6. Indice de Ponencias (Contd.)

COMBUSTIBLES Y ENERGÍAS RENOVABLES A PARTIR DE LA BIOMASA AZUCARERA

Antonio Valdés Delgado
Ministerio Ciencia Tecnología y Medio Ambíente
Paulino Lopez Guzman
Jorge L. Isaac Pino

La caña de azúcar como captador y almacén de la energía solar

El Sol es la mayor y mas confiable fuente de energía con que cuenta la Humanidad, su accesibilidad, sin condicionamientos políticos o económicos, su inagotabilidad y su efecto positivo sobre el medio ambiente hacen que la utilización de su energía sea en la actualidad una de las vías mas recomendadas y preferidas para enfrentar los retos energéticos y ecológicos del mundo y en particular los paises del Tercer Mundo. Sin embargo, su carácter difuso, discontinuidad con el día y la noche y variabilidad en dependencia de las condiciones climáticas, son factores que limitan su aprovechamiento.

Entre las biomasas, disponibles comercialmente hoy en día, la caña de azúcar ocupa un destacado lugar. Su capacidad de fotosíntesis hace de ella, una de las plantas de mayor rendimiento agrícola. La caña de azúcar crece en el trópico y en algunas regiones subtropicales lo cual la vincula a paises en desarrollo que como tales tienen que enfrentar el reto del desarrollo en condiciones ambientalmente limpias, con limitaciones energéticas y económicas.

El rendimiento en materia seca de la caña de azúcar, oscila desde 27 hasta 90 tm por ha-año, en dependencia del regadío, fertilización, métodos de cosecha, cultivo, etc, con un contenido de fibra que alcanza 18% de fibra en caña molible, en' Cuba el promedio es de 14%.

Tabla 1. MATERIA SECA PRODUCIA POR DIFERENTES BIOMASAS

Balance de energía de la producción de caña de azúcar.

En el caso de la caña de azúcar como una fuente de energía renovable en su producción no solo intervienen la energía solar sino también la energía fósil que se consume para su siembra, cultivo, cosecha y transportación hasta su entrega a las fábricas.

Debido a las características de su proceso vegetativo, se practican diferentes sistemas de reposición de cepas y cultivo que se diferencian por el número de cortes que recibe la planta y su ciclo de rotación. Nuestros estimados se basan en una rotación de ciclos de 7 años, con 5 cortes y con rendimientos promedios de 100 tm/ha-año, tomando en consideración operaciones agrícolas mecanizadas en su mayor parte. En la tabla siguiente se muestran los consumos de energía fósil para una superficie de 1000 hectáreas dedicadas a este cultivo.

Tabla 2. CONSUMO TOTAL DE ENERGÍA FÓSIL PARA LA PRODUCCIÓN DE CAÑA DE AZÚCAR.

Producción de Caña por año:

Consumo de combustibles:

De acuerdo al sistema de producción agrícola explicado anteriormente, el volumen de caña molible que se dispondrá en las 1000 ha. consideradas sería de 71 400 TM, lo cual significa que el consumo de combustibles fósiles en la producción de caña de azúcar asciende a 8 kg/tm de caña completa (tallos, hojas, cogollo) y en términos de energía (Valor Calórico Superior 4000 kCal/kg) equivalente a 8,56 tpe/ha, mientras que se consume para su producción un total de 0.57 tpe/ha. Esto significa que la caña de azúcar ofrece una cantidad de biomasa que expresada como energía, es unas 15 veces la energía fósil que se utiliza en su producción, lo cual evidencia su potencialidad como fuente de energía renovable y como una vía eficiente del aprovechamiento de la energía solar.

La caña de azúcar como fuente de energía renovable en América Latina y Cuba

La caña de azúcar es una graminea sembrada en todos los continentes que ofrece no tan solo alimentos sino también combustible y energía renovables anualmente y sin afectaciones al medio ambiente. La tecnología industrial empleada permite la disponibilidad de materias primas para diversas producciones que, junto con la producción de energía, elevan el valor agregado del azúcar, principal producto obtenido de esta agroindustria.

El azúcar de caña representa alrededor del 65% de la producción mundial de este alimento, siendo América Latina una de las mayores productoras, correspondiéndole el 37% del azúcar y el 58% del total mundial de caña producida. La producción de alcohol en la región significa mas del 65% del total producido mundialmente.

En Cuba, la caña de azúcar emplea el 27% de la superficie cultivable del país correspondiendo con mas del 12% de la superficie que se cultiva mundialmente, representa mas del 9% de la cantidad que mundialmente se produce y la cantidad de azúcar que mundialmente se obtiene de su procesamiento significa alrededor del 11%

Tabla 3 SITUACIÓN DE AMÉRICA LATINA EN EL CONTEXTO MUNDIAL DE LA PRODUCCIÓN DE AZÚCAR

En la región existen alrededor de 1640 fábricas relacionadas con esta agroindustria, de ellas unos 611 ingenios, 503 destilerías de alcohol, 25 plantas de pulpa y papel y 333 instalaciones para la producción de alimento animal, entre las principales.

