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Tropical Biomass and Bio-Fuel Utilization

PresentaciónEste documento es un resumen sobre la comisión internacional que se cubrió en aspectos de bio-energía y donde el objetivo fue aprobar un entrenamiento denominado Tropical Biomass and Bio-Fuel Utilization, el cual fue auspiciado por la Agencia de Cooperación Internacional del Japón (JICA) e impartido por la Universidad de el Ryukyu en la ciudad de Urasoe, en la isla Okinawa de Japón. La duración total del curso fue de 68 días efectivos y cuyo objetivo fue la de dominar la utilización de tecnología sobre biocombustibles a partir de biomasa tropical. Esto para cumplir la meta del programa JICA que enfoca la utilización de la biomasa y sus combustibles derivados hacia la atención de temas impostergable como el calentamiento global, seguridad energética, alimentaria y en la maduración de sociedades sustentables.

El apoyo de líderes mundiales en tecnología es muy valioso para las sociedades que estamos en busca de desarrollo responsable, Japón es un país ejemplo en muchos aspectos dada su disciplina y orden en la forma de trabajar así como en la tenacidad para conseguir sus desafíos. Ahora nos

comparten su entendimiento y proyección para crear una sociedad sustentable y basada en el manejo, cultivo, reciclaje, re-uso y reducción de consumibles de biomasa para orientarlos hacia bio-combustibles. La premisa es conservar el hábitat original del planeta y lograr también las necesidades de alimentación y energía para la sociedad; al contar con datos tangibles sobre la modificación del clima en el mundo, es necesario tomar medidas para reducir las emisiones que son causadas por la actividad humana y que pudieran repercutir negativamente a los ecosistemas. Por ahora

es necesario hacer la mayor sustitución posible de carbono fósil por aquel que provenga de fuentes neutras, ese fue el tema núcleo del entrenamiento.

Cada 120,000 años el planeta ha presentado picos en la concentración de CO2, ahora la atmósfera se encamina a topar un nuevo máximo en este ciclo. No es claro del todo hasta donde la liberación de gases fósiles contribuye o acelera el calentamiento global, pero la responsabilidad humana deberá siempre ser respetuosa con la química del ambiente y hacer tanto energéticos como materiales con carbono neutro. En el mundo, 27.1 Gton de CO2 fueron liberadas al ambiente para 2007, México aporta 1.4% que representa 379.4 Mton al año y 4 ton percápita que lo coloca en el lugar 16

mundial. Una parte por millón en aumento de CO2 atmosférico equivale 11 GTon en el volumen espacial total, a esa velocidad se agrava el efecto invernadero. En el INIFAP se trabajarán proyectos para aprovechar al máximo la biomasa residual como materia prima para bio-materiales y bio-combustibles, además de proyectar el cultivo de vegetales con los mismos fines. El campo experimental San Martinito ya cuenta con equipo para iniciar experimentos sobre pirólisis y automatizar la producción de carbón vegetal, posteriormente se buscará pirólisis rápida y gasificación.

Entrenamiento para dominar la utilización efectiva de tecnologías sobre biocombustibles a partir de biomasa tropical.

INIFAPOrganismo nacional de investigación para beneficio del campo mexicano y sede laboral del ponente que asistió a la estancia sobre aprovechamiento de biomasa tropical en Japón.

JICAAgencia del gobierno japonés que liga necesidades de capacitación en países vías de desarrollo para atenderlas y contribuir a solucionar problemáticas de forma más rápida. y definitiva

Universidad de el RyukyuLa Universidad de el Ryukyu es la referencia más grande en educación en Okinawa, han logrado gran número de proyectos sobre bioenergía y aprovechamiento de biomasa.

Okinawa, Japón. Septiembre-Diciembre 2011

La producción de carbón vegetal y bio-char fueron temas base para el plan de acción a ejecutar en

México.

