1 Profesor: Francisco López ValdobinFIBRAS NO MADERERAS Profesor: Francisco López Valdobin

2 EL MATERIAL LIGNOCELULÓSICO ES UNA FUENTE RENOVABLE DE MATERIAS PRIMASFibras no madereras EL MATERIAL LIGNOCELULÓSICO ES UNA FUENTE RENOVABLE DE MATERIAS PRIMAS Se denominan materiales lignocelulósicos (MLC) a los distintos tipos de biomasa de origen vegetal que tienen como característica común el estar compuestos mayoritariamente por polisacáridos (celulosa y hemicelulosas) y por lignina. NUEVAS MATERIAS PRIMAS -Abundancia -Carácter renovable -Bajo coste Forestal: generados en los bosques, constituyen la principal fuente de MLC, con el 70% del total. Agrícola: como tallos y hojas de maíz, paja de cereales, podas de frutales y viñedos, etc. Industrial: desechos de algunas industrias alimentarias, la cebada después del malteado en la producción de cerveza o el bagazo de la caña de azúcar, y de industrias de transformación de la madera como la carpintería, fabricación de muebles o fabricación de pasta de papel (serrín, astillas, cortezas, etc.). Urbano: más de la mitad en peso de las basuras (que se generan a una velocidad de 0.7 kg/persona·día) están formadas por materiales como papeles, cartones, etc., de composición celulósica.

3 Los materiales lignocelulósicos como fuente renovable de materias primas  -Estrategias más prometedoras de fraccionamiento  etanol dentro de un esquema de “biorrefinería” -Energía y subproductos valorizables  interesante campo de desarrollo científico y tecnológico

4 En este ámbito  inclusión del MLC entre las fuentes de energía-Intención de las Directivas Europeas (15% para el año 2010) -Intención de grupos empresariales Tres tipos de biomasa vegetal: -Azúcares -Almidones -MLC

5 Materias primas alternativas a la maderaUtilización de especies no-madereras 10,8% 1,5% 0,7% De hecho son numerosos los materiales lignocelulósicas que se han utilizado y se están estudiando como materias primas alternativas a la madera. Estos materiales se pueden clasificar en: Residuos agrícolas y agroforesteales y en cultivos de diversas plantas. Entre ellas encontramos algunas especies tradicionales como la paja, bagazo, bambú y lino y otras más novedosas como las diversas especies de miscantus, los cardos, tallos de banana, etc. De todas estas especies, destacan por su utilización la paja de cereales, el bagazo y el bambú que en conjunto suponen más del 70% respecto del total de las materias primas no madereras que se utilizan en el mundo. Donde más se utilizan estas fibras son en los países de Asia-Pacífico, destacando China donde se fabrica con este tipo de materiales más del 78% de las pastas y la India. En la UE y en España, este tipo de fibras no se utilizan mucho por la abundancia de recursos forestales, en Europa se fabrican con fibras no madereras un 1,5% de las pastas celulósicas y en España según las estadísticas consultadas la producción está en torno a las toneladas anuales. No obstante, es importante destacar que hay una tendencia creciente en el Mundo y en la UE a la utilización de este tipo de fibras. 89,3% 98,5% 99,3% Uso creciente de materias primas no madereras López, F., Alaejos, J., Díaz, M.J., García, M.M. y Alfaro, A. (2004). Vegetales no madereros para la fabricación de pasta celulósica. Ingeniería Química. V. 418, p

6 Disponibilidad de los materiales lignocelulósicosFibras no madereras Disponibilidad de los materiales lignocelulósicos Producción mundial y española de algunos materiales agrícolas (millones de toneladas métricas) Total mundial España -Crecimiento en zonas más aridas que los árboles. Trigo Producción anual de biomasa por ha supe- Arroz rior a la mayoría de árboles. Algodón Posibilidad de cosechas anuales (frente al Maíz ciclo 8-30 años de los árboles). Avena Recolección más sencilla. Cebada y Pueden tener carácter residual, con coste Centeno prácticamente cero. Sorgo Fuentes: Food and Agricultural Organization (http://www.fao.org): United States Department of Agriculture (http://www.usda.gov y Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación de España (http://www.maypa.es y

7 Fibras no madereras Perspectivas de mercado y producción de pastas de papel. Materias primas -          Análisis de la producción de papel y cartón