La rama azucarera, en Cuba, cuenta con unas 156 fábricas de azúcar crudo, 16 fábricas para la producción de azúcar blanco refino, 16 destilerías de alcohol, 10 plantas para la producción de levadura torula, 5 fabricas para la producción de pulpa y papel, 7 para producir tableros de bagazo y mas de 150 instalaciones de producción de alimento animal.

La cosecha, en América Latina, de 450 millones de toneladas de caña - 320 para la producción de azúcar y 130 para la producción de alcohol directo del jugo, inducen una serie de residuos y residuales, que son o que pueden ser, fuentes de combustibles y energía. Esta producción se realiza con un combustible renovable y no contaminante que no es necesario transportar a las fábricas, pues es parte componente de la materia prima: el bagazo de la caña de azúcar. En Cuba toda la caña se destina para la producción de azúcar.

La producción del azúcar crudo se puede realizar sin el uso de combustible o energía adicional a la que puede ser producida por el bagazo, existiendo un consumo de energía mecánica del orden de los 25–30 kWh/ton caña y un consumo de vapor para el proceso de unos 450–550 kg/ton caña. El bagazo, los residuos agrícolas de la cosecha (RAC) y la producción de biogas a partir de los residuales líquidos azucareros y alcoholeros son fuentes de combustibles y energía posibles de obtener de esta biomasa.

En la Tabla 4 se muestra la producción de estos combustibles a partir de la agroindustria azucarera-alcoholera en América Latina y Cuba, para ello se ha asumido un 27.5% de bagazo en caña, un 3.5% de cachaza en caña, un 21.5% de RAC en la caña integral, 0.5 m3 de aguas residuales por tonelada de caña, una producción de biogas de 1 m3 por tonelada de caña, un valor calórico del fuel-oil de 10300 kcal/kg, de 1825 kcal/kg para el bagazo a 50% de humedad y el RAC a 45% de humedad y de 5000 kcal/m3 para el biogas.

A partir de un rendimiento agrícola promedio de 52 ton de caña por hectárea, se expone en la Tabla 5 la cantidad de combustible que se puede obtener por superficie agrícolas sembrada de caña si se utilizase la biomasa azucarera con este propósito.

En estas Tablas se puede observar como prácticamente pueden obtenerse entre 5.6 y 7.6 toneladas de petróleo equivalente por hectárea de caña sembrada al considerarse una producción de alcohol a partir del jugo o de las mieles; es de señalar que no se incluye el consumo de combustibles para la obtención de cada uno de ellos o sea solo se expone el valor bruto obtenible.

Table 4. PRODUCCIÓN DE BIOMASA Y COMBUSTIBLES A PARTIR DE LA AGROINDUSTRIA AZUCARERA-AL-COHOLERA DE AMÉRICA LATINA Y CUBA

Tabla 5. COMBUSTIBLE RENOVABLE OBTENIBLE EN AMÉRICA LATINA A PARTIR DEL USO DE LA BIOMASA AZUCARERA

Energías y combustibles obtenibles a partir de la Industria Azucarera-Alcoholera.

La producción de azúcar y alcohol, como se ha señalado, puede propiciar no tan solo un alimento sino también combustibles y energías como son la energía térmica y eléctrica y el alcohol y el biogas como combustibles. A continuación se describen sus potenciales y vías de obtención.

Generación y cogeneración de energía eléctrica

Uso de la energía térmica en la industria azucarera.

El vapor producido por la combustión de la biomasa cañera se destina hacia la producción de energía mecánica o eléctrica y la energía térmica para los requerimientos del proceso tecnológico de la producción del azúcar, alcohol u otros derivados.

En una fábrica que procese 1000 toneladas de caña por día, con una presión de generación de vapor de 28 kg/cm2 y con un consumo de vapor en el proceso de 550 kg/ton caña, puede generar unos 2167 kWh, mientras que con un consumo de 380 kg/ton caña la generación sería de 1497 kWh o sea un 31% menos. En este último caso, se obtendrá bagazo sobrante que puede ser empleado como materia prima o como combustible para otras producciones. Un esquema con óptimo aprovechamiento del vapor permite lograr sobrantes de bagazo del orden del 20–25%.

El bajo consumo de energía mecánica en comparación con las necesidades de energía térmica y su empleo a bajas presiones determinan la posibilidad de implementar un sistema de cogeneración primaria de energía eléctrica. El consumo de energía eléctrica para los equipos motrices de la fábrica es del orden de los 15–25 kWh/ton caña.

Un análisis del significado de la cogeneración en la Industria Azucarera se puede apreciar en la evaluación de las siguientes alternativas para la producción de energía eléctrica:

A1.- Generación solo en turbinas de condensación

A2.- Cogeneración solo en turbinas de contrapresión

A3.- Generación-cogeneración en turbinas de extracción-condensación

• Si se emplea una presión de vapor de entrada al turbogenerador de 42 kg/cm2 y 400 oC, una presión de extracción de 2 kg/cm2 y una presión de condensación de 0.1 kg/cm2.

• Un consumo de vapor de 500 kg/ton caña, una eficiencia de la turbina del 70%, una fibra en caña de 13% y un índice de generación del vapor de 2.2 ton vapor /ton de bagazo.

