Introducción
El gobierno venezolano se ha presentado en las jornadas de ingeniería en la Universidad Central de Venezuela, donde se ha tocado por primera vez, las energías limpias con promoción a la investigación y a la inversión en pequeños proyectos que se han de derivar de estas jornadas. Nuestra empresa (ACP CA), conformada por recién egresados en la ingeniería de petróleo y entendiendo la problemática mundial sobre el cambio climático generado por tantos años en el uso de energías provenientes de fósiles (HC), ha tomado esta oportunidad de oro para trabajar en una investigación para cumplir con la propuesta de ejecución de proyectos con base en el uso de energías limpias. Se han dado todas las reglas para orientar el proyecto y con base a eso, se comenzó a trabajar.
Como punto de partida, se tomaron los estudios que en
la misma escuela de ingeniería de petróleo se han estado llevando y tiene que
ver con la BIOMASA. El departamento de Perforación y Producción,
específicamente el laboratorio de fluidos de perforación y su titular, la
profesora Yujeisly Reina ha llevado varios trabajos de tesis de pregrado con el
uso de BIOMASA con fines de estudiarlos para que sean aditivos naturales al
lodo de perforación. Entre la BIOMASA usada se encontró el BONOTE
de COCO (1), la CAESALPINIA CORIARIA o Viriviri (2), el
polvo de conchas de PAPA (3), la concha de MANDARINA (4)
y la concha de PLÁTANO (5). Razón, por la cual después de leer las
bases de estos estudios, nuestro grupo y mi persona decidió seguir la
investigación con el uso de conchas de cítricos en este caso, se tomó las
CONCHAS de NARANJA con la finalidad de generar BIOCOMBUSTIBLE.
El biocombustible a producir proviene de biomasa
primaria ya que se utilizaría la concha de naranja que es un residuo vegetal (6).
El combustible sería de segunda generación.
La justificación primeramente proviene de la
posibilidad de uso del material de residuo que generan este tipo de fruta (naranja)
ya sea por el carácter industrial y comercial, al estado venezolano hacer uso
del mismo en vez de su disposición final que actualmente no se clasifica como
desecho orgánico quedando expuesto al ambiente siendo más bien un problema de
salud urbana, y segundo en el potencial que existe de generar de la concha de
naranja biocombustibles para mezclar con el fuel de aviación o transporte o
biogás.
La propuesta de generación del biocombustible estaría
relacionada con la obtención del aceite de naranja a través de su mejora con la
hidrogenación para su transformación final (reducción de la formación de
hollín), en aditivo para biorreactores y poder mezclar con fuel para la
aviación y transporte (6). La otra propuesta es el uso de las
cáscaras como las de naranja como biocombustible y su potencial energético, así
como también la generación de biogás a través de la fermentación (7).
En el contexto venezolano, la propuesta debe indicarse
como referencia de otros países que han dado sus primeros pasos en el uso de
las conchas de naranja con vistas a ser un potencial biocombustible o biogás.
Como se mencionó en la justificación todo país que tenga una tasa de producción
y consumo regular y no dispone sanitariamente los residuos resultantes, le debe
ser atractivo esta propuesta.
Según datos reportados por FEDEAGRO para el 2023 (9)
los resultados de las políticas públicas como de otros factores como
(fertilizantes, clima, comunidades, granjas privadas, equipos, etc.) han
afectado enormemente la producción agrícola en Venezuela (tabla 1), no teniendo
algún reporte sobre la disposición de los residuos, sin embargo, la
apuesta es al crecimiento y a la ejecución de planes y la adopción de políticas
públicas reactivadoras, estar abiertos a este tipo de propuestas que agregan
valor e impulsar a los productores a tener primeramente conciencia
ambientalista, creativa y agregar iniciativas al ciclo de producción nacional
agrícola.
Tabla 1. Estimados de producción nacional en rubros seleccionados (FEDEAGRO, 2023) (9)
Si notamos en la tabla, la naranja no es uno de los
rubros con mayor producción, ciertamente, otros rubros de mayor impacto siguen
encabezando la prioridad de la alimentación del venezolano, de manera que no se
estaría afectando su participación como producción de cultivo con fines de
alimentación y podrían pensarse en su reuso con miras a un valor energético.
