Nuevas estrategias de valorización de biomasa forestal en ‘biochar’: el ‘Oro Negro de la Naturaleza’

El planeta se enfrenta a graves crisis ambientales, siendo el calentamiento global una de las más urgentes. Este fenómeno es causado por gases de efecto invernadero emitidos por actividades humanas. Ante esto, los recursos renovables surgen como alternativa sostenible para reducir emisiones. Destacan los bio-productos derivados de biomasa, como el ‘biochar’, con emisiones neutras de carbono. El ‘biochar’ se obtiene por pirólisis y mejora la fertilidad del suelo mientras secuestra carbono. Se le conoce como el ‘Oro Negro de la Naturaleza’ por su valor ecológico y múltiples usos.

El trabajo se ha desarrollado dentro del proyecto FORTEXVAL, que promueve la bioeconomía circular con tecnologías sostenibles. Se ha utilizado biomasa agroforestal para producir ‘biochar’ mediante procesos de pirólisis. Esto permite la eliminación de masa forestal de bajo valor en el territorio, y por tanto, mitiga el riesgo de incendios. La producción de ‘biochar’ aporta beneficios ambientales como la reducción de gases de efecto invernadero, el secuestro de carbono y la valorización de residuos.

La biomasa seleccionada fue pirolizada y previamente tratada (secado/cortada/peletizada). El rendimiento de obtención de ‘biochar’ es mayor a temperaturas bajas de pirólisis (300 °C). El biochar obtenido fue caracterizado química y físicamente, incluyendo espectroscopía FTIR, análisis de porosidad y superficie específica. La porosidad del ‘biochar’ es fundamental en su uso agrícola como reservorio de agua y soporte de fertilizantes. El ‘biochar’ también puede usarse en materiales compuestos, aplicaciones en baterías, supercondensadores, celdas de combustible y producción de hidrógeno. También puede actuar como adsorbente para tratamiento de aguas y captura de CO2. En catálisis, es una alternativa sostenible a los catalizadores metálicos tradicionales. En conjunto, el ‘biochar’ es una solución versátil, ecológica y con alto potencial en múltiples sectores industriales. FORTEXVAL cuenta con apoyo del MITECO y fondos europeos del plan NextGenerationEU.

En el centro de la imagen el Doctor Ángel Yedra, responsable del área de Materiales Avanzados y Nanomateriales de CTC, junto a Carmen Manteca Martínez, jefa de proyecto en el área de Materiales Avanzados y Nanomateriales, y María Magdalena Peña, tecnóloga en la misma área.

En la actualidad, el mundo se enfrenta a graves crisis ambientales que amenazan la Tierra. Entre estas crisis, el calentamiento global y su efecto en el cambio climático es uno de los desafíos ambientales más importantes que amenazan al planeta y a todos sus habitantes [1]. Está ampliamente reconocido que este fenómeno se origina por la acumulación de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera, los cuales son liberados principalmente por actividades humanas, en particular, la combustión de combustibles fósiles. Debido al aumento de la temperatura media de la superficie terrestre, el calentamiento global provoca consecuencias desfavorables como el aumento del nivel del mar, tormentas e inundaciones, incendios, enfermedades infecciosas, entre otras. Por lo tanto, se puede afirmar que el calentamiento global puede tener efectos perjudiciales para la salud humana y la calidad de los ecosistemas.

Debido a la industrialización, el aumento de la población y la mejora en los niveles de vida resulta prácticamente imposible eliminar las actividades humanas. Según los científicos, actualmente, el único camino disponible es la producción y uso de productos basados en recursos renovables que puedan minimizar los efectos causados por las emisiones de carbono (C). De hecho, el consumo de recursos renovables, especialmente la biomasa, libera dióxido de carbono que es compensado por el carbono absorbido por la biomasa durante su crecimiento, por lo tanto, se considera “neutro en carbono”. En consecuencia, la transición hacia productos con cero o bajas emisiones de carbono es crucial para mitigar los impactos negativos de las emisiones de carbono y abordar los desafíos que plantea el cambio climático [1].

En este sentido, los bio-productos son productos innovadores y ecológicos que pueden derivarse de recursos de biomasa, ofreciendo soluciones sostenibles en diversas industrias [2]. En comparación con los productos tradicionales que se basan principalmente en combustibles fósiles y, por lo tanto, desempeñan un papel clave en las emisiones de carbono, los bio-productos se basan en biomasa que cumple con emisiones netas de carbono cero.

