la fermentación hasta la generación de energía eléctrica (El Diario de Atacama, 2009). Por otra parte, entre los proyectos enmarcados dentro del Fondo de Protección Ambiental (FPA) chileno, el Comité de Adelanto Quitallaco presentó en 2009 una propuesta de “…generación y utilización de biogás a través del proceso de fermentación de cladodios de Opuntia ficus-indica mediante un biodigestor”. El proyecto cuenta con una superficie de chumbera de 12 ha. y un presupuesto de aproximadamente 11,5 millones de pesos chilenos (algo más 14.500 euros). En el ámbito estrictamente empresarial, y según datos disponibles en el año 2008, la empresa Coenergy estaba desarrollando un proyecto que supondría una inversión de 40 millones de dólares estadounidenses (unos 27,2 millones de euros) para producir metano a partir de una plantación de 2.000 hectáreas de chumbera, con una capacidad de generación de unos 15 MW, en Coquimbo, Chile (Neuenschwander, 2008). Por otra parte, la empresa Schwager Energy estaba trabajando en un proyecto similar, con un presupuesto de 70 millones de dólares estadounidenses (unos 47,7 millones de euros) para producir metano a partir de una superficie de cultivo de chumbera de 1.500 ha en las provincias chilenas de Concón, Limache, Quintero y Puchuncaví (Neuenschwander, 2008). En el momento en el que se está escribiendo este trabajo, un consorcio formado por varias empresas y organismos de investigación, y liderado por el Dr. Alexis Vega, de la Universidad Mayor de Chile, está iniciando el desarrollo de un proyecto sobre el cultivo de la chumbera con fines agroenergéticos (entre los que se incluye, primordialmente, la producción de biogás). 1.3.9. La chumbera como especie alóctona. Recientemente se ha publicado en España el Real Decreto 1628/2011, de 14 de noviembre, en el cual se determinan cuáles son aquellas especies animales y vegetales exóticas consideradas como invasoras y las medidas legales que deben tomarse para evitar su propagación en el 114 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. medio natural. Los autores del documento han tenido a bien considerar a la especie Opuntia maxima Miller. dentro del denominado Catálogo español de especies exóticas invasoras, y a la especie O. ficus-indica (L.) Miller en el Listado de especies exóticas con potencial invasor. Ambas son, probablemente, la misma especie en realidad, tal y como se expone en el apartado 1.3.1. En este último listado se incluye a la, también interesante desde el punto de vista agronómico, O. robusta H. Wendland ex Pfeiffer, aunque sólo para el territorio de las Islas Canarias. La chumbera, como el trigo, el maíz, o la patata, es un planta alóctona, cuya explotación en España se remonta, al menos, al siglo XVII (Fernández Rubio y Martínez Ortuño, 1983). Su consideración como cultivo está avalada por su presencia en el Anuario de Estadística Agraria desde el año 1930 (en el cual se incorporan el conjunto de los cultivos frutales a dicha publicación), y en la actualidad (MARM, 2011) se ubica en el apartado 13.9 Frutales no cítricos, subapartado 13.9.19. Chumbera. En el año 2009 el cultivo para producción de fruta ocupaba 359 ha, a las que habría que añadir la existencia de 198.227 árboles diseminados censados. Las limitaciones al desarrollo y expansión del cultivo de chumbera impuestas por la nueva legislación parecen contradictorias con el hecho de que el propio Ministerio de Agricultura haya publicado diversas hojas divulgadoras en las que se destaca la importancia del mismo en el secano semiárido español. Se trata de las siguientes: 15/1915 “Nueva utilidad de las chumberas” (Ministerio de Fomento, 1915), 15/1983 “El cultivo de la chumbera para la producción de higos de retallo” (Fernández Rubio y Martínez Ortuño, 1983), y 01/1990 “La chumbera como cultivo de zonas áridas” (Fernández González y Sáiz Járabo, 1990). 115 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 116 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.1. Materias primas empleadas. En las experiencias destinadas a la obtención de bioetanol y biogás se emplearon cladodios de plantas de chumbera pertenecientes a ecotipos sin espinas, probablemente de la especie Opuntia ficus – indica. En el momento de su cosecha se hallaban completamente desarrollados, no tenían frutos, y ocupaban posiciones terminales en las ramas. Los cladodios empleados en la producción de bioetanol se obtuvieron en septiembre de 2008 en una plantación de chumberas ubicada cerca de la playa de Los Genoveses, en la provincia de Almería. Para la producción de biogás se emplearon cladodios cosechados en julio de 2009 en una antigua plantación de Níjar (Almería) así como cladodios obtenidos en julio de 2010 a partir de plantas ubicadas en un erial en Móstoles (Madrid). En el presente trabajo se estudia tanto la monodigestión de cladodios de chumbera, como la codigestión de los mismos con frutos de tomate. Los tomates empleados como cosustrato pertenecían a las variedades comerciales “canario” y “de rama”, se encontraban en estado de plena madurez, y procedían de una cooperativa agrícola ubicada en Mazarrón (Murcia). Se optó por el empleo de este tipo de frutos por su abundante disponibilidad en el mercado y su similitud con los tomates de destrío excesivamente maduros, los cuales – obviamente- no llegan al mercado. 2.2. Caracterización de las materias primas. En este apartado se detallan los métodos analíticos empleados para la caracterización de las materias primas utilizadas en este trabajo Materia seca (sólidos totales a 103-105ºC) en cladodios de chumbera y frutos de tomate Para determinar este parámetro se seca una porción de la muestra (≈15 g) en una cápsula de porcelana seca, empleando para ello una estufa de aire forzado a 103 – 105ºC y hasta peso constante. La cantidad de sólidos se determina por diferencia de peso entre la cápsula con el residuo seco y la cápsula seca (adaptado de APHA-AWWA-WPCF, 1980). Materia orgánica (como sólidos volátiles a 550±50ºC) en cladodios de chumbera y frutos de tomate Para determinar este parámetro se parte del sustrato obtenido en la determinación de materia seca. Una porción del mismo se incorpora a un crisol seco y se introduce en un horno mufla a 550 ± 50ºC hasta que alcanza un peso constante. La cantidad de sólidos volátiles se determina por diferencia entre el peso conjunto del crisol y el residuo seco y el peso del crisol conteniendo las cenizas, tras salir del horno y alcanzar temperatura ambiente. Este método se adaptó de APHA-AWWA-WPCF, 1980. Este parámetro no debe confundirse con el término compuestos volátiles totales, entre los que no se incluyen los correspondientes al llamado carbono fijo (como la lignina). 117 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Azúcares reductores en cladodios de chumbera y frutos de tomate Para determinar el contenido en azúcares reductores se toma una muestra de ≈ 5 g (pesados con exactitud) de material vegetal triturado y se introduce en un matraz Erlenmeyer dotado de un sistema de reflujo, junto con 100 ml de agua destilada. Posteriormente, la mezcla se lleva a ebullición durante 30 minutos, y, tras ello, se filtra a través de un filtro de papel de laboratorio (73 g m-2) de modo que la fracción líquida quede recogida en un matraz aforado de 500 ml, el cual – una vez a temperatura ambiente –, se enrasa con agua destilada. Finalmente, una alícuota de 1 ml de esta disolución se emplea en la determinación de azúcares reductores mediante el método Nelson – Somogyi. Este procedimiento permite determinar los azúcares por espectrofotometría, previo acondicionamiento de las soluciones. Los reactivos empleados son los siguientes: - Reactivo I: Se obtiene diluyendo 36,02 g de Na2SO4 y 4,03 g de CuSO4.5H2O en 200 ml de agua destilada. - Reactvo II: Se obtiene diluyendo 144,1 g de Na2SO4, 24 g de Na2CO3 anhidro, 12,03 g de tartrato sódico potásico y 16 g de NaHCO3 en 800 ml de agua destilada. - Reacivo III: Se prepara de forma inmediatamente anterior a su empleo mezclando los reactivos I y II en proporción 1:4. - Reactivo IV: Se prepara con la mezcla de los reactivos A y B, y se deja reposar en frasco de topacio 24 horas a 37 ºC, conservándose en la oscuridad. - Reactivo A: Se obtiene diluyendo 25,05 g de (NH4)6Mo7O24.4H2O y 21 ml de H2SO4 en 450 mL de agua destilada. - Reactivo B: Se obtiene al diluir 3,02 g de Na2HAsO4.7H2O en 25 ml de agua destilada. Una vez preparados los reactivos se introducen en un tubo Folin 1 ml de la disolución y 1 ml del reactivo III. Tras la agitación del tubo, éste se tapa y se introduce en un baño de agua hirviendo durante 30 minutos. Posteriormente se enfría en un baño de hielo y se incorpora al mismo 1 ml del reactivo IV. Se agita de nuevo y se enrasa a 25 ml con agua destilada, tras lo cual se mezcla por inversión del tubo. Finalmente se determina la intensidad del color de la disolución obtenida mediante un espectrofotómetro a 640 nm. Estas operaciones se realizan simultáneamente sobre agua destilada (como blanco) y sobre disoluciones de glucosa de concentración conocida (patrones), de modo que pueda establecerse la concentración de azúcares reductores en la muestra mediante la creación de una recta de regresión. Este método ha sido adaptado de Nelson (1944) y Somogyi (1952) según refieren Arditti y Dunn (1969). Hidratos de carbono fácilmente hidrolizables en cladodios de chumbera y frutos de tomate. Para determinar el contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables se toma una muestra de ≈ 5 g (pesados con exactitud) de material vegetal triturado y se introducen en un matraz Erlenmeyer dotado de un sistema de reflujo junto con 100 ml de HCl 1M. Posteriormente, la mezcla se lleva a ebullición durante 30 minutos, y, tras ello, se filtra a través 118 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. de un filtro de papel de laboratorio (73 g m-2). A la fracción líquida obtenida se le añade una cantidad aproximada de 500 ml de agua destilada, tras lo cual se neutraliza con ayuda de NaOH 2,5 M y se traspasa a un matraz aforado de 1 L de capacidad, el cual se enrasa con agua destilada. Una alícuota de 30 ml de esta dilución se lleva posteriormente a un matraz aforado de 100 ml, el cual también se enrasa con agua destilada. Finalmente, una alícuota de 1 ml de esta última dilución se emplea en la determinación de azúcares reductores mediante el método Nelson – Somogyi, adaptado tal y como se ha expuesto anteriormente. Los hidratos de carbono fácilmente hidrolizables se expresan, por tanto, en forma de peso equivalente de azúcares reductores, tomando como referencia la glucosa. Celulosa, hemicelulosa, y lignina en cladodios de chumbera y frutos de tomate La determinación de estos compuestos se llevó a cabo con ayuda de un aparato Fibertech M6 1020 (Foss) mediante el método Van Soest (adaptado de Goering y Van Soest, 1970), y a partir de muestras secadas a 103 – 105ºC y reducidas a polvo mediante el empleo de un molino de laboratorio (IKA A10). Grasa cruda en cladodios de chumbera y frutos de tomate La determinación de este parámetro se llevó a cabo mediante el método Soxhlet conforme al siguiente procedimiento: Se toma una muestra de ≈ 2 g de material vegetal previamente secado a 103 – 105ºC hasta peso constante y reducido a polvo mediante el empleo de un molino de laboratorio (IKA A10). Se introduce la muestra en el dedal de extracción o papel filtro previamente tarado. Se pesa el conjunto y se determina el peso de la muestra (m). Paralelamente se seca el matraz de extracción a 103 – 105ºC y se anota su peso (m1) Tras ello se coloca el matraz de extracción en el sistema Soxhlet, el dedal en el tubo de extracción y se introduce el disolvente en el matraz. La extracción de la muestra se realiza durante 6 – 8 horas a una velocidad de condensación de 3 – 6 gotas s-1, y una vez terminada, el solvente se elimina mediante el empleo de un rotovapor. Finalmente se seca el matraz en estufa a 103 – 105ºC y se registra su peso (m2). El porcentaje de grasa cruda se obtiene como resultado de la fórmula: % Grasa cruda = ((m2 – m1)/m) x 100 Este método se adaptó del propuesto en los métodos oficiales de análisis de la “Asociación de las Comunidades Analíticas” (Association of Analytical Communities - AOAC, 1990). Contenido total de carbono y nitrógeno en cladodios de chumbera y frutos de tomate. La determinación del contenido total en carbono y nitrógeno se llevó a cabo mediante el empleo de un analizador elemental NA 2000 (Fison Instruments) a partir de una porción (0,1 – 0,2 g, pesada con una precisión de una centésima de miligramo) de la muestra de material vegetal, previamente secada a 103 – 105 ºC hasta peso constante y pulverizada en un molino de laboratorio (IKA A10). Proteína bruta en cladodios de chumbera y frutos de tomate Para la estimación de este parámetro se consideró que el llamado “nitrógeno Kjeldhal” contenido en las muestras - el cual estaría compuesto de forma casi exclusiva por nitrógeno 119 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. orgánico- es aproximadamente equivalente a su contenido en nitrógeno total menos su contenido en nitrógeno nítrico. La determinación de este último parámetro se llevó a cabo mediante reflectometría, empleando para ello los reactivos y aparatos del producto comercial “Reflectoquant” (Merck). Previamente, el material vegetal se trituró, se homogeneizó en agua y se filtró a vacío con ayuda de un kitasatos. La determinación de nitratos se llevó a cabo sobre la fracción líquida resultante. Este método se adaptó del empleado por Chapagain y Wiesman (2004) en frutos de tomate. Finalmente, se empleó la siguiente fórmula para estimar el contenido en proteína bruta de la muestra: Proteína bruta = (N total – N nítrico) x 6,25 Demanda química de oxígeno (DQO) en cladodios de chumbera y frutos de tomate Para llevar a cabo la determinación de este parámetro se añade agua destilada a una porción de material vegetal fresco y se tritura hasta obtener un producto homogéneo. Posteriormente, una alícuota de 20 ml de este preparado líquido (muestra) se introduce en un tubo de digestión Kjeldhal dotado de un sistema de reflujo. Tras esto se añaden 12,5 ml de dicromato potásico 0,25 M, 0,44 g de sulfato de mercurio, y 20 ml de una disolución de sulfato de plata (10 g L-1) en ácido sulfúrico (96%). Una vez colocados los sistemas de reflujo, el tubo que contiene la muestra y un blanco (elaborado empleando agua destilada en lugar de muestra) se introducen en el bloque de digestión y se mantienen en ebullición durante 2 horas. Posteriormente se enfrían a temperatura ambiente, tras lo cual se añade agua destilada hasta alcanzar un volumen de 50 ml y ocho gotas de ferroína (indicador). Finalmente se valoran con sal de Mohr tanto el blanco (que consumirá un volumen V1) como la muestra (que consumirá un volumen V2). Para determinar el factor de la sal de Mohr se introducen en un matraz Erlenmeyer 5 ml de dicromato potásico 0,25 M, 7,5 ml de ácido sulfúrico (96%), y 10 ml de agua destilada. Una vez enfriada la muestra a temperatura ambiente se añaden 8 gotas de ferroína y se valora con la sal de Mohr, anotando el volumen consumido de la misma (V3). El factor (F) se calcula conforme a la fórmula: F = 5 x 0,25/V3 Y la DQO de la muestra conforme a la fórmula: DQO (mg L-1) = (V1 – V2) x F x 8000/ Volumen de muestra (ml) Este método, adaptado de Marín Galvín (1995) y Rodier (1990), es adecuado para muestras cuya DQO sea inferior a 800 mg L-1. Si la DQO esperada se prevé superior a este valor es necesario diluir la muestra con agua destilada y aplicar los factores de dilución correspondientes al resultado obtenido tras la valoración. Poder calorífico superior (PCS) en cladodios de chumbera y frutos de tomate Este parámetro se determinó mediante el empleo de un calorímetro AC-350 (Leco Instruments) conforme a la norma UNE 164001 EX. Para ello la muestra vegetal se seca en una estufa a 103 – 105 ºC hasta que su contenido en materia seca es de, aproximadamente, 80 - 90 %. 120 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Posteriormente se pulveriza en un molino de laboratorio (IKA A10) y una porción de la misma se introduce en el calorímetro para la determinación del PCS, mientras que otra se introduce en una termobalanza para hallar su contenido en humedad. Finalmente, el valor del PCS dado por el calorímetro se rectifica a humedad cero a partir de la determinación efectuada en la termobalanza. 2.3. Caracterización de los productos obtenidos 2.3.1. Productos obtenidos en la fermentación alcohólica. Determinación de etanol en fermentados Para la determinación de etanol en fermentados, una alícuota de cada muestra se centrifuga a 7000 rpm durante 10 minutos en una microcentrífuga, tras lo cual el sobrenadante se filtra a través de un filtro de membrana con un diámetro de poro de 0,45 µm. Paralelamente se preparan patrones de concentraciones crecientes de etanol absoluto (99,9%) en disoluciones de agua ultrapura, de modo que pueda establecerse una recta de calibración. Posteriormente los patrones se inyectan en un cromatógrafo de gases (GC 8000, CE Instruments) equipado con una columna capilar DB-5 (30 m x 0,253 mm, J&W Scientific) un detector de ionización de llama (FID), y programado conforme a los siguientes parámetros. - Gas portador: Helio - Presión He: 75 KPa. - Presión H2: 60 KPa. - Presión aire: 100 KPa - Tª Inyector: 220ºC - Tª Detector: 230 ºC - Tª Horno: 40ºC durante 5 minutos. Tras ello, incremento de la temperatura hasta 160ºC con una tasa de 10ºC min-1. Finalmente, 1 minuto a 160ºC. - Caudal: 6,31 ml min-1 - Relación de split: 1/20. - Tamaño de muestra: 1 µl. - Sistema de inyección: Manual. En estas condiciones el pico correspondiente al etanol aparece en torno al minuto 2,40. Una vez creada la recta de calibración gracias a los patrones, se procede a la inyección de las muestras. Caracterización de las vinazas de fermentación Para la caracterización de estos productos se determinó su contenido en materia seca, carbono total, y nitrógeno total conforme a los métodos detallados en el análisis de materias primas. 121 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.3.2. Productos obtenidos en la digestión anaeróbica Metano en biogás La determinación de metano en el biogás obtenido se llevó a cabo mediante el empleo de un analizador de metano Guardian Plus CH4 0 – 100% (Edimburg Instruments). Caracterización de digestatos Para la caracterización de los digestatos obtenidos se determinaron: materia seca, materia orgánica (como sólidos volátiles) y demanda química de oxígeno (DQO), mediante los mismos métodos empleados en la caracterización de materias primas. Además, se determinaron la alcalinidad y el contenido en ácidos grasos volátiles mediante el empleo del método que se expone a continuación: Se toma una alícuota de 20 ml de muestra y se centrifuga a 5.000 rpm durante 10 minutos. Se recoge el sobrenadante y el residuo sólido restante se lava con 50 ml de agua destilada. Posteriormente se centrifuga de nuevo y se vuelve a recoger el sobrenadante. Los sobrenadantes obtenidos se mezclan y se valoran con ácido sulfúrico 0,1N, hasta un pH de 5,75. Tras anotar el volumen de ácido consumido (V1) se continúa la valoración hasta pH = 4,3 y se anota el volumen total de ácido empleado (V2). Los valores de alcalinidad y contenido en ácidos grasos volátiles se obtendrán mediante las siguientes fórmulas: Alcalinidad (mg CaCO3 L-1)= V2 (ml) x Nsulfúrico (0,1) x 50 x 1000/ Volumen de muestra (ml) Contenido en ácidos grasos volátiles (mg CaCO3 L-1)= (V2 – V1) (ml) x Nsulfúrico (0,1) x 50 x 1000/ Volumen de muestra (ml) Este método se adaptó de Montes Carmona (2008) y Rojas (1987). 2.4. Producción de bioetanol a partir de cladodios de chumbera El estudio de la producción de bioetanol se inició con una serie de experiencias preliminares destinadas, en esencia, a la puesta a punto de las técnicas empleadas en el proceso. Tras esta fase, se diseñó un experimento destinado a la obtención de conclusiones sobre el proceso global. 2.4.1. Preparación del material vegetal Los cladodios de chumbera empleados en las distintas experiencias destinadas a la producción de bioetanol fueron triturados en un robot Blixer 4 V.V., mezclados de forma homogénea y congelados en bolsas a -18ºC hasta el momento de su utilización. En lo sucesivo, a este material se le denominará triturado de cladodios. 122 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.4.2. Experiencias previas Experiencia preliminar 1. Fermentación de cladodios de chumbera sin hidrolizar Esta experiencia tenía, principalmente, dos propósitos. Por una parte, determinar la producción de etanol a partir de cladodios de chumbera que no hubieran sido sometidos de forma previa a ningún proceso de hidrólisis, y, por otra, estimar la posible utilidad de las levaduras que pudieran estar presentes de forma natural en los cladodios. Para ello se prepararon 4 sustratos empleando las cantidades de mezcla de cladodios, agua, y sulfato amónico recogidas en la Tabla 2.1. Posteriormente, cada uno de ellos se introdujo en un matraz Erlenmeyer de un litro de capacidad, tras rebajar su pH a 3,8 con ayuda de ácido cítrico 0,1 M. Con el objeto de homogeneizar el sustrato, favorecer la extracción de los azúcares reductores, y – al mismo tiempo - facilitar una posible hidrólisis enzimática parcial del almidón contenido en los mismos (fruto de la exposición a las propias amilasas del sustrato), se agitaron las preparaciones en un agitador magnético durante un tiempo aproximado de dos horas. Tabla 2.1. Cantidades de triturado de cladodios empleados en los ensayos pertenecientes a la experiencia preliminar 1. A cada uno de ellos se le añadieron 750 ml de agua y 0,1 g de (NH4)2SO2 Ensayo Triturado de Levadura cladodios (g) 1-1 75,10 Si 1-2 75,88 Si 1-3 75,71 Si 1-4 68,16 No Tras la homogeneización de los sustratos se introdujeron en tres de los matraces cantidades de levadura aproximadamente equivalentes al 4,5 % del peso de triturado de cladodios contenido en cada uno de ellos. Este proceso se llevó a cabo en una cámara de flujo laminar y con ayuda de material esterilizado. Las levaduras, pertenecientes a cepas comerciales de Saccharomyces cerevisiae, habían sido adquiridas en fresco (prensadas) en una panadería y conservadas a 18ºC hasta su utilización. El proceso de fermentación se llevó a cabo durante 5 días en una cámara de cultivo termostatizada a 25 ± 0,1 ºC. Tras ello, el material fermentado se filtró a través de un colador con un paso de malla de 0,5 mm y el contenido en etanol de la fracción líquida se determinó mediante el método analítico descrito en el apartado 2.3.1. Experiencia preliminar 2. Hidrólisis de cladodios de chumbera con HCl diluido y efecto de la cantidad de levadura empleada en la fermentación del hidrolizado. Esta segunda experiencia se llevó a cabo con el objetivo de poner a punto el método empleado para obtener un extracto azucarado fermentable a partir de una hidrólisis de cladodios de 123 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. chumbera, mediante HCl diluido. Al mismo tiempo pretendía detectar posibles diferencias en la concentración de etanol al emplear diferentes cantidades de levadura en la fermentación de los hidrolizados. La hidrólisis consistió en someter al sustrato original (triturado de cladodios) a la acción de ácido clorhídrico 1M en ebullición durante 30 minutos, empleando para ello un matraz Erlenmeyer. La proporción utilizada fue 500 ml de HCl (1M) por cada 31 g de cladodios. Posteriormente, el hidrolizado era filtrado a través de un filtro de papel de laboratorio (73 g m2 ) y la acidez del extracto, una vez a temperatura ambiente, corregida con hidróxido potásico 3,61 M hasta obtener la deseada para el proceso de fermentación (pH = 3,8). Con este sustrato se llevaron a cabo siete ensayos de fermentación. Para ello se emplearon un número equivalente de matraces Erlenmeyer, en cada uno de los cuales se introdujeron 100 ml del extracto. Tras ello, fueron tapados con torundas de algodón hidrófobo, y seis de ellos se esterilizaron en autoclave (121ºC, 20 minutos). El siguiente paso consistió en introducir en cinco de los matraces esterilizados cantidades variables de la levadura anteriormente descrita, conforme a lo expuesto en la Tabla 2.2. Este proceso se llevó a cabo en una cámara de flujo laminar y mediante el empleo de material de siembra esterilizado. Finalmente los matraces se introdujeron en una cámara de cultivo a una temperatura constante de 25 ± 0,1 ºC durante 5 días. Tabla 2.2. Cantidad de levadura fresca empleada en cada uno de los ensayos de la segunda experiencia preliminar de fermentación alcohólica de cladodios de chumbera. En cada ensayo se utilizaron 100 ml de extracto ácido (pH = 3,8). Ensayo 2-1(*) 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 Levadura (g) 0 0 1 2 3 4 5 (*) Sin esterilizar Tras ello, su contenido en etanol se determinó mediante cromatografía de gases, conforme a lo especificado en el apartado 2.3.1. Experiencia preliminar 3. Hidrólisis de cladodios de chumbera en autoclave. En esta experiencia se pretendía evaluar la utilidad del proceso de autoclavado, con y sin la adición de un ácido fuerte, en la hidrólisis del triturado de cladodios de chumbera.Para ello se prepararon seis sustratos conforme a las especificaciones recogidas en la Tabla 2.3. 124 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 2.3. Cantidades de triturado de cladodios, agua destilada y ácido sulfúrico concentrado (96 %) empleadas en la elaboración de los distintos sustratos pertenecientes al ensayo preliminar 3. Ensayo 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 Control Cladodios (g) 5,27 5,61 92,25 92,38 92,68 - Agua (ml) 100 100 50 50 50 143 H2SO4 (96%) (ml) 1,5 1,5 1,5 - Tras el autoclavado se tomaron muestras de los sustratos 3 – 1 y 3 – 2 (sin adición de ácido sulfúrico) las cuales, una vez filtradas, se emplearon para determinar el contenido de los mismos en azúcares reductores mediante el método Nelson – Somogyi (ver apartado 2.1). En cuanto a los sustratos restantes, su pH fue elevado hasta 3,8 mediante el empleo de KOH 3,61M, se les añadió 0,014 g de (NH4)2SO4, y tras ello, fueron inoculados con el mismo tipo de levadura empleada en los ensayos anteriores. En este caso, el inóculo de levadura se preparó mediante la disgregación de 20 g de levadura sólida en 200 ml de agua destilada tibia (ca. 30ºC). Una alícuota de 20 ml de este líquido fue introducido – en condiciones estériles – en cada uno de los matraces con sustrato y también en aquel que contenía el blanco, una vez rebajado su pH hasta 3,8 con ácido cítrico 1M. Las fermentaciones se llevaron a cabo sobre un agitador orbital introducido en una cámara de cultivo a 25 ± 0,1 ºC durante 5 días. Una vez finalizadas, el contenido en etanol se determinó mediante cromatografía de gases, conforme a lo especificado en el apartado 2.1. 