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1. INTRODUCCIÓN
La madera siempre ha sido-y es aún-un recurso natural importante. Se cosecha cada año con el fin de utilizarse como material para la construcción, la comunicación, la navegación y el mobiliario, o para la producción de tableros, pulpa, papel o cartón y productos químicos y combustibles [1]-[3]. Desde el momento de la extracción de la madera en los bosques se generan residuos (p. ej., el follaje, las entresacas, las ramas y la parte de la corteza) que se dejan en las zonas de extracción; sin embargo, la mayor proporción de los residuos se genera en la etapa de transformación, dimensionado y mecanizado de la madera para la generación de productos de valor agregado. Muchos autores coinciden en afirmar que en los aserraderos se genera entre el 45 % y el 65 % de desperdicios por tonelada de madera procesada [4]-[7].
Ahora bien, el manejo y la disposición de residuos difiere de nación a nación, y de comunidad a comunidad. En Estados Unidos y Serbia, por ejemplo, los residuos de madera se utilizan como madera recuperada para combustible y productos tales como tableros de partícula y lecho de animales [8], [9]. En otros países (p. ej., Nigeria) un gran porcentaje de residuos no puede reutilizarse, lo que ha dado lugar a prácticas de quema a cielo abierto, vertidos en cuerpos de agua o vertidos en una zona abierta que constituyen una contaminación ambiental [10]-[12]. En Colombia, estos residuos se han convertido en un problema productivo y ambiental debido a la reducción del espacio disponible en los centros de elaboración de madera y los riesgos ambientales que originan por incendios y autocombustión y/o propagación de plagas y enfermedades [13]. De esta manera, la disposición final de los residuos va de la mano de la composición física-química y la capacidad térmica de estos, de las tecnologías e infraestructura existentes e, incluso, de las políticas ambientales desarrolladas en cada país.
Entre las aplicaciones más promisorias para la utilización de los desechos de madera se encuentran las aplicaciones energéticas. Sin lugar a dudas, la madera fue la primera fuente de energía renovable y sostenible, pues es capaz de almacenar energía de la luz solar en los enlaces químicos de sus componentes estructurales y liberarla cuando se rompen los enlaces entre las moléculas adyacentes de carbono, hidrógeno y oxígeno por algún proceso de transformación [14]-[16]. Dicha energía puede aprovecharse mediante diferentes procesos termoquímicos para obtener energía eléctrica o térmica. Uno de los procesos más investigados ha sido la pirólisis, en el cual la biomasa se descompone termoquímicamente por calentamiento lento o rápido, en ausencia total de agentes oxidantes, y se lleva a cabo en un rango de temperatura de 300-650 °C [17], [18]. Sus productos son de tres tipos principales: líquido o bioaceite, biochar y gases (CO2, H2O, CO, C2H2, C2H4, C2H6, C6H6) [18], [19]. Otro proceso interesante es la gasificación, caracterizado por la conversión térmica de material orgánico en gases de combustión, debido a la oxidación parcial del precursor a altas temperaturas, por lo general, en un rango de 800-1000 °C. En este proceso se utilizan agentes oxidantes (aire, oxigeno, vapor o sus combinaciones) a fin de producir un syngas formado principalmente por H2 y CO [16], [18], [20]-[22]. También se encuentra la combustión, el proceso térmico más simple y común por el que se convierte el precursor en energía. Se ha utilizado durante miles de años en chimeneas o estufas simples para cocinas y a fin de calentar el espacio; en este proceso ocurre la oxidación completa de todo el contenido orgánico del combustible; y se utiliza aire/oxigeno con el propósito de obtener energía térmica y gases de combustión, los cuales consisten, principalmente, en dióxido de carbono y agua [16], [17], [23].
