FIRMA DEL (DE LA) DIRECTOR(A) DEL PROYECTO ALEX KURT BERG GEBERT

Transcripción

1 PROYECTO FONDEF DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO INFORME FINAL TITULO DEL PROYECTO: DESARROLLO DE PRODUCTOS COMERCIALES A PARTIR DE PAJA DE TRIGO CÓDIGO DEL PROYECTO: D08I1100 FECHA DE EMISION: 02/09/2013 FIRMA DEL (DE LA) DIRECTOR(A) DEL PROYECTO ALEX KURT BERG GEBERT

2 I. Acta De Término Del Proyecto 1.1 Identificación del proyecto TITULO DEL PROYECTO CÓDIGO FONDEF DIRECTOR(A) DEL PROYECTO INSTITUCIÓN(ES) BENEFICIARIA(S) EMPRESA Y OTRAS ENTIDADES ASOCIADAS DESARROLLO DE PRODUCTOS COMERCIALES A PARTIR DE PAJA DE TRIGO D08I1100 ALEX KURT BERG GEBERT UNIVERSIDAD DE CONCEPCION PAPELES BIO-BIO S.A. BIOLECHE LTDA. GRANOTOP S.A.

3 1.2 Ejecución del proyecto FECHA DE TOMA DE RAZON POR LA CONTRALORÍA 15/12/2009 GENERAL DE LA REPÚBLICA DURACIÓN CONTRACTUAL 36 FECHA EFECTIVA DE INICIO 15/12/2009 FECHA EFECTIVA DE TÉRMINO 28/02/2013 DURACIÓN EFECTIVA 38

4 1.3 Plan de Continuidad Nombre Institución Beneficiaria Nombre Representante Legal Firma UNIVERSIDAD DE CONCEPCION SERGIO ALFONSO LAVANCHY MERINO Firma Electrónica

5 1.4 Tabla de Conformidad Nombre Institución Empresa u Otra Nombre Representante Legal Entidad Socia PAPELES BIO-BIO S.A. CARLOS GERMANY G. BIOLECHE LTDA. GRANOTOP S.A. Documento conformidad

6 II. Informe Ejecutivo 2.1 Resumen Ejecutivo Versión en Castellano La mayor superficie agrícola cultivada en chile, corresponde al trigo, su cosecha genera año a año grandes volúmenes de residuos, los cuales hasta hoy no cuentan con alternativas de uso. Estudios han determinado que cada año se generan en promedio cerca de 1,5 millones de toneladas de paja de trigo, cuyo principal destino es la quema in situ mediante roces. Esto conlleva a graves problemas ambientales, pérdida de calidad de suelo y riesgo de generación de incendios. La paja de trigo es un material lignocelulósico, y como tal está compuesto por celulosa, lignina y hemicelulosas, productos intermedios que son considerados la base de desarrollo de muchos productos de interés comercial. La alternativa de contar con materias primas alternativas de origen renovable abre un abanico de oportunidades de generación de productos independientes de fuentes fósiles, de origen natural y con un impacto positivo al medio ambiente y la sociedad. La solución que planteó este proyecto frente al escenario suscitado, fue desarrollar una tecnología simple, de mínimo impacto ambiental y bajo costo relativo, que permitiese la separación de los principales componentes de la paja de trigo, celulosa, lignina y hemicelulosa, los cuales servirían de base para producir papel, un fertilizante de liberación controlada y un alimento para bovinos, respectivamente. Además del desarrollo de la tecnología de deslignificación y algunos usos, el proyecto consideró el estudio logístico para concebir la utilización de la paja de trigo. La separación de los componentes de la paja de trigo fue lograda exitosamente, esto a través de un proceso relativamente simple, que utiliza ácidos carboxílicos (ácido fórmico, ácido acético) en condiciones tenues de extracción. El proceso fue optimizado y posteriormente escalado a nivel piloto, para obtener cantidades suficientes de los tres productos y desarrollar los productos definidos en el proyecto. El escalamiento de la deslignificación de paja de trigo se desarrolló en una planta piloto discontinua. El proceso fue complejo y pese a las limitaciones del sistema, se obtuvieron las materias primas objetivo. Se constató que junto con conocer las mejores condiciones de deslignificación era necesario concebir una planta piloto de tipo continua para lograr un escalamiento con proyecciones de ser escalado a nivel industrial. La fibra celulósica cruda fue utilizada para la fabricación de papel, como reemplazo de pulpa kraft blanqueada de pino (BKPS) en papeles producidos con pulpa mecánica. Los diferentes ensayos permitieron determinar el efecto de la incorporación de fibras de paja de trigo en las propiedades del papel, éstas medidas como resistencia a la tensión, explosión, rasgado, y ópticas, como la blancura. Con ello, se establecieron las bases para el desarrollo de una prueba de producción demostrativa a nivel industrial en la empresa asociada Papeles Bio Bio S.A, la que contempló la producción de papel mural con un 10% de pulpa de paja de trigo en reemplazo de pulpa BKPS. Las propiedades de resistencia mantuvieron valores dentro de los rangos aceptados, sin embargo, la blancura es un aspecto que debe ser mejorado si se desea una aplicación industrial más relevante. La hemicelulosa, carbohidratos solubles, fue suministrada como componente energético en una dieta para vacas lecheras reemplazando melaza de remolacha. El ensayo fue realizado sobre 10 vacas lecheras, analizando parámetros de la leche y sanguíneos durante 3 semanas. Los resultados fueron muy interesantes y mostraron un efecto superior al compararlos con el efecto producido por el uso de melaza de remolacha, se observaron aumentos en la producción de leche, proteína y lactosa, entre otros, sin la presencia de efectos negativos en la salud de los animales alimentados. Dados los buenos resultados obtenidos, la formulación del concentrado energético fue protegida a través de la presentación de una solicitud patente. Por otro lado, la lignina producida fue utilizada como soporte para el desarrollo de un biofertilzante de liberación controlada de urea, logrando el desarrollo de un producto fusionado urea-lignina, el que fue evaluado en ensayos de campo en plantas de ballica y que mostró una disminución de la cinética de liberación de nitrógeno al suelo comparada a la observada con la aplicación directa de urea al suelo. En cuanto al manejo logístico de la paja de trigo, se estudió la recolección, el transporte y el almacenamiento, determinando la mejor forma de manejo de este residuo. Se establecieron

7 las zonas de mayor potencial de generación de paja de trigo y los máximos radios de transporte para garantizar un abastecimiento de paja de trigo para un tamaño de planta de toneladas/año. En general, el proyecto cumplió con todos los objetivos propuestos. Se logró la participación en varios eventos de congresos, tesis y publicaciones que están siendo finalizadas. A nivel nacional, el proyecto es pionero en esta iniciativa, lo cual ha permitido el acercamiento e interés de Universidades y centros de investigación nacional e internacional y empresas que desean utilizar la celulosa, lignina y hemicelulosa en el desarrollo de nuevos productos. Versión en Ingles The largest harvested agricultural area in Chile corresponds to wheat, which yearly generates large volumes of waste that have not been given an alternative use yet. Studies have determined that each year about 1.5 million tons of wheat straw are generated on average, which are mainly burnt in situ. This leads to serious environmental problems, loss of soil quality and risk of fire. Wheat straw is a lignocellulosic material and as such is composed of cellulose, lignin and hemicelluloses, which are considered intermediate products, the base for developing many products of commercial interest. The alternative of having alternative raw materials from renewable sources opens a range of opportunities for independent product generation from fossil, natural sources and with a positive impact on the environment and society. The solution proposed by this Project, considering this scenario, was to develop a simple technology with minimum environmental impact and with relative low cost, allowing the separation of the main components of wheat straw, i.e. cellulose, lignin and hemicellulose, which may be used for the production of paper, controlled release fertilizers and cattle food, respectively. Besides the development of delignification technology and some uses, the project considered the logistics study to conceive using wheat straw. The separation of the components of wheat straw was successfully achieved by means of a relatively simple process using carboxylic acids (formic acid, acetic acid) under tenuous extraction conditions. The process was optimized and then pilot scaled to obtain sufficient amounts of cellulose, hemicelluloses and lignin and develop the products defined in the project. The scaling of wheat straw delignification was developed in a discontinuous pilot plant. The process was complex and despite the limitations of the system, the object raw materials were obtained. It was found that along with knowing the best delignification conditions was necessary to develop a continuous pilot plant type for scaling with projections to be scaled at industrial level. The raw cellulose fiber was used for papermaking, replacing pine bleached kraft pulp (BKPS) in papers produced from mechanical pulp. Various tests allowed to determine the effect of incorporating wheat straw fibers on paper properties, such as tensile, burst and tear strength and optics, like whiteness. This set the bases for the development of a demonstration production test at industrial level in the facilities of our associate company Papers Bio Bio SA, which included the production of wallpaper with 10% of wheat straw pulp in replacement of BKPS pulp. Resistance properties values remained within the accepted ranges, however, whiteness is an issue that needs to be improved if a more important industrial application is needed. Hemicellulose, which contains soluble carbohydrates, was supplied as a energetic component in a diet for dairy cows replacing molasses. The trial was conducted on 10 dairy cows, analyzing milk and blood parameters for three weeks. The results were interesting and showed a higher effect compared with the use of beet molasses, thus increases in milk protein and lactose production were observed, among others, without the presence of negative health effects on fed animals. Given the good results obtained, the energy concentrate formulation was protected by filing of a patent application. On the other hand, lignin produced was used as a support for the development of an urea controlled-release bio-fertilizer, making possible the creation of an urea-lignin product, which was evaluated in field trials in ryegrass plants showing a decrease in kinetics of nitrogen release to the soil as compared to that observed with the direct application of urea to the soil. As for the logistics management of wheat straw, we studied the collection, transport and storage, determining the best way of handling this waste. Areas of higher potential for wheat straw and maximum radii of transport were established to ensure supply of wheat straw for a plant size of 50,000 tons/year. Overall, the project met all objectives. Participation was achieved in several conference events, theses and publications which are being completed. Locally, the project is a pioneer in

8 this initiative, which has allowed us to approach and interest universities and national and international research centers and companies wanting to use cellulose, lignin and hemicellulose in the development of new products.

9 2.2 Cuadro De Sintesis de Resultados y Objetivos Objetivos Generales Nombre Objetivo Descripción Objetivos Específicos Nombre Objetivo Descripción Nombre Objetivo Descripción Nombre Objetivo Descripción Nombre Objetivo Descripción Desarrollar una tecnología de procesamiento químico de paja de trigo, para separar sus componentes principales y desarrollar productos de interés comercial a partir de ellos. Se desarrollarán los conocimientos científicos y tecnológicos para el procesamiento químico de la paja de trigo, con la finalidad de obtener productos de mayor valor agregado con fines comerciales. 1. Optimizar un proceso a escala de laboratorio, para deslignificar paja de trigo con un agente nitrante en medio acético a presión atmosférica, como única etapa de deslignificación del proceso; a su El presente objetivo consiste en determinar las condiciones óptimas de proceso a nivel experimental para separar los tres productos de interés: celulosa, lignina y carbohidratos disueltos. 2. Escalar el proceso de deslignificación de paja de trigo a un nivel piloto Desarrollado el proceso a nivel de laboratorio, se procederá a realizar el escalamiento piloto para verificar que las condiciones óptimas a escala de laboratorio son reproducibles a mayor escala. Se evaluarán los productos no solamente desde un punto de vista de las perspectivas físicas y químicas sino también de tecnología. Se evaluarán los rendimientos y se caracterizará cada uno de los productos obtenidos de la paja de trigo. 3. Desarrollar y aplicar demostrativamente un abono nitrogenado de liberación controlada, evaluar las aplicaciones para la pulpa celulósica y los carbohidratos disueltos en alimentacion de bovinos Los ensayos de producción a nivel demostrativo, tendrán por fin obtener una cantidad de productos suficientes, para posibilitar su aplicación a nivel industrial. /n/nse obtendrá un abono nitrogenado de liberación controlada, a partir de lignina de paja de trigo disuelto; se evaluarán las aplicaciones más propicias, para la pulpa celulósica obtenida y se establecerá la factibilidad de usar los carbohidratos disueltos como componente alimenticio animal. 4. Evaluar los aspectos logísticos, técnicos y económicos asociados a la recolección, el transporte y el almacenamiento de la paja de trigo; realizar una evaluación técnica-económica de la tecnología El sistema logísitco considerará el estudio de los siguientes aspectos:/n/n1.ubicación estratégica: esta problemática será abordada bajo los criterios de maximización de utilidades y a restricciones propias de geografía, utilizando para ello modelos y heurísticas de transporte. Algunas variables a considerar son: Costo de transporte, costo de enfardar, red vial disponible, localización de predios, temperada de siega y otras a determinar./n/n2.se debe evaluar diferentes tecnologías de recolección de paja de trigo, entre ellos, tipo de maquinaria, densidad y forma del fardo. Se puede considerar, además, procesar mecánicamente la paja de trigo densificándola de modo de reducir los costos de transporte. RESULTADO

10 Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro Resultado de Producción Carbohidratos disueltos como suplemento de alimento para bovinos los carbohidratos obtenidos desde el proceso provienen de una fuente natural, no son tóxicos y pueden ser utilizados como componente energetico en al dieta de bovinos, por ejemplo, en vacas lecheras. se estima que la aceptación de este producto será importante en el medio agrícola, debido a su similitud con la melaza, un azúcar que se genera del proceso de transformación de la remolacha, cuyo precio no es estable y se ha visto un aumento en los ultimosdos años. Se desarrolló un alimento concentrado, energético, rico en carbohidratos, formado por la mezcla de materias primas ricas en proteínas, almidón y carbohidratos solubles de paja de trigo, que presenta una alta degradabilidad total y una cinética menor de degradación que los alimentos tradicionales que incorporan sacarosa, debido a que posee dos fracciones de carbohidratos solubles, una de rápida degradabilidad y otra mucho más lenta, que aportan energía inmediata y luego una sincronización con la degradabilidad de los de los otros componentes aportados por el alimento. Esto se traduce en una disminución del ph ruminal, una mejora en el contenido de lactosa y proteína de la leche, sin afectar la producción láctea. Este alimento se validó verificando el efecto en la producción de leche y la salud de vacas lecheras, demostrando una eficiencia superior al 3%, expresada en litros de leche producidos por unidad de alimento, sin modificar los parámetros sanguíneos: glucosa, insulina, ß-hidroxibutirato y urea sanguínea. Sorprendentemente, este alimento concentrado logra un alza en el contenido proteico superior al 2%, no incrementando el contenido de materia grasa en la leche. Referencia Bibliográfica Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Producción Biofertilizante a base de lignina nitrada El biofertilizante en base a lignina nitratda es un producto con ventajas competitivas en el mercado de los fertilizantes. este es desarrollado a partir de un producto natural y biodegradable, que debido a la naturaleza química, reológica de la lignina, matriz del bifertilizante, proporciona una liberación lenta del nitrógeno en masa, el cual se será utilizado en una alta proporción por las plantas. esta situación lleva a utilizar menos fertilizante, por ejemplo, en palntaciones de grano y en frutos de exportación a quienes se les solicita bajar las cargas quimicas de sus plantaciones, ideal, utilizar un fertilizante de tipo orgánico. el biofertilizante contendrá 38% de nitrógeno total, el cual proviene del nitrógeno contenido en laestructura misma de la lignina (5%) y aoprte de nitrógeno de urea por ejemplo.

11 Descripción del Logro La lignina fue utilizada como una matriz de liberación lenta de nutrientes, en este caso, para el nitrógeno. Dada su baja solubilidad, se analizó su utilización como recubrimiento y producto fusionado, que a través de técnicas espectroscópicas se determinó su cinética de liberación de nitrógeno en agua Se determinó que la fusión, de composición 20% lignina (p/p), y posterior particulado (0,5 a 2 mm) del material (lignina + urea) experimentó una menor cinética de liberación. Esta formulación fue utilizada en un ensayo de campo que validó la técnica empleada, sin embargo, los resultados no fueron estadísticamente significativos. Referencia Bibliográfica Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Pulpa de paja de trigo como componente en la fabricacion de papel la pulpa de paja de trigo es un producto similar a la pulpa de madera, por lo cual servirá de sustituto de ésta. se estima que su precio será de un 15% menor a la pulpa Kraft de madera Un ensayo demostrativo en la empresa Papeles Bio Bio permitió evaluar exitosamente la inclusión de la fibra de paja de trigo en la producción de papel (tipo Mural), donde se reemplazó la pulpa blanqueada de pino (BKPS) por fibra de paja de trigo, incorporada en un 10%. El papel producido fue evaluado respecto a sus propiedades de resistencia mecánica y blancura, obteniéndose: gramaje (100,2 g/m2), espesor (201 micras), longitud a la ruptura (678 mn) y blancura (60,5%). La pasta producida con pulpa de paja de trigo no causó problemas en la máquina papelera y sus propiedades mecánicas se presentaron dentro del rango exigido para la producción del papel base mural. Referencia Bibliográfica Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Producción Tecnologia de deslignificacion de paja de trigo se obtendrán las condiciones óptimas de procesamiento de paja de trigo para separar los principales componentes químicos: celulosa, carbohidratos disueltos y lignina. Su principal competidor corresponde al material lignocelulósico forestal. La paja de trigo es un recurso no valorizado que se genera en grandes volúmenes durante la cosecha del trigo. frecuentemente es sometida a roces que son una fuente de incendios forestales y contaminación ambiental. La separación de cada uno de los componentes químicos es una oportunidad de generar productos de mayor valor agregado, esto es: pulpa celulósica en la producción de papel, lignina en fertilizantes de liberación controladas y carbohidratos disueltos en la producción de alimento para animales.

12 Descripción del Logro La tecnología de separación de la paja de trigo en sus principales componentes (celulosa, hemicelulosa y lignina) se evaluó a escala de laboratorio, utilizando ácidos carboxílicos (fórmico y acético) como solventes de lignina y hemicelulosas, la celulosa correspondió a un sólido fibroso, el que se separa mediante filtración. La solución líquida fue evaporada, para concentrar los componentes disueltos, y separar la lignina de hemicelulosas, precipitándola en agua. En base a ello, se diseñó, construyó y operó una planta piloto que incluyó todas las etapas mencionadas, que operó en modalidad discontinua, trayendo una serie de inconvenientes que deben afrontarse para lograr un real interés en esta tecnología. La mejor opción es un reactor continuo en contracorriente que resultaría en una mejor calidad de los productos, debido a un proceso más homogéneo y controlado. La pulpa celulósica, obtenida desde una etapa de deslignificacion, resultó con un Nº Kappa de 20 (3% de contenido remanente de lignina), una viscosidad intrínseca de 878 (ml/g) y una blancura de un 24%. Referencia Bibliográfica Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Sistema logistico de recoleccion, transporte y almacenamiento de paja de trigo El producto corresponde a un sistema, que consta de información logística comercial, respecto a la disponibilidad de paja de trigo en los lugares de generación, opiniones tecnológicas y costos de almacenamiento, transporte y requerimientos por parte de los usuarios, en especial, plantas que operan de acuerdo a la tecnología propuesta. Se evaluó de forma preliminar posibles alternativas de emplazamiento de las plantas de procesamiento de paja de trigo, con una capacidad de procesamiento de ton/año, basándose en el volumen de paja de trigo disponible en Chile y dos distancias de aprovisionamiento (25 km y 50 km). Del primer análisis se estimó la disponibilidad de paja de trigo en diferentes localidades, determinándose las comunas con mayor acceso a paja de trigo para un radio de cobertura de 25 km: Victoria ( ton), Traiguén ( ton), Lautaro ( t) y Yungay ( ton) y para un radio de 50km: Victoria ( ton), Lautaro ( ton), Vilcún ( ton) y Traiguén ( ton). El otro aspecto analizado fue la evaluación de las alternativas tecnologías disponibles y costos asociados para llevar a cabo los procesos de recolección y transporte de paja de trigo, el costo del proceso es $ , lo cual equivale a un costo de $ por tonelada de paja de trigo. Dada la complejidad del proceso, y la dependencia al uso de equipo agrícola para cada una de las etapas, se recomienda delegar este proceso a pequeñas empresas que se dedican a la recolección y comercialización de paja de trigo. Referencia Bibliográfica Tipo RESULTADO Resultado de Protección

13 Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro Solicitud de patente de invencion: pulpa de paja de trigo para papel se realizará una búsqueda nacional e internacional sobre la utilización de pulpa de paja de trigo o subproductos agrícolas para la producción de papel. Pulpa de paja de trigo como componente en la fabricacion de papel El uso de pulpa de paja trigo no logró propiedades sobresalientes en el papel, como sustituto, se debe seguir estudiando cómo mejorar la calidad de la fibra para encontrar un modo de protección de esta fibra. Tipo Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Protección Solicitud patente invencion: proceso de deslignificacion se presentará solicitud de patente para proteger los resultados de la tecnología de deslignificación. Tecnologia de deslignificacion de paja de trigo El patentamiento del proceso desarrollado no pudo ser solicitado, debido a la existencia de patentes relacionadas. El uso de ácido fórmico y acético, fue utilizada considerando los estudios patentados por Nimz H., (1984) en materiales lignocelulósicos (madera) y luego, por la Compañía Industrial de Materias vegetales ( en Francia (2001), éste último con un proceso a presión atmosférica y en materiales de origen agrícola. (Nimz Horst Harry Hermann, Schoene Martin: Wood pulping with acetic acid and formic acid. Kaemmerer Projekt Agentur March 1994: EP ) Tipo Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Protección Factibilidad de patentamiento de fertilizante a base lignina se realizará una búsqueda nacional e internacional para evaluar la factibilidad de producir un fertilizante a partir de paja de trigo. Biofertilizante a base de lignina nitrada El estudio de patentamiento logró identificar una patente relacionada al tema, que utiliza una lignina distinta (diferente origen y proceso). Sin embargo, las propiedades resultantes de este fertilizante, aunque logro la disminución de la cinética de liberación de nitrógeno, los resultados no fueron del todo concluyentes. Tipo RESULTADO Resultado de Protección

14 Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro solicitud de patente: carbohidratos disueltos para alimentacion de bovinos se realizará una búsqueda nacional e internacional sobre la utilización de carbohidratos disueltos a partir de materias primas lignocelulósicas. Carbohidratos disueltos como suplemento de alimento para bovinos La solicitud de patente de invención nacional con fecha , N , protegió una formulación de alimento que incluye carbohidratos de paja de trigo obtenidos del proceso de deslignificación con ácidos carboxílicos. Los resultados fueron sobresalientes, demostrando la superioridad de este tipo de melazas comparadas a las obtenidas a partir de la remolacha, que permitieron complementar la degradabilidad de las otras fuentes proteicas y no proteicas, beneficiando así la síntesis de nitrógeno, que llevó a una mejora en la calidad de la leche y la eficiencia alimenticia del animal. Tipo Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Transferencia y Negocios PAQUETE TECNOLOGICO Se describirá el proceso de obtención de los productos celulosa, lignina y carbohidratos disueltos. Se definirán los equipos, las etapas y las variables de proceso, características de la materia prima, se incorporará además el estudio logístico. Tecnologia de deslignificacion de paja de trigo Se desarrolló un paquete tecnológico con información de las condiciones, etapas y caracteristicas del proceso. Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") Participacion 3rd Nordic Wood Biorefinery Conference La Nordic Biorefinery Conference es probablemente el evento más importante a nivel mundial con respecto a procesos integrados que buscan desarrollar nuevos usos de biomasa forestal. La conferencia la organizan de manera conjunta VTT de Finlandia y INNVENTIA de Estocolmo. El énfasis estuvo en procesos y productos de pirólisis rápida y la obtención y uso de carbohidratos oligoméricos a partir de lignocelulósicos. Se presentaron resultados relacionados con el proceso de deslignificación de paja de trigo con ácido acético y fórmico. el poster se denominó Fractionation of wheat straw components in carboxylic acid media. La participación del congreso fue exitosa, se generaron nuevos vínculos en temas relacionados con la utilización integral de residuos agrícolas. Uno de los puntos interesantes fue la obtención y uso de carbohidratos oligoméricos a partir de lignocelulósicos. Se presentaron resultados relacionados con el proceso de deslignificación de paja de trigo con ácido acético y fórmico. El poster se denominó Fractionation of wheat straw components in carboxylic acid media.

15 Referencia Bibliográfica BERG, A. y C. FUENTEALBA: New possibilities and challenges for Acetosolv-Processes. Nordic Wood Biorefinery Conference 2011, Stockholm, Sweden, March, 2011 Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro Referencia Bibliográfica RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") XXXVI Congreso de la Sociedad Chilena de Produccion Animal SOCHIPA Se presentan los primeros ensayos de degradabilidad ruminal de melazas de paja de trigo. El trabajo se denomina \"DEGRADABILIDAD RUMINAL DE MELAZAS DE PAJA DE TRIGO Y MADERA DE EUCALIPTUS Y SU EFECTO EN EL ph RUMINAL\". los resultados permitieron concebir una etapa 2, en ensayos in vitro y una etapa de aplicacion en vivo. Se demostró un efecto altamente positivo de las melazas de trigo a nivel de rumen, manteniendo el ph a un mejor nivel que las melazas de remolacha. La utilización de melazas de paja de trigo, como suplemento alimenticio, resultó en un primer ensayo in vivo, que demostró que son factibles de utilizar, mostrando características similares a la melaza de remolacha en cuanto a su aporte energético. La presentación del trabajo fue interesante al público, siendo un tema aún no explorado en Chile. WILLIAMS, P., ALLENDE, R., BARCHIESI, C., CAMPOS, J., MOLINA, F., CABEZAS, I., FUENTEALBA, C.: Degradabilidad ruminal de melazas de paja de trigo y madera de Eucaliptus y su efecto en el ph ruminal. XXXVI Congreso de la Sociedad Chilena de Produccion Animal SOCHIPA. Punta Arenas, Chile, 9-11 de Noviembre, Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") III Latin American Congress Biorefineries Se presentó el trabajo de valorización de residuos agrícolas, particularmente paja de trigo, como fuente de productos intermedios, celulosa, hemicelulosas y lignina, proporcionando además algunas potenciales aplicaciones. La presentación de los resultados competen directamente al proyecto fondef Desarrollo de Productos Comerciales a partir de paja de trigo. El trabajo es presentado al congreso de Biorefinerías, lo cual es una instancia para poder difundir los resultados del proyecto que está en su etapa final y además conocer el trabajo de otros grupos de investigación, tanto nacionales como internacionales. La tercera versión del Congreso Latinoamericano sobre Biorrefinerías, es el encuentro líder en Latinoamérica respecto a nuevos usos de biomasa. Presentación oral: Valorización de la paja de trigo para la obtención de componentes químicos de uso industrial, Cecilia Fuentealba, Alex Berg. Se presentaron los resultados finales en la deslignificación de paja de trigo. La alternativa de utilizar esta materia prima para obtener nuevos productos resultó interesante al publico participante. Destacó la capacidad a nivel piloto de producir cantidades interesantes de los productos: celulosa, lignina y carbohidratos, para estudio de aplicación. Institutos de Alemania y Japón, se intersaron en trabajar en conjunto.

16 Referencia Bibliográfica BERG, A., FUENTEALBA, C., SALAZAR J.: Valorización de la paja de trigo para la obtención de componentes químicos de uso industrial. III Latin American Congress Biorefineries. Pucón, Chile, de Noviembre, Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro Referencia Bibliográfica RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") Congreso Iberoamericano de XXV Interamerican Congress of Chemical Engineering Se presentaron algunos resultados de la deslignificación de paja de trigo a escala laboratorio, utilizando un proceso a presión con acido acetico y fórmico. se presentó el trabajo denominado: \"Optimización del proceso de deslignificación de paja de trigo\". Se presentaron algunos resultados en la deslignificación de paja de trigo. La alternativa de utilizar esta materia prima para obtener nuevos productos resulta en una solución interesante e innovadora, lo cual evitaría las quemas y la pérdida de un material potencialmente utilizable. FUENTEALBA, C., TORRES, L., BOCALANDRO, L., BERG, A.: Optimización del proceso de deslignificación de paja de trigo. XXV Interamerican Congress of Chemical Engineering and XVIII Chilean Congress of Chemical Engineering. Santiago, Chile, de Noviembre de Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Formación de Capacidades (Ex "Otros") Estudio de Cromatografia liquida El proyecto financió la compra de cromatógrafos líquidos HPLC Y GPC, por lo cual se capacitó al personal del Proyecto en la técnica de cromtografía, en cuanto al marco teórico de la cromatografía, análsis de resultados, técnicas de resolución de problemas y uso práctico del equipo en una capacitación realizada por el Instituto de Capacitación en Competencias humanas Ltda, en un curso que duró 24 horas. esto permitió la creación y el fortalecimiento de capacidades inexistentes hasta ahora en UDT respecto a este tipo de análisis. Se capacitó al personal del Proyecto en la técnica de cromtografía, en cuanto al marco teórico de la cromatografía, análsis de resultados, técnicas de resolución de problemas y uso práctico del equipo en una capacitación realizada por el Instituto de Capacitación en Competencias humanas Ltda, en un curso que duró 24 horas. esto permitió la creación y el fortalecimiento de capacidades inexistentes hasta ahora en UDT respecto a este tipo de análisis. a través de esto se comenzaron a confeccionar los protocolos para análisis de carbohidratos de materiales lignocelulósicos.

17 RESULTADO DE PRODUCCIÓN Categoría Cantidad Lograda Producto 4 Proceso 1 RESULTADO DE PROTECCIÓN Categoría Cantidad Lograda Patente 4 RESULTADO DE TRANSFERENCIA Y NEGOCIOS Categoría Cantidad Lograda Paquete tecnológico diseñado 1 RESULTADO DE PRODUCCIÓN CIENTÍFICA (EX "OTROS") Categoría Cantidad Lograda Evento 4 RESULTADO DE FORMACIÓN DE CAPACIDADES (EX "OTROS") Categoría Cantidad Lograda Capacidades profesionales desarrolladas o fortalecidas 1

18 2.3 Informe financiero a la fecha de término Montos Comprometidos según Convenio por fuente de financiamiento Monto Girado por Fondef Gastos financiados por fuente de financiamiento FONDEF ,12 % Institución(es) Beneficiaria(s) UNIVERSIDAD DE CONCEPCION No Aplica ,26 % Empresas y otras Entidades Asociadas No Aplica % Totales % % Monto por Reintegrar Monto Reintegrado a FONDEF (0) Costo Final del Proyecto

19 2.4 Autoevaluación de la Ejecución del Proyecto El(la) Representante Institucional de cada Institución Beneficiara UNIVERSIDAD DE CONCEPCION La Unidad de Desarrollo Tecnológico se benefició con la ejecución del proyecto Fondef D08i1100 Desarrollo de Productos Comerciales a Partir de Paja de Trigo desde varias perspectivas: Por una parte, se conformó un grupo de trabajo, el que seguirá unido aun después del término del proyecto, escalando los resultados obtenidos. También se cuenta con una renovada infraestructura, tanto a nivel de laboratorio como piloto; cabe desatacar un equipo GPC y la adecuación y acondicionamiento de una planta de extracción a nivel piloto. Por otra parte y como resultado principal, se cuenta con resultados que constituyen la base de un paquete tecnológico, el que se continuará desarrollando, para transferirlo en un mediano plazo al sector productivo. Este contiene, entre otros, la solicitud de patente de invención Alimento concentrado para animales rumiantes. En definitiva, la ejecución del Proyecto Fondef permitió fortalecer la posición competitiva de UDT, no sólo en Chile sino también en Latinoamérica, como ente especializado en el fraccionamiento químico de biomasa lignocelulósica y el desarrollo de productos comerciales a partir de sus componentes. El(la) Director(a) del proyecto La ejecución del proyecto Fondef D08i1100 Desarrollo de Productos Comerciales a Partir de Paja de Trigo permitió establecer un grupo de trabajo conformado por investigadores, profesionales y técnicos especializados en los ámbitos: extracción selectiva de componente de biomasa con solventes orgánicos, caracterización de carbohidratos y lignina, y uso de los componentes celulosa, hemicelulosas y lignina. Adicionalmente, se implementó metodologías experimentales y análisis, y se redactaron instructivos de operación. Los resultados del proyecto fueron muy positivos, lo que se tradujo en nuevo conocimiento científico, el que permitió desarrollar una tecnología de separación de los componentes principales de paja de trigo con buenas perspectivas industriales. El desarrollo se efectuó tanto a nivel de laboratorio como piloto. La aplicación evaluada para los componentes celulosa, como materia prima para la industria papelera, hemicelulosas, como aditivo energético para vacunos, y lignina, como encapsulante de abonos nitrogenados, también fue auspiciosa. La relación con las empresas asociadas fue cercana y constructiva. De hecho, se ha mantenido el contacto con ellas lo que se traduce en iniciativas para continuar con el escalamiento de la tecnología e iniciar nuevas iniciativas de I+D.

20 2.5 Propuesta de Continuidad de la(s) Institucion(es) Beneficiaria(s) El Proyecto presentó postulación a la línea de Investigación Tecnológica, dado los resultados alentadores respecto al proceso de separación de componentes de paja de trigo y los usos potenciales de los productos celulosa, hemicelulosa y lignina.

21 III. Informe De Gestión 3.1 Objetivos Objetivo(s) General(es) Nombre Objetivo Descripción Desarrollar una tecnología de procesamiento químico de paja de trigo, para separar sus componentes principales y desarrollar productos de interés comercial a partir de ellos. Se desarrolló una alternativa tecnológica para separar la paja de trigo en sus principales componentes: Celulosa, hemicelulosas y lignina. La tecnología apunta al uso de una materia prima cuantiosa (más de un millón de toneladas por año), la que se elimina mediante roces, causando graves problemas ambientales y de seguridad. La tecnología de separación se evaluó a escala de laboratorio, usando ácidos carboxílicos (fórmico y acético) para disolver la lignina y hemicelulosas, lo que corresponde a un 50% de la masa de la materia prima original. La celulosa residual corresponde a un sólido fibroso, el que se separa mediante filtración. La solución líquida, en tanto, se debe evaporar, para concentrar los componentes disueltos, y separar finalmente la lignina de hemicelulosas, precipitándola en agua. Las condiciones de procesamiento más adecuadas son las siguientes: - Composición másica de la solución (% w/w): Ácido fórmico/ácido acético/agua = 67/13/10, - Temperatura: ebullición= apróx. 107 C - Tiempo de extracción = 120 min. - Razón líquido sólido = 5 La tecnología fue escalada a nivel piloto. Debido a que se escaló en un sistema discontinuo (batch), la razón líquido sólido se aumentó para una mayor homogenización y contacto entre el solvente y la paja de trigo. En general, las condiciones determinadas a nivel laboratorio fueros escalables y se logró producir cantidades suficientes para los ensayos previstos en el proyecto Objetivos Específicos Nombre Objetivo 1. Optimizar un proceso a escala de laboratorio, para deslignificar paja de trigo con un agente nitrante en medio acético a presión atmosférica, como única etapa de deslignificación del proceso; a su

22 Descripción Nombre Objetivo Descripción Nombre Objetivo Descripción Nombre Objetivo La paja de trigo fue utilizada como materia prima para el desarrollo de un proceso químico de separación de sus principales componentes; celulosa, carbohidratos solubles y lignina. Luego de evaluar diferentes alternativas de separación, como la utilización de un agente nitrante y uso de diferentes ácidos orgánicos carboxílicos, se concluyó que el mejor proceso resultó ser relativamente simple y presentar buenas características para el desarrollo de los productos comprometidos en el proyecto. El proceso desarrollado utiliza una mezcla de ácidos carboxílicos (ácido fórmico/ácido acético) y agua. La proporción para cada componente de la mezcla expresada en porcentaje en base a la masa de solución es: ácido fórmico: 67%±3, ácido acético: 20%±5 y agua: 13% ±2. La razón sólido/líquido (S/L) es de 1/20. El proceso de deslignificación o separación se desarrolla a temperatura de ebullición de la mezcla (107 C) y presión atmosférica, por un tiempo de dos horas una vez llegada la temperatura de la reacción. 2. Escalar el proceso de deslignificación de paja de trigo a un nivel piloto Desarrollado el proceso a nivel de laboratorio, se procederá a realizar el escalamiento piloto para verificar que las condiciones óptimas a escala de laboratorio son reproducibles a mayor escala. Se evaluarán los productos no solamente desde un punto de vista de las perspectivas físicas y químicas sino también de tecnología. Se evaluarán los rendimientos y se caracterizará cada uno de los productos obtenidos de la paja de trigo. Las condiciones mencionadas anteriormente fueron escaladas a nivel piloto, mostrando una leve diferencia con las características obtenidas a nivel laboratorio. Con ello fue posible avanzar en las siguientes etapas. Se obtuvieron como materias primas, 120 kilos de pulpa celulósica (b.m.s), 135 kilos de carbohidratos solubles (42% sólidos) y 60 kilos de lignina, las que fueron utilizadas posteriormente para desarrollar los productos comerciales definidos. Las características de los materias primas fueron bastante semejantes a aquellas obtenidas en laboratorio, siendo posible avanzar en las etapas posteriores. La pulpa celulósica resultó con un valor de Número Kappa igual a 20 (equivalente a un 3% de contenido de lignina remanente en la fibra, b.m.s) y una viscosidad medida como viscosidad intrínseca SCAN de 878 (ml/g). La blancura resultó en 24%, lo cual era esperado al concebir sólo una etapa de deslignificación (escala de 0-100%, siendo este último el valor máximo de blancura). 3. Desarrollar y aplicar demostrativamente un abono nitrogenado de liberación controlada, evaluar las aplicaciones para la pulpa celulósica y los carbohidratos disueltos en alimentacion de bovinos Los ensayos de producción a nivel demostrativo, tendrán por fin obtener una cantidad de productos suficientes, para posibilitar su aplicación a nivel industrial. /n/nse obtendrá un abono nitrogenado de liberación controlada, a partir de lignina de paja de trigo disuelto; se evaluarán las aplicaciones más propicias, para la pulpa celulósica obtenida y se establecerá la factibilidad de usar los carbohidratos disueltos como componente alimenticio animal. 4. Evaluar los aspectos logísticos, técnicos y económicos asociados a la recolección, el transporte y el almacenamiento de la paja de trigo; realizar una evaluación técnica-económica de la tecnología

23 Descripción El sistema logísitco considerará el estudio de los siguientes aspectos:/n/n1.ubicación estratégica: esta problemática será abordada bajo los criterios de maximización de utilidades y a restricciones propias de geografía, utilizando para ello modelos y heurísticas de transporte. Algunas variables a considerar son: Costo de transporte, costo de enfardar, red vial disponible, localización de predios, temperada de siega y otras a determinar./n/n2.se debe evaluar diferentes tecnologías de recolección de paja de trigo, entre ellos, tipo de maquinaria, densidad y forma del fardo. Se puede considerar, además, procesar mecánicamente la paja de trigo densificándola de modo de reducir los costos de transporte. 3.2 Resultados Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Producción Carbohidratos disueltos como suplemento de alimento para bovinos los carbohidratos obtenidos desde el proceso provienen de una fuente natural, no son tóxicos y pueden ser utilizados como componente energetico en al dieta de bovinos, por ejemplo, en vacas lecheras. se estima que la aceptación de este producto será importante en el medio agrícola, debido a su similitud con la melaza, un azúcar que se genera del proceso de transformación de la remolacha, cuyo precio no es estable y se ha visto un aumento en los ultimosdos años.