2.4.3. Obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera tratada mediante el empleo de dos métodos diferentes de hidrólisis ácida. 2.4.3.1. Diseño experimental. En esta experiencia se prepararon dos sustratos fermentables (S1 y S2) y se testaron dos parámetros del proceso de fermentación: temperatura y tiempo de retención. Para ello se establecieron las condiciones de fermentación recogidas en la Tabla 2.4 para los distintos ensayos llevados a cabo. 125 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 2.4. Valores de tiempo de retención y temperatura en los distintos ensayos efectuados para la obtención de bioetanol. Ensayo S1-1a S1-1b S1-2a S1-2b S1-3a S1-3b S1-4a S1-4b Tiempo de retención (días) Temperatura (ºC) 4 5 4 5 4 5 4 5 30 30 25 25 25 25 30 30 Ensayo S2-1a S2-1b S2-2a S2-2b S2-3a S2-3b S2-4a S2-4b Tiempo de retención (días) Temperatura (ºC) 4 5 4 5 4 5 4 5 30 30 25 25 25 25 30 30 2.4.3.2. Preparación de los sustratos fermentables Se prepararon dos tipos de sustratos fermentables. El primero de ellos (S1) se obtuvo de forma similar a la expuesta en el segundo ensayo preliminar, y, por tanto, siguiendo un proceso muy parecido al empleado por Retamal et al (1987) para obtener los sustratos de fermentación a partir de cladodios frescos utilizados en sus experiencias. Para ello, muestras de 30 g del triturado de cladodios se hervían junto a 400 ml de HCl 1M durante 30 minutos en un matraz Erlenmeyer. Posteriormente la mezcla se filtraba a través de un filtro de papel de laboratorio de 73 g m-2 y el pH del extracto líquido se elevaba hasta un valor de 3,8 con KOH 3,61 M. Tras ello, se retiraba una alícuota para la determinación de su contenido en azúcares reductores, y se añadía al medio, como fuente de nitrógeno, (NH4)2SO4 en dosis correspondientes a 0,15 g L-1. Finalmente, el sustrato era esterilizado en un autoclave. Mediante este proceso se prepararon cuatro sustratos fermentables que conformarían las repeticiones S1-1, S1-2, S1-3 y S1-4. El segundo tipo de sustratos (S2) tenía por objetivo lograr la utilización de una menor cantidad de líquido en la extracción de los azúcares, de tal forma que la concentración final de etanol en el medio fuera lo más elevada posible. Para su obtención se siguió un proceso similar al llevado a cabo en la tercera experiencia preliminar. De este modo, a una determinada porción del triturado de cladodios se le añadía la cantidad suficiente de agua como para permitir su adecuada homogeneización, y, tras ello, una cierta cantidad de H2SO4 concentrado (96%). La proporción idónea agua/biomasa de cladodios se había establecido previamente en 0,84 mililitros por cada gramo. Las cantidades de mezcla de cladodios, agua, y ácido sulfúrico utilizados en cada uno de los sustratos S2 obtenidos, se recogen en la Tabla 2.5. Tras esto, los sustratos eran autoclavados (a 121ºC, durante 20 minutos), y, posteriormente, su pH se elevaba hasta 3,8 con KOH 3,61 M. 126 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 2.5. Cantidades de cladodios, agua, y ácido sulfúrico empleadas en la elaboración de los sustratos S2. En todos los ensayos se añadieron 0,1 g de sulfato amónico. Repetición Peso del triturado de cladodios (g) Agua añadida (ml) Ácido sulfúrico (96 %) (ml) S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 338,1 277,3 344,0 277,4 284 233 289 233 11,3 4,7 5,7 4,7 En el caso de los sustratos S2-1 y S2-2, tras el autoclavado se tomaron muestras para determinar la materia seca y el contenido en azúcares del hidrolizado, de tal forma que pudiera evaluarse la eficacia del proceso. Esto implica que las cantidades de chumbera finalmente fermentadas en estos ensayos se redujeron a 311,8 g y 250,2 g, respectivamente. Con el objeto de estimar el grado de intensidad de las hidrólisis efectuadas sobre la mezcla de cladodios, se determinó, para cada sustrato, el llamado “factor de severidad combinada” (CSF; Combined Severity Factor). El cual, según Larrson et al (1999) puede obtenerse conforme a la expresión: CSF= log (t · e (T-100)/14.75) – pH Dónde : t = Tiempo de duración del proceso, en minutos. T = Temperatura a la que se lleva a cabo el proceso, en grados centígrados. pH = Potencial de hidrogeniones de la solución ácida empleada en el proceso. El CSF permite comparar las intensidades de hidrólisis ácidas que difieran en el valor de más de un factor del proceso (temperatura, tiempo, concentración ácida). El rango de valores de este parámetro estudiado por Larsson et al (1999) para procesos de hidrólisis con ácidos diluidos va desde 1,4 hasta 5,4. 2.4.3.3. Preparación del pie de cuba Para llevar a cabo las fermentaciones se emplearon las mismas levaduras pertenecientes a cepas comerciales de Saccharomyces cerevisiae que se utilizaron en los ensayos preliminares. El inóculo de la fermentación (“pie de cuba”) se preparaba según el siguiente procedimiento: Dos días antes de cada fermentación, 100 ml de extracto S1 eran llevados a pH = 3,8 con KOH 3,61 M (lo que implicaba un volumen total de, aproximadamente, 137 ml), tras lo cual se le añadían 5 gramos de sacarosa, y (NH4)2SO4 en una dosis equivalente a 0,1 g L-1. Posteriormente, la mezcla se autoclavaba en el interior de un dispositivo diseñado para el cultivo de las levaduras, conforme al esquema que puede verse en la Figura 2.1. Una vez enfriada la mezcla a temperatura ambiente, y en una cámara de flujo laminar, el matraz se abría y se introducía en su interior una cantidad aproximada de 2 g de levadura congelada (empleando para ello material de laboratorio esterilizado). Tras esto, se cerraba de nuevo el 127 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. dispositivo, y se procedía al cultivo de las levaduras durante 48 horas en una cámara termoestática y a una temperatura de 25±0,1ºC. Un compresor garantizaba un adecuado suministro de aire, el cual accedía al matraz a través de un filtro de gases hidrófobo con un tamaño de poro de 0,2 µm, de modo que pudiera evitarse la contaminación microbiana. Al mismo tiempo, un agitador magnético homogeneizaba el sustrato empleando para ello la menor velocidad posible que garantizara una mezcla completa del mismo. El empleo de levadura de panadería está motivado por su bajo coste y su disponibilidad en el mercado. Esta levadura comercial no tiene porque ser monovarietal, por lo que diversas cepas pueden convivir en la “masa” adquirida. Esta circunstancia motivó la utilización de sustrato S1 como base para la elaboración del pie de cuba; durante la fase de cultivo de las levaduras, aquellas cepas que no se adapten adecuadamente al sustrato (al no encontrar la suficiente cantidad de microelementos necesarios, o en el caso de que alguno de los compuestos presentes resulten ser inhibidores de su crecimiento) no prosperarán adecuadamente, favoreciéndose así la selección de las cepas más adaptadas al sustrato. Filtros hidrófobos Conexión al compresor de aire Dispositivo autoclavable Agitador magnético Fig. 2.1. Dispositivo para el cultivo de levaduras en cámara termoestática. 2.4.3.4. Desarrollo de las fermentaciones. En la cámara de flujo laminar, el pie de cuba era inoculado en los sustratos S1 y S2 mediante la utilización de una jeringuilla de vidrio esterilizada. La proporción de inóculo empleado en el caso de las experiencias que se llevaron a cabo con S1 fue de, aproximadamente, 26,7 ml L-1, mientras que en el caso del sustrato S2 se utilizaron 60 ml en cada ensayo (lo que equivale a 0,21 ml por cada gramo de materia fresca de cladodios). Con el objetivo de evaluar la posible contribución del inóculo a la cantidad de etanol obtenida tras la fermentación, se confeccionaron varios sustratos considerables como ensayos de control. Cada uno de ellos se preparó introduciendo en un matraz Erlenmeyer 700 ml de agua destilada (llevada a pH = 3,8 con ácido cítrico 1M) y 0,1 gramos de (NH4)2SO4. Tras ello se autoclavaron y, una vez a temperatura ambiente, fueron inoculados con el pie de cuba en la cámara de flujo laminar. De los cuatro ensayos de control preparados, a dos de ellos (B1 y B3) 128 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. se les añadió una cantidad de 20 ml de inóculo, mientras que a los otros (B2 y B4) se les inocularon 60 ml de pie de cuba. Las condiciones de fermentación de estos ensayos de control se recogen en la Tabla 2.6. Las fermentaciones que empleaban por sustrato S1, así como los ensayos de control, se llevaron a cabo en matraces Erlenmeyer con tapones de algodón hidrófobo, ubicados en cámaras de cultivo. Un agitador orbital (en el caso de los sustratos S1) y uno magnético (en el caso de los ensayos de control) se emplearon para la homogeneización del medio de fermentación. En el caso de las fermentaciones con sustratos S2, se utilizó un fermentador de laboratorio (Minifor, Lambda Instruments). Este se programó conforme a los siguientes parámetros: - Frecuencia de agitación: Entre 5 y 10 Hz, en función de la dificultad en la homogeneización de la mezcla. En el primer día se empleaba la frecuencia más alta, tras lo cual se reducía progresivamente hasta llegar a los 5 Hz en el cuarto día de fermentación. - Caudal de aireación: Sin aireación. - Concentración de O2 disuelto: Como consecuencia de la ausencia de aireación a las pocas horas del inicio de la fermentación este valor se reducía a 0 mg L-1. - pH. No se actúo sobre este parámetro, de tal forma que siguió su evolución natural en las condiciones del proceso. Su valor se anotó al principio y al final de cada ensayo. - Temperatura del matraz: 25ºC ó 30ºC, en función del ensayo. - Temperatura del condensador Graham de salida de gases. Este se encontraba conectado a un baño termostatizado a 16ºC. En el cuarto día del proceso de fermentación se llevaba a cabo la extracción de una muestra del sustrato en condiciones estériles (muestra “a”). Un día más tarde, la fermentación se daba por finalizada y se extraía una nueva muestra (muestra “b”). Ambas, contenidas en recipientes de vidrio herméticos, se enfriaban en una nevera de forma inmediatamente posterior a su obtención y, tras esto, eran congeladas a -27ºC, a la espera de la determinación de su contenido en etanol. 129 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 2.6. Cantidad de inóculo empleado, tiempos de retención y temperaturas en la fermentación alcohólica de los distintos ensayos de control. Ensayo Inóculo (ml) Tiempo de retención (días) Temperatura (ºC) B1-a B1-b B2-a B2-b B3-a B3-b B4-a B4-b 20 20 60 60 20 20 60 60 4 5 4 5 4 5 4 5 25 25 25 25 30 30 30 30 2.4.3.5. Determinación del etanol contenido en los fermentados. En esta etapa, la muestra era descongelada y su contenido en etanol se determinaba conforma al método expuesto en el apartado 2.3.1. Posteriormente, con el objetivo de tratar de identificar algunos de los compuestos que aparecían representados en forma de picos en los cromatogramas generados durante el análisis de los sustratos fermentados, se procedió a inyectar en el cromatógrafo soluciones de los siguientes compuestos (diluidos en agua ultrapura): - Acetaldehído (etanal) - Acetato de etilo - Acetona - Metanol - Isopropanol - Formaldehído Los tiempos aproximados tras los cuales los distintos compuestos aparecieron en los correspondientes cromatogramas son: 2,24 min (metanol), 2,26 min (acetaldehído), 2,50 min (acetona), 2,55 min (isopropanol) y 3,5 min (acetato de etilo). Los cromatogramas correspondientes a las disoluciones de formaldehído no ofrecieron una adecuada resolución, lo que implica que, tal vez, la columna empleada no era la óptima para la determinación de este compuesto. Por otra parte, los tiempos de retención obtenidos para el metanol y el acetaldehído impiden la completa separación de sus picos desde la línea de base. 130 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.4.3.6. Estimación de los rendimientos del proceso de fermentación. Con el objeto de evaluar el rendimiento de las distintas fermentaciones se emplearon los siguientes parámetros: Rendimiento de fermentación (%, peso etanol / peso de glucosa equivalente). Para ello se calculó, a partir de los análisis expuestos anteriormente, el contenido inicial en azúcares reductores de cada sustrato (en forma de glucosa equivalente), así como su contenido final en etanol, tras la fermentación. El cociente etanol/azúcares (x 100) se consideró como el rendimiento de fermentación. En el caso de los sustratos S1, el contenido en azúcares considerado es el determinado sobre el hidrolizado, antes de su esterilización, tal y como se expone en el apartado 2.2.3. En el caso de los sustratos S2, se ha considerado, en cambio, el contenido en azúcares determinado a partir de la cantidad de chumbera empleada en la fermentación, según la fórmula: Contenido en azúcares (g) = Masa de chumbera fresca (g) x (Porcentaje de materia seca/100) x (Contenido porcentual en azúcares fácilmente hidrolizables (sms)/100) Se optó por emplear este valor tras comprobarse que las hidrólisis efectuadas sobre los sustratos S2-1 y S2-2 rendían valores de azúcares reductores prácticamente equivalentes a los existentes según la fórmula anterior. Rendimiento de fermentación respecto al máximo teórico. La fermentación alcohólica de hexosas responde a la siguiente reacción estequiométrica: C6H12O6 + H2O Æ 2C2H5OH + 2CO2 + H2O Si se considera el peso molecular de ambos compuestos (180 para las hexosas y 46 para el etanol), puede calcularse el rendimiento máximo del proceso, conforme a la siguiente fórmula: Rendimiento máximo = 2 * 46 / 180 = 0,511 Ù 51,1% A partir de los rendimientos de fermentación anteriormente calculados pueden establecerse los rendimientos respecto a este valor máximo teórico. Rendimiento energético de la fermentación (%, cal/cal). Se calculó a partir de la energía contenida en las cantidades de azúcares y etanol consideradas anteriormente. Para estimar el contenido energético de ambos sustratos se consideró que todo el azúcar se presentaba en forma de glucosa (lo que resulta coherente con la idea de que la mayoría proviene de la hidrólisis del almidón contenido en los cladodios) y se emplearon los poderes caloríficos superiores tanto del etanol al 99,9% como de la glucosa (considerados, respectivamente, como 7.229 kcal kg-1 y 4.100 kcal kg-1). 131 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Rendimiento global (g bioetanol kg materia seca-1) Se calculó empleando el peso de etanol obtenido en la fermentación y el peso seco del triturado de cladodios empleado como sustrato. 2.4.3.7. Análisis efectuados sobre las vinazas. Los productos residuales obtenidos tras las distintas fermentaciones que empleaban S2 como sustrato fueron caracterizados conforme a los siguientes parámetros: - Contenido en materia seca - Contenido en carbono total - Contenido en nitrógeno total De acuerdo con los métodos expuestos en el apartado 2.3. Además se determinaron el contenido teórico en azufre (a partir del ácido sulfúrico añadido) y el contenido teórico en potasio, calculado a partir de la potasa necesaria para elevar el pH de los sustratos hasta 3,8. 2.5. Producción de biogás a partir de cladodios de chumbera y de mezclas de cladodios de chumbera y frutos de tomate. Tal y como se expuso en la introducción de este trabajo, el elevado contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables de los cladodios de chumbera, así como su bajo porcentaje de lignina, convierten a los cladodios de chumbera en una materia prima prometedora para la obtención de biogás. Los tomates de destrío, por su parte, son un residuo hortícola producido en grandes cantidades en aquellas zonas de España más adecuadas para el cultivo de la chumbera (como ejemplo de este fenómeno pueden citarse las aproximadamente 55.000 toneladas gestionadas cada temporada en dos plantas de residuos de la provincia de Almería, de acuerdo con Zaragoza, 2010). Su alto contenido en azúcares los convierte en una materia prima igualmente apta para la producción de metano. En el presente trabajo se estudiará tanto la monodigestión de cladodios de chumbera, como la codigestión de los mismos con frutos de tomate. Para ello se llevarán a cabo dos ensayos: Uno de biodegradabilidad (en un sistema discontinuo -tipo batch) y otro mediante un sistema semicontinuo de alimentación. En este último caso, se trabajará con un tiempo de retención del material más cercano a los recopilados por Gunaseelam (2004) para la obtención de un alto rendimiento en metano de residuos agrícolas (20 – 32 días), que al estudiado por Obach y Lemus (2006) en la digestión anaeróbica de cladodios (69 días). 132 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.5.1. Instalación experimental Digestores Los digestores utilizados en esta experiencia han sido diseñados por el Grupo de Agroenergética y se denominarán en lo sucesivo digestores GA. Básicamente consisten en dos cilindros de material plástico (PVC, en este caso) cuyos diámetros tienen unas dimensiones tales que uno de ellos puede ubicarse dentro del otro, quedando apenas unos milímetros (ca. 3,5) entre ambos. El cilindro exterior está cerrado en su extremo inferior, mientras que el interior lo está en el superior, de modo que el sustrato a digerir queda en su mayor parte alojado en la cavidad común. La tapa del cilindro interior (llamado pistón) cuenta con dos orificios para facilitar la salida del gas y con otro donde se ubica un tubo de alimentación, de tal forma que puedan tomarse muestras o alimentar el digestor sin que entre aire en la cámara que almacena el gas. Uno de los orificios de salida de gas está cerrado por un tapón de caucho perforado y conectado a una oliva de empalme mediante un tubo de silicona de diámetro 3:5 (mm:mm), el otro consiste en un empalme cónico insertado en la propia tapa del pistón y conectado a un fragmento de tubo de silicona 3:5 (mm:mm) de unos 5 cm de longitud, en mitad del cual se ubicó una llave de paso, y en cuyo extremo se conectó otra oliva de doble empalme. El caudal aproximado de salida del gas se regula mediante una pinza Hoffman. El tubo de alimentación está cerrado en su extremo mediante un tapón de caucho perforado y atravesado por un termómetro de alcohol de rango 0 – 100ºC. En la parte inferior del cilindro interior se ubica una pieza rectangular que cruza diametralmente el mismo (paleta de agitación). En la Figura 2.2 pueden verse el pistón y el cilindro exterior antes de su montaje, y en la Figura 2.3 un esquema del digestor al comienzo de una experiencia. 133 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. 2.2. Cilindro exterior (izda.) y pistón (dcha.) de un digestor GA antes de su montaje final. Foto: Autor. (2) (5) (3) (4) (1) Pistón (1) (2) Cilindro exterior (3) Orificio de salida de gas (con tapón de caucho y pinza) (4) Orificio de salida de gas (con empalme cónico y llave de paso) (5) Tubo de alimentación con termómetro (6) (6) Paleta de agitación (solidaria al pistón) Fig. 2.3. Esquema de un digestor GA completo, con sustrato. La instalación comprende 8 digestores, que se ubican en dos cubetas aisladas mediante material calorífugo y calefactadas mediante resistencias eléctricas termostatizadas a una temperatura nominal de 37ºC, lo que en la práctica supone temperaturas en la cubeta de entre 134 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 35 y 38 grados centígrados. Dos bombas de recirculación de agua en cada cubeta homogeneizan la temperatura. Una vez cargados los digestores, y cerrados los orificios de la tapa superior, la agitación del material puede llevarse a cabo manualmente haciendo girar sobre si mismo el pistón. El tubo de alimentación y el agitador permiten el mezclado del sustrato. Cuando el biogás empieza a producirse, una ligera sobrepresión en la parte superior del pistón desplazará el sustrato de forma que el líquido ubicado entre ambos cilindros elevará su nivel. Por este motivo es necesario dejar al menos 2 centímetros de espacio entre el nivel de carga del digestor y la tapa del cilindro interior. Cuando la cantidad de biogás generado sea mayor, la fuerza debida a la presión del gas junto al empuje que sufre el pistón al estar sumergido en el sustrato serán superiores al peso del mismo, y comenzará a elevarse, fenómeno facilitado por el escaso rozamiento producido entre las paredes del cilindro y el sustrato. Esta elevación puede ser medida gracias a una cinta métrica ubicada longitudinalmente a lo largo de la pared interior de cilindro exterior. A partir de este valor, y mediante unos sencillos cálculos, puede obtenerse el volumen de biogás producido. Para referir el valor del volumen a condiciones normales (25ºC, 1 atm), la presión y temperatura originales del biogás deben ser conocidas. La temperatura se obtiene mediante la lectura del termómetro de alcohol ubicado en el tubo de alimentación, y con una resolución de 0,5ºC. La presión se obtiene conectando el tubo de salida del gas a un manómetro de agua y abriendo la pinza Hoffman. El valor de la diferencia de alturas en el agua del manómetro, junto con el valor de la presión atmosférica en ese momento (suministrado por una estación meteorológica) permite calcular la presión del gas en el interior del pistón. El biogás puede ser liberado mediante la apertura de la pinza Hoffman, de modo que el pistón vuelva a su posición original, al igualarse las presiones interna y externa del mismo. Si se quiere mantener un nivel constante de volumen de sustrato en el digestor, es necesario reponer las pérdidas de agua que se producen en el mismo debido –fundamentalmente- a la evaporación que ocurre en el espacio entre ambos cilindros. Para ello se abre la pinza Hoffman y se introduce agua en el digestor a través del espacio entre cilindros, hasta el nivel deseado. La entrada del agua expulsa al exterior parte del biogás, lo que evita la entrada de aire en el digestor. Cuando el nivel de sustrato a ambos lados de la pared del pistón se iguala, puede tomarse la medida de altura del mismo. Esta medida, junto con la altura del sustrato previa a la reposición de agua, será necesaria en los cálculos finales de producción de biogás, tal y como se explica en el ANEXO . La toma de muestras se lleva a cabo a través del tubo destinado a tal efecto mediante succión. En el caso de esta experiencia se ha empleado para ello una jeringa de 100 ml conectada a un tubo de silicona de diámetro 10:8 (mm:mm). Tras una adecuada agitación manual el tubo de silicona se introduce aproximadamente 25 cm en el digestor y se extrae la cantidad requerida de material. Para que la maniobra pueda llevarse a cabo con facilidad es conveniente que el pistón no haya descendido hasta su posición inicial, de forma que la retirada de digestato pueda compensarse mediante el movimiento de descenso. En caso contrario se producirá un vacío dentro del pistón que se tendría que compensar mediante la elevación del nivel de sustrato dentro del mismo a expensas del nivel entre cilindros. Comoquiera que, en su posición original (es decir, abajo del todo), el propio pistón separa físicamente el sustrato contenido en ambos 135 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. compartimentos, esto se traduce en un cierto riesgo de que el vacío provocado por la succión se compense mediante la introducción de aire a través del espacio entre el tubo de silicona y la pared del tubo de alimentación del digestor. Esta circunstancia debe evitarse debido a lo nocivo del oxígeno contenido en el aire para los organismos metanogénicos. La instalación experimental se completa con los siguientes elementos: ¾ Analizador de metano (Guardian Plus CH4 0 – 100%, Edimburg Instruments). Se trata de un analizador mediante infrarrojos, con doble cámara. Posee una resolución del 0,1% y una precisión del 2%. ¾ Sistema de desulfuración del biogás. La desulfuración del gas resulta fundamental para su análisis, ya que, en caso contrario, ciertas piezas del analizador podrían resultar dañadas. Tras diversos ensayos con una columna de lana de acero, otra de carbón activo impregado en KI, y un sistema de lavado del gas en una solución de Fe2(SO4)3, se concluyó que el único método que no afectaba al volumen de biogás analizado (y por tanto no retenía ninguno de los gases mayoritarios) era el último de ellos, que resultó, por tanto, incorporado a la instalación. El sistema definitivo de lavado consiste en un matraz redondo de fondo plano con una capacidad de 2 litros, al cual accede el biogás a través de un tubo difusor de gases. Una solución saturada de Fe2(SO4)3 ocupa en torno al 95% del volumen del matraz. De este modo, el gas no sólo entra en contacto con la solución férrica en su ascenso desde el fondo del matraz, sino que, tras esto, se produce un borboteo turbulento en la parte superior del mismo que favorece la mezcla de ambas fases. ¾ Sistema de deshumidificación del biogás. Consiste en una columna de gel de sílice ubicada a continuación del sistema de desulfuración. Tras ella, un filtro hidrófobo de 50 mm de diámetro completa la tarea y supone una primera barrera física frente a la entrada de partículas sólidas en el analizador. ¾ Filtros de partículas. El analizador de biogás está equipado con un filtro de partículas interno (reemplazable). Además, se decidió ubicar en el exterior un nuevo filtro de 25 mm de diámetro y 0,4 µm de tamaño de poro, de tal modo que pudiera revisarse con frecuencia y ser sustituido fácilmente en caso de que se apreciaran en él síntomas de colmatación. ¾ Tubos de conexión. Se emplearon, principalmente, tubos de PVC, ya que son menos propensos a intervenir en dinámicas de adsorción y desorción de gases que otros materiales. A pesar de ello, y dada su mayor rigidez, se sustituyeron por piezas de tubo de silicona en los elementos de empalme entre piezas. ¾ Manómetro de agua: Ubicado sobre una base nivelada y con precisión de ±1 mm. ¾ Medidor de pH: Modelo Crison 507, con compensador de temperatura. En la Figura 2.4 se muestra una imagen de la instalación. 