La madera no solo se utiliza como combustible, sino también como materia prima para producir productos (p. ej., papel y cartón) a partir de sus componentes estructurales. Esto, sobre todo, con la celulosa, al existir en mayor porcentaje en la madera y demostrar gran potencial -debido a su estructura química- para la producción de biomateriales nuevos [24]. La obtención de la celulosa se realiza por métodos químicos, biotecnológicos, mecánicos o una combinación de los anteriores, lo que permite la eliminación de la lignina en la elaboración de productos tales como papel, textiles y tableros [24], [25]. Los medios químicos y mecánicos tienen como factor común altos costos de capital, altos consumo de energía y/o reactivos químicos y generación de subproductos con valores comerciales relativamente bajos [25]. Con el objetivo de mejorar estos problemas se utiliza en la actualidad un proceso biotecnológico conocido como el "biopulpado", el cual utiliza hongos o microorganismos que degradan selectivamente la lignina presente en la madera, de modo que dejan la celulosa relativamente intacta [26]. Con el biopulpado se aseguran ahorros en consumos energéticos, reducción significativa de contaminantes en el aire (lo que incluye el CO2 y algunos compuestos azufrados que causan olores), reducción de los químicos necesarios para pulpa y reducción de la carga de desechos en el efluente, así como mejoras en la calidad del papel [25], [27], [28].
Otra utilidad que se le puede dar a los residuos madereros se encuentra en la elaboración de materiales compuestos, al aprovechar las propiedades de dos o más materiales que, al combinarse o unirse en proporciones adecuadas, facilitan la formación de un nuevo material con propiedades diferentes, usualmente superiores a las de los constituyentes base [29]. Con esta fusión lo que se busca es obtener un compuesto con baja absorción de humedad, resistencia a la degradación y ataque biológico, buena estabilidad dimensional, baja densidad y alta rigidez y resistencia [30]-[34]. Los tableros madera-plástica y madera-cemento son los más comunes.
La madera puede convertirse en una opción de fuente de energía renovable alternativa a partir de la fabricación de pellets, una forma condensada de energía provechosa en términos de transporte, almacenamiento y manipulación [35], [36]. El proceso de conformación del pellets se basa en el principio de compresión o prensado que permite compactar residuos de la madera tales como aserrín, virutas o chips en partículas sólidas cilindricas de tamaño uniformes y homogéneas [36]; al final se obtiene un material denso, con bajo contenido de humedad y gran dureza y un contenido energético más alto [37], [38]. Los pellets se utilizan en la generación de calor y electricidad a nivel industrial y doméstico [39], [40], o como lecho/cama para caballos y gatos en reemplazo de la paja tradicional utilizada en los establos [41].
La obtención de carbón activado a partir de residuos es otra muestra de la naturaleza versátil de la madera. El carbón activado es un material carbonoso amorfo con una superficie porosa altamente desarrollada y una concentración relativamente alta de grupos funcionales hidrofílicos en su superficie que le confieren la capacidad de adsorber productos químicos de gases y líquidos [42]. Tienen gran demanda en los sectores alimenticio, químico, farmacéutico, textil y, en general, en todos aquellos sectores que requieran un tratamiento de efluentes contaminados, principalmente, por metales pesados [43].
Hasta este momento, en la mayoría de las aplicaciones presentadas se aprovechan los residuos de la madera en forma de polvo, virutas o aserrín, de modo que se deja de lado la corteza, la cual contiene muchos compuestos químicos de alto valor, tales como ácidos resínicos, fitoesteroles, polifenoles o taninos, terpenos, catotenoides, flavonoides y otros compuestos [44], [45]. Estos han sido ampliamente estudiados por su potencial aplicación en diferentes áreas, como, por ejemplo, las de alimentos, cosmetología, medicina e industria farmacéutica [46]. Los taninos son los compuestos químicos de mayor importancia; su extracción permite la obtención de adhesivos [47]-[49] y bioadsorbentes [45], [50], [51].
Si se considera la gran disponibilidad de residuos madereros en Colombia y el alto potencial que tiene la madera para la obtención de productos con valor agregado, este trabajo expone las diferentes aplicaciones de los residuos madereros y su viabilidad de aplicación de acuerdo con sus características térmicas, físicas y químicas. Las especies madereras a estudiar incluyen Tectona grandis, Pinus patula y Acacia mangium, escogidas por la viabilidad que poseen respecto a su sostenibilidad, disponibilidad y accesibilidad y por su alto impacto en la productividad de los diferentes sectores industruiales, principalmente en la industria del mobiliario.
2. METODOLOGÍA
Se realizó una toma de muestras de residuos de maderas en diferentes aserríos ubicados en el departamento de Antioquia, Colombia, para las especies madereras Tectona grandis, Pinus patula y Acacia mangium. Se definieron y delimitaron las partes del tronco de cada especie. En este sentido, se tomaron muestras de la parte externa (que incluye corteza muerta y floema) y de la parte interna (lo que incluye la albura, el duramen y la médula).
