Estudio de
las posibilidades de peletización de la cáscara del cacao ecuatoriano y su uso
como biocombustible
Study of possibilities pelletizing cocoa shell Ecuador
and their use as biofuel
Luis Velazquez-Araque
Jose Cárdenas Murillo
Vicente Carrillo
Jhonathan Valenzuela
Fecha de recepción:
10 de junio del 2015
Fecha
de aceptación: 04 de julio del 2015
Estudio de
las posibilidades de peletización de la cáscara del cacao ecuatoriano y su uso como
biocombustible
Study of possibilities pelletizing cocoa shell Ecuador
and their use as biofuel
Luis
Velázquez-Araque,
José Cárdenas Murillo,
Vicente Carrillo,
y Jhonathan Valenzuela
Como citar: Velázquez, L.,
Cárdenas, J., Carrillo, V., Valenzuela, J. (2015). Estudio de las posibilidades
de peletización de la cascara del cacao ecuatoriano y su uso como
biocombustible. Revista Universidad de Guayaquil. 121(3), 79-84.
DOI: https://doi.org/10.53591/rug.v121i3.395
Resumen
En Ecuador, existe una constante necesidad de generar energía
térmica y eléctrica. De la misma manera, el calentamiento global causado por el
aumento de emisiones de gases de efecto invernadero y la búsqueda de la
independencia energética, han creado una nueva industria enfocada en la
generación de energía mediante el aprovechamiento de los recursos renovables.
La biomasa se ha establecido como la tercera fuente principal para la
producción de electricidad como fuente importante para la generación de energía
térmica. Sin embargo, los problemas relacionados con la baja densidad de los
diferentes tipos de biomasa y la dificultad en el traslado y almacenamiento han
causado la necesidad de generar sólidos con densidad más alta y mayor dureza
conocidos como pellets y briquetas. Este trabajo desarrolla un análisis de las
posibilidades para peletizar la cáscara del cacao ecuatoriano y su uso como
biocombustible. Varias configuraciones de pellets fueron propuestas basadas en
la relación del diámetro y la longitud. Se desarrolló un montaje experimental
para triturar y tamizar la cáscara del cacao con el fin de obtener un tamaño de
partícula menor a 1.5mm. Luego los pellets fueron elaborados, usando una
máquina de pequeña escala de pellets y finalmente quemados en una cámara de
combustión para la evaluación del potencial energético por medio del poder
calorífico superior y contenido de cenizas. Finalmente, la selección de la
configuración del pellet más eficiente desde un punto de vista energético fue
realizada, tomando en consideración las normas internacionales de calidad de
pellets. Este proyecto a gran escala representaría un ahorro en los costos del
sector industrial contribuyendo también a reducir las emisiones de
contaminación del medio ambiente debido a la quema de combustibles fósiles y
también evitando que la cáscara del cacao sea un foco de propagación de especies
de Phytophthora, una causa importante de pérdidas económicas en la industria
del cacao.
Palabras
clave: biomasa, cáscara de cacao, biocombustibles, efecto invernadero, pellets
Summary
In Ecuador, there is a constant need to generate electric and
thermal energy, also global warming caused by increased emissions of greenhouse
gases and the pursuit of energy independence, have created a new industry
focused on energy generation by harnessing renewable sources. Biomass is
established as the third leading source for producing electricity as the main
source for the generation of thermal energy. However, the problems related to
the low density of the different types of biomass and the difficulty in
carrying and storing have caused the need to generate solids with higher
density and stronger hardness known as pellets and briquettes. This paper
develops an analysis of the possibilities for pelletizing the Ecuadorian cocoa
pod husk and its use as biofuel. Several pellets configurations were proposed
based on the diameter and length ratio. An experimental setup was established
to crush and screen the cocoa pod husk in order to obtain less than
1.5 mm particle size. Then the pellets were made using a small
scale pellet machine and finally burned in a combustion chamber for the
evaluation of the energy potential by means of the high heat value and ash
content. Finally, the selection of the most energy efficient pellet
configuration is made taking into consideration international pellet quelite
standards as well. This large-scale project would represent a cost savings in
the Ecuadorian industrial sector leading further to lowering smog emissions
into the environment from burning fossil fuels and also it would prevent the
cocoa pod husk as a focus for the spread of Phytophthora species which is a
main cause of economic losses in the cocoa industry
Keywords:
