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INTRODUCCIÓN
Las fuentes y tipos de biomasa son distintas en cada país, sin embargo, dado el aumento sostenido de la producción agropecuaria, especial atención merecen los residuos de las cosechas agrícolas. La generación y gerencia de los residuos constituyen dos temas prioritarios en las sociedades modernas, sin embargo es necesario estimar sus volúmenes y sus potencialidades.
En el Ecuador la cosecha de maíz constituye un rico patrimonio de tradiciones agrícolas y alimenticias. La producción nacional de maíz seco supera el millón de toneladas métricas (ton), siendo las provincias de Los Ríos y Guayas las de mayor producción (casi el 56% de toda la producción nacional), con un rendimiento promedio de 4,86 ton de maíz/ha por cosecha. En ambas provincias se concentra el 60% de las áreas cosechadas y el 75 % de la producción nacional (Salazar et al., 2017).
Tradicionalmente los residuos de la cosecha de maíz (hojas y tallos) se dejan en las áreas de cosechas o se utilizan como alimento de ganado, ya sea en estado verde o seco y se han realizado estudios sobre la valorización nutritiva de los mismos para evaluar la producción de carne y la rentabilidad en la alimentación de ovinos, (Sánchez et al., 2015).
En el caso de la tusa del maíz, su uso como combustible energético no está documento y parte de estos materiales son dejados en el campo o quemados a cielo abierto provocando impactos notables en los medios receptores, contaminación del agua, el suelo, el aire, contribuyendo al cambio climático, afectando los ecosistemas y a la salud humana (Sánchez et al., 2015).
En el mundo varios son los estudios recientes dedicados a estimar potenciales energéticos de residuos en diferentes países y regiones (Scott et al., 2014, Huanguang et al., 2014, Aldana et al., 2014, Brosowski et al., 2016, Suzuki et al., 2017). Se han evaluado potenciales de residuos de las cosechas de cebada, maíz, arroz, soja, caña de azúcar, trigo, colza, sésamo, girasol, algodón, maní, cultivos de tubérculos etc, encontrándose diferencias ocasionadas por las prácticas culturales, las peculiaridades climáticas de cada región y las diferentes variedades de semillas utilizadas.
En el caso de los residuos de la cosecha de maíz, se han reportado coeficientes totales de residuos entre 0,5-3,2 kg de residuos por kg producto (kgr/kgp) en países de América del Norte y del Sur. En Asia Oriental y Meridional y Europa Oriental (Scott et al., 2014), valores entre 1-2 kgr/kgp en el caso de China (Huanguang et al., 2014) y en México 1 kgr/kgp (Aldana et al., 2014). En ninguno de estos trabajos los coeficientes se reportan por tipos de residuos.
Entre las metodologías aplicadas para la evaluación de los volúmenes y potenciales de residuos se encuentran, los sistemas de información geográfica (Perpiñá et al., 2009), y métodos estadísticos (Suzuki et al., 2017, Jiménez, et al., 2018), sin embargo, todas se fundamentan en una información preliminar sobre los coeficientes que estiman la cantidad de residuos producidos por áreas de cosechas o por unidad de masa de productos cosechados y el poder calorífico de estos residuos.
Cuando un residuo no se puede reutilizar como materia prima para obtener alimento animal u otros productos, como es el caso de la tusa, la opción más viable es su aprovechamiento para la obtención de energía, que es lo que se conoce como valorización energética, para lo cual es necesario estimar sus volúmenes, características técnicas y su potencial energético (Rodrigo et al., 2010).
El objetivo de éste trabado es estimar el potencial energético de la tusa (Giga Joule/hectárea o kWh/ha) en las provincias de Los Ríos y Guayas, a través de la evaluación experimental de los coeficientes y volúmenes de residuos generados y la caracterización de la tusa como combustible.
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Estimación de los volúmenes de residuos generados durante la producción de maíz
El maíz es una planta de fácil desarrollo y de producción anual, en el caso de Ecuador, se realizan dos cosechas al año. En el caso de la región de Guayas y Los Ríos en Ecuador las variedades de semillas más utilizadas son: H-551; H-553; H-601 y H-602, las cuales se diferencias por su rendimiento, la altura de la planta, el tamaño y el diámetro de la tusa fundamentalmente (Vera et al., 2013).
