Análisis Termodinámico de la Tusa de Maíz en Biocombustibles, Guías, Proyectos, Investigaciones de Termodinámica

¡Descarga Análisis Termodinámico de la Tusa de Maíz en Biocombustibles y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Termodinámica solo en Docsity! 1. ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA TUSA DE MAÍZ COMO MATERIA PRIMA EN LA ELABORACIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE. 2. Planteamiento del problema. Actualmente el continuo aumento en la generación de residuos orgánicos es atribuido al gran desarrollo industrial en conjunto a las actividades consumistas de la sociedad y su desenfrenado crecimiento demográfico a nivel mundial; por lo general debido a que estos residuos orgánicos no representan ningún tipo de valor para quien lo posee a nivel industrial suelen ser desechados inadecuadamente, sumándose así a las diversas causas que generan problemas de contaminación ambiental y de salubridad (Quispe Limaylla, 2015). En países como, Colombia; el sector agroindustrial es donde mayoritariamente se generan este tipo de residuo que a su vez al no contar con un plan de gestión para su adecuada reutilización o aprovechamiento simplemente son incinerados al aire libre o arrojados a los basureros, quebradas y ríos, sin considerar la posibilidad de diferentes alternativas para aprovechar el valor económico que puede obtenerse de ellos (Torres., 2008). Tal es el caso de los residuos provenientes de la producción de cereales, donde por cada kilogramo de grano, se produce un kilogramo de rastrojo (Basurto, 2012). El maíz es el cereal de mayor utilidad en el mundo, sobrepasando al trigo y al arroz, ya que, los cultivos de maíz, son el ciclo más corto de producción a nivel nacional, y ocupa el 15% del área agrícola. De igual modo, la región Caribe es una de las mayores productoras de maíz, siendo Córdoba uno de los departamentos con mayor producción de este, en donde para el año 2020 se disponían 306.000 hectáreas cultivadas, cuya producción se realizaba por medio de actividades tradicionales y tecnificadas (DANE, 2020). En el procesamiento de este cultivo se genera una gran cantidad de materia orgánica donde el 50% se cosecha en forma de grano y el porcentaje restante corresponde a residuos como la caña, hojas, tusa, panoja, capacho, entre otras. En el caso de la tusa, en la actualidad no es aprovechada adecuadamente, puesto que mayoritariamente es incinerada en grandes cantidades, trayendo consigo una alta contaminación sin ningún beneficio energético (Aseffe, 2019). Por otra parte, la crisis que se vive actualmente por la contaminación generada por los combustibles fósiles y el agotamiento de este recurso no renovable que a su vez es fundamental para el funcionamiento continuo de los diferentes medios de transporte o procesos manufactureros en los que se usa como fuente de energía, cabe resaltar que su uso trae consigo la pérdida de millones de vidas e incrementa los riesgos de padecer enfermedades como cáncer de pulmón y asma, entre otros (Aseffe, 2019) Por lo tanto, la contaminación producida por los residuos sólidos orgánicos en este caso la tusa de maíz sumado a la crisis de los combustibles fósiles, conlleva a la búsqueda de soluciones que aborden de manera simultánea estas dos problemáticas. Por lo tanto, la unión de herramientas tecnológicas y técnicas biotecnológicas ha dado pie a una alternativa que resulta ser muy atractiva y es la obtención de biocombustibles a partir de residuos orgánicos renovables, de modo que los gastos de su disposición y el impacto ambiental podrían reducirse con miras hacia la rentabilidad económica (Castaño, 2002). Ya que este tipo de residuo orgánico son fuentes especialmente atractivas por su contenido en compuestos químicos (azúcares, pigmentos, fibra alimentaria, proteína, polifenoles, lignina, etc.) y pueden ser potencialmente útiles cuando se les transforma mediante tratamientos químicos o biotecnológicos en productos de elevado valor añadido (Valencia N. R., 2011). Es así que, mediante el análisis de las propiedades termodinámicas de la tusa de maíz como el poder calorífico, se podrá determinar si este residuo agroindustrial resulta ser una materia prima óptima para llevar a cabo procesos como secado, gasificación, pirólisis y combustión, en la obtención de biocombustibles que contribuyen al cuidado del medio ambiente. (Martinez, 2019). 