ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN

 

 

 

Experiencias del proyecto BIOMAS-CUBA. Alternativas energéticas a partir de la biomasa en el medio rural cubano

 

Experiences of the BIOMAS-CUBA Project. Energy alternatives from biomass in Cuban rural areas

 

 

 

J. Suárez¹, G. J. Martín¹, J. A. Sotolongo², E. Rodríguez³, Valentina Savran,⁴ L. Cepero¹, F. Funes-Monzote¹, J. L. Rivero⁵, D. Blanco¹, R. Machado¹, C. Martín⁶ y A. García⁶

1 Estación Experimental de Pastos y Forrajes "Indio Hatuey"
Central España Republicana CP 44280, Matanzas, Cuba
E-mail: [e-mail]
2 Centro de Aplicaciones Tecnológicas para el Desarrollo Sostenible, Guantánamo, Cuba
3 Estación de Pastos de Sancti Spíritus, Cuba
4 Dirección de Planificación Física de Cabaiguán, Sancti Spíritus, Cuba
5 Estación de Pastos de Las Tunas, Cuba
6 Grupo de Tecnología de Biorrecursos, Universidad de Matanzas, Cuba

 

 

 

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RESUMEN

El artículo brinda experiencias del proyecto internacional BIOMAS-CUBA en la implementación de alternativas de suministro de energía a partir de la biomasa en el medio rural, que sean compatibles con la seguridad alimentaria y la sostenibilidad ambiental. Estas experiencias se enmarcan entre 2009 y 2011, en el marco del concepto de la finca agroenergética, y están relacionadas con procesos de investigación e innovación tecnológica asociados a: la evaluación morfológica, productiva y química de germoplasma de plantas oleaginosas no comestibles con potencial para producir biodiesel, etanol y otros productos; la siembra y manejo agrícola de asociaciones de Jatropha curcas y 21 cultivos alimenticios; el beneficio y extracción de aceite de semillas de Jatropha; la caracterización físico-química de dicho aceite; la producción de biodiesel y sus coproductos; la producción de biogás a partir de excretas y de bioproductos y bioabonos, con los efluentes de biodigestores; la gasificación de biomasa leñosa para generar electricidad; la caracterización y clasificación de sistemas integrados para la producción de alimentos y energía. Asimismo, los estudios socioeconómicos y ambientales permitieron apreciar una adecuada factibilidad económico-financiera, incrementos notables en la producción de alimentos, la formación del capital humano y la mejora de la calidad de vida de las personas, un positivo impacto ambiental, y una sustitución de portadores energéticos y fertilizantes convencionales.

Palabras clave: Biomasa, energía.

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ABSTRACT

This paper provides experiences of the international project BIOMAS-CUBA in the implementation of energy supply alternatives from biomass in rural areas, which are compatible to food security and environmental sustainability. These experiences are comprised between 2009 and 2011, within the agroenergetic farm concept, and are related to research and technological innovation processes associated to: the morphological, productive and chemical evaluation of germplasm of non-edible oil plants with potential to produce biodiesel, ethanol and other products; the planting and agricultural management of associations of Jatropha curcas and 21 food crops; the cleaning and oil extraction of Jatropha seeds; the physical-chemical characterization of such oil; the production of biodiesel and its co-products; the biogas production from excreta and bioproducts and biofertilizers, with the effluents of biodigesters; the gasification of ligneous biomass to generate electricity; the characterization and classification of integrated food and energy production systems. Likewise, the socioeconomic and environmental studies allowed appreciating adequate economic-financial feasibility, remarkable increases in food production, the formation of human capital and the improvement of the people's quality of life, a positive environmental impact and a substitution of energy porters and conventional fertilizers.

Key words: Biomass, energy.

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INTRODUCCIÓN

Cuando se aborda la producción de energía en el medio rural es clave hacer referencia a la agroenergía o bioenergía, los biocombustibles, la seguridad alimentaria, así como la mitigación y adaptación al cambio climático, temas de gran importancia y muy controvertidos. La reunión combinada de los Grupos de Expertos, tanto en política bioenergética, mercados, comercio y seguridad alimentaria como en perspectivas mundiales de la seguridad alimentaria y de los combustibles (FAO, 2008a), abordó la situación actual y las perspectivas futuras de los biocombustibles, la identificación de acciones prioritarias asociadas a los efectos del cambio climático y la producción de biocombustibles en la seguridad alimentaria, y las oportunidades en la producción de biocombustibles para el desarrollo agrícola y rural.

Asimismo, el crecimiento notable de la población mundial y las expectativas de un mejor nivel de vida son aspectos que impulsan la creciente demanda de alimentos, lo que impone un incremento de la presión sobre la tierra, el agua, los bosques y la biodiversidad. A esta presión se añade una adicional: el cambio climático y la ampliación de la producción de biocombustibles, abordados por Ministry of Agriculture, Livestock and Food Supply (2006), Embrapa Agroenergía (2008), FAO (2009) y Practical Action Consulting (2009), ya que la dependencia de energía basada en combustibles fósiles no es sostenible (Aranda, 2007; Preston, 2007; FAO, 2008b; Nestle, 2008).

Por otra parte, globalmente se sufre una creciente y notable crisis alimentaria, en la cual ha influido, entre diversas causas, una insensata política para obtener biocombustibles de primera generación bioetanol, biodiesel a partir de enormes extensiones de monocultivos alimentarios y grandes empresas, lo cual crea una gran contradicción: biocombustibles vs. alimentos, la cual ha sido reconocida en diversos escenarios (Suárez, 2008; Emanuelli et al., 2009; Suárez y Martín, 2010).