Todos los análisis se repitieron por duplicado con el propósito de confirmar los resultados obtenidos y reducir el error en la medición.
Análisis químico
El material se secó y molió con el fin de obtener diferentes tamaños de partículas entre malla 30 y 60. A fin de evaluar las cantidades relativas de los elementos químicos presentes en las muestras (carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno) se realizaron pruebas en un analizador elemental CE-440 CHN/O/S Elemental Analyzer de Exeter Analytical, adoptando la norma ASTM D5373-02 para biomasa [52]-[54]. En el marco del análisis químico también se llevó a cabo un análisis próximo utilizando una balanza termo-gravimétrica, de acuerdo con la norma ASTM D7582-15 [55]. En este método la muestra pierde progresivamente masa a medida que se somete a una rampa de temperatura en una atmósfera controlada (nitrógeno/oxígeno); de esta manera, es posible conocer el contenido de la humedad, la materia volátil y las cenizas presentes.
Asimismo, se realizó un análisis lignocelulósico mediante la norma NREL/TP-510-42618, para lo cual se usó cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) [56] y un análisis de extractivos con norma TAPPI; en este último análisis se incluye extracción en etanol bajo la norma TAPPI T-204 cm-97 [57], en agua fría y caliente, de acuerdo con TAPPI T-207 y TAPPI T-207 cm-99, respectivamente [58].
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Caracterización química
En la tabla 1 se detallan los resultados de la caracterización de los residuos de madera de Tectona grandis, Pinus patula y Acacia mangium, mediante el análisis próximo, elemental, de contenido lignocelulósico y de extractivos.
TABLA 1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DE RESIDUOS DE MADERA (PARTE EXTERNA Y PARTE INTERNA) DE DIFERENTES ESPECIES
*d.a.f (dry and ash free) significa libre de cenizas y humedad.
En general, las muestras analizadas presentan una humedad alrededor o por debajo del 10 %, lo cual resulta óptimo para aplicaciones energéticas, dado que un contenido de agua por encima del 30 % afecta la ignición del combustible, reduce el poder calorífico de los productos gaseosos -debido al gasto energético que se requiere para la evaporación del agua antes de llevar a cabo la combustión o la gasificación de la bio-masa- y, por ende, se reduce el rendimiento para la generación de calor o energía del combustible [59], [60]. En general, el contenido de material volátil de las muestras está por encima del 70 % y el contenido de carbono fijo entre el 12 % y el 26 %. Ambos valores son los esperados para biomasas. Según lo reportado en la literatura, el contenido de VM en las biomasas debe estar entre 76 y 86 % en base seca y el contenido de FC entre el 15 % y el 25 % [61].
La relación de carbono fijo y material volátil (FC/MV) indica la facilidad de ignición del combustible. Al comparar las biomasas con el carbón mineral se tiene que las primeras presentan mayor facilidad de encendido debido a su mayor contenido de MV pero queman más rápido, mientras que el carbón es difícil de encender más su reacción es mucho más lenta. En general, las biomasas tienen una relación FC/MV < 0,25, tal como se observa en la mayoría de las biomasas tratadas (alto contenido de MV y bajo de FC), mientras que para los carbones esta relación se ubica por encima de 1,0 [62]. Analizados estos resultados se considera que las especies maderables estudiadas pueden tener potencial de aprovechamiento mediante el proceso de pirólisis, el cual permite obtener gases de combustión permanentes tales como CO2 y H2 en menor medida, y vapores condensables (bioaceite) y char en una proporción mayor [63].
En cuánto al contenido de ceniza, las partes externas presentan un mayor contenido (entre el 5 % y el 20 %). Para aplicaciones energéticas, especialmente en procesos de gasificación, se desea que el contenido de ceniza esté por debajo del 0,3 % [61], [64]. Un contenido bajo de cenizas facilita el uso de la biomasa como combustible debido a que incrementa el poder calorífico y evita escoriación e incrustaciones en calderas y gasi-ficadores, en especial cuando la ceniza es alta en óxidos alcalinos y sal, lo que produce mezclas eutécticas con bajo punto de fusión [60], [65]. Todas las especies analizadas presentan un contenido de ceniza aceptable, exceptuando la parte externa de T. grandis que tiene un contenido superior comparado con la de las otras especies.
