FIBRAS NO MADERERAS Profesor Francisco Lpez Valdobin Fibras

FIBRAS NO MADERERAS Profesor: Francisco López Valdobin

Fibras no madereras EL MATERIAL LIGNOCELULÓSICO ES UNA FUENTE RENOVABLE DE MATERIAS PRIMAS NUEVAS MATERIAS PRIMAS -Abundancia -Carácter renovable -Bajo coste 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. 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.

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

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

Materias primas alternativas a la madera Utilización de especies no-madereras 10, 8% 1, 5% 89, 3% 0, 7% 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. 141 -144.

Fibras no madereras Disponibilidad de los materiales lignocelulósicos Producción mundial y española de algunos materiales agrícolas (millones de toneladas métricas) Total mundial 1999 2000 588 587 394 403 85 87 583 601 Trigo Arroz Algodón Maíz Avena Cebada y Centeno 307 Sorgo 275 España 1999 2000 5. 0 7. 1 0. 8 0. 4 3. 8 4. 0 0. 5 0. 8 13. 3 19. 0 0. 2 0. 1 -Crecimiento en zonas más aridas que los árboles. -Producción anual de biomasa por ha supe rior a la mayoría de árboles. -Posibilidad de cosechas anuales (frente al ciclo 8 -30 años de los árboles). -Recolección más sencilla. -Pueden tener carácter residual, con coste prácticamente cero. Fuentes: Food and Agricultural Organization (http: //www. fao. org): United States Department of Agriculture (http: //www. usda. gov y http: //www. nass. usda. gov). Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación de España (http: //www. maypa. es y http: //www. neptuno. net/dage/)

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

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

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

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

Fibras no madereras - Composición química de algunas fibras naturales

Fibras no madereras - Paja de cereales

Fibras no madereras - Paja de cereales

Fibras no madereras - Paja de arroz

Fibras no madereras - Bagazo de caña de azúcar

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

Fibras no madereras - Especies de bambú ensayadas para la producción de pastas

Fibras no madereras - Kenaf

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

Fibras no madereras Herbáceas anuales: Miscanthus Sinensis Propiedades de diferentes y hojas de papel de hierba elefante mediante diversos procesos de pasteado Procesos de pasteado Kraft Etanolsosa Bisulfito Etanol(p. H 4, 5) agua Rendimiento (%) Composición química del Miscanthus sinensis Parámetro % Solubilidad en agua fría 6, 3 9, 6 Total 59. 3 56. 7 52. 5 55. 9 Solubilidad en agua caliente Sin rechazos 55. 4 53. 7 52. 4 53. 7 Solubilidad en sosa al 1% 44, 9 Número kappa 36. 3 22. 0 45. 2 74. 8 3, 2 Viscosidad (ml/g) 1001 728 961 848 Extraíbles en etanoltolueno SRº (sin refinar) 21 19 26 20 Cenizas 5, 7 Índice de tracción (k. N m/kg) 75 73 49 41 Lignina klason 23, 6 Polisacáridos 65, 9 Índice de desgarro (N m 2/kg) 7, 5 7, 2 5, 5 5, 6 Propiedades de la pasta celulósica de la hierba de elefante, empleando procesos depasteo etanolsosa y etanol. Propiedades Etanol-sosa Etanol Rendimiento. Total (%) Útil (%) 56, 7 53, 7 55, 9 53, 7 Índice kappa 22, 0 74, 8 Viscosidad intrínseca(ml/g) 728 848 ºSR (sin refinar) 19 20 Índice de tracción (k. N m/kg) 73 41 Índice desgarro (N m 2/kg) 7, 2 5, 6