136 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4 5 3 1 1 2 Fig. 2.4. Instalación experimental de biogás. Foto: Autor. 1. Cubetas con digestores 2. Sistema de desulfuración 3. Columna de gel de sílice 4. Analizador de metano 5. Manómetro Para llevar a cabo el análisis del biogás se procede de la siguiente forma: Una vez conectados los tubos al pistón se abren las llaves en la tapa del mismo y, tras ello, se reorientan las llaves de ida y retorno del analizador, de modo que dejen de tomar aire del exterior y comience la aspiración de biogás. Éste atravesará el desulfurador, el deshumidificador, y los filtros, y accederá al aparato, que tomará la medida correspondiente. Tras, aproximadamente, 5 minutos, la medida del analizador se estabilizará, y podrá ser anotada. Dado que el volumen de biogás oscilará – habitualmente- entre 0,5 y 2 litros y teniendo en cuenta que el caudal de aspiración del analizador es de 1 litro min-1, todo el volumen de biogás atravesará el analizador entre 2,5 y 10 veces. Un esquema parcial de la instalación, mostrada en fase de análisis de biogás, puede apreciarse en la Figura 2.5 137 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. 2.5. Esquema parcial de la instalación durante el proceso de análisis de gas. 1. Sistema de desulfuración 2. Columna de del de sílice 3 y 4. Filtros hidrófobos 5. Analizador de metano 6. Llaves para la regulación de entrada de aire/biogás en el analizador 2.5.2. Determinación del volumen de biogás producido. La determinación del volumen de biogás producido se llevó a cabo considerando ciertas características geométricas del digestor, así como la presión y temperatura del propio gas, conforme al procedimiento recogido en el Anexo I. 2.5.3. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera y frutos de tomate. 2.5.3.1. Diseño experimental Para evaluar la producción de biogás a partir de mezclas con distintas proporciones de frutos de tomate y cladodios de chumbera se crearon 4 sustratos de fermentación diferentes, con la misma carga orgánica en cada uno de ellos (expresada en gramos de sólidos volátiles por litro de sustrato; SV L-1) y de tal modo que la proporción en peso fresco de tomate y chumbera en cada uno fuera de 3:1, 1:1, 1:3, y 0:1 respectivamente. Cada uno de estos cuatro sustratos se empleó para alimentar 2 digestores (lo que implica la utilización de 8 digestores en total). 2.5.3.2. Preparación del material vegetal empleado. Los cladodios de chumbera utilizados en esta experiencia fueron lavados, secados, y cortados a cuchillo en tiras finas, con el fin de reducir la longitud de las fibras al mínimo posible, de modo que las muestras a extraer de los digestores a lo largo de la experiencia fueran homogéneas. Tras esto, se trituraron en un robot Blixer 4 V.V., se mezclaron, y se congelaron a -18ºC en bolsas de muestreo hasta su utilización. 138 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. En cuanto a los tomates, tras su recepción en laboratorio fueron lavados, secados, triturados en un robot Blixer 4 V.V., mezclados, y congelados a -18ºC en bolsas de muestreo hasta su utilización. Ambos triturados se caracterizaron conforme a los siguientes parámetros: - Porcentaje de sólidos totales Porcentaje de sólidos volátiles Demanda química de oxígeno Contenido en azúcares reductores Contenido en celulosa, hemicelulosa, y lignina Contenido en grasa cruda Contenido en proteína bruta Contenido total en carbono y nitrógeno Poder calorífico superior En el caso del triturado de chumbera se determinó, además, su contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables. Considerando las premisas expuestas en el diseño experimental, las cantidades de cladodios de chumbera y fruto de tomate utilizadas en cada digestor (basadas en el contenido en sólidos volátiles de cada materia prima) quedan recogidas en la Tabla 2.7. Tabla 2.7. Peso de los triturados de cladodios de chumbera y frutos de tomate introducido en cada uno de los digestores (materia fresca). Digestor Chumbera (g) Tomate (g) Peso total (g) Proporción chumbera : tomate 1 2 3 4 5 6 7 8 119,8 185,9 227,7 256,9 119,7 186 227,5 256,9 359,8 186 76,4 0 359,3 185,9 76,2 0 479,6 371,9 304,1 256,9 479 371,9 303,7 256,9 1:3 1:1 3:1 1:0 1:3 1:1 3:1 1:0 2.5.3.3. Inóculo El inóculo para facilitar el arranque de la digestión anaeróbica se obtuvo a partir de un digestor cargado con heces de caballo 6 meses antes de la experiencia, el cual continuaba produciendo pequeñas cantidades de biogás en el momento de iniciar la misma. Durante el mes previo a la utilización de su contenido como inóculo, se fueron introduciendo en su interior pequeñas dosis de chumbera seca molida, con el objetivo de facilitar la adaptación de los distintos microorganismos al nuevo sustrato. 139 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Previamente a su introducción en los digestores, se tomaron muestras del inóculo para determinar los siguientes parámetros: - Porcentaje de sólidos totales Porcentaje de sólidos volátiles Demanda química de oxígeno Relación ácidos grasos volátiles/ alcalinidad. 2.5.3.4. Puesta en marcha de la digestión Una vez cargados los digestores con los sustratos correspondientes y con el objetivo de establecer una relación C/N ≈ 20 en los mismos, se incorporaron 1,17 g de urea (pureza comercial, 46% de N) a cada digestor. La cantidad fue calculada basándose en la relación C/N más alta de los 4 sustratos (correspondiente a los digestores 4 y 8) a partir de los contenidos totales de carbono y nitrógeno en ambas materias primas. La elección de la urea vino motivada por la ser una de las fuentes de nitrógeno amoniacal de menor coste comercialmente disponibles. Su contenido en carbono se despreció de cara a obtener la relación C/N final en los distintos digestores. Tras esto se añadió agua del grifo (con el objetivo de posibilitar la incorporación de microelementos a la digestión, al contrario de lo que ocurriría en el caso de utilizar agua destilada) hasta alcanzar un volumen aproximado de 4 litros por digestor, y se agitó la mezcla. Una vez homogeneizado el contenido de cada digestor, se procedió a elevar el pH de los mismos. Se empleó para ello KOH 3,61 M en cantidad suficiente para obtener valores finales de pH = 7,2 – 7,6. Tras esto se añadieron 150 ml de inóculo a cada digestor, y agua del grifo hasta que el volumen alcanzado en ellos fue de 4,6 litros. Finalmente se añadieron 0,07 g L-1 de KH2PO4 como fuente de fósforo. 2.5.3.5. Seguimiento de la evolución del proceso. La evolución del proceso se evaluó mediante la medición de los siguientes parámetros: - pH Relación ácidos grasos volátiles/ alcalinidad. Demanda química de oxígeno Porcentaje de sólidos totales Porcentaje de sólidos volátiles Volumen de biogás producido Todos ellos aportan información acerca de la marcha del proceso, pero los dos primeros son particularmente útiles porque alertan de la necesidad de intervenir para evitar una posible acidificación de la digestión, con lo que ello supone de retrasos e incluso colapsos en el proceso. El pH se midió con el pH-metro de la instalación, a través del tubo de toma de muestras, previa agitación del sustrato. 140 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. El resto de los parámetros se determinaron una vez por semana, excepto la medición del volumen de biogás producido, que se recogió una vez al día, durante cinco días a la semana, de tal modo que el volumen medido el lunes representaba el acumulado desde el viernes hasta ese día. Todos los parámetros fueron determinados conforme a los métodos analíticos recogidos en el apartado 2.3. La toma de muestras se llevó a cabo tal y como se explica anteriormente, retirando en cada ocasión un volumen de sustrato que era reemplazado por una cantidad de agua equivalente. Como resultado de los valores arrojados por los dos primeros parámetros, fue necesario intervenir en el proceso mediante la adición de sustancias alcalinizantes, así como de un tampón, compuestos que ayudarían a la estabilización del pH en los valores deseados (en torno a la neutralidad). Por último, la agitación manual se llevó a cabo una vez al día, cinco días a la semana. 141 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.5.4. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera y frutos de tomate. 2.5.4.1. Diseño experimental Para evaluar la producción de biogás en un sistema de alimentación semicontinua se crearon 8 sustratos de fermentación diferentes, y se diseñó un experimento de acuerdo con los parámetros operacionales recogidos en la Tabla 2.8. Tabla 2.8. Esquema del diseño experimental para la producción de biogás en digestores con alimentación semicontinua. La temperatura y el tiempo de retención fueron iguales en todos ellos. Digestor 1 2 3 4 5 6 7 8 Carga orgánica a b c d 2a 2b 2c 2d Proporción de chumbera : tomate 1:3 1:1 3:1 1:0 1:3 1:1 3:1 1:0 De este modo, las cargas orgánicas en los digestores de la cubeta 2 (5 – 8) duplicarán las empleadas en los de la cubeta 1 (1 – 4), y las proporciones en peso fresco de tomate y chumbera serán las mismas que en el ensayo anterior. 2.5.4.2. Preparación del material vegetal empleado. Los cladodios de chumbera empleados, una vez en el laboratorio, fueron lavados, secados, y cortados en láminas (de aproximadamente 2 mm de grosor) con una procesadora de alimentos HR 7633 (Philips), con el fin de reducir la longitud de las fibras al mínimo posible, de tal modo que las muestras a extraer de los digestores a lo largo de la experiencia fueran homogéneas. Tras esto, se trituraron en un robot Blixer 4 V.V., se mezclaron, y se congelaron a -18ºC en bolsas de muestreo hasta su utilización. Los frutos de tomate utilizados fueron lavados, secados, triturados en un robot de cocina, mezclados, y congelados a -18ºC en bolsas de muestreo hasta su utilización Ambos triturados fueron caracterizados conforme a los siguientes parámetros: - Porcentaje de sólidos totales Porcentaje de sólidos volátiles En el caso del triturado de tomates se determinó también su contenido en azúcares reductores. 142 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.5.4.3. Puesta en marcha de la digestión. Periodo de transición Esta segunda experiencia de digestión anaeróbica se inició a partir del ensayo anterior. Previamente fue necesario reactivar la actividad microbiana en los mismos. Para ello, se prepararon sustratos siguiendo las proporciones propuestas en el ensayo anterior, y se alimentaron los digestores en las fechas que aparecen en la Tabla 2.9. De esta forma, la producción de biogás era prácticamente nula el día previo a la introducción de una nueva dosis de sustrato. Durante esta fase, el pH, inicialmente cercano a 8, fue medido periódicamente, y corregido, en una ocasión, con KHCO3. Por otra parte, con el objeto de reducir la producción de H2S y – al mismo tiempo – añadir dosis de Fe estimulantes para el proceso, se introdujeron en los digestores ciertas cantidades de FeCl3 (tal y como se recoge en la Tabla 2.9). Se decidió también, con el objeto de aumentar la diversidad microbiana de los digestores, introducir en ellos una pequeña cantidad (unos 30 ml, aproximadamente) de digestato procedente de la fermentación anaeróbica de heces de ganado vacuno. Paralelamente, y durante este tiempo, se adquirió el analizador de metano, se probaron los distintos sistemas de desulfuración anteriormente descritos y se ajustó el protocolo para la determinación de CH4 en el biogás. Tabla 2.9. Fechas de introducción de sustrato y FeCl3 (así como dosis de este último) durante el periodo de transición. Fecha Dosis FeCl3 (g) 11/05/2010 02/06/2010 11/06/2010 18/06/2010 24/06/2010 01/07/2010 09/07/2010 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Inicio de la experiencia de alimentación semicontinua con parámetros operacionales definidos. Tras varias semanas alimentando los digestores de la forma recién expuesta, se inició la nueva experiencia en un momento en que la producción de gas cesó. De este modo, puede considerarse que la biomasa microbiana estaba suficientemente desarrollada, pero que –al mismo tiempo- no quedaba sustrato fácilmente metanizable en los digestores. A partir de ese día, éstos fueron alimentados conforme al tiempo de retención y a las nuevas cargas orgánicas elegidas. El tiempo de retención (TRH) considerado fue de 25,6 días. Los valores de las cargas orgánicas quedan recogidos en la Tabla 2.10 Con el objeto de lograr una relación C/N = 20, y evitar que el P ó el K se convirtieran en nutrientes limitantes del proceso, se añadieron NH4Cl y KH2PO4 en las concentraciones recogidas en la Tabla 2.10. La temperatura en el interior de los digestores, al igual que en el ensayo anterior, fue de 36,5 ± 1,5 ºC. 143 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 2.10. Carga orgánica y cantidades diarias de sustratos y nutrientes introducidos Cantidades introducidas por digestor y día (g) Carga orgánica Digestor Chumbera Tomate NH4Cl KH2PO4 OLR (gSV L-1día-1) 1 2 3 4 5 6 7 8 8,0 12,5 15,3 17,2 16,1 25,0 30,6 34,5 24,1 12,5 5,1 0,0 48,2 25,0 10,2 0,0 0,07 0,11 0,14 0,16 0,14 0,23 0,28 0,32 0,017 0,017 0,016 0,016 0,034 0,033 0,033 0,032 0,33 0,26 0,22 0,18 0,66 0,52 0,43 0,37 2.5.4.4. Seguimiento de la evolución del proceso La evolución del proceso se evaluó mediante la medición de los siguientes parámetros: - pH - Relación ácidos grasos volátiles/ alcalinidad - Porcentaje de sólidos totales - Porcentaje de sólidos volátiles - Volumen de biogás producido - Porcentaje de CH4 en el biogás producido Los análisis se llevaron a cabo con la misma periodicidad que en el ensayo anterior. Todos los parámetros fueron determinados conforme a los métodos analíticos recogidos en el apartado 2.1. Tras la primera experiencia se llegó a la conclusión de que, para que el proceso pudiera llevarse a cabo de forma conveniente, se hacía necesaria la adición regular de sustancias tampón. Por ello se incorporaron a los digestores cantidades de KHCO3 conforme a lo expuesto en la Tabla 2.11. Por otra parte, se continuó con la adición FeCl3 en dosis recogidas en la misma Tabla. Tabla 2.11. Fechas y dosis introducidas de KHCO3 y FeCl3 durante el ensayo de alimentación semicontinua (g digestor-1). Día Fecha Dosis de KHCO3 Dosis FeCl3 3 8 17 24 16/07/2010 21/07/2010 30/07/2010 06/08/2010 2 2 2 2 0,1 0,1 Por último, la agitación manual se llevó a cabo una vez al día, cinco días a la semana. 144 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 2.5. Análisis estadístico Los análisis estadísticos efectuados sobre los resultados obtenidos, tanto en la obtención de bioetanol como en la producción de biogás, se llevaron a cabo mediante la herramienta conocida como “análisis de la varianza” (ANOVA). En aquellos casos en los que era pertinente llevar a cabo una posterior prueba de rango múltiple se empleó el test de Duncan. 145 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3. RESULTADOS 146 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3.1. Producción de bioetanol a partir de cladodios de chumbera. 3.1.1. Composición del material vegetal empleado. En la Tabla 3.1 se muestran los resultados de los análisis llevados a cabo sobre el triturado de cladodios empleado como materia prima en las fermentaciones alcohólicas. Tabla 3.1. Composición básica del triturado de cladodios empleado en los ensayos de obtención de etanol (resultados correspondientes a 3 repeticiones y expresados como X ± σ). Materia seca Carbono Nitrógeno Azúcares reductores Hidratos de carbono fácilmente hidrolizables Porcentaje (%) 14,6 ± 0,41(1) 33,25 ± 0,465(2) 0,39 ± 0,015(2) 5,7 ± 0,26(2) 32,4 ± 1,85(2) (1) Sobre materia fresca (smf), (2) Sobre materia seca (sms) 3.1.2. Experiencias previas Experiencia preliminar 1. Fermentación de cladodios de chumbera sin hidrolizar En la Tabla 3.2. se muestran los resultados obtenidos tras la fermentación del triturado de cladodios de chumbera sin hidrolizar. A partir de los mismos, y conociendo el contenido en azúcares reductores del triturado de cladodios, pueden establecerse los rendimientos del proceso de fermentación, los cuales se muestran en la Tabla 3.3. Tabla 3.2. Producción de etanol a partir del triturado de cladodios sin hidrolizar (fermentación a 25ºC durante 5 días). Peso seco del Volumen total Rendimiento Concentración Etanol triturado de tras global (g Ensayo de etanol en obtenido cladodios de fermentación bioetanol kg líquido (ppm) (mg) -1 partida (g ) (ml) materia seca ) 1-1 10,96 795 168,87 132,2 12,06 1-2 11,08 800 71,72 56,5 5,10 1-3 11,05 830 151,60 124,0 11,22 1-4(*) 9,95 800 11,78 9,3 0,93 (*) Ensayo de control sin adición de levaduras 147 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.3. Rendimientos del proceso de fermentación de cladodios de chumbera sin hidrolizar (25ºC, 5 días). Ensayo Azúcares reductores en sustrato (mg) Etanol obtenido (mg) Rendimiento (% p/p) 1-1 1-2 1-3 1-4(*) 623,2 629,6 628,2 565,6 132,2 56,5 124,0 9,3 21,2 9,0 19,7 1,6 Rendimiento Rendimiento sobre el energético máximo (% cal/cal) teórico (%) 41,5 17,6 38,6 3,2 37,4 15,8 34,8 2,9 (*) Ensayo de control sin adición de levaduras Experiencia preliminar 2. Hidrólisis de cladodios de chumbera con HCl diluido y efecto de la cantidad de levadura empleada en la fermentación del hidrolizado. En la Tabla 3.4 se recogen las concentraciones de etanol en los distintos ensayos llevados a cabo en esta experiencia. Tabla 3.4. Concentración de etanol en las fermentaciones llevadas a cabo durante la segunda experiencia preliminar Ensayo 2-1(1) 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 Levadura empleada (g 100 ml-1) 0 0 1 2 3 4 5 Etanol obtenido(ppm) 869 30 1049 945 1411 2113 1481 (1) Sin esterilizar Experiencia preliminar 3. Hidrólisis de cladodios de chumbera en autoclave El porcentaje de azúcares reductores obtenidos tras el proceso de autoclavado sin la adición de ácidos fuertes se recoge en la Tabla 3.5 Tabla 3.5. Hidratos de carbono obtenidos tras el autoclavado de biomasa triturada de cladodios sin adición de ácidos fuertes. Ensayo 3-1 3-2 Triturado de cladodios (g) 5,27 5,61 Hidratos de carbono (mg) 52 53 Hidratos de carbono (%, sms) 6,81 6,51 Tras las hidrólisis en presencia de ácido sulfúrico, y su posterior fermentación, las concentraciones de etanol obtenidas en los diferentes ensayos de fermentación se resumen en la Tabla 3.6. 148 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.6. Producción de etanol en los ensayos de fermentación de la tercera experiencia preliminar. (Hidrólisis: 1,5 ml H2SO4 96%, 121ºC, 20 min. Fermentación: 25ºC, 5 días). Ensayo Peso seco del triturado de cladodios (g) Etanol (ppm) Etanol (mg) Rendimiento global (g bioetanol kg materia seca-1) 3-3 13,47 6411,9 1090,0 80,9 3-4 13,49 6836,8 1170,5 86,8 3-5 13,53 7715,6 1342,5 99,2 Control - 1 0,1 - Considerando que la cantidad de azúcares potencialmente fermentables de cada sustrato es equivalente al contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables correspondiente al peso de triturado de cladodios empleados en su elaboración, pueden calcularse los correspondientes rendimientos del proceso, recogidos en la Tabla 3.7. Tabla 3.7. Rendimientos del proceso de fermentación del triturado de cladodios (a 25ºC durante 5 días) previamente sometidos a hidrólisis sulfúrica en autoclave (1,5 ml H2SO4 96%, 121ºC, 20 min). Azúcares Etanol Rendimiento Ensayo (mg) (mg) (% p/p) 3-3 3-4 3-5 4478,3 4484,6 4499,2 1090,0 1170,5 1342,5 Rendimiento Rendimiento sobre el energético(% máximo cal/cal) teórico (%) 24,3 26,1 29,8 47,6 51,1 58,4 46,0 49,4 56,4 3.1.3. Obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera tratada mediante el empleo de dos métodos diferentes de hidrólisis ácida. 3.1.3.1. Factor de severidad combinada de las distintas hidrólisis llevadas a cabo. Los factores de severidad combinada correspondientes a los distintos ensayos se recogen en la Tabla 3.8. Tabla 3.8. Factores de severidad combinada de las distintas hidrólisis aplicadas en los ensayos con sustratos S1 y S2. Concentración Temperatura Tiempo (ºC) (min) (moles L-1) Factor CS Ensayo Ácido S1i HCl 0,94 100 30 1,45 S2-1 H2S04 0,70 121 20 1,76 S2-2 H2S04 0,36 121 20 1,47 S2-3 H2S04 0,35 121 20 1,46 S2-4 H2S04 0,36 121 20 1,47 149 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3.1.3.2. Evolución del pH en las fermentaciones llevadas a cabo con sustratos S2. En la Tabla 3.9 se muestran los valores de pH iniciales y finales registrados por la sonda del fermentador en las distintas experiencias llevadas a cabo con sustratos S2 (triturado de cladodios sometido a hidrólisis sulfúrica en autoclave). Tabla 3.9. Valores iniciales y finales de pH en los distintos ensayos de fermentación en los que se emplearon sustratos S2 (hidrólisis con H2SO4, 121ºC, 20 min). Ensayo S2-1a S2-1b S2-2a S2-2b S2-3a S2-3b S2-4a S2-4b pH inicial 3,53 3,53 3,65 3,65 3,65 3,65 3,85 3,85 pH final 3,44 3,44 3,55 3,55 3,39 3,38 3,45 3,45 3.1.3.3. Concentración de etanol en los medios fermentados En las Tablas 3.10 y 3.11 se recogen las concentraciones medias de etanol halladas en los distintos medios fermentados. Tabla 3.10. Concentración de etanol en los medios fermentados de los distintos ensayos en los que se emplearon sustratos S1 (hidrólisis con HCl, 100ºC, 30 min) y S2 (hidrólisis con H2SO4, 121ºC, 20 min). Condiciones de fermentación Ensayo S1-1a S1-1b S1-2a S1-2b S1-3a S1-3b S1-4a S1-4b S2-1a S2-1b S2-2a S2-2b S2-3a S2-3b S2-4a S2-4b Tiempo de retención(días) 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 Temperatura (ºC) 30 30 25 25 25 25 30 30 30 30 25 25 25 25 30 30 150 Concentración de etanol (ppm) Porcentaje de etanol (v/v) 1011,9 881,4 1438 995,1 810,2 325 566,1 339,1 8461,5 8428,7 7400,7 7594,8 5765,4 6283,8 5778,9 5628,4 0,13 0,11 0,18 0,13 0,1 0,04 0,07 0,04 1,07 1,07 0,94 0,96 0,73 0,8 0,73 0,71 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.11. Concentraciones y cantidades de etanol en los ensayos de control. Ensayo Inóculo (ml) Tiempo de retención (días) Temperatura (ºC) Concentración de etanol (ppm) Etanol (mg) B1-a B1-b B2-a B2-b B3-a B3-b B4-a B4-b 20 20 60 60 20 20 60 60 4 5 4 5 4 5 4 5 25 25 25 25 30 30 30 30 0 0 11,2 1,8 434,3 346,7 580,4 260,5 0 0 7,3 1,1 271 208 376,1 161,5 3.1.3.4. Identificación de otros compuestos presentes en los fermentados En todos los cromatogramas de esta experiencia aparecieron picos que por proximidad - e incluso coincidencia - en el tiempo de aparición, podrían implicar la presencia de acetaldehído en los sustratos fermentados. Sin embargo, dada la proximidad entre el tiempo de aparición de este compuesto (2,26 min) y el tiempo de aparición correspondiente al metanol (2,24 min), es difícil determinar con exactitud cual de estos dos compuestos es el que, efectivamente, aparece en el cromatograma. 3.1.3.5. Rendimientos del proceso. Los distintos rendimientos alcanzados en los diferentes ensayos de fermentación en los que se emplearon sustratos S1 se recogen en la Tabla 3.12. Tabla 3.12. Rendimientos obtenidos en la fermentación alcohólica de sustratos S1 (hidrólisis con HCl, 100ºC, 30 min). Azúcares Etanol Sustrato Rendimiento Ensayo en sustrato obtenido (peso fermentación (mg) (mg) seco, g) (% p/p) S1-1a S1-1b S1-2a S1-2b S1-3a S1-3b S1-4a S1-4b 2892,0 2892,0 2790,2 2790,2 1409,8 1409,8 2208,6 2208,6 503,1 466,3 1035,3 716,5 409,1 164,1 148,5 43,3 8,93 8,93 10,33 10,33 4,35 4,35 6,82 6,82 17,4 16,1 37,1 25,7 29,0 11,6 6,7 2,0 Rendimiento Rendimiento Rendimiento sobre el global (g energético máximo bioetanol kg (% cal/cal) -1 teórico (%) materia seca ) 34,0 31,6 72,6 50,3 56,8 22,8 13,2 3,8 30,7 28,4 65,4 45,3 51,2 20,5 11,9 3,5 56,4 52,2 100,2 69,3 94,0 37,7 21,8 6,3 Los rendimientos alcanzados en los ensayos que emplearon S2 como sustrato, se recogen en la Tabla 3.13. 151 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.13. Rendimientos obtenidos en la fermentación alcohólica de sustratos S2 (hidrólisis con H2SO4, 121ºC, 20 min) Azúcares Etanol Sustrato Ensayo en sustrato obtenido (peso (mg) (mg) seco, g) S2-1a S2-1b S2-2a S2-2b S2-3a S2-3b S2-4a S2-4b 14752,7 14752,7 11835,9 11835,9 16273,0 16273,0 13123,5 13123,5 5665,4 5856,6 3693,1 3796,3 4149,6 4529,5 2860,1 2990,4 Rendimiento fermentación (% p/p) 45,52 45,52 36,53 36,53 50,22 50,22 40,50 40,50 38,4 39,7 31,2 32,1 25,5 27,8 21,8 22,8 Rendimiento Rendimiento Rendimiento global (g sobre el energético bioetanol kg máximo (% cal/cal) materia teórico (%) -1 seca ) 75,2 67,7 124,5 77,7 70,0 128,7 61,1 55,0 101,1 62,8 56,6 103,9 49,9 45,0 82,6 54,5 49,1 90,2 42,6 38,4 70,6 44,6 40,2 73,8 3.1.3.6. Contenido en carbono, nitrógeno, azufre y potasio de las vinazas. La composición de las vinazas correspondientes a los sustratos S2, se muestra en la Tabla 3.14. Tabla 3.14. Composición de las vinazas correspondientes a los sustratos S2 (hidrólisis con H2SO4, 121ºC, 20 min). Ensayo S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 Porcentaje de Contenido Contenido Contenido Contenido Relación materia seca en carbono en nitrógeno en azufre en potasio C/N (%) (%, sms) (%, sms) (%, sms) (%, sms) 9,23 8,54 8,78 8,88 16,93 23,39 23,31 26,41 0,31 0,41 0,30 0,42 152 9,55 6,13 5,03 5,67 23,33 14,98 12,29 13,85 54,61 57,05 77,70 62,88 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3.2. Producción de biogás a partir de cladodios de chumbera y de mezclas de cladodios de chumbera y frutos de tomate 3.2.1. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera y frutos de tomate. 3.2.1.1. Caracterización del material vegetal empleado Tras el triturado, mezclado, y homogeneizado de los cladodios se tomaron muestras del producto resultante para determinar los valores de sus principales parámetros, los cuales aparecen recopilados en la Tabla 3.15. Tabla 3.15. Características del triturado de cladodios de chumbera empleado en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el procedimiento batch (resultados correspondientes a 3 repeticiones y expresados como X ± σ) Sólidos totales (%) Sólidos volátiles (%) Demanda química de oxígeno (mg g-1) Azúcares reductores (%, sms) Azúcares fácilmente hidrolizables (%,sms) Celulosa (%, sms) Hemicelulosa (%, sms) Lignina (%, sms) Grasa cruda (%, sms) Proteína bruta (%, sms) Carbono total (%, sms) Nitrógeno total (%, sms) Poder calorífico superior (kcal kg-1 MS) 15,6±0,247 13,1±0,06 117,5±9,4 4,5±0,10 41,2±2,62 4,9±0,80 15,2±2,46 3,8±0,52 3,5±0,7 3,0 40,7±0,56 0,48±0,024 3.440,4±8,95 En cuanto a las características del triturado de tomate empleado en esta experiencia, quedan recogidas en la Tabla 3.16. 