Vol. 5, N° e832,
año 2023
ISSN – Online: 2708-3039
DOI:
https://doi.org/10.47796/ing.v5i0.832
Artículo
original
Propiedades físicas de briquetas
elaboradas con residuos del olivo
Physical properties of briquettes
made from olive waste
Maddy Bertha Cunuruna Cruz[1]
https://orcid.org/0009-0009-9871-5066
Recibido: 21/07/2023
Aceptado: 12/08/2023
Publicado: 18/10/2023
Resumen
Con el objetivo de
aprovechar los residuos generados por la industria olivarera, se llevaron a
cabo evaluaciones de briquetas elaboradas a partir de residuos de poda del
olivo y orujo de aceituna. Después de triturar la biomasa, se mezclaron los
componentes y se añadió el aglutinante. A continuación, se moldearon utilizando
una máquina especializada, obteniendo briquetas con una altura de 5 cm y un
diámetro de 10 cm. Se formularon siete tratamientos, cada uno con dos niveles:
orujo de aceituna (0,1-0,23), poda del olivo (0,6-0,82) y aglutinante
(0,08-0,15). Se evaluaron cinco variables de respuesta: friabilidad, poder calorífico,
tiempo de ebullición, velocidad de combustión y consumo específico del
combustible. Los resultados revelaron que solo las variables de índice de
friabilidad y poder calorífico mostraron una significancia estadística (p <
0,005). El tratamiento que maximizó el poder calorífico estuvo compuesto por un
10 % de orujo de aceituna, un 82 % de poda del olivo y un 8 % de aglutinante,
logrando un valor de 5 709,46 Kcal/kg. Por lo tanto, esta biomasa de residuos
del olivo presenta cualidades adecuadas debido a su alto poder calorífico.
Palabras clave: biomasa; briquetas; poder calorífico.
Abstract
In order to make use of the waste generated by the olive industry,
evaluations of briquettes made from olive tree pruning residues and olive
pomace were carried out. After grinding the biomass, the components were mixed
and the binder was added. Subsequently, they were molded using a dedicated
machine, resulting in briquettes with a height of 5 cm and a diameter of 10 cm.
Seven treatments were formulated, each with two levels: olive pomace
(0,1-0,23), olive tree pruning (0,6-0,82), and binder (0,08-0,15). Five
response variables were evaluated: friability, calorific value, boiling time,
combustion speed, and specific fuel consumption. The results revealed that only
the variables of friability and calorific value showed statistical significance
(p < 0,005). The treatment that maximized the calorific value consisted of
10 % olive pomace, 82 % olive tree pruning, and 8 % binder, achieving a value
of 5 709,46 Kcal/kg. Therefore, this olive waste biomass exhibits suitable
qualities due to its high calorific value.
Keywords: biomass; briquettes; calorific value.
1. Introducción
A nivel global, el
sector agrícola desempeña un papel de vital importancia tanto en el ámbito
alimentario como en el socioeconómico (Tsarouhas, et al., 2015). En este contexto, la
región de Tacna se destaca como el principal productor de aceitunas a nivel
nacional, superando las 61,000 toneladas. Esta cifra significativa sitúa a Perú
como líder en la producción de aceitunas en todo el continente americano, según
el informe del INDECOPI (2015). Además, de acuerdo con el Consejo Oleícola
Internacional, la producción de aceite de oliva a nivel nacional alcanzó
aproximadamente las 18,000 toneladas. Estos datos consolidan a Perú como el
principal productor de aceite de oliva en el continente americano, según
informó RPP (2014).
No obstante, surge
una creciente preocupación en el sector debido a la generación de la biomasa
residual, producto del tratamiento de la aceituna (Saiz, 2014). En la cadena de
producción, se identifican dos tipos de residuos que representan un desafío
ambiental. En primer lugar, está la poda del olivo, que tradicionalmente se
quema o se abandona en los campos, lo que implica riesgos de contaminación y
propagación de plagas (Aquilas et al., 2016). Por otro lado, encontramos el
alpechín y el orujo, que son subproductos resultantes del proceso de extracción
del aceite de oliva, lo que genera diversos efectos en el medio ambiente, tales
como la disminución de recursos naturales, la degradación de los suelos, la
emisión de sustancias al aire (Tsarouhas, et al., 2015; Salomone y Loppolo,
2012). Incluso, en ocasiones estos residuos se incineran en el suelo o se
arrojan a los campos y ríos, generando una contaminación ambiental
significativa y amenazando la salud pública (TecDepur, 2013).