24 Descripción del Logro Se desarrolló un alimento concentrado, energético, rico en carbohidratos, que presenta una degradabilidad más lenta comparado con alimentos tradicionales suplementados con fuentes de carbohidratos tradicionales, ya sea del tipo azúcar o grano. Este alimento permite una menor disminución del ph ruminal comparado con la inclusión de melaza de remolacha, lo que evita la acidosis ruminal. Además, no se afectada negativamente la producción láctea y se mejora el contenido de lactosa y proteína en la leche. Este producto debido a su alta degradabilidad total y menor velocidad de degradación, permite un mayor aprovechamiento de la proteína degradable en el rumen, lo que posibilita un mayor desarrollo de la población microbiana supliendo así el aumento de los requerimientos de proteína metabolizable en la lactancia. Esto tiende a aumentar la proteína de la leche y con ello la eficiencia del uso de ésta, lo que se traduce en la disminución de la eliminación de nitrógeno al medioambiente. Este alimento concentrado está formado por la mezcla de materias primas ricas en proteínas, almidón y carbohidratos solubles de paja de trigo. Estos últimos, poseen una degradabilidad más lenta que la sacarosa, un carbohidrato del tipo disacárido que se encuentra contenido en la melaza de remolacha, utilizada tradicionalmente en alimento de bovinos y que tiene una estructura molecular más simple y homogénea. Por otro lado, los carbohidratos de paja de trigo utilizados poseen a lo menos dos fracciones de diferente degradabilidad, ambas solubles en el líquido ruminal, donde la primera fracción está compuesta por estructuras químicas menores (dímeros o trímeros) que son rápidamente fermentables. La segunda fracción, corresponde a carbohidratos solubles de más lenta degradabilidad, compuesta de oligosacáridos como xilosas, arabinosas y arabinoxilosas de la melaza de paja de trigo, en cuya composición química la presencia de ácidos carboxílicos juega un rol esencial. Al inicio proceso de degradación ruminal se degrada el nitrógeno soluble, amidas, imidas y amonio, a partir de los carbohidratos solubles de muy rápida degradación como la glucosa. En alimentos comerciales la inclusión de melaza de remolacha o de caña de azúcar, corresponde al primer componente que degrada el animal. En el caso de la melaza de paja de trigo o carbohidratos solubles, al poseer dos fracciones, una de muy rápida degradabilidad y otra mucho más lenta, cumple con obtener energía inmediata y luego sincronizarse con el resto de los componentes de la dieta, por ejemplo, con la proteína degradable, que es más lenta y que permite mejorar el uso de nutrientes y la síntesis de proteína láctea. La composición de este concentrado alimenticio garantiza los requerimientos de proteína en leche. Para la validación de esta alimento concentrado fue necesario, primeramente, verificar in situ el comportamiento de los carbohidratos sobre el ph ruminal. Para este caso se tienen valores estables, cercanos al ph ruminal inicial de 6,5 y sobre los reportados por los productos comerciales. Luego de este análisis, se da paso a las pruebas in situ en vacas, para verificar el efecto en la producción de leche y salud del animal. Los resultados demuestran una eficiencia alimenticia superior al 3%, expresada en litros de leche producidos por unidad de alimento. Además, este producto alimenticio no modifica los parámetros sanguíneos del tipo glucosa, insulina, ß-hidroxibutirato y urea sanguínea. Hoy en día, la industria lechera prioriza el contenido de proteína en la leche al momento de pagar la producción. Pequeñas diferencias en este porcentaje son significativas para el productor. Sorprendentemente, este alimento concentrado logra un alza en el

25 contenido proteico superior al 2%, no incrementando el contenido de materia grasa en la leche.

26 Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Biofertilizante a base de lignina nitrada El biofertilizante en base a lignina nitratda es un producto con ventajas competitivas en el mercado de los fertilizantes. este es desarrollado a partir de un producto natural y biodegradable, que debido a la naturaleza química, reológica de la lignina, matriz del bifertilizante, proporciona una liberación lenta del nitrógeno en masa, el cual se será utilizado en una alta proporción por las plantas. esta situación lleva a utilizar menos fertilizante, por ejemplo, en palntaciones de grano y en frutos de exportación a quienes se les solicita bajar las cargas quimicas de sus plantaciones, ideal, utilizar un fertilizante de tipo orgánico. el biofertilizante contendrá 38% de nitrógeno total, el cual proviene del nitrógeno contenido en laestructura misma de la lignina (5%) y aoprte de nitrógeno de urea por ejemplo. La lignina fue utilizada como una matriz de liberación lenta de nutrientes, en este caso, para el nitrógeno. Se desarrollaron una gran variedad de ensayos para determinar la mejor forma de utilizarla. Dada su baja solubilidad, estudiaron dos formas de aplicación: (1) como recubrimiento (2) fusionado. (Figura 8). Se montaron técnicas analíticas de espectroscopía para determinar la cinética de liberación del nitrógeno en agua. Los resultados descartaron la primera opción y se determinó que la técnica de fusión y posterior particulado del material (lignina + urea) experimentó una menor cinética de liberación. La mejor composición de la partícula fue 20% lignina (p/p) y tamaño de partícula de 0,5 a 2 mm. Esta formulación fue utilizada en un ensayo de campo que validó la técnica empleada. Sin embargo, los resultados no fueron estadísticamente significativos. La estructura química de la lignina es compleja y debe ser modificada para lograr que pueda fundir y mezclarse con la urea. Por otro lado, la lignina es un polímero del cual puede obtenerse un mayor valor en otras aplicaciones. Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Producción Pulpa de paja de trigo como componente en la fabricacion de papel la pulpa de paja de trigo es un producto similar a la pulpa de madera, por lo cual servirá de sustituto de ésta. se estima que su precio será de un 15% menor a la pulpa Kraft de madera

27 Descripción del Logro Se realizó un ensayo demostrativo en la empresa asociada Papeles Bio Bio con la finalidad de evaluar la inclusión de la fibra de paja de trigo en la producción de papel. El tipo de papel producido fue de tipo Mural y la fibra de paja de trigo fue utilizada para reemplazar parcialmente la pulpa blanqueada de pino (BKPS). En este caso, del 25% de BKPS utilizada normalmente se utilizó 15% BKPS y 10% de pulpa de paja de trigo. Las características de la pulpa de paja de trigo utilizada en la prueba demostrativa fue: índice Kappa (19,7), viscosidad intrínseca (828 ml/g), sólidos (~ 28%), fibra larga de 1,3 a 3 mm (5,2%), fibra mediana de 0,8 a 1,3 mm (53,2%), fibra corta de 0,02 a 0,8 mm ( 41,7%), ph (2) y blancura (23,7 %) El papel producido fue evaluado respecto a sus propiedades de resistencia mecánica y blancura, obteniéndose: gramaje (100,2 g/m2), espesor (201 micras), longitud a la ruptura (678 mn) y blancura (60,5%). Se logró desarrollar exitosamente la prueba industrial. La pasta producida con pulpa de paja de trigo no causó problemas en la máquina papelera y sus propiedades mecánicas se presentaron dentro del rango exigido para la producción del papel base mural. Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Producción Tecnologia de deslignificacion de paja de trigo se obtendrán las condiciones óptimas de procesamiento de paja de trigo para separar los principales componentes químicos: celulosa, carbohidratos disueltos y lignina. Su principal competidor corresponde al material lignocelulósico forestal. La paja de trigo es un recurso no valorizado que se genera en grandes volúmenes durante la cosecha del trigo. frecuentemente es sometida a roces que son una fuente de incendios forestales y contaminación ambiental. La separación de cada uno de los componentes químicos es una oportunidad de generar productos de mayor valor agregado, esto es: pulpa celulósica en la producción de papel, lignina en fertilizantes de liberación controladas y carbohidratos disueltos en la producción de alimento para animales.

28 Descripción del Logro Se logró desarrollar una alternativa tecnológica para separar la paja de trigo en sus principales componentes: Celulosa, hemicelulosas y lignina. La tecnología apuntó a usar una materia prima cuantiosa (más de un millón de toneladas por año), la que se elimina mediante roces, causando graves problemas ambientales y de seguridad. La tecnología de separación se evaluó a escala de laboratorio, utilizando para ello ácidos carboxílicos (fórmico y acético) como solventes de lignina y hemicelulosas, aproximadamente un 50% de la masa de la materia prima original. Por otro lado, la celulosa residual correspondió a un sólido fibroso, el que se separa mediante filtración. La solución líquida, en tanto, se evaporó, para concentrar los componentes disueltos, y separar finalmente la lignina de hemicelulosas, precipitándola en agua. Las condiciones de procesamiento más adecuadas fueron las siguientes: Composición másica de la solución: Ácido fórmico/ácido acético/agua = 67/23/10, Temperatura: ebullición (107 C) Tiempo de extracción: 120 min. Razón líquido sólido: 20 En base a ello, se diseñó, construyó y operó una planta piloto que incluyó todas las etapas del proceso global: Extracción, evaporación y separación de lignina y hemicelulosas por precipitación en agua. La extracción operó en modalidad discontinua, lo cual trae una serie de inconvenientes, los cuales deben afrontarse para lograr un real interés en esta tecnología. La mejor opción es un reactor continuo en contracorriente que resultaría en una mejor calidad de los productos, debido a un proceso más homogéneo y controlado. La pulpa celulósica resultó con un valor de Nº Kappa igual a 20 (3% de contenido remanente de lignina) y una viscosidad intrínseca de 878 (ml/g). La blancura resultó en un 24%, lo cual era esperado al concebir sólo una etapa de deslignificación. Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Producción Sistema logistico de recoleccion, transporte y almacenamiento de paja de trigo El producto corresponde a un sistema, que consta de información logística comercial, respecto a la disponibilidad de paja de trigo en los lugares de generación, opiniones tecnológicas y costos de almacenamiento, transporte y requerimientos por parte de los usuarios, en especial, plantas que operan de acuerdo a la tecnología propuesta.

29 Descripción del Logro El resultado respecto de la logística de la paja de trigo se realizó determinando y evaluando de forma preliminar posibles alternativas de emplazamiento de las plantas de procesamiento de paja de trigo, basados en el volumen de paja de trigo disponible en Chile. Para el emplazamiento de la planta productiva se definió una capacidad de procesamiento de toneladas anuales. Se definieron dos distancias de aprovisionamiento de materia prima 25 km y 50 km. Del primer análisis se estimó la disponibilidad de paja de trigo en diferentes localidades, determinándose: La región del Maule tiene un potencial de producción de paja de trigo de toneladas anuales, lo cual representa el 11,72% del total de las regiones en estudio. Las comunas de Longavi, Parra y Retiro aportan toneladas al año, cerca del 50% de la producción regional. La producción de paja de trigo de la región del Biobío representa el 37,39% de la producción de las regiones en estudio, con un potencial anual de toneladas. Las comunas de Mulchén y Yungay son los principales productoras con y toneladas anuales, un 25% de la producción regional. La producción anual de paja de trigo de la Región de La Araucanía representa el 50% de la producción de las regiones en estudio, con un total de toneladas. Las comunas de Victoria y Traiguén aportan toneladas anuales, un 32% de la producción regional. Las comunas con mayor acceso de paja de trigo en los radios de cobertura definida son para un radio de cobertura de 25 km: Victoria ( t), Traiguén ( t), Lautaro ( t) y Yungay ( t) y para un radio de cobertura de 50km: Victoria ( t), Lautaro ( t), Vilcún ( t) y Traiguén ( t). El otro aspecto analizado fue la evaluación de las alternativas tecnologías disponibles y costos asociados para llevar a cabo los procesos de recolección y transporte de paja de trigo efectivamente. Se concluyó que el proceso de recolección y transporte de paja de trigo está compuesto por las etapas de enfardado, carga, transporte y descarga de la paja. Todas ellas se caracterizan por requerir solamente un operario por operación y un uso intensivo de maquinaria. Dada la complejidad del proceso, y la dependencia al uso de equipo agrícola para cada una de las etapas, se recomienda delegar este proceso a pequeñas empresas que se dedican a la recolección y comercialización de paja de trigo. La oferta de equipo agrícola para la recolección de paja de trigo es amplia. Se identificaron cinco empresas que comercializan maquinaria agrícola de origen estadounidense, inglés, francés, alemán, italiano y brasileño. Cada una de ellas ofrece gran variedad de equipos, precios y especificaciones técnicas. El costo del proceso de recolección y transporte para abastecer a una planta industrial que procese toneladas anuales de paja de trigo es $ , lo cual equivale a un costo de $ por tonelada de paja de trigo. Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Protección Solicitud de patente de invencion: pulpa de paja de trigo para papel se realizará una búsqueda nacional e internacional sobre la utilización de pulpa de paja de trigo o subproductos agrícolas para la producción de papel.

30 Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro Pulpa de paja de trigo como componente en la fabricacion de papel El uso de pulpa de paja trigo no logró propiedades sobresalientes en el papel, como sustituto, logró alcanzar sólo los valores de control requeridos. Se debe seguir estudiando cómo mejorar la calidad de la fibra para encontrar un modo de protección de esta fibra. Tipo Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Protección Solicitud patente invencion: proceso de deslignificacion se presentará solicitud de patente para proteger los resultados de la tecnología de deslignificación. Tecnologia de deslignificacion de paja de trigo El patentamiento del proceso desarrollado no pudo ser solicitado, debido a la existencia de patentes relacionadas. El uso de ácido fórmico y acético, fue utilizada considerando los estudios patentados por Nimz H., (1984) en materiales lignocelulósicos (madera) y luego, por la Compañía Industrial de Materias vegetales ( en Francia (2001), éste último con un proceso a presión atmosférica y en materiales de origen agrícola. (Nimz Horst Harry Hermann, Schoene Martin: Wood pulping with acetic acid and formic acid. Kaemmerer Projekt Agentur March 1994: EP ). Tipo Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Protección Factibilidad de patentamiento de fertilizante a base lignina se realizará una búsqueda nacional e internacional para evaluar la factibilidad de producir un fertilizante a partir de paja de trigo. Biofertilizante a base de lignina nitrada La lignina fue utilizada como matriz de liberación lenta de nutrientes. Del estudio de patentamiento se logró encontrar una patente relacionada al tema, pero una lignina distinta (diferente origen y proceso). Sin embargo, las propiedades resultantes de este fertilizante no fueron sobresalientes. Si bien mostraron un efecto de barrera, disminuyendo la cinética de liberación de nitrógeno al suelo, las diferencias no fueron estadísticamente distintas y los resultados no fueron del todo concluyentes. Tipo RESULTADO Resultado de Protección

31 Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro solicitud de patente: carbohidratos disueltos para alimentacion de bovinos se realizará una búsqueda nacional e internacional sobre la utilización de carbohidratos disueltos a partir de materias primas lignocelulósicas. Carbohidratos disueltos como suplemento de alimento para bovinos Se envió solicitud de patente de invención nacional con fecha , N Se protegió una formulación de alimento que incluye carbohidratos de paja de trigo obtenidos del proceso de deslignificación con ácidos carboxílicos. Los resultados fueron sobresalientes, demostrando la superioridad de este tipo de melazas comparadas a las obtenidas a partir de la remolacha. El tipo de proceso utilizado para obtener los carbohidratos de paja de trigo y la naturaleza de éstos, actuaron sinérgicamente en el metabolismo del animal mejorando la calidad de la leche y la eficiencia alimenticia del animal. El tipo de carbohidratos utilizados tiene un tamaño y naturaleza que permite complementar la degradabilidad de las otras fuentes proteicas y no proteicas, en la que la síntesis de nitrógeno se ve beneficiada. Tipo Nombre Descripción Resultados de Producción Asociados Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Transferencia y Negocios PAQUETE TECNOLOGICO Se describirá el proceso de obtención de los productos celulosa, lignina y carbohidratos disueltos. Se definirán los equipos, las etapas y las variables de proceso, características de la materia prima, se incorporará además el estudio logístico. Tecnologia de deslignificacion de paja de trigo Se entrega paquete tecnológico con información de las condiciones y etapas de proceso, como de las características de proceso. Tipo Nombre Descripción RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") Participacion 3rd Nordic Wood Biorefinery Conference La Nordic Biorefinery Conference es probablemente el evento más importante a nivel mundial con respecto a procesos integrados que buscan desarrollar nuevos usos de biomasa forestal. La conferencia la organizan de manera conjunta VTT de Finlandia y INNVENTIA de Estocolmo. El énfasis estuvo en procesos y productos de pirólisis rápida y la obtención y uso de carbohidratos oligoméricos a partir de lignocelulósicos. Se presentaron resultados relacionados con el proceso de deslignificación de paja de trigo con ácido acético y fórmico. el poster se denominó Fractionation of wheat straw components in carboxylic acid media.

32 Descripción del Logro La participación del congreso fue exitosa, se generando nuevos vínculos y la unión en temas relacionados con la utilización integral de residuos agrícolas, en la cual se está actualmente trabajando en la elaboración de un proyecto Europeo. Uno de lso puntos interesantes fue la obtención y uso de carbohidratos oligoméricos a partir de lignocelulósicos. Se presentaron resultados relacionados con el proceso de deslignificación de paja de trigo con ácido acético y fórmico. el poster se denominó Fractionation of wheat straw components in carboxylic acid media. Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") XXXVI Congreso de la Sociedad Chilena de Produccion Animal SOCHIPA Se presentan los primeros ensayos de degradabilidad ruminal de melazas de paja de trigo. El trabajo se denomina \"DEGRADABILIDAD RUMINAL DE MELAZAS DE PAJA DE TRIGO Y MADERA DE EUCALIPTUS Y SU EFECTO EN EL ph RUMINAL\". los resultados permitieron concebir una etapa 2, en ensayos in vitro y una etapa de aplicacion en vivo. Se demostró un efecto altamente positivo de las melazas de trigo a nivel de rumen, manteniendo el ph a un mejor nivel que las melazas de remolacha. La utilización de melazas de paja de trigo, como suplemento alimenticio, resultó en un primer ensayo in vivo, que demostró que son factibles de utilizar, mostrando características similares a la melaza de remolacha en cuanto a su aporte energético. La presentación del trabajo fue interesante al público, siendo un tema aún no explorado en Chile. Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") III Latin American Congress Biorefineries Se presentó el trabajo de valorización de residuos agrícolas, particularmente paja de trigo, como fuente de productos intermedios, celulosa, hemicelulosas y lignina, proporcionando además algunas potenciales aplicaciones. La presentación de los resultados competen directamente al proyecto fondef Desarrollo de Productos Comerciales a partir de paja de trigo. El trabajo es presentado al congreso de Biorefinerías, lo cual es una instancia para poder difundir los resultados del proyecto que está en su etapa final y además conocer el trabajo de otros grupos de investigación, tanto nacionales como internacionales. La tercera versión del Congreso Latinoamericano sobre Biorrefinerías, es el encuentro líder en Latinoamérica respecto a nuevos usos de biomasa. Presentación oral: Valorización de la paja de trigo para la obtención de componentes químicos de uso industrial, Cecilia Fuentealba, Alex Berg. Se presentaron los resultados finales en la deslignificación de paja de trigo. La alternativa de utilizar esta materia prima para obtener nuevos productos resultó interesante al publico participante. Destacó la capacidad a nivel piloto de producir cantidades interesantes de los productos: celulosa, lignina y carbohidratos, para estudio de aplicación. Institutos de Alemania y Japón, se intersaron en trabajar en conjunto.

33 Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") Congreso Iberoamericano de XXV Interamerican Congress of Chemical Engineering Se presentaron algunos resultados de la deslignificación de paja de trigo a escala laboratorio, utilizando un proceso a presión con acido acetico y fórmico. se presentó el trabajo denominado: \"Optimización del proceso de deslignificación de paja de trigo\". Se presentaron algunos resultados en la deslignificación de paja de trigo. La alternativa de utilizar esta materia prima para obtener nuevos productos resulta en una solución interesante e innovadora, lo cual evitaría las quemas y la pérdida de un material potencialmente utilizable. Tipo Nombre Descripción Descripción del Logro RESULTADO Resultado de Formación de Capacidades (Ex "Otros") Estudio de Cromatografia liquida El proyecto financió la compra de cromatógrafos líquidos HPLC Y GPC, por lo cual se capacitó al personal del Proyecto en la técnica de cromtografía, en cuanto al marco teórico de la cromatografía, análsis de resultados, técnicas de resolución de problemas y uso práctico del equipo en una capacitación realizada por el Instituto de Capacitación en Competencias humanas Ltda, en un curso que duró 24 horas. esto permitió la creación y el fortalecimiento de capacidades inexistentes hasta ahora en UDT respecto a este tipo de análisis. Se capacitó al personal del Proyecto en la técnica de cromtografía, en cuanto al marco teórico, análsis de resultados, técnicas de resolución de problemas y uso práctico del equipo en una capacitación realizada por el "Instituto de Capacitación en Competencias humanas Ltda.", en un curso que duró 24 horas. esto permitió la creación y el fortalecimiento de capacidades inexistentes hasta ahora en UDT respecto a este tipo de análisis. A través de esto se comenzaron a confeccionar los protocolos para la análisis de carbohidratos de materiales lignocelulósicos.

34 3.3 Gestión del Proyecto Plazos efectivamente utilizados v/s plazos considerados inicialmente Las actividades planificadas y distribuidas durante los tres años, sufrieron algunos aplazamientos. La razón de esto fue principalmente, debido a que varios resultados dependían del desarrollo de la tecnología de deslignificación, lo cual se logró en un tiempo mayor al estipulado (1 año y 6 meses). Además, se solicitó y concedió una prórroga de dos meses, luego de finalizado el proyecto, debido a la coordinación de una prueba demostrativa en la planta Papeles Bio Bio, que no pudo ser realizada en el periodo definido en la carta Gantt. La empresa realizó una serie de auditorías que impidieron organizarla. Esta prórroga permitió realizar la prueba cuidadosamente y organizarla de modo de no afectar el proceso productivo ni la máquina papelera Gastos Ejecutados vs. Presupuesto inicial El presupuesto inicial fue utilizado en su totalidad en las actividades del proyecto. No se generaron diferencias entre lo adjudicado y los gastos reales utilizados Participación de las instituciones y Empresas Las empresas asociadas participaron apoyando diversas actividades durante el desarrollo del proyecto. Granotop mantuvo un aporte constante en materias primas y apoyó el informe de logística de la paja de trigo y de las alternativas tecnológicas utilizadas para su recolección. Esta empresa, apoyó además, la formulación de un nuevo proyecto (IdEA Innovación Tecnológica) dado los resultados obtenidos en la ejecución del proyecto D08i1100. Por otro lado, Bioleche mantuvo su aporte en materias primas, principalmente envió durante el 2011 y 2012 varias toneladas de concentrado alimenticio para las vacas lecheras que se utilizarían en el ensayo de campo. Durante el ensayo de campo con el alimento animal, apoyó en la coordinación del ensayo. También, aportó en fertilizantes para el estudio de campo y ensayos preliminares del fertilizante de liberación controlada. Finalmente, Papeles Bio Bio participó activamente evaluando la calidad de la fibra de paja de trigo, ya sea desde un punto de vista morfológico como de la evaluación de pruebas de resistencia mecánica de las diferentes mezclas propuestas. La empresa dispuso personal, maquinaria, materias primas y suministros para el ensayo demostrativo. Se realizaron varias reuniones durante los tres años, muchas de ellas en las empresas para dar a conocer avances en los resultados del proyecto. La representante de Granotop, Karina von Baer participó activamente en todas las reuniones realizadas en UDT. En general, el proyecto mantuvo contacto e interés con todas sus empresas asociadas Participación de las instituciones y Empresas El(la) Representante Institucional de cada Institución Beneficiara UNIVERSIDAD DE CONCEPCION

35 La Unidad de Desarrollo Tecnológico se benefició con la ejecución del proyecto Fondef D08i1100 Desarrollo de Productos Comerciales a Partir de Paja de Trigo desde varias perspectivas: Por una parte, se conformó un grupo de trabajo, el que seguirá unido aun después del término del proyecto, escalando los resultados obtenidos. También se cuenta con una renovada infraestructura, tanto a nivel de laboratorio como piloto; cabe desatacar un equipo GPC y la adecuación y acondicionamiento de una planta de extracción a nivel piloto. Por otra parte y como resultado principal, se cuenta con resultados que constituyen la base de un paquete tecnológico, el que se continuará desarrollando, para transferirlo en un mediano plazo al sector productivo. Este contiene, entre otros, la solicitud de patente de invención Alimento concentrado para animales rumiantes. En definitiva, la ejecución del Proyecto Fondef permitió fortalecer la posición competitiva de UDT, no sólo en Chile sino también en Latinoamérica, como ente especializado en el fraccionamiento químico de biomasa lignocelulósica y el desarrollo de productos comerciales a partir de sus componentes. El(la) Director(a) del proyecto La ejecución del proyecto Fondef D08i1100 Desarrollo de Productos Comerciales a Partir de Paja de Trigo permitió establecer un grupo de trabajo conformado por investigadores, profesionales y técnicos especializados en los ámbitos: extracción selectiva de componente de biomasa con solventes orgánicos, caracterización de carbohidratos y lignina, y uso de los componentes celulosa, hemicelulosas y lignina. Adicionalmente, se implementó metodologías experimentales y análisis, y se redactaron instructivos de operación. Los resultados del proyecto fueron muy positivos, lo que se tradujo en nuevo conocimiento científico, el que permitió desarrollar una tecnología de separación de los componentes principales de paja de trigo con buenas perspectivas industriales. El desarrollo se efectuó tanto a nivel de laboratorio como piloto. La aplicación evaluada para los componentes celulosa, como materia prima para la industria papelera, hemicelulosas, como aditivo energético para vacunos, y lignina, como encapsulante de abonos nitrogenados, también fue auspiciosa. La relación con las empresas asociadas fue cercana y constructiva. De hecho, se ha mantenido el contacto con ellas lo que se traduce en iniciativas para continuar con el escalamiento de la tecnología e iniciar nuevas iniciativas de I+D.

36 IV. Informe CT y Económico Social 4.1 Negocios Tecnológicos y Productivos Síntesis de las actividades realizadas en Transferencia La ejecución proyecto Fondef incluyó el desarrollo dos actividades de transferencia tecnológica: el ensayo demostrativo de producción de papel en base a pulpa de paja de trigo, realizado junto con la empresa Papeles Bio Bio, y el ensayo de campo del concentrado energético en vacas lecheras, que fue logrado junto con la empresa Bioleche.

37 4.3 Impactos Producidos Y Esperados Impactos económicos-sociales Actualmente el uso de la paja de trigo es minoritario (alimentación de rumiantes y forraje). Su destino es quemarla en el campo, lo que provoca serios daños al ambiente (suelo y aire). El plan desarrollado de recolección, almacenamiento y transporte de la paja de trigo aporta información relevante sobre la disponibilidad de la paja de trigo, con ello es posible prever la utilización de este recurso no valorizado y concebir una planta de procesamiento, para dar uso integral a este recurso y desarrollar aplicaciones que sean atractivas comercialmente. Los Agricultores se beneficiarán directamente de esta tecnología, ya que se evitará la quema de roces, mejorando la calidad de vida, disminuyendo considerablemente la contaminación del aire y los riesgos de incendios forestales y agrícolas Impactos científicos-tecnológicos Se logró el desarrollo de nuevos conocimientos científicos y tecnológicos que se tradujeron en la obtención de una nueva tecnología para la separación y utilización de los componentes principales de la paja de trigo que poseen perspectivas industriales favorables que impulsó la generación de nuevas iniciativas I+D Impactos Institucionales El desarrollo de proyecto permitió el fortalecimiento de las capacidades del personal de UDT en cuanto a las habilidades para la conversión de materiales lignocelulósicos para el desarrollo de materias primas intermedias de alto valor, como también se logró fortalecer las habilidades analíticas para su caracterización gracias a la implementación de los sistemas HPLC y GPC. Se logró fortalecer el trabajo Empresa-Universidad hacia la obtención de resultados, en la búsqueda de nuevas alternativas de procesamiento de materias primas y desarrollo de productos que valorizan los recursos nacionales, de acuerdo a esto, junto a la experiencia adquirida y la capacidad de identificar nuevas oportunidades por parte de las empresas asociadas, permitió reconocer otras fuentes potenciales para el desarrollo de productos funcionales aplicables a las necesidades de la industria agropecuaria, como por ejemplo la torta de raps Impactos Ambientales La alternativa propuesta para la utilización de la paja de trigo tiene un impacto ambiental altamente positivo, ello es gracias a la implementación de un proceso de fraccionamiento de la paja que es una alternativa tecnológica para la obtención de materias primas mediante la utilización de solventes orgánicos de bajo impacto ambiental, que pueden ser recuperados y reutilizados, y que posibilita la recuperación individual de los principales componentes de la paja de trigo con una mínima generación de residuos del proceso. Por otra parte, esta alternativa representa un medio que permite contener el roce de rastrojos que son una fuente de contaminación medioambiental que además provoca la pérdida de calidad del suelo junto al riesgo de propagación de incendios a sectores colindantes. Es por esto, que el problema se abordo de forma integral y se incluyó un plan estratégico de recolección y transporte de la paja de trigo que asegura la suministro de materia prima y, que a la vez, facilita la disposición de la paja por parte de los productores Impactos Regionales

38 Se ha identificado que el proyecto tendrá impacto sobre las regiones de la Araucanía, del Bio Bio y de los Lagos, las cuales se verán beneficiadas principalmente por la disminución en la quema de rastrojos en la medida que se logre recolectar, almacenar y transportar la paja de trigo de forma rentable y eficiente a las plantas procesadoras para transformar este recurso en un producto final comercial, lo cual es altamente positivo ambiental como socialmente. De las regiones mencionadas, la región de la Araucanía se verá beneficiada por sobre las otras regiones, ya que es donde se producirían los impactos más fuertes e importantes, debido a que es en esta región donde se desarrollará exclusivamente la recolección de la paja de trigo, esto es debido a que se encuentra en forma suficiente para abastecer sin problemas las plantas de producción. V. Anexos

39 "DESARROLLO DE PRODUCTOS COMERCIALES A PARTIR DE PAJA DE TRIGO". INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO REALIZADOS POR EL PROYECTO OBSERVACIÓN: El límite máximo de este documento es de 4 páginas, aparte de la portada 1

40 Proceso de I+D desarrollado durante la ejecución del proyecto. El proyecto aborda la problemática de uso de la paja de trigo, dado que esta es una materia prima cuantiosa (apróx. 2 MM ton/año) y sin valor comercial. Muchos esfuerzos han sido avocados a su valorización, destacándose hasta ahora su uso con fines energéticos. Pese a ello, el problema aún no tiene una solución que considere los volúmenes existentes y además, que disponga una alternativa a la quema de este recurso, práctica común para los agricultores. Dada la similitud de la composición química de la paja de trigo con la madera y que sus componentes químicos: celulosa, hemicelulosas y lignina tienen un gran potencial de utilización, se hace necesario desarrollar tecnologías viables que permitan fraccionar la paja de trigo de forma limpia y eficiente para elaborar productos de alto valor comercial. En un comienzo la paja de trigo fue sometida a diferentes tratamientos químicos, cuyo objetivo principal fue maximizar la extracción de la lignina y carbohidratos, sin dañar la estructura química de la celulosa obtenida en el proceso. La base de la elección del proceso fue utilizar ácidos orgánicos que implicaran un proceso simple, preferencialmente a presión atmosférica, temperatura de ebullición y por ende fácil de escalar. El criterio de evaluación utilizado consistió en determinar para cada alternativa de deslignificación lo siguiente: Rendimiento: Corresponde a la pulpa obtenida del proceso de deslignificación respecto a la paja de trigo inicial (en base seca). N Kappa: Es un indicador del grado de deslignificación de la pulpa y tiene relación directa al contenido residual de lignina en la fibra. A menor N Kappa, mayor deslignificación. Viscosidad intrínseca: Indica el grado de depolimerización de la celulosa producido por el proceso de deslignificación. Altos valores indica que la celulosa no ha sufrido daño. Los valores esperados se mencionan en la figura 1. Figura 1. Etapas del desarrollo experimental Respecto a la selección del solvente, se consideró la evaluación de tres tipos de solventes. La figura 2 muestra las variables en estudio y la figura 3, los pasos requeridos para obtener los productos objetivos a evaluar. Figura 2. Solventes y variables estudiadas 2

41 Figura 3. Etapas del proceso de deslignificación para obtener los productos de interés. El uso de ácido nítrico fue una alternativa interesante por el hecho de que el ácido nítrico no se perdía en el proceso y una parte importante interactuaba con la molécula de lignina, produciendo una lignina nitrada que tenía un buen potencial de aplicación como una matriz de liberación lenta para su uso en fertilizantes. Sin embargo, los resultados mostraron que el uso del ácido nítrico es un agente de oxidación fuerte, extrayendo un alto contenido de lignina; pese a ello, esto iba acompañado de una degradación importante de la celulosa, dado por los bajos valores de viscosidad obtenidos. El uso de ácido fórmico y acético, fue utilizada considerando los estudios patentados por Nimz H 1., (1984) y luego, por la Compañía Industrial de Materias vegetales (CIMV) en Francia (2001), éste último con un proceso a presión atmosférica y en materiales de origen agrícola. Los resultados obtenidos fueron muy satisfactorios, la pulpa obtenida contenía un bajo contenido de lignina residual, cuando la deslignificación se realizaba a altas concentraciones de ácido fórmico. Sin embargo, se hacía menos selectiva cuando la proporción de agua en la mezcla se incrementaba a valores mayores de un 30% de la solución. La calidad de la pulpa permitía cumplir con la fabricación de papel, aplicación prevista en este proyecto para la pulpa celulósica. Dado que concebir un escalamiento industrial del proceso con ácido fórmico es complejo, muy corrosivo y más costoso desde un punto de vista de inversión; y además que la paja de trigo, como la madera, generan ácido acético, se realizaron los siguientes experimentos incorporando ácido acético a la mezcla deslignificante. Esto permitió bajar el contenido de ácido fórmico del 90% al 67-70%, con no más de un 20% de agua en la mezcla. Las condiciones obtenidas para el escalamiento fueron las siguientes: ácido acético 67% ±3, ácido acético: 20% ±5 y agua 13% ±2, una razón líquido/sólido de 5, temperatura de ebullición y tiempo de digestión de 2 horas. El escalamiento de estas condiciones tenía por objetivo la producción de cantidades suficientes de celulosa, carbohidratos y lignina (productos intermedios) para aplicarlos en la producción de papel, alimento animal y una matriz para fertilizante de liberación controlada, respectivamente. La figura 4 presenta la planta de deslignificación discontinua en la cual se realizó el escalamiento. Figura 4. Planta piloto de deslignificación discontinua para paja de trigo Una vez obtenidos los productos desde la planta piloto se estudiaron los casos de aplicación. Antes de utilizar las materias primas obtenidas, tanto la celulosa, carbohidratos y lignina fueron sometidas a ensayos de laboratorio que respaldaran las aplicaciones previstas. A continuación se muestra caso por caso el desarrollo de cada producto. 1 Nimz Horst Harry Hermann, Schoene Martin: Wood pulping with acetic acid and formic acid. Kaemmerer Projekt Agentur March 1994: EP

42 Carbohidratos para alimentación animal: Para estudiar el efecto de los carbohidratos disueltos (melaza de paja de trigo), se diseñó un experimento, el cual fue liderado por la Dra. Pamela Williams, Investigadora del proyecto. El primer ensayo exploratorio se realizó en corderos fistulados de la siguiente manera: Se realizó un diseño experimental de tipo factorial 9x2, correspondiente a 9 tiempos y 2 alimentos, melaza de remolacha comercial (melazán) (control) y hemicelulosas de paja de trigo y 5 repeticiones por tratamiento. Para la incubación en el rumen se incluyeron 9 muestras por animal de cada producto a evaluar, cada una debidamente etiquetada, con un peso de 5 g de materia seca (MS) cada una, dentro de bolsas de dacron de 5x5 cm de dimensión. Las 9 muestras fueron agrupadas dentro de una bolsa de polyester de 20x20 cm de dimensión y atada por un hilo de nylon a la tapa de la cánula. Las bolsas se sumergieron en agua por medio minuto para simular el paso que tiene el alimento antes de llegar al rumen y en su totalidad introducidas en el rumen. Luego estas fueron retiradas después de 10, 20, 30, 45 min, 1, 1,5; 2, 6, 12 h. Los residuos una vez retirados del rumen se lavaron con agua fría, y se congelaron y secaron por liofilización por un periodo 72 horas. Los residuos posteriormente fueron pesados en una balanza analítica. Además de determinar la pérdida de masa se determinó el ph ruminal cada vez que se extrajo una muestra. Dado que los carbohidratos presentaron una similar degradabilidad ruminal y mejor efecto en el ph ruminal que la melaza de remolacha, se coordinó y diseñó un experimento utilizando vacas lecheras para determinar el efecto del uso de este tipo de melaza en la producción de leche y salud del animal (figura 1 y 2, (a) remolacha (b) paja de trigo). (b) (a) Figura 5. Degradabilidad de melazas Figura 6. Ph ruminal en corderos fistulados Ensayo de campo con vacas lecheras: Para verificar las propiedades del alimento para rumiantes se ensayó durante 21 días, utilizando los primeros 7 días como acostumbramiento de los animales al manejo individual y a las dietas, y los siguientes 14 días correspondieron a la evaluación propiamente tal. Se utilizaron 10 vacas Holstein (n=10) de tercer y cuarto parto en su cuarto mes de lactancia, cuyo peso promedio era de 654 kg, con una producción lechera de 22 litros/día, las que fueron estabuladas individualmente. Se trabajó con 2 tratamientos (n=5), el primero consistió en la incorporación de un 4% de melaza de paja de trigo, teniendo como comparación o control la inclusión de un 4% de materia seca de melaza de remolacha como ingrediente convencional. Las hembras fueron alimentadas con una dieta fija isoenergética e isoproteíca para ambos tratamientos con 18 Kg de materia seca, la que se repartió en 2 raciones una después de cada ordeña en un régimen de 40:60. La ordeña se realizó dos veces por día y la eficiencia de alimentación se calculó dividiendo la producción de leche diaria, la producción de leche ajustada al 3,5% de materia grasa, producción ajustada por energía y ajustada por sólidos, y por el consumo diario de materia seca (Broderick et al, 2008). Al inicio, al día 7 y 14 del ensayo, se tomaron muestras por vaca de cada ordeña para el análisis de la concentración de proteína, materia grasa, lactosa, sólidos totales, sólidos no grasos y urea. Estas muestras fueron analizadas mediante espectroscopia infrarroja. Adicionalmente, se tomaron muestras de sangre de la vena coccígea al inicio, al día 7, y al finalizar el ensayo (día 21) para cuantificar las variaciones en la concentración de glucosa, β- hidroxibutirato y urea. Se pudo establecer el efecto superior en la producción de leche y proteína para el caso de carbohidratos solubles de paja de trigo. Lo anterior se debió a la sincronía energía-proteína y a la mejor eficiencia de nitrógeno durante el proceso de degradabilidad del alimento en el rumen, obteniendo efectivamente un 12% de aumento de leche diaria en el grupo de vacas de ensayo. En base a los resultados obtenidos, se pudo demostrar la superioridad del alimento concentrado en relación al tradicional de melaza de remolacha. Pulpa celulósica de paja de trigo para la producción de papel. Se realizó un ensayo demostrativo en la empresa asociada Papeles Bio Bio con la finalidad de evaluar la inclusión de la fibra de paja de trigo en la producción de papel. El tipo de papel producido fue de tipo Mural y la fibra de paja de trigo fue utilizada para reemplazar parcialmente la pulpa blanqueada de pino (BKPS). En este caso, del 25% de BKPS utilizada normalmente se utilizó 15% BKPS y 10% de pulpa de paja de trigo. 4