Actualmente, existe una amplia gama de bio-productos como bioplásticos, bio-compuestos, biocombustibles, etc., que han alcanzado la fase de comercialización y han demostrado resultados exitosos. Entre los tipos de bio-productos, el ‘biochar’ [3] es un producto rico en carbono que se obtiene al calentar materia orgánica en un ambiente con bajo contenido de oxígeno o en ausencia total de oxígeno, bajo un proceso llamado pirólisis [8]. Este bio-producto es conocido por sus diversas aplicaciones, siendo una de las más importantes su uso para mejorar la fertilidad del suelo y secuestrar carbono en prácticas agrícolas [4]. El ‘biochar’ no solo se basa en biomasa, sino que también puede un relevante secuestrador de carbono.

La expresión ‘biochar’, aunque aún no está oficialmente reconocida por la Real Academia Española (RAE), hace referencia a un producto similar al carbón vegetal, de textura fina y porosa, surgido recientemente. Además, es rico en carbono, inerte, de alta estabilidad, estructura porosa, alta superficie específica y dispone de grupos funcionales. Se obtiene a través de la pirólisis, un proceso de descomposición térmica de la biomasa con un suministro limitado de oxígeno o en ausencia total de este. Organizaciones internacionales como The International Biochar Initiative (IBI) [5], la red Biochar Europe [6] y expertos como Lehmann [7] lo definen como ‘biochar’ cuando se destina a mejorar la calidad del suelo o al secuestro de carbono, excluyendo su uso como combustible. Esta designación resalta su origen orgánico y lo distingue del carbón vegetal tradicional empleado para la combustión.

Figura 2. Esquema del proceso de obtención de biochar en el proyecto FORTEXVAL

En la actualidad, al biochar se le conoce como ‘Oro Negro de la Naturaleza’, debido a que se trata de un material de naturaleza renovable, sólido inerte de alto contenido de carbono y alta porosidad-superficie específica, con múltiples aplicaciones potenciales de valor.

Según Mohanty et al [3], el ‘biochar’ es “un sólido carbonoso y poroso producido mediante un proceso de pirólisis que transforma la materia orgánica (BIO), el cual posee propiedades físico-químicas adecuadas para el almacenamiento seguro y a largo plazo de carbono en el medio ambiente y, potencialmente, para la mejora del suelo. Ampliar sus aplicaciones más allá del suelo y los combustibles hacia áreas avanzadas como los compuestos poliméricos, la energía y el medio ambiente es una estrategia clave para sustituir una amplia gama de materiales carbonosos convencionales de origen fósil, con los beneficios adicionales de la sostenibilidad y la circularidad”.

La presente publicación, presenta los avances alcanzados en el proyecto FORTEXVAL [9], el cual persigue el desarrollo de un nuevo modelo de bioeconomía circular de gestión forestal basado en la valorización de recursos agroforestales mediante la utilización de tecnologías de baja huella de carbono.

Estas tecnologías van desde la recogida del material con técnicas de tracción animal que reducen el impacto ambiental durante la explotación forestal pasando por la peletización in situ de la biomasa, lo que reduce los requerimientos logísticos y facilita su manejo; hasta la obtención de nuevos productos de alto valor, como el ‘biochar’, a través del acondicionamiento y procesado del material de partida.

El proyecto se ha desarrollado en la Mancomunidad Reserva del Saja (MRS) [10], en Cantabria (España). Para la obtención del ‘biochar’ mediante la pirólisis, se ha empleado como materia prima biomasa forestal de la MRS.

El proyecto FORTEXVAL ha contado con el apoyo de la Fundación Biodiversidad del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (MITECO) en el marco del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia (PRTR), financiado por la Unión Europea – NextGenerationEU.

En el proyecto se ha utiliza biomasa agroforestal para producir ‘biochar’ mediante procesos pirólisis. Esto permite la eliminación de masa forestal de bajo valor en el territorio, y por tanto, mitiga el riesgo de incendios

Materia prima

Para el desarrollo experimental, se ha utilizado la biomasa forestal extraída de la MRS. Las biomasas que se han empleado y estudiado para la obtención del biochar mediante el proceso de pirólisis son, principalmente, de las siguientes especies:

▪ Tojo (Ulex Europaeus).