En este contexto,
el presente estudio busca ofrecer una alternativa para abordar estos problemas
mediante el uso de la biomasa del olivar para producir briquetas, las cuales
pueden ser utilizadas como una fuente de energía alternativa (Guzmán et al.,
2016), fundamentalmente por su posibilidad de renovación, menor efecto
contaminante (BioGuía, 2011). Es más, presentan ventajas importantes como
costes de fabricación menores a los otros combustibles, alto poder calorífico y
baja emisión de contaminantes que son consideradas neutras (Moreno et al.,
2015). De esta manera, se pretende brindar una solución sostenible y eficiente
a los desafíos mencionados anteriormente.
2. Metodología
En relación a las muestras empleadas en la
investigación, tanto la poda de olivo como los desechos de orujo de aceituna
fueron obtenidos de campos agrícolas y empresas de producción de aceite
localizadas en el distrito de La Yarada-Los Palos, Tacna.
El proceso de elaboración y obtención de
briquetas se basó en la metodología descrita por Onuegbu et al.
(2011). Con el propósito de obtener la biomasa, se empleó un molino de
martillos para granos de la marca HYVANOX, modelo ZEL-4060G, con número de
serie 84762, equipado con un motor de 4.0 HP para triturar los residuos de poda
y orujo. Luego, se procedió a preparar el aglutinante según cada tratamiento, y
se llevó a cabo una exhaustiva mezcla con agua. Esta solución se sometió a
calentamiento hasta alcanzar el punto de ebullición, mientras se realizaron
movimientos continuos para evitar la formación de grumos.
A continuación, se llevó a cabo la combinación
del aglutinante con la biomasa hasta lograr una consistencia pastosa, mediante
una agitación continua durante dos minutos. Seguidamente, se procedió a la etapa
de conformado utilizando un equipo para briqueteado, que consta de: una
estructura base de 60 cm de altura (1), una gata hidráulica (2) y moldes de
cloruro de polivinilo (PVC) con una altura de 15 cm y un diámetro de 35 cm (3).
Para cada variante, se moldearon siete briquetas con tres repeticiones,
obteniendo así un total de veintiún bloques, con el propósito adicional de
producir 20 briquetas adicionales por cada tratamiento, destinadas a ser
analizadas para determinar el índice de friabilidad. En consecuencia, se obtuvo
una cantidad total de 140 briquetas.
2.1.
Parámetros físicos
Las briquetas fueron secadas al ser expuestas
directamente a la radiación solar. Posteriormente, se almacenaron en bolsas de
papel kraft. Para llevar a cabo este proceso, se utilizaron una balanza
analítica de la marca Adam Equipment con una capacidad de 120 g y una precisión
de 0,0001 g, una estufa eléctrica de la marca RAYPA con un termostato
regulable, un desecador de vacío de la marca Duran con el número de serie
247814603 y con sal higroscópica de silicagel, una mufla eléctrica de la marca
Felisa con una capacidad máxima de 1700°C, y cápsulas de porcelana Haldenwanger
de tamaño N°6.
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|
(1) |
|
Siendo Cf el porcentaje de carbono fijo, V el porcentaje de materia volátil, A=V/ (V+C) considerado como coeficiente |
|
La determinación de humedad se llevó a cabo siguiendo los parámetros establecidos por la Norma
ASTM D-1762 (2001), tomando una muestra de 10 g y se procedió a su secado en
estufa a una temperatura constante de 103 °C hasta alcanzar un peso estable.