El análisis último no aporta información acerca de la factibilidad de emplear la madera en procesos termoquímicos tales como pirólisis, combustión o gasificación, pero tiene relación directa con los productos obtenidos y el comportamiento de algunos procesos. En general, las maderas tienen un contenido de C (47-59 %), H (5,6-7,0 %), O (40-45 %), N (<0,1-0,5) y S (<0,01-0,05) [61], semejante a los resultados reportados. De esta manera, los resultados muestran que los residuos de madera contienen una mayor proporción de carbono en comparación con el hidrógeno y el oxígeno, lo que indica un posible aprovechamiento más enfocado hacia la producción de char y bioaceites que para la producción de gases, aunque este planteamiento debería validarse mediante procesos de pirólisis, gasificación y reactividad a fin de constatar el supuesto.
Los resultados del análisis del poder calorífico de las muestras fueron: para la parte externa y la parte interna de T. grandis se obtuvo un valor de 14 903 kJ/kg y 18 581 kJ/ kg, respectivamente. En el caso de la parte externa e interna de P. Patula, los valores del poder calorífico fueron 19 169 kJ/kg y 18 296 kJ/kg, respectivamente. Por su parte, se obtuvo valores de 18 556 kJ/kg y 18 345 kJ/kg, correspondientes a la parte externa y a la parte interna de A. mangium. Al relacionar los resultados obtenidos del último análisis con los valores del poder calorífico se evidencia que el contenido de oxígeno aporta negativamente a este valor, tal como ocurre para la parte externa de T grandis en comparación con las otras biomasas analizadas. Un valor aceptable del poder calorífico para las biomasas se encuentra entre 15 000 y 22 000 kj/kg. Los valores de esta propiedad química de las diferentes especies estudiadas están en el rango reportado.
Al continuar con el análisis de las muestras para ser utilizadas en aplicaciones energéticas, de acuerdo con los resultados de los análisis lignocelulósicos presentados en la tabla 1, se destaca el mayor contenido de celulosa para la parte interna en comparación con la parte externa de la misma especie, y un mayor contenido de extractivos en la parte externa en comparación con la parte interna. Diversas investigaciones demuestran que la celulosa y la hemicelulosa son las principales fuentes de compuestos volátiles en la biomasa lignocelulósica [18], [66], de modo que es la celulosa una fuente primaria de vapor condensable en forma de bioaceite, la hemicelulosa una fuente de gases no condensables, y la lignina -debido a su contenido en compuestos aromáticos- aporta al rendimiento de biochar [67]. De esta manera, se identifica un posible potencial de aprovechamiento de las biomasas para generar biochar, y se destaca la parte externa de A. mangium y de P. patula, al contrastar su alto valor de poder calorífico con su alta relación FC/MV. Asimismo, se espera que las partes internas de las especies analizadas puedan utilizarse para la generación de bioaceite debido a su alto contenido de celulosa. No obstante, se debe tener cuidado con la presencia de cenizas por encima del 0,3 %.
Ahora bien, con relación a la evaluación de la capacidad que tienen los residuos estudiados para el aprovechamiento en la producción de pulpa destinada a papel, rayón y tableros, es relevante analizar el contenido de celulosa. Se destaca la parte interna de la especie A. mangium dado que presenta un valor relativamente aceptable (40,42%), si se considera que valores cercanos o superiores al 40 % se tienen como viables para la elaboración de estos productos [68]. Sin embargo, no se podría usar de manera directa sin realizar antes un tratamiento, debido a que implicaría bajos rendimientos en la obtención de celulosa como consecuencia de su alto contenido de lignina (37,53 %), el cual es superior al 25 % sugerido para la obtención de papel [69], y al 0,2 % sugerido para la aplicación de rayón [70]. Para la aplicación del rayón igualmente se requiere un contenido de hemicelulosa en la pulpa final menor al 6 % [70]. En lo que respecta al contenido de extractivos, A. mangium presenta valores cercanos al permitido para el proceso de obtención de pulpa en la aplicación de papel, el cual debe estar entre 1,5 % y 6 % wt [71]; para su utilización en la obtención de rayón este valor debe ser menor a 0,5 % wt [72]. Resultados similares se encontraron para la parte interna de T. grandis. Finalmente, al analizar la parte interna de P. patula, se considera que es una especie con potencial de aprovechamiento para estas aplicaciones dado que tanto la celulosa como los extractivos se encuentran en los rangos establecidos (36,56 % y 4,37 %, respectivamente), por lo que obtendría mejores rendimientos en la obtención de pulpa y rayón.