43 Las características de la pulpa de paja de trigo utilizada en la prueba demostrativa fue: índice Kappa (19,7), viscosidad intrínseca (828 ml/g), sólidos (~ 28%), fibra larga de 1,3 a 3 mm (5,2%), fibra mediana de 0,8 a 1,3 mm (53,2%), fibra corta de 0,02 a 0,8 mm (41,7%), ph (2) y blancura (23,7 %). Las etapas de producción del papel consistieron en: - Neutralización de la pulpa cruda de paja de trigo - Disgregación de la pulpa de paja de trigo. - Carga y disgregación de la pulpa de paja de trigo neutralizada al Pulper. - Producción de pasta para la producción de papel base mural. - Preparación de mezcla pasta de celulosa y pulpa de paja de trigo - Alimentación del estanque para incorporación de pasta - Formación y secado del papel Gramaje Espesor L. Ruptura Rasgado Blancura Unidad g/m 2 micra km mn % Estándar 100, , ,0 Mínimo 97, , ,5 Máximo 102, ,5 Tambor 1 100, , ,5 Tambor 2 99, , ,4 Tambor 3 93, , ,4 Figura 7. Ensayo demostrativo producción de papel mural. Posteriormente, el papel fue evaluado respecto a sus propiedades de resistencia mecánica y blancura. A continuación se muestran los resultados: Tabla 1. Propiedades mecánicas del papel (ensayo demostrativo). Se logró desarrollar exitosamente la prueba industrial. La pasta producida con pulpa de paja de trigo no causó problemas en la máquina papelera y sus propiedades mecánicas se presentaron dentro del rango exigido para la producción del papel base mural. Lignina como matriz de liberación lenta de nutrientes La lignina fue utilizada como una matriz de liberación lenta de nutrientes, en este caso, para el nitrógeno. Se desarrollaron una gran variedad de ensayos para determinar la mejor forma de utilizarla. Dada su baja solubilidad, estudiaron dos formas de aplicación: (1) como recubrimiento (2) fusionado. (Figura 8). Se montaron técnicas analíticas de espectroscopía para determinar la cinética de liberación del nitrógeno en agua. Los resultados descartaron la primera opción y se determinó que la técnica de fusión y posterior particulado del material (lignina + urea) experimentó una menor cinética de liberación. La mejor composición de la partícula fue 20% lignina (p/p) y tamaño de partícula de 0,5 a 2 mm. Esta formulación fue utilizada en un ensayo de campo que validó la técnica empleada. Sin embargo, los resultados no fueron estadísticamente significativos. La estructura química de la lignina es compleja y debe ser modificada para lograr que pueda fundir y mezclarse con la urea. Por otro lado, la lignina es un polímero del cual puede obtenerse un mayor valor en otras aplicaciones. Figura 8. Lignina como matriz de liberación lenta de nitrógeno. Conclusiones Los objetivos del proyecto fueron alcanzados satisfactoriamente, desarrollando una alternativa tecnológica para separar los tres productos químicos de la paja de trigo y desarrollando productos a nivel demostrativo con excelentes resultados. El escalamiento del proceso consideró el diseñó, construcción y operación de una planta piloto que incluyó todas las etapas del proceso global: Extracción, evaporación y separación de lignina y hemicelulosas por precipitación en agua. La extracción opera en modalidad discontinua, lo cual genera inconvenientes que deben ser solucionados si se quiere llegar a un escalamiento industrial. Los estudios realizados respecto a esto, parecen dirigir la solución hacia un proceso continuo, con lo que cabe esperar una mejor calidad de los productos, debido a un proceso más homogéneo y controlado. 5

44 Universidad de Concepción Negocio Tecnológico Tecnología de producción del biofertilizante Royalty Tecnología de producción concentrado energético Royalty Tecnología deslignificación de paja de trigo Royalty Bioleche Ltda. Granotop S.A. Negocio Tecnológico Biofertilizante $M Concentrado energético $M Pulpa ceclulósica $M Usuarios (Agroquímicos, agricultores) Usuarios (Empresas pecuarias) Usuarios (Papeles Bio Bio) Lignina Melaza

45 V. ANEXOS ANEXO 1. EVALUACIÓN ECONÓMICA SOCIAL Y PRIVADA 1 A1.1. Evaluación Económica Social A Qué productos, servicios o procesos se ha considerado en la evaluación económica social? Se ha considerado el proceso de recolección de paja de trigo en forma masiva, ya que actualmente la mayor parte es quemada en el campo, lo que provoca daños y alteraciones medioambientales. El insertar el proceso de recolección de paja, es beneficioso, tanto para el medio ambiente como para los agricultores que evitarán los roces. A Cuáles son los beneficios y tipo de impactos económico-sociales cuantificados? a) Indique cuáles serán los principales ítems de beneficios a nivel país. Utilización de un producto subutilizado: La paja de trigo actualmente es mínimamente utilizada, para alimentación de rumiantes, forraje y cama de animales, el resto es quemada. Por lo tanto, la inserción del proyecto significaría una valoración de la paja y con ello un aumento de su valor a lo largo del tiempo. Con el proyecto se espera llegar a utilizar un 18% de la paja generada a nivel nacional. Mejoramiento de la calidad de vida: Eliminar la quema de rastrojos de trigo es beneficioso, para evitar contaminación del aire y una fuente de incendios forestales y agrícolas. b) Indique cuáles son las variables más críticas Variable 1: Cantidad de paja de trigo utilizada. Variable 2: Tasa de crecimiento precio paja de trigo Sin Proyecto Variables Criticas Variable 1 Variable 2 Unidad ton % Valor escenario pesimista % Valor escenario optimista % Valor escenario más probable % 1 Utilizando el formato de evaluación desarrollado para la presentación inicial del proyecto, recalcule los indicadores económicos del proyecto con base en los resultados obtenidos, el análisis del estado del arte y las condiciones económicas actuales. Analice las principales diferencias con la evaluación ex ante (Informe de síntesis enviado a las instituciones en la adjudicación). Informe los indicadores obtenidos. Incluya los detalles de la evaluación económica social, económica privada y memoria de cálculo utilizada. Esta evaluación debe ser consistente con los impactos indicados en el punto 4.3. (INCLUYA FORMATO ACTUALIZADO QUE SE UTILIZA EN LA POSTULACION) 1

46 Con proyecto Variables Criticas Variable 1 Variable 2 Unidad ton % Valor escenario pesimista ,5% Valor escenario optimista ,5% Valor escenario más probable % Con estas variables será posible medir dos aspectos. El primero corresponde a los ingresos por venta de paja de trigo, lo cual variará bastante, tanto porque aumentará la cantidad de paja utilizada (variable 1), como porque con proyecto el valor de la paja irá aumentando en el tiempo (variable 2). El segundo aspecto que se evaluará corresponde a las repercusiones ocasionadas por la quema de rastrojo en el sistema ambiental, ya que no sólo altera de forma significativa la calidad del aire, sino que puede resultar muy perjudicial para la vida de la flora y fauna de los alrededores. Al quemar rastrojo se emiten diversas sustancias, entre las que encontramos material particulado, monóxido de carbono, hollín, dioxinas, furanos y otras. Lamentablemente no existen antecedentes suficientes de todas ellas para realizar la evaluación económica correspondiente, pero sí existen datos de las dioxinas y furanos, por lo que aquello se evaluó. El detalle se presenta en la memoria de cálculos. c) Indique cuál es la velocidad de logro del impacto. Desde el primer año de desarrollo del proyecto es posible percibir impactos, los que irán aumentando a través del tiempo. Por ejemplo, disminuirán las quemas de paja de trigo, ya que será utilizada para procesos productivos. A Cuál es el horizonte de evaluación y la curva de adopción? Se consideró un horizonte de evaluación de 10 años. A Cuál es la situación actual? (En la cual no se consideran proyecciones con el proyecto). La paja de trigo seguirá teniendo un uso pequeño, del orden del 5% del total, por lo que su precio se mantendrá bajo y estable en el tiempo. Por otro lado, seguirán siendo habituales las quemas de rastrojo, lo que aumenta los problemas ambientales y las posibilidades de incendios forestales y agrícolas (beneficios no cuantificables en esta evaluación). A Cuál será la situación futura a causa de la ejecución del proyecto? Se incorporarán nuevos mercados para la paja de cereales, lo que le dará valor económico a ésta a través del tiempo. La paja de trigo tendrá mayor demanda y generará beneficios a la comunidad. Disminuirá la contaminación ambiental causada por la quema de rastrojo. 2

47 A Cuáles son los beneficios económico-sociales no cuantificados? Los beneficios económico-sociales no cuantificados son: Disminución de riesgos de incendios forestales producidos por la quema de paja de trigo. Obtención de un producto nuevo en el mercado (biofertilizante), con características mejores que otorgará beneficios a los usuarios. Se incentivará el desarrollo de nuevas tecnologías a nivel nacional, lo que es beneficioso para el desarrollo económico del país. A Cuál es el impacto regional del proyecto? El proyecto se desarrolla en la Novena Región, lugar en el que se producirán los impactos más fuertes e importantes. La recolección de paja de trigo se realizará exclusivamente en esta región, ya que es suficiente para abastecer las plantas de producción. A Cuáles son los indicadores de la evaluación económica-social? VAN (8%) TIR millones de pesos % ,85 3

48 A1.2. Evaluación Económica Privada A Cuáles son los negocios considerados en la evaluación económica privada? a) Negocio Tecnológico para la Institución y Contrapartes (Considere el principal). El negocio tecnológico consiste en el licenciamiento de tres paquetes tecnológicos: Recolección y comercialización de paja de trigo: Recolectar, densificar, almacenar y comercializar paja de trigo. Separación de los componentes de paja de trigo: Tecnología para separación de paja de trigo en sus tres componentes principales: pulpa celulósica, lignina nitrada y azúcares disueltos. Fertilizante fabricado en base a lignina de paja de trigo, que permite la liberación controlada de urea, bajo condiciones características de los suelos de la zona sur de Chile. El negocio tecnológico será realizado por la Universidad de Concepción. Ésta compartirá los beneficios del negocio (mediante la venta de licencias) con las empresas asociadas, en proporción lineal con los aportes para realizar el proyecto de I&D. Si bien las condiciones del licenciamiento deberán ser negociadas con las empresas interesadas durante la etapa final del proyecto de I&D, para efectos de la presente evaluación se asume que ésta será de un 4% con respecto a las ventas. Inversión Concepto Cantidad Valor unitario Valor total MM$ MM$ Negociación del contrato Actividades jurídicas Corresponde a la contratación de grupo de trabajo encargado de negociar la transferencia Concepto Cantidad Valor unitario MM$ Valor total MM$ Activos complementarios Note book Desktop 3 0,5 1,5 Data Show Impresora, Scaner, Celulares 1 1,3 1,3 Inversión Total 10,8 Costos Los costos operativos involucrados en la transacción corresponden a capacitación entregada por la institución a la contraparte, a lo largo de aproximadamente un año. Auditorias anuales, realizadas por un organismo externo, a las empresas contrapartes. 1

49 Concepto Valor Total MM$/año Capacitación Personal 6,34 Viáticos y estadías 3,17 Manuales y Apuntes 1,27 Depreciación equipos 0,00 Auditorias anuales 9,00 Total 19,77 b) Negocio Productivo o de Servicios (Considere el principal) El proyecto considera desarrollar tres negocios productivos, relacionados entre sí: Recolección, densificación, almacenamiento y comercialización de paja de trigo Producción de celulosa, carbohidratos solubles y lignina a partir de paja de trigo Producción de biofertilizantes en base a lignina De estos tres negocios, el más importante es el de separación de componentes de la paja de trigo, ya que el objetivo principal es darle una utilidad importante a la paja obteniendo beneficios de ello. Producción de celulosa, carbohidratos solubles y lignina a partir de paja de trigo. Descripción del negocio El negocio consiste en la producción de tres productos a partir de paja de trigo, los cuales son de gran interés comercial: pulpa celulósica, lignina y azúcares disueltos. Los rendimientos de cada producto son: 46% celulosa, 20% lignina, 24% azúcares y 10% de pérdida. El tamaño del negocio se estimó inicialmente en toneladas de paja de trigo, lo cual corresponde a la capacidad de una planta trabajando en 3 turnos. Esta producción irá aumentando en el tiempo, aunque inicialmente el crecimiento será más lento, ya que la tecnología deberá madurar y los productos se deberán validar en el mercado. Cabe destacar que las plantas sólo producirán a su máxima capacidad, por lo que se construirá una planta cuando el mercado esté en condiciones de demandar toneladas más. De acuerdo a lo anterior, sólo en el tercer año de iniciado el negocio se instalará la segunda nueva planta, y luego se instalará una planta cada dos años, ya que se tendrá el know how técnico y los productos ya estarán posicionados en el mercado, llegando así a producir toneladas en el año 10. Es importante tener presente que la inversión de plantas se realiza el año anterior que se comience a producir en ella. De información publicada por empresas de producción de celulosa y de opinión experto, se obtuvo el costo de inversión para los distintos componentes de una planta para procesamiento de toneladas de paja de trigo. La vida útil de las instalaciones y sus componentes ha sido considerada en 20 años, valor obtenido por información de plantas de celulosas ya instaladas, con una depreciación lineal. 2

50 Inversión inicial Costo de inversión en infraestructura Valor (US$) Valor ($) Valor (MM$) Equipos $ $ Construcción $ $ Terreno $ $ 61 Oficinas $ $ 236 Instalaciones (electrica, agua) $ $ 106 Total $ $ A Qué horizonte de evaluación se ha considerado? Se considera un horizonte de 10 años para la evaluación económica privada, período que es utilizado para proyectos que incluyen fabricación y comercialización de nuevos productos o con características mejoradas. A Cuáles son los indicadores económicos del negocio tecnológico principal para la institución de I&D? VAN Tasa de descuento TIR % MM$ % A Cuáles son los indicadores económicos del negocio productivo o de servicios principal para un agente intermedio tipo? VAN Tasa de descuento MM$ % 12 TIR % A Cuáles son los indicadores económicos del negocio productivo o de servicios principal para la suma de todos los posibles agentes intermedios? VAN Tasa de descuento MM$ % 9 TIR % 1 Es posible utilizar otra tasa pertinente para el sector en la ev. del negocio tecnológico o productivo 3

51 A1.3. Memorias de Cálculo. A Memoria de cálculo de la evaluación económico-social. Situación Sin Proyecto a) Identificación de Variables Críticas: Variable 1: Cantidad de paja de trigo utilizada. Variable 2: Tasa de crecimiento precio paja de trigo. Variables Críticas Var. 1 Var. 2 Unidad ton % Valor Escenario Pesimista Valor Escenario Optimista % % Valor Más Probable % b) Cálculo de Ingresos: AÑO INGRESOS Venta paja de trigo Externalidad negativa producida por el rastrojo de paja. Moneda extranjera equivalente Total ingresos Los primeros ingresos corresponden a la venta de la paja de trigo, que actualmente es utilizada para la alimentación rumiantes, preparar camada de animales y otros usos menores. El precio de la paja se consideró constante (valor más probable) a $ que corresponde al precio actual de venta y la cantidad utilizada está representada por la variables 1. Los segundos ingresos corresponden a la externalidad negativa producida por el rastrojo de trigo, es decir las repercusiones ambientales, lo cual de acuerdo a equivale a US$ / g EQT. Considerando que el factor de emisión para la quema de biomasa es 10 µg EQT/ton para la tierra y 0,5 µg EQT/ton para el agua, el costo por tonelada de paja quemada es US$ 5,229. Por lo tanto los ingresos se obtienen multiplicando ese valor por la cantidad de paja de trigo utilizada (variable 1) 1

52 c) Cálculo de Costos: No se consideran costos. d) Cálculo de Inversiones: No se consideran Situación Con Proyecto a) Identificación de Variables Críticas: Variable 1: Cantidad de paja de trigo utilizada Variable 2: Tasa de crecimiento precio paja de trigo Variables Críticas Var. 1 Var. 2 Unidad ton % Valor Escenario Pesimista Valor Escenario Optimista ,5% ,5% Valor Más Probable % b) Cálculo de Ingresos: AÑO INGRESOS Moneda nacional Externalidad negativa producida por el rastrojo de paja Moneda extranjera equivalente Total ingresos Al igual que en la situación sin proyecto, los primeros ingresos corresponden a la venta de paja de trigo, sin embargo en esta oportunidad la cantidad utilizada (Variable 1) corresponde al promedio de lo utilizado anualmente para el proyecto ( ton/año), más lo utilizado actualmente. Este valor se multiplica por su valor de venta, que en el año 1 corresponde a $14.853, pero posteriormente el precio aumentará un 3 % anual (Variable 2). Los segundos ingresos nuevamente corresponden a lo producido por el rastrojo y se evalúan de igual forma. 2

53 c) Cálculo de Costos: No se consideran costos. d) Cálculo de Inversiones: INVERSIONES En moneda nacional En moneda extranjera Total inversiones Costo I&D (parciales por año) En M/N En M/E Total I&D (Todos los aportes) Sólo solicitado a FONDEF A Memoria de cálculo de la evaluación económica privada Negocio Tecnológico para la Institución (Considere el principal) a) Cálculo de Ingresos El tamaño de mercado a explotar ha sido determinado considerando la cantidad de materia prima disponible y el mercado que se desea captar de los productos que se obtienen. Se mantendrá una postura conservadora con respecto a los niveles de producción. A continuación se presenta esta información: Materia Prima: paja de trigo Chile IX Región Trigo Disponible (ha) Paja de trigo disponible (6 ton/ha) * Supuesto: La superficie de plantaciones de trigo se mantendrá constante en el tiempo. 3

54 Mercado Objetivo Pulpa Celulósica Mercado Objetivo Azúcares Disueltos Mercado Objetivo Lignina ton/año ton/año ton/año Con esta información se estima que inicialmente se procesará toneladas de paja de trigo, las cuales irán aumentando, ya que tanto la disponibilidad de materia prima como el mercado a cubrir están a favor de ello. Sin embargo, inicialmente este aumento será más lento, ya que por ser un negocio nuevo en el mercado se plantea mantener una postura conservadora. Por lo tanto, la producción será: Año Producción (ton) Considerando que el rendimiento de la paja es 46% celulosa, 24% azúcares solubles y 20% lignina, y que los precios de venta son US$529/ton, US$149/ton y US$108/ton, respectivamente (que presentaran un incremento del 3% anual), los ingresos son: CELULOSA LIGNINA CARBO- HIDRATOS Ingreso por venta(mm $) Valor (US$/ton) Ingreso (MM$) Valor (US$/ton) Ingresos (MM$) Valor (US$/ton) Ingresos (MM$) b) Cálculo de Costos Costos Variables Total CV (MM$) Costos Fijos Total CF (MM$)

55 La mano de obra ha sido considerada como constante para cada turno. Sueldo trabajadores (MM$/anual) c) Cálculo de Inversiones Inicialmente se invierte en una planta, pero de acuerdo a los requerimientos de producción de instalarán nuevas plantas en años siguientes. El detalle de la inversión de instalar una planta de producción es el siguiente: Valor (MM$) Equipos $ Construcción $ Terreno $ 61 Oficinas $ 236 Instalaciones $ 106 Total $ Negocio Productivo o de Servicios Tecnológicos (Considere el principal) a) Cálculo de Ingresos Royalty: Como licencia, los beneficios obtenidos corresponden al 4% de las ventas de los negocios productivos que fueron detallados en la evaluación económica: recolección y comercialización de paja de trigo; producción de celulosa, carbohidratos solubles y lignina a partir de paja de trigo, y producción de biofertilizantes en base a lignina. b) Cálculo de Costos Costos Fijos: Corresponden a aquellos en los que incurre la institución investigadora. Auditorías (MM$) anuales 9 Costos Variables: Se considera una capacitación al inicio del proyecto. Capacitación Cantidad HH $/HH Valor total Personal Ingenieros Operadores / Analista

56 c) Cálculo de Inversiones Concepto Valor Total MM$/año Capacitación Personal 6,34 Viáticos y estadías 3,17 Manuales y Apuntes 1,27 Depreciación equipos 2,16 Auditorias anuales 9,00 Total 21,93 6

57 A.2.1 Listado de obras de infraestructura Nombre y Unidad Nº descripción de la Usos Institucional Dirección (Calle,Nº,ciudd) infraestructura 1 No fueron desarrolladas obras de infraestructura asociadas al proyecto

58 A.2.2 Listados de bienes(equipos y otros) Precio Nº Nombre del equipo Marca Serie Modelo Nº Inventario de compra(mm$) Usos HPLC con detector RID, permite la separacion de los azucares de los materiales lignocelulósicos y posteriormente cuantificarlos, lo que permite el calculo 1 HPLC SHIMADZU L LC-20A $ 29,08.- de grados de conversion y rendimiento de las reacciones de deslignificación. Además permite cuantificar los productos de degradación del proceso de deslignificación de la paja de trigo. Unidad Institucional Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Equipo necesario para el desarrollo de las condiciones de 2 Autoclave Huxley S HL hidrólisis que permiten el posterior análisis de Unidad de Desarrollo Tecnológico $ 3,50.- composicion química de materiales lignocelulósicos, (Universidad de Concepción) pulpas lignocelulósicas y licores obtenidos a partir de estos. Se complementa con el equipo HPLC. 3 Deionizador de agua Barnstead EASY PURE IIRF Proporciona agua con la calidad requerida para ser utilizada en analisis de HPLC sin que represente una $ 3,00.- fuente de error o sus tancias nuevas que alteren las mediciones de los azucares o sus productos de degradación. Permite determinar la distribucion de los pesos 4 GPC SHIMADZU L LC-20AT $ 28,89.- moleculares de los productos solubilizados, como oligómeros, en el licor de reaccion. 5 Prensa tornillo Equipo armado Fabricado a pedido según requerimientos del proyecto Permite separar las fases liquido-sólido de los productos COD TXSS $ 18,50.- de la deslignificación de la paja de trigo. Equipo para el desarrollo de los procesos de Fabricado a pedido según Digestor tornillo Sin numero de deslignificacion de la paja de trigo en medio ácido a 6 Equipo armado requerimientos del $ 5,93.- (acero inoxidable) serie traves de un sistema contínuo que permite el lavado de proyecto la pulpa durante la misma etapa. Permite obtener el flujo de una mezcla de ozono y 7 Generador de ozono Biolight CFY-6A oxígeno, que es utilizada durante la evaluacion de $ 0,83.- diferentes alternativas de blanqueamiento de la pulpa cruda. 8 Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Equipo utilizado para la separación del agua contenida en Unidad de Desarrollo Tecnológico Centrifuga Mademsa Primma $ 0,06.- la pulpa lavada. (Universidad de Concepción) Permite suplir energía a los equipos HPLC y GPS en casos Unidad de Desarrollo Tecnológico 9 UPS SMART ONLINE AGPS5760 SUINT 2000 XL $ 0,39.- de corte del suministro electrico, y protegerlos de (Universidad de Concepción) flctuaciones de tension. 10 Computador de escritorio CRECIC C10F025252/C10F Utilizado para el desarrollo de las actividades de: analisis Unidad de Desarrollo Tecnológico EBOX $ 0,46.- de resultados, generacion de informes y actividades (Universidad de Concepción) administrativas. Dirección Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel Avenida Cordillera Parque Industrial Coronel. Coronel

59 A.2.3 Plan De Mantenimiento Nº Nombre del equipo Actividades Principales de mantención 1 HPLC Revisión de bomba, detectores, autosampler y horno. 6 meses 2 Autoclave Limpieza general de partes internas cada 2 meses y cambio de sellos de goma cada 8 meses. Período entre Unidad mantenciones Institucional 2 y 8 meses 3 Desionizador de agua Limpieza general y cambio de filtros 6 meses 4 GPC Revisión de bomba, detectores y horno. 6 meses Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) 5 Prensa tornillo Cambio de rodamientos cada 8 meses, cambio empaquetaduras cada 3 meses, limpieza química, lubricación, cambios de filtro, mantención sistema neumático. 3 y 8 meses Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) 6 Digestor tornillo (acero inoxidable) 7 Generador de ozono Cambio de rodamientos cada 8 meses, cambio de empaquetaduras cada 3 meses, limpieza quimica, lubricacion. Limpieza general de partes internas y conductos, y pruebas electricas. 3 y 8 meses 6 meses Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) 8 Centrifuga No contempla actividades de mantencion. _ Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) 9 10 UPS Limpieza de partes internas, pruebas eléctricas preventivas. 6 meses Computador de escritorio Revisión de sistema operativo, virus, optimización del sistema en general (hardware y software), configuración. 4 meses Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción) Unidad de Desarrollo Tecnológico (Universidad de Concepción)

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75 UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA SEDE CONCEPCIÓN "REY BALDUINO DE BÉLGICA" EFECTO DE LAS CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO DE LA PAJA DE TRIGO EN LA CALIDAD DE PULPA OBTENIDA POR ORGANOSOLV UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARIA ALUMNO : HORACIO ANDRÉS ARAYA RIVERA PROFESOR GUÍA : Sra. ANA PEDREROS RUBILAR 2013

76 UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA SEDE CONCEPCIÓN REY BALDUINO DE BÉLGICA CONCEPCIÓN EFECTO DE LAS CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO DE LA PAJA DE TRIGO EN LA CALIDAD DE PULPA OBTENIDA POR ORGANOSOLV TRABAJO PARA OPTAR AL TITULO DE TÉCNICO UNIVERSITARIO EN QUÍMICA, MENCION QUÍMICA INDUSTRIAL. ALUMNO PROFESOR GUÍA : HORACIO ANDRÉS ARAYA RIVERA : Sra. ANA PEDREROS RUBILAR 2013

77 Dedicada a mis padres Horacio y Sonia, a mí hermano Esteban, familia y polola en agradecimiento al apoyo y los consejos otorgados en este periodo de mi vida.

78 Agradezco a la Unidad de Desarrollo Tecnológico por confiar en mí, a sus funcionarios con los cuales tuve la oportunidad de trabajar, en especial a la Dra. Cecilia Fuentealba y a la analista Jeniffer Cisternas por entregarme sus conocimientos y ayudarme con su experiencia. Además quiero agradecer a los docentes de que fueron participes en mi formación durante el transcurso de los carrera en la UTFSM, gracias por la paciencia, el apoyo y los consejos los que fueron de mucha ayuda. Finalmente agradezco a mi familia los que fueron un pilar fundamental en esta etapa de mi vida, a pesar de la distancia que nos separaba, sin embargo, sus palabras de aliento y consejos me ayudaron a formarme como profesional.

79 ÍNDICE. I. Identificación de la Empresa Organigrama Unidad de Desarrollo Tecnológico 2 II. Introducción. 3 III. Objetivos. 4 IV. Aspectos Teóricos Situación actual del trigo en Chile Definición de rastrojos de trigo Producción de rastrojos Composición química de la paja de trigo Utilización de rastrojos en Chile Quema de rastrojos en Chile Consecuencias de la quema de rastrojos 17 V. Parte Experimental Paja de trigo Clima de la zona de muestreo Deslignificación Separación de rechazo Determinación de rendimiento Determinación de blancura por número Kappa Análisis de Viscosidad Capilar a pulpa de paja de trigo Análisis espectroscópico FTIR 32 VI. Resultados Análisis de componentes principales (PCA) 6.2 Caracterización de grupos funcionales por 35 espectroscopía FTIR 6.3 Análisis de rendimientos 40

80 6.4 Análisis de Número Kappa Análisis de Viscosidad Capilar Relación de resultados de Número Kappa y 46 viscosidad Capilar VII. Conclusiones. 48 VIII. Bibliografía. 50

81 I. IDENTIFICACIÓN DE LA EMPRESA. Desde su creación, el año 1996, la Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) de la Universidad de Concepción se ha caracterizado por tener una estrecha relación con el sector el productivo y por su capacidad de escalar procesos a nivel industrial. Ambos atributos convierten a UDT en un centro de investigación único en Chile, liderando proyectos tecnológicos de vanguardia. Desde el año 2008, UDT es uno de trece Centros Científicos Tecnológicos de Excelencia de la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica (CONICYT), condición que le ha permitido desarrollar conocimiento de relevancia en sus cinco áreas de trabajo: Biomateriales, Bioenergía, Productos Químicos, Medio Ambiente y Gestión Tecnológica; bajo el concepto de biorrefinerías forestales. UDT depende de la Vicerrectoría de Investigación y Desarrollo de la Universidad de Concepción y cuenta con personal especializado y altamente motivado, una completa infraestructura de escalamiento de procesos y contacto con empresas y centros de investigación del país y el extranjero. 1

82 1.1 Organigrama Unidad de Desarrollo Tecnológico. Junta de Directorio Director Ejecutivo Dr. Alex Berg Comité Científico Gestión de Tecnología Jefe de Departamento Ignacio Muñoz ADMINISTRACIÓN Jefe de Departamento Gerardo Rodríguez Área Medio Ambiente Jefe de Área Carla Pérez Investigador Principal Prof. Claudio Zaror -Investigadores Asociados -Ingenieros de Proyecto -Ingenieros de Apoyo Ingenieros de Proyecto Alejandro Salazar Carolina Poblete Javier Soubelet Área Bioenergía Jefe de Área Dra. Cristina Segura Investigador Principal Prof. Alfredo Gordon Prof. Igor Wilkomirsky -Investigadores Asociados -Ingenieros de Proyecto -Ingenieros de Apoyo -Analistas Área Biomateriales Jefe de Área Álvaro Maldonado Investigador Principal Prof. Ljubisa Radovic -Investigadores Asociados -Ingenieros de Proyecto -Ingenieros de Apoyo -Analistas Área Productos Químicos Jefe de Área Dra. Cecilia Fuentealba Investigador Principal Prof. Dietrich von Baer -Investigadores Asociados -Ingenieros de Proyecto -Analistas Operación, Recursos Humanos y Contabilidad Luisa Pardo Domingo Espinoza Control Institucional Carolina Poblete Melisa Arce Sistema de Gestión de Calidad Carolina Llanos Infraestructura y Equipamiento Jorge Provoste Gary Unda Germán Jiménez Mario Fonseca Oficina de Comunicaciones Cristian Fuentes Nelson Zbinden Tecnologías de la Información y Comunicaciones Osvaldo Vergara Salud y Seguridad y Medio Ambiente Álvaro Gutiérrez Secretaria Marcela Torres Karen Iturrieta 2

83 II. INTRODUCCIÓN. El trigo a nivel mundial se sitúa dentro de los tres cereales de mayor producción y consumo junto al arroz y el maíz, esto se debe a que su grano es materia prima para la fabricación de harina, harina integral y sémola, además de otros productos alimenticios, los cuales son la base de la alimentación de muchos países, principalmente los de origen occidental. Nuestro país no se encuentra ajeno a esta realidad debido a que el trigo corresponde al cereal más importante sembrado en nuestros suelos, según informe ODEPA 2007, el Trigo ocupa un 48% del terreno apto para cultivo. Una vez que llega el periodo de cosecha en los meses de verano, este residuo agrícola pasa a ser una gran dificultad para cualquier faena de labranza o siembra que se quiera realizar sobre el terreno, debido a que la paja de trigo queda esparcida en los suelos ocupando una parte importante del espacio destinado para la siembra de la próxima temporada. Dentro de las alternativas para solucionar este problema, se encuentra la quema de los rastrojos, método el cual es el más utilizado en el país, debido a su bajo costo, sin embargo, es el más perjudicial para el medio ambiente. Durante años se ha buscado una solución rentable para el problema del almacenamiento de la paja de trigo, tratando de generar productos de valor agregado, los resultados de esta búsqueda han llegado a la conclusión que la paja de trigo puede servir como materia prima para la industria del papel, gracias a sus componentes celulósicos. [1] 3

84 III. OBJETIVOS. 5.1 Objetivo General. Estudiar el efecto de las condiciones de almacenamiento de la paja de trigo en la calidad de los productos obtenidos por fraccionamiento con solventes orgánicos. 5.2 Objetivos específicos. Caracterizar los grupos funcionales de los compuestos presentes en la paja de trigo mediante análisis de FTIR. Separar componentes ligninocelulósicos de la paja de trigo mediante proceso de deslignificación con solventes orgánicos. Determinar el rendimiento de los productos obtenidos en las muestras de paja de trigo. Determinar la blancura de la pulpa obtenida de la paja de trigo mediante el Número Kappa. Determinar la calidad de la pulpa obtenida del proceso, mediante análisis de Viscosidad Capilar. Determinar el tipo de almacenamiento óptimo en base a los resultados obtenidos, considerando la relación costo/calidad. 4

85 IV. ASPECTOS TEÓRICOS. 4.1 Situación actual del trigo en Chile. A pesar del paso del tiempo el trigo continúa siendo el cereal de mayor importancia en Chile, esto se ve reflejado en la cantidad de terrenos fértiles que se usan para la siembra de este producto, los cuales llegan a un 48% del total de las siembras de cereales, el uso de nuevas tecnologías a permitido una evolución en el rendimiento del trigo, estos avances han logrado aumentar la producción de trigo, ocupando una menor superficie. [2] Cereales Riego (ha) Secano Total (ha) % Trigo Blanco , , ,7 45,8 Trigo Candeal 7.929, , ,5 2,2 Cebada Cervecera 1.857, , ,7 2,5 Cebada Forrajera 1.052, , ,7 1,4 Avena 4.340, , ,8 17,0 Centeno 838,7 846, ,0 0,4 Maíz , , ,8 21,6 Arroz ,9 0, ,9 4,5 Triticale 1.056, , ,0 4,1 Quínoa 54, , ,7 0,3 Alpiste 0,0 0,0 0,0 0,0 Otros Cereales 502,0 466,8 968,8 0,2 Total , , ,6 100,0 Porcentaje % 38,1 61,9 100,0 La Tabla Nº1, elaborada por ODEPA, Presenta cereales cultivados en riego y secano en Chile. [2] 5

86 El trigo sembrado en Chile alcanza hectáreas con una producción de toneladas, él censo agropecuario realizado el año 2007, destaca las regiones del Maule, Bío Bío y la Araucanía, como las productoras más importantes de este cereal. [2] De acuerdo a los datos entregados por El Instituto Nacional de Investigación, que se muestran en la tabla Nº2, las regiones que más aportan al cultivo del Trigo se sitúan en la zona centro sur del país. Región Región de Coquimbo Región de Valparaíso Región Metropolitana Región de O Higgins Región del Maule Región del Bío Bío Región de la Araucanía Región de los Ríos Región de los Lagos Superficie Aporte en Rendimientos Producción Aporte en (ha) Superficie (qq/ha) (ton) Producción ,6% 28, ,4% 914 0,4% 52, ,4% ,1% 59, ,7% ,4% 51, ,6% ,9% 50, ,2% ,7% 47, % ,5% 47, ,6% ,4% 60, ,7% ,9% 62, ,9% Total ,0% 49, ,0% Tabla Nº2, Superficie, producción y rendimiento regional de trigo en Chile Temporada 2011/12 [2] 6

87 Los rendimientos del trigo en el país han tenido una tendencia constante al alza pasando desde los 16,3 qq/ha el año 1982/83, hasta los 57,7 el año 2009/10 [2] 4.2 Definición de Rastrojo de Trigo. Según ODEPA, Rastrojo de trigo es todo material que queda en el lugar de la siembra, incluyendo los restos de maleza pertenecientes al terreno. La planta de trigo está compuesta por raíz, tallo, hojas, inflorescencia y granos, este último es utilizado como materia prima para la fabricación de alimentos, el resto de las partes de la planta se consideran como rastrojos. Figura Nº1, Imagen de la planta del Trigo. 7

88 4.3 Producción de Rastrojos. Según estudios se estima que la producción de paja de trigo está directamente relacionada con la producción de granos de trigo. [3] Cabe decir que esta estimación es un valor aproximado el cual se determina a través de las siguientes ecuaciones: I. Rendimiento de paja (t/ha)= 0,56 + 1,4 x rendimiento de grano (t/ha). [3] II. Producción de paja (t/ha) = (Producción grano (t/ha) x (1-IC)/IC, donde IC es el índice de cosecha, que para el trigo es en promedio de 0,45. [3] La Tabla Nº3, indica la estimación de la producción estimada de paja de trigo blanco en las regiones del Bío Bío y La Araucanía, y sus respectivas provincias. [2] Superficie, ha Rendimiento, qqm/ha Producción paja (I) Producción Paja (II) Ton/ha Total, ton Ton/ha Total, ton País ,7 47,7 7, ,1 5, ,3 Región del , ,6 44,7 6,8 Bío Bío 5, ,9 Concepción 799,8 14,6 2, ,6 1, ,0 Arauco 2.187,9 21,8 3, ,0 2, ,2 Bío Bío ,4 49,2 7, ,6 6, ,9 Ñuble ,9 44,3 6, ,4 5, ,7 Región de La Araucanía ,50 47,82 7, ,2 5, ,6 Cautín ,10 45,79 7, ,3 5, ,2 Malleco ,40 50,7 7, ,0 6, ,4 Tabla Nº3, Estimación de la producción de paja de trigo blanco, en las regiones Bío Bío y La Araucanía, temporada 2011/12. [2] 8

89 4.4 Composición química de la paja de trigo. La paja de trigo está formada básicamente por tres componentes principales que son celulosa, hemicelulosa y lignina además de otros componentes minoritarios que no forman parte de la pared celular como son los extractivos y las cenizas. La celulosa y la hemicelulosa son polisacáridos de alto peso molecular que representan entre el 60-80% del peso de los materiales ligninocelulósicos. La lignina es un polímero no polisacárido tridimensional de unidades de fenilpropano y representa entre el 20-35% del peso total. [4] Entre los componentes de carácter minoritario que no forman parte de la pared celular de la fibra se encuentran diferentes grasas, alcaloides, proteínas, fenoles, pectinas, resinas, etc. Los cuales representan entre el 4-10% del peso seco del rastrojo. [4] La paja de trigo puede variar su composición por diferentes factores como el tipo de fertilizante utilizado durante el periodo de cultivo y el contenido de minerales del suelo o la madurez que haya alcanzado el grano en el momento de su recolección. [5] Componente Porcentaje Celulosa 30,2% Hemicelulosa 22,3% Xilano 18,7% Galactano 0,8% Arabinano 2,8% Lignina 17,0% Minerales 4-10% Tabla Nº3, Composición química de la paja de trigo. [6] 9

