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VIII CAIQ 2015 y 3ras. JASP AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UN RESIDUO DE LA AGROINDUSTRIA ACEITERA C. L. Martinefsky, S. M. Nolasco, I. C. Riccobene* Núcleo de Investigación TECSE, Departamento de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Pcia. de Buenos Aires. Av. del Valle 5737, B7400JWI-Olavarría, Buenos Aires, Argentina. E-mail: [email protected]. Resumen. Los residuos agroindustriales y forestales comprenden una alternativa interesante como combustibles sólidos, de fácil aplicación y buen impacto económico y medioambiental. En la industria aceitera, el descascarado parcial de los granos de girasol, previo a la extracción del aceite por solvente, genera como residuo gran volumen de cáscara. El objetivo del trabajo fue evaluar el acondicionamiento necesario de la cáscara de girasol, con el fin de utilizarla como combustible en hornos industriales. Se caracterizó la cáscara proveniente del proceso industrial, donde se destaca la densidad aparente de 92±1 kg/m 3 considerablemente baja. Se evaluaron alternativas de generación de pellet utilizando una prensa manual. Se obtuvieron pellets de cáscara entera y cáscara molida, con pretratamiento térmico y con aglutinantes (glicerina y residuo del desgomado acuoso del aceite de girasol en tres concentraciones 5, 7,5 y 10% en peso). Se evaluó el poder calorífico y la cohesión en los pellets a partir de la variación de volumen con el tiempo. Los pellets de cáscara molida sin aditivo presentaron la menor variación de volumen, 11,7%, resultando la mejor opción con una densidad de 954 kg/m 3 y un poder calorífico de 4796 kcal/kg. El alto valor energético de la cáscara de girasol, similar a los pellets de madera, muestra el potencial de este residuo como combustible sólido. El pellet, a diferencia de la cáscara sin tratar, no sólo posee mayor densidad, sino que es más fácil de almacenar, es limpio y seguro. Palabras clave: Cáscara de Girasol, Pellet, Poder Calorífico.

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VIII CAIQ 2015 y 3ras. JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UN RESIDUO DE LA

AGROINDUSTRIA ACEITERA

C. L. Martinefsky, S. M. Nolasco, I. C. Riccobene*

Núcleo de Investigación TECSE, Departamento de Ingeniería Química

Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Pcia. de Buenos Aires.

Av. del Valle 5737, B7400JWI-Olavarría, Buenos Aires, Argentina.

E-mail: [email protected].

Resumen. Los residuos agroindustriales y forestales comprenden una

alternativa interesante como combustibles sólidos, de fácil aplicación y buen

impacto económico y medioambiental. En la industria aceitera, el

descascarado parcial de los granos de girasol, previo a la extracción del

aceite por solvente, genera como residuo gran volumen de cáscara. El

objetivo del trabajo fue evaluar el acondicionamiento necesario de la cáscara

de girasol, con el fin de utilizarla como combustible en hornos industriales.

Se caracterizó la cáscara proveniente del proceso industrial, donde se

destaca la densidad aparente de 92±1 kg/m3 considerablemente baja. Se

evaluaron alternativas de generación de pellet utilizando una prensa manual.

Se obtuvieron pellets de cáscara entera y cáscara molida, con pretratamiento

térmico y con aglutinantes (glicerina y residuo del desgomado acuoso del

aceite de girasol en tres concentraciones 5, 7,5 y 10% en peso). Se evaluó el

poder calorífico y la cohesión en los pellets a partir de la variación de

volumen con el tiempo. Los pellets de cáscara molida sin aditivo

presentaron la menor variación de volumen, 11,7%, resultando la mejor

opción con una densidad de 954 kg/m3

y un poder calorífico de 4796

kcal/kg. El alto valor energético de la cáscara de girasol, similar a los pellets

de madera, muestra el potencial de este residuo como combustible sólido. El

pellet, a diferencia de la cáscara sin tratar, no sólo posee mayor densidad,

sino que es más fácil de almacenar, es limpio y seguro.