para el uso de residuos maderables en la producción de tableros se debe garantizar que el contenido de humedad esté entre el 6 % y el 15 % para tableros sin tratar y entre el 11 % y el 18 % para tableros tratados con conservante; esto con el fin de permitir una buena unión en el proceso de laminación [73]. Las especies maderables analizadas cumplen este requerimiento, por lo que pueden ser ampliamente utilizadas en esta aplicación. En la fabricación de materiales compuestos como, por ejemplo, el tablero madera-cemento (que incluye tableros de fibro-cemento, lana de madera-cemento, partículas y virutas aglomeradas con cemento), la parte interna de la A. mangium resulta ser promisoria, dado su bajo contenido en hemicelulosa, lo que evitaría incompatibilidades y un efecto inhibitorio sobre la hidratación del cemento [74]. Adicionalmente, para esta aplicación se recomienda que el contenido de extractivos estén por debajo del 4 %, por lo que especies que presenten valores superiores deben someterse a un pretratamiento químico, mecánico o una combinación de ellos.
La caracterización química realizada a las muestras también permite evaluar otras aplicaciones como, por ejemplo, la elaboración de pelletsy el carbón. De este modo, se evidencia que las especies estudiadas tiene un contenido bajo de cenizas y un contenido alto de lignina, lo cual es propicio para que se utilicen en la elaboración de pellets, si se considera que la lignina es un aglutinante natural cuando la madera se calienta entre 50 y 150 °C. Por esta razón, el contenido de lignina debe estar entre el 20 % y el 30 %, y el contenido de cenizas debe estar un intervalo del 1 % al 1,5 %, en el que se acepta un 1 % para ramas y un 1,5 % para leña, ramas, especies coníferas y frondosas [75], [76]. De acuerdo con lo anterior, la parte interna de la A. mangium y el P. patula, así como la parte externa del P. patula son aptas para la producción de pellets. Según los estudios realizados por Correa Mendez et. al, para la producción de pelletsse puede mezclar aserrín con corteza (hasta en un 25,49 %) o mezclar virutas con la parte externa (hasta en 61,67 %); en ambos casos se pueden obtener pellets con propiedades aceptables [77]. Finalmente, en lo que respecta a la recuperación de estos residuos para producción de carbón activado, el contenido de ceniza de las maderas recomendado debe ser inferior al 8 % [78] y el contenido de lignina debe estar entre el 18 % y el 35 %, de acuerdo con estudios realizados por Zibetti et al. [79], Khezami et al. [80] y Kim et al. [81]. Un contenido mayor de lignina favorece la producción de carbones microporosos, mientras que un contenido alto de material volátil favorece la formación de carbones macroporosos. Asimismo, un contenido alto de carbono fijo puede aportar al incremento en la porosidad y al rendimiento. En general, las especies maderables estudiadas pueden ser aptas para la producción de carbón activado.
A fin de analizar la factibilidad de los residuos de las especies analizadas en la obtención de bioadsorbentes y adhesivos a partir de la recuperación de taninos, se realizó la determinación de extractivos en etanol, agua fría y agua caliente bajo la metodología TAPPI, cuyos resultados se resumen en la tabla 2.
TABLA 2 RENDIMIENTO DE EXTRACCIÓN EN ETANOL, AGUA FRÍA Y CALIENTE PARA TECTONA GRANDIS, PINUS PATULA Y ACACIA MANGIUM
Fuente: elaboración Propia.
Valores superiores al 30 % de extractivos sugieren la presencia de polifenoles y taninos condensables, los cuales son necesarios para la elaboración de adhesivos y bioad-sorbentes [58], [82]. Se evidencia un alto contenido de extractivos para la parte externa de A. mangium superior al 30 %, con las dos metodologías aplicadas: NREL (véase la tabla 1) y TAPPI (véase la tabla 2).