Posteriormente, se registró el peso final de la muestra. El porcentaje de
humedad se calculó utilizando la siguiente fórmula:
|
|
(2) |
|
Siendo Pi el peso inicial (g) y Pf el peso seco en estufa (g). |
|
La determinación de cenizas se
realizó siguiendo los criterios establecidos en la norma ASTM D-1762S (2001). Se
pesa una muestra de 2 g de material carbonizado en una cápsula de porcelana. Que
se somete a 450 °C durante 2 horas, asegurando la completa incineración. A
continuación, se colocó en una desecadora durante 30 minutos hasta
enfriamiento. El contenido de ceniza se calcula con la siguiente fórmula:
|
|
(3) |
|
Donde Pf el peso de las cenizas blancas (g) y Pi peso acondicionado de la muestra (g). |
|
La determinación de material volátil se cálculo siguiendo la norma ASTM D-1762. Se tomó una muestra de 2 g de
muestra, que se colocó en un crisol y se introdujo en la entrada de una mufla
previamente calentada a una temperatura de 950 °C, manteniéndolo durante un
periodo de 7 minutos. Luego, se enfrió en una desecadora durante 25 minutos, y
se registraron los pesos obtenidos en cada etapa. Finalmente, el cálculo se
realiza con la fórmula:
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|
(4) |
|
Siendo Pi el peso inicial de la muestra de carbón, Pf el peso final de la muestra y H el contenido de humedad (%). |
|
La determinación de carbono fijo se realizó segun la norma ASTM D-3172, utilizando la fórmula:
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|
(5) |
|
Siendo H el contenido de humedad (%), MV el contenido de materia volátil (%) y C el contenido de cenizas (%). |
|
El índice de friabilidad se calculó mediante
el método de impacto contra el suelo descrito en la Norma Técnica Colombiana
NTC 2060 para Briquetas destinadas a combustibles domésticos (ICONTEC, 2003).
Este método consiste en lanzar 20 briquetas desde una altura de 1 metro sobre
una plataforma de cerámica. El cálculo es mediante la fórmula siguiente:
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|
(6) |
|
Donde NF es el número de briquetas al final del ensayo
(enteras y fraccionadas) y NI Número de briquetas al inicio del ensayo. |
|
2.2. Eficiencia
de la combustión
Se evaluó utilizando el método modificado The
Water Boiling Test (WBT) versión 4.2.2, tal como se describe Gamarra (2010). Se
utilizó únicamente la primera fase de la prueba, que comienza con la estufa en
frío y finaliza cuando el agua alcanza el punto de ebullición. Posteriormente,
se realizaron pruebas de combustión utilizando 2 briquetas del mismo tipo, con
el objetivo de hervir 1 litro de agua en un recipiente. Las briquetas se
colocaron a una distancia de 5 cm de la base, apoyadas una sobre la otra, y se
utilizó un iniciador que cumplía con las condiciones generales establecidas en
la NTC 2060, seleccionando un mechero pequeño a base de mazorca de maíz
(ICONTEC, 2003). A partir de esta prueba se determinaron las siguientes
variables:
El tiempo de ebullición mediante la ecuación:
|
|
(7) |
|
Siendo TE el tiempo de ebullición en (min), Ti tiempo inicial de la prueba con estufa fría
(min), Tf tiempo final cuando el agua inicia su punto de
ebullición (min). |
|
El Consumo específico del combustible (g/L) con
la siguiente ecuación:
|
|
(8) |
|
Siendo CE consumo específico, Pi peso de las briquetas antes de iniciar la
prueba (g) y Pf Peso final del residuo obtenido (g). |
|
La velocidad de combustión (g/min) considerando
el consumo específico y el tiempo de ebullición:
|
|
(9) |
|
Siendo Vc velocidad de combustión (g/min), Ce consumo específico del combustible (g/l) y Te tiempo de ebullición (min). |
|
La investigación analiza la influencia de los
tres componentes principales: poda de olivo, orujo de aceituna y aglutinante,
en relación a cinco variables de respuesta específicas. Estas variables
incluyeron el Poder calorífico, Índice de friabilidad, Tiempo de ebullición,
Consumo específico del combustible y Velocidad de combustión. Se buscó evaluar
cómo la combinación y proporciones de estos componentes afectan directamente a
estas variables de interés.
Con el fin de determinar el tratamiento
adecuado, se establecieron rangos mínimos y máximos para los valores de orujos
de aceituna (0,1 - 0,23), poda de olivo (0,6 - 0,82) y aglutinante (0,08 -
0,15). Esta técnica permite al investigador examinar cómo varía la variable
dependiente o respuesta al modificar factores cuantitativos (Martínez, et al.,
2009). Además, fueron
examinados mediante un análisis de varianza (ANOVA) para conocer una mezcla
adecuada que maximizase las variables respuesta.
3. Resultados
3.1. Determinación de las proporciones de materia prima
El análisis de los
parámetros, se realizó a partir de siete tratamientos experimentales. Estos
tratamientos se llevaron a cabo en tres réplicas cada uno. Es importante
destacar que los factores que se tuvieron en cuenta, fueron las proporciones de
los componentes de cada tratamiento, y las respuestas que se buscaban se
basaban en esas proporciones en relación al total (100%), y no en la cantidad
individual de cada componente. Esto se fundamenta en investigaciones previas
realizadas por Nikzade et al. (2012) y Salamanca et al. (2015).