Con estas condiciones tendremos que la cantidad de energía eléctrica que se puede producir en dependencia del tipo de esquema a operar seria de:

A1= 47.0 kWh/ton caña A2=27.5 kWh/ton caña A3= 33.4 kWh/ton caña

A continuación se muestra el crecimiento de la capacidad de cogeneración en la industria azucarera cubana:

* corresponde con 292 turbogeneradores y 95 generadores

La base energética industria en 1995 está constituida por el siguiente equipamiento:

• 804 generadores de vapor que consumen bagazo y de ellos el 52% fueron instalados hace mas de 45 años y cuyas eficiencia térmica oscilan de 50–60%.
• 349 turbinas de vapor de contrapresión, localizadas en 149 de los centrales azucareros y de las cuales el 30% tienen mas de 30 años. La capacidad de cogeneración instalada asciende a 743 MW.

La sustitución de generadores de vapor por otros con eficiencias de 85% permitiría lograr de 20–25% de bagazo sobrante; Se estima que por esta medida se podría lograr a corto y mediano plazo volúmenes de bagazo equivalente a los 360 mil tpe.

Como se ha señalado, el consumo de vapor de proceso es como promedio 500 kg/tc molida. Con modificaciones en las instalaciones del proceso de fabricación de azúcar, para lograr consumos de 380 Kg/tc nos permitiría alcanzar niveles de bagazo sobrante aproximados al 20%, en aquellos centrales que generan vapor actualmente a 18 atm de presión. Se estima que por esta vía se lograría bagazo sobrante equivalente a 200 mil tpe a mediano plazo.

Los residuos agrícola de la cosecha como combustible (RAC)

Para una cosecha de 70 millones de te molible hay disponible en los centros limpieza de 4–5 millones de t de RAC. El consumo estimado requerido en la cogeneración de electricidad, a largo plazo asciende a 1.2 millones de t, lo cual deja disponible para consumir como combustible en la industria, derivados y otros sectores económicos unos 3.8 millones que equivalen a unos 900 mil tpe.

Sin llegar a agotar todo el potencial de las alternativas anteriores a largo plazo el uso del bagazo sobrante y RAC para sustituir combustible fósil, en la industria, derivados y otros sectores, ascendería a más de 1 millón de tpe.

BAGAZO SOBRANTE Y RAC COMO COMBUSTIBLE

Reposición de generadores de vapor de mayor eficiencia. (85–88%) Bagazo sobrante/ pet. equivalente.   198t/36 tpe   198t/36 tpe   198t/36 tpe.

Introducción de esquemas de vapor con índices de consumo de 380 kg/tc. Bagazo sobrante/petróleo equivalente.   55t/10 tpe   110t/20 tpe   110t/20 tpe

Uso del RAC como combustible secundario en la industria, derivados y otros sectores. RAC/petróleo equivalente.   66t/20 tpe   145t/44 tpe   198t/60 tpe

TOTAL   66 tpe   1 00 tpe   1 16 tpe

Actualmente las necesidades de energía térmica de la producción de azúcar se satisface fundamentalmente a partir del bagazo de la caña. Así también ese combustible satisface una parte de las necesidades, en época de zafra, de la producción de refino y alcohol; en época fuera de zafra esas producciones solamente consumen petróleo.

Al consumo de combustible fósil antes referido se adiciona la demanda de las labores agrícolas y otras actividades productivas como la construcción de maquinaria, etc. Todo lo cual significan niveles de consumo equivalentes a 1 millón de tpe.

En cuanto al consumo de electricidad, el sector en el año 90, consumió 2330 GW.h y cogeneró 1449 GW.h, lo cual significó que el suministro de electricidad de la red nacional al sector ascendió a 881 GW.h.

Uno de los problemas que tiene que enfrentar el país en su desarrollo se relaciona con la demanda creciente de combustible, que en su mayor parte se satisface con combustible fósil importado. En el marco de esa problemática le corresponde a la industria azucarera contribuir en su solución, aprovechando el potencial de biomasa que cada año produce.

En esa dirección los desafíos a mediano y largo plazo que se plantean se resumen en:

• Incrementar la cogeneración de electricidad a partir de la biomasa cañera, a niveles que satisfagan el consumo de todo el sector azucarero( 2330 GW.h/a) a mediano plazo.
• Suministrar combustible y electricidad a otros sectores de la economía a niveles que equivalgan y superen el consumo de combustible fósil del sector (1 millón de tpe).

Generación y cogeneración de electricidad

En la región latinoamericana existen fábricas de azúcar que operan durante 330 días\año como son los casos de Perú y Colombia, pero en sentido general en la mayoría de los paises, la cosecha de la caña se realiza en períodos de 5–6 meses en épocas específicas del año al estar condicionada su recolección a los períodos de lluvia. En los casos en que se opera durante todo el año se puede- mediante el uso de turbogeneradores de extracción-condensación- aumentar la cantidad unitaria de energía eléctrica generada.