▪ Eucalipto (Eucalytus Globulus).

▪ Roble común (Quercus Robur).

▪ Haya (Fagus Sylvatica).

Se ha estudiado la composición química de las especies seleccionadas en el territorio de estudio, con el fin de seleccionar las más adecuadas para la obtención de biochar mediante la pirólisis. Los resultados se resumen en la Tabla 1.

Las principales ventajas de utilizar la biomasa como materia prima para la obtención de biocarbón son su diversidad, abundancia, alto contenido en carbono y beneficios medioambientales (como el secuestro de carbono, la valorización de residuos, la reducción de gases de efecto invernadero, reducción de masa forestal de bajo valor)

Estas biomasas se han procesado mediante técnicas desarrolladas dentro del proyecto FORTEXVAL, como se muestra en la Figura 1. El proceso seguido consta de las siguientes etapas: trituración, secado, densificación y peletizado. Los pélets obtenidos están compuestos por una mezcla de ramas, corteza y hojas.

Considerando la composición química, especialmente el contenido de lignina para la obtención de biochar, así como los procesos de tratamiento aplicados (triturado, densificado y peletizado) a las especies de biomasa seleccionadas, el tojo ha mostrado el mejor desempeño en dichas etapas.

Proceso de pirólisis

La tecnología de pirólisis es un proceso termoquímico mediante el cual, el material orgánico se degrada en una atmósfera en ausencia o escasez de oxígeno [8]. La materia prima mediante la acción del calor, a temperaturas entre 300 y 900 °C, es transformada en una mezcla de hidrocarburos, gases combustibles, residuos de carbón y agua. Las transformaciones físicas y químicas que ocurren durante la pirólisis son complejas y dependen de la naturaleza de la biomasa inicial y de las condiciones de pirólisis como la velocidad de calentamiento, temperatura, presión y tiempo de residencia, principalmente [11]. Del proceso de pirólisis se obtienen tres productos: un sólido llamado biochar, un líquido llamado bioaceite o bio-oil y un gas también conocido como bio-gas, syngas o gas de síntesis (véase Figura 2).

Figura 2. Esquema del proceso de obtención de biochar en el proyecto FORTEXVAL.

El biochar es un material inerte compuesto por materiales no combustibles, que no se transformaron o provienen de una condensación molecular con alto contenido de carbón. El bioaceite está formado por hidrocarburos de cadenas largas, alquitranes, aceites, fenoles y ceras que se han producido a través de reacciones de craqueo y condensación a altas temperaturas, distinguiendo dos fases principalmente, una oleosa y otra acuosa. El gas de síntesis se compone de una mezcla de gases, siendo los más importante: CO, CO₂, H₂ y CH₄. Este gas es altamente combustible y se destina a la generación de energía (electricidad y calor). La proporción de estos productos depende del tipo de pirólisis que se realice, lenta, intermedia o rápida. Sus principales características se muestran en la Tabla 2 [12]:

Para producir char se puede utilizar como materia prima cualquier residuo que tenga materia orgánica (residuos agroforestales, residuos municipales, coproductos industriales, residuos plásticos…). Sin embargo, de acuerdo con [5], el biocarbón o biochar es un producto de carbonización de grano fino, caracterizado por un alto contenido de carbono orgánico y baja susceptibilidad a la degradación, que se obtiene a través de la pirólisis de biomasa y residuos biodegradables.

La selección de la biomasa es uno de los factores determinantes en los rendimientos de los productos. Dependiendo que producto se desee obtener habrá que seleccionar una biomasa u otra. En la Figura 3 se muestran los diferentes rendimientos en función de la biomasa procesada [13].

La tecnología de pirólisis es un proceso termoquímico mediante el cual, el material orgánico se degrada en una atmósfera en ausencia o escasez de oxígeno [8]. La materia prima mediante la acción del calor, a temperaturas entre 300 y 900 °C, es transformada en una mezcla de hidrocarburos, gases combustibles, residuos de carbón y agua

La instalación pirólisis donde se han realizado los ensayos de pirólisis es la que se muestra en la Figura 5. La misma se encuentra ubicada en los laboratorios del CTC.