Si se partimos del último párrafo de la pregunta
anterior, el sustento en seleccionar en el tipo de BIOMASA, a los residuos
agrícolas con relación a los de tipo forestal y del tipo de algas, es por un
valor creativo e innovador para Venezuela. Es por ello, que nuestro empeño como
empresa de presentar a la BIOMASA de tipo residuo agrícola a las conchas de naranja.
Para poder entender y unificar este trabajo de base
como propuesta de generación de biocombustible a partir de las conchas de
naranja, se pondrá un poco el contexto del proceso del comercio y consumo de
las naranjas en el mundo y en Venezuela.
¿Por qué las conchas de naranja? ¿Qué química hay que
puede ser aprovechable convirtiéndolo en un biocombustible? Estas preguntas son
necesarias responderlas para poder explicar la selección de las conchas de
naranja.
La naranja (Citrus Sinensis) como parte de la familia de los cítricos, no sólo es
fuente de minerales y vitaminas, como valor nutricional para el ser humano,
sino también aporta poder energético tanto en sus semillas como en sus conchas
ya vistos como un residuo. Su mayor aporte químico son los TERPENOS. Además,
como otros alimentos, si no tiene un destino final aprovechable, su disposición
no controlada causa problema sanitarios.
Las cáscaras y semillas de frutas, así como los
principales residuos de muchas frutas, han merecido un especial cuidado por
parte de los investigadores y la industria en general, dado que a través de
estos residuos se han obtenido muchos productos de interés. Algunos ejemplos
son: biocombustibles, saborizantes, colorantes, aceites esenciales, carbón
activado y biofertilizantes. Además, las cáscaras y semillas de frutas también
son una fuente importante de compuestos químicos, empleados en la industria farmacéutica
para la elaboración de medicamentos utilizados en la prevención y tratamiento
de enfermedades (8).
Las cáscaras o conchas de las frutas, en este caso
como la de la naranja se aprovechan en Venezuela principalmente por
emprendimientos y algunas empresas como un postre llamado “cáscaras de naranja
en almíbar” y en la generación de aceites naturales para uso comercial, no
siendo la relación consumo/residuo vistas como un aprovechamiento de su valor
agregado como una alternativa energética. Tal vez como se menciona en el
párrafo anterior, su uso sigue estando en la industria alimenticia y
farmacéutica.
La experiencia impartida por el Centro Europeo de
Postgrado (CEUPE) en el Master de Energías Renovables, es un buen punto de
partida para explicar al ente público, el uso de la BIOMASA como alternativa
aprovechable, siendo los residuos agrícolas como es el caso que se expone, una
excelente propuesta de inicio para incorporar a Venezuela en esta materia,
dando entonces la introducción del uso de las conchas de la naranja.
Como cualquier BIOMASA de tipo residuos agrícolas,
éstos deben exhibir cuantitativamente propiedades físicas y químicas que
determinen valores de potencialidad que permitan luego estimar su valor
energético y de allí proponer la transformación de éstos en ya sea
biocombustibles.
El conocimiento de
las masas de las cáscaras de frutas, es de gran importancia para el diseño y
selección de equipos y contenedores de almacenamiento, transporte, disposición,
tratamiento, aprovechamiento y valorización (Ixtaina, 2010; Cerón et al, 2015).
Con el conocimiento de la masa y el volumen, se pueden establecer el índice de
generación de residuos (para las conchas de naranja de 24.66 %) y el valor de
la densidad (para las conchas de naranja: 0.99-1.09 gr/cm3), que son parámetros
que van a permitir establecer la disponibilidad de recursos con los que se
cuenta para el aprovechamiento y la capacidad de los equipos que se requieren. (8)
En cuanto a la caracterización química de las cáscaras
de frutas, se encuentran la estimación de la humedad, materia volátil, cenizas
y carbón fijo, para poder estimar el índice de combustibilidad, y el poder
calorífico. (8)
Con referencias a estos parámetros, los valores referenciales encontrados para las cáscaras o conchas de naranja se muestran en la tabla 2.
