Influencia de la composición química en la descomposición térmica del Eucaliptos

Influencia de la composición química en la descomposición térmica del Eucaliptos

2. Composición química de la madera
3. Componentes de la pared celular de la madera
4. Composición química de la madera de Eucalipto
5. Componentes de la pared celular de la madera de eucalipto
6. Influencia de las características química en la descomposición térmica de la madera
7. Composición química de la madera de eucalipto a diferentes alturas del fuste
8. Bibliografía

Introducción

El mundo de hoy se enfrenta a serias dificultades energéticas, sobre todo porque la solución de estos problemas está relacionado con el medio ambiente y con factores de tipo social y económico; estas dificultades se agudizan vertiginosamente. De ahí la necesidad de tomar conciencia sobre la urgencia de encontrar fuentes de materias primas renovables, sostenibles, tecnologías más limpias y racionales desde el punto de vista ecológico, para los procesos de termoconversión dada la catástrofe que se nos avecina en caso de que se continuara con la contaminación indiscriminada actual del medio ambiente.

Los procesos térmicos a partir de biomasa son objetivo de investigación de gran parte del mundo científico, pero sobre todo del Mundo Desarrollado, que tratan de adquirir esta tecnología, amenazados por la crisis energética actual y por los problemas de contaminación ambiental

Las características de gran parte de la biomasa hacen que en la mayoría de los casos no sea adecuada como tal para reemplazar a los combustibles convencionales, por lo que es necesaria una transformación previa de la biomasa en combustibles de mayor densidad y mayor poder energético, contándose para ello con diversos procedimientos, que generan una gran variedad de productos.

Los combustibles así obtenidos cuentan con las siguientes ventajas:

• Presentan escaso contenido en azufre
• No forman escorias en su combustión
• Tienen bajo contenido en cenizas
• Disminuye la contaminación del medio ambiente. El balance neto de CO2 tiende a cero.

Así, proceda de residuos de madera o de cultivos energéticos, la biomasa generalmente se transforma en calor, combustibles o electricidad, que conducen a la forma de energía útil requerida en cada caso.

Algunos combustibles pueden obtenerse de la biomasa directamente por extracción (plantas productoras de hidrocarburos), pero es más frecuente someter la biomasa a distintas manipulaciones, según su naturaleza y contenido en humedad, para su transformación en combustibles. Estas transformaciones pueden dividirse en dos grupos.

Procesos termoquímicos: aplicación de elevadas temperaturas con exceso de oxígeno (combustión), en presencia de cantidades limitadas de oxígeno (gasificación) o en ausencia del mismo (pirólisis); los materiales más idóneos son los de bajo contenido en humedad (madera, paja, cáscaras, etc.) y se generan mezclas de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos

Procesos bioquímicos: se llevan a cabo mediante diversos tipos de microorganismos, que degradan las moléculas complejas a compuestos simples de alta densidad energética; se utilizan para biomasa de alto contenido en humedad, siendo los más corrientes la fermentación alcohólica para producir etanol y la digestión anaerobia, para la producción de metano.

Las materias primas que se estudian actualmente para someterlas a este proceso son los subproductos agrícolas y forestales y los residuos sólidos urbanos; precisamente, las mejores perspectivas de tratamiento de los residuos sólidos urbanos se encuentran en el campo de la pirolisis, orientándose las directrices de tratamiento respecto a la obtención de productos hacia los líquidos y los sólidos.

Para entender mejor estos procesos de descomposición térmica determinamos su relación con la composición térmica de la materia inicial en este caso para la madera del Eucalipto.

Desarrollo

Composición química de la madera

La madera está compuesta de forma general por tres grupos de sustancias, las que conforman la pared celular, donde se encuentran las principales macromoléculas, celulosa, poliosas (hemicelulosas) y ligninas, que están presente en todas las maderas; el otro grupo lo conforman las sustancias de baja masa molar conocidas también como sustancias extraíbles que se encuentran en menor cantidad, y las sustancias minerales. La proporción y composición química de la lignina y las poliosas difiere para las maderas de coníferas y latifolias, mientras que la celulosa es uniforme en composición en todas las maderas.

La madera está formada por componentes estructurales y no estructurales, los estructurales son los que componen la pared celular y los no estructurales son denominados como sustancias extraíbles.