Palabras clave: Cáscara de Girasol, Pellet, Poder Calorífico.

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1. Introducción

La agroindustria en general produce billones de toneladas de residuos no comestibles

derivados del cultivo o del procesamiento, residuos que pueden producir contaminación

y/o problemas de manipulación. La cáscara de girasol (Helianthus annuus L.) es uno de

los residuos de la industria aceitera. La disposición de estas grandes cantidades de

residuo agroindustrial no sólo resulta un problema para el ambiente por su lenta

degradación, sino que también resulta un problema por su baja densidad, situación ésta

que encarece el transporte de la misma.

En la industria aceitera, el descascarado parcial de los granos de girasol previo a la

extracción del aceite por solvente, genera como residuo gran volumen de cáscara. La

cáscara posee una considerable cantidad de lignina que limita la posibilidad de una

rápida biodegradación y su uso como alimento para animal. Lo más común es que las

cáscaras sean quemadas en las mismas instalaciones de procesamiento. Si bien ésta

parece ser una buena opción, excede las necesidades energéticas de la planta y su

combustión directa en las calderas genera corrosión y depósitos de cenizas en los

equipos, disminuyéndoles considerablemente la vida útil. Las calderas deben tener un

horno especial para quemar combustibles celulósicos y el balance energético no siempre

es satisfactorio como para pensar que es la solución ideal para la industria aceitera. La

generación de vapor utilizando sólo el 20% de la cáscara extraída supera las necesidades

de toda la planta de extracción, aún en el caso de que cuente con refinería. En fábricas

que procesan durante el año primero girasol y luego otro grano para obtener aceite,

podría analizarse la alternativa de acumular el sobrante de cáscara en depósitos o

galpones para quemarla cuando termina la temporada de girasol, sin embargo, esta

solución suele ser antieconómica debido al importante espacio físico que se necesita en

virtud a su bajo peso específico. La opción de acumular la cáscara al aire libre no es una

solución, dada su tendencia a entrar en autocombustión cuando se humedece (Capurro,

2003).

La bioenergía, entre ellas la biomasa junto a otras fuentes no convencionales, deben

lograr sustituir progresivamente la economía basada en combustibles fósiles a otra

basada en un abanico de fuentes sustentables. La biomasa, debido a su diversidad y

complejidad, no puede ser abordada como un todo, sino que requiere una adaptación y

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optimización de su empleo como energía según el material biológico que se trate. Los

residuos agroindustriales son una atractiva fuente de combustible renovable, dado que

se siembran y cosechan periódicamente. Durante su crecimiento, mediante la

fotosíntesis, estas plantas eliminan el CO2 de la atmósfera, que se libera de nuevo

durante la combustión, reduciendo considerablemente la producción de CO2, de la cual

actualmente el 98% proviene de los combustibles fósiles (Werther et al., 2000).

La combustión de la cáscara de girasol ha sido observada de la misma manera que

otras biomasas, buscando alternativas de nuevas fuentes de energía; sin embargo, se ha

descartado su transporte como tal, de allí los esfuerzos por evaluar el acondicionamiento

del material en función de su potencial uso como combustible. Debido al elevado costo

de transporte no resulta económicamente rentable utilizar las cáscaras como el

combustible principal fuera del lugar de producción. El proceso de reducción del

volumen es un prerrequisito para el transporte, alimentación y combustión en los hornos

y calderas industriales (Werther et al., 2000). La conversión tiene el objetivo de

transformar el material, voluminoso y con baja concentración de energía, en

combustibles con características físico-químicas que permitan un almacenamiento

económico y de fácil transferencia al sistema de combustión (Haykiri-Acma, 2003).