Se trata de un horno tubular vertical, cuya temperatura máxima es de 1.100 °C. Dispone de dos sistemas de refrigeración formados por trampas para recogida de bio-oil y condensación de volátiles condensables, y enfriador de las tapas del reactor. Además, dispone de un caudalímetro y la bombona con gas N₂ a la entrada del sistema de pirólisis para introducir la cantidad adecuada de gas inerte (empleado para conseguir que el proceso de pirólisis se realice en atmósfera inerte, ya que se trata de una degradación térmica en ausencia de O₂ gas).

El proyecto FORTEXVAL ha contado con el apoyo de la Fundación Biodiversidad del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (MITECO) en el marco del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia (PRTR), financiado por la Unión Europea – NextGenerationEU.

Se ha realizado un estudio experimental detallado de pirólisis sobre la especie seleccionada: Tojo (Ulex Europaeus). El estudio ha consistido, inicialmente, en una caracterización química inicial de la biomasa. Posteriormente se han realizado experimentos de pirólisis a diferentes temperaturas para evaluar los rendimientos del proceso y finalmente se ha caracterizado el biochar obtenido.

Caracterización química mediante espectroscopía FTIR de las biomasas empleadas

Todas las biomasas tienen espectros muy similares, estos solo cambian en las intensidades con las que aparecen algunas bandas.

La banda más significativa en los espectros (Figura 6) es la ubicada en 1088-890 cm-1. Se trata de la banda que presenta la mayor absorbancia IR. Está vinculada a los grupos funcionales C-O stretching y C-O deformation, puede deberse a la presencia de etanol (C-OH). Las altas intensidades de las bandas en los espectros entre 1670 cm-1 y 1530 cm-1 pueden deberse al modo esquelético aromático que se intensifica por la presencia de sustitutos polares que contienen oxígeno.

En la Figura 7, se muestran los rendimientos obtenidos para los diferentes procesos de pirólisis a diferentes temperaturas.

El biochar es un material inerte compuesto por materiales no combustibles, que no se transformaron o provienen de una condensación molecular con alto contenido de carbón

Se observa claramente que el rendimiento para la obtención de biochar es superior cuando se realiza la pirólisis a temperaturas más bajas (300 °C). De este estudio, además, se puede concluir, que para la producción de la fase líquida (bio-oil) el rendimiento del proceso es superior a altas temperaturas (500 °C).

Caracterización físico-química del biochar obtenido

El biochar producido (Figura 8) ha sido caracterizado físico-químicamente.

La selección de la biomasa es uno de los factores determinantes en los rendimientos de los productos. Dependiendo que producto se desee obtener habrá que seleccionar una biomasa u otra

Un parámetro importante para muchas de las aplicaciones potenciales del biochar es su grado de porosidad interna. Por ejemplo, en agricultura como reservorio de agua en suelos. Este grado de porosidad interna viene caracterizado con la magnitud de superficie específica. En ese caso, una mayor porosidad (superficie específica) permitirá tener al biochar mayor capacidad de almacenaje de agua. Para ello se han realizado medidas de isotermas de adsorción BET, mostrándose los resultados en la Tabla 4.

En general, todas las muestras disponen de alta superficie específica, aunque destacan el biochar obtenido a mayores temperaturas de pirólisis (400°C).

Se ha realizado una caracterización química de los biochar obtenidos mediante espectroscopía FTIR. Los espectros se muestran en la Figura 9.

Los espectros de biochar procedente de diferentes biomasas presentan una forma e intensidad similares, siendo fruto del proceso de pirólisis. Sin embargo, existen diferencias importantes con los espectros debido a la presencia de distintos grupos funcionales en la superficie, como grupos oxigenados (C=O, C-O, -OH) y otros grupos (olefinas, -CH₂, -CH₃, y anillos aromáticos). La disminución en la intensidad de la absorbancia de los grupos OH (3600-3000 cm-1) puede explicarse por la pérdida de agua de la biomasa, lo cual estaría asociado con una liberación importante de agua debida a la degradación de polisacáridos.

Por otro lado, la reducción en la intensidad de la banda asociada a los grupos alqueno (C-H) (3000-2770 cm-1) puede interpretarse como el resultado de la ruptura de enlaces débiles entre el C y H en los grupos alquilo, lo que a su vez incrementa la cantidad de hidrocarburos, como CH₄ y C₂, en los productos gaseosos (eliminación de grupos C metoxílicos).