CONAFORLa Comisión Nacional Forestal es una entidad del gobierno mexicano para impulsar el desarrollo forestal a través de proyectos, apoyos, difusión, eventos y financiamientos permanentes.

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B I O M A S A E N J A P Ó N

Japón, país otorgante del entrenamiento ha venido haciendo un cambio hacia la energía renovable, especialmente después de 2011 al sufrir lamentables desastres atómicos por el terremoto y tzunami del mismo año; antes de la tragedia, de las 54 plantas nucleares japonesas operaban 20, después sólo cinco. El gobierno japonés ha decidido migrar a energía natural, renovable y limpia en la medida de lo posible; por lo tanto la innovación deberá ser hacia el dominio biotecnológico, el abasto seguro de energía, alimentos y bajo un modelo medioambiental de ingeniería, reduciendo energía de carbono fósil, usando energía libre de carbón, carbono neutro y haciendo sumideros de éste. Para ello hay ya acciones mutuas entre la industria, la academia y gobierno aunque para ellos el camino a desarrollar más importante es el liderar registros de propiedad intelectual. Para el futuro, Japón pretende aprovechar los materiales biológicos al máximo, generando productos de alto valor agregado en base a ciencia y tecnología. También continuarán siendo líderes en registros de innovación intelectual sobre bio-plásticos formulados para una rápida biodegradabilidad. Al ser un país que compra el total de sus hidrocarburos de automoción y de generación eléctrica, ha comenzado ya a hacer sustitución energética así como hacer aprovechamientos integrales. La basura urbana es reciclada y la que ya no puede serlo es incinerada para conseguir electrificación y materiales secundarios útiles como minerales y escorias de relleno; también hay plantas de carbón mineral que ya mezclan 3% de biomasa como combustible. Algunos proyectos que se están desarrollando en los centros japoneses de alta tecnología, son los que tienen que ver con el manejo de residuos peligrosos como baterías, basura electrónica y otros que son tratados en hornos mini-blast junto con biomasa seca o húmeda, de tal forma que se consiguen combustibles como hidrógeno, monóxido de carbono, electricidad y metales adecuados para el re-uso. Este tipo de entrenamientos dejan muy clara la importancia de invertir en ciencia y conocimiento para beneficio de los que son productores, proveedores o procesadores de materiales vegetales. La biomasa ya no será un residuo y pasará a ser una gran fuente de energía así como una abastecedora de materias primas para beneficio de las sociedades.

El entrenamientoEl entrenamiento fue desarrollado para tomar los punto clave que impactan en cada proceso estudiado, se tuvo conocimiento y al menos dominio descriptivo de los principales que se están estudiando en Okinawa y el sur del país. Para el caso de etanol, este lo están consiguiendo a partir de melazas residuales en la caña de azúcar como una iniciativa de aprovechamiento integral, pues aún después de obtener el combustible derivado de un residuo se consiguen co-productos

útiles como fertilizante y/o complementos alimenticios para ganado. Por otro lado también se conoció el desarrollo de nuevos productos de

alto valor agregado y obtenidos de la parte fibrosa residual de la caña de azúcar; la epidermis y las fibras sin jugo contienen química valiosa de la cual se están sintetizando nuevos productos agrícolas. Algo paralelo a esto es un estudio de la Universidad de el Ryukyu para conseguir un material de bagazo pirolizado con cierto programa térmico que sea útil para captar energía solar y calentar agua en zonas residenciales.

