Estudio del cultivo de la pataca (helianthus tuberosus l.) Y de su conversión en bioetanol para la obtención de un biocarburante con criterios de sostenibilidad
- Autores: Javier Matías Prieto
- Directores de la Tesis: José María Encinar Martín (dir. tes.), Jerónimo González Cortés (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Extremadura ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Juan Beltrán Novillo (presid.), Juan Félix González González (secret.), María Dolores Curt (voc.), Mercedes Ballesteros Perdices (voc.), Paloma Manzanares Secada (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
En la actualidad, los órganos de gobierno fomentan el desarrollo y consumo de los biocombustibles, dentro de los cuales se incluyen los biocarburantes, con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y por la necesidad de encontrar fuentes de energía alternativas al petróleo que aumenten la seguridad del abastecimiento. La Directiva comunitaria 2009/28/CE (DER) fija como objetivos para el año 2020 una cuota de los biocarburantes y otros combustibles renovables con fines de transporte del 10 %, e incorpora una serie de criterios de sostenibilidad que deben cumplir los biocarburantes al amparo de esta normativa, entre los que se encuentra la contribución como mínimo en un 37 % a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, porcentaje que se incrementa al 50 % a partir del año 2017 y al 60 % a partir del 2018.
El sector de las energías renovables contribuye de forma importante en la generación de empleo y riqueza. La producción de biocarburantes a nivel mundial ha experimentado un gran incremento en la pasada década. En la actualidad el bioetanol es el biocarburante con mayor producción a nivel mundial. En el año 2010 España se posiciona en el tercer país de la UE en consumo de biocarburantes, tras Alemania y Francia. El bioetanol consumido este año a nivel nacional se fabricó principalmente en España (67 %). En cuanto a las materias primas empleadas en España para la fabricación de bioetanol destaca el maíz (50,78%), seguido del trigo (26,83%), de la cebada (14,19%) y del alcohol vínico (8,19%).
El uso de la biomasa como fuente de energía representa una gran oportunidad para el sector agrario en el siglo XXI. Para ello es necesario desarrollar correctamente el concepto de Agroenergética, seleccionando los cultivos y procesos adecuados, con un planteamiento distinto a los agroalimentarios tradicionales. Para ajustarse a este modelo de sostenibilidad, los cultivos dedicados a fines energéticos deben tener altos niveles de productividad con bajos costos de producción, no deben contribuir a la degradación del medio ambiente y deben tener un balance energético positivo.
El objetivo general del presente trabajo ha sido el estudio de un cultivo energético adaptado a nuestras condiciones y el proceso de su conversión en bioetanol con criterios de sostenibilidad, con el fin de cumplir con la legislación europea en cuanto a los criterios establecidos sobre reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Con ello se persigue, además, mejorar el impacto de las energías renovables, en este caso los biocarburantes, en las economías locales, mediante su producción descentralizada. Para ello se ha seleccionado el cultivo de la pataca (Helianthus tuberosus L.) por su gran potencial para la producción de bioetanol, al tener una elevada productividad de carbohidratos y bajos requerimientos, lo que ha sido destacado por numerosos autores. Se trata, además, de un cultivo que en la actualidad no interfiere con la cadena alimentaria. Los objetivos concretos del presente trabajo fueron los siguientes: 1. Evaluar la influencia del abonado y la fecha de recolección en el rendimiento agronómico de la pataca y en el proceso de fermentación alcohólica de los azúcares presentes en los tubérculos con el objetivo de determinar la dosis de abonado N-P-K y la fecha de recolección más adecuada, de cara a optimizar el proceso de obtención de bioetanol a partir de tubérculos de pataca con criterios de sostenibilidad.
2. Estudiar el proceso de conversión en etanol de los azúcares presentes en los tubérculos de pataca a través su hidrólisis enzimática y fermentación alcohólica, con criterios de sostenibilidad y mediante procesos de bajo coste que permitan su producción industrial descentralizada para favorecer el desarrollo rural.
3. Determinar el balance energético del proceso de obtención de bioetanol a partir de tubérculos de pataca y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) derivada del hipotético uso de este bicarburante, para comprobar si su balance energético resulta positivo y si cumple con los requisitos establecidos en la normativa europea respecto a la reducción de emisiones de GEI.