Sin embargo, la agroenergía referente a la producción de energía a partir de la biomasa dispone del potencial para contribuir a satisfacer la creciente demanda energética, lo que exige el desarrollo de nuevos conocimientos y políticas que promuevan el acceso de las personas a esta fuente de energía, pero logrando una seguridad alimentaria sin afectaciones al medio ambiente. Por tanto, las iniciativas que se desarrollen para la producción de agroenergía a partir de la biomasa deben permitir: a) compatibilizar la seguridad alimentaria y la protección ambiental; b) ofrecer nuevas oportunidades a las comunidades rurales; y c) constituir una alternativa ecológica a los combustibles fósiles, por su capacidad de reducción de la emisión de gases de efecto invernadero (Metz et al., 2005; UNEP, 2007; FAO, 2008c).

Durante la última década se ha producido una tendencia creciente en el precio del petróleo y de los alimentos, así como cambios climáticos y ecológicos significativos a escala regional y global. Esta situación se atribuye a dos factores fundamentales: 1) el resultado acumulativo del uso irracional de los recursos naturales, y 2) la inestable situación geopolítica y de crisis económica y ambiental.

En el caso de Cuba, después del derrumbe del socialismo en el este de Europa que dio inicio a la crisis de los años 90' y afectó severamente la economía cubana, esta situación se ha agudizado con el fortalecimiento del bloqueo que, por 50 años, EE.UU. ha mantenido. Uno de los principales impactos fue el recorte de más de 80% de la disponibilidad de energía primaria y los recursos materiales, lo que incidió negativamente en la agricultura (basada en el consumo intensivo de energía y la mecanización) y generó una notable reducción de la producción de alimentos y el abandono de gran parte de las tierras, que en muchos casos fueron invadidas por malezas leñosas agresivas; otras sufrieron pérdidas de su potencial por salinización, anegación o sobreexplotación del suelo (Montes de Oca et al., 2007). En este sentido, es necesaria la implementación de alternativas de suministro de energía en el medio rural que sean compatibles con la seguridad alimentaria y la sostenibilidad ambiental.

 

El proyecto BIOMAS-CUBA

La Estación Experimental "Indio Hatuey" (EEPF-IH), desde su creación en 1962, ha realizado numerosas investigaciones y procesos de innovación dirigidas al desarrollo sostenible del sector agrario cubano sobre bases agroecológicas (Blanco et al., 2007), pero desde el año 2006 explora alternativas para lograr la sostenibilidad energética de los sistemas de producción, basados en fuentes locales, y proporcionar tecnologías factibles para reducir la dependencia energética externa en los sistemas agrarios y, con ello, lograr la sostenibilidad de la agricultura y la ganadería.

Con este propósito, la EEPF-IH, de conjunto con otras instituciones cubanas, comenzó a implementar en 2008 el proyecto internacional "La biomasa como fuente renovable de energía en el medio rural cubano" (BIOMAS-CUBA), con financiamiento de la Agencia Suiza para la Cooperación y el Desarrollo (COSUDE), dirigido a introducir, desarrollar y/o mejorar tecnologías y sistemas para utilizar la biomasa como fuente renovable de energía y contribuir a mejorar las condiciones de vida en zonas rurales, en el marco de un proyecto multiinstitucional de innovación pluridisciplinaria, que abarca la producción y utilización de biodiesel y biogás, la gasificación de biomasa lignocelulósica y la producción de bioetanol celulósico a partir de residuos.

El proyecto BIOMAS-CUBA se sustenta en la definición de un conjunto de principios clave:

• Es un proyecto multiinstitucional, multidisciplinario, participativo, con amplia cobertura geográfica y considera las dimensiones tecnológica, productiva, económica, social y ambiental.

• Se combinan el desarrollo tecnológico y la asimilación de tecnologías e innovación (tecnológica y social), con la investigación básica para la búsqueda de soluciones.

• El sol como fuente de energía primaria para la producción de biomasa, sin la cual no hay biocombustible; por ello hay que fomentarla.

• Uso de recursos locales en sistemas agropecuarios integrados que reciclen residuos y energía.

• Se produce biocombustible para destinarlo a producir alimentos y mejorar las condiciones de vida (producción integrada y local de energía y alimentos en la finca).

• En la producción de biodiesel se utilizan tierras no aprovechadas en la agricultura y plantas arbóreas no comestibles, que se intercalan con cultivos alimenticios y pastizales (diversificación de la producción) y brindan diversos servicios ambientales, tales como el control de la erosión, la recuperación de los suelos degradados y el secuestro de carbono.

• Uso integral de la biomasa como fuente de energía, alimentos y productos químicos (maximización del valor).

• Los actores locales son protagonistas de las soluciones y los principales beneficiarios.

• Asimilación de tecnologías, equipos y experiencias apropiadas en Cuba e internacionalmente, para un posterior proceso de ingeniería inversa (desarrollo tecnológico propio).

• Proceso permanente de seguimiento y evaluación del impacto integral en cada área demostrativa y en las comunidades cercanas.

• El propósito principal es contribuir a la sostenibilidad energética, con compatibilidad ambiental y seguridad alimentaria a escala local en el medio rural.

En el marco del Proyecto, centrado en buscar sinergias entre ciencia, tecnología, innovación y desarrollo social, se realizan procesos de investigación e innovación tecnológica asociados a:

• Evaluación de germoplasma de plantas con potencial para producir biodiesel.

• Siembra y manejo agrícola de plantaciones de Jatropha curcas asociada a cultivos alimenticios.

