En diferentes países se cuenta con variedades de residuos los cuales son empleados en la búsqueda de fuentes de energía limpias mediante la termo conversión de estos. A continuación se muestra un resumen donde se evidencia que las biomasas suelen caracterizarse en base a análisis próximo (% de humedad, volátiles, cenizas y carbono fijo) y último (C - H - O - N).

¹¹ Xianwen pirolizó polvo de madera de pino en un reactor de cama fluidizada circulante donde fue variado el tamaño de partícula, la temperatura de la cama y la posición del alimentado.

En los estudios realizados por Tsai ⁹ se utilizó la pirolisis rápida para determinar el efecto de los parámetros de proceso como temperatura de pirolisis, velocidad de calentamiento y el tiempo de permanencia sobre el rendimiento de la pirolisis y su composición química.

¹⁰ Wei, realizó la pirolisis rápida de cuatro clases de biomasa (paja de legumbre, tallo de tabaco, aserrín de pino y semilla de albaricoque) con el objetivo de producir gas hidrógeno.

³ Demiral, pirolizó el bagazo de uva para estudiar la distribución del producto y la composición química e identificar las condiciones óptimas del proceso y así maximizar el rendimiento del bio-aceite.

En la tabla 1 se presenta la caracterización de diferentes tipos de biomasa

Al analizar estas caracterizaciones nos percatamos que varían de biomasa en biomasa, no obstante, es común en todas que el % de volátiles tenga los mayores valores, así como que el % de hidrógeno y carbono adquieran los menores valores. Esto es propio de la composición de los materiales lignocelulósicos.

El pergamino de café o cascarilla es la parte que envuelve el grano inmediatamente después de la capa mucilaginosa y representa alrededor de 12% del grano de café en base seca (figura 1). Esta cascarilla constituye una excelente fuente de celulosa, y lignina, pentosanos, sílice y cenizas, así como otros compuestos en menor proporción.¹

Un grano de cafeto está formado por las siguientes partes:

Fig 1.

La biomasa utilizada en nuestra investigación (cascarilla de café) proviene de la beneficiadora de café que se encuentra en Las Coloradas municipio Guamá, Santiago de Cuba y fue obtenida a partir del método seco. A continuación se muestra una breve descripción del proceso donde se obtiene esta.

Los granos de café ya despulpados llegan a la beneficiadora donde primeramente se determina su humedad, si esta es menor del 10 % pasa directamente al proceso, si no se aplica el método de beneficio seco hasta que se cumpla este parámetro. Luego los granos pasan hacia una tolva y de ahí hacia una zaranda que se encarga de eliminar los objetos extraños que pueda tener el grano, posteriormente estos granos suben hacia el depósito del molino mediante bandas transportadoras y comienza la operación de molinaje, el grano limpio va hacia un segundo depósito para luego ser pesado y almacenado en sacos; por otra parte cuando se separa el grano de la cáscara una criba impide que se mezclen estos y un extractor acoplado al molino se encarga de la separación en sí. Como parte del estudio se pudo constatar que este residuo del proceso no se utiliza y que se genera aproximadamente un 23 % de cascarilla por masa de café bruto procesado.

Para aprovechar de manera eficiente este residuo y someter el mismo a un sinnúmero de tratamientos con la finalidad de obtener productos orgánicos, es necesario conocer las propiedades tanto químicas como físicas de la cascarilla del café, ya que dichas característica determinan el tipo de combustible o subproducto energético que se puede generar.