8 Materias primas para la elaboración de pastas celulósicasProducción de pastas celulósicas Papel recuperado Consumo y recogida de papel en España Papel recuperado Fibras no madereras Fibras madereras Tasa de recogida, utilización y reciclaje en España Fibras no madereras Exportaciones e importaciones en España

9 MATERIAS PRIMAS NO MADERERASMenor contenido lignina Mayor contenido sílice y cenizas Desfibrado y deslignificación más fáciles Inconvenientes de recolección y almacenaje CARACTERÍSTICAS COMPOSICIÓN (base seca) Componentes estructurales de la pared celular Otros Cenizas, extractos Celulosa Hemicelulosas Lignina 39-52 41-44 24-43 20-30 18-27 12-36 16-27 20-31 5-29 Materiales no madereros Frondosas Coníferas

10 Fibras no madereras -          Longitud y diámetro de fibras de materiales lignocelulósicos no madereros (Alaejos, 2003)

11 - Composición química de algunas fibras naturalesFibras no madereras -          Composición química de algunas fibras naturales

12 Fibras no madereras -          Paja de cereales

13 Fibras no madereras -          Paja de cereales

14 Fibras no madereras -          Paja de arroz

15 - Bagazo de caña de azúcarFibras no madereras -          Bagazo de caña de azúcar

16 Fibras no madereras Esparto Fibras de Abacá Agave / Sisal-          Esparto, Abacá y Sisal Esparto Fibras de Abacá Agave / Sisal

17 - Especies de bambú ensayadas para la producción de pastasFibras no madereras -          Especies de bambú ensayadas para la producción de pastas

18 Fibras no madereras -          Kenaf

19 Fibras no madereras Herbáceas anuales: Switchgrass (Panicum virgatum L), sanreed (Calmovilfa longifolia Scribn.), cordgrass (Spartina pectinata L.) y big bluestem (Andropogon gerardii Vitman).

20 Herbáceas anuales: Miscanthus SinensisFibras no madereras Herbáceas anuales: Miscanthus Sinensis Composición química del Miscanthus sinensis Propiedades de diferentes y hojas de papel de hierba elefante mediante diversos procesos de pasteado Parámetro % Solubilidad en agua fría 6,3 Solubilidad en agua caliente 9,6 Solubilidad en sosa al 1% 44,9 Extraíbles en etanol-tolueno 3,2 Cenizas 5,7 Lignina klason 23,6 Polisacáridos 65,9 Procesos de pasteado Kraft Etanol-sosa Bisulfito (pH 4,5) Etanol-agua Rendimiento (%) Total 59.3 56.7 52.5 55.9 Sin rechazos 55.4 53.7 52.4 Número kappa 36.3 22.0 45.2 74.8 Viscosidad (ml/g) 1001 728 961 848 SRº (sin refinar) 21 19 26 20 Índice de tracción (kN m/kg) 75 73 49 41 Índice de desgarro (N m2/kg) 7,5 7,2 5,5 5,6 Propiedades Etanol-sosa Etanol Rendimiento. Total (%) Útil (%) 56,7 53,7 55,9 Índice kappa 22,0 74,8 Viscosidad intrínseca(ml/g) 728 848 ºSR (sin refinar) 19 20 Índice de tracción (kN m/kg) 73 41 Índice desgarro (N m2/kg) 7,2 5,6 Propiedades de la pasta celulósica de la hierba de elefante, empleando procesos depasteo etanol-sosa y etanol.

21 2 h de calentamiento; 1,5 h a 170º CFibras no madereras Propiedades de pastas de Reed Canary Grass (Phalaris arundinacea) obtenidas mediante proceso a la sosa con antraquinona Pasta 1 Pasta 5 Pasta 14 18 Valores variables en la cocción Alcali activo (como NaOH) (%) 12 15 Temperatura (ºC) 145 155 165 Tiempo hasta máx. temperatura 70 110 90 Tiempo a la máx. temperatura 30 Rendimiento total (%) 58,7 52,4 49,1 47,6 Rechazos (%) 10,0 6,1 2,6 1,2 Número kappa 38,9 24,6 16,3 12,3 Viscosidad (ml/g) 995 1.118 1.233 1.266 Propiedades de pastas de Cardo (Cynara cardunculus L.) realizadas mediante proceso al sulfato. Condiciones de cocción Tallos de cardo Con hojas Sin hojas NaOH (%) 13,5 16,5 Na2S (%) 4,5 5,5 Relación liquido: sólido 4,5:1 Temperatura/ tiempo 2 h de calentamiento; 1,5 h a 170º C Rendimiento total (%) 51,3 48.5 45,3 NaOH residual (g/l) 1,8 4,8 0,8 Número Kappa 25,6 21,8 --- Propiedades mecánicas Grado de refino (ºSR) 51 47 38 Gramaje (g/m2) 60 Longitud de rotura (m) 8500 7665 6645 Índice de estallido (Pam2/kg) 4,1 3,8 2,8 Índice de desgarro (Nm2/kg) 610 580 480 Alargamiento (%) 2,4