Fibras 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 Pasta 18 12 15 18 18 145 155 165 máx. 70 110 90 90 máx. 0 0 15 30 Rendimiento total (%) 58, 7 52, 4 49, 1 47, 6 Rechazos (%) 10, 0 6, 1 2, 6 1, 2 Na. OH (%) 13, 5 16, 5 13, 5 Número kappa 38, 9 24, 6 16, 3 12, 3 Na 2 S (%) 4, 5 5, 5 4, 5 Viscosidad (ml/g) 995 1. 118 1. 233 1. 266 Relación liquido: sólido 4, 5: 1 Valores variables en la cocción Alcali activo (como Na. OH) (%) Temperatura (ºC) Tiempo hasta temperatura Tiempo a la temperatura Propiedades de pastas de Cardo (Cynara cardunculus L. ) realizadas mediante proceso al sulfato. Tallos de cardo Condiciones de cocción Temperatura/ tiempo Con hojas Sin hojas 2 h de calentamiento; 1, 5 h a 170º C Rendimiento total (%) 51, 3 48. 5 45, 3 Na. OH residual (g/l) 1, 8 4, 8 0, 8 Número Kappa 25, 6 21, 8 --- Grado de refino (ºSR) 51 47 38 Gramaje (g/m 2) 60 60 60 8500 7665 6645 Índice de estallido (Pam 2/kg) 4, 1 3, 8 2, 8 Índice de desgarro (Nm 2/kg) 610 580 480 Alargamiento (%) 2, 4 2, 8 --- Propiedades mecánicas Longitud de rotura (m)

Fibras no madereras

Fibras no madereras PODAS DE OLIVO PR O KR CE AF SO T PAJA DE CEREALES TALLOS DE SARMIENTOS GIRASOL DE VID TALLOS DE ALGODONERA

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 collinsii Leucaena leucocephala Chamaecytisus proliferus Prosopis Retama monosperma Arundo donax Phragmites Sesbania Bacterias del género Rhizobium Leucaena diversifolia Paulownia a los 3 meses Se transplantan a parcelas de cultivo (Campo de prácticas de la Escuela Politécnica de la Rábida)

Fibras no madereras -

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 Holocelulosa (%) Especie Lignina (%) -celulosa (%) Rendimiento 1 2 1 2 Índice kappa Viscosidad A un año A dos años ØDíaz, 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, 142 -150. (2007). ØLópez, 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? ¿? ¿

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

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 (%) Procedencia Lignina (%) -celulosa (%) Rendimiento 1 2 Viscosidad Índice kappa

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 desgarro Índice de tracción

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

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 Ø 1: a un año de edad desde la siembra Ø 1+1: a un año de edad tras rebrotar después de haber sido cortado cuando tenían un año Ø 2: a dos años de edad desde la siembra Producción de biomasa total Las especies menos productivas en los 3 tipos de aprovechamiento: Ø Prosopis juliflora, ØRetama monosperma Las especies más productivas en los 3 tipos de aprovechamiento: ØLeucaena leucocephala ØLeucaena diversifolia ØFernández, 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), 58 -64. (2005) ØLópez, F. , Alaejos, J. , Díaz, M. M. , García, M. M. , Alfaro, A. Vegetales no madereros para la fabricación de pasta celulósica. Ingeniería Química (418), 1471 -144. (2004)

Fibras no madereras -

Fibras no madereras -

Aplicación 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 Na. OH al 1%, Solubles en agua caliente, extraíbles en alcohol benceno, holocelulosa, 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 ØGarcía, 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).

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

Procesos de deslignificación organosolv Fibras no madereras y otros materiales

Características del tagasaste Chamaecytisus 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 § Desarrollo óptimo en condiciones mediterráneas - Vive en altitudes 0 -1000 m - Soporta amplios rangos de temperaturas - Resistente a heladas, sequías y viento Forrajera Composición similar a la alfalfa Podas frecuentes para favorecer rebrote residuos lignocelulósicos azúcares - Precipitaciones entre 500 -800 mm - Prefiere suelos arenosos superficiales bien drenados § Muy frugal y resistente § Especie con múltiples usos: forraje, restauración de suelos degradados, apicultura, combustible pastas celulósicas Elevada productividad 15, 5 -18 t·ha/año (densidad 1000 pies/ha) Ramillo duro 40, 8% Ramillo blando 19, 1% Hojas 40, 1%