• Cosecha, beneficio y extracción de aceite de semillas de J. curcas. Producción de biodiesel y sus coproductos.

• Producción de biogás a partir de excretas y de bioabonos con los efluentes de los biodigestores.

• Gasificación de biomasa leñosa para la producción de electricidad.

• Caracterización y clasificación de los sistemas integrados para la producción de alimentos y energía.

• Estudios socioeconómicos y ambientales.

En este proceso se utiliza el concepto de la finca agroenergética, la cual se concibe como: "la explotación productiva donde se desarrollan, mejoran y evalúan tecnologías e innovaciones para producir, de forma integrada, alimentos y energía, la cual se utiliza como insumo para producir más alimentos en la propia finca, con el propósito de mejorar la calidad de vida rural y proteger el ambiente"; este concepto se implanta en los escenarios donde se desarrolla el proyecto para promover un tránsito desde fincas agropecuarias a agroenergéticas.

 

Principales resultados de investigación e innovación obtenidos en el Proyecto

 

Caracterización de germoplasma de oleaginosas con potencial para la producción de biodiesel

La variabilidad morfológica y productiva de procedencias de J. curcas (jatropha), Ricinus communis (higuereta) y Aleuritis trisperma (aleuritis) se caracterizó en bancos de germoplasma establecidos en las provincias de Matanzas, Sancti Spíritus y Guantánamo, como elemento clave para determinar su potencialidad para la producción de biodiesel. Para acceder al germoplasma de estas especies se efectuaron misiones de colecta en zonas puntuales de las provincias de Sancti Spíritus, Matanzas, Villa Clara y Guantánamo.

En jatropha se obtuvo semilla y, preferentemente, propágulos; mientras que en higuereta y aleuritis se colectaron solo semillas. Las accesiones de J. curcas (23), R. communis (5) y A. trisperma (10) fueron evaluadas indistintamente en la EEPF "Indio Hatuey" y en las Estaciones de Pastos de Sancti Spíritus y de Guantánamo.

Se evaluó una mayor cantidad de accesiones de J. curcas, ya que esta especie, muy distribuida geográficamente, tiene amplia variabilidad genética en sus poblaciones (Machado y Suárez, 2009). Esta variabilidad, según Toonen (2007), está relacionada con dos componentes: el medioambiental (el clima, principalmente las precipitaciones, el suelo y el cultivo) y el asociado al genotipo. Por ello, Toonen (2007) propuso su domesticación y mejoramiento, con el fin de obtener cosechas uniformes y rendimientos predecibles, a corto plazo, así como lograr variedades mejoradas, a largo plazo, ya que el uso de procedencias silvestres se realiza sin conocer su potencial de rendimiento, la susceptibilidad a las enfermedades, la resistencia a la sequía y al encharcamiento, la tolerancia a la salinidad y las potencialidades en suelos marginales. Ello presupone realizar ensayos a partir del material disponible en los bancos de germoplasma, en tanto se logre adquirir la amplitud necesaria para cualquier tipo de programa dirigido a la mejora.

Para la ejecución de la fase de establecimiento, las procedencias, plantadas a partir de propágulos (estacas) o sembradas directamente a partir de semillas, se dispusieron en parcelas de 8,0 x 2,0 m, espaciadas a 2,0 m entre líneas y 2,0 m entre plantas, separadas por calles de 3,0 m en ambos sentidos. Durante esta fase se realizaron observaciones sobre el número de plantas arraigadas y emergidas, a partir del cual se calculó el porcentaje de supervivencia.

La caracterización de las procedencias de J. curcas se realizó cuando las plantas tenían un año de edad. Los indicadores evaluados fueron: la altura de la planta; el grosor del tallo en la base y en las ramas primarias; el número de ramas primarias, secundarias y terciarias; el número y peso de los frutos cosechados; el peso de 100 semillas; el porcentaje de árboles con enfermedades (agarrotamiento de las hojas e infestación producidas por hongos); el número de semillas en un kilogramo; las dimensiones de la semilla; la productividad de frutos por árbol; el rendimiento total de semilla y el de semilla por unidad de área, así como el contenido de aceite.

A través de un análisis de componentes principales se identificaron como influyentes los indicadores cuyo valor de preponderancia fuera igual o superior a 0,70. A partir del patrón de componentes principales se realizó una clasificación, en grupos, de los materiales caracterizados, mediante un análisis de conglomerados que solo consideró las variables que cumplieran el requisito anterior.

El alto grado de diferenciación entre las procedencias de R. communis y A. trisperma fue evidente tanto para los caracteres vegetativos como para los reproductivos, por lo que no fue necesario realizar análisis multivariados para identificar los factores que más influyeron en su variabilidad. Además, el escaso número de procedencias no permitía un ACP confiable.

Entre los resultados de la caracterización se destacaron los siguientes:

• El diámetro de los propágulos es un indicador importante en el momento de la colecta; un diámetro inferior a 1,0 cm manifiesta tendencia a la mortalidad y a presentar menor número de brotes y de hojas cuando logran arraigar.

• La edad y las partes de la planta elegidas en el material donante, así como la calidad de la semilla, parecen influir notablemente en la variación de los días necesarios para la brotación o la emergencia; así como en el porcentaje de supervivencia en condiciones de vivero.

• El patrón de variación, en términos de plantas arraigadas y porcentaje de supervivencia en condiciones de campo, fue similar al encontrado en vivero. En condiciones de campo fue evidente el efecto del estrés causado por el traslado a la nueva condición.

• Las procedencias poseen características diferenciales acentuadas, tanto vegetativas como reproductivas, lo que constituye un elemento alentador en el proceso de identificación de los materiales prominentes en la actualidad y en el futuro.