22 Referencias de las especies no madereras ensayados o/y utilizadas para la fabricación de pastaFibras no madereras

23 PAJA DE CEREALES TALLOS DE ALGODONERA PODAS DE OLIVO TALLOS DE GIRASOLFibras no madereras PAJA DE CEREALES TALLOS DE ALGODONERA PODAS DE OLIVO PROCESO KRAFT TALLOS DE GIRASOL SARMIENTOS DE VID

24 Evaluación de la producción de biomasa y adaptación a la zona de cultivo de las 25 especies/variedades seleccionadas. Autohidrólisis y deslignificación sobre 6 de ellas El ensayo consistió: Producción de plantas a partir de semillas de: Leucaena diversifolia Leucaena collinsii Leucaena leucocephala Chamaecytisus proliferus Prosopis Retama monosperma Arundo donax Phragmites Sesbania Paulownia Bacterias del género Rhizobium a los 3 meses Se transplantan a parcelas de cultivo (Campo de prácticas de la Escuela Politécnica de la Rábida)

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28 Fibras no madereras -         

29 Caracterización físico-química de pastas celulósicas y hojas de papel obtenidas a partir de las distintas variedades de especies de Leucaena en cosechas sucesivas tras uno y dos años de crecimiento Pastas celulósicas Rendimiento Holocelulosa (%) Lignina (%) -celulosa (%) Especie Índice kappa Viscosidad A un año A dos años Díaz, M.J., García, M.M., Eugenio, M.E., Tapias, R., Fernández, M., López, F.Variations in fiber ana pulp of leucaena varieties. Industrial Crops ana Products, 26, (2007). López, F., García, M.M., Yáñez, R., Tapias, R., Fernámdez, M., Díaz, M.J. Leucaena species valoration for biomass ana paper productions in one ana two years harvest. Bioresource Technology. Mkmmmm?¿?¿

30 Caracterización físico-química de pastas celulósicas y hojas de papel obtenidas a partir de las distintas variedades de especies de Leucaena en cosechas sucesivas tras uno y dos años de crecimiento Hojas de papel Índice de tracción Índice de estallido Índice de desgarro A un año A dos años

31 Caracterización físico-química de pastas celulósicas y hojas de papel obtenidas a partir de las distintas variedades de especies de Tagasaste (Chamaecytisus proliferus) en cosechas sucesivas tras uno y dos años de crecimiento Pastas celulósicas Holocelulosa (%) Lignina (%) -celulosa (%) Rendimiento Procedencia Viscosidad Índice kappa

32 Caracterización físico-química de pastas celulósicas y hojas de papel obtenidas a partir de las distintas variedades de especies de Tagasaste (Chamaecytisus proliferus) en cosechas sucesivas tras uno y dos años de crecimiento Hojas de papel Índice de estallido Índice de tracción Índice desgarro

33 AUTOHIDRÓLISIS + ORGANOSOLV DE PAULOWNIA FORTUNEIAUTOHIDRÓLISIS + ORGANOSOLV DE PAULOWNIA FORTUNEI. Datos experimentales hojas de papel