El hecho de que los coeficientes de residuos dependan de las prácticas culturales, las condiciones climáticas de cada país, así como, las variedades de semillas utilizadas y que en la literatura científica sobre el tema sólo se especifican coeficientes totales de residuos, no así, el coeficiente de cada residuo y es de nuestro interés determinar el volumen de tusas por hectárea cosechada o por tonelada de maíz producida, nos dimos a la tarea de efectuar un proceso experimental para la evaluación del coeficiente de cada residuo de la cosecha de maíz.
Durante el proceso de cosecha y separación de granos de maíz se obtienen residuos tales como tusas, hojas, raíces y tallos. Las hojas (hojas de la planta y la mazorca), los tallos y las raíces se generan básicamente en el campo mientras que las tusas) residuos que queda después del desgrane de la mazorca) y sus hojas se generan en las unidades de proceso (Fig. 1).
El número de muestra para realizar el estudio se determinó a través de la expresión (1) que se utiliza cuando no se conoce la población total (Webster, 2000):
Donde:
N. |
- Número de muestra. |
Z. |
- Nivel de confianza. Se tomó el valor de 1,96 para un nivel de confianza de 95% |
π. |
- Probabilidad de éxito (0,5) |
(1-π) . |
- Probabilidad de fracaso (0,5) |
E. |
- Error máximo admisible (0,05) |
El número de muestra determinada por la ecuación 1 es de 384 y fueron analizadas 1510 distribuidas como se muestra en la tabla 1 para mejorar la precisión de los estimadores estadísticos.
Tabla 1 Número de muestras por área
| Regiones | Cantones | Número de muestra |
|---|---|---|
| Los Ríos | Ventanas, Vinces, Palenque, Babahoyo, Mocache | 1100 |
| Guayas | Pedro Carbo, Nobol | 400 |
| Total | 1510 | |
El análisis de regresión de la relación entre el peso de la tusa y el peso del grano se llevó a cabo con programa profesional Statgraphics Centurion XVI.II con el objetivo de evaluar si existía una correlación positiva entre las variables.
Los coeficientes de residuos se determinaron a través de la ecuación 2, para lo cuál se realizó el pesaje de cada una de las partes que conforman la planta, relacionando el peso de cada parte de la planta con el peso del grano de maíz obtenido después del desgranado de la mazorca.
Las (Fig. 2 a, b, c, d, e, f, g, h) muestran la secuencia de las mediciones realizadas para la determinación de los coeficientes de residuos.
Fig. 2 Planta de maíz y sus partes. (a) Planta con raíz, tallo, hoja y mazorca. (b) Planta sin mazorca. (c) Planta sin hojas y mazorca (d) Mazorca. (e) Mazorca sin hojas. (f) Granos. (g) Tusas. (h) Raíz.
A los valores del coeficiente de residuos se le determinó la varianza a través de la fórmula VAR utilizando el programa profesional Microsof Excel.
2.2. Caracterización de los residuos de tusa de maíz. Poder calorífico.
Las muestras de tusa (Humedad 10 %) objeto de estudios fueron tomadas de ambas provincias, Los Ríos y Guayas y determinada su composición elemental, inmediata y poder calorífico bajo en los laboratorios del Centro de Excelencia y Generación Distribuida (NEST) de la Universidad Federal de Itajubá, Brasil.
La humedad de la biomasa en base de trabajo fue determinada con una balanza de humedad y pesaje modelo MAC (obtenida de forma automática por el equipo) cuya precisión de lectura del 0,1 %. El análisis aproximado fue realizado por una balanza termo gravimétrica LECO (TGA 701), temperatura de trabajo desde 100°C hasta 1000°C y resolución de 0,001 gramos. El análisis inmediato fue realizado con un analizador Perkin Elmer (CHNSO, Model 2400), precisión ≤ 0,2%. El valor calórico fue obtenido mediante un calorímetro Labcontrol modelo C2000. Este equipo posibilita la obtención del poder calorífico superior (LHVs), dado que las muestras no sufrieron ningún tratamiento previo, el resultado es considerado en base de trabajo y el valor calorífico inferior (LHVb) en base de trabajo fue determinado a partir de la a ecuación 3 (Faires, 1986).