153 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.16. Características del triturado de tomate empleada en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el procedimiento batch (resultados correspondientes a 3 repeticiones y expresados como X ± σ) Sólidos totales (%) Sólidos volátiles (%) Demanda química de oxígeno (mg g-1) Azúcares reductores (%, sms) Celulosa (%, sms) Hemicelulosa (%, sms) Lignina (%, sms) Grasa cruda (%, sms) Proteína bruta (%, sms) Carbono total (%, sms) Nitrógeno total (%, sms) Poder calorífico superior (kcal kg-1) 5,63±0,05 4,98±0,09 70,2±5,1 44,0±0,61 11,9±0,11 7,6±0,30 16,3±0,45 3,0±0,1 15,6 48,3±0,53 2,5±0,03 4.201,4±8,99 3.2.1.2. Caracterización del inóculo empleado Los resultados de los análisis llevados a cabo sobre el inóculo empleado (procedente de la digestión de heces de caballo junto a cladodios de chumbera secos) se recogen en la Tabla 3.17. Tabla 3.17. Características del inóculo empleado en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el procedimiento batch (resultados correspondientes a 3 repeticiones y expresados como X ± σ) Sólidos totales (%) Sólidos volátiles (%) Demanda química de oxígeno (mg L-1) Alcalinidad (mg CaCO3 L-1) Ácidos grasos volátiles (mg CaCO3 L-1) Relación AGV/ALC 1,02±0,07 0,71±0,04 11.737±507,2 1736,1 486,1 0,28 3.2.1.3. Producción de biogás. En la Tabla 3.18 se recogen los datos correspondientes a la producción de biogás de cada digestor, así como los rendimientos obtenidos por los distintos sustratos empleados. 154 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.18. Producción de biogás y rendimientos obtenidos en los distintos digestores mediante el sistema batch (volúmenes normalizados a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) Proporción Digestor chumbera : tomate 1 2 3 4 5 6 7 8 Sólidos totales en el sustrato (g) Sólidos volátiles en sustrato (g) 37,75 37,61 37,55 37,51 37,70 37,62 37,51 37,51 34,68 34,68 34,70 34,72 34,64 34,69 34,66 34,72 1:3 1:1 3:1 1:0 1:3 1:1 3:1 1:0 Día de Volumen Rendimiento Rendimiento finalización total de (L biogás kg (L biogás kg de la biogás -1 SV -1) ST ) experiencia (L) 10,96 10,92 12,41 12,76 10,12 11,39 9,11 12,88 290 290 331 340 268 303 243 343 316 315 358 368 292 328 263 371 51 62 62 57 56 55 62 56 Las producciones y rendimientos medios obtenidos por cada combinación de materias primas se recogen en la Tabla 3.19. Tabla 3.19. Producción media de biogás y rendimientos medios obtenidos por las distintas combinaciones de materias primas empleadas como sustratos en la digestión mediante el sistema batch (volúmenes normalizados a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) Proporción chumbera : tomate 1:3 1:1 3:1 1:0 Sólidos Volumen totales Sólidos total de (peso seco) volátiles en biogás del sustrato sustrato (g) (L) (g) 37,7 37,6 37,5 37,5 34,7 34,7 34,7 34,7 10,5 11,2 10,8 12,8 Rendimiento (L biogás kg -1 ST ) 279 297 287 342 Día de Rendimiento finalización (L biogás kg de la SV -1) experiencia 304 322 310 369 53,5 58,5 62 56,5 Tal y como puede observarse la chumbera en monodigestión presenta el rendimiento de biogás más elevado (369 ml g SV -1). 155 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. En la Figura 3.1 puede apreciarse la evolución de la producción acumulada de biogás. 10 Biogas (L) 8 Mezcla C:T = 1:3 6 Mezcla C:T = 1:1 Mezcla C:T = 3:1 Mezcla C:T = 1:0 4 2 0 2 8 15 22 29 36 43 50 57 Días Fig. 3.1. Evolución de la producción media acumulada de biogás para cada combinación de materias primas empleadas en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch (volumen medido). La producción media diaria de biogás en cada digestor aparece representada en la Figura 3.2. Tal y como puede apreciarse en ella, la máxima producción de biogás tiene lugar entre la sexta y la octava semana de la experiencia. 0.6 Dig 1 0.5 Biogás (L) Dig 2 0.4 Dig 3 Dig 4 0.3 Dig 5 0.2 Dig 6 Dig 7 0.1 Dig 8 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Semana Fig. 3.2. Producción media diaria de biogás en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch (volumen medido). 156 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3.2.1.4. Parámetros de seguimiento y control Evolución del pH. Los valores de pH medios tomados mediante el pH-metro portátil de la instalación se recogen en la Tabla 3.20 agrupados en función de la mezcla de materias primas que emplearan como sustrato. Tabla 3.20. Valores de pH en los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Días desde el inicio de la experiencia 0a 0b 7 14 20 27 31 34 38 41 45 52 55 62 4,90 4,90 4,80 4,67 7,27 7,39 7,46 7,57 4,87 4,89 4,76 4,92 5,47 5,50 5,40 5,53 5,70 5,72 6,21 5,80 5,91 6,14 6,56 6,13 6,35 6,47 6,59 6,57 6,28 6,51 6,87 6,61 7,02 7,16 7,20 7,04 7,22 7,54 7,53 7,37 7,30 7,51 7,21 7,49 7,75 7,68 7,44 7,93 7,73 7,76 7,73 8,06 7,68 7,76 7,88 8,39 0ª = Día 0. pH original de la mezcla sin inóculo. 0b = Día 0. pH de la mezcla tras añadir KOH 3,61 M. pH La Figura 3.3 muestra el pH, a lo largo de la experiencia, mediante la representación de los valores máximos, mínimos y medios diarios, para el conjunto de digestores. 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 pH medio pH máximo pH mínimo 0a 0b 7 14 20 27 31 34 38 41 45 52 55 62 Días 0a = Día 0. pH original de la mezcla sin inóculo. 0b = Día 0. pH de la mezcla tras añadir KOH 3,61 M. Fig. 3.3. Valores de pH para el conjunto de digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch 157 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Alcalinidad total y contenido en ácidos grasos volátiles En la Tabla 3.21 se recoge la evolución del contenido en alcalinidad de los distintos digestores. Los datos expuestos corresponden al valor medio de los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas. Tabla 3.21. Alcalinidad (mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Día de la experiencia 7 14 21 28 35 42 48 56 64 1935 1548 1484 1871 1613 1587 1509 1587 1484 1639 1574 1568 1780 1819 1658 1909 2664 2774 2632 2903 3238 3277 3380 3522 3677 3683 3432 3857 3677 3683 3573 3793 3716 3483 3548 3799 En la Figura 3.4 puede apreciarse la evolución de la alcalinidad media del conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia. Alcalinidad (mg Ca CO3 L-1) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 7 14 21 28 35 42 48 56 64 Días Fig. 3.4. Alcalinidad media en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. En la Tabla 3.22 se recoge la evolución del contenido en ácidos grasos volátiles de los distintos digestores. Al igual que ocurre en el caso de la alcalinidad, los datos expuestos corresponden al valor medio de los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas. 158 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.22. Contenido en ácidos grasos volátiles (mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Días desde el inicio de la experiencia 7 14 21 28 35 42 48 56 64 1935 1548 1484 1871 1613 1587 1509 1587 1374 1484 1484 1316 1581 1529 1497 1516 1684 1548 1652 1697 1638 1432 1587 1652 1122 1123 1510 1245 1077 1045 1084 1000 968 891 961 1013 En la Figura 3.5 puede apreciarse la evolución del contenido medio en ácidos grasos volátiles a lo largo de la experiencia. 2500 Acidos grasos volátiles (mg CaCO3 L-1) 2000 1500 1000 500 0 7 14 21 28 35 42 48 56 64 Días Fig. 3.5. Contenido medio de ácidos grasos volátiles en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. A partir de los datos expuestos puede establecerse la relación entre el contenido en alcalinidad y la concentración de ácidos grasos volátiles (AGV/ALC) a lo largo de la experiencia. 159 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.23. Relación AGV/ALC a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Días desde el inicio de la experiencia 7 14 21 28 35 42 48 56 64 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,93 0,91 0,94 0,84 0,89 0,84 0,90 0,79 0,63 0,56 0,63 0,58 0,51 0,44 0,47 0,47 0,31 0,30 0,44 0,32 0,29 0,28 0,30 0,26 0,26 0,26 0,27 0,27 En la Figura 3.6 aparece representado el valor medio de esta relación, para el conjunto de los digestores. 1,2 1,0 Relación AGV/ALC 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 7 14 21 28 35 42 48 56 64 Días Fig. 3.6. Relación AGV/ALC media para el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Demanda química de oxígeno En la Tabla 3.24 se recoge la evolución de la demanda química de oxígeno (DQO) media en los digestores. Los datos expuestos corresponden al valor medio de los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas. 160 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.24. Demanda química de oxígeno (mg L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Días desde el inicio de la experiencia Mezcla (proporción chumbera : tomate) 0 (*) 14 28 42 1:3 8894 6886 7847 5844 1:1 7939 7465 7539 6169 3:1 7331 6958 7308 6023 1:0 6918 6813 6309 6413 (*) Calculado a partir del contenido en materias primas e inóculo 56 3878 5052 4330 3969 La evolución de la DQO media puede apreciarse en la Figura 3.7. 8000 -1 DQO (mg L ) 9000 7000 6000 5000 4000 3000 0 14 28 42 56 Días Fig.3.7. DQO media en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Sólidos totales y sólidos volátiles Las tablas 3.25 y 3.26 recogen, respectivamente, la evolución del contenido en sólidos totales y sólidos volátiles de los distintos digestores, agrupados en función de la mezcla de materias primas que emplearan como sustrato. Tabla 3.25. Contenido en sólidos totales (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. (*) Calculado a partir del contenido en materias primas, sólidos introducidos inicialmente, e inóculo Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Días desde el inicio de la experiencia 0(*) 8 15 22 29 36 43 50 57 65 9,09 9,20 9,28 9,33 4,89 5,37 5,58 5,91 5,77 6,10 5,90 6,00 6,75 7,15 7,04 7,18 6,34 6,45 7,18 7,22 7,34 7,36 7,73 7,82 7,76 7,55 8,10 8,19 6,35 6,76 7,21 7,15 6,22 6,45 6,75 6,84 6,19 6,55 6,71 6,73 161 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.26. Contenido en sólidos volátiles (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. Mezcla Días desde el inicio de la experiencia (proporción chumbera : 0(*) 8 15 22 29 36 43 50 tomate) 1:3 7,50 3,28 3,59 4,01 3,78 3,89 3,66 2,46 1:1 7,51 3,58 3,42 4,29 3,84 3,85 3,13 2,64 3:1 7,51 3,71 3,60 4,44 4,20 4,21 3,85 3,22 1:0 7,52 3,92 3,74 4,16 4,26 4,12 3,74 2,96 (*) Calculado a partir del contenido en materias primas e inóculo 57 65 2,14 2,27 2,76 2,56 1,82 1,91 2,31 2,17 En la Figura 3.8 puede apreciarse la evolución de los valores medios de ambos parámetros para el conjunto de los digestores. 10 Sólidos (g L-1) 9 8 7 6 Sólidos totales Sólidos volátiles 5 4 3 2 1 0 0 8 15 22 29 36 43 50 57 65 Días Fig. 3.8. Concentración media de sólidos totales y volátiles en el conjunto de los digestores a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch. 3.2.1.5. Eliminación de sólidos volátiles. El porcentaje de sólidos volátiles eliminados en los digestores durante el proceso de digestión anaeróbica se recoge en la Tabla 3.27. Los datos expuestos corresponden al valor medio de los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas. 162 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.27. Porcentaje de sólidos volátiles eliminados en la experiencia de digestión anaeróbica mediante el sistema batch Mezcla (proporción chumbera : tomate) Sólidos volátiles eliminados (%) 1:3 1:1 3:1 1:0 75,8 74,6 69,3 71,2 3.2.2. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera y frutos de tomate. El cómputo de los días considerado en los distintos resultados correspondientes a esta experiencia (mostrado en tablas y figuras) parte de la fecha inicial de la misma, que se corresponde con el día 323 tras la puesta en marcha inicial de los digestores (día 1 de la experiencia anterior), y comienza tras un periodo de alimentación previo de 64 días para lograr la reactivación microbiana y puesta en régimen de los digestores (véase apartado 2.3.4.3). 3.2.2.1. Caracterización del material vegetal empleado Tras el triturado, mezclado, y homogeneizado de los cladodios se tomaron muestras para determinar el contenido en sólidos totales (materia seca) y sólidos volátiles (materia orgánica) de la mezcla empleada en esta experiencia. Los resultados de los análisis llevados a cabo arrojaron unos valores de 6,40 ± 0,04 % para los sólidos totales y de 4,94 ± 0,02 % para los sólidos volátiles (lo que implica que estos suponen el 77,0 ± 0,11 % de los sólidos totales). Los resultados, expresados como X ± σ, corresponden a 3 repeticiones del análisis. En cuanto a las características de la mezcla de tomate empleada en esta experiencia, quedan recogidas en la Tabla 3.28. Tabla 3.28. Contenido en sólidos totales, sólidos volátiles y azúcares reductores de la mezcla de tomate empleada en la experiencia de digestión anaeróbica semicontiua (resultados correspondientes a 3 repeticiones y expresados como X ± σ) Sólidos totales Sólidos volátiles Azúcares reductores (sms) 163 Porcentaje 5,2±0,32 4,7±0,29 55,6±7,99 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 3.2.2.2. Producción de metano y biogás. En las tablas 3.29 y 3.30 se recogen, respectivamente, los datos correspondientes a las producciones totales de biogás y metano en cada digestor, así como los rendimientos obtenidos a partir de los sustratos empleados. Tabla 3.29. Volumen de biogás (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) y rendimientos obtenidos en los distintos digestores mediante el sistema semicontinuo de alimentación (TRH = 25,6 días). Rendimiento en Carga Sólidos introducidos (g) biogás Volumen Proporción orgánica total de Digestor chumbera : (g SV L-1 L biogás L biogás tomate Totales Volátiles biogás (L) -1 día ) kg ST -1 kg SV -1 1 2 3 4 5 6 7 8 3:1 1:1 1:3 1:0 3:1 1:1 1:3 1:0 0,33 0,26 0,22 0,18 0,66 0,52 0,43 0,37 53,3 43,6 37,4 33,2 106,5 87,1 74,9 66,4 46,06 36,16 29,89 25,55 92,12 72,33 59,78 51,10 24,23 18,99 14,02 13,59 37,65 35,2 28,44 22,79 455 436 375 410 354 404 380 343 526 525 469 532 409 487 476 446 Tabla 3.30. Volumen de metano (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad) y rendimientos obtenidos en los distintos digestores mediante el sistema semicontinuo de alimentación (TRH = 25,6 días). Proporción Digestor chumbera : tomate 1 2 3 4 5 6 7 8 3:1 1:1 1:3 1:0 3:1 1:1 1:3 1:0 Carga Sólidos introducidos (g) Volumen Rendimiento en CH4 orgánica total de L CH4 kg L CH4 kg (g SV L-1 Totales Volátiles CH4 (L) -1 ST -1 SV -1 día ) 0,33 53,3 46,06 12,33 232 268 0,26 43,6 36,16 9,73 223 269 0,22 37,4 29,89 7,34 196 245 0,18 33,2 25,55 7,12 215 279 0,66 106,5 92,12 20,43 192 222 0,52 87,1 72,33 18,66 214 258 0,43 74,9 59,78 15,18 203 254 0,37 66,4 51,10 11,95 180 234 En la Figura 3.9 puede apreciarse la evolución en la producción media diaria de metano en los distintos digestores. 164 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Volumen medio diario de metano (L) 0,70 Dig 1 Dig 2 Dig 3 Dig 4 Dig 5 Dig 6 Dig 7 Dig 8 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 1 2 3 4 Semana Fig. 3.9. Producción media diaria de metano durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad). En la Figura 3.10 se puede apreciar evolución de la producción acumulada – medida - de metano, a lo largo de la duración de la experiencia. Volumen acumulado de metano (L digestor-1) 20 18 Dig 1 Dig 2 Dig 3 Dig 4 Dig 5 Dig 6 Dig 7 Dig 8 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Día Fig. 3.10. Producción acumulada de metano durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua (litros a 25ºC, 1 atm, y 0% de humedad). 165 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. En la Tabla 3.31 se recoge el porcentaje medio de metano del gas producido en cada digestor. Tabla 3.31. Contenido medio en metano del biogás producido en los distintos digestores durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua (resultados expresados como X ± σ). Digestor 1 2 3 4 5 6 7 8 Proporción chumbera : tomate 3:1 1:1 1:3 1:0 3:1 1:1 1:3 1:0 Contenido medio en metano (%) 50,9±3,47 51,2±3,31 52,3±2,40 52,4±2,83 54,3±3,64 53,0±3,58 53,4±2,73 52,5±3,24 Si se agrupan los valores recogidos en la tabla anterior en función de la mezcla de materias primas empleadas en la elaboración del sustrato, pueden obtenerse los porcentajes medios de metano en el biogás producido a partir de cada una de dichas mezclas (Tabla 3.32). Tabla 3.32. Contenido medio en metano del biogás producido a partir de las distintas mezclas de materias primas empleadas en la elaboración del sustrato. Mezcla (proporción chumbera : tomate) 3:1 1:1 1:3 1:0 Contenido medio en metano (%) 52,6 52,1 52,9 52,4 El porcentaje de metano contenido en el biogás, a lo largo de la experiencia, se muestra en la Figura 3.11. 166 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 65 60 Dig 1 Dig 2 Metano (%) Dig 3 Dig 4 55 Dig 5 Dig 6 Dig 7 50 Dig 8 Media Lineal (Media) 45 40 2 3 6 7 8 9 10 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 27 28 29 30 Días Fig. 3.11. Contenido porcentual de metano en el biogás obtenido durante la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. 3.2.2.3. Parámetros de seguimiento y control Evolución del pH En la Tabla 3.33 se resumen los valores máximos, mínimos, y medios del pH medido en los digestores a lo largo de la experiencia. Los datos expuestos corresponden a los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas. 167 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.33. Valores de pH a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Mezcla (proporción Valor mínimo chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 6,40 6,53 6,01 6,56 Valor máximo Valor medio 7,36 7,66 7,50 7,49 7,10 7,06 7,07 7,08 La Figura 3.12 muestra el pH, a lo largo de la experiencia, mediante la representación de los valores máximos, mínimos y medios diarios, para el conjunto de digestores. 8 7,8 7,6 7,4 pH medio pH 7,2 pH máximo 7 pH mínimo 6,8 Lineal (pH medio) 6,6 6,4 y = -0,0035x + 7,1184 6,2 6 2 3 6 7 8 9 10 13 14 15 16 17 20 21 21 23 24 27 28 29 30 Días Fig 3.12. Valores de pH para el conjunto de digestores, a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Alcalinidad total y contenido en ácidos grasos volátiles El contenido en alcalinidad total de los distintos digestores a lo largo de la experiencia se resume en la Tabla 3.34. Al igual que en el caso del pH, los datos expuestos corresponden al valor medio de los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas. 168 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.34. Alcalinidad total (mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Día 8 Día 15 Día 21 Día 29 4197 3732 3470 3522 3883 3818 3689 3593 3315 3367 3277 3283 3173 3219 3173 3109 El contenido en ácidos grasos volátiles a lo largo de la experiencia se recoge en la Tabla 3.35. Tabla 3.35. Contenido en ácidos grasos volátiles (AGVs expresados en mg CaCO3 L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Día 8 Día 15 Día 21 Día 29 684 632 658 710 903 916 864 806 787 839 748 748 884 864 742 793 A partir de estos datos puede establecerse la relación AGV/ALC a lo largo de la experiencia, tal y como se expone en la Tabla 3.36. Tabla 3.36. Relación AGV/ALC a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Mezcla (proporción chumbera : tomate) 1:3 1:1 3:1 1:0 Día 8 Día 15 Día 21 Día 29 0,16 0,17 0,19 0,20 0,23 0,24 0,23 0,22 0,24 0,25 0,23 0,23 0,28 0,27 0,23 0,25 En la Figura 3.13 puede apreciarse la evolución de la alcalinidad media en los digestores 1 – 4 (con cargas orgánicas entre 0,18 y 0,33 g SV L digestor -1 día-1 frente a la de los digestores 5 – 8 (con cargas orgánicas entre 0,37 y 0,66 g SV L digestor -1 día-1. 169 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4500 Alcalinidad -1 (mg CaCO3 L ) 4000 3500 Media 1-4 Media 5-8 3000 2500 2000 8 15 21 29 Días Fig. 3.13. Contenido medio en alcalinidad en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. -1 Ácidos grasos volátiles (mg CaCO3 L ) De forma análoga puede representarse el contenido medio en ácidos grasos volátiles, tal y como se aprecia en la Figura 3.14. 1300 1100 900 Media 1-4 700 Media 5-8 500 300 8 15 21 29 Días Fig. 3.14. Contenido medio en ácidos grasos volátiles en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Y, finalmente, puede representarse la relación AGV/ALC (Figura 3.15) 170 Relación AGV/ALC Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 0,36 0,32 0,28 0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 0,00 Media 1-4 Media 5-8 8 15 21 29 Días Fig. 3.15. Relación AGV/ALC en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Sólidos totales y sólidos volátiles En las tablas 3.37 y 3.38 se recogen – respectivamente- los valores del contenido en sólidos totales y en sólidos volátiles a lo largo de la experiencia. Los datos expuestos corresponden al valor medio de los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas Tabla 3.37. Contenido en sólidos totales (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Mezcla (proporción Día 1(*) chumbera : tomate) Día 8 Día 15 Día 21 Día 29 1:3 12,04 10,08 8,84 7,78 7,58 1:1 12,37 10,36 8,87 8,37 7,72 3:1 12,56 10,20 9,12 8,05 7,55 1:0 12,26 9,86 9,66 7,86 7,88 (*) En muestras tomadas de forma previa al inicio de la experiencia. 171 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.38. Contenido en sólidos volátiles (g L-1) a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Mezcla (proporción chumbera : tomate) Día 1 Día 8 Día 15 Día 21 Día 29 1:3 3,89 3,41 3,12 2,57 3,16 1:1 4,15 3,50 3,27 3,26 3,29 3:1 4,13 3,71 3,35 2,77 3,01 1:0 4,09 3,26 3,94 2,87 3,37 (*) En muestras tomadas de forma previa al inicio de la experiencia. En la Figuras 3.16 y 3.17 puede apreciarse el contenido medio en sólidos totales y sólidos volátiles en los digestores 1 – 4 frente a la de los digestores 5 – 8. 14 Sólidos totales (g L-1) 13 12 11 Media 1-4 10 Media 5-8 9 8 7 6 0 8 15 21 29 Días Fig. 3.16. Contenido medio en sólidos totales en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua 172 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Sólidos volátiles (g L-1) 5,0 4,5 4,0 Media 1-4 3,5 Media 5-8 3,0 2,5 2,0 0 8 15 21 29 Días Fig. 3.17. Contenido medio en sólidos volátiles en los digestores 1 – 4 y 5 – 8 lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. 3.2.2.3. Rendimientos por unidad de volumen y sólidos volátiles eliminados. La Tabla 3.39 recoge la producción media diaria de biogás y metano por cada litro de líquido contenido en el digestor. Tabla 3.39. Volumen medio de metano y biogás producidos diariamente por cada litro de líquido contenido en el digestor en la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Digestor Proporción chumbera: tomate Carga orgánica (g SV L-1 día-1) Biogás (ml L-1 día-1) Metano (ml L-1 día-1) 1 2 3 4 5 6 7 8 3:1 1:1 3:1 1:0 3:1 1:1 3:1 1:0 0,33 0,26 0,22 0,18 0,66 0,52 0,43 0,37 175 137 101 98 272 254 205 164 89 70 53 51 147 135 110 86 Finalmente, la Tabla 3.40 muestra la eliminación de sólidos volátiles a lo largo de la experiencia. Los datos expuestos corresponden al valor medio de los digestores que emplearon como sustrato la misma mezcla de materias primas. 