biomass, cocoa shell, biofuels, greenhouse, pellets
Introducción
El cacao es un fruto natural
producido en el Ecuador y de acuerdo con el Tercer Censo Agrícola de 201 2, la
producción del cacao del país fue 133.323 toneladas con una superficie
cosechada de 390.1 76 hectáreas. La semilla es principal mente utilizada en la
industria chocolatera y la cáscara del cacao (CPH) es utilizada para generar
fertilizantes, pesticidas, etc., buscando explotar este tipo de residuos como
materia prima [3]
El desarrollo de nuevas investigaciones en los últimos años
sobre el uso de CPH para contribuir a la co-combustión
o combustión completa, generando energía
limpia en la industria y disminuyendo el consumo
de combustible, conlleva a explorar posibilidades para la peletización de CPH y su uso como biocombustible enfocado en la contribución a la combustión dentro de los procesos
industrial les, en función de los siguientes parámetros: diámetro,
densidad de partículas, valor de
calor, humedad y contenido
de ceniza [2]
La necesidad de generar energía eléctrica y térmica, el calentamiento global causado por el incremento de las emisiones
de gases de efecto invernadero, el aumento en los precios de
los combustibles fósiles y la búsqueda de
la independencia energética, han creado una nueva industria
basada en generar energía mediante
el aprovechamiento de los recursos renovables
La biomasa está
constituida como el tercer recur so para producir electricidad
como fuente principal para la producción de energía térmica. Sin embargo,
los problemas relacionados con la baja densidad
de los diferentes tipos de biomasa y dificultades en el transporte y
almacenamiento han provocado la necesidad de generar sólidos con
una mayor densidad y dureza, conocidos como pellets y briquetas [1]. Este trabajo busca
desarrollar un análisis de las posibilidades
de peletización de la cáscara del cacao
y su
uso como biocombustible.
Según Sikkema et al., 2009, en el informe final
sobre los productores, consumidores y
comerciantes de pellets de madera,
varios parámetros físicos y químicos
de pellets están enumerados siguiendo las normas
francesas en la Tabla 1.
En una investigación anterior, Syamsiro et al., 2007, obtuvo resultados experimentales en la
combustión de bio- pellets hechos con
CPH de Indonesia, mostrando el
potencial de este tipo de residuo agrícola
para ser utilizado como
alternativa de combustible para sistemas
de combustión. El desarrollo de los
Tabla 1. Parámetros Físico-Químicos para las biomasas
mezcladas de acuerdo
a las normativas francesas. [6].
|
Parámetro
|
Unidades
|
Agro+
|
Agro
|
|
Oiómetro
|
mm
|
6 8
|
6 16
|
|
Longitud
|
mm
|
10 30
|
10 30
|
|
!-!umedod
|
pz M.
|
< 11
|
<15
|
|
Poder calorífico
|
MJ/kg
|
> 5.5
|
> J 4.7
|
|
Densidad
|
|
|
|
|
Contenido de ceniza
|
|
|
|
pellets propuestos y la evaluación experimental del potencial energético basado en su
composición y la selección adicional
de la configuración del pellet con
la mayor eficiencia energética de acuerdo con
las normas internacionales de calidad es el principal objetivo
de esta investigación
De acuerdo con lo
anterior, el desarrollo de esta investigación busca generar
y aplicar tecnologías que apoyen la transformación de la matriz
energética del Ecuador para
el desarrollo social y económico, y también prevenir que la cáscara del cacao sea un foco para la propagación de especies de Phytoph thora, un patógeno que produce pérdidas económicas importantes en la industria
del cacao.
Materiales y métodos
Este estudio se realizó en las instalaciones de la Universidad de Guayaquil, específicamente en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en la Facultad de Ingeniería Química y el Laboratorio de Petróleos.
La investigación se divide en las siguientes etapas:
Recolección de materia prima
La cáscara del cacao CCN-51,
un tipo de cacao clon nado del Ecuador (Figura 1) fue recogido y seleccionado
de las fincas ubicadas en la provincia del Guayas, Ecuador.
Figura 1. Muestra de cáscara del cacao tipo CCN-51 recolectada.
Secado: La materia prima pasó a través de un ser cado previo bajo la luz solar y a través
de un secado con vapor para
disminuir el porcentaje de hume dad al 13% como se observa
en la figura 2
Figura 2. Secado
a vapor utilizando en la faculta.
Trituración: Con el fin de obtener el tamaño adecuado del material para
la etapa de molienda, la cáscara del cacao fue triturada
mediante un molino de martillos
para obtener un tamaño de 8mm.
Molienda y tamizado: La cáscara del cacao se hizo pasar por un
molino de bolas y luego tamizada para
obtener un polvo con un tamaño de grano menor a 1 mm, siguiendo las referencias en [4] para una adecuada
peletización posterior.