• El grado de desarrollo alcanzado en el primer año en J. curcas no dependió de la vía de propagación, sino de las características productivas de cada procedencia.

• Se encontraron, indistintamente, procedencias con alto potencial de producción o aquellas que no fructificaron o produjeron muy pocos frutos, lo que ratifica los evidentes signos de variación existentes y la necesidad de continuar la introducción y la colecta.

• Las afectaciones producidas por las enfermedades alcanzaron valores medios o altos, con algunas excepciones, tanto en individuos altos productores de frutos como en los que no alcanzaron la fenofase reproductiva. Ello alerta sobre la necesidad de profundizar en los estudios dirigidos a establecer la relación entre las enfermedades y la producción de frutos, y el posible potencial nocivo que pudiera representar la presencia de plagas.

• En las procedencias de jatropha evaluadas en la EEPF "Indio Hatuey" se identificaron accesiones capaces de alcanzar rendimientos de semilla similares a los de las procedencias foráneas, como ocurrió con las denominadas San Miguel y SSCE-10. No obstante, la Cabo Verde continúa siendo la procedencia más destacada.

• Se detectó un gran contraste en términos productivos para el material de J. curcas evaluado en San Antonio del Sur, Guantánamo. La procedencia más indicada para fomentar las áreas de producción es la San Miguel, colectada en la provincia de Matanzas, aun cuando es posible tomar en consideración la variedad India y la Mazal-3.

• Las características del fruto y el contenido de aceite de la procedencia SSCE-10 fueron muy semejantes a los de la Cabo Verde, aunque esta última produjo el doble de aceite (estimado) por unidad de área.

• Se detectó variabilidad morfológica en los materiales de R. communis en Sancti Spíritus, así como en sus características productivas y de tolerancia a estrés.

• El comportamiento de las procedencias de R. communis colectadas en Cuba fue inferior al de las brasileñas, aunque se destacaron las denominadas Plantas 2 y 3, con mayores rendimientos de semilla, productividad por árbol y por unidad de área, así como producción de aceite.

• El material de A. trisperma establecido en suelos Pardos de Sancti Spíritus mostró un comportamiento contrastante en términos de altura y grado de bifurcación de las plantas.

 

Caracterización de las cáscaras, tortas de prensado y aceite de oleaginosas no comestibles

Se realizó una caracterización química de las cascarillas, tortas de prensado y aceite de seis oleaginosas no comestibles: J. curcas, Azadirachta indica (neem), Moringa oleifera, R. communis, A. trisperma y A. moluccana, con el apoyo de la Universidad de Vigo y el Departamento de Energía de la Biomasa (perteneciente al Centro Nacional de Energía Renovable, Pamplona), en España.

Las semillas se descascararon manualmente y las cascarillas fueron secadas a 50°C durante 24 h, molidas, tamizadas hasta un tamaño de partícula de 1 mm y conservadas a 4°C hasta el momento del análisis. Los aceites se extrajeron mediante el prensado de las almendras, con una prensa neumática. Las semillas de R. communis se prensaron directamente, sin descascarar, debido a la imposibilidad de procesar las almendras en la prensa.

Todos los aceites fueron transferidos inmediatamente a tubos de Eppendorf y conservados a 4°C hasta el análisis. El aceite residual de las tortas de prensado se extrajo con hexano durante 16 h a 35°C. Las tortas desgrasadas fueron recuperadas por filtración a vacío y secadas a 40°C durante 24 h. Las tortas secas se molinaron y tamizaron hasta un tamaño de partícula de 1 mm y se conservaron a 4°C. El contenido de aceite se determinó gravimétricamente.

La caracterización química de las cascarillas y las tortas de prensado se realizó según las normas del NREL (Sluiter et al., 2008). El contenido de humedad se determinó mediante el secado de una alícuota a 105°C hasta peso constante. Para la determinación de los minerales, la muestra fue incinerada a 550°C durante 3 h. Los extractivos se determinaron gravimétricamente, luego de una extracción con etanol al 96% en un aparato de Soxhlet durante 24 horas. Para la cuantificación de los carbohidratos y la lignina se realizó una hidrólisis ácida analítica con ácido sulfúrico al 72% a 30°C, durante una hora, y luego al 4% a 121°C durante otra hora. La mezcla fue separada por filtración al vacío y el residuo sólido se utilizó para la determinación gravimétrica de la lignina. El análisis de los hidrolizados se realizó por HPLC, equipado con detector de índice de refracción. La glucosa, la xilosa, la arabinosa y el ácido acético fueron separados en una columna ION-300 (Transgenomic, Inc., USA) con H2SO4 3 mM a un flujo de 0,4 mL min-1 como fase móvil. En el análisis de la composición de las tortas de prensado se realizó la determinación de las fibras por el método secuencial de Goering-van Soest (Goering y van Soest, 1970).

La determinación de nitrógeno se hizo con un analizador de elementos Finnigan Flash EA 1112 (Thermo Fisher Scientific, EE.UU.), utilizando 130 y 100 mL min-1 de He y O2 con una temperatura del horno de 50°C. El contenido de proteína se calculó multiplicando el contenido de N elemental por el factor universal 6,25.

El contenido de ácidos grasos en los aceites se determinó por GC-MS de los aceites previamente metilados. Se utilizó un cromatógrafo gaseoso (TRACE DSQ, EE.UU.). El volumen de inyección fue 0,5 mL y se usó He como fase móvil. Para la separación se utilizó una columna capilar HP-Innowax de 60 m x 0,25 mm x 0,25 mm. La temperatura se mantuvo a 80°C durante 2 min, se programó a 130°C a 5°C min-1, después a 210°C a 30°C min-1, y se mantuvo por 10 min. Los ácidos fueron identificados por comparación de sus tiempos de retención y sus espectros de masas, con una biblioteca de datos de espectros de masas de compuestos conocidos.