La proporción de estos componentes varía con la especie, entre la madera de árboles de la misma especie y en diferentes partes del propio árbol, en la madera de la albura y duramen, en dirección radial y longitudinal.

Los parámetros edafoclimáticos influyen en la composición química, así, se presentan diferencias entre maderas que provienen de zonas templadas con las que provienen de zonas tropicales.

Componentes de la pared celular de la madera

–La Celulosa

La celulosa es el homopolisacárido que se encuentra en mayor proporción en la madera, es una estructura básica de las células de las plantas y la sustancia más importante producida por este organismo vivo, siendo el principal componente de la pared celular.

La celulosa consiste en unidades de anhidro- ß – D(+) glucopiranosa en conformación C1, unidos por enlaces glicosídicos ß -1-4, por lo que se puede describir como un polímero lineal de glucanos. La unidad estructural de la celulosa es la celobiosa (disacárido) con una longitud de 1,03nm.

El grado de polimerización es del orden de los 15,000, lo que equivale a una masa molecular en el orden de los 2,3 millones. Debido al tipo de enlace (ß-1-4) la molécula de celulosa tiene una forma lineal, estabilizada por la formación de numerosos puentes de hidrógeno intracadenales e intercadenales. Entre 40 y 70 moléculas se encuentran agrupadas en fibrillas elementales de un espesor de 3,5 y 7,5 nm y una longitud de varios µm. En ellas las moléculas de celulosa están orientadas longitudinalmente formando un agregado cristalino fuertemente ordenado, en el que todas las moléculas presentan la misma polaridad, lo que indica que tienen su extremo reductor orientado hacia el mismo extremo de la microfibrilla. En estos agregados las moléculas de celulosa no están unidas covalentemente, estabilizándose su estructura solamente por puentes de hidrógeno (C3-C6) y (C2-C5), que aunque muy débiles individualmente, su elevado número hace de la fibra de celulosa una estructura muy firme y poco sensible a la degradación. Las microfibrillas conforman las macrofibrillas y estas a su vez las fibras de celulosa. La estructura cristalina de la celulosa de la madera ha sido estudiada por análisis de Difracción de Rayos X y métodos basados en absorción de luz Infrarroja polarizada. Mediante los espectros Infrarrojo de la celulosa se puede obtener información sobre los cambios estructurales de la celulosa oxidada, u obtenida por diferentes métodos. La celulosa presenta un alto grado de cristalinidad, pero no es 100% cristalina, dependiendo de la materia prima de donde proviene. La presencia de hemicelulosas en la celulosa de las maderas parecen causar disturbios en la cristalinidad. Cuanto más cristalina es la celulosa mayor es su densidad.

Los análisis térmicos realizados a la celulosa en muchos casos han sido relacionados con el empleo de la madera y los materiales celulósicos, con fines energéticos y como una materia prima importante en la Industria Química de los Derivados. Los análisis térmicos realizados con más frecuencia a este tipo de material, son los relacionados con el Análisis Termicogravimétrico (TG), Análisis Térmico Diferencial (DTA) y la Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC).); El análisis mediante Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), brinda información termodinámica relacionada con cada paso de la descomposición térmica del material analizado a un intervalo de temperatura, sobre el carácter termodinámico del proceso, el intervalo de temperatura de óptimo aprovechamiento energético, así como de la pureza de cada componente presente en el material.

–Las Hemicelulosas

Las poliosas o hemicelulosas son heteropolisacáridos de alta masa molecular, que se encuentran constituidos por diferentes unidades de monosacáridos: pentosas, hexosas y ácidos urónicos, enlazados entre sí por enlaces glicosídicos, formando estructuras ramificadas y en general amorfas.

Pueden ser clasificadas como pentosanos y hexosanos, aunque también se clasifican en dependencia de su origen, su composición estructural y solubilidad en álcalis. Las maderas están conformadas por azúcares neutros de seis átomos de carbono: glucosa, manosa, galactosa y de cinco átomos de carbono: la xilosa y arabinosa. Algunas poliosas contienen adicionalmente ácido urónico. Se pueden encontrar los mananos, glucomananos, glucanos, xiloglucanos, ramnogalactouronanos, y en los xilanos encontramos los arabinoxilanos y O-acetil- 4- O- metilglucuronoxilano.. Las hemicelulosas se encuentran asociadas con la celulosa mediante fuertes interacciones polisacárido – polisacárido. El contenido de poliosas varía radialmente en la madera aumentando hacia el centro y variado en su composición de azúcares. El tipo y contenido de hemicelulosas presentes en la madera varía con la especie, la edad, parte del árbol, y en muchas especies su regularidad está relacionada con criterios taxonómicos.