Un contenido alto de materia volátil, favorece la
ignición rápida del residuo, en este caso la de la concha de naranja se
referencia un valor alto. Con respecto a los
valores altos de carbono fijo deben ser mayores a 50% para permitir que la
combustión sea más prolongada, es decir, no se requiere de alimentar con más
frecuencia residuos para mantener la combustión y también indican que los
residuos tienen un mayor poder calorífico y van a entregar más energía al quemarlos
(8). En este caso conchas de naranja no superan este valor, pero se
encuentra entre los más altos.
De acuerdo con las
cenizas, mientras éstas sean menores al 5%, ya que también afecta el poder
calorífico del material y adicionar algún tipo de corrosión a los equipos donde
se realice la combustión (8).
Entre otros análisis se encuentran el de los elementales (Carbono, Hidrógeno y Oxígeno) que, combinados con los anteriores, ayuda a determinar, mediante correlaciones, se encuentra el poder calorífico superior (Basu, 2010a; Vargas-Moreno et al., 2012). También la presencia de Azufre y Cloruros, determina la posibilidad de generación de gases contaminantes en la combustión de los residuos de esta naturaleza (conchas).
El poder
calorífico o energía contenida en un residuo representa el calor liberado en la
combustión completa del carbono e hidrógeno de la materia orgánica. Este
parámetro térmico es empleado para cálculos de diseño o para realizar
simulaciones numéricas de sistemas de conversión térmica de biomasa (Sheng y
Azevedo, 2004). El poder calorífico puede ser reportado como superior (hhv por
sus siglas en inglés - High Heating Value) o inferior (lhv, por sus siglas en
inglés - Low Heating Value). El hhv de la cáscara de naranja es de 19.34 MJ/Kg
(8).
Con los parámetros
anteriores y tomando referencias de éstos y en comparación con otras cáscaras o
conchas de frutas como residuos, se muestra que éstas pueden optar como
material post consumo en considerarse para convertirse en biocombustibles o
biogás.
En Venezuela, hay regiones por excelencia de cultivo de naranjas, en Yumare, estado Yaracuy, le siguen Sur del Lago, estado Zulia y estados Anzoátegui y Carabobo. El sector venezolano a pesar de haber decaído enormemente como productor y casi que inexistente su exportación, sigue produciendo naranjas, sin actualización adecuada de sus precios. Se pone esto en el contexto ya que disponibilidad de cosecha sigue existiendo como se mostró en la tabla 1 para el año 2023, y esa producción, aunque sea muy baja atiende al sector al consumidor y a las industrias que la usan como materia prima, quiere decir que la cadena de valor de la naranja continua con sus dificultades, pero sigue siendo entre los rubros que se mantiene. El rango de precio minorista para Venezuela de las naranjas está entre US$ 1.80 y US$ 4.08 por kilogramo o entre US$ 0.82 y US$ 1.85 por libra (lb) (10), pareciera alto, pero ha permitido que el productor pueda apalear los costos de producirla bajo un escenario no favorable tanto por razones de cultivo (plagas) y no actualización de precios oficiales. Por lo que, para esta propuesta, las regiones antes mencionadas seguirán en pie con la producción de naranjas y se garantiza a nivel país ya como residuo agrícola, el tener las conchas de naranja disponibles.
En cuanto a la sostenibilidad, garantizar el consumo al venezolano y que el sector gobierno implemente mejoras para seguir la producción a pesar de todas las dificultades expuestas, es la base de sustento que esta propuesta de uso de las conchas de naranja como material de residuo agrícola con miras de generación de biocombustibles o biogás pueda ser una alternativa que beneficie por sí misma la producción de naranjas y luego aplicar incentivos para su ejecución sobre todo en las industrias que la usan como materia prima y poner a disposición oportunidades en nuevos emprendimientos que tengan como objetivo la recolección de los desechos de las naranjas y en otros con inversión y tecnología externa, la generación de biocombustibles, tanto en conocimiento como en tecnologías. Desde el punto de vista académico, la Universidad Central de Venezuela, a través de la facultad de ingeniería (agronomía y química) cuenta con trabajos especiales de grado (pre y post) que han atendido este contexto en especies como arroz, maíz y en los RSU.
De acuerdo al desarrollo del punto 2, la propuesta de generación o transformación de alguna BIOMASA, con base al material desarrollado, es la de Biocombustible y como Aditivo, para mezcla en Biodiesel.