La densificación, que consiste en compactar pequeños trozos de biomasa (aserrín de

madera, rastrojos, residuos del arroz, café, caña de azúcar, etc.) en piezas de forma y

tamaño similar le otorga al material compactado muchas ventajas respecto a su

configuración original. Todas las piezas obtenidas tienen aproximadamente la misma

forma y tamaño, resultando más conveniente su almacenamiento, manipuleo y

transporte, e incluso la automatización en los equipos de generación de calor. Al poseer

una densidad y un contenido de humedad constante, el poder calorífico tiende a la

homogeneidad y mejora la eficiencia de combustión en el equipo.

El propósito de las briquetas y pellets es incrementar la densidad aparente del residuo

como mínimo a 250 kg/m3. El proceso de elaboración de las briquetas y pellets

involucra la aplicación de presión al material, en este caso las cáscaras de girasol. Por la

fricción entre las partículas del material y la fricción entre la prensa y el material

aumenta la temperatura, rompiendo la estructura celular; la lignina que contiene el

material suaviza y aglutina las partículas (Alaru et al., 2011).

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La tecnología de densificación se clasifica en dos grandes grupos de acuerdo al

volumen de la unidad obtenida luego de la densificación. Por un lado, las briquetas que

pueden hacerse de manera industrial o artesanal cuya masa es importante y pueden ser

desde discos hasta grandes barras extruidas de diversa forma, y por otro, los pellets que

son pequeños cilindros de diámetro entre 7 y 22 mm y de longitud entre 22 y 70 mm.,

producidos por métodos industriales.

En Europa, los pellets se usan como insumo para las plantas térmicas de electricidad

en cogeneración junto al carbón y para la calefacción doméstica mediante estufas de

doble combustión. El desarrollo de la industria de pellets en Argentina está en sus

inicios, se encuentran operando no más de tres plantas y existen proyectos de nuevas

instalaciones, todas utilizando los residuos de aserraderos (Maslatón et al., 2013).

El objetivo del trabajo fue evaluar el acondicionamiento necesario de la cáscara de

girasol con el fin de utilizarla como combustible en hornos industriales, efectuando un

aporte a la industria regional.

La Provincia de Buenos Aires posee fuertes ventajas para la producción de

alimentos, contando con una geografía que posibilita las actividades primarias, como la

agricultura y una agroindustria competitiva que produce diversos alimentos para el

mercado interno y para el mundo; esta integración convierte a la región en un referente

nacional de la industria agroalimenticia y fortalece la investigación y el desarrollo de

mejoras. Cada aporte en las diferentes etapas del procesamiento tiene una fuerte

influencia en la producción y economía del girasol y contribuye a que continúe teniendo

una participación competitiva en los mercados mundiales. Por otro lado, la generación

de renovables fuentes de energía efectúa un aporte a la industria minera de la Provincia

y al cuidado del ambiente.

Los hornos cementeros del partido de Olavarría (Provincia de Buenos Aires,

Argentina) operan a temperaturas superiores a 1400ºC lo que permite una combustión

completa de las cáscaras (se han realizado ensayos, con resultados satisfactorios,

utilizando cáscara de girasol sin tratamiento). Además, las pequeñas y medianas caleras

de la región utilizan carbón de baja calidad produciendo contaminación atmosférica,

sobre todo en la emisión de NOX, SO2 y material particulado. En ambos casos sería

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posible realizar un reemplazo parcial del gas natural en las cementeras y del carbón en

las caleras, por pellet o briquetas de cáscara de girasol.

2. Materiales y métodos

Se utilizaron cáscaras y granos de girasol comercial suministrado por la empresa

Oleaginosas Moreno S.A. (Planta Daireaux, Provincia de Buenos Aires, Argentina).

Las cáscaras, tal como llegaron de fábrica, fueron guardadas en recipientes

herméticos y en cámara de frío. Los granos se limpiaron manualmente y también se

conservaron en frío. Antes de cada ensayo, la muestra se sacó de la cámara y se dejó

equilibrar con la temperatura ambiente.