Las hemicelulosas de las coníferas no son las mismas que las de las latifolias, siendo las de las coníferas más complejas. Diferencias existen también entre las hemicelulosas del fuste, de las ramas, de las raíces y de la corteza del propio árbol, así como diferencias en cuanto a contenido y composición entre la madera de compresión, tensión y normal.

En las maderas de fibra corta o latifolias, sólo pueden separarse dos tipos de hemicelulosa en cantidades significativas y por extracción alcalina directamente de la madera, ellas son los xilanos y los arabinogalactanos. (Sjöström, E., 1981)

En las latifolias puede encontrarse el O-acetil- 4-O- metilglucuronoxilano que son las más abundantes, cantidades de glucomananos, entre 1-3% de arabinogalactano, y aparecen glucanos entre 0-3% con enlaces ß 1-3.

Las hemicelulosas son importantes en la madera y su localización en los tejidos cobra singular significación, pues todas las células contienen de 50-60% de carbohidratos a excepción de las células del parénquima de las latifolias que pueden llegar a poseer hasta 80% de O-acetil-4-O-metilglucuronoxilano.

Se conoce que las hemicelulosas se encuentran a lo largo de toda la pared celular, desde la lámina media, hasta la capa S3 de la pared secundaria. Las hemicelulosas presentes en estas paredes son: ß (1-3), ß (1-4) glucanos, calosa ß (1-3), que normalmente se encuentran en pequeñas cantidades y se acumulan como respuesta a una lesión o durante la deformación de las placas cribosas en el floema. La función de las hemicelulosas en la madera parece ser de intermediario entre la celulosa y la lignina, tal vez facilitando la incrustación de las microfibrillas. Probablemente no exista enlace químico alguno entre las hemicelulosas y la celulosa, pero sí suficiente adhesión mutua que es fortalecida por los puentes de hidrógeno y las fuerzas de Van der Walls. Las hemicelulosas son importantes en la fabricación de pulpa ya que aumenta su rendimiento y aumentan la resistencia del papel. Algunas, como los arabinogalactanos después de separados pueden constituir un subproducto de la fabricación de celulosa, y ser utilizadas como tensoactivo en la industria de tintas.

–La lignina

La lignina es una macromolécula componente de la madera, de naturaleza polímera especial, formada por la polimerización deshidrogenativa al azar de alcoholes parahidroxicinámicos (alcohol p-cumarílico, alcohol coniferílico y alcohol sinapílico), en reacción catalizada por enzimas vía radicales libres. Las unidades de fenil propano (C9) se unen por enlaces C-O-C y C-C, presentando en su estructura grupos hidroxilos, carbonilos, metoxilos y carboxilos.

Las ligninas son fracciones no carbohidratadas de la madera libre de extraíbles, extremadamente complejas y difíciles de caracterizar. Constituyen un polímero aromático, heterogéneo, ramificado, donde no existe ninguna unidad repetida definidamente. Las ligninas de la madera se clasifican en lignina de madera de coníferas, lignina de madera de latifolias.

La madera de coníferas presenta ligninas del tipo guayacil-parahidróxifenilcumaril (G-H) con 85-90% de unidades aromáticas de guayacil mientras que la madera de las latifolias presenta ligninas del tipo guayacil-siringil (G-S) en razón de 1:5 aproximadamente. Poseen propiedades aglutinantes que conforman la consistencia fibrosa de las maderas (revistiendo las células del xilema). Su composición depende de muchos factores, entre ellos, el método utilizado para aislarlas, la especie que se estudie, la edad, parte del árbol y condiciones ambientales en que se ha desarrollado el árbol. Esta sustancia amorfa es localizada como componente de la lámina media y también en la pared secundaria. Durante el desarrollo de la célula, la lignina es incorporada como último componente de la pared celular interpenetrando las fibrillas y fortaleciendo la pared celular.