Agradecimientos y financiación

Los autores quieren agradecer las colaboraciones realizadas por los miembros del consorcio del proyecto FORTEXVAL: La Mancomunidad Reserva del Saja y el Centro Tecnológico de Automoción de Galicia (CTAG). FORTEXVAL cuenta con el apoyo de la Fundación Biodiversidad del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (MITECO) en el marco del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia (PRTR), financiado por la Unión Europea – NextGenerationEU.

La intensidad de la banda correspondiente a los grupos carbonilo (1785-1670 cm-1) también disminuyó, lo que parece vinculado a la degradación de los componentes de celulosa durante la transformación de biomasa en biochar. Además, las intensidades de las bandas en el rango 1670-1530 cm-1, que representan deformaciones aromáticas C=C, son notablemente mayores en los carbones en comparación con las materias primas, sugiriendo un proceso de craqueo de volátiles y la transformación de compuestos alifáticos en aromáticos en el carbón (proceso de pirólisis).

Esta conversión se asocia con una disminución marcada en los picos de alquilo OH y CH. Finalmente, en los biochar obtenidos se observa un pico alrededor de 800 cm-1, que podría deberse a vibraciones de CH aromático, lo cual probablemente indica la formación de estructuras policondensadas en sistemas de anillos fusionados.

Referencias

[1] Maryam Afshar a, Saeed Mofatteh. Biochar for a sustainable future: Environmentally friendly production and diverse applicationsResults in Engineering 23 (2024) 102433.

[2] F. Qureshi, M. Yusuf, H. Kamyab, D.-V.N. Vo, S. Chelliapan, S.-W. Joo, Y. Vasseghian, Latest eco-friendly avenues on hydrogen production towards a circular bioeconomy: Currents challenges, innovative insights, and future perspectives, Renew. Sustain. Energy Rev. 168 (2022) 112916.

[3] Amar K. Mohanty, Singaravelu Vivekanandhan, Oisik Das, Lina M. Romero Millán, Naomi B. Klinghoffer, Ange Nzihou, Manjusri Misra. Biocarbon materials. Nature Reviews Methods Primers (2024) 4:19.

[4] Abdul Waheed, Hailiang Xu, Xu Qiao, Aishajiang Aili, Yeernazhaer Yiremaikebayi, Dou Haitao, Murad Muhammad. Biochar in sustainable agriculture and Climate Mitigation: Mechanisms, challenges, and applications in the circular bioeconomy. Biomass and Bioenergy 193 (2025) 107531.

[5] https://biochar-international.org/.

[6] https://www.biochareurope.eu/.

[7] Lehmann, J., Joseph, S. 2009. “Biochar for environmental management: An introduction”. Chapter 1. Biochar: Environmental Management Science and Technology. Ed. J. Lehmann, S. Joseph. Earthscan (London).

[8] Cueto García, María Jesús. Potencial de producción de biochar en España a partir de residuos de la industria papelera, de lodos de EDAR, de residuos sólidos urbanos y de residuos ganaderos: Estudio de la fijación de carbono. 2016. Tesis Doctoral. Agrónomos.

[9] https://fortexval.es/.

[10] https://mancomunidadreservadelsaja.es/.

[11] Palomo González, L.F. Valorización de productos de la conversión termoquímica de biomasa lignocelulósica residual: biochar como aditivo agrícola. Tesis para obtener el Grado de Maestro en Ciencias en Bioprocesos. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de San Luis Potosí. 2020.

[12] N. Afanasjeva et al., J. Sci. Technol. Appl., 5 (2018) 4 – 22 https://doi.org/10.34294/j.jsta.18.5.31.

[13] Anil Kumar Varma, Ravi Shankar, and Prasenjit Mondal. A Review on Pyrolysis of Biomass and the Impacts of Operating Conditions on Product Yield, Quality, and Upgradation. https://doi.org/10.1007/978-981-13-1307-3_10.

[14] Sohi, S.Loez-Capel, E, Krull, E., Bol, R., Biochar's roles in soil and climate change: A review of research needs. CSIRO Land and Water Science Report 05/09, 64 pp.. (2009).