En los otros casos en que el período de cosecha se limita a una parte del año - 150 a 180 días- no es atractivo económicamente realizar una instalación de este tipo a no ser que se utilice un segundo combustible -fuel-oil, carbón, gas natural, bagazo o RAC almacenados- de forma tal que se pueda operar durante todo el año. Existen experiencias de este sistema en Hawaií, Brasil, Isla Reunión y se realizan estudios para Mauricio y la Isla Guadalupe. En estos casos se genera el vapor a presiones de 80 atm., con el objetivo de aumentar el índice de generación de electricidad: se reportan valores de 90–110 kWh generado por ton de caña.

Una planta de este tipo se encuentra ubicada aledaña al Central Azucarero Bois Rouge en la Isla de la Reunión, y genera electricidad durante unos 300 días a partir de bagazo y carbón como combustibles. Su puesta en marcha se realizó en el mes de Julio de 1992 entregando 280 Gwh en 1993 al sistema eléctrico de la isla (25% de consumo eléctrico total).

En los últimos años se han propuesto esquemas teóricos del empleo de la gasificación del bagazo y los residuos agrícolas de la cosecha cañera con el objetivo de su suministro a una turbina de gas para la generación de electricidad; estudios posteriores indican el uso de ciclos combinados gas-vapor para aprovechar el calor sensible del gas que sale de la turbina para generar vapor en una caldera recuperadora de calor y por consiguiente generar una mayor cantidad unitaria de energía eléctrica.

Las alternativas tecnológicas para solucionar al desafío del incremento de la cogeneración eléctrica que se proponen son:

Corto y mediano plazo

• Instalar turbos de contrapresión en los únicos centrales azucareros que no cogeneran actualmente (7 centrales).
• Disminución del consumo de vapor de proceso de 450 kg/tc a 380 kg/tc e instalación de un turbo condensante, aprovechando la capacidad de generación existente y consumiendo el bagazo sobrante y RAC disponible como combustible durante todo el año (en 7 centrales).
• Generación y cogeneración de electricidad, durante todo el año, en una central termoeléctrica anexa a un central azucarero, consumiendo todo el bagazo y el RAC disponible y suministrando vapor y electricidad, en época de zafra al central azucarero. (100 MW instalado).

Largo plazo.

• Las soluciones de cogeneración de electricidad, en el largo plazo, pueden cambiar significativamente con la introducción de la tecnología de Gasificación de Biomasa-Turbina de Gas-Ciclo Combinado (BIG-GT-CC), que aunque en la actualidad se encuentra en fase de desarrollo es de esperar que en el futuro inmediato se encuentre disponible comercialmente. Esta tecnología debe lograr índices de cogeneración del orden de los 220 KW.h/tc en época de zafra y fuera de zafra 400 kg/t rac.

Estos nuevos esquemas presentan problemas tecnológicos aún resolver, como la alimentación del bagazo a un sistema de gasificación a presión y la limpieza total de los gases para evitar la destrucción de los alabes de la turbina por el arrastre de partículas sólidas en suspensión. Sin embargo estos sistemas se presentan como alternativas futuras atractivas del uso eficiente de biomasa cañera como un combustible renovable.

Se señalan aumentos para estos sistemas de generación-cogeneración de energía eléctrica entre 5 y 40 veces los esquemas típicos actuales donde se emplean turbinas de contrapresión, ello significa que para el caso de Cuba se podría generar toda la energía eléctrica que necesita el país a partir de esta biomasa.

Las soluciones tecnológicas antes referidas significarían consumos de biomasa y cogeneración de electricidad que se resumen a continuación:

COGENERACION DE ELECTRICIDAD Y CONSUMO DE RAC

      CORTO
PLAZO MEDIANO
      PLAZO LARGO

Cogeneración en siete centrales azucareros.   36.7   36.7   -       36.7   -

TRES termoeléctricas de cogeneración-condensación   -   -   732   711   732   711

Consumo de vapor-proceso (380 Kg/tc), turbina de condensación en 7 centrales de capacidad: 7 000 tc/d   234,5   96,2   234,5   96,2   234,5   96,2

GIB-TG-CC: 3 centrales con capacidad de 5 000 tc/d cada uno   -   -   -   -   925   411

TOTAL   271,2   96,2   1 003,2   807,2   1 928,2   1 219,2

El desarrollo de la cogeneración de electricidad anterior logra a mediano plazo incrementar la cogeneración a niveles de 1000 GW. h/a, balanceando el consumo de electricidad del sector e iniciándose la entrega neta de electricidad a la red nacional.

ALCOHOL

El alcohol, alcohol etílico, o etanol se denomina a un producto que no se presenta en grandes cantidades en la naturaleza, es un líquido incoloro, neutro, soluble en agua y que presenta diversos usos; puede ser utilizado como un combustible renovable y no contaminante. Su principal obtención se realiza por la fermentación de azúcares con levadura.

En el caso de América Latina en solo seis países se produce mas del 96.5% del total de la región -Brasil, Argentina, Cuba, Jamaica, México y Venezuela son los mayores productores- siendo significativo el caso de Brasil que produce el 90.2%. Existen en operación unas 503 destilerías correspondiéndole a Brasil el 75% - o sea unas 372-; en este país el 55% de la producción se realiza a partir del jugo como materia prima que corresponde al 51% de la capacidad instalada.