3. Pregunta problema. ¿Será posible el análisis termodinámico de la tusa de maíz como materia prima en la elaboración de biocombustibles? 4. Justificación Actualmente, el contexto sobre el tratamiento de residuos sólidos orgánicos generados en las agroindustrias más que una necesidad es una responsabilidad, ya que, éstos representan una de las amenazas de contaminación que deterioran el medio ambiente. Es así que proteger y conservar el ambiente es uno de los principales objetivos del milenio de la ONU, es por ello que el término de producto energético está encaminado a la sustitución total o parcial de los combustibles fósiles, motivado principalmente por el impacto ambiental y la disponibilidad de los mismos. Es por ello que la principal característica de un sustituto adecuado para estos combustibles debe ser aquel que propicie un bajo impacto ambiental y genere una fuente de energía renovable, con el adicional de ser capaz de competir económicamente con las energías convencionales. (Julio., 2016.) Considerando que en los últimos años el cuidado del medio ambiente es un tema que ha tomado gran relevancia a causa del deterioro del mismo, se ha iniciado la búsqueda de nuevas alternativas que contribuyan en la reducción de este deterioro que presenta el medio ambiente. pese a que los desechos o residuos agroindustriales contienen varias sustancias reutilizables de alto valor en dicha búsqueda, ha surgido la producción de bioetanol, lo cual, resulta ser muy atractivo para tratar y aprovechar estos residuos, ya que es un biocombustible que contribuye a la reducción de las emisiones de CO2 y puede ser obtenido de diferentes tipos de material orgánico (Biomasa), tales como los residuos agroindustriales, lo que le permite ser amigable con el ambiente y brindar parcialmente independencia en la producción de energía, lo que no ocurre con los combustibles fósiles. La biomasa de origen animal y vegetal en la actualidad puede ser utilizada como fuente energética, constituyendo una alternativa de energía limpia y de bajo costo que fácilmente puede sustituir la energía a base de combustibles fósiles que usualmente son usados en hogares o en diferentes industrias. (Jaén, 2017) Debido a que se genera grandes cantidades de residuos provenientes del cultivo de maíz que no son aprovechados, se justifica su estudio en aplicaciones de caracterización térmica y que por toda la problemática de contaminación que presentan los residuos agroindustriales, se ve la necesidad de impulsar su empleo en otros procesos productivos como los biocombustibles, que resulta ser un producto innovador, puesto que, en estudios previamente realizados, se han obtenido biocombustibles con este residuo agroindustrial, prima en estado sólido o líquido en un gas con un poder calorífico moderado, gracias a la aplicación de calor, de un agente gasificante y bajo unos niveles de oxígeno restringidos. La materia prima que puede ser empleada en procesos de gasificación es muy diversa, desde residuos de tipo lignocelulósico, como los residuos agrícolas, los forestales, los cultivos lignocelulósicos, e incluso la fracción orgánica de los RSU, siempre y cuando estos tengan un contenido en humedad inferior al 40 %. 6. ESTADO DEL ARTE En el proceso de investigación que nos compete, se han encontrado proyectos relacionados con la producción de biocombustible a partir de residuos agroindustriales (tusa de maíz),a nivel internacional, nacional y regional: INTERNACIONAL Desde el orden internacional los estudios que se relacionan a continuación, integran investigaciones, proyectos y artículos que agrupan líneas de investigación comunes al estudio que aquí se comparte. En primer lugar un artículo de estudio fue el realizado por Asseffe y otros (2016) titulado “Análisis de Ciclo de Vida del aprovechamiento Energético de los residuos (tusa) de la cosecha de maíz en la provincia de los Ríos, Ecuador” cuyo objetivo fue realizar un análisis de ciclo de vida del aprovechamiento energético de la tusa, determinando los coeficientes