La separación de la lignina conlleva una degradación de su estructura por lo que resulta difícil obtener una lignina idéntica a la que se encuentra en la madera (lignina nativa) aunque la separación de la lignina se considera representativa de la lignina total en la madera.

La lignina no puede ser descrita como una simple combinación de uno o varios monómeros o uno o varios tipos de cadenas como es el caso de la celulosa. Su estructura es rígida como modelo material. describió un modelo para la lignina de maderas blandas. Este modelo consiste en una sección con 28 unidades de C9 con unidades monoméricas estructurales alternativas avalado por datos analíticos.

Composición química de la madera de Eucalipto

Por ser el género eucalyptus tan representado en la naturaleza por especies y subespecies (más de 670), es de esperar singulares variaciones en su composición química, si se considera además, el grado de expansión geográfica que ha alcanzado, entonces aumentarán considerablemente las variaciones que se puedan encontrar.

Componentes de la pared celular de la madera de eucalipto

Los contenidos de celulosa, hemicelulosa y lignina en los eucaliptos varían, así, la celulosa se puede encontrar entre 40 y 60%; las hemicelulosas entre 12 y 22 % y entre 15 y 22% las ligninas. No obstante, algunas especies de eucalipto manifiestan variaciones considerables con respecto a los datos anteriores.

Se encuentran para el E. regnans, contenidos de hemicelulosas entre 14 y 20%, holocelulosas de 75 a 82% y lignina de 20 – 27%. En Portugal, publica valores de celulosa entre 36 y 57% en maderas de E. globulus Labill.

Las hemicelulosas de eucalipto contienen alta proporción de grupos capaces de producir ácido acético, por la presencia de O-acetil- 4-O-metilglucuronoxilano.

La tensión en la madera da como resultado variaciones en el contenido de celulosa, hemicelulosas y ligninas, los que se han verificado en maderas de tensión con respecto a la madera normal.

En la madera tensionada de E. cypellocarpa, se registró un incremento del contenido de celulosa de 44 a 57%, decreciendo el porcentaje de pentosanos de 15,1 a 11%, los grupos acetilo variaron de 3 a 1,9% y la lignina de 29,5 a 13,8%, La lignina de los eucaliptos es del tipo (G-S), con menor variación dentro del propio árbol. Esta variación puede ir aumentando entre especie y entre árboles de una misma especie. La variación de los contenidos de lignina dentro del propio árbol puede ser diferente, lo que puede afectar su desarrollo, ocasionando su debilitamiento.

Influencia de las características química en la descomposición térmica de la madera

Entre los principales constituyentes químicos de la madera el que mantiene la influencia más grande en las características físicas y química es sin una duda, la lignina. aparece una correlación positivas significantes entre el porcentaje de lignina de varias especies del eucalipto con el rendimiento gravimétrico y con el porcentaje de carbono fijo y, por consiguiente, correlaciones negativas con los porcentajes de materias volátiles y de ceniza en el carbón. Intentando justificar los resultados obtenidos, ellos señalaron que el porcentaje más alto de carbono fijo está vinculado con las muestras con los porcentajes de lignina mayores, que se atribuyen al hecho de ser la lignina el más resistente a la descomposición térmica cuando se compara con la celulosa y el hemicelulosa, debido, a su estructura sumamente compleja. De la misma manera, los porcentajes más grandes de carbono se encuentran en el carbón vegetal , comparado con los líquidos piroleñosos y los gases, esto esta motivado por que la lignina posee un 65% de carbono elemental aproximadamente y es esta la que mas aporta al carbón vegetal. en estudio realizado el porcentaje de lignina en las coníferas entre 24 y 34% y, en las latífolias tropicales, entre 25 y 33%. puede afirmarse que la cantidad de carbono fijo generado por unidad de madera en el horno es función, principalmente, del porcentaje de lignina de la madera, ellos comentaron que la presencia de un porcentaje alto de substancias de naturaleza aromática, como extractivo y lignina, da como la consecuencia un carbón con la densidad más grande y más resistente en lo que se refiere a los propiedades físico-mecánica. Por consiguiente, se evidencia la importancia de la lignina en la producción insumos energéticos de la madera. Aunque la lignina empieza a degradar a temperaturas relativamente bajas , contrario de la celulosa y del hemicelulosa, su descomposición es más lenta. La lignina continúa perdiendo el mismo peso en las temperaturas superiores a 500 grados centígrados, resultando, por consiguiente, una mayor masa carbonosa pasado el periodo normal de carbonización, con temperatura media sobre de 500 grados centígrados, la pérdida de peso presentada por el lignina que es significativamente más pequeño que aquéllos experimentados por la celulosa y para el hemicelulosa, permaneciendo, todavía, aproximadamente 40% de su masa original. La degradación de la celulosa ocurre rápidamente, de 300 a 350 grados centígrados, aproximadamente 80% de su masa. La hemicelulosa empieza a perder el peso en las temperaturas próximas a 225 grados centígrados, siendo el componente menos estable, siendo considerado que, sobre los 500 grados centígrados su degradación térmica habrá sido completa. Por consiguiente, todo indica que la resistencia térmica de los constituyentes químicos de la madera están íntimamente relacionado a sus respectivas estructuras. Así, cuando más complejo, más rígido, más inaccesible, más cerrado y más cristalino sea la estructura, más estable desde el punto de vista térmico será la correspondiente composición química.