4. Evaluar económicamente el coste de producción del bioetanol a partir de tubérculos de pataca.
Para lograr los objetivos descritos anteriormente se realizaron enyasos de campo durante cuatro años (2007/08, 2008/09, 2009/10 y 2010/11) en las parcelas experimentales del Centro de Investigación Agraria Finca La Orden de la Junta de Extremadura, que está ubicado en la localidad de Guadajira (Badajoz). Por otra parte, teniendo en cuenta los criterios establecidos en el presente trabajo, se realizaron diversos experimentos en laboratorio encaminados a optimizar el proceso de fermentación alcohólica del jugo de pataca y a estudiar la influencia en el rendimiento y concentración de etanol alcanzados durante la fermentación de varios factores agronómicos (dosis de abonado, clon y fecha de recolección) cuya influencia en el rendimiento agronómico se estudió en la fase de campo.
El primero de los ensayos de campo realizado en el año 2007/08 fue un ensayo previo con el propósito de conocer mejor la agronomía del cultivo y estudiar la influencia del abonado en el rendimiento agronómico. En concreto, se estudiaron cuatro dosis diferentes de fertilización (d1: 36-72-108 U.F. ha-1 N-P-K; d2: 54-108-162 U.F. ha-1 N-P-K; d3: 72-144-216 U.F. ha-1 N-P-K; d4: 90-180-270 U.F. ha-1 N-P-K). El diseño estadístico fue de bloques al azar con 4 repeticiones. Como material vegetal se empleó el clon Nahodka, por los buenos resultados obtenidos en estudios previos realizados en las mismas condiciones. Se realizó una única fecha de recolección en invierno. La producción media de tubérculos fue de 64,4 t P.F. ha-1 y 16,0 t M.S. ha-1 y la producción media de biomasa aérea obtenida fue de 11,4 t P.F. ha-1 y 9,6 t M.S. ha-1. La dosis de abonado no tuvo una influencia significativa ni en la producción de tubérculos ni en la de biomasa aérea.
A la par, se desarrolló un método para la determinación del contenido y composición de azúcares mediante cromatógrafía líquida de alta precisión asociada a un espectrómetro de masas, el cual se utilizó posteriormente para el análisis de las muestras de los ensayos de los tres años siguientes.
Debido a la falta de respuesta generalizada del rendimiento agronómico a las dosis de abonado ensayadas en el ensayo previo, en el segundo año de ensayos (2008/09) se establecieron tres nuevas dosis de abonado (D0: 0-0-0 U.F. ha-1 N-P-K; D1: 54-108-162 U.F. ha-1 N-P-K; D3: 108-216-324 U.F. ha-1 N-P-K) con un mayor intervalo de unidades fertilizantes entre ellas, las cuales se mantuvieron en los siguientes años de ensayo. Por otra parte, se establecieron dos fechas de recolección, una temprana (en otoño) y otra tardía (en invierno), para estudiar su influencia tanto en la producción de azúcares totales y su composición como en la producción de biomasa aérea, con el objetivo adicional de estudiar la posibilidad de realizar la recolección de forma escalonada para optimizar, así, la planta de transformación industrial y el proceso de obtención de bioetanol, en general. El diseño estadístico empleado fue el de parcelas divididas con cuatro repeticiones, donde la parcela principal fue la dosis de abonado y la subparcela la fecha de recolección. Se alcanzó una producción media de 51,7 t P.F. ha-1 y 11,9 t M.S. ha-1 de tubérculos, de 25,5 t P.F. ha-1 y 16,1 t M.S. ha-1 de biomasa aérea y de 8,4 t ha-1 de azúcares totales. Nuevamente, no hubo diferencias significativas según la dosis de abonado ni en la producción biomasa aérea ni en la producción de azúcares totales, aunque la producción media de azúcares totales en las parcelas abonadas (D1: 9,1 t ha-1; D2: 9,7 t ha-1) fue notablemente superior que en las que no se abonaron (D0: 6,6 t ha-1). El contenido medio de azúcares totales y el de inulina, referidos tanto a peso fresco como a materia seca, fue significativamente superior en las parcelas abonadas que en las no abonadas. El abonado no tuvo una influencia significativa en el grado de polimerización medio. La fecha de recolección sí tuvo una gran influencia en el rendimiento agronómico. En la recolección de otoño tanto la producción de biomasa aérea (39,7 t P.F. ha-1 y 22,1 t M.S. ha-1) como la de azúcares totales (12,2 t ha-1) fueron muy superiores a la producción de biomasa aérea (11,3 t P.F. ha-1 y 10,0 t M.S. ha-1) y la de azúcares totales (4,7 t ha-1) en la recolección de invierno. La fecha de recolección también afectó significativamente a la composición de los azúcares, ya que el contenido de inulina y el grado de polimerización medio en la recolección de otoño fueron significativamente superior que en la recolección de invierno.