3.1.- Combustión (conversión termoquímica)
De acuerdo a los valores referenciales de las
características físicas y químicas de las conchas de naranja antes mencionadas,
se tiene una base para proponerlas como biocombustible a través de su
rendimiento en la combustión. Adicionalmente, el índice de generación de
residuos del 24.66 %, permite inferir la cantidad disponible de conchas de
naranja de acuerdo a la producción nacional de 3500 toneladas métricas,
estarían en el orden de 863 toneladas métricas y si se visualiza esta propuesta
viable, llegar a producir los 150000 toneladas métricas, se estarían generando
casi 100000 toneladas de residuos de conchas de naranja y podría ser apreciable
la cantidad de energía aportada tomando en cuenta el valore referencial de su
poder calorífico de 19.34 MJ/Kg, se estaría aportando desde unos 4700 MJ a
1900000 MJ de energía (datos estimados por el autor).
Si se observa comparativamente con productos de origen
forestal y fósil, las conchas de naranja se encuentran entre el primer renglón
de contribución, lo que pudiera reflejar en su rendimiento frente a los otros
con miras de combustible, sin embargo, pudiera figurar como aditivo. A
continuación, las tablas 4 y 5, muestran los valores de poder calorífico y en
la figura 1, un gráfico de barras donde se muestran esta comparación.
Figura 1. Comparativa del poder calorífico de la
concha de naranja versus otros combustibles. (fuente propia)
3.2.- Biodiésel
(por conversión fisicoquímica)
En este caso el
proceso de la conversión fisicoquímica se utiliza para producir biocombustibles
líquidos a partir de semillas, conchas y aceites. El aceite por ejemplo
derivado de las conchas de naranja es sometido al proceso de transesterificación
para finalmente producir Biodiésel,
Los terpenos o
D-limoneno es excelente por su densidad, poder calorífico y propiedades en
frío, se encuentran en las cochas de la naranja, especialmente en el aceite que
se deriva de ellas.
Aplicando el
proceso de transesterificación, el aceite de naranja es utilizado como
combustible para los reactores (hasta un 15% de mezclado) y seguido el proceso,
se obtienen Biodiésel.
Aún siguen siendo materia de investigaciones sobre el uso de las conchas de naranja, especialmente el del aceite, sin embrago, datos en España, el 0,1% y 0,2% se ha usado para producir queroseno diésel respectivamente como aditivos.
En términos de otro proceso para generación sería como
Biogás, sólo que éste vendría acompañado de todos los residuos agrícolas en
general, llamados vertederos. En Venezuela, estos vertederos degradan la
materia orgánica sin algún tipo de proceso asociado, por lo que no se
aprovecharía nada como producto.
En cambio, la combustión y la generación de aditivos
para Biodiésel son procesos que pueden ser acoplados a los sitios cercanos de
las principales industrias. La rentabilidad o eficiencia de cada proceso antes
expuesto dependerá del valor que se le dé como destino final. La capacidad
calorífica de las conchas de la naranja puede ser competitiva si vuelven
políticas estables para incrementar la producción de las mismas, es un proceso
que es sí cubre todo su potencial, en cambio, como aditivo para generar
Biodiésel está en etapas prematuras alcanzando ser parte de hasta el 15% pero
con logros significativos aún no masivos.
El impacto
ambiental solamente de los residuos ya sean éstos de origen agrícola,
agropecuario, forestal, ya es un problema de alto nivel si no se tiene control,
llámese disposición final. No sólo porque es ornamentalmente desagradable sino
es por salud pública.
La producción de
combustible o aditivos producto de las conchas de naranja, entrarían en la
cadena de valor del rubro de las naranjas, ya que la propuesta considera que,
en los lugares de destino de las naranjas como materia prima, tales como las
industrias bien esa éstas o emprendimientos nuevos, sean parte del mismo lugar,
así hay un mínimo impacto con la movilización de los residuos a otras
localidades.
Ahora con respecto
al producto, allí se tiene que pensar en como medir el impacto en la cadena de
valor de diésel, por ejemplo, el aporte dentro de este compuesto final
radicaría en menos contaminación a la atmósfera, poder cambiar progresivamente
el parque automotriz a combustión híbrida de manera de ir concientizando a las
comunidades del uso de biocombustibles que han sido generados de un producto de
cosecha inmerso en su localidad, el cual ha dado participación para su
desarrollo.
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