34 Las especies menos productivas en los 3 tipos de aprovechamiento:Evaluación de la producción de biomasa y adaptación a la zona de cultivo de las 14 especies seleccionadas Tipos de aprovechamiento Medidas de diámetro y altura 1: a un año de edad desde la siembra 1+1: a un año de edad tras rebrotar después de haber sido cortado cuando tenían un año 2: a dos años de edad desde la siembra Producción de biomasa total Las especies menos productivas en los 3 tipos de aprovechamiento: Prosopis juliflora, Retama monosperma Las especies más productivas en los 3 tipos de aprovechamiento: Leucaena leucocephala Leucaena diversifolia Fernández, M., Taoias, R., Alaejos, J., Salvador, L., Gónzález, J.A., Alfaro, A., García, M., López, B., Díaz, M.J., Alesso, P. Leguminosas leñosas de rápido crecimiento para la produción de biomasa. Vida Rural (207), (2005) López, F., Alaejos, J., Díaz, M.M., García, M.M., Alfaro, A. Vegetales no madereros para la fabricación de pasta celulósica. Ingeniería Química (418), (2004)

35 Fibras no madereras -         

36 Fibras no madereras -         

37 Diseño experimental factorial de composición centralAplicación de un diseño experimental para la modelización y optimización de la obtención de pasta celulósica mediante un proceso organosolv a partir de Leucaena diversifolia Diseño experimental factorial de composición central Variables independientes Variables dependientes Caracteristicas químicas de las pastas: Solubles en NaOH al 1%, Solubles en agua caliente, extraíbles en alcohol benceno, holocelulosa, celulosa, kappa, rendimiento Caracteristicas físicas de las hojas de papel: índice de tracción Expresión de normalización Representación gráfica 5 variables independientes variando a 3 niveles Regresión múltiple Modelos polinómicos para cada variable independiente 28 ensayos García, M.M., Yáñez, R., Perez, A., López, F.Evaluation of soda-anthraquinone-etanol pulping of leucaena diversifolia fibres for paper production. Industrial & Engineering Chemistry Research. enviado (2007).

38 Numero de reglas borrosasAUTOHIDRÓLISIS + ORGANOSOLV DE PAULOWNIA FORTUNEI. Modelización por sistemas de inferencia neuroborrosos Bajo Alto Medio Numero de reglas borrosas Ecuación 8b 12c a ci es un término constante(singleton defuzzifier) b dos niveles para todas las variables c tres niveles para una y dos para el resto

39 Procesos de deslignificación organosolvFibras no madereras y otros materiales

40 Características del tagasasteChamaecytisus proliferus var. palmensis Pertenece a la familia Fabaceae (Genisteae) Endémica de la Isla de Palma (I. Canarias) Arbusto perenne (5-7 m) de rápido crecimiento Podas frecuentes para favorecer rebrote azúcares Forrajera Composición similar a la alfalfa residuos lignocelulósicos celulósicas pastas Desarrollo óptimo en condiciones mediterráneas - Vive en altitudes m - Soporta amplios rangos de temperaturas - Resistente a heladas, sequías y viento Una de las posibles materias primas alternativas es el tagasaste, objeto de esta tesis. El chamaecytisus proliferus variedad palmensis es una leguminosa arbustiva que puede alcanzar los 5-7 metros. Es una especie endémica de la Isla de Palma de las Islas Canarias. Se trata de una especie que alcanza su desarrollo óptimo en condiciones mediterráneas, pudiendo destacar de ella que es una especie muy frugal y resistente, que puede utilizarse en la restauración de suelos degradados. Es una planta de rápido desarrollo y muy productiva, por hectárea se pueden obtener unas 15,5-16 toneladas al año. De esta biomasa se podría aprovechar la parte correspondiente al ramillo blando y duro que son las partes leñosas y que en conjunto suponen un 60% de la planta. De entre los múltiples usos que se le ha dado al tagasate el más importante es como planta forrajera ya que produce gran cantidad de forraje nutritivo y palatable. Cuando se utiliza para alimentar al ganado es necesario realizar podas frecuentes, para favorecer el rebrote, de esta operación se obtienen gran cantidad de residuos lignocelulósicos que pueden ser procesados para obtener pastas celulósicas, y en su caso azúcares si se realiza previamente un tratamiento hidrotérmico. No se conocen ensayos realizados con el tagasaste para su aprovechamiento como material lignocelulósico. - Precipitaciones entre mm - Prefiere suelos arenosos superficiales bien drenados Elevada productividad 15,5-18 t·ha/año (densidad1000 pies/ha) Ramillo duro Hojas Muy frugal y resistente 40,8% 40,1% Especie con múltiples usos: forraje, restauración de suelos degradados, apicultura, combustible Ramillo blando 19,1%

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