Para estudiar si en la falta de respuesta generalizada al abonado observada en los ensayos de los años anteriores podía influir el factor clon, en los ensayos de los dos años siguientes se introdujo un nuevo clon (C-13). Así, el nuevo diseño estadístico, que se mantuvo durante dos años de ensayo (2009/10 y 2010/11) fue el de parcelas sub-divididas con cuatro repeticiones, donde la parcela principal fue la dosis de abonado, la subparcela fue el clon y la sub-sub parcela se correspondió con la fecha de recolección. El rendimiento agronómico alcanzado en estos ensayos fue bastante inferior que el obtenido en los ensayos anteriores, lo cual se pudo deber a los problemas de compactación y a la falta de permeabilidad del terreno, especialmente acusados en el ensayo del año 2010/11, y a los problemas de malas hierbas y estrés hídrico en el ensayo del año 2009/10 que estuvieron favorecidos por el retraso de la nascencia por problemas de formación de costra. Al igual que en los ensayos de los años anteriores, hubo una baja respuesta general del rendimiento agronómico al abonado. La mayor producción de azúcares totales se alcanzó con la dosis de abonado intermedia (D1: 6,5 t ha-1), que resultó cerca de un 15 % superior que en las parcelas sin abonar (D0: 5,7 t ha-1) y un 10 % superior que con la mayor de las dosis de abonado (D3: 5,9 t ha-1). Tampoco la dosis de abonado tuvo una gran influencia en la composición de azúcares, aunque destaca que el contenido medio de azúcares totales sobre materia seca de ambos años de ensayos fue significativamente inferior con la mayor de las dosis de abonado ensayadas. Por otra parte, no hubo diferencias significativas ni en la producción de azúcares totales ni en la materia seca procedente de la biomasa aérea según el clon. La fecha de recolección sí tuvo una influencia significativa en el rendimiento agronómico, si bien, fue diferente según el año de ensayo, ya que en el 2009/10 la producción de azúcares totales resultó significativamente superior en la recolección de otoño, mientras que en el ensayo del año 2010/11 la producción de azúcares totales fue significativamente superior en la recolección de invierno. Estos resultados se pueden explicar por la dificultad que tuvo el cultivo en tuberizar en el ensayo del año 2010/11, lo cual pudo retrasar el proceso de traslocación de azúcares a los tubérculos. Respecto a la producción de biomasa aérea, la producción en la recolección de otoño fue significativamente superior que en la de invierno en el ensayo del año 2009/10, mientras que en el ensayo del año siguiente no se pudo realizar la recolección de invierno ya que la biomasa aérea se había encamado.
Cuando se comparan los resultados del clon Nahodka durante los ensayos de los años 2008/09, 2009/10 y 2010/11 se observa una influencia del año de ensayo en el rendimiento agronómico, que resulta significativa en el caso de la producción de azúcares totales. En general, el rendimiento agronómico de la pataca en el ensayo del año 2008/09 fue muy superior al obtenido en los siguientes años de ensayo, lo cual se puede explicar por la mayor compactación y menor permeabilidad existente en las parcelas de ensayo de estos últimos años. En cuanto a la influencia de la dosis de abonado, la producción media de azúcares totales en este año resultó significativamente inferior en las parcelas sin abonar, mientras que la composición de los azúcares no varió de forma significativa según este factor. Respecto a la fecha de recolección, los resultados medios reflejan una producción significativamente superior en la recolección de otoño, tanto en biomasa aérea como en azúcares totales. En cuanto a la composición de los azúcares, en la recolección de otoño el grado de polimerización medio de la inulina y su contenido medio sobre peso fresco y en relación al contenido de azúcares totales fueron significativamente superiores que en la recolección de invierno.
Del conjunto de resultados obtenidos en los diferentes años de ensayo se observa una baja respuesta del rendimiento agronómico y del contenido y de la composición de los azúcares al abonado en nuestras condiciones, lo que está en consonancia con lo observado en trabajos realizados por otros investigadores. Sin embargo, el hecho de no encontrarse diferencias significativas en numerosos casos con la dosis testigo no debe llevarnos a la conclusión errónea de que no se deba abonar, ya que se estarían reduciendo las reservas del suelo. No obstante, en las Vegas Bajas del Guadiana, donde se ubican las parcelas de ensayo, es un hecho repetidamente observado la falta de respuesta significativa al abonado nitrogenado, cuyas causas pueden ser debidas al efecto residual de las grandes aportaciones nitrogenadas a los cultivos precedentes. Este hecho pudo condicionar la respuesta del cultivo a las diferentes dosis de abonado N-P-K ensayadas. Por todo ello, teniendo en cuenta los objetivos de este trabajo y desde el punto de vista del rendimiento agronómico, especialmente de producción de azúcares totales, en estas condiciones la dosis de abonado más recomendable de las ensayadas durante tres años es la dosis D1 (54-108-162 U.F. N-P-K ha-1).