Peletizado: El material ya molido y evaluado, fue llevado a
la máquina de peletizado, la
cual fue diseñada y construida durante este estudio siguiendo referencias anteriores 5].
Figure 3. iVlolino ae bolas
En la Figura 4a es posible
ver una prensa de tornillo construida para compactar el material y por lo tanto
obtener pellets con dimensiones de acuerdo con las normas internacionales. Tres
diferentes diámetros de 6mm(A), 8 mm (B), 10 mm (C) y 15 mm de longitud fueron
estudiados. (Figura 4b).
Figura 4a. Prensa ae tornillo construias Dora elaborar
los
Dellets.
Figura 4b. Muestras de Dellets Dara ensayos.
Análisis Fisico-Químico: Durante
esta etapa se realizaron pruebas
de laboratorio que fueron realizadas en el Laboratorio de Petróleo de la
Universidad de Guayaquil, certificado
con las normas ISO 1 7025
para determinar la friabilidad, porcentaje de ceniza, humedad y mayor poder calorífico
de las configuraciones de los pellets
propuestas.
Selección: Después de obtener los resultados de las pruebas
de laboratorio, Se realizó un análisis para determinar cuál de las configuraciones de los pellets
propuestos está en mejor acuerdo
con las normas
de calidad internacional para pellets.
Resultados y discusión
Para calcular el contenido
de humedad de la materia prima, 2 muestras de la cáscara de cacao fueron secadas
antes de la trituración y un horno a 80 + 5 ° C durante aproximadamente 5 horas
y luego se pesaron. Después de no observar variación alguna en el peso, el
contenido de humedad fue calculado por medio de la ecuación. 1. Esto dio un
resultado promedio del 1 3%. Esto, para una configuración de un pellet de 1 00%
cáscara de cacao
Ec. 1
Donde:
MC: Contenido de Humedad DW: Peso del secado
IW: Peso Inicial
Luego, en la prensa de
tornillo fueron elaborados los pellets de tres diámetros diferentes: 6, 8, 1 0
mm y con una longitud de 15 mm. Como dato de referencia, 25 unidades fueron
producidas para cada configuración. Las pruebas de friabilidad fue ron realizadas
simultáneamente después terminando con un gran número de pellets de cada con
figuración, usando el método sugerido por Soto et al., 2008. Esta prueba
consistía en lanzar una secuencia de pellets desde una altura de 1 metro, sobre
un piso de cerámica y ver cuantas piezas se rompen. Después de ejecutar esta
prueba, se dé terminó una relación entre los elementos iniciales y finales;
posteriormente se calculó este parámetro por medio de la ecuación. 2.
De acuerdo a esto, la configuración de los pellets de 6mm (A) muestra la mejor consistencia y por lo tanto
una mayor resistencia al impacto y mantiene su forma durante
más tiempo que las otras configuraciones probadas.
Ensayos del poder calorífico superior (HHV)
Los resultados de estos
análisis fueron obtenidos por medio de
una bomba calorimétrica de oxígeno (Figura 6)
Fig. 6. Bomba c alorimétric a de oxigeno
usadB DBra los ensayos del poder calorí[ico superior.
Las
muestras de la cáscara del cacao de un gramo, fueron seleccionadas y luego
ensayadas con este equipo. Para obtener el valor del poder calorífico superior, se utilizó la ecuación
3
Ec. 3
Donde.
FR: Friabilidad
IE: Cantidad inicial de
elementos FE: Cantidad
final de elementos
Ec. 2
Dónde,
HHV: Poder calorífico superior (kcal/ kg)
Cbomb: Capacidad de calorífica de la bomba
(kcal/°C)
óT: Diferencia de Temperatura de agua (°C) mfuel: Masa de combustible (g)
En la figura 5, se muestran los resultados de friabilidad para las configuraciones probadas.
Fig. 5. Friabilidad los Dellets vs. diámetro.
gw: Calor de oxidación
del alambre fusible. (kcal).
De esta manera, el valor del
poder calorífico para la cáscara del cacao, dio como resultado un pro medio de
20,2 MJ/kg. en comparación con los resultados de Higman, 2003 y Syam siro et
al., 2007. el valor de calor alto obtenido para la evaluación de la cáscara del
cacao ecuatoriano CCN-5 1 es superior en 26,25% y 18,88% respectivamente.
Efecto de la dimensión de
los pellets en las pérdidas de masa
En la Figura 7 se puede
observar el efecto de la dimensión de los
pellets en las pérdidas de la masa de CPH. El pellet de diámetro de 1 Omm produjo la
pérdida de masa más rápida de CPH. Seguido por el pellet
diámetro de 8 mm y, finalmente, el pellet de diámetro de 6mm, el cual produjo
la pérdida de masa más lenta.