El rendimiento de aceite, principal indicador de una oleaginosa para ser industrializada, en la almendra de Aleurites fue de alrededor de 60% el mayor, entre las semillas estudiadas, mientras que fue de 50% en J. curcas y entre 35 y 40% en las demás oleaginosas, lo que coincidió con lo reportado en la literatura. Solamente en A. trisperma el rendimiento fue considerablemente superior y en R. communis inferior a los valores reportados previamente. Si se considera el rendimiento de aceite en las almendras y el contenido de almendras en las semillas, A. trisperma y J. curcas presentaron el mayor potencial como fuentes de aceites entre las oleaginosas en estudio (Martín et al., 2010).

Se destaca que el ácido oleico representó el 71% de los ácidos contenidos en M. oleifera y, por su alto contenido, el aceite de moringa resulta apropiado para aplicaciones que requieran una fuente de ese ácido. Reportes recientes resaltan el potencial de M. oleifera para distintas aplicaciones, incluyendo la producción de biodiesel (Anwar et al., 2005). Otro resultado interesante es que se identificó al ácido 10-octadecenoico, el cual no había sido detectado en reportes previos, como el segundo componente más importante del aceite de M. oleifera cubana.

Por su rendimiento, alto contenido de aceite y su perfil de ácidos grasos, J. curcas se identificó como la oleaginosa no comestible más apropiada para producir biodiesel en Cuba. A. trisperma presentó un contenido de aceite superior al 60%, pero su alto contenido de ácidos poli-insaturados (alrededor del 50% de los ácidos grasos identificados) limita sus posibilidades para este propósito.

Las tortas obtenidas en el prensado de oleaginosas comestibles son ricas en proteínas, con un alto valor nutricional para ser utilizadas en la alimentación animal y como materias primas en bioprocesos para la obtención de productos de alto valor agregado, tales como los aminoácidos, las enzimas, las vitaminas, los antibióticos y los biopesticidas (Ramachandran et al., 2007). Se ha investigado menos sobre las tortas de oleaginosas no comestibles, y sus usos se limitan a la producción de bioabonos y biogás.

Una característica común de todas las tortas fue su alto contenido de proteína, comparable, e incluso superior, al de las tortas de oleaginosas comestibles (Ramachandran et al., 2007). El contenido de proteína varió entre 38,7% en A. trisperma y 68,6% en M. oleifera. En las tortas de A. moluccana, J. curcas y R. communis fue alrededor de 60%.

A pesar de su alto contenido de proteína, las tortas de prensado de oleaginosas no comestibles no pueden ser usadas directamente como suplementos proteínicos en la alimentación animal, debido a la presencia de toxinas, como la ricina en R. communis (Anandan et al., 2005) y la curcina en J. curcas (Trabi et al., 1997; Gübitz et al., 1999), por lo que deben ser previamente destoxificadas.

Además, las tortas de A. trisperma y R. communis se evalúan como potencial materia prima para algunos procesos de fermentación, debido a su relativo alto contenido de carbohidratos.

Las cascarillas son el resultado del descascarado de las semillas, previo a la extracción del aceite. Generalmente tienen un bajo valor económico y son desechadas o quemadas; en algunos casos, se utilizan como combustible o como materia prima para la producción de carbón activado.

Se realizó una investigación para evaluar el potencial de las cascarillas como materias primas para producciones hidrolíticas y fermentativas. El estudio de la composición química de las cascarillas ha recibido poca atención, pues la mayoría de los reportes sobre la composición de especies oleaginosas se restringen a los componentes de las almendras (Martín et al., 2010).

Los resultados mostraron una amplia variación en la composición de los materiales estudiados. Las cascarillas de A. indica presentaron una composición similar a las maderas duras y residuos agrícolas (Martín et al., 2006); mientras que la mayoría de las restantes resultaron mucho más lignificadas que los materiales lignocelulósicos típicos; incluso los contenidos de lignina fueron altos en A. trisperma (62,9%) y en A. moluccana (51,6%).

El alto contenido de celulosa en las cascarillas de A. indica y de M. oleifera indica que podrían ser considerados como fuentes de glucosa para la producción de etanol, ácido láctico y otros productos fermentativos. La cascarilla de A. indica, por su alto contenido de xilanos, tiene potencial para producir xilitol, furfural u otros derivados de la xilosa; asimismo su abundancia de grupos acetilos favorece el incremento de la reactividad del material en la degradación hidrolítica de la celulosa y la hemicelulosa. En el caso de M. oleifera, su alto contenido de proteína podría ser positivo para disminuir el costo de la suplementación de nutrientes en los procesos fermentativos.

 

Siembra y manejo agrícola de plantaciones de J. curcas asociada a cultivos alimenticios

Entre 2009 y 2011 se sembraron 93 ha de J. curcas asociada a cultivos en la EEPF-IH, en las Estaciones de Pastos de Sancti Spíritus y Las Tunas, así como en la Granja Paraguay y en numerosas finas campesinas de la provincia de Guantánamo, territorio que posee la mayoría del área sembrada; de ellas, un 55% están ubicadas en suelos no utilizables para otras producciones agrícolas, que se encuentran, en alta proporción, en áreas de alta fragilidad, con afectaciones medioambientales y cuencas hidrográficas.