de residuos y su potencial energético. Como resultado obtuvieron que para una cierta cantidad de residuo de tusa se obtiene un gran potencial energético y a su vez la huella de carbono en términos GEI tuvo una reducción considerable. Por otro lado se puede encontrar un proyecto de investigación titulado “Caracterización Energética Y Bioeconómica de las Briquetas Elaboradas con Biomasa Residual del Cultivo de Maíz en Ecuador” (Lopez, 2020) cuyo objetivo fue caracterizar las briquetas elaboradas con biomasa del cultivo de maíz en Ecuador evaluando su poder calorífico y realizando un análisis económico. La investigación que se llevó a cabo fue de tipo experimental, con un Diseño Completamente al Azar (DCA) con tres tratamientos y tres réplicas cada uno, utilizando como testigo carbón doméstico. Como resultado obtuvieron que para el análisis económico aun cuando las briquetas poseen un costo más alto que el carbón, los costos de producción y venta son más accesibles. NACIONAL En primer lugar Berástegui y otros en el artículo de Investigación titulado “Elaboración de biocombustibles sólidos densificados a partir de tusa de maíz, bioaglomerante de yuca y carbón mineral del departamento de Córdoba” publicado en chile, planteó como objetivo establecer la mezcla óptima de tusa de maíz, carbón mineral con alto porcentaje de azufre producido en la Mina la Guacamaya de Puerto Libertador (Córdoba-Colombia) y aglomerante de yuca realizando un diseño experimental de mezclas simplex reticular, con el fin de obtener briquetas con buena resistencia a la compresión y durabilidad. Además de incrementar el poder calorífico de la biomasa adicionando carbón mineral sin que se aumente significativamente el porcentaje de azufre. Un segundo estudio realizado por Santos y Zabala es el proyecto integral de grado titulado “Evaluación de la Producción de Etanol a partir de Residuos Orgánicos y sus Diferentes Mezclas, Generados en la Empresa de Alimentos SAS S.A.S” cuyo objetivo fue evaluar la producción de etanol a partir de residuos orgánicos y sus diferentes mezclas, generados en la empresa alimentos SAS. En este estudio se hizo la selección de residuos mediante una matriz de selección, la cual pasó por dos condiciones de evaluación, la primera relaciona la cantidad de residuos que produce cada una de las frutas seleccionadas y la frecuencia con que se generan estos residuos. La segunda condición relacionaba variables químicas (sólidos totales y pH), y de acuerdo con los resultados se seleccionaron seis residuos. Como resultado obtuvieron que el porcentaje de bioetanol era muy bajo para la cantidad de residuos seleccionados, por lo que al final del estudio realizaron un análisis de costos para mostrar la viabilidad del proyecto. Estos artículos y proyectos de investigación están directamente relacionados a la presente investigación puesto que hacen estudios en base a la producción de biocombustibles a partir de residuos agroindustriales mezclados con carbón mineral u otro componente. 7. Objetivos General: Establecer criterios sobre el análisis termodinámico de la tusa de maíz como materia prima en la elaboración de biocombustibles. Específicos: ➤ Caracterizar las principales propiedades termodinámicas de la tusa de maíz a tener en cuenta para la producción de biocombustibles. ➤ Evaluar el potencial energético de la tusa de maíz como indicador de funcionalidad en la óptima producción de biocombustibles. ➤ Establecer si la tusa de maíz puede ser considerada como materia prima para la producción de energía renovable. 7. Metodología. Esta investigación tiene un enfoque metodológico mixto combinando diseños cualitativos y cuantitativos en un mismo estudio, mediante la recolección, análisis e interpretación de datos como el porcentaje de residuo de tusas de maíz que son incineradas al aire libre en la región caribe Colombiana, así como determinar el potencial energético que posee la tusa, mediante la evaluación de una serie de procesos físico químicos y termodinámicos.Luego de esto, se procederá a llevar a cabo actividades que permitan el procesamiento de los residuos agroindustriales que están encaminados a la producción de etanol. Para esto el residuo de tusa de maíz que