Estos resultados demuestran que esta especie es promisoria para la obtención de taninos y, por ende, en la fabricación de adhesivos y bioadsorbente. El anterior planteamiento debería confirmarse con el análisis de polifenoles y taninos condensables en la determinación de extractivos.
Caracterización física
En la tabla 3 se encuentran los resultados de la densidad y del análisis de pH. En el análisis de densidad, realizado solo a la parte interna de cada especie, se identifica que las tres especies tienen un valor similar, si bien es menor la densidad del P. patula, lo cual es congruente con su tipología de madera blanda (conífera). En general, estos resultados se encuentran en conformidad con los reportados en la literatura para las especies de estudio [43], [83- [90].
Al evaluar los resultados del pH se evidencia que la parte interna, compuesta de albura y duramen, es más ácida que la parte externa de la misma especie. La importancia del pH de las especies maderables se exhibe en aplicaciones como, por ejemplo, la producción de tableros, en especial tableros madera-cemento y madera-plástico, en la que el control de este parámetro es crucial para formar una unión con cemento/plástico, deseable y aceptable. En la fabricación de tableros madera-cemento se requiere que el pH sea inferior a 5 [91], esto con el fin de evitar la inhibición del cemento y las incompatibilidades con la madera. En cuanto a la fabricación de tablero madera-plástico se identifica que, en general, todas las especies evaluadas son aptas. por ejemplo, la parte interna de P. patula cumple con la condición del pH y extractivos, pero, dado que su contenido de hemicelulosa es un poco alto, debe someterse a pretratamiento a fin de llevar a cabo la aplicación de madera-cemento.
Por último, se considera que el compostaje es la práctica de manejo de residuos más común en las industrias madereras. Sin embargo, para que el proceso de compostaje sea eficiente, la materia prima debe contener compuestos orgánicos biodegradables y suficientes nutrientes para apoyar el crecimiento microbiano. Por tanto, se evalúa el pH, cuyo valor debe estar entre 5 y 8 [92], [93], puesto que en este rango se favorece el desarrollo y el crecimiento óptimo de las raíces de las plantas, de modo que aumenta la presencia de algunos nutrientes. Las especies evaluadas, excepto las partes externas de P. patula y A. mangium, cumplen con este requisito, aunque no se debe dejar de lado el contenido de extractivos, el cual debe estar por debajo del 2 % para eliminar la fitotoxicidad del compost.
4. CONCLUSIONES
Los desechos de madera no solo son una oportunidad para la generación de energías limpias, sino también en el propósito de generar productos renovables destinados a aplicaciones industriales. La selección de las especies de madera adecuadas para una aplicación particular requiere conocer la caracterización fisicoquímica completa de estas, la valoración de la disponibilidad del recurso en el país, su valor competitivo con respecto a otras materias primas y qué tanto valor se le puede añadir con dicha aplicación.Se identificó un potencial de aprovechamiento de los residuos de madera con el fin de generar biochar, en lo que se destaca la parte externa de la A. mangium y P. patula. Asimismo, se visualiza el potencial para la generación de bioaceites, sobre todo, en las partes internas de las especies analizadas, debido a su mayor contenido de celulosa. Con relación al potencial que demostraban tener los residuos estudiados en la generación de energía mediante un proceso de gasificación, se concluye que la parte interna de T. grandis, así como las partes externas de P. patula y A. mangium, podrían verse favorecidas en este proceso, a causa de su alto contenido de carbono fijo y su bajo contenido de material volátil.Para la aplicación en otros materiales, las partes internas de P. patula y de A. mangium presentan una mayor afinidad en lo que se refiere a la obtención de rayón y papel, así como en la producción de tableros madera-cemento. La especie T. grandis tiene un futuro prometedor con respecto a la obtención de taninos y, por ende, en las aplicaciones de adhesivos y bioadsorbentes. Ahora bien, en la fabricación de tableros de madera-plástico se identifica que, en general, todas las maderas evaluadas son aptas para su preparación, así como para la aplicación de compostaje, excepto las partes externas de P. patula y A. mangium, aunque las partes internas de estas especies son aptas para la producción de pellets. En fin, la totalidad de las maderas evaluadas cumplen la condición para la producción de carbón activado.