En relación a la producción de biomasa, se comentaron algunos experimentos hechos sobre eficiencia fotosintética en la universidad sede, donde se juega con tres de las muchas variables fisiológicas (temperatura, radiación solar y nivel de CO2 ambiental); se mostraron resultados donde hubo incrementos de hasta 270% en el aumento de la actividad fotosintética para algunas plantas C3 y 160% para C4, mostrando cual puede ser el incremento en la generación de masa vegetal como materia prima. En laboratorio, nuestro equipo evaluó la producción de biomasa en plantas de arroz durante 22 días, obteniendo una producción

de biomasa base seca de 7.01 g/m2/día promedio. Con registros notables del mismo laboratorio, el pasto Naipergrass de Puerto Rico tiene datos de 85.9 ton/ha/año (23.5 g/m2/día) seguido de caña de azúcar hawaiiana con 67.3 ton, entre otros. Estos

datos y procedimientos son necesarios para partir en la proyección de cultivos dirigidos a la producción de biomasa como fuentes de energía.

En cuanto al desarrollo científico y nuevas técnicas para aprovechar la Jatropha, el centro de investigación NARA está proyectando hacer plantas más resistentes a la sequía, mejores producciones y sobre todo un aprovechamiento integral. Por cada kilogramo de semilla, se obtienen 250 mL de aceite de alto poder calórico y 750g de cascarilla residual; paralelamente por

cosecha y manejo silvícola se consiguen 3kg de endocarpio, 10kg de hoja y 20kg de ramas. Todo esto deberá estar destinado a un aprovechamiento hacia etanol, carbón vegetal, briqetas o pellets de tal forma que se consigan beneficios totales del cultivo.

Otro producto derivado de la biomasa es el denominado bio-char y que cada día es más utilizado en la agricultura, este material ofrece beneficios en los cultivos pues ayuda a la retención de agua en el suelo y con ello reduce la cantidad riego que los agricultores deben aplicar a sus tierras. Cuando este producto proviene de aguas residuales o de estiércol de ganado bovino presentará altas concentraciones de fósforo y potasio (respectivamente) que son fáciles de ser absorbidos por el sistema radical de las plantas; además dada su superficie específica da amortiguamiento a la pérdida de humead en los suelos y sustratos. Si la materia origen es madera, se obtienen sustancias condensables o vinagres que contienen más de 200 sustancias útiles en agronomía. En la práctica de este curso se hizo carbón vegetal de ocho especies vegetales para probar rendimiento y capacidad de adsorción; el programa térmico fue 10ºC/min hasta 500ºC como límite y seis horas como tiempo de residencia.

La proyección de este país para 2020 es aumentar 3.3 veces el carbón sustentable e incorporar cada vez más materiales biodegradables al mercado. En este sentido de 1990 a 2000, Japón domina el registro en propiedades de patente a nivel global con 52% (1,001) y 81% (2,336) para bioenergía así como el uso de la basura como energético respectivamente. Esta es una visión totalmente imitable para un desarrollo agrícola y forestal que pretende depender al mínimo de alimentos externos y aprovechar nuevas fuetes de energía limpia y perpetua. Se proyecta que para 2020, sean 3 millones de toneladas en productos derivados de bio-plásticos en todo el mundo, pudiendo llegar

hasta 4 millones bajo una proyección optimista.

En cuanto al composteo de excretas y residuos orgánicos, se observó que la producción pecuaria genera estiércol de forma continua y consiste en biomasa potencial dependiendo del tipo de ganado. Estos

materiales de desecho puede ser utilizados como combustibles o como materias primas de reuso o reciclaje. En este caso la composta es un segundo uso a la biomasa que ya cumplió un papel productivo, enriquecer este material para hacer fertilizantes extiende la vida útil de la biomasa y aumenta el ingreso de quien la posee. Los materiales y mezclas pueden ser: madera, excretas, lodos de drenaje, restos de comida, residuos agrícolas y restos de la pesca entre otros. Ahora las excretas están siendo tomadas como materias primas en aspectos de obtención de energía, principalmente.