Unos 4 millones de vehículos emplean solo alcohol mientras que el resto usan la mezcla alcohol-gasolina, existen unas 21,000 estaciones de servicio, y se propician unos 700,000 empleos, la capacidad instalada total en este país, permite una producción de unos 16 millones de litros al año.

El alcohol también se emplea en la producción de bebidas, como solventes y en diversas producciones químicas, por ejemplo en Brasil el 3% de la producción - unos 370 millones de litros- se utiliza como materia prima para la alcoquímica. Sin embargo la experiencia de Brasil en la producción y uso de este derivado de la caña de azúcar esta en correspondencia con situaciones económicas especificas de ese país. Su mayor producción en otros países de la región debe estar condicionado, entre otros aspectos, a su cesto de pro ducción, al costo de producción del azúcar y a los precios de estos productos en el mercado mundial y en mercados preferenciales siendo otro aspecto no menos importante a considerar la disponibilidad de superficie agrícolas para la producción de un alimento o de un combustible.

La tecnología para su obtención a partir de las mieles de caña indica un insumo de unas 4.5 toneladas de mieles por toneladas de alcohol producido. Se necesita señalar que el uso de las mieles para la alimentación animal, el incremento de sus precios y su proporción significativa en la formación del precio del alcohol, ha inducido su obtención a partir de los jugos. En el caso del alcohol producido a partir del jugo de la caña se necesitan unas 18 toneladas de caña para producir una tonelada de alcohol esta alternativa ha sido empleada básicamente en Brasil y Argentina.

En Cuba existen 13 destilerías de alcohol con una capacidad instalada de mas de 1,500,000 Hl por año con capacidades diarias entre 200 y 1200 Hl/día. En el año 1990 se produjeron mas de 1,375,000 Hl, consumiéndose unas 480,000 toneladas de miel final, o sea alrededor del 20% del total producido. El alcohol, en Cuba, se destina hacia usos médicos, combustible domestico y para producir ron, operándose las destilerías durante unos 250 días por año, representando el mayor consumo como combustible domestico, que representa el 74%.

BIOGÁS

La tecnología de producción del biogás a partir de residuales industriales, se encuentra extendida en varios países como fuente energética. En América Latina se reportan instalaciones en países como Brasil, Ecuador, Colombia, Argentina, Perú, México, Cuba, y Bolivia entre otros.

En Cuba a modo de ilustración la cantidad potencial de biogás que se pudiera producir a partir de la agroindustria azucarera, contribuyendo a su vez a la preservación del medio ambiente, asciende a unos 70 millones de m3 de biogás al año, lo que equivale a 35 Mt fuel oil anuales, para una producción de unas siete millones de toneladas de azúcar.

Se emplea directamente a la presión atmosférica en la cocción de alimentos, en la iluminación, en la refrigeración doméstica siendo también posible su utilización en motores de combustión interna.

Si se realiza su purificación para elevar el contenido de metano, disminuyendo el CO2, se puede emplear como combustible automotor a una presión de 150 atm. y en el oxicorte de metales sustituyendo el acetileno con una presión de 10–15 atm.

En busca de un desarrollo sostenible, el tratamiento de los residuales de las industrias del sector es un paso obligado dada sus características contaminante y en ese importante objetivo, la vía tecnológica de producción de biogás, para disminuir su carga contaminante, se conjuga con los objetivos del desarrollo energético de la industria que a su vez, también contribuye a la disminusión del efecto de invernadero.

El aprovechamiento a largo plazo de todo el potencial disponible en el tratamiento de los residuales industriales, significará una producción de 101 millones de NM3 de biogás/a equivalente de 50 millones de tpe, obteniéndose además cantidades significativas de lodos biofertilizantes, para su uso en la producción agrícola.

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA AZUCARERA Y DE SUS DERIVADOS

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
106 NM3

Una instalación industrial cubana para la producción de biogas, que ha operado por mas de diez años se encuentra ubicada en una fabrica de azúcar con una capacidad de procesamiento de caña de 1000 por día. Esta instalación utiliza la cachaza y las aguas residuales como fuente de materia orgánica, en ella se produce entre 38 y 40 m³ por tonelada de cachaza, con un contenido de metano en el gas del orden del 70%. Se produce diariamente mas de 1200 m3 de biogas.

Una planta de este tipo remueve alrededor de 90% de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5); siendo los valores inciales de 4500 mg/l. La eficiencia energética neta de esta instalación, al descontarse la energía empleada en el bombeo de los residuales y en la operación propia de la planta, es de un 66%.

El agua de salida del proceso no tendrá una DBO mayor de 300 mg/l, su pH esta entre 6,9 y 7,3 y su contenido en nutrientes la sitúa como aceptable para el riego.

El lodo fertilizante obtenido contiene por tonelada unos 20 kg N ; 25 kg P2O5 y 2 kg de K2O con un flujo de 2 m3/hr con 6% de materia seca. Es de señalar que estudios realizados indican que para lograr la viabilidad económica de una instalación de este tipo indica la necesidad de emplear estos lodos sustituyendo fertilizante inorgánico.