Composición química de la madera de eucalipto a diferentes alturas del fuste

La alta expansión geográfica que ha alcanzado el eucalipto, ha permitido que se encuentre en la bibliografía mundial una gran diversidad de trabajos científicos dedicados al estudio de la composición química de este género, pero no son muchos los científicos que han dedicado sus esfuerzos a realizar estudios concernientes a la variabilidad de la composición química con la altura del árbol. En este sentido se pueden encontrar trabajos recientes realizados en Japón, Portugal, y España, entre otros.

En estudios realizados en la composición química del E. globulus Labill en España a seis alturas del fuste, encontró variaciones en los contenidos de las sustancias extraíbles, lo que sucedió también al estudiar la del E. saligna Smith, en el que encontró mayores variaciones, atribuyendo este comportamiento a las características anatómicas de la fibra en esta madera.

En cuanto a los componentes de la pared celular, encontró una ligera disminución con la altura del contenido de celulosa., de la pared celular con la edad del árbol, pero pequeñas variaciones a lo largo del fuste.

Los contenidos de sustancias extraíbles para el E. globulus Labill y el E. camaldulensis, presentan diferencias porcentuales entre ambas especies, diferencias que disminuyen dentro del mismo árbol a las diferentes alturas estudiadas. Este autor sugiere, que este comportamiento está relacionado con las condiciones climáticas en que las plantas crecen, así como las propias características genéticas de cada especie en particular

Análisis inmediato de las muestras iniciales de partículas de tres especies diferentes ( E. saligna Smith, E. pellita F. Muell y Corymbia citriodora).

El contenido porcentual de los análisis inmediato (sustancia volátiles, cenizas, y carbono fijo) y los contenidos de los componentes de la pared celular de la madera de 3 especies de eucaliptos a tres alturas del fuste se exponen en la tabla siguiente.

Tabla I Porcentajes en base seca del análisis inmediato y los componentes de la pared celular obtenido para las especies analizadas.

Contenido porcentual de los componentes de la pared celular.

Los resultados expresan los valores promedios de 3 determinaciones para cada una de las variables.

b) Análisis inmediato.

A b c letras iguales significan que no existen diferencias significativas entre esos valores medios, como resultado de conocer los valores de probabilidad que aparecen en la tabla siguiente (probabilidad menor que 0.05 se rechaza la hipótesis nula y existe por tanto diferencia entre las medias)

Para todas las especies analizadas el carbono fijo disminuye con la altura ligeramente (no significativamente) lo que está relacionado con la disminución de la masa de lignina en el árbol con la altura, pues es este el elemento de la estructura celular que mas aporta al carbono fijo por ser mas difícil su descomposición térmica comparado con la celulosa y las hemicelulosas. por tener una estructura mas compleja

En el caso del Eucalyptus saligna Smith los porcientos de lignina aparente aumentan con la altura, al estar tan lignificadas las zonas mas bajas del árbol se hace muy difícil la extracción o separación de la lignina, lo que quiere decir que la masa de lignina no aumenta con la altura sino que se extrae con mayor facilidad.

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Luis Manuel García Rojas

Profesor asistente Universidad de Pinar del Río Cuba

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