173 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 3.40. Porcentajes de sólidos volátiles eliminados a lo largo de la experiencia de digestión anaeróbica semicontinua. Mezcla (proporción chumbera : tomate) Día 1 Día 8 Día 15 Día 21 Día 29 Media 1:3 1:1 3:1 1:0 70,4 60,1 47,5 48,6 72,8 63,6 54,8 37,3 77,7 64,2 62,7 56,3 72,9 65,7 57,9 48,9 73,5 63,4 55,7 47,8 73,5 63,4 55,7 47,8 174 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4. DISCUSIÓN 175 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4.1. Material vegetal empleado. Los datos obtenidos a partir del análisis químico de los cladodios de chumbera empleados en las distintas experiencias se comparan a continuación con los datos de estudios precedentes, recogidos en la bibliografía. Los cladodios empleados en la obtención de etanol (CB) presentan un porcentaje medio de materia seca del 14,6% (véase Tabla 3.1), similar al de los empleados en la experiencia de digestión anaerobia en batch (CDB), cuyo valor medio fue 15,6 % (Tabla 3.15), y superior al de aquellos destinados a la obtención de biogás mediante un proceso semicontinuo de alimentación (CDS), que contenían un 6,4 % de materia seca (véase apartado 3.2.2.1). Los tres valores expuestos se ubican dentro del intervalo recogido en la bibliografía (4,8 – 19,1 %) (Tabla 1.24). Debido a las adaptaciones morfológicas y fisiológicas de la chumbera a la sequía, el contenido en humedad de los cladodios depende en gran medida del régimen hídrico al que estén sometidas las plantas, y fluctúa ampliamente a lo largo del año en plantas cultivadas en secano. Resulta lógico, por tanto, que los cladodios cosechados en septiembre de 2008 (CB) y julio de 2009 (CDB) en Almería, tras un largo periodo sin apenas precipitaciones (menos de 20 mm en los tres meses previos a cada cosecha) presenten contenidos en materia seca proporcionalmente muy superiores a los encontrados en los cladodios cosechados en julio de 2010 en Madrid, tras un principio de verano relativamente lluvioso (51,3 mm en los 45 días previos a la cosecha). El contenido en materia orgánica, tanto de los cladodios CDB (84,0 %, sms) (Tabla 3.15) como de los CDS (77,0 %, sms) (véase apartado 3.2.2.1), se encuentra dentro del rango de valores expuesto en la bibliografía (67,0 – 91,4 %, sms) (Tabla 1.24). En cuanto a su contenido en hidratos de carbono, tanto el porcentaje de azúcares reductores de los cladodios CB (5,7%, sms, véase Tabla 3.1) como el de los CDB (4,5 %, sms - Tabla 3.15) se encuentran dentro del rango observado por Retamal et al en 1986 (1,0 – 10,3%, sms). En el caso del contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables de los mismos, estos suponen el 32,4% de la materia seca de los cladodios CB (Tabla 3.1), y alcanzan el 41,2 % en los cladodios CDB (Tabla 3.15), por lo que, en ambos casos, se sitúan dentro del intervalo de valores recogidos en la bibliografía para el contenido en hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa (25,1 – 51,4%, sms) (Tabla 1.24). Las diferencias entre ambos grupos de cladodios pueden justificarse en la existencia de una cierta variabilidad en el contenido de hidratos de carbono en los cladodios a lo largo del año (tal y como exponen Retamal et al en 1986), así como en la posible variabilidad intervarietal de este parámetro (lo que se reflejaría en la amplitud del rango de valores bibliográficos). Respecto a la fracción fibrosa, los contenidos porcentuales en hemicelulosa (15,2%, sms), y lignina (3,8%, sms) de los cladodios CDB (Tabla 3.15), se sitúan en los correspondientes intervalos recogidos en la bibliografía (4,3 – 23,2 % y 2,3 – 6,9 %, sms, respectivamente – Tabla 1.24). En cambio, su contenido en celulosa (4,9 %, sms – Tabla 3.15) es inferior a los recogidos en la bibliografía consultada (10,1 – 21,6 %, sms – Tabla 1.24). Esto último probablemente está relacionado con el hecho de que se trata únicamente de cladodios terminales, al contrario de lo que ocurre en el caso de varias de las experiencias recogidas en la bibliografía, en las que se caracterizaron mezclas de cladodios que ocupaban posiciones terminales y subterminales en las ramas. Estos últimos suelen contener un mayor porcentaje de 176 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. fibra, de acuerdo con Valdez – Cepeda et al, (2008), tal y como puede apreciarse en la Tabla 1.19. Finalmente, tanto el contenido en grasa cruda (3,5 %, sms) como el de proteína bruta (3,0%, sms) de los cladodios CDB se encuentran en el intervalo de valores recogidos en la bibliografía (1,2 – 7,2 % y 2,97 – 16,7 %, sms, respectivamente – Tabla 1.24), si bien el de proteína bruta se ubica en la zona inferior del mismo, lo que resulta lógico, al proceder dichos cladodios de plantas no fertilizadas. Puede decirse, por tanto, que los valores de la mayoría de los componentes de la biomasa que afectan a los procesos de obtención de bioetanol y biogás se hallan dentro de los intervalos de valores bibliográficos, lo que implica que las chumberas empleadas, cultivadas en España, son similares en cuanto a su composición a las presentes en otros lugares del mundo (la mayoría de los datos bibliográficos provienen de México, Brasil, y el norte de África). Esto es algo que no puede simplemente darse por hecho a priori, dada la variabilidad del cultivo y los problemas de identificación taxonómica que ello conlleva (tal y como se expuso en la introducción), y otorga una mayor utilidad (por cuanto a una mayor universalidad se refiere) a los resultados obtenidos, de modo que puedan esperarse valores similares en experiencias adecuadamente reproducidas en otras áreas de cultivo, empleando como sustrato chumberas locales con características externas similares a las que presentan las aquí utilizadas. En lo que respecta a los frutos de tomate, tanto los empleados en la digestión anaeróbica en batch como los utilizados en el ensayo de alimentación semicontinua presentan un contenido en materia seca muy similar (5,6 % y 5,2 %, respectivamente), situado en el intervalo de valores publicados por Guil-Guerrero y Rebolloso-Fuentes (2009) para frutos pertenecientes a ocho variedades comerciales de tomate cultivadas en Almería (4,0 – 6,7 %). Los valores obtenidos se hallan también en el mismo rango que los expuestos por Hernández et al (2008) para tomates de cinco variedades distintas cultivadas en Tenerife (4,4 – 8,8 %). En cuanto a sus contenidos en materia orgánica (5,0 % y 4,7 %, respectivamente), ambos se encuadran en el rango hallado por Thybo et al en 2006 (4,3 – 5,0 %). El contenido en azúcares reductores (44,0 %, sms para los frutos empleados en la primera experiencia de biogás y 55,6 % sms en el caso de los tomates destinados a la segunda experiencia) resulta, sin embargo, claramente superior al contenido en azúcares totales expuesto por Guil y Rebolloso (24,1 – 31,5 % sms) y a la suma de los contenidos en fructosa y glucosa publicados por Hernández et al (ca. 32 %, sms). Este fenómeno probablemente se deba al estado de avanzada madurez de los frutos, en los cuales todo el almidón se habría transformado en azúcares solubles, lo que resulta coherente con el hecho de que los análisis llevados a cabo para tratar de determinar la cuantía de este compuesto dieran como resultado valores en torno a cero. En cuanto a su contenido en fibra total (suma de celulosa, hemicelulosa, y lignina), su valor (35, 8 %), se ubica dentro del rango de valores obtenidos por Hernández et al (14,8 – 60,7 %, sms). Finalmente, tanto el contenido en grasa cruda (3,0 %, sms) como el de proteína bruta (15,6%, sms) de los frutos de tomate empleados se encuentran en el intervalo de valores expuesto por Guil-Guerrero y Rebolloso-Fuentes en 2009 (3,0 – 12,6 % y 13,6 – 20,0 %, sms, respectivamente). 177 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Si se compara la composición de ambas materias primas, llama la atención el mayor contenido en fibra del fruto de tomate (25,8 %) frente al encontrado en los cladodios de chumbera (23,9 %), especialmente si se tiene en cuenta que son –respectivamente – una baya y un tallo modificado. Destaca particularmente el elevado contenido en lignina de los frutos de tomate. Esta se hallaría, principalmente, en las cubiertas seminales y probablemente sea el motivo de la difícil degradación anaeróbica de las semillas de tomate, tal y como se muestra en la Figura 4.1, donde puede apreciarse una de las, halladas en el digestor 1 tras –aproximadamente- 270 días de funcionamiento (durante el periodo de transición). Fig. 4.1. Semilla de tomate extraída del digestor 1 tras 270 días en funcionamiento. A la izquierda, tal y como se halló en el digestor. A la derecha, tras seccionarla con un bisturí de modo que pueda apreciarse su interior. Fotos: autor. 4.2. Producción de bioetanol a partir de cladodios de chumbera. 4.2.1. Experiencias preliminares Los resultados de las experiencias preliminares 1 y 3 muestran como los resultados de producción de etanol obtenido a partir de material hidrolizado mediante el empleo de un ácido fuerte, con rendimientos de fermentación entre el 47 y el 58 % del máximo teórico (sobre el contenido total en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables,) son claramente superiores a aquellos obtenidos a partir del material sin hidrolizar, cuyos rendimientos representaron valores entre el 3 y el 42 % del máximo teórico (considerando –en este caso- únicamente el contenido en azúcares reductores de los cladodios). Al mismo tiempo, la experiencia preliminar 3 muestra como el tratamiento térmico de autoclavado no es suficiente para obtener una adecuada hidrólisis de los polisacáridos contenidos en los cladodios, ya que los azúcares obtenidos mediante este procedimiento (que representan en torno al 6,5 % de su materia seca) apenas superan el contenido en azúcares reductores de los mismos (5,7%). 178 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Del resultado de ambas experiencias puede concluirse que la hidrólisis ácida es una etapa necesaria para el adecuado aprovechamiento del potencial de los cladodios de chumbera como materia prima para la obtención de bioetanol (en el contexto del presente trabajo, donde la sacarificación se pretende llevar a cabo por vía termoquímica). En otro orden de cosas, en la experiencia preliminar 2 puede apreciarse como, para valores crecientes de inóculo entre 10 y 50 g MF L-1 existe una ligera tendencia al incremento de la concentración de alcohol, alcanzándose el valor máximo mediante el empleo de 40 g MF L-1, tal y como se muestra en la Tabla 3.4. No existe, sin embargo, una relación lineal clara (R2 = 0,49) entre la cantidad de levadura empleada y la producción de etanol, por lo que puede asumirse que, para el tiempo de fermentación considerado (5 días), la cantidad de levadura empleada no es un factor limitante del proceso en el rango 30 – 50 g/L , ya que satura el sustrato. 4.2.2. Obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera tratada mediante el empleo de dos métodos diferentes de hidrólisis ácida En esta experiencia se emplearon dos sustratos obtenidos mediante dos hidrólisis ácidas diferentes. El sustrato S1 se obtuvo mediante el empleo de HCl a 100ºC durante 30 minutos, mientras que el sustrato S2 se obtuvo mediante el empleo de H2SO4 a 121ºC durante 20 minutos. Una vez obtenidos los resultados se llevaron a cabo diversas pruebas estadísticas (basadas en el análisis de la varianza) con el objeto de determinar posibles diferencias significativas entre los mismos (concentración de etanol en el medio y rendimiento de fermentación), en función de las variables consideradas (sustrato, tiempo de retención y temperatura). En la Tabla 4.1 se recogen los resultados de los análisis estadísticos llevados a cabo considerando el parámetro concentración de etanol en el medio fermentado como variable dependiente. Tabla 4.1. Análisis de la varianza de los resultados obtenidos considerando la concentración de etanol en el medio fermentado como variable dependiente. S1: Sustrato obtenido mediante hidrólisis con HCl a 100ºC, durante 30 min; S2: sustrato obtenido mediante hidrólisis con H2SO4, a 121ºC, durante 20 min. Ensayos analizados Análisis de la Varianza Variable Factor Fuente dependiente Concentración E.G. Sustrato (S1,S2) de etanol D.G. GL F 1 514,16 59 Tiempo de E.G. 1 6,43 Concentración retención (4d,5d) D.G. 30 S1i de etanol Temperatura E.G. 1 1,81 (25ºC, 30ºC) D.G. 30 Tiempo de E.G. 1 0,34 Concentración retención (4d, 5d) D.G. 27 S2i de etanol Temperatura E.G. 1 0,53 (25ºC, 30ºC) D.G. 27 Dónde: GL = Grados de libertad, E.G. = Entre grupos, D.G. = Dentro del grupo S1i, S2i 179 P <0,0001 0,0167 0,1891 0,5641 0,4727 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. La conclusión más destacable de este análisis es la significancia estadística de las diferencias en la concentración de etanol en función del tipo de sustrato empleado, siendo los resultados obtenidos a partir del sustrato S2 (los cuales no presentan diferencias significativas entre si en función de la temperatura o el tiempo de retención empleados) superiores a los obtenidos a partir de S1 (véase Tabla 3.10). En cuanto a los rendimientos de fermentación obtenidos (véase tablas 3.12 y 3.13), el análisis de la varianza llevado a cabo para comparar resultados en función del sustrato considerado (S1 y S2), detectó la existencia de diferencias significativas entre ambos, considerando un α = 0,05. Debido a este motivo puede considerarse que los rendimientos obtenidos en las fermentaciones a partir del sustrato S2 ( = 29,9%) son significativamente superiores a los obtenidos a partir del sustrato S1 ( = 18,2%). No se han apreciado, por otra parte, diferencias estadísticamente significativas (tras llevar a cabo el análisis de la varianza correspondiente) entre las concentraciones de etanol obtenidas en los diversos ensayos de control (véase Tabla 3.11) cuando se han considerado como factores del análisis los parámetros cantidad de inóculo (20 y 60 ml) y tiempo de retención (4 y 5 días), aunque si se han detectado dichas diferencias en función del parámetro temperatura (siendo superiores las concentraciones en ensayos llevados a cabo 30ºC, frente a aquellos a 25ºC). En cuanto al factor de severidad combinada (CSF) aplicado, el valor del mismo en el caso de las hidrólisis que dieron lugar a los sustratos S1 (HCl 1M, 100ºC, 30 min) es ligeramente inferior (1,5) a los obtenidos en el caso de los hidrólisis empleadas para obtener el sustrato S2 (H2SO4, 121ºC, 20 min), cuyos valores oscilan entre 1,5 y 1,8. Se trata, en cualquier caso, de valores bajos (dentro del rango de los empleados por Larsson et al (1999) para el estudio de la hidrólisis con ácidos diluidos de materias lignocelulósicas, los cuales oscilaban entre 1,4 y 5,4). Por este motivo, a los hidratos de carbono sacarificados mediante los procedimientos empleados se les ha denominado como “fácilmente hidrolizables”. Respecto a los ensayos llevados a cabo con S2 como sustrato, en la Tabla 2.6 puede apreciarse como la cantidad de ácido sulfúrico empleada en el ensayo S2-1 es proporcionalmente superior a las empleadas en el resto de los mismos. A pesar de ello, su concentración en azúcares reductores (determinada mediante el método de Nelson – Somogyi tras la hidrólisis con ácido sulfúrico en autoclave) se estima en torno a 23.991 ppm, cifra que se sitúa en el rango del contenido potencial en hidratos de carbonos fácilmente hidrolizables de la cantidad de triturado de cladodios empleado en su elaboración (23.818 ± 1.359 ppm). Al mismo tiempo, el análisis de la varianza de los rendimientos de fermentación alcanzados en los distintos ensayos muestra la inexistencia de diferencias estadísticamente significativas entre los rendimientos obtenidos en este ensayo y los alcanzados en el ensayo S2-2 (de acuerdo con el método de comparación de medias de Bonferroni). Debido a estos motivos, el ensayo S2-1 se ha considerado una repetición homogénea en el conjunto de los llevados a cabo con el sustrato S2. En cuanto a la evolución del pH en las fermentaciones llevadas a cabo con S2, el valor de este parámetro desciende un 0,21, en promedio. En el caso de que esta disminución se atribuya en su totalidad a la creación de ácido acético, su cuantía supondría alrededor de 163 ppm, es decir, en torno al 2,4 % de la concentración de etanol del medio, lo que implicaría unas pequeñas pérdidas de este compuesto durante el proceso. Finalmente, considerando el contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables hallado en los cladodios empleados en esta experiencia (32,4%, sms) y los rendimientos de 180 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. transformación obtenidos en los ensayos S2 (21,8 - 39,7% p/p), se llega a la conclusión de que la producción de etanol (99,9 %) a partir de una tonelada de materia seca de cladodios de chumbera puede oscilar entre los 89,4 y los 162,8 litros. Estos valores resultan superiores al expuesto por Retamal et al en 1987 tras la fermentación de cladodios frescos previamente sometidos a hidrólisis ácida (71 L t MS-1). Debido, además, al procedimiento empleado en la elaboración del sustrato S2 (evitando, en la medida de lo posible, su dilución) las concentraciones de etanol correspondientes a la fermentación del mismo oscilan entre 0,71 y 1,07 ml 100 ml-1, siendo por tanto ligeramente superiores a las que se obtuvieron en el citado trabajo empleando cladodios frescos como sustrato y un proceso de hidrólisis ácida con HCl. En el caso de los ensayos S2 -1 y S2 – 2, las concentraciones alcanzadas (0,94 – 1,07 ml 100 ml-1) son incluso superiores a las obtenidas en 1987 a partir de la combinación de hidrólisis ácidas y enzimáticas sobre cladodios frescos (0,86 ml 100 ml-1). En cuanto a las vinazas producidas a partir del proceso de obtención de etanol (sustrato S2, véase Tabla 3.14), su relación carbono/nitrógeno alcanza un valor medio de 63 ± 10,4, más elevado, por tanto, de lo recomendable para su empleo en un proceso de digestión anaeróbica (donde valores entre 20 y 30 suelen considerarse como óptimos). Esto las convierte en un adecuado cosustrato de materias primas que presenten un alto contenido en nitrógeno, como, por ejemplo, los residuos ganaderos. Por otra parte, su contenido en potasio (14.353 ± 4.860 ppm) alcanza valores para los que se han observado inhibiciones en la producción de biogás (lo que puede ocurrir por encima de los 5.800 ppm, de acuerdo con Chen et al, 2008), y su contenido en azufre es tan elevado (5.875 ± 1.990,3) que podrían alcanzarse en el digestor niveles de H2S superiores a los límites a partir de los cuales se han apreciado inhibiciones de la digestión anaeróbica (> 1000 ppm, según Chen et al, 2008). Así pues, la gestión de las vinazas mediante este proceso requeriría de pretratamientos destinados a reducir el contenido en azufre y potasio de la fracción que se pretenda digerir (separación de las fracciones líquida y sólida y posterior retirada de los iones por precipitación y centrifugación, por ejemplo). Otra posible solución a la presencia de azufre en exceso es el empleo de un ácido fuerte distinto, como el fosfórico o el nítrico (el ácido clorhídrico, empleado en los sustratos S1, suele considerarse demasiado volátil para su utilización a escala industrial). Como alternativa a la digestión anaerobia podría contemplarse el aprovechamiento térmico de las vinazas mediante la combustión de la fracción sólida de las mismas (tras una separación de fases y teniendo en cuenta la necesidad de una gestión posterior de la fracción líquida), o su empleo como fertilizante orgánico (una vez neutralizadas y, preferiblemente, tras un compostado previo). De acuerdo con los valores de composición expuestos en la Tabla 3.14, cada tonelada de vinazas frescas aportaría 0,3 kg de nitrógeno, 14,4 kg de potasio, y 5,9 kg de azufre. A modo de resumen puede establecerse que a partir de cladodios de chumbera que contengan un porcentaje de hidratos de carbono fácilmente hidrolizables en torno al 32,4 % (sms) y sean sometidos a hidrólisis ácidas cuyos factores de severidad combinada (CSF) se sitúen entre 1,46 y 1,76, pueden obtenerse rendimientos del proceso de fermentación alcohólica entre el 21,8 39,7% (p/p) y, por tanto, cantidades de bioetanol entre los 89,4 y los 162,8 litros por tonelada de materia seca de biomasa. Como inconveniente del proceso estudiado a la hora de su aplicación a una escala industrial puede mencionarse el elevado coste del ácido empleado, por lo que debería estudiarse la 181 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. viabilidad de hidrólisis alternativas, las cuales podrían consistir en el empleo de enzimas o en la adaptación de procesos empleados en los pretratamientos de materias primas destinadas a la obtención de biogás o bioetanol de segunda generación (como, por ejemplo, las microondas o los tratamientos a alta presión y temperatura). 4.3. Producción de biogás a partir de cladodios de chumbera y de mezclas de cladodios de chumbera y frutos de tomate. 4.3.1. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera. A partir de los resultados obtenidos puede observarse como el desarrollo de esta experiencia contempla tres fases, más o menos diferenciadas, tal y como se aprecia en la Figura 4.2. Fase I Fase II Fase III Fig. 4.2. Producción media diaria de biogás (medido) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera). En la primera fase (que transcurriría desde el inicio de la experiencia hasta pasadas, aproximadamente, 72 horas) se dan las mayores tasas diarias de producción de biogás de toda la experiencia (en torno a 0,9 L día-1). Esto se debe a la existencia de un adecuado pH (fruto de una alcalinización previa del sustrato) que permite a los microorganismos presentes en el inóculo metanizar con cierta rapidez los azúcares reductores presentes en el sustrato. Al mismo tiempo no es descartable que se produjera una cierta cantidad de hidrógeno (de forma similar a lo ocurrido en las experiencias publicadas por Contreras y Toha en 1984). 182 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. 4.3. Producción media diaria de biogás (medido) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) y pH medio en los mismos. En verde, intervalo de tiempo en el que se adicionó Ca CO3 (0,65 g por digestor en 3 dosis). En amarillo, intervalo de tiempo en el que se adicionó K OH (5,40 g por digestor en 6 dosis) En morado, adiciones de KHCO3 (12,02 g por digestor en 2 dosis) En la segunda fase, los procesos hidrolíticos y acidogénicos desembocan en un rápido descenso del pH hasta valores por debajo de 5, de tal forma que la metanogénesis resulta inhibida (veáse Figura 4.3). Este hecho hace necesaria la adición de sustancias alcalinizantes en cantidades suficientes para alcanzar valores de pH superiores a 6, al tiempo que permiten elevar el nivel de alcalinidad por encima de los 3000 mg CaCO3 L-1 y reducir la relación AGV/ALC por debajo de 0,3 (véase figuras 4.4 y 4.5). Hasta que estas condiciones se dan no vuelven a producirse cantidades significativas de biogás (>0,1 L día-1), lo que ocurre en torno al día 40 de la experiencia (coincidiendo con el considerado inicio de la tercera fase). El tardío comienzo de esta tercera fase difícilmente puede deberse a un posible retardo en los procesos hidrolíticos, ya que los hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa suelen degradarse rápidamente y metanizarse adecuadamente en tiempos de retención entre 20 y 30 días (según se deduce de los datos aportados por diversos autores, véase – por ejemplo – la recopilación llevada a cabo por Gunaseelan, (2004), por lo que debe atribuirse al bajo valor del pH en los digestores. Una vez que los parámetros relacionados con la alcalinidad alcanzan los niveles adecuados, la producción de biogás se recupera hasta alcanzar un valor máximo cercano a los 0,8 L día-1, tras lo cual comienza el agotamiento del sustrato que llevará al cese de la producción (en torno al día 57). 183 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. En las figuras 4.3, 4.5, y 4.6, puede apreciarse cómo las mayores producciones de biogás se producen cuando el pH supera el valor de 7, la alcalinidad alcanza valores de 3500 mg CaCO3 L-1, y la relación AGV/ALC oscila entre 0,2 y 0,3. Estas parecen ser, por tanto, las condiciones óptimas para la obtención de biogás a partir de la biomasa de chumbera, y no pueden alcanzarse sin la aportación externa de ciertas cantidades de sustancias alcalinizantes. Fig. 4.4. Producción diaria de biogás (L digestor-1) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) y evolución de la alcalinidad. Media semanal. Fig. 4.5. Producción diaria de biogás (L digestor-1) correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) y evolución de la relación AGV/ALC. Media semanal. 184 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Si se comparan los rendimientos obtenidos (368 – 371 L biogás kg SV -1) con el potencial estimado para los cladodios de chumbera empleados (el cual ha sido calculado a partir de la composición de los mismos de forma análoga al potencial teórico expuesto en la Tabla 1.28, y se estima en 683 L biogás kg SV -1) puede calcularse el rendimiento del proceso de digestión anaeróbica respecto al máximo teórico, el cual se sitúa en torno al 54,2% (teniendo en cuenta el aporte de sólidos volátiles del inóculo y considerando su rendimiento equivalente al de los cladodios). Dado que la experiencia se llevó a cabo hasta el cese de la producción de biogás, esta cifra indica que un importante porcentaje de la materia orgánica contenida en el sustrato aun no había comenzado su metanización en el momento en el que otros componentes (presumiblemente hidratos de carbono no pertenecientes a la fracción fibrosa, en su mayor parte) ya habían completado este proceso. Si se consideran los rendimientos del proceso respecto al contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables existente en los cladodios empleados (en torno al 41 %, sms), estos se sitúan en torno al 105 %, lo que implica, asumiendo que se trata de los compuestos más rápidamente degradables, que su transformación fue completa. Esto, expresado en otras palabras, quiere decir que el biogás producido procede principalmente de la degradación de los hidratos de carbono fácilmente hidrolizables presentes en el sustrato, ya que, a pesar del elevado tiempo de retención considerado, hubo poca degradación de los compuestos estructurales. 4.3.2. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera. Los rendimientos obtenidos en el ensayo semicontinuo de digestión anaeróbica (446 y 532 L biogás kg SV -1) muestran como un digestor con una población microbiana adecuadamente adaptada a un sustrato y en un medio cuyos valores de pH se sitúen en torno a la neutralidad, puede producir elevados rendimientos de biogás, mayores incluso que los obtenidos en el ensayo tipo batch, a pesar de emplear un tiempo de retención menor (25,6 días). En el caso de la digestión de la biomasa de chumbera empleada, estos valores de pH (6,6 – 7,5, véase Tabla 3.33) han podido mantenerse gracias al suministro de bicarbonato potásico en dosis tales que permitieran el establecimiento de los valores de alcalinidad en torno a los 3.300 mg CaCO3 L-1. La ligera tendencia a la disminución de este parámetro a lo largo de la experiencia no tuvo, de hecho, ningún efecto negativo sobre el porcentaje de metano contenido en el biogás (considerado como uno de los parámetros del proceso más sensibles a la acidificación), el cual tiende a aumentar a lo largo de la misma (véase Figura 4.6). Este nivel de alcalinidad resulta ser aproximadamente 3,7 veces menor al empleado por Obach y Lemus (2006) en su investigación acerca de la monodigestión de cladodios de chumbera (12.200 mg CaCO3 L-1) a pesar de que la carga orgánica empleada en aquel trabajo (0,84 g SV L-1 día-1) es tan sólo 2,4 veces superior a la más alta de las cargas empleadas en monodigestión de chumbera (0,37 g SV L-1 día-1). Así pues, los niveles de alcalinidad mantenidos en el presente trabajo, incluidos en el rango de los habitualmente existentes en los digestores industriales (1.000 - 5.000 mg CaCO3 L-1), podrían ser suficientes para llevar a cabo una adecuada digestión de la biomasa de chumbera (considerando las cargas orgánicas aquí empleadas). 