90 4.4.1 Celulosa. La celulosa es la macromolécula más abundante en la tierra y su producción anual se estima en toneladas [10]. La celulosa es sintetizada por una gran cantidad de organismos vivos, sin embargo, la mayor parte de la celulosa utilizada en procesos industriales proviene de plantas, arboles, bacterias, cianobacterias, hongos y algunos tipos de algas verdes. [7] Está Formada por cadenas lineales de unidades de glucosa enlazadas mediante uniones β-14 (Fig. Nº2). Se sintetiza en la naturaleza como moléculas individuales de D-Glucosa que se alojan en el mismo lugar donde se generan formando moléculas de mayor tamaño conocidas como protofibrillas que se empaquetan en unidades mayores llamadas microfibrillas. [7] Figura Nº2, Estructura Molecular de la Celulosa presente en la paja de trigo. [8] Las regiones donde las microfibrillas presentan una estructura altamente ordenada se llaman regiones cristalinas y las regiones con una estructura menos ordenada se denominan amorfas, por esta razón la celulosa es considerada un polímero semicristalino [9]. Cuanto más ordenada y cristalina es la celulosa es menos soluble y más difícil de degradar. [10] Esta estructura se mantiene gracias a los puentes de hidrógeno intermoleculares que se establecen entre los grupos hidroxilos y los puentes de de oxígeno de las moléculas de glucosa adyacentes, y entre los grupos y los oxígenos glicosídicos en las cadenas adyacentes. La gran cantidad de de puentes de hidrógeno existentes entre las cadenas de glucosa que 10

91 componen la fibra, le otorgan la rigidez y resistencia que es característica de la pared celular en os organismos vegetales. [8 8] Hemicelulosa. Junto con la celulosa, la hemicelulosa está presente en la pared celular de las plantas. Consta de polímeros formados por más de un tipo de azúcares tales como la D-xilosa, L-arabinosa, D- galactosa, D-manosa, D-glucosa, D-xilulosa, etc. y por varios ácidos urónicos, como el ácido glucurónico y galacturónico, los primeros tres mencionados anteriormente corresponden a los azucares principales presentes en la paja de trigo. La principal función de la hemicelulosa es unir la celulosa y la lignina. [11 1] D Xilosa L Arabinosa D - Galactosa Figura 3, Estructura de los tres principales azúcares encontrados en la paja de trigo. [8] Existen diferencias en la composición y estructura de las hemicelulosas entre los diferentes tipos de biomasas. En las maderas duras el xilano es el polímero más abundante, por el contrario en las maderas blandas el galactoglucomano corresponde a los polímeros de mayor predominancia. [12] [4] En los residuos agrícolas, el componente hemicelulósico es muy parecido al de las maderas duras pero presentando, al igual que las maderas blandas, menos proporción de grupos acetilo. [4] 11

92 En el caso de la paja de trigo, al igual que en la mayoría de materiales herbáceos, los grupos xilano son cuantitativamente dominantes en la fracción hemicelulósica, seguido por los grupos arabinano y los galactano. [11] Lignina La lignina es el tercer componente mayoritario en los materiales ligninocelulósicos, por ello el tercer polímero natural más abundante en la naturaleza después de la celulosa y la hemicelulosa [13]. Es un polímero tridimensional amorfo, el cual se forma por la deshidratación enzimática de los alcoholes cumarílico, coniferílico y sinapílico (Fig. 4), seguida por una polimerización que no está controlada enzimáticamente y que los radicales libres pueden reaccionar unos con otros en una gran variedad de formas, hace que la lignina no tenga una estructura única. [8] Alcohol p-cumarílico Alcohol coniferílico Alcohol sinapílico Unidad p-hidroxifenilo (H) Unidad guayacilo (G) Unidad siringilo (S) Figura 4, Alcoholes cinamílicos precursores de la lignina [8] Estos tres alcoholes aromáticos dan lugar a unidades p-hidroxifenilo (H), guayacilo (G) y siringilo (S) respectivamente, cuya proporción también varía en las maderas duras, maderas 12

93 blandas y biomasa herbácea [14] [4]. En el caso de la paja de trigo, la lignina contiene unidades H, G y S en una proporción aproximada de 5, 49 y 46% respectivamente. [13] La lignina otorga rigidez estructural a la lignina al endurecer y sostener las fibras de polisacáridos además de participar en el transporte interno de agua, nutrientes y metabolitos. [15] Figura 5, Estructura aproximada de la lignina en la paja de trigo. [8] 13

94 4.5 Utilización de los rastrojos de trigo en Chile En Chile se genera cada año alrededor de 1,5 a 2,5 millones de toneladas de paja de trigo. De esta cantidad se estima que aproximadamente el 70% se quema o permanece en potreros [2]. Por ello, nuevas tendencias se dirigen a la valorización de este recurso, las alternativas existentes para el uso de este residuo difieren en su relación costo/beneficio. [16] Una de las alternativas es obtener los componentes químicos de este material, con el fin de utilizarlos como fuente de generación de otros productos de mayor valor agregado. Una forma de hacerlo, es a través de un fraccionamiento químico que utilice solventes amigables con el ambiente, catalogados como procesos limpios. Una forma de ocupar los rastrojos en la generación de otro producto, es utilizarla como materia prima para la fabricación de papel, aprovechando la celulosa presente en este material, sin embargo, existe una dificultad en el proceso, que es la remoción de lignina presente en la paja ya que esta oscurece y disminuye la calidad de la hoja de papel, esta extracción se realiza mediante un proceso de deslignificación son solventes orgánicos. [16] En la ganadería la paja de trigo es utilizada para la alimentación de animales, sin embargo si se usa directamente con este fin su aprovechamiento es bajo, dado que en el rumen sólo se digiere la celulosa y hemicelulosa, en cambio la lignina es prácticamente indigestible, además se requiere una gran cantidad de animales que pueden causar graves problemas de compactación del suelo cuando éste aumenta su contenido de humedad con las primeras lluvias del otoño. [16] Otra forma de aprovechar este residuo, es incorporándola al suelo y esperar que se degrade con el paso de los años así nutriendo la tierra, además ayuda a evitar el uso de fertilizantes, también sirve para reducir la erosión provocada por las lluvias, sin embargo, no es una buena alternativa en nuestro país, debido a que esta técnica utiliza entre un 10 y 15% del terreno apto para cultivo, el cual es escaso en Chile. [16] 14

95 El uso de nuevas tecnologías aplicadas a este residuo agrícola no solo favorece al medioambiente, además otorga una solución a los problemas logísticos de disponibilidad, aprovisionamiento y almacenamiento. 4.6 Quema de Rastrojos en Chile. El uso regulado del fuego en Chile se inicia en el año 1980, con la promulgación del Decreto Supremo Nº 276 sobre Roce a Fuego del Ministerio de Agricultura. Este decreto se genero producto del aumento de incendios forestales provocados por las quemas de desechos agrícolas y forestales no controlados. Desde esa fecha se han realizado quemas, a través de las cuales se han quemado hectáreas de distintos tipos de combustibles. [17] Grafico Nº1, Quemas avisadas durante el periodo [17] 15

96 Grafico Nº2, Superficie manejada con quemas durante el periodo [17] De acuerdo a estas cifras, se puede afirmar que la quema de rastrojos de cereal es una práctica bastante común dentro del rubro agropecuario, cifras que aumentan en el mundo rural debido a que no se cuenta con las tecnologías, ni los presupuestos necesarios para otorgarle un uso y almacenamiento más eficiente a este residuo, sin duda este proceso de eliminación de este producto genera un gran aumento en los niveles de gases contaminantes en las zonas de plantación. Figura Nº6.a y Nº6.b, Quema de rastrojos en zonas rurales de Chile. 16

97 4.7 Consecuencias de la quema de paja de trigo. A pesar de que la quema de rastrojos es el método más práctico y económico utilizado por los agricultores, es la peor forma de eliminar estos residuos, esta mala práctica afecta directamente en todos los componentes del ambiente, es decir, seres vivos, suelos, agua y también aire. [17] El aire es el medio más afectado por la emanación de gases y partículas, provocando una alteración en el equilibrio de la atmosfera, perjudicando severamente la calidad y visibilidad del aire, lo cual daña directamente en la vida y salud de los seres humanos y seres vivos. [17] La formación de gases contaminantes contribuye al mayor daño provocado por las quemas de tipo forestal y agrícola, en la Tabla Nº 4 se muestran algunos gases y partículas emanados por esta práctica y sus efectos en el ambiente. Datos aportados por Instituto de Investigación Agropecuaria. [17] 17

98 GASES O MATERIAL LIBERADO Anhídrido Carbónico (CO 2 ) Monóxido de Carbono (CO) Dioxinas y Furanos MP10 Otros Gases EFECTO Su presencia en la atmosfera evita la disipación del calor en la tierra, provocando un mayor calentamiento en esta. Es un gas muy toxico para los humanos, cuando interactúa con la sangre se produce una disminución en los índices de O 2 del organismo provocando así la muerte por asfixia. Son compuestos tóxicos para los humanos y animales, estudios indican que a largo plazo avalan la formación de cáncer en animales. Su inhalación es perjudicial para la salud, debido a su pequeño tamaño estas partículas se alojan directamente en los alvéolos pulmonares, provocando insuficiencias respiratorias y asmas. La combustión de materia orgánica en días soleados, produce Smog Fotoquímico cuyo principal componente es el Ozono (O 3 ), cuando se encuentra en las capas bajas de la atmosfera es perjudicial para la salud humana al incrementar estados alérgicos, además produce daños a la vegetación. El Dióxido de Azufre es otro gas generado a partir de la quema de rastrojos, el cual puede ser irritante respiratorio y en contacto con el agua puede transformarse en ácido sulfúrico, el cual deriva en lluvia ácida. Tabla Nº4, Gases producidos por la Quema de Rastrojos [17] 18

99 V. PARTE EXPERIMENTAL. En el siguiente capítulo, se describen los procedimientos y análisis realizados a la paja de trigo, con el propósito de apreciar cual es el mejor método de almacenamiento en relación costo/calidad. 5.1 Paja de trigo La paja de trigo analizada, fue obtenida de una parcela ubicada en la comuna de Yungay, Provincia de Ñuble, VIII Región del Bío Bío. Estos rastrojos fueron almacenados durante un año en cuatro diferentes condiciones, las cuales se presentan en la Tabla Nº5. Tipo de Almacenamiento Intemperie sin Protección Arriba Intemperie sin Protección Norte Intemperie sin Protección Sur Intemperie sin Protección Poniente Intemperie sin Protección Oriente Intemperie Bajo Plástico Arriba Intemperie Bajo Plástico Norte Intemperie Bajo Plástico Sur Intemperie Bajo Plástico Poniente Intemperie Bajo Plástico Oriente Bajo Techo sin Paredes Bajo Galpón Cerrado Código de Muestra E1A E1N E1S E1P E1O E2A E2N E2S E2P E2O E3 E4 Tabla Nº 5, Tipos de almacenamiento y sus respectivos códigos. 19

100 La principal diferencia en los tipos de almacenamiento, es la interacción de la paja de trigo con el ambiente y sus diferentes niveles de exposición a factores climáticos tales como, lluvia, viento, cambios de temperaturas, etc. Generándose la hipótesis de que existe una diferencia química que se ve reflejada en la calidad de la pulpa y los rendimientos de los licores obtenidos al deslignificar las muestras, producto de estas condiciones. A continuación en las figuras Nº 7.a.b.c se muestran los tipos de almacenamientos de la paja de trigo por un periodo de doce meses. Figura Nº7.a, Almacenamiento paja de trigo Figura Nº7.b, Paja de trigo bajo galpón. exterior con y sin protección. 5.2 Clima de la Zona de Muestreo. La comuna de Yungay presenta un clima de tipo mediterráneo, caracterizado por veranos muy secos e inviernos lluviosos de considerables diferencias pluviométricas de un año a otro, además de las bajas temperaturas presentes por ser una zona precordillerana. [18] Los cambios climáticos son claros durante un año en esta zona del país, factor el quel marca una diferencia significativa en la calidad de la paja de trigo y la composición de esta. 20

101 5.3 Deslignificación. La deslignificación es un proceso químico utilizado en la industria papelera para remover la lignina presente en las moléculas de celulosa. Esta separación de componentes se realiza mediante la aplicación de temperatura y solventes orgánicos. Para realizar una deslignificación se deben fijar los siguientes parámetros: Temperatura. Tiempo de cocción Masa seca a usar de material ligninocelulósico. Razón masa/licor Masa solución. Concentración del soluto. Presión La mezcla de solventes que se utiliza es ácido acético y ácido fórmico, los cuales según estudios realizados en la UDT de la Universidad de Concepción, provocan una buena remoción de lignina sin causar una degradación en la celulosa. El ácido fórmico actúa como agente removedor de lignina y a su vez el ácido acético introduce los iones hidrógeno, lo que ayuda a romper los enlaces, otorgándole la propiedad de catalizador. La cantidad de agua en este proceso también juega un rol importante en la separación de componentes, en niveles superiores al 20% se pierde el carácter selectivo del acido fórmico hacia la lignina, favoreciendo reacciones de hidrólisis con rompimiento en la cadena de celulosa y condensación de lignina, lo cual no permite encontrar sitios reactivos donde la acción del solvente resulta en el fraccionamiento de la lignina. 21

102 Definir parámetros de deslignificación Preparación de materia prima Preparar mezcla de solventes Cargar balones con paja de trigo y solventes Montar balones en sistema de reflujo durante 120 min. a 107 C Enfriar por 30 minutos Separación de fases Fase sólida Fase líquida Lavado de pulpa con agua por 20 min. Diagrama Nº1, Proceso de deslignificación a muestras de paja de trigo. Parámetro Materia prima Paja de trigo Masa seca paja de trigo 30 g. secos Relación masa/solvente 1:10 (masa/masa) Ácido fórmico 85% 67% Ácido acético 99,9% 20% Agua 13% Temperatura 107 C Tiempo 120 min. Presión atmosférica 1 atm. La tabla Nº 6, presenta los parámetros experimentales utilizados en deslignificación de paja de trigo. 22

103 Las siguientes imágenes muestran el sistema de deslignificación y filtrado. Figura Nº 8.a Sistema de Deslignificación. Figura Nº 8.b balón cargado con pulpa Figura Nº8.c, Sistema de filtrado Separación de lignina y carbohidratos solubles La fase líquida extraída de la deslignificación, posee dos componentes que son lignina y carbohidratos solubles (hemicelulosas), la separación se produce mediante agitación y aplicación de agua caliente, métodos por los cuales se logra apreciar dos fases, esto se produce porque la lignina no es soluble en agua. A continuación se presenta un diagrama del proceso utilizado para la separación de estos dos componentes: 23

104 Fase líquida Determinación de masa, % de sólidos y % de rendimiento Evaporación de ácido acético en rotavapor Separación de lignina en agua 65±10 C con agitación vigorosa Lignina Secado de lignina en estufa a 70 C por 48 hrs. Agua lavado de lignina, matriz de azúcares Determinación de masa, % de sólidos y % rendimiento Determinación de masa, % de sólidos y % rendimiento Diagrama Nº2, Separación de Lignina y Azucares en licores de paja de trigo Referencias Norma Tappi T 278 Pulp screening (Valley-tipe screening device) Manuales de uso de kits enzimáticos para determinación de ácido acético y determinación de azucares tales como: arabinosa, galactosa, glucosa, manosa, xilosa. 24

105 5.4 Separación de rechazo La paja de trigo trae consigo material inorgánico que no es degradado por lo solventes en la deslignificación y además no siempre se fragmenta toda la paja de trigo en el proceso mencionado, por lo cual queda dentro en la pulpa obtenida y debe ser separada, debido a que altera los rendimientos de la pulpa y puede contaminar el producto final. El método de separación el rechazo de la pulpa requiere de un tamiz de agua, con abertura de 15 mm. por el cual se hace pasar la pulpa diluida de una consistencia de agua al 1,2%. Una vez separado el rechazo de la pulpa se debe llevar a peso constante para obtener su rendimiento y así cuantificarlo en el resumen de productos final. Figura Nº9 Tamiz Valley Flat Screen Abertura 15 mm Referencias Norma Tappi T-278 sp Determinación de rendimiento La determinación de rendimiento se realiza para medir la efectividad de los productos de la paja de trigo, este cálculo se realiza en relación a la masa inicial que entra en el sistema, con 25

106 este dato se analiza cuál de los tipos de almacenamiento es el más adecuado a nivel de escala de laboratorio. Para realizar el cálculo de rendimientos es necesario conocer el porcentaje de sólidos de los productos a analizar los que son: Licor (carbohidratos solubles + lignina) Rechazo Pulpa sin rechazo Cálculos Determinación de sólidos: Determinación de rendimiento: % de sólidos = Masa muestra húmeda x 100 Masa muestra seca Rendimiento = Masa producto x % de sólidos = gramos secos producto x gramos secos Donde: Masa producto: peso en gramos de paja de trigo 30 gramos secos: masa inicial de la deslignificación de paja de trigo 5.6 Determinación de blancura por Numero Kappa. Este método se aplica para la determinación de dureza relativa, blancura, o el grado de deslignificación de la pulpa. Puede ser utilizado para todos los tipos y grados de pulpas químicas y semi-químicas, crudos y semi-blanqueada obtenidos en rendimientos inferiores al 60%. Este método también se puede usar para pulpas con un rendimiento de un 70%, siempre que la pasta ha sido bien seleccionada. [20] 26

107 Figura Nº10.a y 10.b, Preparación de dispersión de la pulpa Figura Nº 11.a y 11.b, titulación con tiosulfato de sodio El método consiste en una titulación redox, a través de la que se determina la lignina residual contenida en la pulpa, previo a la titulación se prepara una dispersión de la pulpa con el fin de poder cuantificar de forma correcta la lignina presente, para que la pulpa cumpla los parámetros mínimos para la generación de papel la cantidad de lignina que queda en esta no debe exceder el 4%. Para realizar este análisis la pulpa debe cumplir con los siguientes requisitos de preparación: Debe estar libre de rechazo. Almacenada en frio. Contenido de sólidos entre un 30 y 40%. Conocer porcentaje de sólidos de la muestra. 27

108 Pesar una cantidad de muestra que consuma aproximadamente el 50 % de la solución de KMnO 4. Los reactivos a utilizar son los siguientes: Solución de permanganato de potasio 0.1 N (KMnO 4 ) Solución de tiosulfato de sodio 0.2 N (Na 2 S 2 O 3 ) Solución de yoduro de potasio 1 N Solución de ácido sulfúrico 4 N Solución de almidón al 0.5% Cálculos El permanganato de sodio utilizado en la reacción se ve reflejado en el cálculo del factor p. [21] p = (b a) * N 0.1 Donde: p = Consumo de KMnO 4 medido en ml b = Volumen de Na 2 S 2 O 3 gastado en el blanco medido en ml a = Volumen de Na 2 S 2 O 3 gastado en la muestra medido en ml N = Normalidad del tiosulfato de sodio 0.1 = Normalidad Permanganato de Potasio Una vez calculado el factor p se determinar el número de kappa con la siguiente ecuación: K = (p * f) * (1 + 0,013 (25 t)) w 28

109 Donde: p = Consumo de KMnO N medido en ml f = Factor corrección para obtener un consumo de KMnO N del 50% w = Peso seco inicial de la muestra a analizar medidos en g. f = Temperatura de la solución al momento del ensayo Una vez obtenido el número kappa se puede calcular el porcentaje de lignina que posee la pulpa mediante la siguiente fórmula: Número Kappa x 0,13= % de lignina Referencias Norma Tappi T-236 cm Análisis de la Viscosidad Capilar de la pulpa de paja de trigo Este método describe un procedimiento para determinar la viscosidad de una pulpa diluida en cuprietilendiamina (CED) como solvente y un viscosímetro capilar. El método fue originalmente pensado para pastas químicas blanqueadas, aunque el procedimiento como tal se puede aplicar a cualquier tipo de pulpa libre de rechazo que se disuelva en solución CED. Los resultados pueden ser aplicados en la estimación del nivel de degradación de la pulpa por la cocción o blanqueo. [21] 29

110 Para realizar este análisis la muestra debe cumplir con la condición de estar libre de cualquier tipo de rechazo, de lo contrario estas impurezas podrían alterar el paso de la solución por el viscosímetro. En el siguiente esquema se muestran los pasos a seguir en la preparación de muestra para realizar el análisis de viscosidad capilar. Pesar 2 gramos secos de pulpa Disgregar en 400 ml a 650 rpm durante 5 mín. luego filtrar Secar a 40 C durante 12 hrs. Climatizar a 22 C durante 120 mín. Moler la pulpa y determinar sólidos Pesar 0.08 gramos secos y almacenar en envase plástico de 50mL junto a 2 barras de cobre y 2 esferas de vidrio Diagrama Nº3, preparación de muestra para análisis de viscosidad calipar El análisis consta de la medición del tiempo que demora en pasar la pulpa diluida en cuprietilendiamina por los dos bulbos del viscosímetro, todo esto a una temperatura constante de 25 C, para realizar el análisis es necesario contar con los siguientes materiales y/o equipos: Viscosímetro Capilar V R Baño con control termostático Agitador Shake Cronómetro 30

111 Figura Nº 12, Ensayo de Viscosidad Capilar Reactivos Solución de Cuprietilendiamina de 0.1 ± 0.02 M en Cu + y 2.0 M en etilendiamina Acetona Técnica (limpieza viscosímetro) Cálculos Los cálculos de este análisis se basan principalmente en el tiempo que demora la pulpa diluida en cuprietilendiamina en pasar por el viscosímetro, este tiempo debe ser medido en segundos. Yrelat = h * t Donde: h = Es la constante del viscosímetro obtenido por calibración (constante varía según viscosímetro). t = Tiempo que demora la solución en pasar por un bulbo, medido en segundos. 31

112 Una vez que se obtiene el Yrelat, se debe realizar la transformación de esta cifra a un valor [(r) c] el que se convierte por medio de una tabla, la que se encuentra anexa a la Norma SCAN Por lo tanto: V = (r) c / C Donde: (r) c = valor obtenido de tabla (Norma SCAN-1588), en base a Yrealt. V = viscosidad expresada en ml/g a 25 C C = concentración calculada a partir del peso de la muestra partido por el volumen total contenido en la dilución de la pulpa (g/ml) Referencias Norma SCAN Análisis espectroscópico FTIR El análisis FTIR a muestras de paja de trigo fue realizado en el Departamento de Instrumental de la Facultad de Farmacia de la Universidad de Concepción por la Dra. Rosario del Pilar Castillo Felices, con el fin de obtener una caracterización de grupos funcionales además se hizo un análisis de componentes principales (PCA), con el cual se busca agrupar las muestras en diferentes poblaciones según su composición orgánica. Para realizar este ensayo la muestra debe ser triturada, por lo cual se utilizó un molino MF 10 basic, KIKA WERKE, con un tamiz de 0,25 mm. 32

113 Figura Nº 13, Molino MF 10 basic, KIKA WERKE La técnica que se utilizo para la preparación de muestra, fue la de pastillaje con KBr. Una vez que la paja de trigo se encuentra triturada, se debe secar entre 24 y 48 hrs. a 45 C, posteriormente se forma una mezcla en una mortero de porcelana con KBr, hasta una concentración aproximada de 5% p/p, finalmente se presiona la mezcla en una prensa mecánica a una presión entre y psi hasta obtener una pastilla semitransparente. [23] A continuación en la Figura Nº15, se muestra el equipos de FTIR utilizado en los análisis de paja de trigo. Figura Nº 14, FT-IR Spectrum BX (Perkin Elmer Inc) 33

114 VI. Resultados 6.1 Análisis de componentes principales (PCA) La siguiente figura Nº 15 corresponde a un PCA realizado a muestras de paja de trigo sin tratamiento químico previo, con el fin de comprobar un posible agrupamiento. Figura Nº 15, Análisis de Componentes Principales El PCA realizado a las muestras de paja de trigo, demuestra que existen agrupamientos o similitud espectral entre algunas muestras debido a sus diferentes condiciones de almacenamiento. Es decir, las muestras presentan diferencias suficientes para ser consideradas de distintas poblaciones. Lo que permite comprobar que la composición química se ve alterada según el tipo de almacenamiento. Se aprecia claramente que las muestras orientadas hacia el lado sur, presentan un alejamiento de los conjuntos poblacionales a los cuales pertenecen, esto se puede atribuir a que se encuentran mucho más expuestas a las condiciones climáticas de la zona, por ello se produce una diferencia química en su composición. 34

115 6.2 Caracterización de grupos funcionales por espectroscopía FTIR La espectroscopía de infrarrojo es una técnica cualitativa que fue aplicada a muestras de paja de trigo para realizar una identificación de grupos funcionales presentes en los diferentes tipos de almacenamiento, con el fin atribuir una relación entre la protección de las muestras y la formación de compuestos orgánicos, además es posible realizar una diferenciación entre la intensidad de las señales, lo que se atribuye a diferentes concentraciones de lignina, hemicelulosas y celulosa E1A E1N E1S E1P E10 E2A E2N E2S E2P E20 E3 E4 Figura Nº 16, Espectros IR de muestras de paja de trigo. Los resultados del análisis espectroscópico IR demuestra que no se generan grupos funcionales al analizar los diferentes tipos de almacenamiento, sin embargo, si se aprecian variaciones en la intensidad de las señales recibidas lo que quiere decir que existen diferentes concentraciones en los componentes químicos de la materia prima, esto se genera por los diferentes niveles de exposición entre las muestras. 35

116 A continuación se presentan los espectros IR segmentados, para poder realizar un análisis más detallado de los grupos funcionales presentes y sus deferencias en cuanto a las intensidades de señal E1A E1N X: 3410 Y: Tensión OH 3402,02 cm -1 Abs E1S E2A E2N E2P E2S E3 E4 E10 E Wavenumbers (cm -1 ) Figura Nº 17, Espectro IR Rango λ En la Figura Nº 17 se aprecia la banda O-H característica de la estructura de la celulosa en paja de trigo, las muestras bajo techo sin paredes (E3) y bajo galpón cerrado poseen mayor grado de hidroxilación a diferencia de las muestras intemperie sin protección arriba y sur. La Figura Nº 18 muestra la banda espectral de cm -1 en la que destaca la muestra bajo galpón cerrado (E4) que posee mayor cantidad de grupos C=O asociados a xilanos (hemicelulosa), por el contrario el tipo de almacenamiento intemperie sin protección arriba (E1A) posee los niveles más bajos del grupo funcional en cuestión. 36

117 C=O en Xilano 1734 C=O en esteres no aromáticos 1720 C=O en lignina C=C en lignina E1A E1N E1S E2A E2N E2P E2S E3 E4 E10 E20 Abs Wavenumbers (cm -1 ) Figura Nº 18, Espectro IR Rango λ En la banda 1654 cm -1 (Fig. Nº18) se observa que la muestra intemperie sin protección arriba (E1A) posee una alta absorción de grupos carbonilo (C=O) asociados a lignina, lo cual se contrarresta a la muestra bajo techo sin paredes, la muestra bajo galpón cerrado muestra alta absorción de grupos xilanos y esteres no aromáticos Abs E1A E1N E1S E2A E2N E2P E2S E3 E4 E10 E Wavenumbers (cm -1 ) Figura Nº 19, Espectro IR Rango λ 37

118 Banda cm -1 Grupo Funcional 1508 Anillo aromático en lignina 1458 CH 3 asimétrico en lignina y carbohidratos 1424 CH 2 deformación en lignina y carbohidratos 1376 CH en celulosa y hemicelulosa 1340 CO deformación en lignina o carbohidratos 1322 CH deformación en celulosa y hemicelulosa Tabla Nº 7, grupos funcionales de Espectro IR λ La banda 1508 correspondiente a lignina indica que intemperie sin protección sur (E1S) presenta un alto contenido de lignina, seguida por las muestras bajo galpón cerrado (E4), intemperie bajo plástico arriba (E2A) e intemperie sin protección arriba (E1A), las muestras que presentan menor contenido de lignina son intemperie bajo plástico norte (E2N), intemperie bajo plástico poniente (E2P) e intemperie bajo plástico sur (E2S). Muestra Relación celulosa 1376/lignina 1508 E1A 1,41 E1N 1,50 E1S 1,34 E1P 1,51 E1O 1,58 E2A 1,49 E2N 1,68 E2S 1,66 E2P 1,73 E2O 1,70 E3 1,70 E4 1,60 Tabla Nº 8, Relación celulosa/lignina muestras de paja de trigo 38

119 La Tabla Nº8 muestra la relación celulosa/lignina evaluando las bandas 1376/1508, en la cual se obtiene que las muestras intemperie bajo plástico poniente (E2P), bajo techo sin paredes (E3) y bajo galpón cerrado (E4) contienen menor cantidad de lignina en proporción a celulosa, mientras que las muestras intemperie sin protección sur (E1S) y arriba (E1A) tienen mayor contenido de lignina por celulosa C-O de unidades G de lignina O-C-O en lignina y xilanos Abs E1A E1N E1S E2A E2N E2P E2S E3 E4 E10 E Wavenumbers (cm -1 ) Figura Nº 20, Espectro IR Rango λ Las bandas 1250 y 1240 cm -1, muestran que existen enlaces C-O debido a unidades G de lignina o xilanos unidos a lignina en todas las muestras, estos también pueden indicar presencia de grupos acetilos. Las muestras bajo galpón cerrado (E4), intemperie sin protección arriba (E1A) y bajo techo sin paredes (E3), presentan alta absorción en la banda 1250 cm -1, lo que concuerda con lo observado en la banda 1734 cm -1, indicando la unión lignina-xilano, esta banda es débil en muestras a la intemperie sin protección lo que sugiere que contiene grandes cantidades de lignina y poca hemicelulosa (xilanos). 39

120 6.3 Análisis de rendimientos La determinación de los rendimientos fue aplicada a todos los subproductos obtenidos de la paja de trigo luego de ser deslignificada, con estos resultados se busca medir el efecto de las condiciones de almacenamiento sobre los productos de la paja de trigo. La tabla Nº8, presenta el resumen de los resultados de rendimientos, aplicados a los subproductos de la materia prima. Id. Muestra Porcentaje de Recuperación lignina + carbohidratos solubles en fase liquida (% b.m.s) Rendimiento Rechazo (% b.m.s) Rendimiento Pulpa sin Rechazo (% b.m.s) Rendimiento Total Rendimientos (% b.m.s) E1A 44,76 3,84 42,22 90,82 E1N 42,75 4,84 48,60 96,19 E1S 45,75 3,65 46,54 95,94 E1P 45,70 2,99 45,23 93,92 E1O 44,73 3,62 47,03 95,38 E2A 41,88 4,94 44,86 91,68 E2N 44,98 3,95 45,24 94,17 E2S 45,52 3,14 48,47 97,13 E2P 41,76 3,26 45,44 90,46 E2O 44,66 3,79 42,03 90,48 E3 45,89 2,30 49,43 97,62 E4 51,26 2,28 44,94 98,48 Tabla Nº8, Resumen de rendimientos de productos. En el gráfico Nº3, es posible comparar los datos de la Tabla Nº8, donde destacan los resultados de pulpa sin rechazo de las muestras pertenecientes a intemperie sin protección norte (E1N), intemperie bajo plástico sur (E2S) y bajo techo sin paredes (E3), con rendimientos 40

121 superiores al 48%, por el contrario las muestras intemperie sin protección arriba (E1A) y intemperie bajo plástico oriente (E2O) poseen bajos rendimientos, llegando al 42,22 y 42,03% respectivamente. La diferencia existente en los rendimientos de los tipos de almacenamiento se puede atribuir a los niveles de exposición de la paja de trigo, lo cual se explica en las diferencias de las muestras de intemperie sin protección arriba y bajo techo sin paredes, las cuales poseen la mayor diferencia en sus rendimientos. Resumen de Rendimiento de Productos Rendimiento (% b.m.s) E1A E1N E1S E1P E1O E2A E2N E2S E2P E2O E3 E4 Tipos de Almacenamiento Rendiiento lignina + carbohidratos solubles Rendimiento Rechazo Gráfico Nº3, Resumen de Rendimientos de Productos. Los resultados de rendimiento de rechazo no son un índice de calidad de pulpa, más bien se puede atribuir a posibles elementos contaminantes provenientes de la tierra, en algunas ocasiones estos resultados pueden aumentar según el tipo de almacenamiento, si es en rollizos o en fardos ya que si la paja es demasiado prensada dificulta el ataque del solvente quedando de esa forma como rechazo en la pulpa. Los resultados de recuperación de lignina y carbohidratos solubles representan la masa seca presente de cada uno de los componentes en la fase liquida de la deslignificación, calculados en base a la masa seca inicial. 41

122 25 Rendimiento (% b.m.s) Lignina Carbohidratos Solubles E1A E1N E1S E1P E1O E2A E2N E2S E2P E2O E3 E4 Tipo de Almacenamiento Gráfico Nº4, Rendimientos lignina y carbohidratos solubles en fase liquida. Como se puede apreciar en el gráfico Nº4, los niveles de lignina descienden en las muestras cubiertas bajo plástico y aún más en las bajo techo sin paredes y en bajo galpón cerrado, a su vez se aprecia un aumento en los rendimientos de carbohidratos considerando la misma tendencia del tipo almacenamiento. Estos resultados indican que cuanto más se resguarde la paja de trigo de las condiciones climáticas, más se conservan los azucares. Las muestras expuestas al exterior sin protección presentan valores de carbohidratos cercanos al 20%, por lo contrario los tipos de almacenamiento bajo techo sin paredes y bajo galpón cerrado tienen rendimientos de 22,13 y 22,56% respectivamente, en cuanto a los resultados de lignina no se genera una tendencia clara que identifique una población superior o inferior a otra, sin embargo, sobresalen las muestras E1O con un 14,55% de rendimiento y los almacenamientos E2P, E3 y E4 los cuales bordean valores cercanos al 9,5%. En cuanto a los parámetros presentados en el gráfico Nº4 el mejor tipo de almacenamiento en base a los resultados de rendimiento total es el tipo bajo galpón cerrado (E4) y a su vez el peor sería intemperie sin protección oeste (E1O) en cual muestra altos niveles de lignina y sus resultados de azucares se mantienen en la media del resto. 42

123 Rendimiento Total Rendimiento (% b.m.s) E1A E1N E1S E1P E1O E2A E2N E2S E2P E2O E3 E4 Tipo de Almacenamiento Gráfico Nº5, Total Productos. Según los resultados obtenidos en pulpa sin rechazo, lignina y carbohidratos solubles, se puede concluir que las muestras almacenadas bajo estructuras cerradas o sin paredes presentan rendimientos altos en relación a las que se encuentran en total o parcial exposición, además de los rendimientos de subproductos también se suman los resultados aportados por el gráfico Nº5, que corresponden a el balance total de los productos de la deslignificación de la paja de trigo, estos resultados avalan a las muestras bajo techo sin paredes (E3) y bajo galpón cerrado (E4) como las de mayor balance de rendimientos, por el contrario las muestras expuestas al exterior sin protección, principalmente la intemperie sin protección arriba (E1A) posee bajos rendimientos de pulpa sin rechazo, tendencia la que se repite en el balance general de rendimiento, si lo vemos desde un punto de vista industrial en la generación de un producto de valor agregado, como el papel, el tipo de almacenamiento intemperie sin protección arriba (E1A) sería el menos rentable por su bajo rendimiento de pulpa, a diferencia de los tipos de almacenamiento bajo techo sin paredes y bajo galpón cerrado, además de estas dos muestras destacan las expuestas a la intemperie bajo plásticos poniente (E2P) y intemperie bajo plásticos oriente (E2O) en cuanto a sus rendimientos totales, sin embargo, los resultados de lignina y carbohidratos (Gráfico Nº4) disminuyen la rentabilidad del producto. 43

124 6.4 Análisis de Número de Kappa Número Kappa E1A E1N E1S E1P E1O E2A E2N E2S E2P E2O E3 E4 Tipos de Almacenamiento Gráfico Nº6, Resultados Número Kappa Los resultados de Número Kappa indican una tendencia al alza en todas las muestras orientadas a la intemperie sin protección, siendo la pulpa perteneciente al sector arriba (E1A) la que posee el kappa más alto con un 55,33, esto quiere decir que aún se conservan altos niveles de lignina en la fibra. Las muestras que se encuentran con algún tipo de protección ya sea plástico o cubiertas bajo una estructura arrojan resultados mucho menores a los sin protección, se destacan las muestras bajo techo sin paredes (E3) e intemperie bajo plástico norte (E2N), con un kappa de 17, 06 y 18, 80 respectivamente. Los resultados entregados por el gráfico Nº6 afirman que se produce una relación entre el nivel de exposición de la paja de trigo y la cantidad de lignina que queda en la pulpa luego de ser deslignificada, esta relación plantea que a mayor exposición mayor es el número kappa. Con los resultados del número kappa se puede calcular la lignina Klason, la que corresponde a un valor porcentual de lignina en la pulpa, se considera una pulpa aceptable que posea un Klason inferior al 4%, en la tabla Nº9 muestra el porcentaje de lignina Klason en las pulpas de paja de trigo analizadas. 44

125 Tipo de Almacenamiento % Lignina Klason Intemperie sin protección Arriba 7,06 Intemperie sin protección Norte 3,87 Intemperie sin protección Sur 4,57 Intemperie sin protección Poniente 3,79 Intemperie sin protección Oriente 3,70 Intemperie bajo plástico Arriba 3,40 Intemperie bajo plástico Norte 2,44 Intemperie bajo plástico Sur 2,51 Intemperie bajo plástico Poniente 2,89 Intemperie bajo plástico Oriente 2,78 Bajo Techo sin Paredes 2,22 Bajo Galpón Cerrado 2,77 Tabla Nº9, Porcentajes de lignina Klason en pulpa de paja de trigo Los resultados de lignina Klason (Tabla Nº9) siguen la misma tendencia que los valores de número kappa, sin embargo, solo dos muestras sobrepasan el 4%, que son las muestras intemperie sin protección arriba y sur con un 7,06 y 4,57 % respectivamente, esto quiere decir que no aprueban para ser utilizadas en la fabricación de productos de valor agregado como papel. 6.5 Análisis de Viscosidad Capilar Los resultados de viscosidad (Gráfico Nº7) capilar aplicados a las muestras de paja de trigo reflejan el nivel de degradación que presenta la pulpa luego de ser deslignificada, estos resultados entregados son inversamente proporcionales, lo que quiere decir que a menor viscosidad mayor degradación y viceversa. 45

126 Viscosidad ml/g a 25 C E1A E1N E1S E1P E1O E2A E2N E2S E2P E2O E3 E4 Tipos de Almacenamiento Gráfico Nº7, Resultados de Viscosidad Capilar Las muestras a la intemperie sin protección arriba, norte, sur e intemperie bajo plástico norte presentan viscosidades bajas lo que quiere decir que tienen altos niveles de degradación, a su vez los tipos de almacenamiento bajo techo sin paredes, bajo galpón cerrado e intemperie sin protección no presentan mayor degradación en sus pulpas lo que genera la posibilidad de realizar una segunda deslignificación en el caso que sea necesario. 6.6 Relación de resultados Número de kappa y Viscosidad Capilar Con los resultados de los siguientes análisis se quiere encontrar una relación favorable entre un bajo número kappa y una alta viscosidad capilar, lo que significa que la pulpa posee la menor cantidad de lignina residual y bajos niveles de degradación. En algunos casos la viscosidad puede ser alta y el kappa alto, situación que deja abierta la posibilidad para realizar una segunda deslignificación. 46