2.1. Caracterización de la cáscara

Se determinó el contenido de humedad de la cáscara por método ASAE S352.2

-DEC97- (ASAE, 1999) para girasol, secado en estufa a 130°C durante 3 horas. La

medición se realizó por triplicado.

Se determinaron las dimensiones axiales de los granos a partir de muestras de 10

semillas, seleccionadas al azar. La longitud (L), el ancho (W) y el espesor (T) de las

semillas y el espesor de la cáscara se obtuvo utilizando un micrómetro de exteriores de

resolución 0,001 mm (DP-1HS, Digimatic Mini-Processor, Mitutoyo, Japón).

Se determinó la densidad verdadera (ρt), definida como la relación de la masa de la

muestra con su verdadero volumen, utilizando picnometría; para cada ensayo se utilizó

la cáscara de 10 granos y se empleó xileno como líquido a desplazar. Se calculó la

densidad aparente (ρb), relación entre la masa de una muestra de granos y su volumen

total; se determinó empleando una balanza de peso hectolitro normalizada (Singh y

Goswami, 1996).

Las propiedades físicas serán informadas como promedios de diez repeticiones.

La porosidad del lecho (ε), definida como la fracción de espacio en la semilla a

granel que no es ocupada por los granos, se calculó utilizando la ecuación (1) (de

Figueiredo et al., 2011).

(1)

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2.2. Obtención de pellets

Para evaluar alternativas de obtención de pellets de cáscara de girasol se utilizó una

prensa hidráulica manual La-Ser (Argentina), con un molde cilíndrico de 15 mm de

diámetro. Se aplicaron presiones entre 4 y 8 tn, empleando aproximadamente 1,5 g de

muestra para cada pellet y un tiempo de residencia en el molde bajo presión de 3

minutos. Se realizaron ensayos con cáscara entera sin ningún tratamiento, con un

pretratamiento térmico y mezclando la cáscara con distintos aditivos como aglutinantes.

Se pesó el pellet obtenido y se midió la altura del cilindro al salir de la prensa, a las 3

horas y luego de transcurrido un día, conservando el pellet a temperatura ambiente.

El pretratamiento térmico se realizó sometiendo la muestra a 120 °C en estufa

durante 3, 5 y 7 minutos. Se midió la temperatura de la muestra a la salida de la estufa,

al colocar la muestra en el molde y del pellet obtenido.

Se utilizó glicerina y residuo del desgomado acuoso del aceite de girasol como

aditivos aglutinantes. Se adicionaron a la cáscara en concentraciones de 5, 7,5 y 10% en

peso, se homogeneizó cada mezcla y se compactaron para obtener los pellet. Igual

procedimiento se realizó con cáscara molida para la formación de los pellet. La

molienda de la cáscara se realizó en seco, en un molino de cuchillas con un tiempo de

residencia de 30 segundos de la muestra en el equipo.

Se realizó el análisis granulométrico (por triplicado) de la cáscara sin moler y

molida con una batería de tamices ASTM Nº4, 10, 14, 18, 20, 60, 100 y 140. Se

obtuvieron pellets de cáscara molida, con pretratamiento térmico y con aglutinantes en

las mismas concentraciones que la cáscara sin moler. Se evaluó la cohesión en los pellet

de la misma manera, a partir de la variación de volumen a las 3 y 24 hs.

Se determinó el poder calorífico de pellet de cáscara sola, con glicerina y con borra

de aceite de girasol en calorímetro (Laboratorio de la empresa Cementos Avellaneda

S.A., Olavarría).

3. Resultados y discusión

3.1. Propiedades físicas de la cáscara

En la Tabla 1 se presentan las propiedades físicas determinadas para la cáscara de

girasol y el contenido de humedad (expresado en base seca, b.s.).