185 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Figura 4.6. Evolución del porcentaje de metano en el biogás y de la relación AGV/ALC media semanal correspondiente a los digestores 4 y 8 (mezcla 1:0 – sólo chumbera) Los rendimientos obtenidos en la digestión anaeróbica de cladodios (234 y 279 L CH4 kg SV 1 , TRH = 25,6 d) se comparan a continuación con los obtenidos en investigaciones anteriores, detalladas en la introducción de este trabajo. Los resultados obtenidos se sitúan en el mismo orden de magnitud que aquellos estimados para las experiencias expuestas por Picazo en 2009 (212 y 235 L CH4 kg SVS-1, TRH = 34 d), Contreras y Toha en 1984 (288 L CH4 kg ST -1, TRH = 26 d), y Ramos en 2009 (126 – 192 L CH4 kg SV -1, TRH = 27 – 35 d), y son, por otra parte, claramente inferiores a los expuestos por Obach y Lemus en 2006 (501 L CH4 kg SV -1, TRH = 69 d) y ampliamente superiores a los obtenidos por Uribe et al en 1990 (12 – 51 L CH4 kg ST -1, TRH = 15 – 38 d). En el caso de la última experiencia citada, la ausencia de control del pH en el ensayo con chumbera como monosustrato supuso la acidificación del medio hasta pHs prácticamente incompatibles con una adecuada metanización del sustrato (5,3), lo que probablemente derivó en el final prematuro del ensayo (tras 15 días de digestión) y en la obtención de un bajo rendimiento (en un contexto donde todos los resultado pueden considerarse como bajos). En el caso de la experiencia de Obach y Lemus, el elevado tiempo de retención empleado es, con toda probabilidad, la causa del alto rendimiento obtenido, ya que permitiría la digestión de los polisacáridos estructurales contenidos en la biomasa. En cuanto al resto de las experiencias, las diferencias entre los distintos rendimientos obtenidos en las mismas, así como las existentes entre estas y los resultados del presente trabajo, están relacionadas con el hecho de que se trata de codigestiones de chumbera con diversos materiales, los cuales aportan una inevitable heterogeneidad a los resultados. Incluso los obtenidos por Ramos (2009) y Picazo (2009), cuyas experiencias comparten un diseño experimental, una infraestructura, y una metodología prácticamente idénticos entre si, arrojan valores muy distintos debido, en esencia, a la naturaleza del cosustrato empleado (cama de 186 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. pollo de engorde, en el caso de Ramos, un material más lignificado, y –por tanto- más difícilmente degradable que la gallinaza de ponedoras utilizada por Picazo). Los rendimientos obtenidos en el presente trabajo, junto con aquellos expuestos por Obach y Lemus (2006), muestran como los cladodios de chumbera son una materia prima muy versátil a la hora de seleccionar los tiempos de retención del proceso de digestión, ya que permiten obtener rendimientos de metano adecuados a partir de valores de este parámetro moderadamente bajos (similares a los empleados para residuos agrícolas), y, también, lograr rendimientos francamente elevados con tiempos habitualmente empleados en la digestión de materias primas lignocelulósicas. Esta versatilidad, deriva – obviamente - de una composición rica en polisacáridos tanto de reserva como estructurales, junto a un bajo nivel de lignina, lo que permite una cierta flexibilidad en la planificación del proceso de digestión a escala industrial a la hora, por ejemplo, de seleccionar posibles materias primas para una codigestión, o de dimensionar el tamaño de los reactores. Finalmente, si se considera el rendimiento medio obtenido en esta experiencia para la digestión anaeróbica de cladodios de chumbera, la producción de metano a partir de una tonelada de materia seca de de los mismos podría alcanzar los 198 m3 (25ºC, 1 atm). Expresado en términos de biogás, esto supondría unos 376 m3 de biogás (25ºC, 1 atm) con un PCI de 4.118 kcal m-3 (si se considera un PCI del metano en estas condiciones de presión y temperatura de 7.851 kcal m-3). 4.3.3. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica discontinua (batch) de cladodios de chumbera y frutos de tomate. Parte del trabajo experimental llevado a cabo en torno a la producción de biogás consistió en estudiar el efecto de la sustitución parcial en el sustrato de los cladodios de chumbera por frutos de tomate en distintas proporciones. En el caso de la digestión anaeróbica en régimen discontinuo, la existencia de tres fases diferenciadas a lo largo del proceso puede apreciarse en los digestores con mezclas de cladodios y frutos (digestores 1, 2, 3, 5, 6, y 7) del mismo modo que en aquellos digestores que contenían únicamente cladodios (digestores 4 y 8), ya comentados anteriormente. Los análisis llevados a cabo para determinar la composición de las materias primas empleadas revela la predominancia de los polisacáridos en la fracción carbohidratada de los cladodios, al contrario de lo que ocurre en el caso los frutos de tomate empleados, donde abundan mayoritariamente los azúcares reductores. Habría sido previsible, por tanto, que el proceso de digestión anaeróbica se llevara a cabo de forma más rápida en aquellos digestores con una mayor proporción de frutos de tomate. Sin embargo, al observar la Figura 3.1 (así como la Tabla 3.19) no se aprecia una clara tendencia al incremento en el tiempo de duración del proceso conforme aumenta la proporción de chumbera en el sustrato (si bien es cierto que la mezcla con un 75% de tomate es la que finaliza la digestión en primer lugar, tras 53,5 días). Además, al observar la Figura 3.2 (producción media semanal de biogás) puede apreciarse como los digestores que alcanzan en primer lugar la fase de máxima producción de biogás – en la sexta semana – son, de forma casi simultánea, el 1 (75% de tomate), el 6 (50% de tomate), y el 7 (25% de tomate). Posteriormente (en la séptima semana) los digestores 5 (75% de tomate) y 8 (0% de tomate) alcanzan su máximo de producción diaria prácticamente al mismo tiempo. 187 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Estos resultados parecen indicar, por tanto, que la sustitución de cladodios de chumbera por frutos de tomate no ralentizó ni aceleró el proceso de digestión aneróbica. En cuanto a los pHs de las mezclas empleadas, sus valores (4,8 – 4,9) son similares al del triturado de chumbera (4,7). Esto supuso que las necesidades de alcalinización de los diferentes sustratos fueran también similares, de modo que la evolución de los parámetros alcalinidad total y relación AGV/ALC fue prácticamente paralela en el conjunto de digestores. Como consecuencia de esta alcalinización mediante la adición de bases y tampones, la proporción de sólidos fijos (en el conjunto de los sólidos totales) aumenta en los distintos digestores a lo largo de la experiencia. Este hecho permite justificar la divergencia en la evolución de este último parámetro frente al contenido (decreciente) de sólidos volátiles. Si se representa en una gráfica (Figura 4.7) la suma del contenido en sólidos volátiles y alcalinidad parcial junto con el contenido en sólidos totales, puede apreciarse como ambas curvas siguen tendencias similares. La alcalinidad parcial representa, en cierta medida, la concentración de las especies químicas inorgánicas más importantes en el digestor (hidróxidos, carbonatos, bicarbonatos) y se ha estimado como la diferencia entre la alcalinidad total (denominada simplemente como alcalinidad a lo largo de este trabajo) y el contenido en ácidos grasos volátiles. Fig. 4.7. Evolución del contenido en sólidos totales, sólidos volátiles, y sólidos volátiles + alcalinidad parcial, a lo largo de la experiencia. Una forma de estudiar la influencia de la sustitución parcial de cladodios por frutos de tomate sobre los distintos parámetros del proceso estudiado es mediante el empleo del análisis de la varianza (ANOVA). Las pruebas estadísticas llevadas a cabo se basaron en el planteamiento de la hipótesis nula: “No existen diferencias significativas entre las medias de cada una de las variables consideradas (pH, producción de biogás, contenido en sólidos totales, contenido en sólidos volátiles, DQO y relación AGV/ALC) para cada uno de los niveles del factor proporción chumbera : tomate”. 188 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. En la Tabla 4.2 se recogen los resultados de estos análisis. Tal y como puede apreciarse, no se aprecian diferencias estadísticamente significativas (α = 0,05) para ninguna de las variables consideradas. Tabla 4.2. ANOVA a partir de los datos obtenidos para diversos parámetros en la experiencia de producción de biogás mediante digestión anaeróbica en batch. Variable dependiente Factor -1 Producción de biogás (L día ) pH -1 Sólidos totales (g L ) Sólidos volátiles (g L-1) Proporción chumbera : tomate (3:1, 1:1, 1:3, 1:0) Demanda química de oxígeno -1 (gL ) Relación AGV/ALC Fuente E.G. D.G. E.G. D.G. E.G. D.G. E.G. D.G. E.G. D.G. E.G. D.G. GL 3 340 3 100 3 76 3 76 3 36 3 68 F 0,29 P 0,8291 0,25 0,8577 1,14 0,3382 0,36 0,812 0,45 0,7173 0,10 0,9126 Los resultados de estos análisis muestran la escasa influencia de la proporción relativa de cladodios de chumbera y frutos de tomate en el sustrato sobre los parámetros considerados. En cuanto a los rendimientos de producción de biogás, los obtenidos por las distintas combinaciones de sustratos son ligeramente inferiores (263 – 358 L biogás kg SV -1) a los correspondientes a la chumbera como monosustrato (368 – 371 L biogás kg SV -1). En la Figura 3.1 puede apreciarse cómo las diferencias en el volumen de biogás producido aparecen en los primeros días de la experiencia, tendiendo a desparecer en torno a la séptima semana (al inicio de la fase III) y volviéndose de nuevo relevantes en los últimos días del proceso. Este último repunte en la producción por parte de los digestores que contenían únicamente chumbera puede justificarse en la metanización de los últimos productos correspondientes a la degradación de los polisacáridos no pertenecientes a la fracción fibrosa, la cual ocurriría ligeramente desfasada (debido a la fase previa de hidrólisis) respecto a la de los azúcares solubles, presentes de forma más abundante en los digestores que contienen tomate. La mayor productividad inicial es más difícil de explicar, aunque podría estar relacionada con la producción de hidrógeno durante las primeras horas de fermentación de los cladodios. Para comparar los rendimientos obtenidos experimentalmente con los teóricamente obtenibles (tal y como se hizo en el caso de los cladodios en monodigestión) debe estimarse el potencial de producción de biogás de los frutos de tomate utilizados. Esto se ha llevado a cabo mediante un procedimiento similar al empleado para determinar el potencial de la biomasa de chumbera (Tabla 1.28) y da como resultado un valor de 801L biogás kg SV -1. Los rendimientos de producción de biogás obtenidos por las distintas combinaciones de materias primas sobre sus respectivos valores teóricos se recogen en la Tabla 4.3. 189 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 4.3. Rendimiento medio en la producción de biogás de los distintos sustratos empleados, respecto al máximo teórico. Proporción chumbera : tomate Rendimiento (%) 1:3 1:1 3:1 40,9 50,3 44,6 1:0 54,2 Tal y como puede apreciarse, no existe un patrón que permita identificar una tendencia al aumento o disminución de este rendimiento conforme aumenta el porcentaje de tomate en el sustrato, además, aunque los cladodios de chumbera en solitario ofrecen el valor medio más alto, lo cierto es que el digestor 6 (proporción 1:1) es el que alcanza el rendimiento más elevado (56,5%), aunque el valor medio del sustrato 1:1 sea del 50,3%. Puede concluirse, por tanto, que la sustitución de cladodios de chumbera por frutos de tomate no implica de forma inequívoca un mayor o menor aprovechamiento del potencial de biogás contenido en los componentes orgánicos presentes en el sustrato. Podría decirse, en resumen, que la sustitución en el sustrato de los cladodios de chumbera por frutos de tomate en distintas proporciones no ha implicado diferencias significativas en los distintos parámetros del proceso estudiados. 4.3.4. Producción de biogás mediante la digestión anaeróbica semicontinua de cladodios de chumbera y frutos de tomate. A partir de los resultados obtenidos en las experiencias anteriores pudo apreciarse como la sustitución parcial de cladodios por frutos de tomate en distintas proporciones no implicaba grandes diferencias en el desarrollo del proceso de digestión anaeróbica. En este apartado, el diseño experimental planteado permitía estudiar el comportamiento de los digestores en función de la carga orgánica empleada (entre 0,18 y 0,66 g SV L-1día-1) al margen del tipo de sustrato que emplearan (considerando las distintas mezclas como un único sustrato) y, al mismo tiempo, comparar los resultados obtenidos por cada mezcla de materias primas cuando el digestor es alimentado empleando dos cargas orgánicas diferentes (una de las cuales es el doble de la otra). Al igual que ocurre en el caso de la chumbera como monosustrato, y probablemente por los mismos motivos, los rendimientos obtenidos por las distintas mezclas (409 – 526 L biogás kg SV -1) son superiores a los obtenidos en el ensayo en régimen discontinuo. Al estudiar la relación entre los diversos resultados obtenidos y la carga orgánica empleada se puede apreciar como dos de los mismos resultan particularmente afectados por la variabilidad de este parámetro. Se trata de la producción total de biogás (y metano, como consecuencia) y del porcentaje de sólidos volátiles eliminados (figuras 4.8 y 4.9) 190 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. 4.8. Relación entre la carga orgánica empleada y la producción diaria de biogás y metano. Fig. 4.9. Porcentaje de sólidos volátiles eliminados en función de la carga orgánica. La relación entre el aumento de la carga orgánica y una mayor producción de gas es lógica y esperada en una digestión a menos que se supere la capacidad de procesado de sustrato del digestor (circunstancia que se habría manifestado, en primer lugar, a través de un aumento alarmante de la relación AGV/ALC, y, posteriormente, del propio contenido en sólidos volátiles, lo que no ocurrió, tal y como puede apreciarse en las figuras 3.14 y 3.16). En el caso del porcentaje de sólidos volátiles eliminados, el incremento en la carga orgánica podría 191 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. propiciar la existencia de una comunidad microbiana más abundante, lo que explicaría una mayor degradación porcentual del sustrato para un mismo tiempo de retención dado (Fig. 4.9). Si se estudian conjuntamente el rendimiento del sustrato y la carga orgánica empleada (Figura 4.10) puede apreciarse una cierta relación de proporcionalidad inversa entre ambas, si bien este último parámetro no permite, como variable explicatoria, justificar gran parte de la variabilidad en el rendimiento (R2= 0,43), por lo que debe pensarse en la influencia de otros factores (entre los cuales probablemente se incluya la composición del sustrato, a la vista de los resultados obtenidos en la experiencia en régimen discontinuo) para justificar adecuadamente dicha variabilidad. Fig.4.10. Rendimiento medio de los digestores en función de la carga orgánica empleada Para continuar con el estudio de la influencia de la carga orgánica sobre los resultados obtenidos y la evolución de los parámetros de seguimiento del proceso considerados, se ha llevado a cabo un análisis estadístico (mediante análisis de la varianza - ANOVA) basados en el planteamiento de la hipótesis nula: “No existen diferencias significativas entre las medias de cada una de las variables consideradas (producción de CH4, porcentaje de CH4 en el biogás, contenido en sólidos volátiles, porcentaje de sólidos volátiles eliminados, y relación AGV/ALC) para cada uno de los niveles del factor digestor”. Donde cada nivel de digestor representa una combinación única de carga orgánica y proporción de materias primas en el sustrato (véase Tabla 4.4) 192 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 4.4. ANOVA de los datos obtenidos en la experiencia de producción de biogás mediante la alimentación semicontinua de los digestores. Variable dependiente Factor Fuente GL F P 7 160 7 160 7 24 7 24 7 24 10,93 <0,0001 2,48 0,0191 Digestor E.G. D.G. E.G. D.G. E.G. D.G. E.G. D.G. E.G. D.G. 0,99 0,4604 24,6 <0,0001 0,83 0,5693 Producción de metano -1 (L día ) Porcentaje de metano en el biogás (%) -1 Sólidos volátiles (g L ) Porcentaje eliminado de sólidos volátiles (%) Relación AGV/ALC En el caso de aquellas variables cuyas medias fueran significativamente distintas (valor P en negrita) se llevó a cabo el test de Duncan (α = 0,05) para determinar que grupos homogéneos de digestores podían establecerse (Tabla 4.5). Tabla 4.5. Grupos homogéneos de digestores en función de los resultados medios de los parámetros analizados. Producción de metano Porcentaje de metano en el biogás Porcentaje eliminado de sólidos volátiles Grupos homogéneos a 2,3,4 b 1,2,8 c 1,7,8 d 6,7 e 5,6 a 1,2,3,4,6,8 b 3,5,7,8 c 5,6,7,8 a 3,4 b 2,8 c 1,7,8 d 1,6,7 e 5,6,7 En términos generales, y de forma menos acusada en el caso del porcentaje de metano en el biogás, los grupos homogéneos están formados por digestores con cargas orgánicas próximas. El porcentaje de metano en el gas ha resultado ser un parámetro cuyos valores medios, aunque estadísticamente distintos, se diferencian poco entre si desde el punto de vista de su interpretación, con un valor máximo del 52,9 % para la proporción de sustratos 1: 3 (tomate: chumbera) y un mínimo de 52,1 % para la proporción 1:1, lo que se corresponde adecuadamente con la digestión de un sustrato compuesto mayoritariamente por hidratos de carbono. A la vista de los valores medios obtenidos en los distintos digestores (véase Tabla 3.32) tampoco existe un patrón que permita apreciar una tendencia al incremento o a la disminución del mismo conforme aumenta el porcentaje de fruto de tomate en la composición del sustrato. 193 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Destaca, por otra parte, la ausencia de diferencias significativas entre digestores en cuanto a su relación AGV/ALC, lo que implica que la suplementación alcalina llevada a cabo satisface los requerimientos de los diferentes digestores, aunque sean alimentados con cargas orgánicas distintas cuyas diferencias relativas llegan a superar el 100%. Una vez constatada, en la experiencia anterior, la necesidad de regular el pH en los digestores, se optó por añadir bicarbonato potásico en función de las tendencias presentadas por los valores de pH. Se consiguió así mantener el valor medio del pH en los digestores en torno a la neutralidad (7,04 – 7,13), la alcalinidad en valores considerados como adecuados para la estabilidad del sistema (ca. 3.500 mg CaCO3 L-1), y la relación AGV/ALC siempre por debajo de 0,31. Este valor de alcalinidad fue suficiente incluso para el digestor en el que se empleó la carga orgánica más alta (0,66 g SV L-1día-1) la cual representa el 79 % de la empleada por Obach y Lemus (2006) en una experiencia en las que, sin embargo, el valor de la alcalinidad suministrada fue tan elevado como 12.000 mg CaCO3 L-1. En las Figuras 4.11 y 4.12 aparece representada la evolución en la producción diaria de metano junto con el contenido en alcalinidad y la relación AGV/ALC, respectivamente. Fig. 4.11. Volumen diario de metano (L digestor-1) y alcalinidad. Media semanal para el conjunto de digestores. 194 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. 4.12. Volumen diario medio de metano (L digestor-1) y relación AGV/ALC. Media semanal para el conjunto de digestores. Ambas gráficas permiten constatar como ni el descenso en la alcalinidad ni el ligero incremento de la relación AGV/ALC afectaron negativamente a la producción diaria de metano. A modo de resumen puede establecerse que una adecuada digestión anaeróbica de cladodios de chumbera como monosustrato requiere de una intervención externa sobre los valores de pH, la cual puede llevarse a cabo eficazmente mediante la adición de bicarbonato potásico de tal modo que los niveles de alcalinidad sean superiores a los 3.000 – 3.500 mg CaCO3 L-1. A partir de este proceso de digestión pueden lograrse rendimientos de producción de metano en torno a 257 L CH4 kg SV-1 para un tiempo de retención aproximado de 26 días, y en régimen mesófilo. Puede afirmarse, además, que la sustitución parcial de cladodios por frutos de tomate en distintas proporciones no afecta significativamente a los parámetros estudiados durante el seguimiento de la digestión por lo que, en un proceso industrial, estos últimos podrían considerarse como una materia prima adicional a la biomasa de chumbera en aquellas circunstancias en las que exista una gran disponibilidad de los mismos (como consecuencia de procesos de destrío, por ejemplo). 195 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4.4. Potencial del cultivo de chumbera para la obtención de bioetanol y biogás en la provincia de Almería (España). Partiendo de las producciones de etanol y biogás obtenidas en los apartados experimentales de este trabajo puede estimarse el potencial de producción de estos biocombustibles a partir del cultivo de chumbera en un territorio dado. La elección de la provincia de Almería está motivada por tres razones: En primer lugar se trata de una región donde esta planta se cultiva de forma tradicional, por lo que sus características y manejo son conocidos. Además, presenta características climáticas adecuadas para su desarrollo (temperaturas medias de mínimas superiores a 3 ºC y precipitaciones anuales superiores a 200 mm en la mayor parte de su territorio). Por último, el nivel medio de pluviometría en la provincia se sitúa en torno a los 300 mm anuales y rara vez supera los 500 mm al año, por lo que existen severas limitaciones al desarrollo de cultivos convencionales de secano en su superficie, de modo que la chumbera puede considerarse una interesante alternativa a los mismos. 4.4.1. Estimación del potencial de producción de biomasa del cultivo de la chumbera en Almería. Para la determinación de este potencial es necesario estimar el rendimiento del cultivo en la provincia, así como la superficie disponible para el mismo. 4.4.1.1. Estimación del rendimiento del cultivo de chumbera. El rendimiento del cultivo se ha estimado mediante la creación de una función de productividad que relacione la precipitación anual con el rendimiento en materia seca de la chumbera en zonas áridas de clima meditérraneo. Para ello se han empleado datos empíricos publicados por diversos autores a partir de cultivos de chumbera en secano en zonas con regímenes pluviométricos similares a los que puedan hallarse en Almería (Tabla 4.6), dando lugar a una función similar a la publicada por Nefzaoui y Ben Salem (2001), con la que comparte algunos datos de partida. En aquellos casos en los que los datos de productividad estaban originalmente expresados en forma de materia fresca se ha considerado un porcentaje de materia seca de los cladodios del 13 %. La función de productividad elaborada (R2 = 0,83) es la siguiente: Rendimiento (t MS ha-1 año-1) = 0,0067 * P 1,1653 Dónde: P = Precipitación media anual (mm) Teniendo en cuenta los datos experimentales de partida, esta función puede considerarse adecuada para valores de P entre 150 y 500 mm, lo que implica un rango de rendimientos del cultivo entre 2,3 y 9,4 t MS ha-1 año-1, pronosticados para plantaciones de chumbera en plena producción (lo que suele ocurrir a partir del quinto año tras la plantación, tal y como se ha mencionado en la introducción del presente trabajo). La función de productividad creada presenta una ventaja frente a otras que puedan tener en cuenta un mayor número de factores (como la propuesta por Nobel y analizada detalladamente en el apartado 1.3.5.3.), y radica precisamente en su simplicidad, ya que puede aplicarse en 196 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. zonas para las cuales sólo se disponga del dato de la precipitación media anual. Como inconveniente, su uso estaría sujeto a la necesidad de una validación experimental previa si pretendiera emplearse en lugares cuyas características climáticas fueran muy distintas a las encontradas en las zonas áridas de clima mediterráneo. Un posible ejemplo serían las plantaciones de chumbera situadas en el noroeste de Brasil, donde el carácter de aridez no se debe a la falta de precipitación en si misma (algunas zonas presentan una pluviometría anual de 700 mm) sino a su elevadísima evapotranspiración potencial (ETP), que puede alcanzar los 2.500 mm al año. Tabla 4.6. Productividades empíricas del cultivo de chumbera empleadas en la creación de la función de productividad Rendimiento (t MS ha-1año-1) = 0,0067 * P 1,1653. Autores Rendimiento (t -1 -1 MS ha año ) Precipitación anual (mm) 4,29 230 3,90 280 10,40 450 3,27 4,21 6,11 6,50 7,10 7,80 2,47 6,50 2,94 9,54 178 253 330 350 400 500 150 400 200 400 2,86 266 Charmentant (citado en Monjauze y Le Houerou, 1965) Dumont (citado en Monjauze y Le Houerou, 1965) Goormaghtigh (citado en Monjauze y Le Houerou, 1965) De Kock (2001) Monjauze y Le Houérou (1965) Saiz (1988) GA-UPM (2010, datos no publicados) 4.4.1.2. Estimación de la superficie potencialmente disponible para el cultivo de la chumbera. La estimación de la superficie de Almería apta para el cultivo de la chumbera ha sido llevada a cabo por el Grupo de Agroenergética de la UPM mediante el empleo de SIG (Sistemas de Información Geográfica) a partir de cartografía de la provincia. Se ha considerado como disponible aquella superficie correspondiente a tierras de labor en secano y a eriales (excluyendo aquellos asociados a bosques o pastizales) ubicados en zonas que no se hallen bajo el amparo de ninguna figura de protección medioambiental (Parques Naturales, Reservas de la Biosfera,…) y cuya pendiente sea inferior al 15 %. Esto supone, finalmente, una superficie máxima potencial de 100.616 ha. (Las especificaciones respecto a la metodología SIG empleada pueden verse en Sánchez et al, 2012). 