Un estudio con residuos de maíz y sorgo en Sudáfrica encontró que las diferencias entre cultivares y la temperatura de pirólisis pesan más que el tipo de cultivo en las propiedades del biocarbón
Redactor: Javier Morales O.
Editor: Karem Díaz S.
Convertir residuos de maíz y sorgo en biochar no produce un material con características uniformes: la variedad de la que procede la biomasa puede influir más que el propio cultivo. Una investigación de la Universidad de KwaZulu-Natal, en Sudáfrica, comprobó que las diferencias entre cultivares y las condiciones de pirólisis modificaron de forma significativa el carbono fijo, el contenido de nutrientes, el pH y otras propiedades relevantes para el posible uso agrícola del biocarbón.
El equipo analizó residuos de dos cultivares de maíz, SC701 y R201, y dos de sorgo, AS8 y PAN8816. A partir de esos materiales produjo biochar a 350 y 650 °C en un horno mufla y aproximadamente a 400 °C en un horno utilizado para reproducir condiciones de producción más cercanas a las que pueden encontrarse fuera del laboratorio.
Los resultados mostraron diferencias importantes entre variedades pertenecientes a un mismo cultivo, mientras que las diferencias atribuibles simplemente a comparar maíz con sorgo fueron menores. El hallazgo introduce una variable relevante para el aprovechamiento de los residuos agrícolas: conocer la especie utilizada no es suficiente para anticipar las características del biochar obtenido.
Cuatro cultivares sometidos a diferentes temperaturas
Los investigadores caracterizaron primero la biomasa original y posteriormente los materiales carbonizados. Los análisis incluyeron composición inmediata y elemental, propiedades químicas, morfología superficial y grupos funcionales, parámetros que permiten determinar cómo cambia el residuo durante la transformación térmica.
La producción de biochar mediante pirólisis transforma biomasa rica en compuestos orgánicos en un material carbonizado más estable. Este proceso se encuentra entre las alternativas estudiadas para aprovechar restos de cosecha que, dependiendo del sistema productivo, también pueden permanecer en el terreno o incorporarse directamente. Un experimento de largo plazo publicado recientemente mostró que el biochar y el rastrojo de maíz pueden aumentar el carbono del suelo mediante mecanismos diferentes.
En el nuevo trabajo, la comparación de los cuatro cultivares permitió separar el efecto del tipo de cultivo de las características particulares de cada material vegetal. Los autores encontraron que factores como el contenido de lignina, la composición elemental y otras propiedades fisicoquímicas de los residuos condicionaron posteriormente las características del biochar.
Más temperatura elevó el carbono fijo y redujo la humedad
La temperatura de pirólisis produjo algunos de los cambios más claros. El contenido de humedad, que alcanzaba un 12,79 % en los residuos sin transformar, descendió hasta un mínimo de 2,08 % en los biochars. Paralelamente, disminuyó la materia volátil a medida que aumentó la intensidad del tratamiento térmico.
El carbono fijo presentó la tendencia contraria. Los residuos originales contenían entre 12,23 % y 14,10 %, mientras que el biochar elaborado a partir del cultivar de maíz R201 a 650 °C alcanzó un máximo de 47,13 %. Esta concentración refleja la transformación progresiva de la biomasa y la pérdida de componentes más volátiles durante la pirólisis.
La estabilidad del carbono constituye una de las razones por las que el biochar se estudia como herramienta para mantener carbono dentro de los sistemas agrícolas durante períodos prolongados. El interés productivo y ambiental de esta práctica ha llevado a evaluar el potencial de los residuos agrícolas para producir biocarbón y almacenar carbono en el suelo en regiones con abundante disponibilidad de biomasa.
El pH aumentó hasta valores superiores a 11
La transformación térmica también modificó de manera marcada la reacción química del material. Los residuos originales registraron valores de pH entre 4,26 y 5,09, mientras que los biochars producidos a temperaturas más elevadas alcanzaron valores comprendidos entre 10,58 y 11,40.
El contenido de cenizas siguió una evolución similar. Desde valores iniciales de entre 6,50 % y 11,48 % en los residuos, aumentó hasta situarse entre 41,82 % y 46,13 % en determinados biochars. Al perderse componentes orgánicos volátiles durante el calentamiento, la fracción mineral queda proporcionalmente más concentrada.
Estos resultados son importantes porque un biochar alcalino y con elevada concentración de cenizas no tendrá necesariamente el mismo efecto en todos los terrenos. La respuesta depende de la composición del material y de las condiciones iniciales del suelo. El comportamiento de otros subproductos de biomasa confirma que los materiales ricos en cenizas pueden elevar el pH de suelos ácidos y modificar la disponibilidad de nutrientes para el maíz.