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Tabla 1. Propiedades físicas de la cáscara de girasol

Propiedades (unidades) Valor promedio ± desvío estándar

Contenido de humedad (% b.s.) 10,472±0,066

Longitud L (mm) 10,253±0,162

Ancho W (mm) 5,128±0,280

Espesor T (mm) 3,086±0,256

Espesor de la cáscara (mm) 0,357±0,044

Densidad verdadera ρt (kg/m3) 684,4±29,4

Densidad aparente ρb(kg/m3) 92±1

Porosidad ε (%) 86,5

La Figura 1 muestra la distribución de tamaño de la cáscara. El tamaño medio de la

cáscara obtenida a partir de dicha distribución fue de 3594,92±155,12 µm.

Figura 1. Distribución del tamaño de partículas de cáscara entera

El contenido de humedad de la cáscara de girasol obtenido fue de aproximadamente

10,5% b.s. La humedad es una variable importante cuando se pretende utilizar una

biomasa como combustible, para la mayoría de los procesos de conversión energética es

imprescindible que tenga un contenido de humedad inferior al 30%. Cuando el

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contenido de humedad es superior, se deben implementar operaciones de

acondicionamiento. En el caso de la cáscara de girasol el contenido de humedad que

posee indica que no son necesarias operaciones de secado. La humedad es una variable

controlada en el proceso de descascarado del grano de girasol; de Figueiredo et al.

(2011) han evaluado esta etapa del proceso de extracción del aceite y particularmente el

efecto del contenido de humedad, concluyendo que la humedad es una variable que

influye, significativamente, en el descascarado al afectar las propiedades del grano.

Menind (2012a) determinó que los procesos de compactación para la obtención de

los pellet y la posterior combustión, también se ven influenciados por el contenido de

humedad, dado que si el contenido de humedad del material es muy alto la vaporización

del agua excedente rompe la briqueta o pellet y si es muy bajo, menos de 10 % b.s., se

requieren presiones más altas para obtener compactados de buena calidad. En el caso de

la cáscara de girasol como el contenido de humedad se controla en la etapa de

descascarado de los granos, este parecería no ser un problema para esta biomasa, dado

que el secado convertiría al proceso integral en poco rentable desde el punto de vista de

la tecnología de producción.

Las dimensiones axiales evidencian el tamaño de partícula con la que se está

trabajando, que si bien en el proceso industrial de descascarado parte de la cáscara se

rompe, los estudios granulométricos realizados en este trabajo (Figura 1) sugieren que

esto no es un inconveniente para una adecuada compactación en pellets o briquetas. Si

bien es un tamaño de partícula fácil de manipular, la presencia de polvo volátil puede

generar inconvenientes y riesgos para su transporte y almacenaje a escala industrial. La

forma laminar de la cáscara también puede contribuir en el prensado, facilitando la

reducción de volumen.

La diferencia entre la densidad real de 684,4±29,4 kg/m3 y la densidad aparente de

92±1 kg/m3 manifiesta el principal problema que presenta este residuo, grandes

volúmenes de poco peso. La biomasa residual, en general, presenta baja densidad

energética y es fundamental aumentar la densidad para reducir problemas y costos

logísticos para su empleo. Con la compactación se puede disminuir la densidad hasta 10

veces. Si la densidad es mayor, la relación energía/volumen es también mayor.

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3.2. Obtención y comparación de pellets

La variación de volumen permite comparar pellets de manera sencilla, al cuantificar

la pérdida de densidad con el tiempo. La durabilidad del material compactado depende

de las fuerzas físicas que unen las partículas (Menind 2012b). Si bien es deseable que no

se observe variación de volumen, lo que indicaría buena cohesión de todo el material en

el pellet, es un buen indicador para aproximarse a las condiciones óptimas de

compactado.

Se formaron pellet de cáscara entera compactando a diferentes presiones y se

evaluó la variación de volumen del pellet a las 3 y a las 24 horas (Figura 2).