En la EEPF-IH y en Guantánamo se estudiaron distancias de siembra y se evaluaron ocho combinaciones; se destacaron los marcos siguientes:

• 2,5 x 4,0 m (1 000 árboles/ha), apropiado para sistemas productivos mecanizados, con una ocupación de la tierra de 72% para la producción de alimentos y un 28% para la energía.

• 2,5 x 3,0 m (1 333 árboles/ha), apropiado para sistemas con laboreo por tracción animal, con una ocupación de la tierra de 64% para la producción de alimentos y un 36% para la energía.

En estos marcos se evaluó el comportamiento de 21 cultivos agrícolas intercalados (Sotolongo et al., 2009; Suárez et al., 2010); se obtuvieron considerables producciones de alimentos, en lo cual se destacaron el frijol, la soya, el maní, el maíz, la yuca y el sorgo, en condiciones de riego de supervivencia y fertilización media, con bioabonos; jatropha mostró índices medios de productividad (tabla 1)

Hasta la fecha se han producido 147 000 plántulas de jatropha, neem y frutales, pero principalmente de la primera especie, con la aplicación del biofertilizante ECOMIC® elaborado a partir de micorrizas; se creó una infraestructura para producir hasta 80 000 posturas en un año, con dos viveros, en Guantánamo.

 

Cosecha, beneficio y extracción de aceite de semillas de J. curcas. Producción de biodiesel y sus coproductos

Se definió el esquema de beneficio, extracción, filtrado, desgomado y neutralización en la planta de producción de biodiesel, así como sus esquemas tecnológico e industrial y las necesidades de materia prima. En este sentido, se diseñó un flujo productivo de 264 días/año, con un turno de trabajo de la planta de biodiesel de ocho horas diarias, a partir de una cosecha anual de 608 721 kg de frutos; la humedad de las cáscaras y de las semillas de los frutos secos fue de 24,7 y 13,5%, respectivamente.

Esta humedad se reduce a 15 y 6% (cáscaras y semillas) mediante un proceso de 3-5 días de secado solar en un área de 1 000 m2, lo que constituye la primera etapa de la planta de beneficio de frutos y semillas y de extracción, filtrado, desgomado y neutralización del aceite de J. curcas.

Posteriormente, se descascaran los frutos en un proceso mecánico, a razón de 329 kg de frutos/hora, lo cual genera 115 kg de cáscaras/hora, que se trocean en un molino de cuchilla para reducir el tamaño de partícula. El siguiente paso es la extracción de aceite de la semilla mediante presión en frío, a razón de 226 kg de semillas/hora, lo que genera 507 kg/día de aceite (528 L/día) y 152 kg de torta prensado/día (11% de aceite). Ambos procesos (descascarado y prensado) generan, diariamente, 528 litros de aceite filtrado, neutralizado y desgomado, después del beneficio, y 1 074 kg de cáscaras y tortas, apropiados como materia prima para producir compost (284 t anuales).

Este aceite, cuyas características físico-químicas se muestran en la tabla 2, se convierte en biodiesel mediante un proceso de transesterificación con un reactor BD JET 400, en la planta de biodiesel adquirida en la empresa costarricense Central Biodiesel e instalada en la Granja Paraguay (Guantánamo), con una capacidad de producción de 400 L de biodiesel/ día en un turno de ocho horas (105 600 L anuales), utilizando etanol anhidro e hidróxido de potasio.

Como resultado se obtienen anualmente 105 600 L de biodiesel y 13,5 t de glicerol (materia prima para producir glicerina, que se usa en la perfumería y la industria cosmética). Este biodiesel puede ser utilizado, tanto puro en motores diseñados para este biocombustible o mezclado con diesel en motores tradicionales, como en la cocción de alimentos con quemadores de biodiesel (60-70 mL/hora sin emisión de humo) o quemadores presurizados de queroseno.

En este sentido, se elaboró una propuesta tecnológica integral para la agronomía y la microindustrialización de J. curcas y el uso económico de los coproductos del proceso (cáscara, torta de prensado y glicerol).

 

Producción de biogás a partir de residuos animales y de bioabonos con los efluentes de biodigestores

El biogás es una mezcla de diferentes gases producidos por la descomposición anaeróbica de materia orgánica. En su composición química destaca el metano (CH4), con un 60-70%, pero existen trazas de sulfuro de hidrógeno (H2S), que debe eliminarse de la corriente de biogás antes de emplearlo como combustible; para ello es suficiente hacer pasar el flujo de biogás a través de un filtro relleno con virutas de hierro.

Las tecnologías seleccionadas para construir biodigestores anaeróbicos fueron la cúpula fija (modelo chino), el tubular plástico o de manga de polietileno con flujo continuo (tipo Taiwán) y la laguna anaeróbica cubierta con una geomembrana de polietileno de alta densidad (PAD).

La forma del biodigestor de cúpula fija, de origen chino, se asemeja a una esfera y el gas se almacena dentro de la campana fija a presión variable, la cual se obtiene desplazando el líquido en digestión hacia una cámara llamada de hidropresión; los materiales de construcción son bloques y/o ladrillos, cemento y acero. Estos digestores se cargan en forma semicontinua: se realiza una primera carga con material celulósico y estiércol, además del inóculo correspondiente, hasta un 70% de la capacidad (Hilbert, 2003); después se sigue cargando como un digestor continuo; a los 120-180 días se descarga en forma total y se reinicia el ciclo. Fuera de China, generalmente, se manejan estos digestores en forma continua.