Indicadores operacionales de una planta de biogás a partir de los residuales azucareros:

En lo que respecta a la producción de biogas a partir de las vinazas, en el momento actual se construye en Cuba una planta que emplea las vinazas de una destilería de alcohol de 500 Hl/día. Se ha proyectado una producción diaria de unos 16,000 m3 indicándose una relación de 20–22 m3 de biogás/m3 de vinaza. Se estima una eficiencia del 70% en la remoción de DQO; un contenido del 60% de metano en el gas y un contenido de 2.27 Kg de N, 0.1 Kg de P2O5 y 0.03 Kg de K2O por m3 en los lodos efluentes.

Las aguas que salen del reactor son recirculadas en un 30% y el resto pueden emplearse directamente en el riego de diferentes cosechas.

La combinación energía - azúcar - alcohol y su potencialidad económica

El análisis económico de los anteriores portadores energéticos correspondientes a una fábrica de 5000 ton de caña molida por día con producciones de alcohol y biogás, este último a partir de los residuales de ambas industrias, sustituyendo fuel-oil con un precio de 100 US$ por tonelada, considerando también el fertilizante obtenido del tratamiento anaeróbico de los residuales y un precio del azúcar de 264 US$/ton.

Tabla 7 VALOR AGREGADO A LA PRODUCCIÓN AZUCARERA POR EFECTO DE POTENCIAR SUS PORTADORES ENERGÉTICOS.

ENERGIA ELECTRICA (MWh/d)   600   5,940.00   180.0
AZUCAR (t/d)   500   19,800.00   -
     TOTAL   -   26,350.00   210.8
     AUMENTO   -   6,550.00   -

Se puede observar de la Tabla 7 como de un valor de 19,8 Millones US$ obtenidos por la venta del azúcar, se puede incrementar en más de un 25% el valor del conjunto de la energía y los combustibles producidos, lo que equivale potencialmente a un incremento en el precio de venta del azúcar a 351 US$/ton.

El desarrollo energético, antes expuesto, a largo plazo logra sustituir más de 1,5 millones de t de petróleo combustible que representan una disminusión de la emisión de C, al medio ambiente, de más de 5,5 millones de t anuales, lo cual confirma la importancia de esta alternativa en la contribución del país a la solución de los problemas globales de protección del medio ambiente.

En resumen, en el mundo existen tecnologías disponibles y en desarrollo que pueden propiciar el mejor aprovechamiento del potencial descrito, sin embargo, tanto por nuestro país como por otros países de América Latina la obtención de sus beneficios se enmarcan básicamente en la disponibilidad de financiamiento para ejecutar este tipo de inversión tan necesaria para la vida y el desarrollo de nuestros países.

LITERATURA CONSULTADA

• Alcohol carburante: posibilidades para el desarrollo. Colección GEPLACEA. Serie Mercado y Estadística. Editora: Impetei, Ciudad México, 1986.

• Blanco G. La producción de alcohol a partir de la industria azucarera. Ed. Ciencia y Técnica. Habana, 1982.

• Dillowijin C. Botánica de la caña de azúcar. Ed. Revolucionaria. 1990.

• Elliot P. Booth P. Brazilian biomass power demostration project. Seminar on power production from biomass. Helsinki, Finland, 1992.

• European Comunnity Demostration Project for energy saving. Use of Sugar Cane as fuel on the Island Reunion. 1994

• González H., Collazo Y. et all. ICINAZ: Tecnología para el tratamiento de las aguas residuales y los residuales sólidos para la producción de biogas y fertilizantes. Conferencia Mundial de la biomasa para la energía el desarrollo y el medio ambiente. Habana, Enero 1995.

• Humpbert P. The growing of sugar cane. Ed. Elsevier Co., 1962.

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• Lopez P. Características termodinámicas de la industria azucarera cubana: su desarrollo energético e impacto ambiental. Conferencia Mundial de la Biomasa para la Energía el Desarrollo y el Medio Ambiente. Habana, 1995.

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• Valdés A. Cogeneración de energía eléctrica en la industria azucarera cubana: antecedentes y situación actual. Conferencia Mundial de la Biomasa para la Energía el Desarrollo y el Medio Ambiente. Habana. Enero 1995

• Valdés A. Energía neta cogenerada empleando los residuos agrícolas de la cosecha. Diversificación 96. Habana Abril 1996

UTILIZACION DE LA BIOMASA EN LA ELABORACION DE YERBA MATE

Ing. José Antonio Posluszny
Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de Misiones
Misiones, Argentina

1.- INTRODUCCION

1.1. GENERALIDADES

La Provincia de Misiones con una superficie de unos 29.701 kilómetros cuadrados y unos 800.000 habitantes se encuentra ubicada en el centro de la gran cuenca del Plata. En su subsuelo se presenta el Macizo del Brasil que actúa como substrato básico, recubierto sucesivamente con capas de roca eruptiva del tipo basalto fundamentalmente. Sobre estas rocas se asentaron areniscas rojas de origen sedimentarios cementadas, que son las que en definitiva le dan el toque rojizo que originó la denominación de la Provincia de la Tierra Roja. Dos ríos: el Paraná y Uruguay actúan como colectores principales de no menos de unos ochocientos cursos de agua que desembocan en los mismos después de seguir un serpenteado camino aprovechando los desniveles propios del terreno, dado que la altura máxima sobre el nivel del mar es de 800 metros y la mínima de 100 metros.