Fig. 2. Variación de volumen con el tiempo y presión en pellets de cáscara entera

En la Figura 1 puede observarse que aplicando 4 tn para formar el pellet de cáscara

entera, al cabo de 3 horas el pellet formado aumentó el 17,4% su volumen y lo mantuvo

sin modificaciones. Una reducción considerable del volumen del pellet se logró

aplicando 8 tn, sin embargo, la variación del mismo fue del 36,4% al cabo de 24 horas.

Además, se observa una tendencia creciente de variación de volumen del pellet (menor

cohesión y mayor facilidad a la rotura) al aplicar mayor presión para generarlo, razón

por la cual se adopta como presión de trabajo 4 tn.

El tratamiento térmico aplicado a las muestras previo proceso de compactación se

realizó con la finalidad de lograr una mayor temperatura al momento del prensado y así

favorecer la cohesión del pellet. En una pelletizadora industrial el aumento de

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temperatura se obtiene por la fricción del material dentro del equipo. En la prensa

manual se simuló dicho comportamiento mediante un calentamiento de la cáscara en

estufa a 120 °C. A pesar de registrarse temperaturas de la cáscara entre 70 y 90 °C al

retirarla de la estufa (dependiendo el tiempo de residencia), durante el manipuleo para el

prensado dicha temperatura disminuía hasta equilibrarse con la temperatura ambiente.

Los pellets formados mostraron evidentes signos de descompresión al cabo de 3 horas.

La Glicerina (subproducto de la producción de biodiesel) y el residuo del

desgomado del aceite (residuo de la misma industria aceitera, obtenido a la salida de la

centrífuga del desgomado acuoso del aceite crudo) fueron utilizados como aditivos

aglutinantes.

Los aglutinantes son sustancias orgánicas o inorgánicas que tienen la capacidad de

unir y solidificar las partículas luego de mezclarse con el material para la formación del

pellet, dando forma y resistencia al pellet (Mitic y col. 2006).

La Tabla 2 muestra la variación de volumen con el tiempo de los pellets de cáscara

entera con el agregado de glicerina en distintas concentraciones. La presión de trabajo

fue de 4 tn.

Tabla 2. Variación de volumen con el tiempo para diferentes concentración de glicerina

Glicerina

(% peso)

Peso

(g)

V 0h

(cm3)

V 3h

(cm3)

V 24h

(cm3)

% de variación

de volumen

5 1,833 1,85 2,51 2,55 37,9

7,5 1,726 1,90 2,83 3,03 59,2

10 1,817 2,04 2,81 3,00 46,8

Pellet generados con cáscara entera aditivada con 5% de glicerina, luego de la

homogenización de la muestra, al cabo de 3 horas incrementó su volumen un 37,9% y

luego permaneció estable. Al aumentar la concentración de glicerina el volumen se

incrementó aún más.

Con el residuo del desgomado acuoso del aceite, se observó un comportamiento

similar, con la particularidad que no es adsorbida por la cáscara, su oleosidad genera

deslizamiento de unas cáscaras sobre otras sin producirse cohesión entre las mismas.

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La reducción del tamaño de partícula de la cáscara original (molienda de la cáscara)

en un molino de cuchillas, generó pequeñas “espinas”, debido a la naturaleza fibrosa de

las cáscaras de girasol. La Figura 3 presenta la distribución de tamaño para la cáscara

molida, resultando un valor medio de partícula de 1465,67±97,43 µm.

En la Figura 1 puedo observarse que aproximadamente el 93% de la cáscara obtenida

del equipo de descascarado industrial tiene un tamaño superior a 2000 µm, mientras que

en el caso de las cáscaras molidas el rango de distribución de tamaños es más amplio y

está comprendido entre 250 y 4760 µm (Figura 3).

Una mayor variación de tamaño en la muestra podría mejorar la cohesión de las

partículas en el compactado.