127 Viscosidad (ml/g) Viscosidad N Kappa E1A E1N E1S E1P E1O E2A E2N E2S E2P E2O E3 E4 Tipo de almacenamiento paja de trigo N Kappa La muestra bajo techo sin paredes (E3) posee en los dos tipos de análisis los mejores resultados con un número kappa bajo y una alta viscosidad, lo que asegura que es el mejor tipo de almacenamiento en relación a estos dos parámetros, la sigue la muestra bajo galpón cerrado (E4) la que posee cifras cercanas al tipo de almacenamiento recién mencionado, existen muestras como intemperie sin protección oeste e intemperie bajo plástico arriba que tienen un número kappa alto en consideración a las muestras bajo estructura metálica, sin embargo, sus viscosidades altas dan la posibilidad de realizar una nueva fragmentación ligninocelulósica que permitirá disminuir la lignina presente en la pulpa de ambas muestras. En el caso de las muestras a la intemperie sin protección arriba, norte, sur y poniente que poseen números kappa demasiado altos no es posible que sean sometidas sus pulpas a una segunda deslignificación ya que los índices de degradación son altos en estos tipos de almacenamiento, lo que se reflejaría en una mala calidad del producto final. 47

128 VII. CONCLUSIONES. Por medio de este trabajo fue posible determinar cuál de los diferentes tipos de almacenamiento de paja de trigo es el mejor y más favorable para la fabricación de productos de valor agregado. - La caracterización FTIR realizada a las muestras de paja de trigo permite establecer las siguientes conclusiones: El análisis de componentes principales (PCA) determinó que las muestras de paja de trigo presentan tres grupos poblacionales diferentes, lo que indica que se produce una diferencia en los componentes ligninocelulósicos de la materia prima. La caracterización de grupos funcionales realizada a la paja de trigo determina que no existe formación de compuestos químicos en los diferentes tipos de almacenamiento, solo se generan variaciones en la intensidad de absorción lo cual se traduce en cambios de concentración en los componentes químicos de la materia prima. En cuanto a la relación lignina/celulosa se evaluaron las bandas 1376/1508 de las que los espectros indican que las muestras a la intemperie bajo plástico poniente (E2P), bajo techo sin paredes (E3) y bajo galpón cerrado (E4) poseen menor cantidad de lignina por celulosa, por el contrario los almacenamientos a la intemperie sin protección sur (E1S) y arriba (E1A) tienen mayor cantidad de lignina que celulosa. Esta relación es importante y marca una diferencia significativa en la calidad del papel ya que al poseer mayor cantidad de celulosa se genera un producto final de mayor calidad y al contener bajos índices de lignina la materia prima no debe ser sometida a tantas separaciones de componentes lo cual no genera una mayor degradación de la fibra. 48

129 - El análisis físico químico realizado a las muestras de paja de trigo y sus subproductos permite afirmar que: Según los análisis de rendimientos aplicados a las muestras de paja de trigo el tipo de almacenamiento bajo techo sin paredes (E3) posee índices altos en los parámetros de pulpa sin rechazo, porcentaje de recuperación de carbohidratos solubles y total de productos, esto provoca que sea una materia prima rentable para la formación de productos derivados de la celulosa, en cambio la muestra a la intemperie sin protección arriba (E1A) repite la tendencia de cifras bajas en cuanto a los parámetros ya mencionados lo que a nivel industrial implica la utilización de mayor cantidad de materia prima para la formación de productos. Las diferencias señaladas se atribuyen directamente al nivel de exposición que tiene la paja de trigo lo cual provoca principalmente un aumento o disminución en el rendimiento de la pulpa sin rechazo, que está mayoritariamente compuesta por celulosa y hemicelulosas. En cuanto a los parámetro de número kappa y viscosidad capilar nuevamente la muestra bajo techo sin paredes (E4) posee los mejores resultados ya que posee bajos contenidos de lignina y degradación, el hecho que presente bajos niveles en este ultimo parámetro es de suma importancia, ya que, da la posibilidad de realizar una nueva deslignificación con el fin de darle una mayor blancura al papel generado situación que se da en la muestra intemperie sin protección oeste (E1O). 49

130 VIII. BIBLIOGRAFÍA. 1. Edmundo Acevedo, Sustentabilidad en cultivos anuales: Cero Labranza Manejo de Rastrojos, LOM S.A, Censo Nacional Agropecuario y Forestal A. Gunucio, A. y Polit E., ODEPA, Antecedentes sobre el Centeno en Chile y otros países Mellado M., INIA, Fengel D. y Wegener G., Wood Chemistry, Ultrastructure and Reactions, Berlín-New York: Walter de Gruyten, Bioetanol de Paja de Trigo: Estrategias de Integración de las Etapas del Proceso, María Elia Tomas Pejo, Universidad Complutense de Madrid, Ethanol productions from steam-explosion pretreated wheat Straw, Ballesteros M., Applied Biochemistry and Biotechnology, Celulose in cyanobacteria. Origin of vascular plant cellulose synthase?, Nobles D.R., Ronanovicz D.K., Brown R.M, Plant Physiology, Barcelo S., Fisiología Vegetal, Editorial Pirámide, Cellulose strcture and biosynthesis: What is in store for the 2st century? Brown R.M., Journal pf Polymer Science, Toward an aggregated understaning of enzimatic hydrolysis of cellulose: noncomplexed cellulase systems, Zhang H.Y. y Cynd L.R., Biotechnology and Bioengeneering, Characterization of hemicellulose isolated with tetraacetylethylendiamine activated peroxide from ultrasound irradiated and alkali pretreaded wheat Straw, Sun R.C. y Tomkinson S., European Polymer Journal, Molecular propenties of hemicelluloses located in the surfase and inner and layers of hardwood and sofwood pulps, Dahlman O., Cellulose, Lignin in Straw of herbaceous craps, Buranov A.N. y Mazza G., Industrial Craps and Products, Cereal structure and composition, Evers A.D., Blakeney A.B. y O Brien L., Australian Journal of Agricultural Research,

131 15. Lignocellulose Biotechnology: issues of bioconversion and enzyme production, Howard R.L., Rensburg J., Howard S., African Journal of Biotechnology, Crovetto Lamarca, Carlos, Rastrojos Sobre el Suelo: una introducción a la cero labranza, Ediatorial Universitaria, Carlos Ruíz, Situación actual y alternativas para reducir las quemas de rastrojos de cereal, Informe Elaborado por INIA, Dirección General de Aeronáutica Civil: Dirección Meteorológica de Chile. 19. Norma Tappi T 278 Pulp screening (Valley-tipe screening device) 20. Norma Tappi T 236 cm-85 Kappa Number of Pulp 21. Norma SCAN Manuales de uso de kits enzimáticos para determinación de ácido ácetico y determinación de azucares tales como: arabinosa, galactosa, glucosa, manosa, xilosa. 23. Douglas A Skoog; F James Holler; Stanley R Crouch, Principios de Análisis Instrumental, CENGAGE Learning Editores S.A de C.V., 2008 Sexta Edición. 51

132 Valorización de la paja de trigo para la obtención de componentes químicos de uso industrial Cecilia Fuentealba, Alex Berg, Juan Salazar Fondef D08i1100

133 Sumario Introducción Objetivo Metodología experimental Resultados Conclusión

134 Introducción

135 Paja de trigo como materia prima disponible Chile Superficie sembrada ha/año. de trigo Paja en rastrojos MM 6-10 (ton/ha) 1 ton/año La paja de trigo, representa: 8% - 12 % del consumo total trozas sector forestal (año 2010: 20 MM ton*) 20% - 30% del consumo trozas industria pulpable (año 2010: 7 MM ton*) Es una materia prima cuantiosa Infor, Boletín estadístico, N 128/2011 Hetz H, et al 2008: Disponibilidad de paja en los rastrojos de trigo en tres provincias de Chile. Agricultura Técnica (Chile) 66 (4):393,401

136 Destino actual de la paja de trigo en Chile Contaminación medioambiental. Pérdida de calidad del suelo. Propagación de incendios a sectores colindantes. Imagen: Quema: Alternativa más utilizada, es económica y rápida. Es un problema aún sin solución, sin embargo se comienza a crear conciencia en la búsqueda de alternativas. Uso para generación de energía renovable: residuos agrícolas, < 20% en mezclas con biomasa forestal. Elevado contenido de inorgánicos/problemas en calderas

137 Potencial de la paja de trigo en el concepto de la biorefinería Material de refuerzo Biomasa lignocelulósica Lignina Celulosa (nanofibras) Derivados de celulosa Hemicelulosa Resinas adhesivas Bioplásticos Sustratos de fermentación Gran interés: Producción de etanol y para la industria química, de papel, farmacéutica y de biomateriales Suplemento alimenticio Desarrollar tecnologías viables que permitan fraccionar la paja de trigo de forma limpia y eficiente para elaborar productos de alto valor comercial.

138 Objetivo Desarrollar un proceso químico de deslignificación, simple, de mínimo impacto ambiental y escalable, para obtener celulosa, hemicelulosa y lignina a partir de paja de trigo.

139 Metodología Escala de laboratorio DESLIGNIFICACIÓN Elección del solvente CRITERIO DE EVALUACIÓN VALOR ESPERADO Ácido nítrico en medio acético Ácido fórmico en medio acuoso Solventes orgánicos Recuperables Mínimo impacto ambiente N Kappa Viscosidad intrínseca Bajo Nº Kappa < 25 Viscosidad intrínseca > 900 ml/g Ácido fórmico enmedio acético

140 Primera etapa DESLIGNIFICACIÓN Licor EVAPORACIÓN SEPARACIÓN/ PRECIPITACIÓN Pulpa celulósica Solvente Concentrado lignina y carbohidratos solubles Lignina Carbohidratos solubles DESLIGNIFICACIÓN Proceso Variable Constante Ácido nítrico en medio acético Concentración de ácido nítrico Ácido fórmico en medio acuoso Contenido agua Temperatura de ebullición Presión atmosférica Tiempo de digestión: 2 hrs Ácido fórmico en medio acético Relación ácido fórmico/acético

141 Resultados Viscosidad intrínseca (ml/g) f Condiciones Selectivas Nº Kappa Ác. Nítrico en medio acético Ác. Fórmico Ác.fórmico/Ác.acético Mejores condiciones (base 100% solución) Ácido acético < 20% Ácido fórmico >60% Agua < 20 % Ácido nítrico en medio acético La degradación de la celulosa aumenta al aumentar la concentración de ácido nítrico Ácido fórmico en medio acuoso Ácido fórmico / Ácido acético A altas concentraciones, excelente capacidad para remover lignina. Es selectivo. El contenido de agua debe ser máximo 20%. Buena capacidad de remoción de lignina, pero sólo a bajos contenidos de ácido acético en la mezcla, <20%.

142 Escalamiento piloto Planta de extracción discontinua Ácido fórmico: 67±3 Ácido acético: 15±5 Agua: 18±2 L/S: 20 Rendimiento: 46% Nº Kappa: 20 Viscosidad : 895 Blancura: 24% Carbohidratos solubles Lignina Pulpa celulósica cruda Materias primas de uso industrial

143 Uso de fibra de paja de trigo en papel 10 x / x / 0.20 Tipo Pulpa Fibras de pulpa mecánica % Fibra Larga (1,3 3,0) ( mm) Fibras de paja de trigo % Fibra Mediana (0,8 1,3) ( mm) % Fibra Corta (0,02 0,8) (mm) Mecánica >30 35 <35% Eucaliptus Paja de Trigo 5,2 53,2 41,7 - Fibras más cortas. - Pared celular más delgada.

144 Muestras de hojas formadas en Laboratorio 10 x / x / 0.20 Hoja de papel pulpa mecánica Hoja de papel pulpa paja trigo Hoja de papel pulpa paja trigo Resistencia mecánica de hojas de papel de paja de trigo Índice de Tracción (Nm/g): 34,3 (Para pulpa mecánica >31,5) Índice de Rasgado (Nm/g): 5,2 (Para pulpa mecánica < 5,5) Aplicaciones potenciales Mezclas con pulpa mecánica Aditivo o relleno mejorar opacidad. Reemplazo de fibras de papel reciclado. Papeles de menor gramaje Papeles especiales (mural) Envases biodegradables

145 Conclusiones Las condiciones óptimas para deslignificar paja de trigo a presión atmosférica son utilizar una mezcla de ácido fórmico > 60 %, de ácido acético < 20% y agua < 20 %, durante un tiempo de cocción de 2 horas a temperatura de ebullición. A nivel laboratorio las características de la pulpa obtenida N Kappa (16) y viscosidad intrínseca (1050 ml/g), permiten concluir que la primera etapa es altamente selectiva, con una fuerte remoción de lignina, sin daño a la celulosa. El proceso fue escalable a nivel piloto y se obtuvieron características levemente inferiores a las obtenidas a escala de laboratorio, N Kappa (20) y viscosidad (895). El proceso de deslignificación utilizado para la obtención de celulosa, hemicelulosa y lignina, es simple, limpio y factible de escalar.

146 Gracias!

147 1 ESTUDIO DEL USO DE LIGNINA PARA LA ELABORACIÓN DE UN MECANISMO DE LIBERACIÓN SOSTENIDA DE UREA. LIGNIN USE STUDY FOR THE DEVELOPMENT OF A SUSTAINED RELEASE MECHANISM OF UREA. Palabras claves: Paja de trigo, Eucalipto, Pino, biofertilizante. RESUMEN El presente trabajo se realizo en el contexto del proyecto FONDEF D08I1100, Desarrollo de productos comerciales a partir de paja de trigo, en el cual plantea introducir la paja de cereales como materia prima lignocelulósica alternativa a la tradicional biomasa forestal. Para ello, se desarrolló un proceso de deslignificación simple (método organosolv), que obtiene no sólo pulpa como producto comercial del proceso, sino también carbohidratos disueltos y lignina. El estudio realizado plantea la incorporación de un valor agregado a la lignina de paja de trigo. Para esto se elaboraron una serie de biofertilizantes de liberación controlada utilizando como matriz soporte la lignina de paja de trigo. Además se evaluó su comportamiento con respecto a las ligninas de pino y de eucalipto, obtenidas mediante la misma metodología de extracción. Para aplicar un análisis más completo y variado se realizo una gama de tratamientos (distintos tamaños y distintas proporciones de Lignina/urea). Luego de la elaboración de los distintos biofertilizantes se aplicó la metodología seleccionada para estudiar las propiedades de liberación de la lignina de paja de trigo comparándola con las otras dos ligninas mencionadas anteriormente. Los resultados obtenidos

148 2 de estos análisis indican que la lignina de paja de trigo tiene un comportamiento distinto con respecto a sus pares, y además que a una concentración mayor de lignina se produce un efecto contrario al esperado; es decir la liberación de urea es más rápida en cada uno de los ensayos realizados.

149 3 LIGNIN USE STUDY FOR THE DEVELOPMENT OF A SUSTAINED RELEASE MECHANISM OF UREA. Keywords: Wheat straw, Eucalyptus, Pine, biofertilizer. SUMMARY This work was done in the context of D08I1100 FONDEF, Development of commercial products from wheat straw, which raises introduce cereal straw lignocellulosic feedstock alternative to traditional forest biomass. For this, we developed a single delignification process (organosolv method), which not only pulp obtained as a commercial product of the process, but also dissolved carbohydrates and lignin. The study raises the incorporation of added value to the wheat straw lignin. For this we developed a series of controlled-release biofertilizer used as carrier matrix lignin wheat straw. Their behavior was also evaluated with regard to lignins eucalyptus and pine, obtained by the same method of extraction. To apply a more complete and varied we made a range of treatments (different sizes, different proportions of lignin / urea). After the development of different biofertilizers selected methodology was applied to study the release properties of wheat straw lignin by comparison with the other two aforementioned lignins. The results of these analyzes indicate that the wheat straw lignin behave differently with respect to its peers, and besides that a higher concentration of lignin is an effect opposite to that expected, ie urea release is faster in each of the tests performed.

150 4 1. INTRODUCCIÓN En Chile se produce anualmente 1,3 millones de toneladas de paja de trigo (Ruiz, 2011), material lignocelulósico que se quema mediante roces, en su gran mayoría. Esta práctica significa la pérdida de una materia prima potencialmente utilizable, y serios problemas ambientales y de riesgo de incendios. Por otra parte, la demanda por biomasa forestal está aumentando sostenidamente. Junto a los usos tradicionales, como madera aserrada, celulosa, tableros y leña, se están estableciendo usos alternativos, como la transformación termoquímica, la generación de energía, la producción de biomateriales y nuevos materiales compuestos y la extracción de compuestos químicos de interés. Esta tendencia conducirá en un mediano plazo, inexorablemente, a un aumento de su precio en el mercado nacional. Frente a este escenario, el proyecto FONDEF D08I1100, Desarrollo de productos comerciales a partir de paja de trigo (actualmente en ejecución en la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción) plantea introducir la paja de cereales como materia prima lignocelulósica alternativa a la tradicional biomasa forestal. Para ello, se requiere contar con un proceso de deslignificación simple (idealmente de una sola etapa), y obtener no sólo pulpa como producto comercial del proceso, sino también carbohidratos disueltos y lignina. El mencionado proyecto asume este desafío y plantea que los tres productos mencionados serán utilizados para producir papel, un complemento alimentario para bovinos y un biofertilizante nitrogenado, respectivamente. En el presente trabajo se abordará esta última

151 5 etapa, la cual consiste en otorgarle a este subproducto un valor agregado, utilizándolo como matriz polimérica en fertilizantes de liberación controlada. Con la liberación controlada de fertilizantes se busca obtener un mejor aprovechamiento del nitrógeno presente en el fertilizante utilizado como ingrediente activo. Los fertilizantes de liberación controlada (FLC) dan a la planta una nutrición más uniforme, equilibrada y se reduce el riesgo de exceso y defectos nutricionales debidos a saturación del suelo con el fertilizante. Además, reducen la frecuencia de aplicación y movimientos de fertilización tradicionales, eliminando los posibles errores de aplicación. Las mayores falencias o descontentos a los que se enfrentan los agricultores y viveristas, con el uso de fertilizantes tradicionales, son debido a factores incontrolables como la volatilización, lixiviación, y drenaje de estos fertilizantes simples, con una consecuencia de un aumento de la salinidad en los primeros días y unas deficiencias nutricionales inmediatas. La lignina es un material que puede ser ideal para su aplicación al suelo junto con los fertilizantes solubles, ya que cuando de adhiere al suelo actúa como una sustancia precursora de acido húmico. Además la lignina reduce la tasa de nitrificación de la urea, lo que permite a este compuesto permanecer en el suelo por más tiempo (García, 1996). El propósito de este trabajo es evaluar la factibilidad de utilizar lignina de paja de trigo como material soporte en sistemas de FLC. Como ingrediente activo o soluble se utilizará urea, ya que es una sustancia con alto contenido en nitrógeno. Puesto que este tipo de desarrollo ya se ha realizado con lignina

152 6 de especies forestales (García, 1996), los resultados obtenidos se comparan con lignina de pino y eucalipto.

153 HIPÓTESIS Es factible utilizar lignina de paja de trigo como material soporte en fertilizantes de liberación sostenida. 1.2 OBJETIVOS Objetivo general Generar un metodología de elaboración de fertilizantes de liberación controlada utilizando lignina de distintas procedencias como material soporte Objetivos específicos Cuantificar la concentración de urea liberada de la matriz polimérica a un medio acuoso. Determinar curvas específicas de liberación de urea a partir de lignina como matriz polimérica. Analizar el comportamiento de la lignina extraída de la paja de trigo comparada con la lignina de pino Radiata y de eucaliptus.

154 8 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA La necesidad de utilizar fertilizantes de liberación controlada es ampliamente reconocida no sólo porque es deseable aplicar nitrógeno en una forma racional y económica, sino también por la importancia de mejorar la fertilidad del suelo sin generar contaminación a las napas subterráneas. La utilización de lignina para la obtención de fertilizantes de liberación controlada ha sido estudiada con éxito, siendo posible producirlos mediante la reacción entre iones de amonio y lignina (amoxidación), o mediante el uso de lignina como agente encapsulante de los nutrientes o micronutrientes. En este último caso el objetivo es recubrir el o los nutrientes (solubles) con un material insoluble y liberarlo lentamente a través de los poros superficiales del encapsulante. Los agentes de encapsulamiento deben poseer dos propiedades adicionales, ser biodegradables en el suelo y no liberar sustancias tóxicas. F. Wolfang (1973) produjo fertilizantes de liberación controlada mediante la amoniación oxidativa de desechos lignocelulósicos. Los desechos fueron tratados a 125 C y 12 atm con amoniaco (NH 3 ) y oxígeno, para posteriormente ser concentrado, evaporado y secado en un secador spray. El producto granulado obtenido presentó entre un 30 a 40% de nitrógeno (determinado como iones de NH4+), 10% de nitrógeno a la forma de amidas (CONH 2 ) y 50% en otras formas orgánicas. Entre un 40 a 45% de compuestos nitrogenados no fueron drenados a través del suelo. Finalmente, el autor indicó que los compuestos de lignina nitrogenados ejercieron un efecto positivo en la dinámica del suelo.

155 9 Meier et al. (1994) utilizó lignina derivada de procesos de pulpaje kraft, organosolv, soda y ASAM como también lignosulfonatos fermentados de un proceso al sulfito, en reacciones de amoniación oxidativa (amoxidation) para la producción de fertilizantes nitrogenados de liberación lenta. Las reacciones fueron llevadas a cabo en fase líquida, controlando el tiempo, temperatura y presión de oxígeno sobre la cantidad de nitrógeno fijado y la razón C/N. Elevados contenidos de nitrógeno fueron obtenidos al utilizar ligninas kraft y organosolv, seguidas por los lignosulfonatos. A 150 C, 15 bar (presión de oxígeno) y 90 min de reacción, pudo fijarse entre el 13 y 14% de nitrógeno (basado en lignina) en la macromolécula de lignina. Cambios en la estructura molecular fueron monitoreados mediante espectroscopia infrarred. La aplicación del fertilizante obtenido permitió un aumento en el rendimiento de ciertas plantas en un 82% con respecto al obtenido con fertilización tradicional. Lapierre et al. (1994) presenta una investigación en relación a los cambios estructurales que sufre la lignina kraft de origen industrial después de ser sometida a procesos de amoniación para la producción de fertilizantes nitrogenados. El análisis FTIR mostró bandas C-O asignables a ácidos carboxílicos y grupos amida. Además el análisis FTIR mostró una reducción severa de las estructuras aromáticas y una menor presencia de grupos hidroxilos a medida que la reacción avanzaba. Y. Guangyu (2002) produjo experimentalmente fertilizantes nitrogenados utilizando un 33% de amonio (en base al peso de lignina) en reacciones de

156 10 oxidación y aminolisis a 150 C y 1.5 MPa presión de oxígeno por 0, 60 y 150 minutos. La razón carbono/nitrógeno (C/N) para dos de los productos obtenidos fue de 5.4, 2.5, 2.1 y 31.3, 8.5, 5.7 para 0, 60 y 150 minutos de reacción respectivamente. De acuerdo a lo expuesto por Ramírez et al. (2007) los compuestos de lignina amoxidados pueden presentar un contenido de nitrógeno entre un 2.8 a 31.8% peso, dependiendo de la materia prima y las condiciones de procesamiento. El contenido absoluto de nitrógeno tiene, a juicio de los autores, menos relevancia que la razón C/N la cual debería ser menos de 25 en el producto final para asegurar una buena biodegradabilidad. Ramírez et al. (2007) presenta la caracterización química de ligninas después de un proceso de amoxidación en un reactor de lecho fluidizado y en un reactor de fase líquida con agitación. Los autores utilizaron técnicas tales como NMR, FTIR y Py-GC/MS y determinaron que la amoxidación de lignina kraft produce compuestos nitrogenados principalmente sales carboxiladas de amonio, urea y amidas tales como formamida, acetamida, benzamida y otras. Yigin y Zhongzheng (2007) prepararon fertilizantes de liberación controlada mediante la modificación química de lignosufonatos de calcio con urea. El efecto del ph, temperatura y tiempo de reacción junto a la determinación del contenido total de nitrógeno y nitrógeno amoniacal fueron evaluados en los lignosulfonatos modificados. Las condiciones óptimas de reacción fueron las siguientes: ph 3, razón de urea a lignina (1-1.6) y reacción a 85 C por 4

157 11 horas. El contenido total de nitrógeno y nitrógeno amoniacal en los lignosulfonatos modificados alcanzaron un 9.8% y 0.6% respectivamente. En el caso de la fabricación y utilización de fertilizantes de liberación controlada producidos mediante el encapsulamiento de urea es posible citar los siguientes trabajos. García et. Al (1999) utilizó ligninas kraft de pino en formulaciones de fertilizantes de liberación controlada. Los autores prepararon 7 tipos de fertilizantes utilizando urea recubierta con lignina, diferentes tipos de resina y en algunos casos además agregando aceite de linaza. La evaluación físicoquímica de estos fertilizantes demostró que los más eficientes fueron los fabricados con una mezcla de resinas naturales, como también con la utilización de lignina. También fue demostrado que la eficiencia de los productos creció con la incorporación del aceite de linaza como agente de sellado. Fernández-Pérez et al. (2008) utilizó lignina y etilcelulosa como agentes encapsulantes de urea y posteriormente demostró la eficiente liberación controlada del fertilizante. Los autores prepararon la formulación mezclando la urea con lignina kraft bajo condiciones de fusión. El producto fue molido y harneado para producir gránulos de tamaños entre 0.5-1, 1-2, 2-3 y 3-5 mm. Los gránulos recubiertos de urea fueron producidos en un reactor de lecho fluidizado usando una solución etanólica. Una vez estudiada la eficiencia de encapsulación y la homogeneidad de las formulaciones de liberación lenta, experimentos destinados a conocer la cinética de liberación en agua fueron

158 12 realizados. Una elevada eficiencia de encapsulación fue alcanzada y los valores oscilaron entre un 95% para el sistema encapsulado con un 20% de etilcelulosa y un 97% para el encapsulamiento de urea con lignina kraft. Los resultados finales de esta investigación demostraron que la presencia de etilcelulosa en las formulaciones retarda la liberación de urea en comparación con las formulaciones preparadas con lignina. Otros ejemplos de aplicación de fertilizantes de liberación controlada en base a ligninas modificadas o encapsulamiento de urea por lignina han sido publicados. Los trabajos de Ramírez et al (1997) y Ramírez-Cano et al. (2001) demuestran la efectividad de utilizar fertilizantes de liberación controlada obtenidos mediante la modificación química de ligninas. García et al. (1997) estudiaron la eficiencia de diferentes fertilizantes en el sistema suelo-planta. Los productos estudiados consistieron en productos de urea granular encapsulada por lignina de pino kraft. 5 diferentes tipos de fertilizantes fueron encapsulados en matrices de diferente espesor y/o la incorporación de un aceite (de linaza) como agente sellante. Los experimentos fueron realizados en contenedores disponibles en un invernadero. La pérdida de nitrógeno en los fertilizantes no encapsulados fue superior al 74% y en el caso de los encapsulados esta fue entre el 34 al 68%. Un año más tarde García et al. (1998) publicó otro estudio cuya finalidad fue predecir la pérdida de nitrógeno de fertilizantes encapsulados en una matriz de lignina. Los métodos de laboratorio incluyeron el análisis de urea en agua y un procedimiento de extracción usando técnicas de electroultrafiltración.

159 13 Los resultados de ambos métodos fueron comparados con la cantidad de nitrógeno liberado en un experimento realizado en un invernadero. Los resultados mostraron una buena correlación entre los dos experimentos de laboratorio y el de campo realizado en el invernadero. Por su parte S. Kejun et al. (2005) realizó estudios tendientes a evaluar la eficiencia de liberación de fertilizantes encapsulados en una matriz de lignina y bentonita, y las características de la matriz encapsulante. Las fotografías obtenidas a través de microscopía electrónica mostraron que la pared encapsulante era delgada, con pocas grietas y más compacto que el logrado sólo con bentonita. El test de lixiviación en la columna de suelo indicó que después de 50 días la acumulación de nitrógeno lixiviado por la urea encapsulada con bentonita o el complejo bentonita-lignina fue mucho menos que el obtenido al lixiviar sólo urea. Para tres formulaciones de agente encapsulante la tasa de lixiviación se redujo en un 9, 14 y 15% en comparación con urea común. La lixiviación total de nitrógeno de los tratamientos usando materiales complejos como agentes encapsulantes fue de 11 y 14% menos que el tratamiento usando bentonita como material encapsulante. Finalmente los autores concluyen que la mezcla bentonita-lignina como material encapsulante de fertilizantes para su uso en la liberación controlada de urea en condiciones de campo. W. De-han (2003) preparó urea encapsulada con lignina (LCU) y realizó los experimentos respectivos de evaluación. Urea encapsulada en una matriz de lignina de diferente espesor fue producida en un tambor rotatorio para recubrimiento. Un experimento en maceteros fue realizado

160 14 para estudiar la eficiencia del LCU usado. Al comparar este producto con urea no encapsulada los autores demostraron que le lixiviación e nitrógeno se redujo en un 12.5%. Finalmente, es posible mencionar que en el mercado es posible encontrar por lo menos un proveedor de fertizantes de liberación controlada basados en la utilización de lignina. Esta empresa ofrece fertilizantes con diferente contenido de npk (nitrógeno, fósforo y potasio) y otros micro-elementos para su uso en canchas de golf, jardinería, etc. Los proveedores del producto señalan que el producto puede mantenerse activo en el suelo por 20 semanas alcanzando eficiencias de nutrición de hasta un 80%, debido a su baja fluidización y/o volatilización y debido al que los microelementos son fuertemente unidos a la molécula de lignina mediante enlaces covalentes y enlaces secundarios Liberación sostenida de principios activos desde matrices poliméricas La liberación sostenida o liberación controlada se define como un proceso a través del cual uno o más agentes activos o ingredientes se hacen disponibles desde un dispositivo, en un determinado lugar, a una determinada velocidad, bajo la influencia de un estímulo específico en alguna etapa de un proceso. Existen sistemas de liberación sostenida de muy diversa naturaleza, incluyendo todo tipo de dispositivos mecánicos. Los sistemas poliméricos se

161 15 basan la inclusión del principio activo en una matriz polimérica, disminuyendo la velocidad con que se encuentra disponible en el medio debido a que el polímero constituye resistencia a la transferencia de masa según distintos mecanismos (Tramón, 2011). En el caso de sistemas basados en matrices poliméricas, entre los estímulos comúnmente utilizados para producir la liberación del principio activo se encuentran: Diferencia de potencial químico o concentración. Aumento de presión. Aumento de temperatura. Variación de ph. Aumento de presión osmótica dentro de sistemas de tipo depósito. Contacto con un solvente. Disolución de la barrera polimérica. Combinaciones de los estímulos anteriormente mencionados. Los sistemas de liberación sostenida pueden ser clasificados de acuerdo con los mecanismos de transferencia de masa involucrados, según se detalla a continuación.

162 Liberación por difusión Sistemas de matriz El agente activo se encuentra homogéneamente disuelto o disperso a través de la matriz polimérica, que es la red tridimensional que contiene tanto el principio activo como otras sustancias (solventes, excipientes) requeridas para su preparación específica, como se esquematiza en la Figura 1. El perfil de liberación depende de la geometría del sistema, el tipo de material soporte y la carga de principio activo. Ejemplos comunes de sistemas de matriz son geles, emulsiones, películas, las mismas matrices, y productos encapsulados mediante extrusión Sistemas de tipo depósito El agente activo está encapsulado dentro de un material polimérico, que actúa como barrera (ver Figura 1). La velocidad de liberación desde el depósito depende del espesor, el área y la permeabilidad de la barrera, así como de la geometría del sistema. Las microcápsulas elaboradas a través de procesos de secado por atomización o por coacervación son ejemplos de sistemas de depósito.

163 17 Figura 1. Sistema de matriz A) y Sistema de depósito simple B) Otros Liberación por degradación En este tipo de sistemas, los principios activos se liberan cuando el polímero portador se degrada o erosiona Liberación por absorción Cuando el producto encapsulado se sitúa en un medio termodinámicamente compatible, el polímero se hincha por la penetración (absorción) de fluido desde el medio. Entonces, el principio activo se difunde hacia afuera a través del medio fluido que el polímero absorbió.

164 Liberación por aumento de la presión osmótica En un sistema osmótico, el principio activo se encapsula en una membrana permeable al agua pero impermeable al compuesto de interés. Cuando aumenta la presión osmótica, esta barrera colapsa y se produce la liberación.

165 19 3. METODOLOGÍA 3.1. Materias primas En marzo 2012 se recibieron, de parte del equipo de trabajo del proyecto FONDEF D08J1100, 3 ligninas organosolv obtenidas mediante procesos similares: de paja de trigo, de pino radiata y de eucalipto (aprox. 5 kg de cada una). Como principio activo, se seleccionó urea granulada marca Jarditec (46% N) Estudio de solubilidad de las ligninas Se realizaron extractos soxhlet de lignina en distintos solventes (benceno, cloroformo/metanol, etanol y metanol). Estos solventes cubren un rango de polaridad y parámetro de solubilidad de Hildebrand Procedimiento de extracción Soxhlet Se agregó 160 ml del solvente a un balón con perlas de ebullición en su interior y se llevó a ebullición, para lograr la evaporación y circulación de éste hasta un condensador a reflujo. Llegado a la temperatura de ebullición del solvente, éste comenzó a evaporarse y, luego de que se calentó en las paredes del equipo, se condensó en el refrigerante, para posteriormente, caer sobre un recipiente que contenía el cartucho poroso con la muestra en su interior. El ascenso del nivel del solvente cubre el cartucho hasta un punto en que se produce el reflujo que devuelve el solvente con el material extraído al balón.

166 20 Cabe señalar que el tope del sifón está por encima del cartucho para asegurar que todas las veces el material a extraer este completamente sumido en el solvente. Es importante señalar que este proceso se repitió la cantidad de veces necesaria para que la muestra quedase agotada. Para este caso, la muestra se tuvo a reflujo por 6 horas aproximadamente. La primera operación fue totalmente atípica y no se contabilizó en el recuento que se hizo para regular la velocidad de extracción como suelen pedir las normas. Finalmente, en un evaporador rotatorio con vacío, se evaporó el solvente utilizado para la extracción, concentrando de esta forma en un balón las distintas ligninas utilizadas Elaboración de productos por fusión Las mezclas de lignina/urea se llevaron en un molde a estufa por sobre la temperatura de fusión de la urea (132,7ºC). Una vez frías, las muestras se molieron en mortero, reteniéndose cortes entre 0,5 y 2 mm y mayores a 4 mm. Además se ensayaron 2 proporciones distintas de lignina (en base a los resultados informados por García et al., 1996, y Fernández-Pérez et al., 2008), a saber: 20 y 40% lignina (base masa total de la mezcla). Se obtuvo así una matriz experimental de 3 x 2 x 2 (3 ligninas x 2 tamaños x 2 contenidos de lignina).

167 Determinación del contenido de nitrógeno en productos fusionados Se realizó mediante el método Kjeldahl para determinación de nitrógeno total. El método Kjeldahl mide el contenido en nitrógeno de una muestra. Este método puede ser dividido, básicamente en 3 etapas: digestión o mineralización, destilación y valoración. El procedimiento a seguir es diferente en función de si en la etapa de destilación el nitrógeno liberado es recogido sobre una disolución de ácido bórico o sobre un exceso conocido de ácido clorhídrico o sulfúrico patrón. Ello condicionará la forma de realizar la siguiente etapa de valoración, así como los reactivos empleados. En este artículo docente se explica el primer procedimiento, cuando el nitrógeno se atrapa sobre ácido bórico. (a) Etapa de digestión: un tratamiento con ácido sulfúrico concentrado, en presencia de un catalizador y ebullición convierte el nitrógeno orgánico en ión amonio, según la ecuación 1. Catalizadores/ calor n - C -NH 2 + H 2 SO 4 CO 2 + (NH 4 ) 2 SO 4 + SO 2 (ec. 1) Procedimiento: Se introducen de 1 a 5 g de muestra un tubo de mineralización y se ponen 3 g de catalizador que suele estar constituido por una mezcla de sales de cobre, óxido de titanio o/y óxido de selenio. De forma habitual se utiliza como catalizador una mezcla de K 2 SO 4 : CuSO 4 : Se (10:1:0,1 en peso). Después se adicionan 10 ml de H 2 SO 4 concentrado y 5mL de H 2 O 2. Posteriormente se digiere a 420 ºC durante un tiempo que

168 22 depende de la cantidad y tipo de muestra. Se sabe que la digestión ha terminado porque la disolución adquiere un color verde esmeralda característico. En esta etapa, el nitrógeno proteico es transformado en sulfato de amonio por acción del ácido sulfúrico en caliente. En la actualidad, para llevar a cabo este proceso se utilizan digestores automáticos que son capaces de digerir un número determinado de muestras al mismo tiempo. (b) Etapa de destilación: se alcaliniza la muestra digerida y el nitrógeno se desprende en forma de amoniaco (ecuación 2). El amoniaco destilado se recoge sobre un exceso desconocido de ácido bórico (ecuación 3). (NH 2 )SO NaOH 2NH 3 + Na 2 SO 4 + 2H 2 O (ec. 2) NH 3 + H 3 BO 3 NH 4 + H 2 BO 3 (ec. 3) Procedimiento: Después de enfriar se adicionan al tubo de digestión 50 ml de agua destilada, se pone en el soporte del destilador y se adiciona una cantidad suficiente de hidróxido sódico 10 N, en cantidad suficiente (50 ml aprox.) para alcalinizar fuertemente el medio y así desplazar el amoniaco de las sales amónicas. El amoniaco liberado es arrastrado por el vapor de agua inyectado en el contenido del tubo durante la destilación, y se recoge sobre una disolución de ácido bórico (al 4 % p/v). (c)etapa de valoración: La cuantificación del nitrógeno amoniacal se realiza por medio de una volumetría ácido:base del ión borato formato, empleando ácido clorhídrico o sulfúrico y como indicador una disolución alcohólica de una mezcla de rojo de metilo y azul de metileno (ecuación 4). Los

169 23 equivalentes de ácido consumidos corresponden a los equivalentes de amoniaco destilados. H 2 BO H+ H 3 BO 3 (ec. 4) 3.6. Ensayos de liberación controlada Se realizaron en cámara climatizada a 20ºC, y en baño termostático a la misma temperatura. Muestras de aprox. 5 g de cada producto se dispusieron en matraces. Se les añadió 100 ml de agua. Transcurrido el tiempo determinado (20 min, 40 min, 60 min, 90 min, 120 min, 150 min, 180 min, 240 min), se obtuvieron 5 ml de cada ensayo. Se repusieron a cada matraz 5 ml de agua destilada. La muestra obtenida se filtró, y se analizó para determinar su contenido de urea. El efecto de cada variable de operación se investigó en triplicado. Para los productos elaborados por fusión se tuvo un total de 3 ligninas x 2 tamaños x 2 concentraciones x 3 repeticiones x 8 tiempos de muestreo = 288 determinaciones Determinación de urea en agua Método Espectofotométrico La muestra se pone en suspensión en agua. La suspensión se filtra. El contenido de urea en el filtrado se determina, tras la adición de p-dmab, por medio de la densidad óptica a la longitud de onda de 420 mm (Método oficial AOAC , para determinación de urea en alimentos animales).