El clima es subtropical sin estación seca; por la posición cercana al trópico de Capricornio le correspondería un clima cálido, pero en realidad es atemperado debido en gran medida a la existencia de bosques y por las frecuentes lluvias. La amplitud térmica por lo general es de unos 10° C.

La riqueza forestal nativa de la provincia se caracteriza por dos tipos de formaciones vegetales bien definidas: La Selva y el Campo. La primera con unas 200 especies arbóreas autóctonas ocupaba originalmente gran parte de la superficie provincial, pero el avance de las actividades agrícolas y forestales han avanzado aceleradamente con una reducción importante de la misma.

En cuanto al Campo, es una formación vegetal herbácea con algunos árboles dispuestos en isletas y en galerías, generalmente acompañando los cursos de agua.

En lo referente a la riqueza faunística, la misma esta íntimamente ligada a la flora, relieve y diversidad de elementos naturales que brindan abrigo y sustento a diferentes hábitats. Se contabilizan unas 554 especies de aves, 120 especies de mamíferos, 79 especies de reptiles, 55 especies de anfibios y más de 200 especies de peces.

1.2 SECTOR PRODUCTIVO

Por las características de la Provincia de Misiones, el sector agrario tiene un rol protagónico sumamente importante, representando para el sector primario un 22–24 % del producto bruto interno y el 70 % del valor agregado.

En el gráfico 1 se presenta la distribución de las superficies destinadas al sector agrícola, bosques implantados y monte nativo.

FIGURA 1.- Distribución de superficies.

El sector agrario esta conformado por unas 47.500 explotaciones, de las cuales el 70 % corresponden a pequeños productores con posesión de terrenos de menos de 25 hectáreas. La producción se sustenta principalmente en los cultivos perennes, como ser la Yerba Mate, Té, Tung, Cítricos, Forestales y últimamente la ganadería. Si bien es cierto que también existen productores de tabaco, los mismos se están reconvirtiendo a la actividad citrícola y ganadera principalmente. Los cultivos anuales se efectúan en pequeñas superficies como cultivos de autoconsumo (legumbres, maíz, mandioca, verduras diversas, etc.).

En lo referente al sector industrial podemos decir que se caracteriza por orientarse a la transformación de materia primas procedentes del sector agro forestal, con distintos grados de procesamiento o valor agregado, es así como el 88 % del valor de la producción manufacturada está concentrada en las siguientes actividades: Productos alimenticios. Tabaco, aserraderos y papel que ocupan el 75 % del total de establecimientos industriales instalados en la provincia.

En la figura 2 se presentan para los principales productos exportados la distribución porcentual del valor total de ventas para el año 1991.

FIGURA 2. - Principales productos exportados vs. Porcentaje del valor total de exportado

En lo que hace a la producción de yerba mate, en la figura 3 se presenta la evolución de la superficie cultivada y en la figura 4 la producción de yerba mate canchada en toneladas. Cabe destacar que en la provincia de Corrientes existen unas 20.000 Has, cultivadas con yerba mate.

FIGURA 3. - Evolución de la superficie cultivada con Yerba Mate.

FIGURA 4. - Evolución de la producción de Yerba Mate canchada.

2. - PROCESO DE ELABORACIÓN

En realidad el proceso de elaboración se inicia con la plantación de la yerba mate (Ilex Paraguariensis), la misma se realiza actualmente con densidades de plantación mayores (2.500–3.000 plantas/hectárea) a las acostumbradas en los inicios de la actividad de no más de 1.000 plantas por hectárea. El ciclo moderno pasó de la explotación de los yerbales silvestres a plantaciones organizadas en la década del '20 con la finalidad de obtener mayores beneficios. Los Indios Guaraníes desde los tiempos de las reducciones jesuíticas producían Yerba Mate con técnicas de elaboración que fueron tomadas en cuenta y constituyeron la base de la actual tecnología utilizada para su producción en el ámbito industrial.

A los dos o tres años de edad los cultivos están en condiciones de ser cosechados, para esta actividad se utiliza mucha mano de obra preferentemente entre los meses de febrero y octubre, donde se cortan las ramas más finas con sus hojas y se depositan en ponchadas de yute o material plástico para su transporte al secadero. Las ponchadas son rectangulares y de unos 2 metros de lado sobre las que se depositan las ramas y luego se atan los extremos (vértices) dando lugar a lo que se conoce como raído en la jerga de los tareferos (obreros dedicados a la cosecha), la cantidad de yerba almacenada en cada raído es de unos 60–80 kilos.

Una vez que la materia prima llega al secadero ésta se deposita a granel sobre un piso de cemento cubierto (planchada) con capacidad de almacenar hojas para no más de diez horas de elaboración evitándose así daños irreversibles en la materia prima que afectan la calidad final del producto.