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En prácticas de laboratorio se obtuvieron bio-etanol, bio-diesel, bio-char y un tratamiento de hidrotermólisis que genera un material base de bio-productos. Como complementos para fortalecer el entrenamiento, hubo 12 visitas a plantas relacionadas con biomasa. En la isla Miyako se aprendió que los sistemas integrales de generación distribuida son una opción muy valiosa para energizar zonas remotas. Aprovechar el viento, el sol y la biomasa pueden llegar a ser una combinación suficiente para bombear riego agrícola, electrificación urbana y doméstica o para la generación de combustibles. También, se conocieron enfoques de aprovechamiento total de biomasa disponible dada su energía almacenada y que puede representar empleo rural y desarrollo limpio. Se deben hacer investigación sobre los nuevos procesos de bio-energía ya que no son sólo beneficios al ambiente sino también económicos, hacer una visión de aprovechar al máximo los recursos naturales, como lo explica un proyecto en Miyaco que almacenar en forma subterránea el agua pluvial pues es el único recurso hídrico de la isla y después es bombeada con energía renovable para riego agrícola.

En la isla principal se observó el enfoque más apropiado hacia el desarrollo y la generación de conocimiento básico proyectado hacia lo prioritario y en función a la materia prima disponible. La independencia alimentaria, energética y tecnología hará que cada país dé seguridad a su población. A esto se puede llegar con programas e investigaciones sobre la optimización de los recursos y los centros que se visitaron en Tokio, Hiroshima y Kurumé están investigando sobre eficiencia energética para

conseguir etanol de alta pureza, con un consumo energético mínimo y con auxilio de herramientas biotecnológicas; también la generación de biogás con 85% de metano; la Universidad de Tokio está tratando temas de gasificación con madera para etanol bajo patentes propias. En Hiroshima el centro Energia está obteniendo hidrógeno y metano a partir de excretas de granja así com de lodos de drenaje por medio de hidrotermólisis; por otra parte el AIST está trabajando con procesos Fisher Tropsh para obtener hidrocarburos a partir de biomasa gasificada. Este tipo de gas será tomado cada vez más en cuenta como un material productor para nuevos combustibles y materiales. En cuanto a gas pirolítico, la facultad de agricultura está desarrollando un proceso para limpiar este material que pueda ser usado como combustible sin problemas de impurezas. Estos centros de investigación, están visualizando la riqueza marina como una fuente de biomasa útil y actualmente se está evaluando esta potencialidad y su probable cultivo a gran escala.

El aprovechamiento de biomasa deberá ser paulatino, para 2011 Japón ya contaba con 318 distritos calificados como eficientes en el uso de biomasa y residuos. La premisa valiosa en esto es la que pretende activar zonas rurales como fuentes de energía y a la par dar un impulso agrícola, forestal y lo referente a la pesca al generar empleos en las áreas rurales. Proyectos integrados utilizan biomasa como uso primario y transforman los residuos aprovechando sus propiedades en productos aún útiles; esto hace que toda actividad en la agricultura mejore su proyección económica y sus impactos sobre el ecosistema. Los bio-combustibles serán parte en la mitigación de los

impactos que está soportando el planeta, así lo serán también los bio-materiales y aunque apenas se produce 1% de los dos millones de toneladas de bio-plásticos, se estima que para el futuro México participe en este tipo de mercado.

Todo esto pasó durante 68 días al ser recibidos por un pueblo japonés extraordinario, dado a servir, respetar y brindarse hacia el mundo ejerciendo con maestría el principio universal de conservar la paz, el desarrollo responsable y el bien común. En algún momento de la historia, Japón decidió virar toda la energía del Samurai combatiente y decidido a morir por su raza, hacia la educación y el avance científico; ahora son un país ejemplo para todos los que estamos colaborando en la madurez y soportes de sociedades en desarrollo. Agradezco a la Agencia de Cooperación Internacional del Japón por la oportunidad, al Gobierno del Japón por asumir los gastos implicados en mi estancia, a mi Instituto en decisión de su Director por el valioso impulso que me han dado en conjunto con su línea de mando. También a la CONAFOR por el aparalelamiento e interés de los temas dendroenergéticos, así como su orientación en la postulación del presente curso. Ojalá que este sea un principio para la generación de tecnología en beneficio de los productores forestales del país; como primer paso se ha propuesto tecnificar la producción de carbón vegetal del sector dada su situación en México. En el futuro se aprovecharán los proceso termoquímicos para que los dueños del bosque utilicen nuestros desarrollos y produzcan biocombustibles y biomateriales a partir de la madera.