197 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4.4.1.3. Potencial de producción de biomasa de chumbera en Almería. Integrando, una vez más mediante una metodología que implica el empleo de SIG, la función de producción creada con cartografía pluviométrica de la provincia, se ha estimado en 5 t MS ha-1 año-1 la productividad potencial media del cultivo de chumbera en aquellas zonas de la provincia de Almería adecuadas para ello. (Sánchez et al, 2012). Así pues, el potencial de biomasa de chumbera disponible anualmente sería el resultado de multiplicar este rendimiento por la superficie previamente considerada como apta para el cultivo (100.616 ha), lo que supone un total de 503.080 t de materia seca. 4.4.2. Estimación del potencial de producción de bioetanol A partir de la cantidad de biomasa estimada, considerando un porcentaje del 32,4 % de hidratos de carbono fácilmente hidrolizables en la misma, y un rendimiento de fermentación de los mismos del 39,7 %, se obtendrían 64.710,2 t de etanol (99,9 %), equivalentes a 82.158 m3 de bioetanol anhidro comercial con un pureza del 99,6%. A nivel industrial, y en términos cuantitativos, la producción de bioetanol suele enfocarse bien mediante la creación de macrodestilerías, con una producción en torno a 100.000 L día-1, bien mediante el empleo de microdestilerías, con un volumen diario de producto en torno a los 5.000 L. Si estos datos se consideran referidos a bioetanol anhidro de 99,6º, y se tiene en cuenta que estas plantas trabajan en torno a 330 días al año, un potencial de etanol como el recién expuesto permitiría la creación de 2 macrodestilerías, o 49 microdestilerías. En términos de superficie, cada una de las primeras absorbería la producción de unas 40.414 ha (202.069 t MS año-1), mientras que cada microdestilería sería abastecida con la biomasa procedente de 2.021 ha (10.103 t MS año-1, considerando siempre un rendimiento medio del cultivo de 5 t MS ha-1 año-1, tal y como se ha expuesto). Para contextualizar adecuadamente la cifra de producción global expuesta puede añadirse que representaría en torno al 14,2 % de la producción nacional de bioetanol en el año 2010 (y en torno al 8,6% del volumen de consumo previsto para el año 2020), según se cita en el Plan de Energías Renovables (MITYC e IDAE, 2010). 4.4.3. Estimación del potencial de producción de biogás En el caso del biogás, considerando un porcentaje de sólidos volátiles en la biomasa de chumbera del 77 %, y un rendimiento en metano de los mismos de 257 L kg-1, el potencial de producción de metano en la provincia de Almería alcanzaría los 99,4 millones de metros cúbicos. Si se considera la producción y combustión de este biogás en plantas de cogeneración de 500 kW, con un rendimiento del ciclo de 0,35 y 8.000 horas anuales de trabajo, el número de las mismas que podrían establecerse en la provincia de Almería empleando únicamente biomasa de chumbera como sustrato sería de 79. Cada una de estas plantas emplearía 6.338 t MS año-1, equivalentes a 48.755 t de palas frescas (con un 13% de materia seca) producidas en 1.268 ha de cultivo. La cantidad de energía primaria obtenible sería de, aproximadamente, 78 ktep, equivalentes al 42,5 % de la energía primaria obtenida a partir del biogás en España en 2009, según datos elaborados por EurObserver y citados en el Plan de Energías Renovables 2011-2020 (MITYC e 198 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. IDAE, 2010). Al mismo tiempo, la energía eléctrica obtenible (unos 317,3 GWh) supondría el 12,2% de la electricidad que se prevé obtener en España a partir de biogás en el año 2020, según expone el Plan de Energías Renovables 2011 – 2020 4.5. Balance energético de la producción de bioetanol y biogás de chumbera en la provincia de Almería. En este apartado se llevará a cabo un estudio del balance energético de la obtención de bioetanol y biogás a escala industrial. Para ello se han adaptado procesos industriales existentes en función de las necesidades de la materia prima empleada, y, al mismo tiempo, se han tenido en cuenta los procesos de laboratorio llevados a cabo para obtener los resultados experimentales obtenidos en los capítulos anteriores, de tal modo que estos últimos puedan extrapolarse a la escala requerida. El cálculo del balance energético se ha llevado a cabo únicamente para el proceso industrial de obtención del producto. No se ha tenido en cuenta, por tanto, la energía consumida durante las distintas operaciones del cultivo, la cual, en el caso de un cultivo como la chumbera en secano, representará una cantidad sensiblemente inferior a la energía solar captada y almacenada en forma de biomasa. Los balances se han llevado a cabo para una cantidad de biomasa seca de chumbera de 1.000 kg, equivalente a 7.692 kg de cladodios con un porcentaje de materia seca del 13%. 4.5.1. Balance energético de la producción de bioetanol El proceso de obtención de bioetanol se llevaría a cabo en una microdestilería con un volumen diario de producto en torno a los 5.000 L. Esta instalación requeriría de 235,5 t de biomasa fresca al día (77.719 t año-1), abastecidas por una superficie de cultivo de 2.021 ha que produjeran conforme al rendimiento especificado anteriormente (5 t MS ha-1 año-1). El balance energético se llevará a cabo para una tonelada de materia seca de biomasa (7,7 t MF) por lo que todos los consumos y aportes energéticos aparecerán referidos a una tonelada de materia seca de sustrato original (a menos que se especifique lo contrario). A partir de lo expuesto en el apartado 4.3.1 puede deducirse que el volumen de bioetanol de 99,6º obtenible mediante este proceso a partir de una tonelada de materia seca de chumbera será de 163,3 L. El proceso considerado consta de las siguientes fases: triturado, hidrólisis ácida, concentrado, ajuste de pH, fermentación, destilación, prensado de vinazas y combustión de la fracción sólida de las mismas (véase Figura 4.13). Hay que tener en cuenta, no obstante, que, tal y como se expuso anteriormente, para asegurar la viabilidad económica del proceso deberían emplearse tecnologías hidrolíticas alternativas, las cuales podrían consistir en el empleo de enzimas o en la adaptación de procesos empleados en los pretratamientos de materias primas destinadas a la obtención de biogás o bioetanol de segunda generación (como, por ejemplo, las microondas o los tratamientos a alta presión y temperatura). 199 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Triturado Hidrólisis Concentrado Fermentación Destilación Etanol anhidro Vinazas Combustión Secado Fracción Sólida Prensado Fracción Líquida Figura 4.13. Diagrama con las distintas etapas del proceso de obtención de bioetanol de chumbera. En rojo aparecen los flujos internos de energía. La Figura 4.14 representa el balance de masas del proceso considerado. Cladodios 7.692 kg MF 1.000 kg MS Triturado H2SO4 (96%) 238,6 kg Hidrólisis Agua 4.523,6 kg Concentrado KOH 273 kg Fermentación Agua 79,7 kg Vinazas sólidas secas 239 kg Secado Destilación Etanol (99,6º) 129 kg 163,3 L Vinazas 3.551,6 kg Fracción Sólida 318,7 kg Prensado Fracción Líquida 3.232,9 kg Figura 4.14. Balance de masas del proceso de obtención de bioetanol a partir de biomasa de chumbera. 4.5.1.1. Consumo energético del proceso El consumo energético de cada una de las fases del proceso caracterizada en estos términos se expone a continuación: Triturado En esta fase se empleará una trituradora de frutas y productos vegetales PS-3, con una capacidad de trabajo de 2.500 kg h-1 y un consumo de 5,2 kW de potencia. Para la cantidad de materia prima elegida esto supone el empleo de 3,08 horas de trabajo y un consumo energético de 16 kWh t MS-1 (98,0 Wh por litro de etanol obtenido). Hidrólisis Para calcular el consumo energético en esta fase se ha considerado que la hidrólisis se llevará a cabo empleando ácido sulfúrico, a 121ºC, y en reactores adecuadamente aislados mediante paneles de espuma de poliuretano de 150 mm de espesor. 200 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Teniendo en cuenta una temperatura de entrada de la biomasa de 18,7 ºC (temperatura media anual en Almería), la energía necesaria para elevar la temperatura del sustrato hasta los 121ºC puede obtenerse mediante el empleo de la siguiente fórmula: Q = m Ce (T2 − T1 ) (kcal) [Ecuación 4.1] En la cual: Q = Energía requerida en el proceso (kcal). m = Masa del sustrato (kg). Ce = Calor específico del sustrato (kcal kg-1 ºC-1). T2 = Temperatura que se pretende alcanzar (ºC). T1 = Temperatura inicial del sustrato (ºC). En un proceso industrial, la robustez de la maquinaria empleada haría innecesaria una dilución de la materia prima, por lo tanto, la masa total cuya temperatura debe ser elevada será la suma del triturado de cladodios más el ácido sulfúrico empleado (7.931 kg). El calor específico de la biomasa de chumbera con un 13% de materia seca puede hallarse mediante la ecuación propuesta por Okos en 1986 (según refieren Machado y Vélez, 2008): Ce = 0, 2 + 0, 008 H ª [Ecuación 4.2] Dónde: Ce = Calor específico del sustrato (kcal kg-1 ºC-1). H ª = Porcentaje de agua en el sustrato (%). De acuerdo con esta fórmula el calor específico de la biomasa a hidrolizar será de 0,896 kcal kg-1 ºC-1. El valor de este parámetro en el caso del ácido sulfúrico (96%) se ha considerado como 0,339 kcal kg-1 ºC-1 (de acuerdo con la ficha de seguridad del producto). La energía necesaria para el calentamiento del sustrato será, por tanto, 713.359 kcal t MS-1. Durante la hidrólisis, dado que el aislamiento del reactor no es perfecto, se producen pérdidas de energía que deben ser compensadas para que el proceso completo se lleve a cabo a la temperatura requerida. Una estimación de estas pérdidas puede llevarse a cabo mediante la siguiente ecuación (adaptada de la propuesta por Sper y Torres, 2009): Q = 0, 8604 k (T − Te ) A t [Ecuación 4.3] e i Dónde: Q = Energía perdida en el proceso (kcal). k = Conductividad térmica del material aislante (w m-1 ºC-1). En el caso de la espuma de poliuretano, 0,023 w m-1 ºC-1 puede considerarse un valor adecuado. 201 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. e = Espesor del material aislante (m). En este caso será de 150 mm. Ti = Temperatura en el interior del reactor (ºC). Será de 121ºC. Te = Temperatura en el exterior del reactor (ºC). Se considerará 18,7 ºC. A = Área de la superficie de la caldera (m2). En el caso de un reactor cilíndrico de 8,5 m3 de capacidad (con una altura de 2 m y un radio de la base de 1,16 m), este valor sería de 23,1 m2. t = Tiempo de duración del proceso (h). Se considerará el tiempo de duración de la hidrólisis (0,33 h) más un tiempo de calentamiento del sustrato de 0,5 horas (aun cuando, durante este tiempo, las pérdidas de energía serán menores, ya que la Te no será de 121ºC) En estas condiciones, la energía que sería necesaria para compensar las pérdidas de calor a lo largo de la hidrólisis será de 260 kcal t MS-1. Considerando, además, una agitación mecánica cuyo consumo sea de 0,6 kW m-3 (Velásquez et al, 2007) durante todo el proceso (0,8 h), se obtendrá un consumo energético añadido de 4 kWh t MS-1. Las necesidades energéticas globales del proceso de hidrólisis serán, por tanto, de 713.619 kcal t MS-1 de energía térmica y 4 kWh t MS-1 de energía eléctrica. Conviene tener en cuenta, no obstante, que como resultado del proceso se obtiene una masa de producto hidrolizado a elevada temperatura, cuya energía térmica puede emplearse, mediante intercambiadores de calor, en elevar la temperatura del sustrato de entrada. Mediante la Ecuación 4.1, y considerando una eficiencia del proceso de intercambio de calor del 90%, podemos estimar la energía obtenible a partir del hidrolizado en 642.023 kcal t MS-1. Finalmente, las necesidades netas de energía térmica en esta fase se reducen a 71.596 kcal t MS-1 (equivalentes a 438,4 kcal L-1 de etanol obtenido). A esta cantidad de energía sería necesario añadir los 4 kWh t MS-1de energía eléctrica requeridos en la fase de agitación (24,3 Wh por litro de etanol obtenido). Concentrado Para que el producto obtenido tras la fermentación pueda alcanzar una concentración de etanol de, al menos, el 5%, gran parte del agua presente en el hidrolizado debe ser previamente eliminada. Para ello se considerará el empleo de balsas de evaporación, dónde la radiación solar aportará la energía necesaria para el proceso. Dado que el proceso de concentración se llevaría a cabo de forma previa a la fase de rectificación del pH, el valor de este parámetro en el sustrato sería menor de 1, por lo que se vería fuertemente inhibida cualquier actividad microbiana que pudiera suponer la degradación de los azúcares presentes en el hidrolizado La cantidad de energía necesaria para la evaporación del agua contenida en el hidrolizado vendrá dada por el calor de vaporización del agua a la temperatura la que se lleve a cabo el proceso. Teniendo en cuenta que la duración del proceso se cuantifica en días, puede considerarse que la temperatura a lo largo de la concentración será la ambiental (18,7 ºC). El 202 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. valor del calor de vaporización del agua a esta temperatura puede obtenerse mediante la siguiente ecuación: Qv = 598 − 0, 52T ª [Ecuación 4.4] En la cual: Qv = Calor de vaporización (kcal kg-1). T ª = Temperatura del agua, entre 0 y 100 ºC. La cantidad de agua a evaporar para lograr obtener posteriormente un 5% de etanol en el medio fermentado será de 4.524 L. Esto supone un consumo energético de 2.661.104 kcal t MS-1 (588 kcal por litro de agua evaporado). De acuerdo con el Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE), la radiación solar en la provincia de Almería supone un aporte de energía anual de 1.710 kWh m2 , y el número de horas de sol es de 3052 anuales. Esto supone un aporte medio de energía de 482,1 kcal m-2 h-1, lo que implica que, si se emplearan dos días en la evaporación (equivalentes a 16,7 horas de sol), la superficie de balsa necesaria sería de 330 m2. El sustrato ocuparía, inicialmente, unos 2,5 cm de altura en la misma. Fermentación Para el cálculo de las necesidades energéticas en esta fase se ha considerado que el proceso se lleva a cabo en depósitos cilíndricos de 500 m3. El hidrolizado de chumbera, tras la fase de concentración, contiene un porcentaje aproximado de materia seca del 30,7 %. El calor específico de la biomasa de chumbera con este porcentaje de materia seca (considerado para toda la mezcla y calculado mediante la Ecuación 4.2) será igual a 0,754 kcal kg-1 ºC-1, y el coste energético de elevar la temperatura del sustrato desde un valor inicial de 18,7ºC hasta los 25ºC será (de acuerdo con la Ecuación 4.1) de 17.491 kcal t MS-1. Considerando un depósito recubierto por un aislamiento térmico de lana de roca (k = 0,035 w m-1 ºC-1) de 40 mm de espesor, las pérdidas térmicas durante el proceso serán de 3.341 kcal t MS-1 (teniendo en cuenta la superficie de depósito proporcional al sustrato considerado, el cual – en esta fase – tiene un volumen aproximado de 3,7 m3). La fermentación alcohólica es un proceso exotérmico que libera 23,5 kcal por cada mol de hexosas empleado. Si consideramos la cantidad de azúcares presentes en el sustrato (324 kg) y tenemos en cuenta que se transforman en etanol el 77,7 % de los mismos (de acuerdo con el rendimiento obtenido experimentalmente) obtendremos un total de energía liberada de 32.867 kcal t MS-1. Esta energía sería suficiente para compensar la empleada en elevar la temperatura del sustrato y las pérdidas producidas durante el proceso, lo que –expresado en otros términosimplica que no será necesario durante la mayor parte del año calentar el sustrato de forma previa a su introducción en el depósito de fermentación. Sería conveniente, no obstante, dotar a la instalación de un sistema de intercambio de calor que permita elevar la temperatura del sustrato durante los días más fríos del año, en los cuales la energía liberada en la fermentación no podría cubrir la demanda de calor necesario para elevar la temperatura del sustrato y compensar las pérdidas del depósito. En los días más cálidos del verano, por el contrario, la 203 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. temperatura en el mismo podría alcanzar los 31 – 32ºC, lo que resulta un dato relevante a la hora de seleccionar la levadura a emplear en el proceso. La agitación del material en el depósito se llevaría a cabo mediante recirculación del material empleando para ello una bomba peristáltica de vendimia PE600, con una capacidad de trabajo de 58 m3 h-1 y un consumo de potencia de 10 kw. Si se considera su empleo en un depósito de 500 m3 (con un volumen total de sustrato de 472 m3), el consumo energético proporcional del sustrato considerado en este balance (unos 3,7 m3) equivaldría a 22,3 kWh (136,7 Wh L-1 de etanol obtenido). Destilación El consumo energético de este proceso (incluyendo la deshidratación del etanol por destilación) se ha estimado a partir del consumo específico aproximado suministrado por la empresa TOMSA destil S.A. para un proceso industrial real, el cual alcanza las 4.220 kcal por cada litro de etanol obtenido. El consumo energético de esta fase será, por tanto, de 689.171 kcal t MS-1. Prensado El prensado del hidrolizado puede llevarse a cabo mediante un filtro-prensa con una superficie de filtro de 80 m2 y una capacidad de filtrado de 100 L m-2 h-1 (lo que supone una rendimiento total del ciclo de 2.667 L h-1, considerando las fases de llenado y limpieza). Dado que la cantidad de material a prensar es, tras la fase de concentración, de 3.094 kg (3.094 L, asumiendo una densidad del material aproximadamente igual a 1000 kg m-3), el tiempo requerido es de 1,22 horas, lo que, para una máquina que desarrolla una potencia de 3 kW, se traduce en un consumo de 3,48 kWh t MS-1 (equivalentes a 21,3 Wh L-1 de etanol producido) Esta fase permite, además, la separación de la fracción sólida de las vinazas, cuyo contenido aproximado en materia seca sería del 75%, y a la que se denominará, en lo sucesivo, como “vinazas sólidas”. Secado de las vinazas sólidas Si se considera que las vinazas sólidas obtenidas están compuestas, principal y casi únicamente, por la fracción fibrosa de la biomasa, esto supondría un peso total del mismo de 319 kg. Su contenido en humedad (25 %) sería, por tanto, de 80 kg, y el consumo energético empleado en su secado de 47.800 kcal t MS-1. Este proceso de llevaría a cabo en eras de secado, empleando la radiación solar como fuente de energía. Trasiegos El transporte del sustrato entre las distintas fases se llevaría a cabo, principalmente, mediante el empleo de bombas de trasiego T-40 con una capacidad de trabajo de 10 m3 h-1 y un consumo de potencia de 1,1 kw. El consumo de los distintos trasiegos se ha estimado en 2,46 kWh t MS-1 (15,1 Wh L-1 de etanol obtenido). Consumo energético total El consumo energético total de las fases consideradas sería de 760.767 kcal t MS-1 de energía térmica (4.658 kcal L-1 de etanol obtenido) junto a 48,2 kWh t MS-1 de energía eléctrica (equivalentes a 295 Wh L-1 de etanol obtenido), sin tener en cuenta los requerimientos en energía solar. 204 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4.5.1.2. Energía obtenida Energía obtenida en la combustión de las vinazas sólidas secas Para estimar la energía de combustión de las vinazas sólidas secas se ha considerado que la composición de sus 319 kg es la siguiente: 49 kg de celulosa, 152 kg de hemicelulosa, y 38 kg de lignina. Esta composición se ha obtenido a partir del análisis de fibras llevado a cabo sobre los cladodios terminales empleados en la experiencia de digestión anaeróbica en batch. Se ha considerado, por otra parte, que tanto la celulosa como la hemicelulosa poseen un PCI de 4.239 kcal kg-1, mientras que el PCI de la lignina sería de 6.034 kcal kg-1. La cantidad de energía total obtenible mediante la combustión de las vinazas sólidas sería, por tanto, de 1.081.331 kcal t MS-1. Esta energía se emplearía de la siguiente forma: 71.596 kcal en el proceso de hidrólisis, 690.551 kcal en la destilación del bioetanol, y 320.564 kcal que podrían destinarse, en función de las necesidades y de la época del año, bien a calefactar el depósito de fermentación, bien a facilitar la concentración del hidrolizado. Energía contenida en el producto obtenido. El bioetanol obtenido (163,3 L al 99,6% de concentración) supone una cantidad de energía equivalente de 929.852 kcal (considerando un PCS del etanol de 7.229 kcal kg-1). 4.5.1.3 Balance energético. Si los valores expuestos en el balance del proceso industrial se refieren a energía primaria (considerando un factor de conversión de 1kWt = 0,35 kWe) , y se tiene en cuenta – asimismo- la energía contenida en el bioetanol obtenido, se puede elaborar un balance global, el cual da como resultado la obtención de 50.662 kcal t MS-1 a partir de una tonelada de materia seca de biomasa (si no se considera el empleo térmico de las vinazas) o de 1.131.993 kcal t MS-1 en el caso de aprovechar térmicamente este subproducto (véase Tabla 4.7). Teniendo en cuenta esta última cifra y la energía inicialmente contenida en la biomasa (estimada, a partir del PCS hallado para los cladodios de chumbera, en 3,44 M de kilocalorías por tonelada) este proceso supone una recuperación de, aproximadamente, el 32,9% de la energía contenida en la materia prima empleada. Los subproductos del proceso, es decir, las vinazas líquidas - 17 L por cada litro de bioetanol obtenido - podrían decantarse (de tal modo que el K2SO4 formado durante la fase de rectificación del pH – unos 2,6 kg por litro de etanol obtenido - pudiera precipitar y ser recuperado) y emplearse posteriormente en la fertirrigación de los propios cultivos de chumbera. 205 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Tabla 4.7. Balance energético de la obtención de bioetanol de chumbera. Energía por tonelada Energía por litro de de materia seca de bioetanol obtenido chumbera empleada Inputs Eléctrica (kWh) Térmica (kcal) Eléctrica (Wh) Térmica (kcal) 16,0 4,0 22,3 3,5 2,4 48,2 71.596 689.171 - 98 24 137 21 15 295 438 4.220 - Operaciones Triturado Hidrólisis Fermentación Destilación Prensado Bombeos Consumo total 760.767 Consumo total referido a energía primaria (kcal) Outputs Energía contenida en el bioetanol - 929.852 Energía contenida en las vinazas sólidas - 1.081.331 Energía total contenida en los productos obtenidos (energía primaria, kcal) 879.190 4.658 5.387 5.694 - 6.621 2.011.183 12.315 BALANCE GLOBAL (sin considerar el aporte energético de las vinazas, kcal) 50.662 307 Energía contenida en etanol (kcal) 929.852 5.694 1.081.331 6.621 879.190 5.387 202.141 1.235 Balance energético BALANCE Energía contenida en GLOBAL las vinazas (kcal) (considerando el aporte energético Energía primaria de las vinazas, empleada en el kcal) proceso (kcal) Calor excedente de las vinazas (kcal) 206 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4.5.2. Balance energético de la producción de biogás. El proceso de obtención de biogás considerado se llevaría a cabo en una planta industrial de cogeneración de 500 kW. Esta instalación requeriría de 146,3 t de biomasa fresca al día (48.755 t año-1), abastecidas por una superficie de cultivo de 1.268 ha que produjeran conforme al rendimiento especificado anteriormente (5 t MS ha-1 año-1). El balance energético se llevará a cabo para una tonelada de materia seca de biomasa (7,7 t MF) por lo que todos los consumos y aportes energéticos aparecerán referidos a una tonelada de materia seca de sustrato original (a menos que se especifique lo contrario). Se ha considerado un proceso de digestión anaeróbica en régimen continuo que constaría de las siguientes fases: triturado de la biomasa, digestión, limpieza y almacenamiento del biogás, combustión del gas en motor de cogeneración, separación de fases del digestato, secado de la fracción sólida, decantado de la fracción líquida, y recuperación de la biomasa microbiana. A partir de una tonelada de materia seca de cladodios, considerando un 77% de sólidos volátiles en la biomasa y un rendimiento en biogás de 489 m3 kg SV-1, se obtendrían 376,2 m3 de gas (25ºC, 1 atm). Biogás Triturado Limpieza y almacenamiento Digestión Digestato Cogeneración Fracción Sólida Secado Fracción Líquida Decantación (recuperación microbiana) Separación Figura 4.15. Diagrama con las distintas etapas del proceso de obtención de biogás de chumbera. En rojo aparecen los flujos internos de energía térmica y en azul los correspondientes a la energía eléctrica. En la Figura 4.16 puede apreciarse el balance de masas del proceso considerado. Cladodios 7.692 kg MF 1.000 kg MS Agua KHCO3 108,7 kg 67,3 kg Biogás Triturado CH4 129,3 kg CO2 321,6 kg Digestión Fracción Sólida Secado 271,7 kg Digestato 7.308,8 kg Separación Fracción Líquida Digestato seco 7.037,1 kg 163 kg Figura 4.16. Balance de masas del proceso de obtención de biogás a partir de biomasa de chumbera. 