El proceso se inicia con una etapa de sapecado que tiene por finalidad poner en contacto a las hojas verdes con la acción de las llamas y calor del fuego directo durante unos 20 a 30 segundos. Se forma vapor dentro de la hoja que le produce pequeñas ampollas que al reventar rompen su epidermis con un ligero crepitar. Con esta operación se inactiva el protoplasma y se destruye los fermentos, con lo que se reduce la oxidación de sustancias tánicas contenidas en la hoja, lo que evita el color negro de las hojas y conserva el verde deseado en el producto final. Durante esta etapa las hojas entran con una humedad del orden del 60% y reducen su peso por evaporación en un 20%. El calor necesario para esta etapa proviene de la combustión de la leña en un hogar del tipo semi-pila que asegure que los gases que se ponen en contacto directo con la yerba tengan una temperatura de unos 600° C. Cabe mencionar que resulta muy importante el tipo de leña que se utiliza puesto que la operación de sapecado es responsable de la calidad del producto final en cuanto al sabor.

La operación de sapecado se realiza en un cilindro metálico giratorio de unos 3 metros de diámetro y 9–10 metros de largo en el que se ponen en contacto en corriente directa la materia prima y los gases calientes provenientes del horno de combustión. El avance de la materia dentro del tambor se logra con la rotación ayudada con deflectores que a su vez facilitan el contacto íntimo yerba-gases de combustión. Durante esta etapa se consume 0,18 a 0,28 kg de leña por kilo de hoja verde, esta cantidad varía con las condiciones de la materia prima, con las instalaciones y con las condiciones del medio ambiente.

A la operación de sapecado en muchos establecimientos se continúa con un presecado que se efectúa en un cilindro de similares características al de la etapa anterior donde la yerba sapecada se pone en contacto con una corriente de gases de combustión de leña a unos 205° C provenientes de un hogar del tipo semi-pila, las pérdidas de humedad son de un 10–11% con un consumo de leña del orden del 0,05–0,08 kg de leña por kg de hoja verde.

El producto que sale de la etapa anterior aún posee un contenido de humedad que se elimina hasta llegar a un 4–5% en un secadero donde la yerba nuevamente se pone en contacto directo con los gases de combustión de leña a una temperatura de 90–120° C, el hogar para esta etapa es también del tipo semi-pila. En esta operación se eliminan de un 10 a 15% de humedad con un consumo de biomasa del orden del 0,05–0,08 kg de leña por kg de hoja verde.

Los primeros secaderos llamados barbacuas tardaban 24 horas en realizar la tarea de secado y constaban de un enrejado de varillas de madera sobre la cual bajo cubierta se colocaba la yerba mate, por debajo se inyectaba por convención natural los gases calientes provenientes de la combustión de leña en hornos del tipo semi-pila instalados por debajo del nivel de tierra, un operario llamado urú era el responsable de conducir el proceso de secado y tenía la tarea no muy agradable de tener que remover manualmente el lecho de yerba mate para facilitar el secado depositando a su vez sobre los costados el material seco para su posterior procesamiento. Actualmente los secaderos modernos han reducido el tiempo de secado a tiempos del orden de las tres horas y aún menos en algunos establecimientos.

El secadero moderno es un edificio de mampostería de unos 4 mts de ancho por 35–40 mts de largo y 10 mts de altura, en el interior se encuentran tres cintas de malla metálica en tres niveles donde cada una ocupa todo el ancho y largo del edificio, tal como se presenta en la figura 5. Los gases calientes se inyectan por la parte inferior y la yerba se carga en la cinta superior en capas de 30–70 cm, esta cinta avanza en forma continua y descarga en la que se encuentra inmediatamente por debajo con movimiento en dirección opuesta. La segunda cinta vuelca la yerba sobre la tercera que se encuentra inmediatamente sobre las salidas de gases calientes. Mediante esta disposición al ingreso el producto es sometido a la menor temperatura y a la máxima a la salida, los gases con un alto contenido de humedad abandonan el secadero por registros colocados en el techo del edificio.

FIGURA 5. - Esquema de un secadero de yerba mate

La yerba seca bajo la forma de pequeñas ramas con sus hojas y con un contenido apreciable de hojas sueltas como resultado del proceso previo son pasadas por un dispositivo para reducir el tamaño (canchado), el equipo empleado es en realidad un molino o trituradora que recibe el nombre de canchadora. La humedad de equilibrio de la yerba es superior al 4%, pero la misma debe ser secada a este nivel para facilitar el proceso de canchado, valores de humedad superiores facilitan el desfibrado del material que no es deseado. La yerba canchada se pasa por una zaranda a los efectos de eliminar los palos de más de 5 mm de diámetro no deseados en el producto final. El producto zarandeado se embolsa y se apila en depósitos para su estacionamiento natural durante unos nueve meses durante los cuales la yerba mate adquiere las propiedades óptimas de calidad. Debido a los costos financieros del proceso de estacionamiento es que se ha desarrollado un método de estacionamiento artificial acelerado en cámaras donde mediante el agregado de corrientes de vapor y aire frío el período se acorta a un mes.

La yerba canchada una vez estacionada está en condiciones de ser llevada a los molinos donde la misma se somete a una molienda a los niveles de los requerimientos de mercado y posterior envasado en paquetes que por lo general son de medio y un kilo.