Fig. 3. Distribución del tamaño de partículas de cáscara molida

La densidad aparente de la cáscara original fue de 0,092±0,001 g/cm3 y de la cáscara

molida durante 30 segundos, 0,184±0,005 g/cm3. Resulta así que una reducción del

tamaño de partícula del 60% aproximadamente, disminuye el volumen a la mitad.

La presión óptima de trabajo para la generación de pellet de cáscara molida resultó,

nuevamente, de 4tn. Para la cáscara sin aditivo la variación de volumen fue del 11,7%,

observando una mejor cohesión respecto al pellet de cáscara entera. Al precalentar la

cáscara molida a 120ºC el pellet presentó gran variación de volumen (90,7%). Con

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glicerina como aglutinante las variaciones de volumen fueron superiores al 40% a las

tres concentraciones (5, 7,5 y 10%). El residuo del desgomado acuoso del aceite de

girasol se comportó de igual forma que con la cáscara entera.

3.3. Poder calorífico

Se evaluó el poder calorífico de pellet de cáscara sola, con glicerina y con borra de

aceite, los resultados se observan en la Tabla 3. Se aprecia el alto valor energético de la

cáscara de girasol, atribuida en parte a la considerable cantidad de lignina en su

composición. El poder calorífico es más alto para la lignina que para la celulosa y

hemicelulosa (Demirbas 2001, Raclavska et al. 2011).

Tabla 3. Poder calorífico de la cáscara de girasol

Material PC (kcal/kg)

Cáscara de girasol sin aditivo 4796

Cáscara con 5% de borra de aceite 4728

Cáscara con 10% de borra de aceite 4469

Cáscara con 5% de glicerina 4657

Cáscara con 10% de glicerina 4591

Las alternativas exploradas, en este trabajo, de utilizar diferentes aglutinantes no

contribuyeron a la cohesión del pellet y tampoco aportaron poder calorífico al material.

La glicerina y la borra de aceite no resultan aditivos adecuados para los pellets de

cáscara de girasol. A escala industrial, la utilización de aditivos implica una etapa del

mezclado de los componentes previo prensado, por lo que su empleo debe considerarse

sólo si es indispensable para obtener el conformado del pellet.

El poder calorífico de los pellet de cáscara de girasol (4796 kcal/kg) es similar al

poder calorífico de los pellets de madera (4800 kcal/kg, valor informado por Lipsia S.A.

(2015)), lo que muestra el potencial de este residuo como combustible sólido.

Del análisis integral de los resultados obtenidos se observa que los pellets formados a

partir de cáscara molida, sin el empleo de aglutinante ni pretratamiento térmico, fue la

mejor opción, alcanzando una densidad verdadera de 954 kg/m3 y un poder calorífico de

4796 kcal/kg.

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Escasos son los reportes bibliográficos sobre estudios de compactación. Mitic y col.

(2006) determinaron una densidad de 933 kg/m3 para la cáscara de girasol al utilizar

una prensa en seco a una presión de 20 MPa, resultado similar al obtenido en el presente

estudio.

4. Conclusiones

En nuestro país, al igual que en el resto del mundo, se han realizado y se realizan

aprovechamientos energéticos de la biomasa. Analizar de la cáscara de girasol obtenida

del descascarado industrial ha permitido determinar que, para transportar mayor

cantidad de cáscara en el mismo volumen es necesario molerla y compactarla

previamente.

La densificación es una alternativa para tratar cantidades importantes de cáscara, con

equipos sencillos, mediante un proceso no demasiado oneroso, ni en inversión ni en

costos operativos, proporcionando una solución al transporte y almacenamiento,

optimizando el proceso productivo en general. El pellet, a diferencia de la cáscara sin

tratar, no sólo posee mayor densidad, sino que es más fácil de almacenar, es limpio y

seguro. Asimismo, generar pellets de cáscara molida sin aditivo resultó la mejor opción

entre las condiciones estudiadas en el presente trabajo.