Respecto a la fecha de recolección, del análisis de los resultados obtenidos en los diferentes años de ensayo se observa que tiene una gran influencia en el rendimiento agronómico de la pataca en nuestras condiciones. Existe una pérdida considerable de biomasa aérea en el período comprendido entre la recolección de otoño y la invierno debido a las adversas condiciones ambientales que suelen darse en esta época del año en nuetras condiciones. Por otra parte, la producción de azúcares totales a partir de los tubérculos fue generalmente más elevada en la recolección de otoño, si bien en el ensayo del año 2010/11 resultó superior en la recolección de invierno, aunque las diferencias no fueron significativas, lo cual pudo deberse a un retraso en la tuberización por los problemas de compactación del terreno ya explicados. Por el contrario, tanto en el ensayo del año 2008/09 como en el del año 2009/10, la producción de azúcares totales en la recolección de otoño fue significativamente superior que en la recolección de invierno, siendo especialmente importantes las diferencias en el primero de ellos, en el que la producción media en la recolección de invierno no llegó al 40 % de la conseguida en la recolección de otoño. Estas diferencias se debieron generalmente a las diferencias en producción de tubérculos, ya que las diferencias en el contenido de azúcares totales fueron pequeñas, salvo en el ensayo del año 2008/09 en el que el que el contenido medio de azúcares totales en la recolección de invierno (12,6 % s/P.F. y 57,1 % s/M.S.) fue significativamente inferior que en la de otoño (19,2 % s/P.F. y 76,9 % s/M.S.). La mayor producción de tubérculos obtenida generalmente en la recolección de otoño se debe principalmente a las pérdidas que tienen lugar en campo durante el otoño-invierno, que pueden ser muy cuantiosas en nuestras condiciones debido a los problemas de encharcamientos, los cuales dificultan la conservación de los tubérculos. La fecha de recolección también influyó en la composición de los azúcares. En el ensayo del año 2008/09 el grado de polimerización del clon Nahodka resultó significativamente superior en la recolección de otoño, la cual se realizó a primeros del mes noviembre. Sin embargo, en los ensayos de los años posteriores, en los que la recolección de otoño se realizó a partir de mediados del mes de noviembre, no hubo diferencias significativas al respecto y se aprecia que el grado de polimerización en el clon Nahokka apenas varió entre ambas fechas de recolección, lo cual pudo deberse porque la inulina hubiera sufrido ya una importante despolimerización.
De los resultados obtenidos en los diferentes años de ensayo se desprende que la pataca es bastante sensible a los problemas de costra, infiltración y compactación del terreno, por lo que serían recomendables suelos bien drenados sin riesgo de formación de costra.
Para estudiar el proceso de conversión en etanol de los azúcares presentes en los tubérculos de pataca a través su hidrólisis enzimática y fermentación alcohólica se plantearon una serie de experimentos agrupados en tres bloques. El objetivo perseguido fue maximizar el rendimiento en etanol con criterios de sostenibilidad y estudiar la influencia de las variables agronómicas estudiadas en la fase de campo (dosis de abonado, clon y fecha de recolección) en el proceso de fermentación alcohólica del jugo procedente de los tubérculos de pataca. La temperatura de fermentación empleada fue de 30º C.
En los dos primeros bloques de experimentos se ajustó el tratamiento del jugo de pataca, previo a la fermentación alcohólica, con el objetivo de maximizar el rendimiento en etanol con el mínimo coste posible, tanto energético como de reactivos. El tratamiento que resultó más adecuado varió según la fecha de recolección debido a la diferente viscosidad del jugo. En el caso del jugo obtenido de tubérculos cosechados en la recolección de otoño, el cual presentaba una elevada viscosidad, el tratamiento que resultó más adecuado fue un pretatamiento térmico a 80 ºC durante 15 minutos seguido de la adición de 0,75 mL L-1 de las inulinasas (17 U g-1) a 60 ºC y agitación durante 120 minutos a 200 rpm. En el caso del jugo obtenido de tubérculos cosechados en la recolección de invierno, no fue necesario el pretratamiento térmico debido a su menor viscosidad. El tratamiento que resulta más adecuado es el calentamiento del jugo hasta alcanzar una temperatura de 52,5 ºC, tras lo cual se adicionan 0,25 mL L-1 de inulinasas (17 U g-1) y se mantiene esta temperatura durante 120 minutos con una agitación de unas 200 rpm.