El biodigestor tubular plástico consiste en una especie de bolsa elongada de polietileno, con un relación longitud-ancho de aproximadamente 5:1 aunque por razones de construcción eficiente las proporciones pueden diferir (Frederiks, 2011) la cual se coloca en un foso. Este biodigestor tiene mucho menor costo que el anterior, pero posee una vida útil inferior (menos de un 25%).

La laguna anaeróbica cubierta con polietileno de alta densidad es una tecnología desarrollada por el Centro de Tecnología de Biogás de Hanoi para grandes volúmenes de residuales y una cantidad de sólidos (alrededor del 3%), con bajos costos de construcción y operación, la cual resuelve las limitaciones de las lagunas anaeróbicas descubiertas que emiten metano a la atmósfera y olores desagradables, y además no permiten recuperar el biogás. Su fondo y sus paredes pueden ser de arcilla impermeable, de bloques, ladrillos u hormigón armado; mientras que la cubierta de PAD flota en la superficie de la laguna y es resistente a los rayos ultravioletas.

Los biodigestores, además de producir biogás cuyo contenido de energía en 1 m³ de biogás (60% CH4 y 40% CO2) es aproximadamente 6 kW.h/m³ (Hilbert, 2003), permiten reducir la emisión descontrolada de metano proveniente de la ganadería, el aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera proveniente del uso de combustibles fósiles, la emisión de óxido nitroso y amoniaco al aplicar los efluentes del biodigestor como fertilizante, y los contaminantes orgánicos presentes en los estiércoles, debido al uso de pesticidas que son descompuestos en la digestión anaerobia.

En el proyecto se han construido 69 biodigestores, de ellos nueve son tubulares plásticos, uno de cúpula móvil (modelo hindú), dos lagunas anaeróbicas cubiertas y los restantes 57 son de cúpula fija, con capacidad total de digestión de 1 665 m³ y producciones anuales de 200 020 m³ de biogás y 867 t de bioabonos (equivalentes a 604 barriles de petróleo 90 USD/barril y a 116 t de fertilizante completo NPK 650 USD/t, respectivamente). A este proceso contribuyó el desarrollo de un software soportado en LabVIEW 7.1 y su correspondiente manual para diseñar biodigestores y las lagunas de tratamiento secundario y terciario, cuando sean necesarias, en función de la disminución de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) del efluente líquido.

Asimismo, se instalaron 28 plantas de producción de bioproductos a partir de efluentes de biodigestores, enriquecidos con microorganismos nativos, los cuales se utilizan en la sanidad animal y vegetal, la nutrición de cultivos, la eliminación de malos olores en las instalaciones pecuarias, la biorremediación de lagunas contaminadas con residuales orgánicos y también en filtros de biocerámicas.

 

Gasificación de biomasa leñosa para la producción de electricidad

La gasificación de biomasa es la conversión de biomasa sólida (madera, residuos forestales y agrícolas lignocelulósicos) en una mezcla de gas combustible, que se utiliza en motores de combustión interna para generar electricidad, en el marco de un proceso de combustión parcial que ocurre cuando el aire suministrado (oxígeno) es menor que el necesario para que la combustión de la biomasa sea completada. La biomasa contiene moléculas de carbono, hidrógeno y oxígeno, por lo que la combustión completa produce dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O); mientras que la combustión parcial genera monóxido de carbono (CO) e hidrógeno, que son gases combustibles.

Esta gasificación de la biomasa es mucho más eficiente (eficiencia de conversión superior al 75%) que su combustión tradicional como leña o carbón (la eficiencia de conversión a energía es inferior al 10-25%). El gas producido posee un valor calorífico neto de 4-6 MJ/m³, es decir, 5-7 veces inferior al gas natural (36 MJ/kg) o al biogás (22 MJ/kg) (FACT, 2010).

La tecnología seleccionada fue de lecho fijo y con flujo descendente (downdraft), con cuatro fases dentro del gasificador (secado, pirolisis, oxidación y reducción), y su proveedor fue la empresa hindú Ankur Scientific Energy Technologies, uno de los líderes mundiales en gasificadores de baja capacidad (inferior a 100 kW.h), de la cual se adquirieron dos gasificadores con sus generadores, con capacidad de 20 y 40 kW.h; estos se instalaron en la Estación Experimental "Indio Hatuey", en Matanzas, y en el aserradero de madera "El Brujo", en la zona de la Gran Piedra-Baconao, Santiago de Cuba, que operan con madera de marabú (Dichrostachys cinerea, una leñosa espinosa invasora) y residuos de las podas de los sistemas agroforestales pecuarios, así como con residuos madereros.

Esta tecnología produce menos alquitrán que la de flujo ascendente (updraft), por lo cual es más apropiada para el uso del gas en motores (FACT, 2010); sin embargo, requiere estrictas especificaciones de la biomasa combustible (humedad, tamaño).

 

Estudios socioeconómicos y ambientales

El análisis económico-financiero realizado en la fase I de BIOMAS-CUBA, con un horizonte hasta el 2014, brindó una relación beneficio/costo que, al cierre de este año, se estima en 3,4, incluida la inversión realizada por la Cooperación Suiza y las contrapartes, con un valor actual neto (VAN) superior a 34 millones de CUP y una tasa interna de retorno de la inversión (TIR) de 7,4%, con una recuperación de la inversión al inicio del 2009, lo que le confiere al proyecto una adecuada eficiencia. Asimismo, se calculó una utilidad neta superior a 48,2 millones CUP, entre 2009 y 2014.