Donde:
2.3. Potencial energético de los residuos de tusa de maíz.
Para la estimación del potencial energético se utilizó la siguiente expresión:
Donde:
PEt. |
- Potencial energético de la tusa por hectárea, GJ/ha |
CRt. |
- Coeficiente promedio de residuos de tusa, Kgr/Kgp |
Rmha. |
- Rendimiento de maíz por hectárea, ton/ha |
PCIbt. |
- Poder calorífico bajo de la tusa, MJ/kg. |
Para establecer una relación de equivalencia entre el potencial energético de la tusa y el de otros combustibles, se utilizaron los datos de valor calorífico bajo reportados en la tabla 2.
Tabla 2 Poder calorífico bajo de diferentes combustibles
| Combustible | Poder calorífico bajo, MJ/kg | Referencias |
|---|---|---|
| Petróleo Crudo | 40,14 | Faires, 1986 |
| GLP | 46,46 | |
| Gasolina | 44,00 | |
| Keroseno | 43,02 | |
| Gas Natural | 44,53 | |
| Madera | 21,31 | |
| Carbón Mineral | 30,92 | |
| Biogás | 25,94 | Baptista, 2001 |
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Análisis de regresión.
Los modelos analizados se reportan en la tabla 3.
Tabla 3 Comparación de Modelos Alternos
| Modelo | Correlación | R-Cuadrada |
|---|---|---|
| Logarítmico-Y Raíz Cuadrada-X | 0,844 | 61,53% |
| Multiplicativa | 0,7795 | 60,77% |
| Raíz Cuadrada Doble | 0,7785 | 60,60% |
| Raíz Cuadrada de Y | 0,7761 | 60,23% |
| Exponencial | 0,7677 | 58,93% |
| Lineal | 0,7586 | 57,55% |
| Raíz Cuadrada-Y Log-X | 0,7569 | 57,29% |
| Raíz Cuadrada de X | 0,7487 | 56,05% |
| Cuadrado de X | 0,7428 | 55,18% |
| Raíz Cuadrada-X Cuadrado-X | 0,7407 | 54,86% |
| Logaritmo de X | 0,7141 | 50,99% |
| Log-Y Cuadrado-X | 0,7117 | 50,65% |
| Cuadrado Doble | 0,6909 | 47,74% |
| Cuadrado de Y | 0,6763 | 45,74% |
| Cuadrado-Y Raíz Cuadrada-X | 0,6498 | 42,22% |
| Inversa de Y | -0,6442 | 41,50% |
| Cuadrado-Y Log-X | 0,6006 | 36,07% |
| Inversa-Y Cuadrado-X | -0,5578 | 31,11% |
| Doble Inverso | 0,4775 | 22,80% |
| Curva S | -0,4530 | 20,52% |
| Raíz Cuadrada-Y Inversa de X | -0,4150 | 17,22% |
| Inversa de X | -0,3716 | 13,81% |
| Cuadrado-Y Inversa de X | -0,2870 | 8,24% |
Los resultados muestran un mejor ajuste entre el peso de la tusa y el peso del grano con el modelo log-Y raíza cuadrada-X, (ecuación 5).
()5
El coeficiente de correlación del modelo es de 0,7844 y el R2 de 61,53 %, lo cual significa que hay un ajuste apropiado entre el peso de la tusa y el peso del grano, dado que exceden el umbral del 60% (Webster, 2000).
3.2. Coeficientes de residuos de la cosecha de maíz.
Los coeficientes de residuos derivados de la producción de maíz, obtenidos experimentalmente a través de la ecuación 2 y siguiendo la secuencia representada en la (Fig. 2) se presentan en la tabla 4.
