Estudio del método para el tratamiento de residuos de cáscara de plátano por carbonización hidrotermal y su posterior identificación de productos

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Resumen

As Colombia's agro-industrial economy grows, so does the amount of agricultural and forestry waste. Simultaneously, urban and population development increases the demand for products that generate food waste. This scenario has driven the implementation of new mechanisms and technologies for the final disposal of organic waste generated in the country. Waste management is one of Colombia's major environmental challenges. By not utilizing agricultural residues as raw materials for other processes, cross-contamination occurs in landfills, contributing to their collapse. However, scientific research has identified an opportunity in these wastes to apply thermal, chemical, mechanical, or microbiological processes that transform them into valuable products such as biofuels, briquettes, compost, and platform chemicals, among others.

In this context, hydrothermal carbonization (HTC) emerges as a biorefinery process capable of converting residual biomass from crops into various high-value products through thermochemical transformations. The process utilizes the moisture in the samples, subjecting them to reactors at temperatures between 160 °C and 200 °C and autogenous pressures of up to 5 MPa. Under these conditions, water alters the properties of the raw material, transforming it into a compound called hydrochar, which has hydrophobic properties and is easily separated from the liquid products by filtration, thus facilitating its drying and resulting in a carbon-rich product with high calorific value.

This study focuses on the application of HTC as a biorefinery method for treating biomass residues from banana cultivation, a raw material that is abundant and has optimal characteristics for this process due to its high moisture content. An experimental methodology was designed to evaluate the production of solid and liquid by-products, analyzing the effects of time and temperature on carbonization.

The process is carried out in three stages: i) pretreatment of the sample, including drying and grinding to increase surface area and facilitate carbonization; ii) application of the experimental design, varying temperature and reaction time in the HTC process to obtain and separate solid and liquid by-products; and iii) drying of the filtered hydrochar, and analysis and quantification of the liquid products using high-performance liquid chromatography (HPLC) to determine the presence of soluble compounds such as sugars, furans, and organic acids, resulting from the thermal treatments.

Descripción

Con el crecimiento de la economía agroindustrial en Colombia, se incrementa la cantidad de residuos agrícolas y forestales. Paralelamente, el desarrollo urbano y poblacional eleva la demanda de productos que generan desechos alimenticios. Este escenario ha impulsado la implementación de nuevos mecanismos y tecnologías para la disposición final de los residuos orgánicos generados en el país. La gestión de estos desechos representa uno de los principales desafíos ambientales en Colombia. Al no aprovechar los residuos agrícolas como materia prima para otros procesos, se producen contaminaciones cruzadas en los vertederos, lo que contribuye al colapso de los rellenos sanitarios. Sin embargo, la investigación científica ha identificado en estos residuos una oportunidad para aplicar procesos térmicos, químicos, mecánicos o microbiológicos que los transformen en productos de valor, como biocombustibles, briquetas, compostaje y compuestos plataforma, entre otros. En este contexto, la carbonización hidrotermal (HTC) se presenta como un proceso de biorrefinería capaz de convertir la biomasa residual de los cultivos en diversos productos de alto valor añadido, mediante transformaciones termoquímicas. El proceso utiliza la humedad de las muestras, llevándolas a reactores a temperaturas entre 160 °C y 200 °C y a presiones autogeneradas de hasta 5 MPa. Bajo estas condiciones, el agua modifica las propiedades de la materia prima, transformándola en un compuesto llamado biocarbón, que posee propiedades hidrofóbicas y se separa fácilmente de los productos líquidos mediante filtración, facilitando así su secado y obteniendo un producto carbonoso con un alto poder calorífico. El presente trabajo se centra en la aplicación del HTC como método de biorrefinería para el tratamiento de residuos biomásicos provenientes del cultivo de plátano, una materia prima abundante y con características óptimas para este proceso debido a su alto contenido de humedad. Se diseñó una metodología experimental para evaluar la obtención de subproductos sólidos y líquidos, analizando los efectos del tiempo y la temperatura en la carbonización. El proceso se desarrolla en tres etapas: i) pretratamiento de la muestra, que incluye secado y trituración para aumentar el área superficial y facilitar la carbonización; ii) aplicación del diseño experimental, variando la temperatura y el tiempo de reacción en el proceso HTC, para obtener y separar los subproductos sólidos y líquidos; y iii) secado del biocarbón filtrado y análisis y cuantificación de los productos líquidos mediante cromatografía líquida (HPLC), para determinar la presencia de compuestos solubles como azúcares, furanos y ácidos orgánicos, resultantes de los tratamientos térmicos.

Palabras clave

Carbonización hidrotermal (HTC), Biorrefinería, Biomasa residual, Biocarbón, Transformaciones termoquímicas, Subproductos sólidos y líquidos, Cromatografía líquida (HPLC), Residuos agrícolas y forestales, Gestión de residuos orgánicos, Biocombustibles, Compostaje, Plataformas químicas

Materias

Licenciatura en química - Tesis y disertaciones académicas

Citación