Valorización de productos de la conversión termoquímica de biomasa lignocelulósica residual: biochar como aditivo agrícola

Abstract

La biomasa lignocelulósica residual (BLR) es un recurso renovable que en la actualidad tiene múltiples aplicaciones. A partir de diversos procesamientos térmicos, químicos y/o biológicos, la BLR se puede transformar en: a) energía calorífica, b) energía eléctrica, c) biogás, d) bioetanol, e) biodiesel, f) bioturbosina, g) productos químicos con diferentes niveles de oxigenación. En particular, la pirólisis de la BLR genera tres productos: i) gas de síntesis, ii) bioaceite y iii) biochar. El biochar es un material orgánico con alto contenido de carbono y que está tipificado como un material multifuncional con diversas aplicaciones, entre las que se encuentra su uso como aditivo orgánico del suelo. En esta tesis se sintetizó, caracterizó y evaluó funcionalmente el biochar obtenido a partir de un residuo de la industria mezcalera local, para evaluar su potencial como aditivo alterno para la producción en invernadero de plántulas de jitomate (Solanum lycopersicum). El biochar se obtuvo de la pirólisis de bagazo de Agave salmiana en atmósfera de He, a Patm y a 350 C, con una velocidad de calentamiento de 10 C/min. El biochar se caracterizó por métodos físicos para evaluar densidad y tamaño de partícula, y por métodos químicos para determinar composición química, contenido de metales y pH superficial. Se realizaron pruebas funcionales para validar el potencial del biochar como sustrato en la producción de plántulas de Solanum lycopersicum, comparándolo con un sustrato comercial (Peat Moss) y con mezclas con diferentes proporciones de biochar y Peat Moss. El biochar presentó una densidad de 0.8 g/cm3 y un tamaño de partícula entre 0.6 y 0.8 mm. Su composición química fue: celulosa 23.9%, hemicelulosa 17.5% y lignina 53.6 %. El contenido metálico indicó la presencia de calcio, magnesio, sodio y potasio como elementos preferentes. El pH superficial fue 7.8. Por otra parte, las pruebas funcionales mostraron que en el desarrollo de hojas, altura y grosor del tallo no hubo diferencia estadística entre las plántulas del control Peat Moss con las plántulas crecidas en las mezclas que contenían 25 y 50% de biochar. Estos resultados indicaron que el uso de hasta 50% de biochar en la mezcla con Peat Moss tuvo efectos positivos en el desarrollo de las plántulas. De forma importante, la reducción de uso de Peat-Moss en la producción de plántulas de jitomate en invernaderos, usando una mezcla que incluye una proporción significativa de biochar, tiene un impacto favorable en la economía del proceso. A la fecha, el uso de solo biochar mostró un desfase de 15 días en el crecimiento de las plántulas, esto permitirá proponer un uso alternativo del biochar, que consiste en reservar las plántulas hasta que las condiciones climáticas sean las óptimas para el trasplante, este proceso se conoce como latencia. Los resultados de esta tesis establecen las bases para optimizar la síntesis y, en consecuencia, las propiedades fisicoquímicas del biochar, para que en un futuro reemplace totalmente al Peat Moss como aditivo agrícola en el caso ejemplificado. Además, se estableció un marco de referencia para guiar el desarrollo comercial de biochar tomando en cuenta los parámetros que determinan la sustentabilidad del mismo. Este enfoque es relevante para contribuir a valorizar residuos de cadenas agroindustriales locales, contribuyendo así al proceso de economía circular desde una perspectiva sustentable.

Residual lignocellulosic biomass (RLB) is a renewable resource that has multiple applications. RLB may be transformed by using thermal, chemical and/or biological processes to produce a) power, b) heat, c) biogas, d) bioethanol, e) biodiesel, f) jet biofuel, g) chemical products with different levels of oxygenation. In particular, thermochemical treatments such as pyrolysis generate three products: i) synthesis gas, ii) bio-oil and iii) biochar. Biochar is an organic material with high carbon content and it is typified as a multifunctional material with a number of applications, including its use as an organic soil additive. In this thesis, biochar was synthesized, characterized and functionally evaluated, to determine its potential to be use as additive in the production of tomato (Solanum lycopersicum) plants in a greenhouse. Biochar was synthesized from the pyrolysis of Agave salmiana bagasse under a He atmosphere, at Patm and 350 C, with a heating rate of 10 C/min. Biochar was characterized by physical methods to determine particle size and density, and also by chemical methods to evaluate its chemical composition, metal content, and surface pH. In addition, functional tests were carried out to validate the potential of biochar as a substrate in the production of Solanum lycopersicum plants, and to compare biochar´s performance with that of a commercial substrate (Peat Moss) and also with that of biochar-Peat Moss mixtures with increasing biochar content. Biochar´s density was 0.8 g/cc and its particle size was in the range of 0.6 - 0.8 mm. Cellulose (23.9%), hemicellulose (17.5%) and lignin (53.6%) were found as the major biochar´s components. Analysis of metallic content showed that Ca, Mg, Na and K were the main elements. Biochar´s surface pH was 7.8. On the other hand, functional tests showed that there was no statistical difference in leaf development, height and stem thickness for the tomato plants grown in Peat Moss and for those plants grown in the biochar-Peat Moss mixtures containing 25 and 50% biochar. These results suggested that the use of up to 50% biochar in the mixture with Peat Moss had positive effects on tomato´s plants development. It is noteworthy that the replacement of Peat Moss by biochar in the production of tomato plants in a greenhouse has a favourable economic impact. It should also be noted that when only biochar was used as substrate, a 15-day lag in tomato´s plants growth was observed; in some cases, this could be useful when preserving plants until the climatic conditions are optimal for transplantation (process known as latency). Results of this thesis established the basis to optimize biochar synthesis and, consequently, its physicochemical properties. It could be expected that biochar with appropriate characteristics may completely replace Peat Moss as agricultural additive for growing tomato plants in a greenhouse. In addition, this thesis established guidelines for biochar commercial development taking into account sustainability issues. This approach is relevant for the valorisation of residual biomass from local agro industries, thus contributing to circular economy from a sustainable perspective.