Para estudiar la influencia de la dosis de abonado, clon y fecha de recolección en el rendimiento y concentración de etanol alcanzada en el proceso de fermentación alcohólica del jugo de pataca, se realizó un diseño estadístico factorial con dos repeticiones, en el que se aplicaron los tratamientos al jugo descritos anteriormente, optimizados según la fecha de recolección. Para ello se empleó el jugo extraído de los tubérculos procedentes del ensayo del año 2010/11. Ninguno de los factores estudiados (dosis de abonado, clon y fecha de recolección) ni sus interacciones influyeron significativamente en el rendimiento en etanol. El rendimiento medio en etanol fue de 0,433 gramos de etanol por gramo de azúcar. No obstante, el rendimiento medio en etanol fue sensiblemente inferior con la dosis de abonado DO (0,422 g g-1) que con las dosis D1 (0,443 g g-1) y D2 (0,435 g g-1). El rendimiento medio en etanol con el clon Nahodka (0,446 g g-1) fue levemente superior al obtenido con el clon C-13 (0,422 g g-1), si bien las diferencias no resultaron significativas. En cuanto al factor fecha de recolección, el rendimiento en etanol medio obtenido a partir de tubérculos cosechados en otoño (0,441 g g-1) fue ligeramente superior al conseguido a partir de tubérculos cosechados en invierno (0,427 g g-1). Respecto a la concentración de etanol, el promedio alcanzado fue del 11,2 % v/v. De los factores estudiados, solamente la fecha de recolección tuvo una influencia significativa al respecto. La concentración media de etanol en la recolección de otoño (12,4 % v/v) fue significativamente superior a la alcanzada en la recolección de invierno (9,9 % v/v), lo cual se debe principalmente al mayor contenido en azúcares totales que presentaba el jugo de esta fecha, que es consecuencia, a su vez, de la mayor concentración de azúcares totales sobre peso fresco existente en los tubérculos en la recolección de otoño. El resto de factores estudiados y sus interacciones no tuvieron una influencia significativa en la concentración de etanol.
Otro de los objetivos concretos del presente trabajo fue calcular el balance energético del proceso de obtención de bioetanol partir de tubérculos de pataca y determinar la reducción de emisiones gases de efecto invernadero (GEI) derivadas de su hipotético uso, con el fin de conocer la sostenibilidad de este biocarburante y comprobar si cumple con los requisitos exigidos en la normativa europea. Se estudiaron 6 posibles casos, resultantes de las diferentes combinaciones entre tres factores considerados: Dosis de abonado (D1; D2), sistema de riego (a pie; por goteo) y tipo de aprovechamiento energético del cultivo (tubérculos; integral). El balance energético resultó superior a la unidad en todos los casos estudiados, si bien, existe una gran diferencia según el tipo de aprovechamiento, ya que el aprovechamiento energético exclusivo de los tubérculos proporciona un balance energético inferior a 2 en todos los casos, mientras que el aprovechamiento energético integral permite superar en todos los caso un valor de 3,5, que en el caso del riego a pie con la dosis de abonado D1 alcanza un balance energético próximo a 5 (4,9). Estos resultados son superiores a los determinados para otros cultivos tradicionales en nuestras condiciones. En cuanto a la reducción de emisiones gases de efecto invernadero, el bioetanol obtenido a partir de tubérculos de pataca cumple con el requisito de reducción mínima de emisiones de (GEI) del 35 % establecido actualmente por la Directiva 29/2008/CE. Sin embargo, para cumplir con el límite establecido para el año 2018 (60 %), se requiere un aprovechamiento energético integral del cultivo. De los resultados obtenidos destaca la importancia de la fertilización, especialmente la nitrogenada, tanto en el balance energético como en la reducción de emisiones de GEI.
Por último, se realizó un estudio económico del cultivo de la pataca y de los costes de obtención de bioetanol a partir de los tubérculos de este cultivo. El resultado del estudio del coste del cultivo de la pataca, con riego por goteo, con una dosis de abonado de 54-108-162 U.F. N-P-K ha-1, que se corresponde con la D1 de los experimentos, y sin incluirse los costes de transporte fue de 1.395 € ha-1. El resultado del estudio del coste de producción de bioetanol con aprovechamiento energético integral para una planta de transformación de 10.000 t año-1 de bioetanol fue de 0,505 € L-1 y 0,625 € L-1 de para una planta de 3.200 t año-1.