será la biomasa se obtendrá de las industrias locales procesadoras de maíz para llevar a cabo la evaluación a nivel de laboratorio. ● Primeramente se debe tener en cuenta los pretratamientos previos al proceso de obtención de bioetanol. Estos procedimientos en general se efectúan con el fin de hacer más accesible la biomasa a los procesos posteriores como son las pruebas fisicoquímicas y termodinámicas que determinarán si la producción de etanol será óptima. Además, la biomasa en su forma cruda es difícil de moler ya que la celulosa y la lignina son muy fibrosas y bastante difíciles de romper. Por lo que se puede utilizar un molino de martillos para triturarla biomasa. lo cual permite cambios en la estructura cristalina y en la composición química de la matriz lignocelulósica que facilitan procesos posteriores (Demirbas, 2005); (Sanchez ÓJ C. C., 2008). Este primer paso hacia la obtención de etanol con éxito permite aumentar el área superficial de contacto de las partículas de la celulosa (Sun Y, 2003). Sin embargo, un exceso en la reducción de tamaño podría generar efectos adversos, puesto que se podrían formar agregados que facilitan procesos de lixiviación y requerirían demandas energéticas superiores (N. Sarkar, 2012). El consumo energético depende particularmente del tamaño de partícula requerido al final del proceso, del tipo de materia prima que se va a utilizar (tusa de maíz) y del porcentaje de humedad que presente al momento del procesamiento. Después de la molienda, las muestras se someterán a tamizado. Luego de tener las muestras estas serán sometidas a las pruebas para la determinación del valor calorífico, humedad y contenido de cenizas. ● Para determinar el valor calorífico de las muestras de tusa de maíz se empleará un calorímetro de bomba de oxígeno ya que es la técnica más común para medir el poder calorífico tanto en laboratorio como en entornos industriales. El funcionamiento principal de este método es medir el calor liberado por la combustión completa de un combustible en un ambiente de oxígeno. La bomba se sumerge en una determinada cantidad de agua, por lo que se forma un sistema de medición del calorímetro. Un transductor de temperatura primario, colocado dentro de la unidad, registra el cambio en la temperatura del sistema debido a la combustión del combustible en la bomba, por lo que a su vez contiene un sistema de enfriamiento. El calorímetro de bomba permite realizar un análisis rápido, cuyo tiempo básico no se puede reducir, ya que está relacionado con el propio proceso de combustión del combustible ● El contenido de humedad y la densidad aparente después de la molienda son propiedades importantes para el procesamiento posterior. Existe una pequeña gama de métodos de prueba que incluyen secado en horno (atmósfera de aire o nitrógeno), secado por microondas y pruebas de campo. En este estudio, las muestras de biomasa se medirán mediante un método 8. Referencias bibliográficas. Aseffe, J. A. (2012). Análisis del ciclo de vida del aprovechamiento energético de los. Ecuador: ACB. Barranco, C. B. (2016). Elaboración de biocombustibles sólidos densificados a partir de tusa de maíz,. Córdoba. GARCÍA, J. S.-D. (2016). EVALUACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RESIDUOS. Bogotá. Héctor Monterola, D. C. (16 de Septiembre de 2016). Pasturas. Obtenido de Pasturas: http://www.pasturasdeamerica.com/utilizacion-forrajes/residuos-agricolas/mai z/ JULIO., J. D. (2016.). ANÁLISIS EXERGIO ECONÓMICO DE LA GASIFICACIÓN DE TUSA DE MAÍZ. Montería- Córdoba. Martinez, R. (10 de abril de 2019). Understanding Evolution. Obtenido de Understanding Evolution: https://evolution.berkeley.edu/evolibrary/news/090401_biofuels_sp FAO. (1 de Agosto de 2018). Hablemos del campo. Obtenido de Hablemos del campo: https://www.hablemosdelcampo.com/los-biocombustibles-una-opcion-ecologi ca-y-renovable/ González, C. B.-J.-Y. (2017). Elaboración de biocombustibles sólidos densificados a partir de tusa de maíz, bio aglomerante de yuca y carbón mineral del departamento de Córdoba. Córdoba. MOLINA, M. J. (2016). MODELO DE PROGRAMACIÓN MATEMÁTICA PARA LA CADENA. Meta. Jaén, J. A.-R. (2017). 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