Es posible optimizar la calidad y producción de pellets de cáscara de girasol a partir

del ajuste de las variables que influyen en el proceso de compactado. Ensayos en una

pelletizadora a escala piloto, permitirán inferir las condiciones óptimas de trabajo para

lograr pellets de cáscara comparable con parámetros estándares de calidad.

Reconocimientos

El presente trabajo fue realizado con el financiamiento de la Comisión de

Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CIC), la Facultad de

Ingeniería de la Universidad Nacional del centro de la provincia de Buenos Aires, con el

aporte de las empresas Oleaginosas Moreno S.A. (Planta Daireaux) quien suministró las

muestras de semilla y cáscara residual del proceso de descascarado, Molinos Cañuelas

quien suministró la borra de aceite de girasol y Cementos Avellaneda S.A. donde se

realizaron los ensayos para la determinación del poder calorífico de las diferentes

muestras.

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VIII CAIQ 2015 y 3ras. JASP

AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

Referencias

Alaru, M., Kukk, L., Olt, J., Menind, A., Lauk, R., Vollmer, E., Astover, A. (2011).

Lignin content and briquette quality of different fibre hemp plant types and energy

sunflower. Field Crops Research 124, 332-339.

ASAE STANDARDS (1999). Moisture measurement - Unground grain and seeds.

ASAE S.352.2 (DEC97).

Capurro, C. A. (2003). Cáscara de girasol. Buscando opciones para su utilización -

Parte I. Revista A&G 52, Tomo XIII N°3, N° 52, 396-402.

De Figueiredo, A. K., Baümler, E., Riccobene, I. C., Nolasco, S. M. (2011). Moisture-

dependent engineering properties of sunflower seeds with different structural

characteristics. Journal of Food Engineering, 102, 58-65.

Demirbas, A. (2001). Relationships between lignin contents and heating values of

biomass. Energy Conversion & Management, 42, 183-188.

Haykiri-Acma, H. (2003). Combustion characteristics of different biomass materials.

Energy Conversion and Management, 44, 155-162.

Lipsia S.A., Misiones, Argentina (2015). Pellets de madera - Propiedades de los pellets

de Lipsia. www.lipsia.com.ar [10/07/15]

Maslatón, C., González, A. L., Miño, A. (2013). Pellets de madera para usos energéticos

- Primera nota. INTI Cifras para pensar. www.inti.gob.ar [10/07/15]

Menind, A., Krizan, P., Soos, L., Matus, M., Kers, J. (2012a). Optimal conditions for

valuation of wood waste by briquetting. 8th International DAAAM Baltic Conference

Industrial Engineering. Tallinn, Estonia.

Menind, A. (2012b). Peculiarities of pretreatment and fuels refining of biomass. Thesis

for applying degree of Doctor of Philosophy in Bioenergetics. Eestimaaülikool,

Estonian University of Life Sciences, Tartu.

Mitic, D., Mihajlovic, E., Stojiljkovic, M. (2006). Development and designing of

machines and technologies for briquette and pellet manufacturing by dry and wet

process. Thermal Science, 10, 131-141.

Raclavska, H., Juchelkova, D., Roubicek, V., Matysek, D. (2011). Energy utilisation of

biowaste – Sunflower seed hulls for co-firing with coal. Fuel Processing Technology,

92, 13-20.

Page 15: APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UN RESIDUO …...térmico y con aglutinantes (glicerina y residuo del desgomado acuoso del aceite de girasol en tres concentraciones 5, 7,5 y 10% en

VIII CAIQ 2015 y 3ras. JASP

AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

Singh, K. K., Goswami, T. K. (1996). Physical properties of Cumin seed. Journal of

Agricultural Engineering Research, 64, 93-98.

Werther, J., Saenger, M., Hartge, E.U., Ogada, T., Siagi, Z. (2000). Combustion of

agricultural residues. Progress in Energy and Combustion Science, 26, 1-27.