Según Syamsiro et al., 201
1, la relación del área de superficie
del pellet con respecto a su masa (R) es un
parámetro importante para la reacción de combustión. Este parámetro fue
calculado para todas las configuraciones de los pellets y resultó en
Tabla 2. Relación entre el área superficial y la masa de los pellets de diferentes diámetros.
|
|
A
(o —— 6 mm
|
B
(o —— 8 mm
|
C
(o —— i 0 mm
|
|
R(cm2/ g)
|
9.69
|
5. 76
|
5.01
|
Figura 7. Masa normalizada vs. Tiempo para
los pellets de diferente diámetro.
Contenido de Ceniza
El contenido de ceniza fue
calculado como la relación de la masa al final de la combustión respecto
a la masa inicial de los pellets y sus resultados son mostrados en la tabla 3
Table 3. Contenido
de cenizas para pellets de diferentes diámetros.
|
|
A
(D —— 6 mm)
|
B
(D —— 8 mm)
|
C
(D —— 1 0
|
|
Continido de Cenizas (@ wt)
|
J 0. 07
|
30.8 J
|
J 0.92
|
Debido a que tomó mayor tiempo para los pellets del tipo B para quemarse
completamente, el contenido de ceniza es más alto seguido por el tipo C y finalmente por el tipo A
Conclusión
Con esta investigación, fue
posible proponer un método para la fabricación de pellets de la cáscara del
cacao y de esta manera confirmar la posibilidad de peletización de este residuo
agrícola. En términos de friabilidad, la composición de los pellets de 1 00%
cáscara del cacao (CPH) mostró una buena respuesta. De acuerdo con el valor del
poder caloría fico superior, la cáscara de cacao ecuatoriano CCN
51 ha mostrado resultado muy prometedor como biocombustible en
comparación con las referencias extranjeras. El estudio del efecto de la
dimensión de los pellets confirmó los resultados anteriores de las referencias
que indican que un área superficial mayor proporciona la pérdida más rápida de
masa del pellet. Por lo tanto, la mejor configuración del pellet resultó la del
diámetro de 10 mm y una longitud de 15 mm. Estos resultados confirman el
potencial de la cáscara del cacao como biocombustible y llevan a proponer
nuevas posibilidades para el uso de una energía más limpia
Trabajo futuro
El
siguiente paso en esta investigación será estudiar el
rendimiento de los pellets de CPH con materiales aglutinantes en
términos de valor del poder calorífico y la reacción
de combustión.
Agradecimientos
La divulgación de los
resultados de esta investigación fue apoyada por la Facultad de Ingeniería Qui
mica de la Universidad de Guayaquil y el Proyecto Prometeo de la Secretaría
Ecuatoriana de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación de la
Universidad de Guayaquil
Referencias
Brenes O., (1990):
“Posibilidades de la utilizac
ón de los subproductos del beneficio del cacao: la cáscara de
cdcao constituyen un subproducto”. Seminario Regional sobre Tecnologia Poscosecha y Calidad Mejorada del cacao. Turrial ba, Costa Rica.
International Cocoa Organization, (201 A): Annua!
Report 201 2/20 13, London
United Kingdom,
Ministerio de agricultura, ganadería
y pesca; Sistema de
Información Nacional de agricultura, ganade
ría, Acuacultu^a y Pesca, censos
y encuestas 2012,
2014.
Syamsiro
M., Saptoadi H., Tambunan B.H.
(201 1): “Experimental Investigation on Combustion of Bio Pellets from Indonesian Cocoa Pod Husk”. Asian Journal of Applied Sciences.
Soto G., Núñez M. (2008): “Fabricación de Pellets de Carbonilla Usando Aserrín de Pinus radiata
(D. Dong) como Material
Aglomerante”. Maderas,
Ciencia y Tecnología. Vol. 1 0, n.2.
Sikkema R., Steiner M ., Junginger M., Hiegel W., (2009): “Final
Report on Producers,
Traders and Con sumer of Wood Pellets”. Pelets@las.
Higman, M . V. d. Burgt (2009): “Gasificaction”, Elsevier.
Ing.
Luis Velazquez-Araque, PhD.
Prometeo Universitario de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil.
Ing. guim. Jose Cárdenas Murillo
Docente Universitario de la Facultad de Ingeniería Química
de la Universidad de Guayaquil.
Ing. guim. Vicente
Carrillo
Docente Universitario de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil.
Ing. guim. J honathan Valenzuela
Docente Universitario de la Facultad de Ingeniería Química
de la Universidad de Guayaquil.