207 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 4.5.2.1. Consumo energético del proceso El consumo energético de cada una de las fases del proceso caracterizada en estos términos se expone a continuación: Triturado En esta fase, al igual que en el caso del bioetanol, se empleará una trituradora de frutas y productos vegetales PS-3. Esto implica un consumo energético de 16 kWh t MS-1. Digestión En un sistema continuo como el propuesto, y de acuerdo con las especificaciones de la empresa SENER, el mantenimiento de la temperatura se logra mediante un adecuado aislamiento térmico del reactor y el calentamiento del sustrato de forma previa a su introducción en el mismo. En estas circunstancias, y dado que el proceso digestión es globalmente exotérmico, no resulta imprescindible calefactar el digestor (al menos en zonas de clima mediterráneo). La energía necesaria para elevar la temperatura del sustrato desde la temperatura ambiente (18,7ºC de media en Almería) hasta la temperatura requerida (36,5ºC) se ha estimado en 122.683 kcal t MS-1. En cuanto a la agitación de la materia en digestión, se considera el empleo de un agitador SCABA (ABS), adecuado para digestores de 2.000 m3. Su consumo de potencia es de 3,6 kW por lo que, para el tiempo de retención empleado (25,6 días), el consumo energético proporcional al volumen considerado en el balance (unos 7,7 m3) será equivalente a 8,5 kWh t MS-1. Limpieza y almacenamiento del biogás. El biogás obtenido posee un porcentaje de metano cercano al 53%, superior –por tanto- al 40% exigido habitualmente como mínimo para su empleo en motores de combustión. La limpieza estará encaminada, por tanto, a la reducción del sulfuro de hidrógeno en el gas, y se llevaría a cabo mediante el empleo de filtros de hierro o tierras férricas. El almacenamiento temporal, necesario para asegurar un suministro continuo de gas al motor, se llevaría a cabo en depósitos a presión atmosférica. Ninguna de las dos operaciones planteadas supone un gasto energético significativo. Separación de fases del digestato. Este proceso se llevaría a cabo mediante el empleo de una prensa de tornillo de 5 kW de potencia con una capacidad de trabajo de 50 m3 h-1. El consumo energético del proceso sería, por tanto de 0,73 kWh t MS-1 y se obtendría una fracción sólida con un contenido en materia seca de entre el 25 y el 55 %, y una fracción líquida cuyo porcentaje de materia seca se situaría en torno al 3 %. Secado de la fracción sólida del digestato El filtrado del digestato proporcionado por la prensa de tornillo pretende lograr que la mayor parte de la población microbiana arrastrada fuera del digestor (aquella presente en forma de gránulos anaeróbicos - véase el apartado dedicado al biogás en la introducción de este trabajo) 208 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. permanezca en la fracción líquida, de tal modo que pueda decantarse y devolverse al digestor. La fracción sólida estaría formada fundamentalmente por la fibra no degradada, es decir, lignina, celulosa, y cantidades variables de hemicelulosa. Esto implica que su cuantía podría oscilar entre 145 kg (considerando una degradación total de la hemicelulosa) y 398 kg (si este compuesto permaneciera íntegramente en la fracción sólida del digestato). La humedad de este subproducto oscilaría en torno al 40%, y la energía necesaria para su secado (obtenida mediante la Ecuación 4.4, para una temperatura del mismo de 36,5ºC) sería de 579 kcal kg H2O-1. Esto supondría, finalmente, entre 33.610 y 92.332 kcal t MS-1. A efectos del balance se empleará el valor medio del intervalo, correspondiente a 272 kg de digestato sólido, es decir, 62.971 kcal t MS-1. Trasiegos El transporte del sustrato entre la tolva de triturado y el digestor, así como el retorno al mismo de la biomasa microbiana retenida en el decantador, se llevarían a cabo, mediante el empleo de una bomba de trasiego T-40 con una capacidad de trabajo de 10 m3 h-1 y un consumo de potencia de 1,1 kw. El consumo de estos procesos se ha estimado en 1 kWh t MS-1. Consumo energético total El consumo energético total de las fases consideradas sería de 185.654 kcal t MS-1 térmicas junto a 26,2 kWh t MS-1de energía eléctrica. 4.4.2.2. Energía producida en el proceso La energía contenida en el biogás obtenido será de 1.550.696 kcal t MS-1, considerando su contenido porcentual en metano como 52,5% y un PCI de este compuesto de 7.851 kcal m-3 (25ºC, 1 atm). Esto implica que, considerando el rendimiento en energía eléctrica del motor de cogeneración como un 35%, podrían generarse 630,8 kWh t MS-1, a las que podrían añadírsele 852.883 kcal t MS-1 térmicas (para un rendimiento del 55 %). 4.5.2.3. Energía contenida en el digestato En este caso, al contrario de lo que ocurría en el proceso de obtención de bioetanol, la materia orgánica no transformada en biocombustibles por vía bioquímica (la cual se correspondería en gran medida con la fracción sólida del digestato) no va a emplearse térmicamente. Aún así, su contenido energético debe ser cuantificado de cara al balance energético, ya que se trata de un sustrato potencialmente utilizable. A partir de su composición puede considerarse un poder calorífico inferior de este digestato de 4.657 kcal kg MS-1. Por lo tanto, teniendo en cuenta la obtención de 163 kg de digestato seco en el proceso, la energía total aportable por el mismo sería de 759.167 kcal t MS-1. 4.5.2.4 Balance energético Considerando los consumos energéticos propuestos y teniendo en cuenta la energía obtenida, el balance energético del proceso arroja un saldo positivo de 604,6 kWh t MS-1 de energía eléctrica junto a 667.229 kcal t MS-1 térmicas (1.395.626 kcal t MS-1 de energía primaria, en total). Si se tuviera en cuenta, además, el contenido energético del digestato, la cantidad de 209 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. energía térmica obtenible ascendería a 1.426.396 kcal t MS-1 (y el valor de la energía primaria, por tanto, a 1.946.564 kcal t MS-1). Teniendo en cuenta las cifras referidas a energía primaria y la energía inicialmente contenida en la biomasa (estimada, a partir del PCS hallado para los cladodios de chumbera, en 3,44 M de kilocalorías por tonelada), el proceso de cogeneración supone una recuperación de, aproximadamente, el 40,6% de la energía contenida en la materia prima empleada. Si además se tiene en cuenta el empleo térmico del digestato seco, este porcentaje asciende hasta el 56,6%. En la Tabla 4.8 se muestra un resumen de los principales datos implicados en el balance. Tabla 4.8. Balance energético de la obtención de biogás de chumbera a partir de una tonelada de materia seca de cladodios. Energía por tonelada de materia seca de chumbera empleada Eléctrica (kWh) Térmica (kcal) 16,0 8,5 0,73 1 26,2 122.683 62.971 185.654 630,8 852.883 - 759.167 BALANCE GLOBAL DEL PROCESO (sin considerar la energía contenida en el digestato) 604,6 667.229 BALANCE GLOBAL DEL PROCESO ( considerando la energía contenida en el digestato) 604,6 1.426.396 Inputs Operaciones Triturado Digestión Separación Secado Bombeos Consumo total Energía producida en la cogeneración Energía contenida en la fracción sólida del digestato (kcal) En cuanto a los subproductos obtenidos, la fracción sólida del digestato (cuando no se empleé térmicamente) podría ser vendida como enmienda orgánica o almacenada y empleada en los cultivos de chumbera en las épocas en que esto fuera pertinente, mientras que la fracción líquida (rica en compuestos minerales solubles) se emplearía en la fertirrigación de estos mismos cultivos. Se crearía así un ciclo de reutilización de nutrientes, el cual, al margen de las evidentes ventajas desde el punto de vista fitotécnico, permitiría reducir los costes de insumos del proceso industrial, lo que sería especialmente importante en el caso del nitrógeno. 210 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 5. CONCLUSIONES 211 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. A partir de los resultados obtenidos en el presente trabajo se han obtenido las siguientes conclusiones: 1. El contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables presentes en los cladodios de chumbera supuso entre el 31 y el 44 % de su contenido en materia seca. El rendimiento obtenido en la transformación de dichos hidratos de carbono en etanol, en las mejores condiciones, fue del 39,7 % (p/p), por lo que a partir de una tonelada de materia seca de chumbera se obtendrían entre 156 y 221 L de bioetanol anhidro, equivalentes a entre 89 y 126 kep de energía. El rendimiento energético del proceso fue del 70 %. 2. En un proceso industrial para la obtención de bioetanol de chumbera, que incluyera la concentración del hidrolizado mediante el empleo de energía solar y el uso térmico de las vinazas obtenidas, podría lograrse la autosuficiencia energética del proceso de obtención de etanol y, además, un superávit de energía térmica de 1.235 kcal L-1 de etanol. La energía final obtenida (etanol + calor excedente de las vinazas) supondría un rendimiento energético respecto a la energía de la materia prima (cladodios) del 32,9 %. 3. Mediante la digestión anaeróbica de cladodios de chumbera en un régimen mesófilo, y considerando un tiempo de retención hidráulica de 26 días, se obtuvieron rendimientos en torno a 489 L biogas kg SV-1. Esto supone, dado que el porcentaje de metano hallado en el biogás fue del 52,5 %, un rendimiento en torno a 257 L CH4 kg SV-1. Por lo tanto, a partir de una tonelada de materia seca de chumbera, y asumiendo un porcentaje de materia orgánica del 77%, se obtendrían, aproximadamente, 198 m3 de metano, equivalentes a 155 kep de energía. 4. En un proceso industrial de cogeneración de energía mediante la digestión anaeróbica de cladodios de chumbera, configurado de tal modo que incluyera los procesos de laboratorio estudiados en este trabajo adaptados a la escala correspondiente, el balance de energía obtenible a partir de una tonelada de materia seca de cladodios de chumbera arrojaría un superávit de 604,6 kWh de energía eléctrica junto a 667.229 kcal de energía térmica, equivalentes, en su conjunto, a aproximadamente 140 kep. La energía final obtenida en el biogás supondría un rendimiento energético respecto a la energía de la materia prima (cladodios) del 40,6 %, y si se considera además la energía del digestato, este rendimiento subiría al 56,6 %. 5. La sustitución parcial de cladodios de chumbera por frutos de destrío de tomate en diversas proporciones (25, 50, y 75%) no implica una alteración significativa en el rendimiento final del sustrato (considerado como litros de biogás producidos por unidad de materia orgánica introducida en el digestor). En un proceso industrial, por tanto, estos frutos podrían considerarse como una materia prima adicional a la biomasa de chumbera en aquellas circunstancias en las que exista una gran disponibilidad de los mismos. 6. En las zonas áridas y semiáridas de clima mediterráneo, el rendimiento del cultivo de chumbera puede estimarse mediante la función de producción Rendimiento (t MS ha-1año-1) = 0,0067 * P 1,1653, donde P representa la precipitación anual, acotada entre 150 y 500 mm. En la provincia de Almería, considerando únicamente las zonas aptas para llevar a cabo dicho cultivo (tierras de secano y eriales que suponen una superficie total de 100.616 ha), y teniendo en cuenta la precipitación media de cada zona, obtenida de un período de 30 años, 212 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. el rendimiento medio estimado mediante la función de referencia sería del orden de 5 t MS ha-1 año-1, con un máximo de 9,4 t MS ha-1 año-1 y un mínimo de 2,3 t MS ha-1 año-1. 7. A partir del valor medio de producción anual de biomasa considerado en el punto anterior (5 t MS ha-1 año-1), y asumiendo un rendimiento medio en etanol de 163 L t MS-1, puede estimarse una producción media de bioetanol (99,9%) de 814 litros por hectárea de cultivo en la provincia de Almería. 8. Considerando la superficie disponible para el cultivo de chumbera expuesta en el punto 6 (100.616 ha) y el rendimiento medio en etanol por hectárea citado anteriormente (814 L ha1 ), puede estimarse el potencial de producción total de etanol de chumbera en la provincia de Almería en 82.158 m3 año-1 de bioetanol anhidro comercial (99,6º), lo que permitiría la creación de dos macrodestilerías (100.000 L de producción diaria), cada una de las cuales transformaría la biomasa procedente de 40.414 ha (202.069 t MS año-1) o la creación de 49 microdestilerías (5.000 L diarios de producción), cada una de las cuales absorbería la producción de 2.021 ha (10.103 t MS año-1). Este potencial de producción de bioetanol (46.781 tep) sería equivalente al 8,6 % del consumo previsto para España en el año 2020, según expone el Plan de Energías Renovables 2011 – 2020 9. A partir del valor medio de producción anual de biomasa considerado en el punto 7 (5 t MS ha-1 año-1), y asumiendo un rendimiento medio en metano de 198 m3 t MS-1, puede estimarse una producción media metano para la provincia de Almería de 988 m3 ha-1. 10. Considerando la superficie disponible para el cultivo de chumbera en la provincia de Almería expuesta en el punto 6 (100.616 ha) y el rendimiento en metano por hectárea citado anteriormente (988 m3 ha-1), puede estimarse el potencial de producción total de metano a partir de biomasa de chumbera en 99,4 M de metros cúbicos, lo que permitiría la creación de 79 plantas de cogeneración de 500 kW, cada una de las cuales emplearía 48.755 t MS año-1 procedentes de 1.268 ha. En términos de energía eléctrica esto supondría la producción de unos 317,4 GWh (27.303 tep), equivalentes al 12,2% de la electricidad que se prevé obtener en España a partir de biogás en el año 2020, según expone el Plan de Energías Renovables 2011 – 2020. La suma de las energías eléctrica y térmica obtenibles supondría, aproximadamente, 78.008 tep. 11. La energía media obtenible por hectárea de cultivo de chumbera en Almería puede estimarse en 465 kep ha-1 en el caso de destinarse la biomasa cosechada a la obtención de bioetanol, y en 775 kep ha-1 si ésta se destinara a la producción de biogás. Esta diferencia de valores, unida a la mayor descentralización que permiten las plantas de biogás (al depender cada una de ellas de una menor superficie de cultivo), y al menor coste unitario de las plantas de biogás respecto a las de bioetanol, sugiere que el empleo del cultivo de la chumbera para la producción de biogás es una actividad empresarialmente más factible que su utilización para la obtención de bioetanol. 213 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. 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Determinación del volumen de biogás producido en un digestor GA. La determinación del volumen diario de biogás (Vi), en las condiciones de presión y temperatura del digestor, es el resultado de dos sumandos. Vi = V (h) + V (p) El primero de ellos,V (h), es función de la altura que ha alcanzado el pistón y se obtiene de la lectura del nivel al que se sitúa la tapa del mismo. Con este dato y la geometría del propio pistón, puede calcularse el volumen acumulado. El segundo sumando, V (p), es función de la presión alcanzada por el gas en el interior del digestor, y es – desde un punto de vista cuantitativo - mucho menos importante que el anterior. V (h)puede, a su vez, descomponerse en otros 3 sumandos: V(h) = V1 + V2 + V3 V1 Es el volumen correspondiente al incremento aparente del espacio en la cabeza del pistón; entre la superficie del sustrato y la tapa del mismo. Este volumen podría calcularse conforme a la siguiente fórmula: ⎛ ⎛ D ⎞2 ⎛ D ⎞2 ⎞ V1 = h π ⎜ ⎜ 1 ⎟ – ⎜ 4 ⎟ ⎟ (m3) ⎜⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎟⎠ ⎝ Dónde: h = Altura alcanzada por el pistón (m) D1 = Diámetro interno del pistón (m) D4 = Diámetro externo del tubo de alimentación (m) Es el más significativo de los sumandos que intervienen en la determinación del volumen. 237 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. h D1 D2 D3 D4 Fig.A.1. Esquema de la parte superior del digestor donde se muestra la acumulación de biogás en el pistón (dcha.) y la posición del mismo una vez el gas ha sido evacuado (izda.) V2 es el volumen correspondiente al espacio que deja libre el pistón al emerger parcialmente del sustrato. Esto implica la necesidad de que parte de ese mismo sustrato ocupe el espacio dejado por el pistón (Figura A.2), lo que tiene aparejado una disminución en el nivel alcanzado por el sustrato, que ocupará el biogás. Este volumen podría obtenerse según la fórmula: ⎛ ⎛ D ⎞2 ⎛ D ⎞2 ⎞ V2 = h π ⎜ ⎜ 2 ⎟ – ⎜ 1 ⎟ ⎟ (m3) ⎜⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎟⎠ ⎝ Dónde: h = Altura alcanzada por el pistón (m) D1 = Diámetro interno del pistón (m) D2 = Diámetro externo del pistón (m) 238 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. A.2. Esquema del desplazamiento del sustrato hacia el espacio dejado por el pistón en su ascenso (detalle inferior izquierdo del digestor, de acuerdo con la Figura 2.3) V3Es el volumen correspondiente al espacio que deja libre el tubo de alimentación al emerger parcialmente del sustrato. Esto implica la necesidad de que parte de ese mismo sustrato ocupe el espacio dejado por dicho tubo (Figura A.3.) , lo que tiene aparejado una disminución en el nivel alcanzado por el sustrato, que ocupará el biogás. Este volumen podría obtenerse según la fórmula: 2 ⎛D ⎞ V3 = h π ⎜ 4 ⎟ (m3) ⎝ 2 ⎠ Dónde: h = Altura alcanzada por el pistón (m) D4 = Diámetro externo del tubo de alimentación (m) 239 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Fig. A.3. Esquema del desplazamiento del sustrato hacia el espacio dejado por el tubo de alimentación en su ascenso. Nótese que este último sumando es equivalente a aquel que se restaba del Volumen 1 porque se considera que no se almacena gas en la tubería de alimentación. Operando a partir de la adición de los sumandos obtenemos: ⎛ ⎛ D ⎞2 ⎛ D ⎞2 ⎞ V (h) = h π ⎜⎜ 1 ⎟ - ⎜ 4 ⎟ ⎟ + h π ⎜⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ O lo que es lo mismo V (h) 2 ⎛ ⎛ D 2 ⎞2 ⎛ D1 ⎞2 ⎞ ⎛ D4 ⎞ – h π + ⎜⎜ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝⎝ 2 ⎠ ⎛ ⎛ D1 ⎞ 2 ⎛ D 4 ⎞ 2 ⎛ D 2 ⎞2 ⎛ D1 ⎞2 ⎛ D 4 ⎞2 ⎞ = h π ⎜⎜ ⎟ – ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ – ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎟ ⎜⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎟⎠ ⎝ Y como consecuencia 2 ⎛D ⎞ V ( h ) = h π ⎜ 2 ⎟ (m3) ⎝ 2 ⎠ Este volumen representa el que efectivamente existiría dentro del pistón en el caso de que la presión en su interior fuera la atmosférica. En realidad, la presión a la que está sometido el gas es, como se ha dicho, ligeramente superior, por lo que desplaza hacia abajo (a lo largo de un recorrido X) la superficie del fluido en el interior del pistón, elevando el nivel del fluido entre cilindros (una distancia Y), tal y como se menciona en el apartado 2.3.1.3. Este desplazamiento supone un ligero incremento en el volumen total de biogás contenido en el pistón (Figura A.4.). Este incremento puede calcularse a partir de la presión medida en el manómetro de la instalación. La diferencia de altura entre ambas ramas del manómetro (hp), cuando está 240 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. conectado a un digestor, es la misma que existe entre la superficie de líquido en el interior del pistón y la altura que alcanza el fluido entre cilindros. Por tanto: hp = X + Y (m) Dado que el volumen del fluido expulsado del interior del pistón ha de ser igual al aumento del fluido entre cilindros, puede decirse que este volumen (V(p)) es el resultado de cualquiera de esta dos ecuaciones: 2 ⎛D ⎞ V ( p ) = X π ⎜ 1 ⎟ (m3) ⎝ 2 ⎠ ⎛ ⎛ D3 ⎞ 2 ⎛ D2 ⎞ 2 ⎞ V ( p) = Y π ⎜ ⎜ − ⎟ (m3) ⎜ ⎝ 2 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎟ ⎝ ⎠ Dónde: D1 = Diámetro interno del pistón (m) D2 = Diámetro externo del pistón (m) D3 = Diámetro interno del cilindro exterior (m) A partir de las tres ecuaciones anteriores, puede establecerse que: Y = hp ⎛ ⎛ D1 ⎞ ⎛ D3 ⎞ 2 ⎛ D2 ⎞ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞ ⎟ ⎟ −⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎜ ⎟ −⎜ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎠ ⎝ D1 ⎠ 2 (m) Y, por tanto, X = hp − hp ⎛ ⎛ D1 ⎞ ⎛ D3 ⎞ 2 ⎛ D2 ⎞ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞ ⎟ ⎟ −⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎜ ⎟ −⎜ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎠ ⎝ D1 ⎠ 2 (m) Dado que D1, D2, y D3 son datos conocidos y constantes, las anteriores ecuaciones pueden simplificarse y convertirse en las siguientes: Y = 0, 89759556 hp (m) X = 0,10240444 hp (m) Y a partir de – por ejemplo – la segunda de ellas, puede establecerse la siguiente fórmula: V ( p ) = 0, 00141628 hp (m3) 241 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Pared del pistón y hp x Nivel a presión atmosférica Fig.A.4. Esquema que muestra el descenso del nivel del sustrato en el interior del pistón como consecuencia de la presión del gas almacenado. Por último, tal y como se expone al comienzo de este apartado, el volumen total en el interior del cilindro (Vi) será: Vi = V(h) + V(p) (m3) Para referirlo a condiciones normales sólo es necesario aplicar una fórmula basada en la ecuación de estado de los gases ideales de tal modo que se tenga en cuenta la presión del vapor de agua contenido en el biogás, y los datos obtenidos de presión y temperatura del gas. Así: T ( P − Pw ) [1] V0 = Vi 0 P0 T Donde: P= Presión del biogás dentro del pistón (atmósferas) Vi= Volumen del biogás dentro del pistón (litros) T= Temperatura del biogás dentro del pistón (grados Kelvin) Po= Presión en condiciones normales (considerada como 1 atm) To= Temperatura en condiciones normales (considerada como 25ºC) Vo= Volumen en condiciones normales (litros) Pw= Presión del vapor de agua en función de la temperatura (atm). Este último parámetro se calcula a partir de la siguiente fórmula Pw = ⎛ 7,5T ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ T + 237,3 ⎠ 6,11 10 1013, 25 (atm) Donde: T= Temperatura del biogás dentro del pistón (grados Kelvin). 242 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Si bien la fórmula [1] nos permite obtener de forma bastante precisa la producción diaria de biogás y conocer así la evolución de este parámetro, no es suficiente de cara a evaluar el gas producido en un determinado periodo de tiempo. Hay tres factores que deben tenerse en cuenta para estimar la producción total de biogás durante un periodo de tiempo dado, especialmente si se quiere evaluar el rendimiento del proceso en términos tales como volumen de biogás producido por cantidad de sólidos volátiles introducidos. Son los siguientes: 1. Volumen de agua evaporada (Ve). La evaporación de agua supone una disminución del nivel del sustrato y, por tanto, un incremento en el volumen “de cabeza” del pistón. Mediante la reposición periódica del nivel de líquido, y el conocimiento de los niveles del sustrato antes y después de esta reposición (tal y como se menciona en el capítulo 2) puede estimarse el incremento de volumen de biogás en cabeza producido durante ese periodo, mediante la fórmula: ⎛ ⎛ D1 ⎞ 2 ⎛ D4 ⎞ 2 ⎞ 3 Ve = ( h1 − h2 ) π ⎜ ⎜ − ⎟ (m ) ⎜ ⎝ 2 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎟ ⎝ ⎠ Donde: h1 = Altura del sustrato tras la reposición de agua (m) h2 = Altura del sustrato antes de la reposición de agua (m) D1 = Diámetro interno del pistón (m) D4 = Diámetro externo del tubo de alimentación (m) Este volumen puede referirse a condiciones normales (Ve0) a partir de los valores medios de presión y temperatura en cada digestor (considerando, para ello, el conjunto de los días en que se produjo biogás en el mismo). 2. La eliminación de sustrato producida al extraer muestras (Vs). Cuando se lleva a cabo un ensayo que requiere de la extracción periódica de muestras, es inevitable retirar parte del sustrato contenido en el digestor. Esto reduce la cantidad de sólidos volátiles existentes de facto en el mismo, lo que conlleva una reducción en la producción de biogás respecto al total que podían generar los sólidos inicialmente introducidos. Algunos de los parámetros a analizar durante el desarrollo del proceso requieren cantidades pequeñas de sustrato (como la DQO, si bien esto depende también del método elegido para su determinación), otros, en cambio, necesitan de muestras de un tamaño significativamente grande respecto a la cantidad de sustrato en digestión (como la determinación de sólidos), lo que se traduce en una importante reducción en la cantidad del mismo, especialmente si el proceso se dilata en el tiempo o se pretenden llevar a cabo repeticiones para cada muestra. 243 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Si uno de los objetivos de la experiencia es determinar el rendimiento en biogás del sustrato introducido, mediante parámetros tales como litros de biogás/peso sólidos volátiles iniciales (Lbiogás g SV-1) resulta imprescindible tener en cuenta esta extracción de sustrato y tratar de estimar el biogásadicional que se hubiera generado en el caso de que estas extracciones no se hubieran llevado a cabo (denominado Vs). Estas estimaciones se han llevado a cabo considerando que la cantidad de biogás producido por el material extraído sería proporcional al producido por el sustrato existente en el digestor. En la práctica, este cálculo se realizó para cada semana (Vsi) durante el periodo de producción de biogás, de modo que se pudiera estimar la producción correspondiente al sustrato retirado conforme a los cálculos expuestos en la TablaA.1. TablaA.1. Cálculo de Vsi Volumen de sustrato Factor de retirado al concentración final de la semana a1 F1=1 a2 F2= 1-(a1/Ω) a3 F3= 1-((a1+a2)/Ω) Periodo de Volumen tiempo de gas (semana) producido 1 2 3 X1 X2 X3 n Xn an Fi= 1-((a1+a2+…a(n-1))/Ω) Vsi 0 (a1/Ω)*X1*F1 (a1/Ω)*X3*(F1/F3)+ (a2/Ω)*X3*(F2/F3) (a1/Ω)*Xi*(F1/Fn)+ (a2/Ω)*Xn*(F2/Fn)+ …+(a(n-1)/Ω)*Xi*(F(n-1)/Fn) Ω = Volumen total de sustrato en el digestor (constante debido a la reposición de agua tras cada extracción de muestras) Mediante este procedimiento puede tenerse en cuenta la disminución a lo largo del tiempo de la concentración del sustrato retirado, gracias al factor de concentración. n Finalmente, Vs = ∑ Vs i =1 i 3. La producción de biogás a partir del sustrato ubicado entre cilindros. Una consecuencia no deseada de la existencia de un cierto espacio entre el cilindro exterior y el pistón es que la producción de biogás en él no puede ser medida. Para estimarla se ha considerado que el biogás producido por el sustrato ubicado entre ambos (Vb) será proporcional al producido por el existente dentro del pistón (Vo + Ve0 + Vs). La aproximación se llevó a cabo considerando los volúmenes de sustrato ubicados entre el cilindro exterior y el pistón, y en el interior del pistón. El volumen de sustrato entre el cilindro exterior y el pistón viene dado por la expresión: Vc − p ⎛ ⎛ D3 ⎞ 2 ⎛ D2 ⎞ 2 ⎞ = h3 π ⎜ ⎜ − ⎟ (m3) ⎜ ⎝ 2 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎟ ⎝ ⎠ 244 Potencial del cultivo de la chumbera (Opuntia ficus-indica (L) Mill.) para la obtención de biocombustibles. Donde: h3= Altura del sustrato (m) D2 = Diámetro externo del pistón (m) D3= Diámetro interno del cilindro exterior (m) El volumen total introducido en el digestor es conocido, por lo que el volumen de sustrato en el interior del pistón puede inferirse de la resta Vpistón= Vtotal del sustrato – Vc-p (m3) Donde: Vpistón = Volumen de sustrato en el interior del pistón (m3) Vtotaldel sustrato = Volumen total introducido en el digestor (m3) Vc- p= Volumen del sustrato entre el cilindro exterior y el pistón (m3) Tras esto sólo queda llevar a cabo la proporcionalidad propuesta, de modo que: ⎛ n ⎞ Vc − p ⎜ ∑ V0 i + Ve 0 + Vs ⎟ ⎝ i =1 ⎠ Vb = V pistón Así pues, la producción total de biogás (Vt) en un digestor a lo largo de un periodo de tiempo n, resulta de la fórmula: n Vt = ∑ Vi 0 + Ve 0 + Vs + Vb (m3) i =1 En el caso de experiencias en las que se lleven a cabo extracciones de muestras con reposición de agua. Si, por el contrario, no se tomaran muestras, o se llevara a cabo una experiencia siguiendo un patrón continuo o semicontinuo de alimentación, el volumen total resultaría de la fórmula: n Vt = ∑ Vi 0 + Ve 0 + Vb (m3) i =1 245