170 24 Para los productos fusionados se ensayaron variantes de este método. En un principio, antes de la adición del reactivo cromogénico, se ensayó la eliminación de los compuestos coloreados generados en estos productos (cuya absorbancia máxima se encuentra también a 420 nm) de acuerdo con lo recomendado en el mencionado método oficial, utilizando soluciones de Carrez I y II, carbón activado, y combinaciones de estos reactivos. Sin embargo, esta metodología se descartó al comprobar que, en todos los casos, los tratamientos eliminaban también parte de la urea de la muestra. Todas estas metodologías se ensayaron además precedidas de un tratamiento ácido (FAO, 2012). Se ensayaron también como coagulantes sulfato de cobre y sulfato de alumnio, con resultados negativos. Se ensayó también el uso de columna capilar de carbón activado en lugar de carbón activado en la muestra agitada, pero nuevamente se detectó pérdida de la urea en la muestra. Finalmente, se descartó la colorimetría para los ensayos en productos fusionados Determinación de urea en agua Método de Ión Selectivo Los métodos fotométricos conocidos para la determinación del amonio son precisos, pero exigen mucho tiempo para su realización (tiempo de reacción con reactivo de Nessler 30 min, con indofenol 90 min). Otra desventaja de estos métodos es que sólo se puede trabajar en soluciones claras, debiéndose aclarar soluciones turbias mediante métodos que también

171 25 demandan mucho tiempo. Con el electrodo selectivo de amonio se evitan estos problemas. Es posible una medida sencilla en aguas potables, aguas subterráneas y de superficie, pero también en aguas residuales, extractos de suelos y digestiones Kjeldahl (sin destilación). La determinación del amoníaco en sales de amonio, del ácido nítrico en nitratos y del contenido en nitrógeno de compuestos orgánicos se basa en que el ión de amonio se extrae como amoníaco gaseoso mediante la adición de un excedente de lejía de sosa: NH OH NH 3 + H 2 O La membrana exterior del electrodo permite la transfusión del amoníaco a través de ella. La modificación resultante del valor de ph de la solución de electrolito interno se registra con un electrodo de vidrio combinado. Si la sustancia que se desea determinar no es una sal de amonio, hay que convertirla a través de los pasos apropiados en dicha sustancia. Compuestos orgánicos de nitrógeno, en particular compuestos de aminas, se descomponen según Kjeldahl, calentándolos con ácido sulfúrico concentrado. El carbono se oxida formando dióxido de carbono, mientras que el nitrógeno ligado orgánicamente se transforma en sulfato de amonio. Además de numerosos ejemplos se describen diversas preparaciones de muestras y un ejemplo de digestión Kjeldahl. Se toma 5 ml de muestra filtrada, al cual se le añade una solución ISA (Ionic Strenght Adjuster; en este caso, hidróxido de sodio concentrado más EDTA) para ajustar ph a 14. Se introduce el electrodo en la muestra y se espera

172 26 hasta estabilización de la lectura. El resultado se compara con una curva de calibración en base a cloruro de amonio. El contenido de nitrógeno en la muestra original se determina como contenido de ión amonio. Debido a que con el método espectofotométrico no se puede realizar mediciones que sean representativas, se utiliza el método de ión selectivo como alternativa para realizar el análisis de determinación de urea en el agua. 4. RESULTADOS Y DISCUSIONES 4.1. Estudio de solubilidad de las ligninas- Extracción Soxhlet En el estudio de solubilidad de las ligninas solo estaban disponibles la lignina de paja de trigo y lignina de pino. En mayo 2011 se recibieron, de parte del equipo de trabajo, 116 g de lignina organosolv de paja de trigo y 200 g de lignina organosolv de pino radiata. Con estas muestras iniciales se realizó un estudio de solubilidad exploratorio los resultados se muestran en la Tabla 1. La lignina de paja de trigo recibida presentó un perfil químico y una temperatura de fusión atípica, fuera de lo esperado. Para extrapolar conclusiones se utilizaron los resultados obtenidos para la lignina de pino, cuyas propiedades estaban dentro del rango típico para ligninas organosolv. Los resultados obtenidos para la lignina de paja de trigo debieron esperar confirmación hasta que se recibieran nuevas muestras, en marzo 2012, al iniciarse esta parte del estudio. La nueva lignina de paja de trigo recibida sí presenta características dentro de los rangos típicos, y los análisis de

173 27 solubilidad de estas muestras indican están descritas en otro estudio donde (Mora, 2013) indica que en todos los casos se observa que la mayor afinidad de los productos estudiados se presenta con el solvente cloroformo/metanol 1:1. Sin embargo, en el caso de la lignina de eucalipto, ninguno de los solventes presentó una capacidad de extracción suficientemente alta. Las ligninas de paja de trigo y de pino presentan un perfil de solubilidades típico (González et al., 2007); no así la lignina de eucalipto. Pese a las similitudes entre las ligninas de paja de trigo y de pino (alta solubilidad en cloroformo/metanol), el perfil de las tres ligninas difiere notoriamente. Tabla 1. Rendimientos de extracción Soxhlet para lignina de pino y lignina de paja de trigo Rendimiento de extracción Solvente Lignina de pino radiata Lignina de paja de trigo Agua 3,40% 5,00% Metanol 20,90% 23,30% Benceno 23,60% 13,20% Cloroformo/Metanol 89,10% 22,40% Etanol 30,79% Éter de petróleo 1,38% Acetona 28,56% Acido acético (0,5 M) 5,55%

174 28 Se observa que, aunque los procesos de extracción son similares, las ligninas se comportan de manera muy distinta. Para la lignina de paja de trigo fue necesario incluir otros solventes en la batería de extracción, puesto que ninguno de los solventes considerados inicialmente, que se sabe presentan afinidad con la lignina de pino, permitió lograr una alta solubilidad. Finalmente, la solubilidad más alta se logró con etanol y fue sólo de un 30,79%, lo cual no permite desarrollar un proceso técnico y económicamente viable, basado en el uso de solventes, como recubrimiento de gránulos de urea con esta lignina de paja de trigo Encapsulación por simple fusión Para la elaboración del producto se utilizo un molde plástico que resiste hasta 180 C. En este molde se realiza la mezcla de Lignina/Urea en seco, a las distintas concentraciones mencionadas anteriormente. Luego de tener las mezclas listas se procede a llevar al horno para realizar la fusión de los compuestos. Posteriormente se realiza la molienda de las partículas mediante la trituración en un mortero. Inicialmente se consideró realizar la molienda de los productos elaborados por fusión en un molino de corona, pero se decidió realizar la molienda en mortero, debido a que los productos elaborados son quebradizos, y el mortero permitió manejar mejor el tamaño de partícula de los productos molidos. En el escalamiento, se debería seleccionar el equipo de molienda en función de este resultado. A continuación se presenta como ejemplo las imágenes macroscópicas típicas

175 29 de los productos fusionados obtenidos, para el caso de lignina de paja de trigo. Figura 1. Molde utilizado para realizar la fusión. T1 Figura 2. Producto fusionado sin triturar. T2 Figura 3. Producto fusionado con tamaño de partícula entre 0,5 mm y 2 mm. Figura 4. Producto fusionado con tamaño de partícula mayor a 4 mm.

176 30 Estos productos se observaron también mediante SEM, con el fin de esclarecer su morfología, con vistas al planteamiento de futuros modelos fenomenológicos de liberación controlada. Algunas imágenes se presentan en la página siguiente. Figura 5. Fotografías SEM para productos elaborados con lignina de paja de trigo en base a fusión y molienda.

177 Determinación de urea en productos fusionados método de Kjeldahl Los productos elaborados fueron analizados mediante el método Kjeldahl para determinar el contenido de nitrógeno presente en cada uno ellos. Los resultados se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Porcentaje de nitrógeno en productos fusionados. Leyenda: L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto; C1: 20%; lignina; C2: 40% lignina; T1: partículas entre 0,5 y 2 mm; T2: partículas mayores que 4 mm Muestra %N L1C1T1 38,5 L1C1T2 39,5 L1C2T1 27,6 L1C2T2 35,2 L2C1T1 40,7 L2C1T2 41,6 L2C2T1 31,1 L2C2T2 30,4 L3C1T1 37,5 L3C1T2 39,3 L3C2T1 28,7 L3C2T2 31,4

178 32 Se observa que, en la mayoría de los casos, la diferencia en el contenido de principio activo entre uno y otro tamaño de partícula es mínima, con una tendencia a obtener mayores contenidos de principio activo cuando el tamaño de partícula es mayor Determinación de urea en agua Método Espectofotométrico Inicialmente se propuso realizar experimentos de liberación controlada de 15 días de duración y realizar la determinación de urea liberada en agua mediante espectrofotometría, utilizando p-dimetilaminobenzaldehído (p- DAMB) en medio hipoclorito. Pero no es posible utilizar determinación colorimétrica con p-dmab para la determinación de urea en agua en los estudios de liberación, debido a que se observa la aparición de un compuesto coloreado cuyo máximo de absorbancia está en la misma longitud de onda que el compuesto coloreado generado por el método. Con el fin de separar el compuesto coloreado de la solución de urea, se ensayaron distintos coagulantes y floculantes (carbón activado, soluciones de Carrez I y II, sulfato de cobre, sulfato de aluminio), con resultado negativo, puesto que en todos los casos se observó que el precipitado arrastraba parte o la totalidad de la urea disuelta, o bien fallaba en eliminar el compuesto coloreado.

179 33 Problemática analítica generada al realizar la medición: Figura 6. Color no deseado en las muestras. Figura 7. Color obtenido al aplicar coagulantes y floculantes. Figura 8. Color deseado al aplicar el reactivo cromogenico. Para los productos fusionados se descartó la metodología espectrofotométrica.

180 Determinación de urea en agua Método Electrodo de Ión Selectivo Debido a la problemática explicada anteriormente se optó por realizar la hidrólisis básica de la urea en agua y realizar la determinación de la urea como ión amonio, utilizando un electrodo ión-selectivo. Este equipo no es de común uso ni de alta disponibilidad; sin embargo, se encontraba disponible en el Campus Chillán de la Universidad de Concepción. El comportamiento de liberación controlada que es deseable que presente un fertilizante basado en urea es conocido, y ha sido determinado en función de los requerimientos de la planta (Shaviv, 2001). Se busca obtener una cinética de liberación de tipo sigmoidal (lo que no se obtiene utilizando sólo un polímero soporte), con velocidades de liberación similares a la velocidad de utilización de nitrógeno por parte de la planta. Para los productos fusionados, fue posible realizar el experimento de liberación controlada determinando la urea disuelta a la forma de amonio mediante el uso de electrodo ión-selectivo. Es necesario mencionar que aún se debe validar cuantitativamente los resultados obtenidos mediante este método analítico, realizando una comparación con otro método; como por ejemplo el método utilizado por (Zawada, 2009) en el informe denominado Determinación cuantitativa de la concentración de urea en medio de cultivo celular.

181 Determinación de las curvas de liberación sostenida de urea a partir de los distintos tratamientos Los resultados obtenidos se presentarán ordenados por lotes, realizando una serie de combinaciones de comparación para poder obtener una mejor apreciación de los distintos comportamientos de los materiales en estudio. En la Figura 9 se aprecia gráficamente que la concentración más alta de lignina/urea hay una mayor liberación de urea no siendo lo esperado, esto se puede deber al proceso de producción del fertilizante tanto por la fusión como por la molienda de éste. Cuando se genera la mezcla de lignina/urea para elaborar el fertilizante esta no queda homogénea y posteriormente al momento de realizar la fusión esto puede alterar las propiedades del fertilizante. Además puede deberse a lo quebradizo del material una vez fusionado y la poca uniformidad de las partículas que se producen al realizar la molienda. La Tabla 3 muestra las medias de las distintas repeticiones y sus distintas varianzas, además del respectivo Test aplicado para determinar si hay diferencias significativas en la liberación de la urea. Este Test se aplica tiempo a tiempo a los datos para ver donde se produce algún quiebre o se produce alguna diferencia significativa. En el caso de L1 y L2 la diferencia de liberación se comienza a apreciar desde el minuto 90, donde se genera una mayor liberación de urea por parte de las mezclas C2, a diferencia de L3 que se comienza a apreciar una diferencia de liberación desde el minuto 20.

182 mg/l de urea mg/l de urea mg/l de urea 36 Tabla 3. Liberación controlada de urea para productos fusionados en base a las distintas ligninas (L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto) comparando sus distintas concentraciones (C1: 20%; lignina; C2: 40% lignina) con un tamaño de partícula constante (T1: entre 0,5 y 2 mm). Tiempo (min) L1C1T1 A L1C2T1 A L2C1T1 B L2C2T1 B L3C1T1 C L3C2T1 C 0 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a ,80±53,27 a 67,74±8,91 a 38,84±2,59 a 78,51±3,46 b 63,22±2,82 a 115,04±6,04 b ,71±34,78 a 74,52±13,99 a 74,97±24,25 a 88,09±12,46 a 49,81±3,19 a 93,54±8,01 b 60 65,80±6,20 a 118,05±51,23 a 62,34±2,66 a 80,17±16,30 a 64,36±2,22 a 93,65±4,26 b 90 89,41±12,09 a 145,96±31,68 b 63,60±3,57 a 90,53±3,06 b 55,02±1,28 a 87,78±2,58 b ,80±21,55 a 173,62±19,30 b 64,98±1,78 a 71,72±58,62 a 39,52±26,2 a 84,74±1,47 b ,96±5,20 a 185,14±54,26 b 57,56±2,49 a 88,79±3,91 b 51,54±3,66 a 83,80±1,61 b ,10±16,35 a 216,90±64,02 a 74,77±7,65 a 106,46±10,10 b 61,32±5,19 a 92,57±2,88 b ,19±11,79 a 181,36±50,65 b 60,98±5,17 a 105,32±4,98 b 48,85±0,52 a 73,78±0,18 b * Letras minúsculas distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tratamientos, según el Test LSD de Fisher (P 0,05) L1C1T1 L1C2T1 Logarítmica (L1C1T1) Logarítmica (L1C2T1) A B C Tiempo (min) Tiempo (min) Tiempo (min) Figura 9. Curvas de liberación controlada de las distintas ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), comparando su comportamiento con las distintas concentraciones (C1: 20% lignina; C2: 40% lignina), con un tamaño de partícula constante (T1: entre 0,5 y 2 mm). L2C1T1 L2C2T1 Logarítmica (L2C1T1) Logarítmica (L2C2T1) L3C1T1 L3C2T1 Logarítmica (L3C1T1) Logarítmica (L3C2T1)

183 37 En la Figura 10 se aprecia que el comportamiento de las diferentes ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), donde la concentración C2 de lignina/urea posee una mayor liberación de urea por sobre la concentración C1 de lignina/urea repitiéndose lo sucedido en la Figura 9, esto sin importar el cambio al tamaño T2. La Tabla 4 muestra el análisis de la media de liberación controlada de urea para los distintos productos fusionados en base a las distintas ligninas (L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto) comparando sus distintas concentraciones (C1: 20%; lignina; C2: 40% lignina) con un tamaño de partícula constante (T2: mayor que 4 mm). En la muestra L1 no se aprecia alguna diferencia significativamente en la liberación de urea, en cambio L2 se aprecia una diferencia de liberación desde el minuto 150. En L3 desde el inicio del análisis estadístico hay una diferencia significativa en la liberación de urea, esto nos indica que posee diferentes propiedades de retención del agente activo y esto se ve influenciado por el tamaño de partícula con el cual se genera el producto.

184 mg/l de urea mg/l de urea mg/l de urea 38 Tabla 4. Liberación controlada de urea para productos fusionados en base a las distintas ligninas (L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto) comparando sus distintas concentraciones (C1: 20%; lignina; C2: 40% lignina) con un tamaño de partícula constante (T2: mayor que 4 mm). Tiempo (min) L1C1T2 A L1C2T2 A L2C1T2 B L2C2T2 B L3C1T2 C L3C2T2 C 0 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 20 77,85±20,74 a 138,09±25,46 b 54,64±8,73 a 78,52±3,46 b 81,44±5,02 a 123,59±7,61 b ,03±9,18 a 94,31±40,90 a 81,37±13,25 a 88,09±12,46 a 81,71±0,90 a 111,30±1,08 b 60 74,18±6,56 a 95,16±27,25 a 66,41±18,23 a 80,17±16,30 a 81,65±3,42 a 106,21±5,15 b ,42±10,68 a 133,74±19,49 a 66,87±19,42 a 90,53±3,06 a 70,52±3,61 a 99,60±5,01 b ,71±18,11 a 153,99±52,71 a 75,80±18,86 a 88,84±9,44 a 69,20±1,71 a 101,96±7,64 b ,42±26,83 a 157,03±68,56 a 58,24±8,46 a 92,89±5,08 b 64,01±2,69 a 105,76±4,88 b ,56±75,99 a 235,99±109,25 a 74,25±3,45 a 105,13±7,51 b 80,36±1,55 a 114,92±7,25 b ,44±149,53 a 185,55±75,53 a 58,21±2,56 a 99,61±18,75 b 63,09±1,11 a 89,65±3,10 b * Letras minúsculas distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tratamientos, según el Test LSD de Fisher (P 0,05) L1C1T2 L1C2T2 Logarítmica (L1C1T2) Logarítmica (L1C2T2) A B C Tiempo (min) Tiempo (min) Tiempo (min) Figura 10. Curvas de liberación controlada de las distintas ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), comparando su comportamiento con las distintas concentraciones (C1: 20% lignina; C2: 40% lignina), con un tamaño de partícula constante (T2: mayor que 4 mm). L2C1T2 L2C2T2 Logarítmica (L2C1T2) Logarítmica (L2C2T2) L3C1T2 L3C2T2 Logarítmica (L3C1T2) Logarítmica (L3C2T2)

185 39 En la Figura 11 se aprecia gráficamente la taza de de liberación de las diferentes ligninas (A: L1; B: L2; C: L3), en cada uno de los graficos se aprecia el comportamiento de la liberación de los distintos tamaños de partícula (T1 y T2), a una concentración de Lignina/urea constante en este caso C1. La línea de tendencia parece indicar que el tamaño mayor T2 tiene levemente una liberación mayor que la presentada por el tamaño menor T1. Esto se debe a la des-uniformidad de los distintos tamaños de partícula esto contradice lo que comúnmente se sabe que a mayor área de contacto se debe apreciar una mayor liberación del sustrato, también se puede deber a que los trozos de mayor tamaño agrupan mayor cantidad de urea en su interior. En la Tabla 5 no se aprecia ninguna diferencia estadística en cuanto a liberación de L1 y L2, así que en estas condiciones el tamaño no influye mayormente, a diferencia de L3 que indica que solo se presenta una igualdad estadística entre los tratamientos L3C1T1 y L3C1T2 en el minuto 120 y en todo el análisis anterior y posterior a ese tiempo nos muestra que L3C1T2 posee niveles mayores de liberación, en este tratamiento influye el tamaño.

186 mg/l de urea mg/l de urea mg/l de urea 40 Tabla 5. Liberación controlada de urea para productos fusionados en base a las distintas ligninas (L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto) comparando sus distintos tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm), con una concentración constante (C1: 20% lignina). Tiempo (min) L1C1T1 A L1C1T2 A L2C1T1 B L2C1T2 B L3C1T1 C L3C1T2 C 0 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a ,80±53,27 a 77,85±20,74 a 38,84±2,59 a 54,64±8,73 b 63,22±2,82 a 81,44±5,02 b ,71±34,78 a 108,03±9,18 a 74,97±24,25 a 81,37±13,25 a 49,81±3,19 a 81,71±0,90 b 60 65,80±6,20 a 74,18±6,56 a 62,34±2,66 a 66,41±18,23 a 64,36±2,22 a 81,65±3,42 b 90 89,41±12,09 a 104,42±10,68 a 63,60±3,57 a 66,87±19,41 a 55,02±1,28 a 70,52±3,61 b ,80±21,56 a 131,71±18,11 a 64,98±1,78 a 75,80±18,86 a 39,52±26,20 a 69,20±1,71b ,96±5,20 a 101,42±26,83 a 57,56±2,49 a 58,24±8,46 a 51,55±3,66 a 64,01±2,69 b ,10±16,35 a 164,56±75,99 a 74,77±7,65 a 74,25±3,45 a 61,32±5,19 a 80,36±1,55 b ,19±11,79 a 223,44±149,53 a 60,98±5,17 a 58,21±2,56 a 48,85±0,52 a 63,09±1,11 b * Letras minúsculas distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tratamientos, según el Test LSD de Fisher (P 0,05) L1C1T1 L1C1T2 Logarítmica (L1C1T1) Logarítmica (L1C1T2) Tiempo (min) Tiempo (min) Tiempo (min) Figura 11.Curvas de liberación controlada de las distintas ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), comparando su comportamiento con los distintos tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm), con una concentración constante (C1: 20% lignina). L2C1T1 L2C1T2 Logarítmica (L2C1T1) Logarítmica (L2C1T2) L3C1T1 L3C1T2 Logarítmica (L3C1T1) Logarítmica (L3C1T2) A B C

187 41 El siguiente análisis muestra el comportamiento de las distintas ligninas (A: L1; B: L2; C: L3), con concentración de constante de 40% Lignina/urea (C2), según los dos tamaños T1: partículas entre 0,5 y 2 mm; T2: partículas mayores que 4 mm. En la Figura 12 se aprecia gráficamente la liberación de urea de los distintos tamaños T1 Y T2, la línea de tendencia de los distintos gráficos indica que el tamaño T2 tiene una liberación mínimamente mayor que la presentada por el tamaño T1, lo cual según el análisis estadístico presentado en la Tabla 6 nos indica que solo L3 presenta una diferencia significativa entre los tratamientos L3C2T1 y L3C2T2, donde L3C2T2 muestra una liberación mayor, de manera contraria L1 y L2 no se aprecia alguna diferencia considerable entre sus distintos análisis.

188 mg/l de urea mg/l de urea mg/l de urea 42 Tabla6. Liberación controlada de urea para productos fusionados en base a las distintas ligninas (L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto) comparando sus distintos tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm), con una concentración constante (C2: 40% lignina). Tiempo (min) L1C2T1 A L1C2T2 A L2C2T1 B L2C2T2 B L3C2T1 C L3C2T2 C 0 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 20 67,74±8,91 a 138,09±25,44 b 78,51±3,46 a 78,51±3,46 a 115,04±6,04 a 123,59±7,61 a 40 74,52±13,99 a 94,31±40,90 a 88,09±12,46 a 88,09±12,46 a 93,54±8,01 a 111,30±1,08 b ,05±51,23 a 95,16±27,25 a 80,17±16,30 a 80,17±16,3 a 93,65±4,26 a 106,21±5,15 b ,96±31,68 a 133,74±19,49 a 90,53±3,06 a 90,53±3,06 a 87,78±2,58 a 99,60±5,01 b ,62±19,30 a 153,99±52,71 a 71,72±58,62 a 88,84±9,44 a 84,74±1,47 a 101,96±7,64 b ,14±54,26 a 157,03±68,56 a 88,79±3,91 a 92,89±5,08 a 83,80±1,61 a 105,76±4,88 b ,90±64,02 a 235,99±109,25 a 106,46±10,10 a 105,13±7,51 a 92,57±2,88 a 114,92±7,25 b ,36±50,65 a 185,55±75,53 a 105,32±4,98 a 99,61±18,75 a 73,78±0,18 a 89,65±3,1 b * Letras minúsculas distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tratamientos, según el Test LSD de Fisher (P 0,05) L1C2T1 L1C2T2 Logarítmica (L1C2T1) Logarítmica (L1C2T2) A B Tiempo (min) C Tiempo (min) Tiempo (min) Figura 12.Curvas de liberación controlada de las distintas ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), comparando su comportamiento con los distintos tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm), con una concentración constante (C2: 40% lignina). L2C2T1 L2C2T2 Logarítmica (L2C2T1) Logarítmica (L2C2T2) L3C2T1 L3C2T2 Logarítmica (L3C2T1) Logarítmica (L3C2T2)

189 43 El siguiente conjunto de datos consiste en analizar el comportamiento de las ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), con respecto a una concentración constante de 20% Lignina/Urea (C1) y analizar el comportamiento de los tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm). En la Figura 13 se aprecia gráficamente la liberación de urea entre las distintas ligninas L1, L2 Y L3 a una concentración fija de Lignina/Urea en C1 y a un tamaño fijo T1 y luego con T2. Las líneas de tendencia de L1C1T1 y L1C2T2 nos indica que la liberación es mayor que las ligninas L2 y L3 que poseen un comportamiento casi similar de liberación, teniendo una mayor liberación en ambos tratamientos comparativos de tamaño. Esto se ve reflejado en la Tabla 7 que demuestra que los tratamientos L1C1T1 y L1C1T2 son estadísticamente diferente a los otros tratamientos de las ligninas L2 y L3 las cuales presentan una mayor similitud en cuanto a la liberación.

190 44 Tabla 7. Análisis del comportamiento de las distintas ligninas (L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto), utilizadas para realizar productos de liberación controlada, comparando su comportamiento con tamaños de partícula constante (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm) y con una concentración constante (C1: 20% lignina). Tiempo (min) L1C1T1 A L2C1T1 A L3C1T1 A L1C1T2 B L2C1T2 B L3C1T2 B 0 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a 0,00 a ,80±53,27 a 38,84±2,59 b 63,22±2,82 ab 77,85±20,74 ab 54,64±8,73 b 81,44±5,02 a ,71±34,78 a 74,97±24,25 b 49,81±3,19 b 108,03±9,18 a 81,37±13,25 b 81,71±0,90 b 60 65,80±6,20 a 62,34±2,66 a 64,36±2,22 a 74,18±6,56 a 66,41±18,23 a 81,65±3,42 a 90 89,41±12,09 a 63,60±3,57 b 55,02±1,28 b 104,42±10,68 a 66,87±19,41 b 70,52±3,61 b ,80±21,55 a 64,98±1,78 ab 39,52±26,20 b 131,71±18,11 a 75,80±18,86 b 69,20±1,71 b ,96±5,20 a 57,56±2,49 b 51,55±3,66 b 101,42±26,83 a 58,24±8,46 b 64,01±2,69 b ,10±16,35 a 74,77±7,65 b 61,32±5,19 b 164,56±75,98 a 74,25±3,45 b 80,36±1,55 ab ,19±11,79 a 60,98±5,17 a b 48,85±0,52 b 223,44±149,53 a 58,21±2,56 a 63,09±1,11 a * Letras minúsculas distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tratamientos, según el Test LSD de Fisher (P 0,05).

191 mg/l de urea mg/l de urea L1C1T1 250 L1C1T2 200 L2C1T1 200 L2C1T2 150 L3C1T1 150 L3C1T2 100 Logarítmica (L1C1T1) 100 Logarítmica (L1C1T2) 50 Logarítmica (L2C1T1) 50 Logarítmica (L2C1T2) Tiempo (min) Logarítmica (L3C1T1) A Tiempo (min) Logarítmica (L3C1T2) B Figura 13.Curvas de liberación controlada de las distintas ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), comparando su comportamiento con los distintos tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm), con una concentración constante (C2: 20% lignina).

192 46 El siguiente conjunto de datos consiste en analizar el comportamiento de las ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), con respecto a una concentración constante de 40% Lignina/Urea (C2) y analizar el comportamiento de los tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm).en la Figura 14 se aprecia que la línea de tendencia de L1 indica que la liberación de urea es mayor que las otras dos ligninas L2 y L3 que poseen un comportamiento similar de liberación. Esto se ve reflejado en la Tabla 8 que demuestra que los tratamientos L1C2T1 y L1C2T2 son estadísticamente diferentes a los otros dos tratamientos L2 y L3 las cuales presentan una mayor similitud en cuanto a la liberación.

193 47 Tabla 8. Análisis del comportamiento de las distintas ligninas (L1: lignina de paja de trigo; L2: lignina de pino; L3: lignina de eucalipto), utilizadas para realizar productos de liberación controlada, comparando su comportamiento con tamaños de partícula constante (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm) y con una concentración constante (C2: 40% lignina). Tiempo (min) L1C2T1 A L2C2T1 A L3C2T1 A L1C2T2 B L2C2T2 B L3C2T2 B 0 0,00±0,00 a 0,00±0,00 a 0,00±0,00 a 0,00±0,00 a 0,00±0,00 a 0,00±0,00 a 20 67,74±8,91 b 78,51±3,46 b 115,04±6,04 a 138,09±25,44 a 78,51±3,46 b 123,59±7,61 a 40 74,52±13,99 a 88,09±12,46 a 93,54±8,01 a 94,31±40,90 a 88,09±12,46 a 111,30±1,08 a ,05±51,23 a 80,17±16,30 a 93,65±4,26 a 95,16±27,25 a 80,17±16,30 a 106,21±5,15 a ,96±31,68 a 90,53±3,06 b 87,78±2,58 b 133,74±19,49 a 90,53±3,06 b 99,60±5,01 b ,62±19,30 a 71,72±58,62 b 84,75±1,47 b 153,99±52,71 a 88,84±9,44 b 101,96±7,64 ab ,14±54,26 a 88,79±3,90 b 83,80±1,61 b 157,03±68,56 a 92,89±5,08 a 105,76±4,88 a ,90±64,02 a 106,46±10,10 b 92,57±2,88 b 235,99±109,25 a 105,13±7,51 b 114,92±7,25 ab ,36±50,65 a 105,32±4,98 b 73,78±0,18 b 185,55±75,53 a 99,61±18,75 ab 89,65±3,1 b * Letras minúsculas distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tratamientos, según el Test LSD de Fisher (P 0,05).

194 mg/l de urea mg/l de urea L1C2T1 250 L1C2T2 200 L2C2T1 200 L2C2T L3C2T1 Logarítmica (L1C2T1) Logarítmica (L2C2T1) Logarítmica (L3C2T1) L3C2T2 Logarítmica (L1C2T2) Logarítmica (L2C2T2) Logarítmica (L3C2T2) Tiempo (min) A Tiempo (min) B Figura 14.Curvas de liberación controlada de las distintas ligninas (A; L1: lignina de paja de trigo; B; L2: lignina de pino; C; L3: lignina de eucalipto), comparando su comportamiento con los distintos tamaños de partícula (T1: entre 0,5 y 2 mm; T2: mayor que 4 mm), con una concentración constante (C2: 20% lignina).

195 49 6. CONCLUSIONES Es factible utilizar lignina organosolv de paja de trigo como material soporte para la elaboración de fertilizantes de liberación controlada de urea. Se pueden elaborar productos de liberación controlada mediante el método de fusión. La metodología de análisis propuesta por la AOAC, no es factible aplicarla para el estudio de liberación controlada, utilizando como matriz soporte ligninas obtenidas mediante el método de organosolv debido a la formación de compuestos coloreados que impiden realizar la medición de deseada. Es recomendable buscar o desarrollar una metodología que se especifica para este tipo de ligninas. Debido a la problemática analítica aún se deben validar los resultados cuantitativos del método ión selectivo, los comportamientos de liberación obtenidos sólo pueden analizarse cualitativamente. No es posible realizar una predicción de su comportamiento en aplicaciones. Del análisis cualitativo realizado se deduce que los productos fusionados basados en lignina de paja de trigo con cinética de liberación más lenta son aquéllos con menor contenido de lignina, estos se puede apreciar en las Figura 9 hasta la Figura 15, donde se realiza el análisis comparativo de cada lignina a distintos tamaños y dejando como variable de estudio la

196 50 concentración, en cada uno de los casos resulto que los productos con mayor concentración de lignina presentan una mayor liberación de urea. La lignina de paja de trigo, se comparo con la lignina de pino y de eucalipto, dando como resultado que la lignina de paja de trigo presenta significativas diferencias de liberación con respecto a las otras dos ligninas en estudio. Esto se aprecia en las distintas graficas donde la lignina de paja de trigo tiene mayor liberación de urea que las demás ligninas, pero estas últimas se demoran menos en llegar a su máximo de liberación. Con respecto al tamaño del producto según el análisis realizado no es relevante para la lignina de paja de trigo y de pino, pero si afecta en la liberación de los productos generados en base a lignina de eucalipto, esto se aprecia a distintas concentraciones y con cada una de las ligninas. La lignina de paja de trigo tiene posee condiciones de liberación de urea mayor que las otras dos ligninas en estudio, con el fin de analizar si esto es un buen indicio o su comportamiento de liberación es adecuado para suministrar el compuesto activo, en este caso urea, necesario para un cultivo se debe ampliar esta investigación en otro tema de estudio y así poder apreciar si es buena una mayor liberación o hay que reducir los niveles y tiempos de liberación.

197 51 7. BIBLIOGRAFíA 7.1. ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALYTICAL CHEMIST (AOAC) Official Method FAO, Determinación de urea en componentes alimenticios, recuperado de (2012) García, M.C., Diez, J.A., Vallejo, A., García, L. y M.C. Cartagena, Use of Kraft pine lignin in controlled-release fertilizer formulations, Ind. Eng. Chem. Res., 35, (1996) González, A.M., Herrera, J.P. y A. Rodríguez, Caracterización de fracciones de lignina extraídas del licor negro con solventes orgánicos, Rev. For. Lat., 42, (2007) Jiménez, S. (Ed.) Fertilizantes de liberación lenta; Mundi Prensa: Madrid, Ruiz, C Situación actual y alternativas para reducir las quemas de rastrojos de cereales. Instituto de investigaciones agropecuarias INIA.

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200 UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA ELABORACIÓN DE UN FERTILIZANTE DE LIBERACIÓN SOSTENIDA EN BASE A LIGNINA DE PAJA DE TRIGO (Triticum aestivum). ROCÍO BELÉN MORA HENRÍQUEZ TRABAJO DE HABILITACIÓN PROFESIONAL PRESENTADO A LA FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA DE LA UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN, PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO AGROINDUSTRIAL. CHILLÁN CHILE 2013

201 ELABORACIÓN DE UN FERTILIZANTE DE LIBERACIÓN SOSTENIDA EN BASE A LIGNINA DE PAJA DE TRIGO (Triticum aestivum). Aprobado por: Claudia Tramón Pregnan Ingeniero Civil Químico Ph.D. (c) en Ingeniería Química Profesora Asistente Profesor Guía Marco López Roudergue Ingeniero Industrial, Mg. Sc. en Ingeniería Agrícola Profesor Asistente Profesor Asesor Cesar Espinoza Químico Laboratorista Profesor Asesor Profesor Asesor Cecilia Fuentealba Ingeniero Forestal, Ph. D. en Ciencias de la Madera Profesora Asesora Juan Antonio Cañumir Veas Ingeniero Agrónomo, Ph. D. en Bioprocesos, Profesor Asistente Profesor Asesor Director de Departamento Eduardo Holzapfel Hoces Ingeniero Agrónomo, Ph. D. en Ciencia de la Ingeniería, Profesor Titular Decano

202 AGRADECIMIENTOS Parto con mencionar a la persona que confío en mí y mis capacidades haciéndome partícipe de sus ideas y proyectos, me brindó su cariño, confianza, apoyo, buenas vibras y consejos convirtiéndose en mi madre putativa desde mi tercer año de universidad, profesora Claudia Tramón gracias por todo. A mi querido Profesor y tutor Pedro Melin, por ser la persona que me levantó en el momento más crítico de mi periodo como estudiante. Sus consejos, retos, ideas, apoyo y ganas de compartir los conocimientos, me hacen sin duda pensar que tengo todas las armas para ser una excelente profesional. A mi primo Juan Rodríguez por haber tenido una excelente disposición para ayudarme cuando lo necesité para estudiar electricidad. A mi amiga Carola por dejarme ser su brazo derecho y parte del izquierdo en la pega y en su vida, por valorar mi trabajo y mis capacidades durante tantas temporadas en Driscoll s de Chile S.A. A la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción por permitirme ser parte del Proyecto FONDEF D08I1100. A Anita Valdebenito y Paulo Fierro por darme la oportunidad de conocerlos, por tener toda la disposición para ayudarme y hacer más agradable y alegre mi estadía en los laboratorios de la universidad. A la profesora Cristina Loyola por su excelente disposición para ayudar y encontrar soluciones a los problemas que se fueron presentando en el desarrollo de esta investigación. Por último, al profesor José Fuentes por su buena onda y haberme enseñado a echar a volar mi imaginación para diseñar dentro y fuera de mi área de estudio, a la profesora Natalia Valderrama por entregarme su cariño y la oportunidad de ser su alumna ayudante en el ramo de estadística. A todos ellos, muchas gracias.

203 ÍNDICE DE MATERIAS Página Resumen Summary INTRODUCCIÓN Hipótesis Objetivos REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA METODOLOGÍA Materia prima Determinación de propiedades físico-químicas relevantes de lignina de paja de trigo Estudio de solubilidad mediante extracción Soxhlet Extracción de lignina en agua Solubilidad de lignina en agua alcalina a ph Fenoles totales Capacidad formadora de película Elaboración de fertilizantes de liberación sostenida mediante el recubrimiento de gránulos de urea con una aplicación rica en lignina Elaboración de productos mediante recubrimiento Determinación del contenido de lignina en productos recubiertos Determinación de las curvas de liberación sostenida de urea a partir de los productos elaborados... 24

204 3.4.1 Ensayo de liberación sostenida Determinación de urea en agua método espectrofotométrico Determinación de urea en agua electrodo ión selectivo Determinación de urea en agua método Kjeldahl Diseño experimental RESULTADOS Y DISCUSIÓN CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA... 50

205 ÍNDICE DE TABLAS Página Tabla 1. Composición química de paja de trigo y madera Tabla 2. Composición química de la paja de trigo Tabla 3. Punto de ebullición de los solventes utilizados en la extracción Soxhlet Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Rendimientos de extracción Soxhlet para lignina de paja de trigo, lignina de pino y lignina de eucalipto Rendimientos de extracción para lignina de paja de trigo, lignina de pino y lignina de eucalipto en agua Contenido de fenoles totales en la fracción soluble de ligninas organosolv Tabla 7. Porcentaje de recubrimiento en productos elaborados Tabla 8. Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) Tabla 9. Tabla 10. Tabla 11. Tabla 12. Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) y glicerol (10% p/p)... Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de paja de trigo (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p)... Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de pino (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p)... Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de eucalipto (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p)

206 ÍNDICE DE FIGURAS Página Figura 1. Esquema de gránulos con material soporte Figura 2. Sistema de extracción Soxhlet por afinidad con solvente lignina de paja, pino y eucalipto Figura 3. Extracción de lignina por afinidad con solvente Figura 4. Evaporador rotatorio con vacío Figura 5. Ajuste de ph a solución de lignina 10% (p/p) Figura 6. Ensayo de liberación en baño termostatizado a 20 C Figura 7. Obtención de muestras para estudio Figura 8. Película de la lignina de paja de trigo sin glicerol Figura 9. Película de la lignina de paja de trigo con adición de glicerol 10% (p/p) Figura 10. Película de la lignina de pino sin glicerol Figura 11. Película de la lignina de pino con adición de glicerol 10% (p/p) Figura 12. Película de la lignina de eucalipto sin glicerol Figura 13. Película de la lignina de eucalipto con adición de glicerol 10% (p/p) Figura 14. Gránulos de urea recubiertos con lignina Figura 15. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p)... 37

207 Figura 16. Figura 17. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) y glicerol (10% p/p) Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2 4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de paja de trigo (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p) Figura 18. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2 4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de pino (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p) Figura 19. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2 4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de eucalipto (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p)... 46

208 ELABORACIÓN DE UN FERTILIZANTE DE LIBERACIÓN SOSTENIDA EN BASE A LIGNINA DE PAJA DE TRIGO (Triticum aestivum). DEVELOPMENT OF A SUSTAINED RELEASE FERTILIZER BASED ON WHEAT STRAW LIGNIN (Triticum aestivum). Palabras índice adicionales: lignina organosolv, pino, eucalipto, glicerol. RESUMEN La lignina es un polímero que posee diversas propiedades fisicoquímicas que la hacen apropiada para su aplicación en la industria. El propósito de esta investigación fue determinar la capacidad formadora de película que poseen las distintas ligninas y aplicar esta información en la elaboración de un fertilizante de liberación sostenida. Se estudió la liberación en el tiempo de un fertilizante soluble, en este caso gránulos de urea, recubierto con ligninas de paja de trigo, pino y eucalipto al 25% p/p con y sin la adición de glicerol como plastificante, formando así 6 tipos de fertilizantes de liberación sostenida. Las curvas de liberación sostenida de urea a partir de estos 6 productos elaborados con las tres ligninas al 25% p/p con la adición de glicerol al 10% p/p como plastificante y en dos tamaños de partículas (entre 2-4 mm y mayores a 4 mm) fueron evaluadas mediante el test estadístico LSD de Fisher, el cual permitió determinar que se presentan diferencias significativas entre los 3 productos elaborados con la adición de glicerol en el recubrimiento, para ambos tamaños a tiempo temprano, no así para los 3 productos elaborados sin la adición de glicerol en el recubrimiento, ya que para éstos no existió diferencia significativa alguna.