En la Tabla 1 se presenta el resumen de los
valores de los parámetros obtenidos. La prueba de significancia estadística
mediante el análisis de varianza (ANOVA) reveló que existe una relación
estadísticamente significativa (p = 0,0370) entre los tratamientos y el poder
calorífico, con un nivel de confianza del 95,0 %. De manera similar, se
encontró que el índice de friabilidad también mostró una significancia
estadística (p = 0,0026). Sin embargo, no se observaron efectos significativos
en los demás factores en relación a los tratamientos.
|
Tabla 1 Valores obtenidos de las variables de estudio en la
elaboración de las briquetas |
||||||||
|
Tratamiento |
Orujo |
Poda |
Aglutinante |
PC (kcal/kg) |
IF |
TE (min) |
CE (g) |
VC (g/min) |
|
T1 |
0,32 |
0,6 |
0,08 |
4 735,38 |
1,35 |
23 |
104,56 |
4,55 |
|
T2 |
0,1 |
0,82 |
0,08 |
5 874,24 |
1,75 |
18 |
99,84 |
5,55 |
|
T3 |
0,25 |
0,6 |
0,15 |
4 824,22 |
1,0 |
25 |
105,15 |
4,21 |
|
T4 |
0,1 |
0,75 |
0,15 |
5 381,2 |
1,0 |
17 |
97,31 |
5,72 |
|
T5 |
0,32 |
0,6 |
0,08 |
5 186,09 |
1,45 |
24 |
107,60 |
4,48 |
|
T6 |
0,1 |
0,82 |
0,08 |
5 581,84 |
1,65 |
20 |
101,84 |
5,09 |
|
T7 |
0,25 |
0,6 |
0,15 |
5 106,03 |
1,0 |
27 |
100,09 |
3,71 |
|
Nota. T1–T7 tratamientos.
PC = Poder calorífico; IF= Índice de Friabilidad; TE= Tiempo de ebullición;
CE=Consumo especifico; VC=Velocidad de combustión. |
||||||||
Se resalta que el Tratamiento 2, el cual consiste en un 10 % de orujo,
un 82 % de poda y un 8 % de aglutinante, mostró un poder calorífico superior en
comparación con los demás tratamientos. En cuanto al índice de friabilidad, los
tratamientos 3, 4 y 7 exhibieron valores más bajos, lo que indica una mayor
resistencia a los golpes. Además, el Tratamiento 4, compuesto por un 10 % de
orujo, un 75 % de poda y un 15 % de aglutinante, sobresalió en términos del
tiempo de ebullición, ya que requirió un tiempo mínimo. Sin embargo, el
Tratamiento 4 demostró condiciones más favorables en cuanto al consumo
específico, ya que mostró valores más bajos. Por último, en relación a la
velocidad de combustión, se destaca el Tratamiento 7, compuesto por un 25 % de
orujo, un 60 % de poda y un 15 % de aglutinante, el cual registró un valor
mínimo de 3,71 g/min.
Con el objetivo de comprender el comportamiento de las variables de
estudio en un sistema de superficie de respuesta, se generaron modelos lineales
con el fin de maximizar los valores. A continuación, se presentan los distintos
modelos que fueron ajustados:
|
Poder calorífico = 4979,31*orujo + 5709,46*poda +
4849,07*aglutinante R2
=71.15 % |
|
|
Friabilidad = 1.43549*orujo +
1.66451*poda - 0.0967778*aglutinante R2 =92,24 % |
|
|
Tiempo de ebullición =
24,529*orujo + 17,97*poda + 24,40*aglutinante R2=59,98 % |
(10) |
|
Consumo Específico =
106,381*orujo + 100,539*poda + 93,1769*aglutinante R2=59,34 % |
|
|
Velocidad de combustión =
4,304*orujo + 5,53*poda + 4,189*aglutinante R2=69,20 % |
|
Además, los resultados del análisis de varianza (ANOVA) con un nivel
de confianza del 95 % revelan que tanto el poder calorífico (p = 0,0370) como
el índice de friabilidad (p = 0,0026) mostraron una relación estadísticamente
significativa con los componentes utilizados los tratamientos, lo que implica
que tanto la poda, como el aglutinante tienen efectos positivos sobre le poder
calorífico, mientras que el orujo influye negativamente, por lo que buscando
una briqueta con un poder calorífico alto, se podría omitir el orujo. Por otro
lado, no se encontró una relación estadísticamente significativa entre el
tiempo de ebullición (p = 0,0712), el consumo específico del combustible (p =
0,0733) y la velocidad de combustión (p = 0,0948) que estén relacionados a los
tipos de tratamiento.