El carbón vegetal en JapónAl carbón derivado de biomasa se le están descubriendo numerosas aplicaciones. El proceso de pirólisis puede dar, desde un bio-combustible para asados, hasta fulerenos o grafenos nanoestructurados.

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En algún momento de la historia, Japón decidió virar toda la energía del Samurai combatiente y decidido a morir por su raza, hacia la investigación, el avance científico y tecnológico, haciendo de la educación el arma más eficaz para el desarrollo de su gente.

Agricultura japonesa

La producción de plantas como las hortalizas son cultivadas en la región norte de la isla principal de Japón, Para el caso de Okinawa donde las horas frío son escasas, la Universidad del Ryukyu está haciendo investigación al cultivar algunos tipos de plantas en ambientes embebidos. En espacios cerrados es medido el rendimiento de cada cultivo teniendo controlados los factores humedad, temperatura, nivel y banda de espectro de la radiación luminosa, concentración de CO2 ambiental y nutrientes en los sustratos hidropónicos.

Sake y Awamori

Una de las industrias muy comunes en Japón es la de la producción de bebidas de fermentación. La venta de sake y awamori es importante en todo el país y utiliza el cultivo del arroz para su fabricación; este tipo de biomasa está comenzando a ser una base importante para aprovechamiento energético dadas las cantidades de residuo en la agricultura y en la industria. A partir de lignocelulósicos de desecho se están haciendo nuevos productos serán parte común del consumo diario y con ello, un beneficio adicional a los ingresos para los productores de biomasa. Los sectores agrícola, forestal, pecuario y de pesca serán los generadores de estas nuevas materias primas.

Caña de azúcar

La caña de azúcar es uno de lo cultivos apropiados para cultivar en la región tropical de Japón. En la Isla Miyako y en la Isla de Okinawa están tratando de obtener los mayores rendimientos para la producción de azúcar así como la mayor cantidad de nuevos productos con alta adición de valor. Del jugo obtienen edulcorantes, de las melazas consiguen etanol, del residuo de la fermentación obtienen fertilizantes o complementos alimenticios, de las fibras obtienen elementos para telas y nuevas fibras antibacteriales; por si fuera poco de la epidermis sintetizan nuevos productos valiosos como el policosanol, el cual presenta características que lo hacen antioxidante, producto que ya está en el mercado.

Integración de energías

La generación de energía a base de fuentes naturales y de biomasa ya es común. Pero la integración de todas las disponibles debe hacerse ya que juntas pueden generar una potencia importante para proyectos grandes. La visita al ASTA observamos cómo se proyecta integrar energía eólica y fotovoltaica a un sistema de consumo modelado en función a las necesidades de la población. La meta es conectar este sistema con una fuente bío para mantener constante la generación así como abastecer sistemas de riego masivos.

Educación y desarrollo

El entrenamiento contempló la presentación de un trabajo por estudiantes de una secundaria de Miyako; el objetivo fue entender un poco la formación inicial y el nivel de impacto que tiene en la sociedad. Los jóvenes nos mostraron un trabajo desarrollado para bajar los niveles de contaminación del agua en el subsuelo de la isla, ya que es la única fuente hídrica y está siendo afectada por la utilización de fertilizantes químicos. El proyecto tuvo premios internacionales dado el nivel de influencia en la comunidad y sobre todo por el enfoque sustentable, ya que lograron un cambio en la forma de hacer la agricultura al convertir gran parte de ella en una de mínimo impacto.