209 DEVELOPMENT OF A SUSTAINED RELEASE FERTILIZER BASED ON WHEAT STRAW LIGNIN (Triticum aestivum). Keywords: lignin organosolv, pine, eucalyptus, glycerol. SUMMARY Lignin is a polymer suitable for different applications in industry, thanks to its chemical properties. The purpose of this research was to study the film-forming ability of different lignins and to apply this information in the development of a sustained-release fertilizer. The time release behavior of soluble fertilizers was studied; in this case, urea granules coated with wheat straw lignin, pine and eucalyptus to 25% w / w with and without the addition of glycerol as a plasticizer, thereby forming six types of sustained-release fertilizers. Sustained release curves of urea from these six products, manufactured from the mentioned three lignins to 25% w / w, with the addition of glycerol to 10% w / w as a plasticizer, and in two particle sizes (between 2-4 mm and higher than 4 mm), were evaluated using the Fisher's LSD statistical test. Significant differences were detected among the three products made with the addition of glycerol in the coating, for both sizes and early time, but for the 3 products manufactured without the addition of glycerol in the coating, no significant difference was detected.

210 1. INTRODUCCIÓN El trigo es el cereal más importante cultivado en el país. El 23,6% es producido en la región del Bío Bío, siendo Ñuble la provincia más importante con un 62,5% del total de su superficie sembrada (Ruiz et al., 2011a). La bibliografía consultada señala que, en general, la producción de paja de trigo está directamente relacionada con la producción de granos (Mellado, 2007). La denominación paja se refiere a todos los restos de la estructura de la planta del cereal sobre el suelo una vez cosechados los granos. En Chile se producen 1,3 millones de toneladas de paja de trigo al año. La composición química de ésta, de acuerdo con lo que se señala en la bibliografía es la siguiente; celulosa (30,2-40,7%), hemicelulosa (22,3-28,3%), y lignina (17,0-18,1%) (Ruiz et al., 2011b). La composición en carbohidratos estructurales y lignina de paja de trigo puede variar debido al fertilizante empleado durante su cultivo y el contenido en minerales del suelo o a la madurez que haya alcanzado el grano en el momento de su recolección. La paja es uno de los más importantes residuos rurales de bajo costo, llegando a ser después de la cosecha del grano entre 2 y 4 ton * ha -1. Tiene un bajo contenido de N, P, Ca y Mg pero es rica en celulosa y lignina, razón por la cual es de lenta degradación. Está incluida dentro del denominado rastrojo, de éste forma parte todo el residuo que queda en el potrero después de la cosecha del grano de los cereales, incluidos restos de algunas

211 malezas, cuando éstas existen. La quema de residuos causa un efecto inmediato de polución ambiental contaminando el aire, y además disminuye los niveles de materia orgánica de los suelos, causando con el tiempo daños en las características tanto físicas como químicas de éste recurso (Lindh, 2004). Además, la quema del rastrojo elimina la biomasa microbiana presente en los primeros milímetros del suelo, lo cual afecta los procesos naturales de formación y rejuvenecimiento de los suelos, asociados a la sustentabilidad de los sistemas productivos y a la posibilidad de aumentar la productividad de los mismos (Ruiz et al., 2011c). Existen diversos procesos para lograr la reutilización de dicho desecho. Uno de estos es conocido como proceso organosolv, el cual permite separar la celulosa, hemicelulosa y lignina para otorgarles distintos usos a cada una de éstas. A modo de ejemplo, la celulosa puede ser utilizada para la fabricación de papel, los carbohidratos como complemento alimenticio para animales y la lignina para la elaboración de un producto comercial. La lignina es uno de los desechos renovables más abundantes. Hasta ahora, sólo una pequeña parte de la cantidad total disponible está siendo explotada (Gosselink et al., 2004). Sobre la base de sus propiedades funcionales, la lignina tiene un buen potencial para diversas aplicaciones y, en comparación con otros biopolímeros, tiene un carácter más hidrofóbico; esto hace que sea un interesante material para el desarrollo de un recubrimiento de liberación sostenida para fertilizantes (Mulder et al., 2011). Los fertilizantes son, en

212 general, clasificados en dos grupos, productos orgánicos naturales y productos químicos sintéticos. La urea pertenece al grupo de los fertilizantes sintéticos y es un producto muy soluble en agua (Ramírez-Cano et al., 2001). La elaboración de un fertilizante soluble con una capa de material insoluble ayuda a que el nutriente se libere lentamente a través de los poros o grietas superficiales (Jiménez 1992). Un producto así diseñado, sería un dispositivo de liberación sostenida, definido como un proceso a través del cual uno o más agentes activos o ingredientes, se hacen disponibles desde un dispositivo, en un determinado lugar, a una determinada velocidad, bajo la influencia de un estímulo específico en alguna etapa de un proceso. Desarrollar un fertilizante nitrogenado de liberación sostenida hecho en base a lignina extraída de la paja de trigo, es uno de los usos que se le puede dar a la paja de trigo para obtener valoración económica, esto resultaría altamente contribuyente al desarrollo de la logística sustentable de nuestro país, ya que disminuiría considerablemente el CO 2 liberado en el aire a causa de la quema de rastrojos. Cabe señalar también, que con el desarrollo de este tipo de fertilizante es posible cooperar con la disminución de la lixiviación de la urea a las aguas subterráneas. El movimiento de nutrientes dispersos en el agua, fuera del terreno, ocurre a través del escurrimiento y fluido hacia las corrientes y ríos, como también lixiviados hacia las profundidades. Los nutrientes que son más solubles y móviles en el suelo

213 presentan un mayor desplazamiento hacia la superficie y profundidades de aguas (Havlin et al., 1999). 1.1 HIPÓTESIS Es factible técnicamente utilizar la lignina de la paja de trigo como material de recubrimiento de gránulos de urea para la elaboración de fertilizantes de liberación sostenida. 1.2 OBJETIVOS Objetivo general Elaboración de un fertilizante de liberación sostenida en base a urea recubierta con lignina de paja de trigo. Objetivos específicos Determinar algunas propiedades fisicoquímicas relevantes de lignina de paja de trigo extraída mediante un proceso organosolv y compararlas con ligninas de pino y eucalipto extraídas mediante el mismo proceso. Elaboración de fertilizantes de liberación sostenida mediante el recubrimiento de gránulos de urea con una aplicación rica en lignina. Determinación de las curvas de liberación sostenida de urea a partir de los productos elaborados.

214 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 2.2 La paja de trigo Ruiz et al., 2011 señala que el trigo es el cereal más importante cultivado en el país. El 23,6% es producido en la región del Bío Bío, siendo Ñuble la provincia más importante con un 62,5% del total de su superficie sembrada. La composición química de las pajas de trigo, de acuerdo con lo que se señala en la literatura puede ser la siguiente, celulosa (30,2-40,7%), hemicelulosa (22,3-28,3%), y lignina (17,0-18,1%). La composición en carbohidratos estructurales y lignina de paja de trigo puede variar debido al fertilizante empleado durante su cultivo y el contenido en minerales del suelo o a la madurez que haya alcanzado en grano en el momento de su recolección. 2.2 Disponibilidad de material lignocelulósico. Los materiales lignocelulósicos están constituidos por celulosa, lignina y hemicelulosas en una proporción másica de 4:3:3, las que varían levemente según la especie. Gracias a su origen renovable, a su carácter biodegradable y a las posibilidades de reciclaje, son una fuente potencial de materiales poliméricos de interés industrial (Fengel y Wegener, 1984). Dentro de la gran variedad de fuentes lignocelulósicas disponibles, la madera es el lignocelulósico más utilizado, principalmente, para la fabricación de pulpa, madera aserrada, tableros reconstituidos y leña. La demanda

215 creciente por madera y el consiguiente aumento de precios, sin embargo, hacen necesaria la identificación de fuentes alternativas y el desarrollo de productos a partir de ellas. En este contexto, la paja de cereales (trigo, arroz, avena, lino) es la segunda fuente potencial de fibras lignocelulósicas a escala mundial, con millones de toneladas (base seca), cuya generación es ligeramente inferior a las millones de toneladas que se obtienen a partir de madera (Young, 1997). 2.3 Composición de la paja de trigo. La paja está constituida por una pared celular, la cual, a su vez, está constituida por carbohidratos estructurales altamente lignificados y pequeñas cantidades de proteínas y minerales. El conocimiento de su composición química proporciona una fuente de información importante para optimizar su uso. La tabla 1 muestra la composición química comparativa entre paja de trigo y madera (Fengel y Wegener, 1984). Tabla 1. Composición química de paja de trigo y madera. Composición Componente Madera Paja de trigo Coníferas Latifoliadas Celulosa Lignina Hemicelulosa Cenizas 4,5-9 < 1 < 1 Sílice

216 La composición física de la paja de cereales la constituyen los nudos, internudos y hojas. La proporción de estas fracciones depende de la especie y de factores como: madurez de la cosecha, suelo, clima, etc. En promedio, la paja de trigo está compuesta por un 54 a 73% de internudos, de un 4 a un 8 % de nudos y de un 20 a un 41% de hojas. En cada una de estas fracciones, la composición química varía como se muestra en la tabla 2. Tabla 2. Composición química de la paja de trigo (Giovanni, 1991). Constituyente Composición (g/kg base seca) Internudo Nudo Hoja Nitrógeno Celulosa Hemicelulosa Cenizas Sílice En cuanto a las proteínas en la paja de cereales, muchas de ellas están asociadas con otros constituyentes de la pared celular (lignina, carbohidratos estructurales y sílice), lo que ocasiona una baja degradabilidad y digestibilidad del material. El contenido de proteína cruda puede variar de 24 a 52 g por kilogramo de paja de trigo (base seca). Los principales minerales en gramos por kilogramo de paja seca son: ceniza (61), sílice (31), calcio (3,2), fósforo (0,8), magnesio (0,9), potasio (11,8), sodio (0,5), cloro (6,1) y azufre (1,4) (Giovanni 1991).

217 2.4 Pulpaje con solventes orgánicos. Se basan en la utilización de solventes orgánicos como agentes deslignificantes y son una alternativa interesante a las actuales tecnologías comerciales, debido a que posibilitan la obtención de pulpa celulósica y, al mismo tiempo, fracciones de lignina sin sustituyentes inorgánicos y carbohidratos disueltos. Uno de éstos es el proceso organosolv, el cual fue desarrollado por Kleinert en el año El pulpaje se realiza con etanol acuoso y otros aditivos, seguido por etanol alcalino, lo cual minimiza por un lado el contenido de reactivos y tiempo, mientras maximiza el rendimiento y la calidad de la pulpa. Particularmente, Sakai 1994, encontró que la paja de trigo era fácilmente deslignificada con este proceso, obteniéndose un buen rendimiento (55%) a concentraciones de 0,3 mol/l, tiempos de cocción de una hora o menos y temperaturas entre ºC. 2.5 Lignina como Fertilizante. La incorporación de fertilizantes en cultivos agrícolas es una actividad común y de gran importancia dentro de la agricultura. Ésta tiene como objetivo proporcionar los nutrientes necesarios al cultivo, de manera de asegurar su crecimiento, desarrollo y rendimiento. A parte del nutriente atizado por la planta, éste se pierde en una alta proporción, por efectos de evaporación y lixiviación (Ramirez, et al., 2001). Debido a ello, se necesita de altas dosis de nitrógeno para obtener elevados

218 potenciales de rendimiento. Los fertilizantes más utilizados y que son fuente de aporte de nitrógeno son la urea y el salitre. La urea tiene un 46% de nitrógeno en forma amídica y el salitre un 15%, el cual puede ir acompañado de otros nutrientes, como potasio. En vegetales, altas dosis de urea pueden llegar a ser tóxicas y como el nivel de absorción de estos nutrientes en las plantas es bajo, debido a que sólo absorben la parte soluble, los agricultores aplican cantidades mayores a las que la planta puede asimilar, situación que puede derivar en contaminación de aguas (Entry, 2007). En la última década ha tomado importancia el uso de fertilizantes de liberación controlada; es decir, la transferencia lenta y gradual del material activo desde un sustrato determinado. Con la aplicación de esta tecnología, se busca aumentar la eficiencia de fertilización, alargando su acción en el tiempo y evitando pérdidas (García, 1996). 2.6 Lignina en fertilizantes de liberación controlada. En general, la utilización de los fertilizantes de liberación controlada está dirigida a suelos en los cuales las pérdidas de agua ocurren principalmente por drenaje. El principio de fabricación de este tipo de fertilizante considera, bien el recubrimiento de un fertilizante soluble (urea o salitre) con un material insoluble (García, 1996) o la unión química del nitrógeno con una matriz insoluble (Ramirez, et al., 2001). La lignina puede servir para ambos propósitos, ya que cumple con los requisitos de ser biodegradable, no liberar

219 sustancias tóxicas, que puedan afectar el desarrollo de cereales; además, tiene propiedades termoplásticos y sitios activos para reaccionar con nitrógeno (a la forma de nitrato o amonio) (García, 1996, Ramirez 2007). De-han (2003) sostiene que lignina como agente de encapsulación de urea permite reducir la lixiviación de nitógeno. También lignina a la forma de lignosulfonatos ha sido utilizada como recubrimiento de fertilizantes tipo urea. Ello ha permitido obtener una lenta liberación de nitrógeno y una disponibilidad más uniforme en el tiempo; además, como la solubilidad en agua del fertilizante disminuye, se obtienen ventajas importantes en zonas de altas precipitaciones (Lignin Institute, 1993). Entry (2007) utilizó una matriz de componentes biodegradables, entre ellos lignina, con nitrógeno (N) y fósforo (P). En este caso, el grado de liberación de nutrientes estuvo dado por la capacidad de degradación de los componentes individuales, de lo cual, el autor concluye que variando la concentración de estos componentes, se podría liberar el N y P a diferentes velocidades, según sean las necesidades de la planta y el suelo. 2.7 Recubrimientos de liberación controlada basados en lignina. Mulder et al., 2011; señalan que la urea es un fertilizante comúnmente usado. Debido a su alta solubilidad en agua, el uso indebido fácilmente conduce a niveles excesivos de nitrógeno en el suelo. El objetivo de la

220 investigación fue desarrollar un recubrimiento de liberación lenta económicamente viable y biodegradable para la urea. Para este propósito, la lignina fue seleccionada como material de recubrimiento. De cuatro ligninas disponibles comercialmente, dos lignosulfonatos (Wafex P y Borresperce), un kraft de madera blanda (Indulin AT) y soda lino lignina (Bioplast), este último mostró el mejor potencial con respecto a las propiedades formadoras de película. 2.8 Elaboración de recubrimiento de gránulos de urea con lignina. El recubrimiento de gránulos de urea con lignina (Figura 1) fue elaborado en el laboratorio según la metodología descrita en la patente española N (Jiménez et al., 1984) utilizado posteriormente por (García et al., 1996). Figura 1. Esquema de gránulos con material soporte.

221 2.9 Determinación del porcentaje recubrimiento en gránulos de urea. Mulder et al., 2011 agrega que si 10 g de gránulos de urea se sumergen en 100 ml de agua y luego se agitan vigorosamente, el recubrimiento es liberado de la urea. Posteriormente, éste debe filtrarse (filtro G3) y llevarlo a la estufa para la posterior evaporación del agua. Finalmente, por diferencia de peso se determina el porcentaje final de recubrimiento en los gránulos de urea Determinación de nitrógeno liberado. El método de Kjeldahl Se caracteriza por el uso de ebullición, ácido sulfúrico concentrado que efectúa la destrucción oxidativa de la materia orgánica de la muestra y la reducción del nitrógeno orgánico a amoníaco el amonio es retenido como bisulfato de amonio y puede ser determinado in situ o por destilación alcalina y titulación (FAO, 1997). En esta técnica se digieren las proteínas y otros componentes orgánicos de los alimentos en una mezcla con ácido sulfúrico en presencia de catalizadores. El nitrógeno orgánico total se convierte mediante esta digestión en sulfato de amonio. La mezcla digerida se neutraliza con una base (NaOH 40%) y se destila posteriormente (Santiago, 2011).

222 Digestión ácida N (Alimento) H SO NH HSO [ 1 ] NH HSO : Sulfato Ácido de Amonio (Color transparente) Destilación NH HSO + NaOH Na SO + 2 NH NH (g) NH OH (aq) NH + H O [ 2 ] NH + H BO Naranjo 2 NH H BO Celeste [ 3 ] NaOH: Hidróxido de Sodio. Na SO : Sulfato de Sodio. NH : Amoniaco. H BO : Ácido Bórico. NH OH: Hidróxido de Amonio. Titulación NH H BO + HCl Celeste NH Cl + H BO Naranjo [ 4 ]

223 Finalmente, el destilado se recoge en una solución de ácido bórico. Los aniones del borato formados se titulan con HCl 0,1 M estandarizado para determinar el nitrógeno contenido en la muestra mediante la siguiente fórmula: [ 5 ] Donde: V 1 : Volumen en ml de ácido gastados en la titulación. N 1 : Normalidad del ácido empleado en la titulación. G: Masa de muestra en gramos.

224 3. METODOLOGÍA 3.1 Materia prima. La materia prima principal corresponde a lignina extraída de la paja de trigo por la realización de un pulpaje mediante un proceso organosolv, ejecutado en la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción ubicada en el Parque Industrial Coronel, Octava Región de Chile (Proyecto FONDEF D08I1100). Se utilizó también, ligninas de pino y eucalipto extraídas mediante el mismo método, para así obtener parámetros de comparación. Como principio activo, se seleccionó urea granulada marca Jarditec (46% N). 3.2 Determinación de propiedades físico-químicas relevantes de lignina de paja de trigo Estudio de solubilidad mediante extracción Soxhlet. Los solventes y mezclas utilizadas fueron metanol, benceno, etanol y cloroformo/metanol. La determinación de la solubilidad por afinidad de las tres ligninas con el solvente se realizó en el equipo de extracción Soxhlet (Figura 2). Primero se agregó 160 ml del solvente en el balón y se llevó a ebullición para lograr la evaporación y circulación.

225 Figura 2. Sistema de extracción Soxhlet por afinidad con solvente realizado a las ligninas de paja, pino y eucalipto. A medida que el solvente evaporado es condensado, éste cae dentro de un recipiente que contiene un cartucho poroso de celulosa con la muestra de lignina en su interior. El ascenso del nivel del solvente cubre el cartucho hasta un punto en que se produce el sifonaje y comienza a escurrir por la parte inferior del mismo llenando el recipiente de extracción hasta que llega al nivel de la bajada del sifón y recircula con todo el material disuelto hacia el balón inicial (Figura 3). Es importante destacar que este proceso se repitió el número de veces necesario para que la muestra quedase agotada teniendo en cuenta que la primera operación fue totalmente atípica y no se contabilizó en el recuento que se hace para regular la velocidad de extracción como suelen pedir las normas. Para este caso, la muestra se tuvo a reflujo por 6 horas aproximadamente.

226 Figura 3. Extracción de lignina por afinidad con solvente. Posteriormente, la fracción extraída con cada solvente fue concentrada en un evaporador rotatorio con vacío (Figura 4); es decir, fue separada del solvente mediante la aplicación de calor hasta generar la ebullición de éste (Tabla 3). Finalmente, el solvente fue recuperado en un nuevo balón y las muestras de lignina secadas en estufa a 70 C por 24 horas obteniendo los gramos de lignina solubilizada en cada caso. Figura 4. Evaporador rotatorio con vacío.

227 Tabla 3. Punto de ebullición de los solventes utilizados en la extracción Soxhlet (Nuñez, 2008). Solventes Punto ebullición ( C) Benceno 80 Cloroformo / Metanol 65 Metanol 65 Etanol Extracción de lignina en agua. Se agregó 5 g de lignina en un frasco con tapa rosca y se aforó a 200 ml con agua destilada, posteriormente, se agitó y se llevó al autoclave con una temperatura de trabajo de 121 C por 15 minutos. Una vez retirados, se agitó enérgicamente las muestras, y se centrifugó por 20 minutos. Las 2 fases fueron separadas y el agua evaporada en la estufa a 70 C por 24 horas. Finalmente, se procedió a medir por diferencia de peso la capacidad que posee el agua para extraer la lignina soluble en ella Solubilidad de lignina en agua alcalina a ph 12. Una solución de lignina al 10% (p/p) fue preparada con la adición de NaOH 0,5 N. Se ajustó la solución hasta llegar a ph 12 (Figura 5). Los resultados de solubilidad de las distintas ligninas fueron juzgados de forma visual.

228 Figura 5. Ajuste de ph a solución de lignina 10% (p/p) Fenoles totales. El contenido de fenoles totales de la fracción soluble de cada lignina se determinó mediante el método espectrofotométrico de Folin-Ciocalteu (Singleton y Rossi, 1965) como equivalentes de ácido gálico (EAG). Fueron tomados 0,1 g de las distintas ligninas y llevados a matraces aforados, a los cuales se les agregó 50 ml de agua destilada con una agitación posterior. Enseguida, se tomaron 0,5 ml de cada una de estas dispersiones y fueron mezcladas con 0,75 ml del reactivo de Folin-Ciocalteu dejando en reposo a temperatura ambiente por 5 min. Posteriormente, se agregó 0,75 ml de Na 2 CO 3 al 20% agitando fuertemente para luego, dejar reposar durante 90 min a temperatura ambiente. Transcurrido este tiempo, se midió la absorbancia a 760 nm para determinar los fenoles totales presentes en la dispersión. Este procedimiento se realizó con cada una de las ligninas objeto de estudio por duplicado.

229 3.2.5 Capacidad formadora de película. Se prepararon dispersiones de cada lignina al 10% (p/p) con hidróxido de sodio 0,5 N. Posteriormente, se agregó una capa de aproximadamente 2 mm de espesor en una placa petri para formar la película. Para un segundo estudio el mismo procedimiento se llevó a cabo, con la diferencia de que para este caso se adicionó glicerol al 6,25% (p/p) como plastificante. Finalmente, las placas se llevaron a la estufa (Binder mod. MB6) a 70 C por 24 horas para lograr la evaporación del agua presente en la solución. La capacidad formadora de película fue juzgada de forma visual. 3.3 Elaboración de fertilizantes de liberación sostenida mediante el recubrimiento de gránulos de urea con una aplicación rica en lignina Elaboración de productos mediante recubrimiento. La lignina que se incorpora en el revestimiento está completamente libre de productos y hemicelulosa insolubles en agua. Mediante tamizado se seleccionaron gránulos de urea en dos tamaños: entre 2 y 4 mm de diámetro, y mayores a 4 mm de diámetro. A estos se les realizó aplicaciones en forma de pintura de una dispersión de lignina en agua, con un porcentaje de 25% (p/p) y se llevaron a la estufa a 80 C para lograr un secado rápido del recubrimiento. Este secado rápido se realizó con el fin de obtener una disminución en la velocidad de solubilidad de la urea en el agua

230 presente (75% agua, aproximadamente) en el recubrimiento. Se obtuvo así una matriz experimental de 3 x 2 (3 ligninas x 2 tamaños) para la realización de los experimentos de liberación controlada Determinación del contenido de lignina en productos recubiertos. Esta determinación se realizó gravimétricamente. Aproximadamente 3 g de muestra de producto recubierto se dispusieron en matraces con 100 ml de agua. Los recipientes se agitaron vigorosamente hasta desintegrar los gránulos; así, se disolvió en el agua la urea contenida en los gránulos, más la fracción soluble de las ligninas del recubrimiento. El producto fue filtrado. El residuo sólido del filtrado fue llevado a sequedad. Aunque una parte de cada recubrimiento se eliminó en el filtrado, el residuo sólido representó la parte insoluble, que efectivamente contribuyó a disminuir el transporte de urea hacia el agua. El porcentaje de recubrimiento se determinó como: % recubrimiento (insoluble) = peso residuo sólido x 100 / peso muestra [ 6 ]

231 3.4 Determinación de las curvas de liberación sostenida de urea a partir de los productos elaborados Ensayo de liberación sostenida. Se dispusieron en matraces aforados aproximadamente 5 g de cada producto (gránulos recubiertos). Posteriormente, fueron enrasados a 100 ml con agua destilada y llevados a un baño termostatizado a 20ºC (Figura 6). Este ensayo se realizó por duplicado, utilizando la misma técnica. Se extrajo una alícuota de 10 ml de cada matraz, las cuales fueron filtradas (Figura 7) para obtener las muestras necesarias para realizar la medición de urea presente. Este procedimiento se efectuó con frecuencia de 30, 60, 120, 180 y 240 min cumpliendo así un periodo de 4 horas. Figura 6. Ensayo de liberación en baño termostatizado a 20 C

232 Figura 7. Obtención de muestras para estudio Determinación de urea en agua método espectrofotométrico. Los ensayos de liberación controlada de urea se llevaron a cabo en condiciones de laboratorio para cada producto sumergido en agua. El objetivo fue estudiar, en cada caso, la influencia de distintas variables operacionales en el comportamiento cinético de la liberación sostenida de urea. La muestra se puso en suspensión en agua y posteriormente se filtró. Cabe señalar que se utilizó la metodología descrita por FAO, considerando como blanco en la espectrofotometría las soluciones coloreadas que se obtienen de la fracción de cada lignina que es soluble en agua. El contenido de urea en el filtrado se determinó, tras la adición de p-dmab, por medio de la densidad óptica a la longitud de onda de 420 mm (Método oficial AOAC , para determinación de urea en alimentos animales).

233 3.4.3 Determinación de urea en agua electrodo ión selectivo. Se tomó 1 ml de muestra filtrada, al cual se le añadió una solución ISA (Ionic Strenght Adjuster; en este caso, NH 4 Cl concentrado más EDTA) para ajustar ph a 14. Se introdujo el electrodo en la muestra y se esperó hasta la estabilización de la lectura. El resultado se comparó con una curva de calibración en base a NH 4 Cl. El contenido de nitrógeno en la muestra original se determinó como contenido de ión amonio Determinación de urea en agua método de Kjeldahl. Se pesó en un tubo de digestión alrededor de 0,25 gramos de la muestra. Luego, se añadió 1,25 gramos de mezcla digestiva-catalítica (0,1 g Se y 20 g de K 2 SO 4 ). A esta mezcla se agregó 6 ml de H 2 SO 4 concentrado y luego se homogenizó y aplicó temperatura lentamente hasta llegar a un máximo de 370 C, manteniendo la temperatura hasta lograr la clarificación completa de la muestra digerida. Posteriormente, esta mezcla se neutralizó con una base (NaOH 40%) y se destiló. El destilado se recogió en una solución de ácido bórico. Los aniones del borato formados se titularon con HCl 0,01 M estandarizado para determinar el N contenido en la muestra. Con los datos obtenidos de N presente en las muestras, se realizaron los cálculos de balance de materia. De esta forma, se determinaron las curvas de liberación de urea de los distintos tratamientos en agua en función al tiempo de duración del experimento a una temperatura constante de 20 C.

234 3.5 Diseño experimental. Se realizó un análisis de varianza completamente al azar con un 95% de nivel de confianza, empleando el test de LSD de Fisher como contraste para determinar si existieron diferencias significativas entre los gránulos (mayores a 4 mm y entre 4 y 2 mm) de urea recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto con y sin la adición de glicerol (10% p/p) como plastificante. El software utilizado para analizar los datos obtenidos fue Infostat.

235 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 Solubilidad de las ligninas en solventes utilizados. En la Tabla 4 se observa que, aunque los procesos de extracción son similares, las ligninas se comportan de manera muy distinta. Tabla 4. Rendimientos de extracción para lignina de paja de trigo, lignina de pino y lignina de eucalipto en los distintos solventes. Solvente Capacidad de Extracción de Solventes (%) Lignina de Paja de Trigo Lignina de Pino Lignina de Eucalipto Metanol 42,35 20,56 3,52 Etanol 36,40 12,76 7,55 Cloroformo/Metanol 86,72 85,48 44,21 Benceno 25,34 16,96 2,14 En todos los casos se observa que la mayor afinidad de los productos estudiados se presenta con el solvente cloroformo/metanol 1:1. Sin embargo, en el caso de la lignina de eucalipto, ninguno de los solventes presentó una capacidad de extracción suficientemente alta para trabajar con éste. Las ligninas de paja de trigo y de pino presentan un perfil de solubilidades típico (González et al., 2007); no así la lignina de eucalipto. Pese a las similitudes entre las ligninas de paja de trigo y de pino (alta solubilidad en cloroformo/metanol), los resultados porcentuales obtenidos del perfil de las tres ligninas difieren notoriamente.

236 4.2 Solubilidad de ligninas en agua. El rendimiento de extracción (Tabla 5) para la lignina de paja de trigo presenta una mayor solubilidad en agua. Cabe señalar que no se realizaron repeticiones a este ensayo, por lo tanto, los valores obtenidos son de referencia para futuras investigaciones y no son estadísticamente significativos. Tabla 5. Rendimientos de extracción para lignina de paja de trigo, lignina de pino y lignina de eucalipto en agua. Lignina de Paja de Trigo Lignina de Pino Lignina de Eucalipto (%) (%) (%) 5,968 2,335 2, Solubilidad en solución alcalina a ph 12. De acuerdo con la metodología presentada, todas las ligninas estudiadas presentan un 100% de solubilidad a ph 12, de acuerdo con lo esperado (Mulder et al., 2011). 4.4 Contenido de fenoles totales en la fracción soluble de las ligninas. Se determinó el contenido de fenoles totales según el método de Folin- Ciocalteu (Singleton y Rossi, 1965) en el filtrado como equivalentes de ácido gálico (EAG). Los resultados muestran que, debido a la mayor solubilidad en agua de la lignina de paja de trigo con respecto a las otras dos ligninas en estudio, se encontró un mayor contenido de fenoles disueltos, expresados

237 como EAG (Tabla 6). Si esto se lleva a base seca considerando la fracción soluble de cada lignina, se obtiene que la lignina con mayor poder antioxidante, expresado como EAG, es la lignina de pino. Cabe señalar que no se realizaron repeticiones a éste ensayo, por lo tanto, los valores obtenidos son de referencia para futuras investigaciones y no son estadísticamente significativos. Tabla 6. Contenido de fenoles totales en la fracción soluble de ligninas organosolv. Lignina de Paja de Trigo Lignina de Pino Lignina de Eucalipto EAG (mg/l) 528,18 293,64 94,55 EAG (mg/mg fracción soluble) 8,85 12,58 3, Capacidad formadora de película. Se observó que, sin la adición de plastificante, ninguna de las ligninas en estudio presentó propiedades formadoras de películas. Una vez evaporada el agua de las placas petri, la película formada por la lignina disuelta, en todos los casos, se resquebrajó y pulverizó. Utilizando el glicerol como plastificante, la lignina de paja de trigo formó películas visualmente más uniformes y resistentes al tacto, seguida en esta capacidad por la lignina de eucalipto, estando la lignina de pino en último lugar. Los resultados obtenidos para la formación de recubrimientos, fueron juzgados de forma visual y las películas ordenadas según los porcentajes de superficie resquebrajadas. Éstos se presentan en las Figuras 8 a 13.

238 Figura 8. Película de lignina de paja de trigo sin glicerol. Figura 9. Película de lignina de paja de trigo con adición de glicerol 10% (p/p). Figura 10. Película de lignina de pino sin glicerol. Figura 11. Película de lignina de pino con adición de glicerol 10% (p/p). Figura 12. Película de lignina de eucalipto sin glicerol. Figura 13. Película de lignina de eucalipto con adición de glicerol 10% (p/p).

239 4.6 Elaboración de productos recubiertos. La Figura 14 muestra una selección de imágenes de los productos elaborados por recubrimiento de gránulos de urea con lignina. Se observa una correlación entre la capacidad formadora de película de cada lignina y la calidad del recubrimiento logrado, juzgada visualmente (Tabla 7). La lignina de pino posee la menor capacidad formadora de película, y el recubrimiento obtenido es menos uniforme, lo cual incide en la velocidad de transporte de la urea hacia el medio acuoso en el ensayo de liberación controlada. Tabla 7. Porcentaje de recubrimiento en productos elaborados. Tamaño de gránulos (mm) Lignina de Paja de Trigo (%) Lignina de Pino (%) Lignina de Eucalipto (%) Gránulos (entre 2 y 4) 9,4 17,4 16,9 Gránulos (mayores a 4) 12,5 13,1 11,6 Se observó que la capacidad formadora de película de cada lignina, no tiene relación directa con el porcentaje de recubrimiento insoluble que se obtuvo en los productos terminados.

240 Paja +2 Paja +4 Pino +2 Pino +4 Euc. +2 Euc. +4 Figura 14. Gránulos de urea recubiertos con lignina. (Paja: lignina de paja de trigo; Pino: lignina de pino; Euc: lignina de eucalipto; +2: tamaño pequeño (gránulos entre 2 y 4 mm); +4: tamaño grande (gránulos mayores que 4 mm).

241 4.7 Determinación de urea en agua método espectrofotométrico. Se realizaron las determinaciones de urea mediante espectrofotometría, para los productos recubiertos; observándose una extraña formación de cristales en las muestras al momento de realizar las mediciones en el espectrofotómetro, interfiriendo éstas en la penetración de la luz, por lo tanto, no fue posible desarrollar el estudio mediante esta metodología. 4.8 Determinación de urea en agua electrodo ión selectivo. Se introdujo el electrodo en la muestra y se esperó hasta la estabilización de la lectura, pero ésta no ocurrió, por lo que se decidió cambiar la condición de hidrólisis de la solución a una temperatura de 50 C, siendo ésta la máxima permitida por el fabricante para realizar mediciones con el electrodo ión selectivo. Los resultados analíticos obtenidos con la hidrólisis contradicen el balance de materia del experimento, y por lo tanto ésta también fue descartada. Es decir, la hidrólisis realizada no resultó ser una opción viable para la determinación de nitrógeno liberado en los gránulos recubiertos como contenido de ión amonio.

242 4.9 Efecto del tipo de lignina en la liberación sostenida de urea a partir de los productos elaborados en base a metodología Kjeldahl. Se realizó el ensayo de liberación sostenida en tratamiento de gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto al 25% p/p sin la adición de glicerol (Figura 15 A y B). El valor de la urea liberada a tiempo cero no fue medido sino que, en todos los casos, se supuso teóricamente igual a cero. La Tabla 8 indica que para la liberación de urea de los gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) de tamaño entre 2 y 4 mm, se puede determinar, dado que no existen diferencias significativas entre los tres tratamientos en las distintas mediciones realizadas en el tiempo. En la medición realizada al tratamiento con lignina de eucalipto a los 30 minutos, el análisis estadístico evidencia una diferencia significativa de éste en comparación a los otros dos tratamientos, siendo ésta atribuida a que la lignina de eucalipto presenta una mayor capacidad de adherencia en los gránulos de urea recubiertos. Sin embargo, esta tendencia no se sostuvo en el tiempo. Para la liberación de urea de los gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) de tamaño mayor a 4 mm, los resultados obtenidos demuestran que no existen diferencias significativas entre los tres tratamientos en las distintas mediciones realizadas en el tiempo. Sin embargo, en las mediciones realizadas a los tratamientos con lignina de paja

243 de trigo y pino a los 180 min, el análisis estadístico establece una diferencia significativa de éstos en comparación al tratamiento con lignina de eucalipto, siendo atribuida a la amplia dispersión que presenta la desviación estándar en la medición realizada en un tiempo de 180 minutos. Los gránulos recubiertos se encuentran desintegrados, debido a la agitación realizada con el fin de homogeneizar la muestra para realizar las posteriores evaluaciones.

244 Tabla 8. Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p). Productos sin glicerol (g) Tiempo Lignina de paja Lignina de pino Lignina de eucalipto (min) 2-4 mm > 4 mm 2-4 mm > 4 mm 2-4 mm > 4 mm 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ,59±0,01a 0,55±0,19a 0,60±0,03a 0,63±0,13a 0,66±0,02b 0,64±0,04a 60 0,85±0,17a 0,73±0,01a 0,77±0,08a 0,78±0,05a 0,76±0,05a 0,86±0,16a 120 0,93±0,11a 0,81±0,04a 0,83±0,06a 0,80±0,01a 0,80±0,03a 0,80±0,01a 180 0,75±0,11a 0,86±0,03b 0,71±0,15a 0,73±0,09ab 0,67±0,13a 0,69±0,08a 240 0,78±0,09a 0,80±0,15a 0,79±0,12a 0,77±0,14a 0,82±0,19a 0,84±0,16a * Letras distintas en sentido horizontal indic A B Figura 15. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p). A : Tamaños entre 2-4 mm; B : Tamaño mayores a 4mm.

245 Se realizó el ensayo de liberación sostenida en tratamiento de gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto al 25% p/p con la adición de glicerol al 10% p/p (Figura 16 A y B). La Tabla 9 indica que la liberación de urea de los gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) con la adición de glicerol (10% p/p) de tamaños entre 2 y 4 mm, se puede determinar que a tiempo temprano existen diferencias significativas entre los tres tratamientos en las mediciones realizadas. En la medición realizada al tratamiento con lignina de pino a los 30 y 60 minutos, el análisis estadístico muestra una diferencia significativa de éste en comparación a los otros dos tratamientos, esto quiere decir, que el glicerol aporta al retardo de la destrucción total de los gránulos recubiertos con dicha lignina a tiempo temprano. Para la liberación de urea de los gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) con la adición de glicerol (10% p/p) de tamaño mayor a 4 mm, los resultados obtenidos revelan que no existen diferencias significativas entre los tres tratamientos en las distintas mediciones realizadas en el tiempo. En las mediciones realizadas a los tratamientos con lignina de paja de trigo y eucalipto a los 120 min, el análisis estadístico evidencia una diferencia significativa de éstos en comparación al tratamiento con lignina de pino, siendo ésta atribuida a la amplia dispersión que presenta la desviación estándar en la medición realizada, ya que a tiempo de 120 minutos, los gránulos recubiertos ya se encuentran

246 desintegrados debido a la agitación realizada con el fin de homogeneizar la muestra, por lo que no hubo diferencia significativa en la medición de urea a los 180 y 240 minutos.