Como parte de un estudio realizado por Gómez ⁵, acerca del proceso de extracción de palma se caracterizaron diferentes tipos de biomasa como las que se muestran en la tabla 2:

Tabla 2

⁴ Fonseca, reportó que se recogieron muestras de aserrín, cáscara de arroz y cascarilla de café las cuales se analizaron para determinar sus propiedades termoquímicas. A continuación se muestran los resultados alcanzados a través de la tabla 3:

Tabla 3

Para desarrollar el estudio de caracterización de la biomasa, se procedió primeramente a la selección de las muestras de cascarilla de café. Para ello, se aplicó el método de cuarteo manual de Cono y anillo. Las muestras, según su masa, fueron colocadas en un juego de tamices con la siguiente estructura de tamaños: 6,3; 4,76; 3,36; 2,5; 1,69; 1,19; 0,85; 0,59; 0,35; 0,297; 0,25; 0.149 mm siendo el tiempo de tamizado de 20 min.

Análisis granulométrico por tamizado. Separación y clasificación de sólidos ⁷

El conocimiento de la composición granulométrica de los materiales es indispensable para el ingeniero que estudia proceso o proyecta sistemas donde intervienen sólidos finamente divididos.

Atendiendo a que el tamaño de partícula ejerce una gran influencia en los rendimientos de los productos de la pirolisis se realizó la caracterización granulométrica de la cascarilla de café. Para hacer la representación del análisis se usan dos métodos diferentes: diferencial y acumulativo.

El análisis por tamizado permite calcular el diámetro promedio (Dp), de las partículas contenidas en una muestra determinada. También permite realizar el cálculo de la superficie específica del material, cuando se cuenta con datos para ello.

Fórmulas fundamentales

El diámetro de una muestra con una distribución de tamaño dada se calcula a partir de la distribución diferencial empleando la siguiente ecuación:

Luego fueron evaluadas las características químicas de esta biomasa para cada tamaño de partícula obtenido en base a la determinación del contenido de humedad, compuestos volátiles, carbono fijo y cenizas.

Fórmulas fundamentales

donde:

: masa de sólido húmedo y : masa de sólido seco en gramos (g).

donde:

: masa seca y : masa de no volátiles, que es lo que queda en el crisol al realizar la prueba de volátiles en g

donde:

: masa de cenizas, : masa de no volátiles, que es lo que queda en el crisol al realizar la prueba de volátiles y: masa seca en g.

En la tabla 6 se muestra el resultado de la determinación del diámetro promedio de partículas de las muestras analizadas, aplicando el método diferencial y auxiliándonos de la ecuación 1.

Tabla 6

Al graficar para el método diferencial observamos que, independientemente de la muestra, se obtiene el mismo comportamiento de distribución granulométrica, es por ello que al concluir este estudio se determinaron las restantes propiedades solo a una de las muestras analizadas.

Las mayores acumulaciones fueron obtenidas para partículas mayores de 0,59 mm y hasta 3,36 mm de diámetro. En la figura 4 se muestra el gráfico por el método acumulativo de una de la muestra I, en el punto de intercepción encontramos el diámetro promedio. El diámetro promedio de partícula por el método acumulativo es de 1,55 mm para la muestra I y de 1,5 mm para la muestra II, mientras que para las mismas muestras a través de la ecuación de distribución diferencial es de 1,295 mm y 1,214 mm respectivamente. Por ambos métodos se obtiene un diámetro de partícula relativamente cercano, siendo el % de error menor de 20, lo cual es aceptable en estos casos.

Fig 4.

Para realizar este análisis se aplicará el diseño estadístico propuesto en el capítulo anterior. Los diámetros de partícula escogidos se corresponden a la zona (0,59 mm - 3,36 mm) donde se encuentran las mayores acumulaciones de la biomasa a partir del análisis granulométrico realizado. Se realizaron las pruebas F, las pruebas de múltiples rangos y las medias. Como resultado se obtuvo que el diámetro de partícula influye en todas las propiedades ya que existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las propiedades entre un nivel de Dpi y otro, con un nivel del 95% de confianza. Obteniéndose en cada caso las siguientes correlaciones matemáticas:

Humedad = 9,486 93 + 1,183 44/Dp Materia volátil = 77,863 - 1,0363 3/Dp

Cenizas = 2,171 82 + 0,275 755/Dp Carbono fijo = 19,964 6 + 0,760,532/Dp