4. Discusión
El hallazgo más significativo de esta investigación se
relaciona con los valores del poder calorífico, que alcanzan los 5 709,46
Kcal/kg en la mezcla que consta de un 10 % de orujo de aceituna, un 82 % de
poda de olivo y un 8 % de aglutinante. Estos resultados superan los obtenidos
por Gallipoliti (2012) en briquetas de aserrín, las cuales presentaron un poder
calorífico de 4 289,4 Kcal/kg. Además, se encuentran por encima de los rangos
establecidos por la Norma Técnica Colombiana (NTC 2060), que indica un rango de
3,000 a 5,000 Kcal/kg para briquetas (ICONTEC, 2003). También se destacan en
comparación con el valor obtenido por Valderrama et al. (2007) en briquetas a
partir de residuos domiciliarios, que fue de 3,302 Kcal/kg. Sin embargo, se
acercan al valor obtenido por Al-Kassir (2013) para el orujo de aceituna, que
fue de 5 412,44 kcal/kg. Estos resultados pueden ser explicados por la
composición de las briquetas, especialmente el material lignocelulósico
derivado de la poda del olivo, que actúa como una fuente de calor efectiva.
De manera análoga, se pudo observar que la
combinación compuesta por un 25% de orujo de aceituna, un 60 % de poda de olivo
y un 15 % de aglutinante exhibió el valor mínimo de friabilidad, con un
resultado de 0,947. Este valor es más bajo en comparación con el obtenido por
Tierra y Fonseca (2012), quienes encontraron índices de friabilidad iguales a 1
en briquetas de aserrín. Al igual que en el caso del poder calorífico, este
resultado puede ser atribuido a la composición de las briquetas y al mayor uso
de aglutinante en la mezcla.
Al examinar la eficiencia del combustible de las
briquetas, se pudo observar que la combinación compuesta por un 10 % de orujo
de aceituna, un 75 % de poda de olivo y un 15 % de aglutinante arrojó
resultados más favorables en términos de tiempo de ebullición y consumo
específico del combustible. Se necesitaron 17 minutos y 97,31 g de briquetas,
respectivamente, para hervir un litro de agua. En cuanto a la velocidad de
combustión, la mezcla compuesta por un 25% de orujo de aceituna, un 60 % de
poda de olivo y un 15 % de aglutinante mostró un valor de 3,71 g/min. Estos
resultados superan los informados por Valderrama et al. (2007), quienes
fabricaron briquetas a partir de residuos domiciliarios y obtuvieron un tiempo
de ebullición de 35 a 45 minutos para hervir un litro de agua. Además, López et
al. (2015) obtuvieron una mezcla con un consumo específico de 143 g/L y una
velocidad de combustión de 12 g/min utilizando diversos materiales. Estos
hallazgos se pueden atribuir a la composición específica de las briquetas
utilizadas en este estudio.
5. Conclusiones
Las
briquetas fabricadas a partir de residuos del olivo mostraron un poder calorífico
apropiado.
La
proporción óptima de componentes para la producción de briquetas, que maximizó
el poder calorífico, fue de un 10% de orujo de aceituna, un 82 % de poda de
olivo y un 8 % de aglutinante. Por otro lado, para minimizar el índice de
friabilidad, se encontró que la proporción adecuada fue de un 25 % de orujo de
aceituna, un 60 % de poda de olivo y un 15 % de aglutinante.
El
orujo influyó negativamente en el poder calorífico, mientras que la poda y el
aglutinante tuvieron efectos positivos. Por lo tanto, para obtener briquetas
con un alto poder calorífico, se podría considerar omitir el orujo.
No
se encontró una relación estadísticamente significativa entre el tiempo de
ebullición, el consumo específico del combustible y la velocidad de combustión
en relación con los tipos de tratamiento.
6. Referencias Bibliográficas
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