Por otra parte, se generó un incremento de la producción de alimentos (3 196 t de vegetales, frutas, leches, carnes y huevos) en 2009-2011, influido directamente por el proyecto, que, de acuerdo con los precios del mercado local, ascendió de 1,6 a 19,7 millones CUP; también se diversificaron los renglones productivos, aunque aún la oferta es inferior a la demanda. Además, en dicho período se logró una producción local de biogás, bioabonos, arroz y leche en 14 municipios de cinco provincias, equivalentes a sustituir importaciones de diesel, fertilizantes y alimentos por valor de 280 626 USD.

Con relación a la mejoría de la calidad de vida de las personas se destacan los siguientes logros: la creación de 108 empleos directos con salario medio mensual de 469 CUP, superior al salario medio de las cuatro provincias involucradas (451 CUP), de los cuales el 14% son ocupados por mujeres en igualdad de condiciones; una mejora del nivel de vida de 1 198 personas de forma directa en los 14 municipios, debido al incremento de empleos, ingresos, acceso a equipos e insumos productivos, mejores condiciones de trabajo y disponer de servicio de cocción con gas; la generación de ingresos por 43,1 millones CUP, durante 2009-2011, con un enfoque de género transversalizado (nuevos empleos para mujeres con igualdad de salario, mejores condiciones de trabajo y vida) y un incremento del empoderamiento de las mujeres campesinas, que deciden superarse y comenzar una vida laboral para adquirir independencia económica; incluso, se crearon iniciativas de autofinanciamiento y de gobernabilidad en acciones de asociacionismo.

En cuanto al impacto ambiental positivo entre 2009 y 2011, se valoró el secuestro de 1 567 t de CO2 (un árbol de jatropha captura 6 kg de CO2/año), que podría generar ingresos de 175 472 CUP (equivalente a 20 533 €) según los valores mundiales del mercado de créditos de carbono (13,10 €/t de CO2); se reforestaron 93 ha con jatropha asociada a cultivos alimenticios en un 70% del área, un 55% de esa tierra ubicado en suelos no utilizables para otras producciones agrícolas, que se encuentran (en una alta proporción) en áreas de alta fragilidad, con afectaciones medioambientales y cuencas hidrográficas, así como 97 ha de frutales y 15 ha de neem, con una supervivencia superior al 80%; se eliminó la contaminación generada por excretas vacunas y porcinas en 67 escenarios productivos, mediante la construcción de biodigestores; se recuperaron 117 ha de suelo invadidas por marabú, que en Guantánamo tenían un alto nivel de deterioro por la sobreexplotación en plantaciones de caña de azúcar y por la salinización; y se mejoraron 1 830 ha de suelos al aplicar bioabonos producidos con efluentes de biodigestores.

Referente a la formación del capital humano, 911 productores/as y 41 gestores/as se han capacitado mediante materiales impresos y métodos participativos de aprendizaje y experimentación, con enfoque de género, para fortalecer sus habilidades, a partir de 20 charlas técnicas, 36 talleres/cursos, nueve días de campo y más de 37 documentos de diferentes formatos. Asimismo, se ha conformado una red de personas e instituciones relacionadas con la cadena productiva de alimentos y energía (63 instituciones y organizaciones, 212 expertos/as, extensionistas y productores/as), la cual funciona de forma activa; sus miembros interactúan por e-mail y en encuentros periódicos, y se benefician de los servicios de la red de gestión del conocimiento creada en el proyecto. Dicha red está potenciada con un núcleo virtual de referencia en Agroenergía en la EEPF "Indio Hatuey", soportado en el sitio web http://biomascuba.ihatuey.cu que se implementa sobre software CMS Joomla versión 1.5.20 y servidores con sistema operativo Linux, y está soportado en un sistema de clúster (nube) sobre Proxmox Virtual Environment 1.9, que brinda el conocimiento científico y práctico producido y sistematizado.

 

Aspectos relevantes que han contribuido al éxito del Proyecto

• Enfoque temático: la producción integrada de alimentos y energía en el medio rural, sobre bases agroecológicas, y la aplicación del concepto de la finca agroenergética.

• Amplio trabajo en red entre todos los actores, que fue la principal causa del éxito y facilitó las sinergias entre actores de varios sectores a escala local, territorial y nacional.

• Modelo de innovación orientado hacia el logro de resultados prácticos y que promovió la vinculación entre el sector académico y los productores.

• Procesos de innovación agrícola local, donde se desarrollan y mejoran tecnologías e innovaciones con amplia participación del beneficiario, lo que genera mejoras y la sostenibilidad.

• Descentralización de la gestión del proyecto, para aumentar la creatividad, crear oportunidades de liderazgo para personas e instituciones y tomar decisiones en tiempo real.

• Equidad de género con una posición estratégica en el proyecto, con actividades concebidas como "multisexo" y no dirigidas solamente al sector femenino.

• Sinergias con otros proyectos financiados por COSUDE y con instituciones como la Asociación Nacional de Agricultores Pequeños, los gobiernos locales, las delegaciones municipales de la Agricultura, las filiales de la Asociación Cubana de Producción Animal y de la Asociación de Técnicos Agrícolas y Forestales, Cubaenergía, la Dirección de Energía Renovable del Ministerio de Industria Básica y los Grupos Gubernamentales de Biomasa Forestal y Orgánica, de Biogás y de Biocombustibles Líquidos.

• Permanente proceso de socialización de resultados, experiencias, buenas prácticas, tecnologías y diseños, etc., dirigido a beneficiarios directos y gestores del proyecto, autoridades gubernamentales y otros decisores de políticas, a escala local, provincial y nacional.

• Participación y papel protagónico de los productores/as y sus familias.

 

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Recibido el 25 de noviembre del 2011
Aceptado el 5 de diciembre del 2011