La temperatura también determina cuánto nitrógeno permanece
El incremento de la temperatura no mejoró simultáneamente todas las características estudiadas. Aunque favoreció la concentración de carbono fijo y redujo las relaciones hidrógeno-carbono y oxígeno-carbono, algunos nutrientes respondieron de otra manera.
Los biochars producidos en horno a partir del sorgo PAN8816 y del maíz SC701 conservaron las mayores concentraciones de nitrógeno, con 4,55 % y 3,77 %, respectivamente. La observación demuestra que las condiciones utilizadas para maximizar la estabilidad del carbono pueden no coincidir con las que permiten conservar la mayor cantidad de determinados nutrientes.
La temperatura de producción debe considerarse, por tanto, junto con el objetivo agronómico del material. El biochar se ha estudiado por su capacidad para modificar propiedades físicas y químicas del terreno, y experiencias con biocarbón elaborado a partir de residuos de palma han mostrado cambios en permeabilidad, pH y disponibilidad de nutrientes después de su incorporación al suelo.
El cultivar pesó más que elegir entre maíz y sorgo
Uno de los resultados centrales fue que las diferencias entre cultivares resultaron más importantes que la distinción general entre residuos de maíz y sorgo. SC701 y R201 no generaron biochars idénticos pese a pertenecer al mismo cultivo, y lo mismo ocurrió con AS8 y PAN8816.
Los autores relacionaron estas variaciones con las características iniciales de cada biomasa. La lignina, la composición elemental y otros componentes químicos determinan cómo se transforma el residuo cuando aumenta la temperatura y, en consecuencia, influyen sobre la composición final del material carbonizado.
Esto significa que dos explotaciones que utilicen residuos del mismo cultivo y apliquen procesos de pirólisis semejantes podrían obtener biochars con propiedades diferentes si parten de variedades con composiciones contrastantes. La selección de la materia prima pasa así a formar parte del diseño del proceso y no únicamente de la disponibilidad de residuos después de la cosecha.
La gestión de los residuos agrícolas exige definir el objetivo
La conversión de rastrojos en biochar representa solo una de las alternativas disponibles después de la cosecha. Los residuos también pueden mantenerse sobre la superficie, incorporarse al terreno o destinarse a otros usos. Cada opción modifica de manera diferente la entrada de carbono, la actividad microbiana y el reciclaje de nutrientes.
La importancia de considerar las condiciones del terreno también se observa cuando los residuos se incorporan directamente. Estudios sobre la descomposición de residuos de maíz en suelos con diferente fertilidad han mostrado que añadir biomasa no garantiza por sí solo una acumulación equivalente de carbono orgánico.
El biochar tampoco debe considerarse una enmienda uniforme. Su comportamiento depende del material de origen, la temperatura y el sistema de producción, además de las propiedades del suelo donde finalmente se aplique. Por ello, caracterizar el producto antes de incorporarlo al campo permite valorar mejor su alcalinidad, contenido mineral, estabilidad y aporte potencial de nutrientes.
Seleccionar la biomasa puede mejorar el biochar obtenido
Los investigadores plantean que la selección de cultivares con características favorables en sus residuos, combinada con condiciones apropiadas de pirólisis, puede ayudar a producir biochars mejor adaptados a objetivos concretos como el almacenamiento de carbono o la mejora de la fertilidad del suelo.
La investigación no evaluó directamente el rendimiento de cultivos después de aplicar cada uno de los biochars al terreno. Su objetivo fue caracterizar las materias primas y los productos obtenidos, por lo que las diferencias químicas identificadas no deben interpretarse automáticamente como diferencias equivalentes de rendimiento agrícola.
También existen condiciones en las que determinadas propiedades del biochar pueden requerir especial precaución. Investigaciones recientes han advertido que el biochar elaborado con residuos vegetales puede concentrar sales durante la pirólisis y agravar problemas en suelos salinos cuando las características del producto y las dosis aplicadas no son adecuadas.
El estudio fue realizado por Nozibusiso Mbava, Rebecca Zengeni y Pardon Muchaonyerwa, de la School of Agricultural, Earth and Environmental Sciences de la Universidad de KwaZulu-Natal. La investigación recibió financiamiento de la Water Research Commission de Sudáfrica, la National Research Foundation de Sudáfrica y el uMngeni Resilience Project.
Fuente referencial:
Scientific Reports