Tabla 4 Valores medios del coeficiente de residuos de la cosecha de maíz en la provincia de Los Ríos y Guayas de Ecuador
| Provincias | Cantones | Coeficientes de Resíduos (kgr/kgp) (*) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tallos | Raíz | Hojas 1 | Hojas 2 | Tusas | Total | ||
| Los Ríos | Palenque | 0,330 | 0,182 | 0,316 | 0,008 | 0,176 | 1,012 |
| Los Ríos | Mocache | 0,280 | 0,080 | 0,248 | 0,022 | 0,120 | 0,750 |
| Los Ríos | Vince | 1,031 | 0,452 | 0,535 | 0,051 | 0,211 | 2,280 |
| Los Ríos | Ventanas | 1,231 | 0,260 | 0,393 | 0,029 | 0,220 | 2,133 |
| Los Ríos | Babahoyo | 0,990 | 0,150 | 0,532 | 0,028 | 0,210 | 1,910 |
| Guayas | Pedro Carbo | 0,899 | 0,723 | 0,420 | 0,045 | 0,158 | 2,245 |
| Guayas | Nobol | 0,432 | 0,089 | 0,562 | 0,041 | 0,204 | 1,328 |
| Promedio | 0,741 | 0,277 | 0,429 | 0,032 | 0,186 | 1,665 | |
*( )Corresponde a la relación de kg de residuos/ kg de producto (maíz).1. Hojas de la planta, 2. Hojas de la mazorca
En el caso de la tusa se obtuvo un valor medio de todas las muestras analizadas de 0,186 kilogramos de tusas por kilogramo de maíz seco cosechado, con una varianza de 0,005 de kilogramos de tusa / kilogramos de maíz y una desviación estándar de 0,07 kg de tusa/kilogramos de maíz, los valores muestran una dispersión mínima con respecto al valor medio obtenido, de forma tal que podemos afirmar que el coeficiente de residuos de la tusa es de 0,186±0,07 kg de tusas/kg de maíz.
Utilizando el valor medio del coeficiente de residuos de la tusa y teniendo en cuenta que el rendimiento de maíz promedio en las regiones de Los Ríos y Guayas es de 4,86 ton/ha se pueden obtener 0,9 ton de tusas por hectárea.
3.3. Caracterización de los residuos de tusa de maíz.
Se determinó la composición elemental de la tusa en base seca y libre de cenizas, el por ciento de cenizas volátiles y carbón fijo y el poder calorífico inferior, tabla 5.
Tabla 5 Características de las tusas
| Análisis Elemental (% másico), base seca y libre de cenizas | Normas | |
|---|---|---|
| Elementos | Valores | |
| Carbono (C) | 48,50 | ASTM D 5373-08 |
| Hidrógeno (H) | 5,64 | |
| Oxígeno (O) | 45,46 | |
| Nitrógeno (N) | 0,40 | |
| Azufre (S) | 0,01 | |
| Análisis Inmediato (%másico) | ||
| Cenizas | 1,73 | ASTM D 3175 |
| Volátiles | 79,36 | ASTM D 3174 |
| Carbón fijo | 17,14 | ASTM D 3172 |
| Humedad | 1,77 | ASTM D 3173 |
| Valor calórico inferior en base de trabajo (MJ/kg) | ||
| 17,40 | ||
Los valores resultantes de las características de la tusa están dentro del rango de los obtenidos por otros autores (Biagini et al., 2014, Suhartono et al., 2016).
3.4. Potencial energético de la tusa
Considerando el coeficiente promedio de residuos de tusa (0,186 kgr/kgp) (tabla 4), un rendimiento de maíz promedio por hectárea de 4.86 ton/ha en la provincia de Los Ríos y Guayas (tabla 1) y el poder calorífico bajo de la tusa (17,40 MJ/kg) (tabla 5), podemos estimar un potencial energético de la tusa (ecuación 4) de 15,72 GJ/ha por cosecha (4,37 MWh/ha por cosecha) como energía primaria de carácter renovable, teniendo en cuenta que 3600 kJ/kWh (Faires, 1986).
Para establecer una relación de equivalencia entre el potencial energético de la tusa y otros combustibles utilizados en el área rural ecuatoriana, en la (Fig. 3) se muestra la cantidad másica de combustible equivalente por unidad de área por cosecha, tomando en consideración el poder calorífico de estos combustibles reportado en la tabla 3.
CONCLUSIONES
La correlación estadística entre el peso de la tusa y el peso del grano es significativa, ajustada a un modelo exponencial con un coeficiente de correlación de 0,78 y R2 de 61,53 %.
El valor medio del coeficiente de residuos de tusa en las provincias de Los Ríos y Guayas, Ecuador, es de 0,186 ton de tusas/ton de maíz con una desviación estándar de ±0,07 kg de tusa/kg de maíz.
El potencial energético de la tusa en las provincias de Los Ríos y Guayas calculado a través del valor medio del coeficiente de residuos de tusa es de 15,72 GJ/ha por cosecha, equivalente a 0,37 toneladas de petróleo crudo, 0,32 toneladas de GLP, 0,34 toneladas de gasolina, 0,35 toneladas de keroseno, 0,41 toneladas de gas natural, 0,84 toneladas de madera, 0,35 toneladas de carbón mineral y 0,69 toneladas de biogás.