247 Tabla 9. Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) y glicerol (10% p/p). Productos con glicerol (g) Tiempo Lignina de paja Lignina de pino Lignina de eucalipto (min) 2-4 mm > 4 mm 2-4 mm > 4 mm 2-4 mm > 4 mm 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ,50±0,02a 0,62±0,12a 0,63±0,01b 0,62±0,02a 0,50±0,05a 0,66±0,03a 60 0,18±0,31a 0,75±0,06a 0,75±0,00b 0,61±0,15a 0,53±0,20ab 0,69±0,03a 120 0,71±0,00a 0,90±0,13b 0,82±0,07a 0,57±0,22a 0,62±0,20a 0,72±0,04ab 180 0,66±0,15a 0,87±0,09a 0,69±0,12a 0,68±0,12a 0,55±0,26a 0,76±0,10a 240 0,80±0,11a 0,82±0,15a 0,74±0,23a 0,28±0,49a 0,75±0,22a 0,79±0,11a * Letras distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tratamientos en función al tiempo, según el T A B Figura 16. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto (25% p/p) y glicerol (10% p/p). A : Tamaños entre 2-4 mm; B : Tamaño mayores a 4mm.

248 4.10 Efectos del tamaño de gránulos en la liberación sostenida de urea a partir de los productos elaborados en base a metodología Kjeldahl. Se realizó una comparación de liberación sostenida de urea en tratamiento de gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto al 25% p/p con y sin la adición de glicerol al 10% p/p como plastificante (Figuras 17, 18 y 19 A y B). La Tabla 10 muestra que para la liberación de urea en gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo (25% p/p), de tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm, no existen diferencias significativas entre los dos tratamientos en las mediciones realizadas en el tiempo. Para la liberación de urea en gránulos recubiertos con lignina de paja de trigo (25% p/p) con la adición de glicerol (10% p/p) de tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm, el análisis estadístico revela que no existen diferencias significativas entre los dos tratamientos en las mediciones realizadas en el tiempo.

249 Tabla 10. Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de paja de trigo (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p). Productos sin glicerol (g) Productos con glicerol (g) Tiempo Lignina de paja Lignina de paja (min) 2-4 mm > 4 mm 2-4 mm > 4 mm 0 0,00 0,00 0,00 0, ,59±0,01a 0,55±0,19a 0,51±0,02a 0,62±0,12a 60 0,85±0,17a 0,73±0,01a 0,18** 0,75±0,06a 120 0,93±0,11a 0,81±0,04a 0,71±0,00a 0,90±0,13a 180 0,75±0,11a 0,86±0,03a 0,66±0,15a 0,87±0,09a 240 0,78±0,09a 0,80±0,15a 0,80±0,11a 0,82±0,15a * Letras distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tamaños en función al tiempo, según el Test LS ** El valor se escapa de la tendencia de la presente tabla, ya que en la muestra analizada no se realizó repetición. A B Figura 17. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2 4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de paja de trigo (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p). A : Gránulos sin glicerol; B : Gránulos con glicerol.

250 La tabla 11 evidencia que para la liberación de urea en gránulos recubiertos con lignina de pino (25% p/p) de tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm, que no existen diferencias significativas entre los dos tratamientos en las distintas mediciones realizadas en el tiempo. Para la liberación de urea en gránulos recubiertos con lignina de pino (25% p/p) con la adición de glicerol (10% p/p) de tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm, el análisis estadístico aclara que no existen diferencias significativas entre los dos tratamientos en las mediciones realizadas en el tiempo.

251 Tabla 11. Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de pino (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p). Productos sin glicerol (g) Productos con glicerol (g) Tiempo Lignina de pino Lignina de pino (min) 2-4 mm > 4 mm 2-4 mm > 4 mm 0 0,00 0,00 0,00 0, ,60±0,03a 0,63±0,13a 0,63±0,01a 0,62±0,02a 60 0,77±0,08a 0,78±0,05a 0,75±0,00a 0,61±0,15a 120 0,83±0,06a 0,80±0,01a 0,82±0,07a 0,57±0,22a 180 0,71±0,15a 0,73±0,09a 0,69±0,12a 0,68±0,12a 240 0,79±0,12a 0,77±0,14a 0,74±0,23a 0,28±0,49a * Letras distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tamaños en función al tiempo, según el Test LSD A B Figura 18. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2 4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de pino (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p). A : Gránulos sin glicerol; B : Gránulos con glicerol.

252 La Tabla 12 revela que para la liberación de urea en gránulos recubiertos con lignina de eucalipto (25% p/p) de tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm, al igual que en los puntos anteriores, que no existen diferencias significativas entre los dos tratamientos en las distintas mediciones realizadas en el tiempo. Para la liberación de urea en gránulos recubiertos con lignina de eucalipto (25% p/p) con la adición de glicerol (10% p/p) de tamaños entre 2-4 mm y mayores a 4 mm, el análisis estadístico determina que para en la medición realizada en los gránulos mayores a 4 mm a los 30 minutos, el análisis estadístico evidencia una diferencia significativa de éste en comparación a los otros dos tratamientos, esto quiere decir, que el glicerol aporta al retardo de la destrucción total de los gránulos recubiertos con dicha lignina a tiempo temprano.

253 Tabla 12. Urea liberada (g) en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2-4 mm y mayores a 4mm recubiertos con lignina de eucalipto (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p). Productos sin glicerol (g) Productos con glicerol (g) Tiempo Lignina de eucalipto Lignina de eucalipto (min) 2-4 mm > 4 mm 2-4 mm > 4 mm 0 0,00 0,00 0,00 0, ,66±0,02a 0,64±0,04a 0,50±0,05a 0,66±0,03b 60 0,76±0,05a 0,86±0,16a 0,53±0,20a 0,69±0,03a 120 0,80±0,03a 0,80±0,01a 0,62±0,20a 0,72±0,04a 180 0,67±0,13a 0,69±0,08a 0,55±0,26a 0,76±0,10a 240 0,82±0,19a 0,84±0,16a 0,75±0,22a 0,79±0,11a * Letras distintas en sentido horizontal indican diferencia entre los distintos tamaños en función al tiempo, según el Test L A B Figura 19. Tendencias de urea liberada en el tiempo en gránulos con tamaño entre 2 4 mm y mayores a 4 mm recubiertos con lignina de eucalipto (25% p/p) con y sin la adición de glicerol (10% p/p). A : Gránulos sin glicerol; B : Gránulos con glicerol.

254 5. CONCLUSIONES Las ligninas de paja de trigo, pino y eucalipto obtenidas mediante procesos similares en el contexto de este proyecto son químicamente diferentes. No es posible extrapolar los resultados obtenidos con lignina de pino o eucalipto a la lignina de paja de trigo. Según la prueba realizada, la solubilidad de las distintas ligninas en agua con una solución alcalina resultó efectiva a ph 12. En el estudio realizado con ligninas sin adición de plastificante, se concluyó que ninguna de las tres a un 10% (p/p) posee la capacidad de formación de película. En las pruebas de capacidad de formación de películas que posee cada tipo de lignina, se determinó que la lignina que posee mayor capacidad de formación de película es la de paja de trigo con plastificante, seguida por la de eucalipto y finalizando con la de pino. En las pruebas preliminares realizadas a la formación de recubrimiento de gránulos de urea, se determinó que las ligninas responden de forma eficiente para la formación del recubrimiento, pero cada una logra su máxima capacidad formadora de éste a distintos niveles de concentración de la suspensión de lignina en agua.

255 La metodología empleada para la elaboración de fertilizantes mediante el recubrimiento de gránulos de urea con una aplicación rica en lignina, con y sin la adición de glicerol como compuesto plastificante, resulta ser efectiva para lograr una liberación de urea sostenida por un corto periodo de tiempo, ya que las propiedades termoplásticas que posee la lignina en conjunto con el glicerol adicionado aportarían en la elaboración de un recubrimiento que retarda la liberación de urea. Los ensayos de liberación controlada de urea se llevaron a cabo en condiciones de laboratorio para cada producto sumergido en agua. Por la influencia de distintas variables operacionales en el comportamiento cinético de la liberación controlada de urea, los gránulos recubiertos se disuelven rápidamente si están todo el tiempo inmerso en agua, es por este motivo que sería conveniente realizar una prueba en terreno evaluando el efecto del fertilizante en la tierra y en la planta. Se presentan también factores que influyen en el estudio de liberación, como lo es la aplicación del recubrimiento en gránulos, los que pueden ser asociados a mecanismos más modernos (como por ejemplo, el spray coating) en la aplicación de la suspensión en gránulos de urea para formar el recubrimiento la adición de otros tipos de plastificantes como resinas para lograr un 100% de superficie de contacto recubierta evitando el contacto directo de la urea con el agua.

256 La determinación de las curvas de liberación sostenida de urea a partir de los productos elaborados con lignina de paja de trigo, pino y eucalipto al 25% p/p con la adición de glicerol al 10% p/p como plastificante y en los dos tamaños (entre 2-4 mm y mayores a 4 mm) utilizados para realizar esta investigación, permiten determinar que se presentan diferencias significativas entre los tres tratamientos con los distintos tamaños utilizados a tiempo temprano, no así para el estudio de liberación realizado a los tratamientos con gránulos recubiertos con las distintas ligninas sin la adición de glicerol, ya que para estos los resultados obtenidos arrojaron que no existe diferencia estadísticamente significativa.

257 6. BIBLIOGRAFÍA 1.- Entry J., R. Sojka Matriz Based fertilizers reduce Nitrogen and Phosphorus leaching in greenhouse column studie. Water air soil pollut. 180(): FAO (Chile) Determinación de urea en componentes alimenticios [en línea]. FAO. < htm>. [Consulta: 10 octubre 2012]. 3.-FAO (Chile) Determinación de urea en componentes alimenticios [en línea]. FAO. < 9S04.htm>. [Consulta: 12 octubre 2012]. 4.- Fengel, D y G. Wegener Wood: Chemistry, ultrastructure and reactions. Walter de Gruyter. Berlin/NewYork. 5.-García, M.C., J.A. Diez, A. Vallejo, L. García and M.C. Cartagena Use of Kraft pine lignin in controlled-release fertilizer formulations. Ind. Eng. Chem. Res. 35(1): Garcia, A; L. Garcia, et al Forecasting by laboratory tests of nitrogen leached and absorbed in soil-plant system with urea-based controlled-release fertilizers coated with lignin. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 29(15 & 16):

258 7.- García A., A. Vallejo, et al Nitrogen use efficiency with the application of controlled release fertilizers coated with Kraft pine lignin. Soil Science and Plant Nutrition. 43(2), Tokyo. 8.- González, A.M., J.P. Herrera y A. Rodríguez Caracterización de fracciones de lignina extraídas del licor negro con solventes orgánicos. Rev. For. Lat. 22(2): Gosselink, R.J.A., A. Abächerli, H. Semke, R. Malherbe, P. Käuper, A. Nadif and J.E.G. van Dam Analytical protocols for characterisation of sulphur-free lignin. Ind. Crops Prod. 19(3): Havlin, J., J. Beaton, S. Tisdale and W. Nelson Soil fertility and fertilizers, an introduction to nutrient management. (6th. ed.). Prentice-Hall. Upper Saddle River, USA Jiménez, S., M.C. Cartagena, A. Vallejo y E. Castañeda Procedimiento para obtener fertilizantes de liberación lenta. Cl. Int. C05G 3/00, C09F 1/00. N Octubre 05, Madrid, España Jiménez, S Fertilizantes de liberación lenta. Ediciones Mundi- Prensa. Madrid, España Lignin Institute Lignosulfonates: improved fertilizar applications. Dialogue. 2(2).

259 14.- Lindh, D Degradación de paja de trigo adicionada de una fuente de carbono o nitrógeno por tres cepas de hongos. Tesis, Lic. Agron. Universidad Austral de Chile, Fac. Cien. Valdivia, Chile Mellado, M El trigo en Chile: cultura, ciencia y tecnología. Colec. Lib. INIA N 21. INIA Quilamapu. Chillán, Chile Mulder, W.J., R.J.A. Gosselink, M.H. Vingerhoeds, P.F.H. Harmsen and D. Eastham Lignin based controlled release coatings. Ind. Crops Prod. 34(1): Núñez, C Extracciones con equipo Soxhlet [en línea]. Carlos Nuñez. < osoxhlet.pdf>. [Consulta: 16 abril 2012] Ramirez F., G. Varela Reactions, characterization and uptake of ammoxidized kraft lignin labelled with 15N, Bioresource Technol. 98(): Ramírez-Cano, F., A. Ramos-Quirarte, O. Faix, D. Meier and V. González-Alvarez Slow-release effect of n-functionalized kraft lignin tested with sorghum over two growth periods. Bioresour. Technol. 76(1): Ruiz, C., A. France, J. Carrasco, C. Ovalle, J. Hirzel, C. Devotto, C. Pérez, M. Claret, E. Mera, P. Millas, G. Klee, R. Madariaga e I.

260 Matus Situación actual y alternativas para reducir las quemas de rastrojos de cereales. pp: Informe Técnico N. INIA Quilamapu. Chillán, Chile Sakai, K Organosolv delignification. Jpn. Tappi. 48(): Santiago, F Determinación de proteínas por el método Kjeldahl [en línea]. JP Selecta. < ciones>. [Consulta: 18 noviembre 2012] Singleton, V.L., J.A. Rossi Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic - phosphotungstic acid reagents. Am. J. Enol. Vitic. 16(3): De-han W., P. Jun-jie and L. Zong-wen Preparation of urea coated with lignin (LCU) and its fertilizer efficiency test. Nongye Huanjing Kexue Xuebao 22(2): Young R.A Utilization of Natural Fibers: Characterization, Modification and Applications in Lignocellulosic-Plastic-Composites. Leao A. L., Carvalho F.X. and Frollini E. (Eds.) USP, UNESP, Sao Paulo, Brasil.

261 OPTIMIZACION DEL PROCESO DE DESLIGNIFICACIÓN DE PAJA DE TRIGO C. Fuentealba, L. Torres, C. Bocalandro y A. Berg. XXV Interamerican Congress of Chemical Engineering and XVIII Chilean Congress of Chemical Engineering, November 14-17, Santiago-Chile Fondef D08i1100 Proyecto Basal PFB - 27

262 Temario Problemática Objetivo Metodología Resultados Conclusiones

263 Problemática Materia prima lignocelulósica Lignina Celulosa Hemicelulosa Superficie sembrada ha. de trigo (a). Paja en rastrojos (b) 6-10(ton/ha) MM ton/año Es un recurso cuantioso, disponible y de muy bajo valor comercial Fuente potencial de utilización

264 Utilización de la paja de trigo Actual Aprovechamiento integral Uso directo Lignina Celulosa Hemicelulosa Matriz liberación controlada Problemas ambientales Fraccionamiento químico Solventes orgánicos Derivados de celulosa Adhesivos Bioplásticos Carbohidratos disueltos Lignina Celulosa Sustratos de fermentación Alimento animal

265 Objetivo Determinar las mejores condiciones de deslignificación para separar los componentes químicos de la paja de trigo (celulosa, hemicelulosas y lignina), utilizando ácidos carboxílicos, en un sistema isotérmico.

266 Metodología Materia prima y solventes de deslignificación Paja de trigo (Proveniencia Santa Juana) Ácido acético Ácido fórmico Variables de deslignificación Tiempo de digestión (60 a 240 minutos) Temperatura de la reacción de digestión (140 ºC a 180 ºC) Concentración de ácidos carboxílicos (base peso de solución) (0 a 100%) Contenido de agua en la mezcla (5 a 40%), Respuestas medidas Rendimiento de pulpa Nº Kappa (Tappi 236 om-06) Viscosidad intrínseca (Scan 15:88).

267 Diseño experimental Central compuesto (software Design-Expert 8.0.6) Ácido Ácido ID acético (%) fórmico (%) Agua (%) Temperatura (ºC) ,75 38,75 22, ,75 38,75 22, ,75 38,75 22, ,75 38,75 22, ,75 38,75 22, ,75 38,75 22, ,12 19,38 22, ,12 43,12 13, ,38 58,12 22, ,75 38,75 22, ,37 34,37 31, ,75 38,75 22, ,75 38,75 22, ,75 38,75 22, ensayos

268 Experimentos Deslignificación Razón sólido/líquido: 1/5 Número de Kappa Contenido de lignina residual > Kappa > contenido de lignina Viscosidad intrínseca Daño a la estructura de celulosa > Viscosidad < daño de la fibra

269 Resultados Optimización de superficie respuesta Bajo Kappa < 30 Alta viscosidad > 600 ml/g Condiciones óptimas Alto Óptimo Bajo Ácido acético (%) Ácido fórmico (%) Temperatura ( C) Tiempo (min) 95,0 95,0 180,0 240,0 [77,0] [0,0] [160,0] [60,0] 0,0 0,0 140,0 60,0 Deseabilidad Compuesta 0,98762 Respuesta N Kappa Mínimo y = 20 d = 1,0000 Muy buen ajuste de los datos al modelo. Viscosidad Máximo y = 720 d = 0,97539 (software Minitab 11)

270 Gráfico de contorno en condiciones óptimas 160 C - 60 min (Software Sigma Plot 11) N Kappa Viscosidad capilar

271 Conclusiones La mejor condición, en primera deslignificación, se obtiene utilizando un contenido de ácido acético de 77% en base a la solución y en ausencia de ácido fórmico, a una temperatura de reacción de 160 ºC y un tiempo de digestión de 1 hora. El proceso optimizado permite obtener un kappa de 20 y una viscosidad de 720 ml/g. La paja de trigo no puede ser procesada a temperaturas mayores de 165 ºC, ya que las propiedades de la pulpa se ven afectadas negativamente. El ácido fórmico no mejoró la deslignificación de paja de trigo, siendo el ácido acético el mejor solvente en un sistema isotérmico.

272 Muchas gracias!!..

273 DEGRADABILIDAD RUMINAL DE MELAZAS DE PAJA DE TRIGO Y MADERA DE EUCALIPTUS Y SU EFECTO EN EL ph RUMINAL* Ruminal degradability of wheat straw and eucalyptus s wood molasses and its effect in ruminal ph. Pamela Williams 1, Rodrigo Allende 2, Claudia Barchiesi 3, Jorge Campos 1, Francisco Molina 1, Ignacio Cabezas 2, Cecilia Fuentealba 4. 1 Facultad de Agronomía, UdeC, 2 Facultad de Ciencias Veterinarias, UdeC, 3 Facultad de Ciencias Agropecuarias y Forestales, UFRO, 4 Unidad de Desarrollo Tecnológico, UdeC. *Financiado por FONDEF D08 I 1100 INTRODUCCION En Chile se produce 1,3 millones toneladas de paja de trigo por año (Hetz, 2006), material lignocelulósico que se quema, perdiéndose materia prima utilizable y generando problemas ambientales. La estructura química de la paja de trigo es similar a la de madera, siendo posible obtener por procesos inocuos, como el uso de ácidos orgánicos, celulosa, hemicelulosas y lignina (Kham, 2005; Zhang, 2010). Este trabajo propone una alternativa de uso para estas hemicelulosas (melazas) como fuente energética para rumiantes, por su similitud en composición nutricional con melazas de remolacha y caña de azúcar. Se plantea estudiar la cinética ruminal de melazas de madera de eucaliptus y paja de trigo en rumiantes, caracterizando la degradabilidad y su efecto en el ph ruminal para ser incluidas como ingredientes en la formulación de dietas. MATERIALES Y MÉTODOS El estudio se realizó entre abril y junio del 2011 en la Facultad de Cs. Veterinarias, U. de Concepción, Campus Chillán. Para ello, se utilizaron dos ovinos adultos, de aproximadamente 24meses y kg PV, provistos de cánula ruminal de 7,5 cm de diámetro, marca BarDiamond. Estos fueron dispuestos en corrales individuales (2x2m) y se observaron sanos. Recibieron dieta de mantención (NRC, 1981) en base a heno de ballica (Lolium perenne), cuya composición nutricional fue 85,4% MS, 7,4% CT, 9,2% PC, 61,9% FDN y 42,2% FDA. La EM fue de 1,99 Mcal kg -1 (BMS). Melazas de paja de trigo, madera de eucaliptus y comercial de remolacha (control) fueron utilizadas para la evaluación de la degradabilidad ruminal utilizando el método de Orskov y Mc Donald (1979). Las dos primeras obtenidas por deslignificación con ácido acético al 87% a una T de 160 ºC por un tiempo de digestión a T máx. de 120 min. Muestras de 5 g del ingrediente seco se incubaron en bolsas de dacrón en el rumen por un tiempo de 10, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 360 y 720 min, con 5 repeticiones por alimento. Este tiempo se determinó previamente al comprobar que a las 12 h no había residuo en las bolsas. Al momento de incubar, se midió ph, protocolo repetido en cada tiempo. El diseño experimental fue un arreglo factorial, con 9 tiempos y 3 tratamientos y 5 repeticiones por tratamiento. La cinética de ct degradación de las melazas fue obtenida por: D( t) = a + b(1 e ). Los parámetros se obtuvieron usando el procedimiento no lineal de SAS. La degradabilidad de la MS se calculó como: Deg = a + bc( c + 0,02), siendo 0,02min la tasa de desaparición de carbohidratos solubles. La degradabilidad de melazas y ph ruminal se sometieron a análisis de varianza no paramétrico usando modelo propuesto por Kruskal Wallis con 95% de significancia, y cuando hubo diferencias (p<0,05) se usó test de Conover. RESULTADOS Y DISCUSION La degradabilidad efectiva de las 3 melazas estudiadas se presenta en el Cuadro 1. Se observó que tanto la melaza de remolacha como la de paja de trigo, tienen similar degradabilidad efectiva, la melaza de eucaliptus es menor (p<0,05), pudiendo deberse a la presencia de sustancias solubles en éter que no son degradables ruminalmente (Fig. 1a). El ph ruminal desciende, tal como sucede

274 con cualquier carbohidrato soluble, sin diferencia estadística hasta los 30 minutos, luego disminuye marcadamente en el control (p<0,05) respecto de las otras dos melazas en estudio (Fig. 1b). La melaza de paja de trigo presenta un menor efecto en la disminución del ph ruminal que los otros alimentos en estudio. Sin embargo, el ph se mantuvo en rangos fisiológicamente adecuados para las melazas estudiadas. Cuadro 1. Características de degradación ruminal de materia seca (MS) de melazas de remolacha, eucaliptus y paja de trigo según modelo de Orskov y Mc Donald (1979). Melazas Características de la degradación Degradabilidad efectiva a b a+b c kd Dp 0,02m -1 0,05 m -1 0,08m -1 Remolacha 0, ,336 99,336 0,664 0,377 85,707 94,336 87,712 81,958 Eucaliptus 0,015 97,691 97,706 2,294 0,254 79,033 90,572 81,633 74,300 Paja 61,957 37,919 99,876 0,124 0,081 83,717 92,352 85,381 81,011 a, fracción rápidamente degradable; b, fracción potencialmente degradable con una tasa exponencial en declinación (e -ct ), c,fracción no degradable, kd, tasa de degradación de b Degradabilidad Ruminal (%) ph-r a Tiempo (min) b Tiempo (min) Eucaliptus Paja de Trigo Remolacha Figura 1. a) Valores predichos de degradación in situ para melazas b) Efecto de melazas sobre ph ruminal. CONCLUSION Las melazas de paja o madera de eucaliptus presentan una cinética de carbohidratos solubles similar a la de melaza de remolacha y con un menor impacto en el ph ruminal. Los resultados indican que nutricionalmente podrían ser utilizados como insumos en dietas para rumiantes. REFERENCIAS HETZ E., DE LA CERDA, LÓPEZ, Straw availability in the wheat stubbles of three Provinces of Chile, 2006, Agric. Téc, V66, Nº 4. Chillán. KHAM L., LE BIGOT Y., 2005, Delignification of wheat straw using mixture of carboxylic acids and peroxoacids, Vol. 21, pp: ORSKOV, E.R. Y I. MCDONALD The estimation of protein degradability in the rumen from incubation measurements weighted according to rate of passage. J. Agric. Sci. Camb. 92: ZHANG M., QI WEI, LIU R., et al, Fractionating lignocellulose by formic acid: characterization of major components, Biomass and Bioenergy, Vol. 34, pp :

275 Perfil de Proyecto "Desarrollo de tecnología para el procesamiento químico de paja de trigo" Alex Berg G. Tel: 56/41/ Fax: 56/41/ Internet: Coronel, Mayo 2013 UNIDAD DE DESARROLLO TECNOLÓGICO Av. Cordillera 2634,Parque Industrial Coronel Coronel Región del Bio-Bio Chile Fono (56-41) Fax (56-41)

276 ANTECEDENTES GENERALES El trigo es el principal cultivo agrícola en Chile, destinándose hectáreas anualmente para este fin. Junto al grano, se generar una cantidad importante de residuos, a la forma de paja (más de 1,5 millones de toneladas al año), la que queda distribuida en rastrojos en los campos de cultivo. Desgraciadamente no existe un uso comercial para este material residual y las condiciones climáticas del sur de Chile no permiten su incorporación en altas proporciones al suelo, si se desea mantener una rotación de cultivos anual. Por ello, más del 95% de la paja de trigo se quema mediante roces, causando serios problemas ambientales y de seguridad. Los resultados del proyecto FONDEF Desarrollo de productos comerciales a partir de paja de trigo plantean una alternativa, para usar la paja de trigo como fuente de celulosa, lignina y hemicelulosas, sus tres componentes principales. A diferencia del proceso de producción de celulosa convencional, el Proceso Kraft, el que se basa en el uso de una solución de súlfuro e hidróxido de sodio, el proceso propuesto solubiliza la lignina y hemicelulosas en ácidos carboxílicos de bajo peso molecular (ácidos acético y fórmico). Se demostró a nivel de laboratorio y piloto de pequeña escala y discontinuo que el proceso propuesto es técnicamente viable y relativamente simple de implementar. A diferencia de los procesos convencionales no se requieren aditivos inorgánicos, por lo que la presencia de altas concentraciones de silicatos y otros componentes inorgánicos en la paja de trigo no impiden su procesamiento; se puede operar a presión atmosférica, en contraste con el Proceso Kraft que requiere de digestores resistentes a altas presiones; la relación solvente/sólido puede ser baja, debido a las excelentes características de solubilidad de los ácidos carboxílicos empleados; y es factible obtener no sólo celulosa, sino también lignina y hemicelulosas, subproductos que deben ser quemados en el Proceso Kraft, para recuperar el azufre y sodio. Al mismo tiempo se caracterizó los tres productos obtenidos: celulosa, lignina y hemicelulosas y se evaluó su uso como componente de papel, matriz de un fertilizante ureico de liberación controlada y suplemento aditivo animal, respectivamente. Las tres aplicaciones fueron exitosas, superando las expectativas iniciales. Por tanto, el proceso permite procesar paja de trigo, lo que procesos convencionales de pulpaje no pueden realizar, y es posible obtener tres productos comerciales, en vez de uno. Durante el desarrollo del proyecto se pudo comprobar, sin embargo, que el proceso propuesto sólo puede aprovechar plenamente sus ventajas intrínsecas, si se le opera en forma continua y no discontinua. La razón principal es que las fibras de celulosa resultantes del tratamiento con ácidos carboxílicos retienen una gran cantidad de líquido (más de dos veces su masa), lo que UNIDAD DE DESARROLLO TECNOLÓGICO Av. Cordillera 2634,Parque Industrial Coronel Coronel Región del Bio-Bio Chile Fono (56-41) Fax (56-41) udt@udt.cl

277 obliga a adicionar etapas de extracción del material, para remover exhaustivamente la lignina y hemicelulosas disueltas. Por el contrario, si el proceso se realiza de manera continua y en contracorriente, es posible delignificar el material y retirar los compuestos solubilizados conjuntamente. Esta operación continua se puede materializar de manera mucho más simple que en los Procesos de pulpaje tradicionales, debido a que se puede operar a presión atmosférica. Otras ventajas relacionadas con una operación continua son: Un sistema de alimentación de la paja de trigo más simple (no se requiere un estanque de almacenamiento previo y un sistema de carga muy rápido); la calidad de los productos se ve favorecida (el tiempo medio de residencia de los componentes en el reactor es menor) y el volumen del extractor puede ser de menor volumen (ya que no existen tiempos muertos de carga y descarga). La alternativa continua, sin embargo, no puede implementarse a nivel industrial sin implementar la solución previamente a un nivel piloto. De hecho, si bien las ventajas mencionadas a este modo de operación mencionadas en el párrafo anterior son claras desde un punto vista tecnológico, también debe reconocerse una mayor complejidad técnica asociada: en especial debe considerarse: Sistemas de alimentación y descarga continuos del reactor. La necesidad de concebir una circulación forzada del material sólido a través del reactor. Requerimiento de sistemas de medición y control adecuados. La presente propuesta se aboca a enfrentar el desafío planteado OBJETIVOS Objetivo general Escalar el procesamiento químico de la paja de trigo, para el desarrollo de productos comerciales de alto interés, a una modalidad continua y, de esta manera, posibilitar su aplicación comercial. Objetivos específicos 1. Diseñar, construir y poner en marcha una planta piloto continua de procesamiento de paja de trigo. 2. Operar la planta piloto, superar problemas operacionales y producir celulosa, lignina y hemicelulosas en cantidades suficientes, para realizar ensayos de aplicación. 3. Definir y caracterizar el proceso de producción de celulosa, hemicelulosas y lignina partir de paja de trigo. 4. Caracterizar los productos, celulosa, hemicelulosas y lignina, y evaluar su aplicación comercial. 5. Capacitar al personal técnico y profesional, crear nuevas capacidades en el ámbito temático de interés y realizar acciones que faciliten y aceleren una transferencia exitosa de resultados. UNIDAD DE DESARROLLO TECNOLÓGICO Av. Cordillera 2634,Parque Industrial Coronel Coronel Región del Bio-Bio Chile Fono (56-41) Fax (56-41) udt@udt.cl

278 6. Realizar una evaluación técnica y económica y ambiental del proceso y plantear el diseño conceptual de una planta industrial incluyendo una estimación de la inversión y costos de operación. METODOLOGÍA La metodología constará de tres etapas que se desarrollarán de la siguiente manera: 1.- Diseño y construcción de la planta piloto. 1.1 Ingeniería conceptual: 1.2 Ingeniería Básica: 1.3 Ingeniería de detalle 2.- Puesta en marcha y operación de planta piloto. 2.1 Pruebas de funcionamiento de equipos 2.2 Funcionamiento dinámico de la planta piloto continua 2.3 Procedimiento de trabajo seguro (PTS) 2.4 Instructivo de operación 3. Operación: 3.1 Estudio de variables 3.2 Operación prolongada 3.2 Caracterización de productos EMPRESAS El perfil preliminar de las empresas asociadas es el siguiente: Empresa proveedora de la materia prima y productora de la tecnología: Avenatop S.A. PROPIEDAD INTELECTUAL Y USO DE LOS RESULTADOS Los beneficios obtenidos por la comercialización de los resultados, a la forma de regalías por licenciamiento, serán compartidos entre la Universidad y las empresas asociadas en forma proporcional con sus aportes. El uso de los resultados será prioritariamente para las empresas UNIDAD DE DESARROLLO TECNOLÓGICO Av. Cordillera 2634,Parque Industrial Coronel Coronel Región del Bio-Bio Chile Fono (56-41) Fax (56-41) udt@udt.cl

279 asociadas, aunque de común acuerdo se podrá acordar mecanismos, a través de los cuales terceros puedan acceder a ellos. Todas las empresas participantes tendrán acceso a la totalidad de los resultados generados durante el desarrollo del proyecto. FUENTE DE FINANCIAMIENTO El siguiente perfil se presentará al Primer concurso de Investigación Tecnológica 2013 Programa IDEA. El objetivo general del Programa IDeA es apoyar financieramente la ejecución de proyectos de investigación científica y tecnológica, con potencial impacto económico y/o social, cuyos resultados sean obtenidos y evaluados en plazos breves. El plazo de ejecución de los proyectos será de 24 meses. El monto máximo de subsidio a entregar por CONICYT será de hasta 70% del costo total del proyecto, con un límite máximo de 120 millones de pesos. Los proyectos deberán ser financiados a lo menos en un 10% de su costo total por las entidades beneficiarias del subsidio. Esta contribución al financiamiento podrá ser en aportes incrementales y no incrementales. Los proyectos deberán ser cofinanciados a lo menos en un 20% de su costo total por las empresas o entidades asociadas. Para el caso de los proyectos precompetitivos la totalidad de este aporte deberá ser incremental. Fecha de cierre postulaciones: 07 de Mayo de UNIDAD DE DESARROLLO TECNOLÓGICO Av. Cordillera 2634,Parque Industrial Coronel Coronel Región del Bio-Bio Chile Fono (56-41) Fax (56-41) udt@udt.cl

280 UNIVERSIDAD DE CONCEPCION FACULTAD DE AGRONOMIA EVALUACIÓN DE LA INCLUSIÓN DE MELAZA DE PAJA DE TRIGO EN REEMPLAZO DE MELAZA DE REMOLACHA EN ALIMENTACIÓN DE VACAS LECHERAS POR ERIKA DEL CARMEN FLORES SOTO. MEMORIA DE TÍTULO PRESENTADA A LA FACULTAD DE AGRONOMIA DE LA UNIVERSIDAD DE CONCEPCION PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO AGRÓNOMO. CHILLAN-CHILE 2012.

281 1 EVALUACIÓN DE LA INCLUSIÓN DE MELAZA DE PAJA DE TRIGO EN REEMPLAZO DE MELAZA DE REMOLACHA EN ALIMENTACIÓN DE VACAS LECHERAS EVALUATION OF THE INCLUSION OF WHEAT STRAW MOLASSES IN REPLACENMENT OF SUGAR BEET MOLASSSES ON FEEDING OF DAIRY COWS. Palabras índices adicionales: lactosa, hemicelulosa, insulina, sincronía. RESUMEN. La inclusión de melazas ha reportado variados efectos en el consumo voluntario de alimento y en la producción y calidad de leche. El objetivo de este ensayo cuantificar el efecto en la producción y calidad de leche al incorporar melaza de paja de trigo en la dieta. Se utilizaron 10 vacas lecheras de 553 ± 53,9 kg, con una producción de leche de 22 ± 2,7 kg d -1 las que se asignaron en 2 tratamientos. Los tratamientos fueron la inclusión de un 4% de melaza de remolacha (n = 5) y un 4% de melaza de paja de trigo (n = 5) del total de materia seca consumida. Los resultados mostraron que no hubo efecto en el consumo de materia seca, producción de leche, producción ajustada al 3,5% de materia grasa y por energía. El % de lactosa de la leche fue mayor para el tratamiento con melaza de paja de trigo (P < 0,05), los demás componentes de la leche no mostraron diferencias significativas. La producción de proteína láctea diaria tendió a ser mayor para el tratamiento con melaza de paja de trigo 0,85 kg d -1 vs 0,74 kg d -1 del tratamiento con melaza de remolacha. La glucosa, β- hidroxibutirato y urea sanguínea fue igual para los dos tratamientos, en cambio la insulina fue mayor al día 7 para el tratamiento con melaza de paja de trigo (P < 0,05). Con los resultados obtenidos, la melaza de paja de trigo sería una buena alternativa para ser utilizada como alimento energético en dietas de vacas lecheras.

282 2 SUMMARY. The inclusion of molasses has reported varied effects on voluntary feed intake and milk production and quality. The aim of this paper is quantify the effect on milk production and quality by incorporating wheat straw molasses in the diet. 10 milking cows were used of 553 ± 53.9 kg, with a milk production of 22 ± 2.7 kg d-1 which were assigned to two treatments. The treatments were the inclusion of a 4% sugar beet molasses (n = 5) and a 4% molasses wheat straw (n = 5) of total dry matter intake. The results showed no effect on dry matter intake, milk production, production to 3.5% fat and energy. The % lactose in milk was higher for treatment with wheat straw molasses (P < 0,05), the other components of milk showed no significant differences. The daily production of milk protein tended to be higher for treatment with wheat straw molasses 0.85 kg d-1 vs kg d-1 treatment with sugar beet molasses. Glucose, β-hydroxybutyrate and blood urea was similar for the two treatments, however insulin was higher at day 7 for treatment with wheat straw molasses (P< 0,05). With the results obtained, molasses wheat straw would be a good choice for use as food energy in diets of dairy cows. INTRODUCCIÓN La alimentación en los sistemas lecheros se basa en pasturas verdes (Eroni y Aregheore, 2006), en ensilajes de forrajes como maíz y alfalfa (Oelker et al., 2009), diversos granos como maíz, avena, triticale y cebada, además de subproductos agroindustriales tales como subproductos de la molinería y de la industria azucarera como las melazas (Eroni y Aregheore, 2006). Las melazas, son alimentos altamente energéticos, con un bajo contenido proteico, libre de grasas, fibra y con un elevado nivel de potasio (Eroni y Aregheore, 2006). Se caracterizan por su alto contenido de carbohidratos no estructurales solubles en agua, principalmente monosacáridos como glucosa, galactosa, sacarosa y fructosa (Oba, 2011), los que tienen una alta palatabilidad (Eroni y Aregheore, 2006). Estos azúcares son rápidamente fermentables en el rumen, lo que estimularía el consumo de materia seca del animal, además de producir una

283 3 disminución de la concentración de NH 3 y del ph ruminal por aumentos en la concentración de ácido láctico y en la concentración de butirato (Martel et al., 2011). Además de que la sacarosa presente en ellas podría ser una buena fuente energética, sin producir acidosis ruminal subaguda debido a la mejor digestión de la fibra (Mullins y Bradford, 2010). Debido a su alta fermentabilidad sería posible un mayor aprovechamiento de la proteína degradable en el rumen lo que posibilitaría un mayor desarrollo de la población microbiana supliendo así el aumento de los requerimientos de proteína metabolizable en lactancia (Broderick y Radloff, 2004). Por esta razón es que se plantea el uso de melazas en dietas de vacas de alta producción, ya que permiten aumentar el contenido energético de la dieta (Penner y Oba, 2009) además de que es posible reemplazar otros alimentos energéticos de mayor costo (Eroni y Aregheore, 2006). Varios estudios se han realizado en dietas de vacas lecheras en las que se ha probado diferentes cantidades de melazas, principalmente de caña de azúcar. El efecto en el consumo voluntario de alimento se vio incrementado conforme aumentó la cantidad de melaza presente en la dieta (Broderick y Radloff, 2004; Eroni y Aregheore, 2006). Sin embargo, en otros estudios no hubo efecto en el consumo de materia seca cuando se sustituyó el maíz grano por melaza (Martel et al., 2011). El efecto en la producción de leche también fue variable, con un 10% de inclusión de melazas en dietas basadas principalmente en forrajes verdes se incrementó la producción de leche (Eroni y Aregheore, 2006), pero con un 5% de melaza de caña de azúcar en reemplazo de maíz grano se presentó un nulo efecto en la producción (Martel et al., 2011). En relación a la calidad de la leche producida al incorporar melazas de caña de azúcar en la dietas existen estudios que demuestran un incremento en el contenido de materia grasa secretado al aumentar la cantidad de melaza en la dieta (Broderick y Radloff, 2004; Martel et al., 2011), al igual que la concentración de lactosa (Oelker et al., 2009), en tanto el contenido de proteína presente en la leche disminuye (Oelker et al., 2009; Martel et al., 2011). Lo anterior refleja la importancia de disponer de un alimento altamente energético de rápida fermentabilidad y de menor costo que los granos, tales como el maíz, para ser incorporado en dietas de vacas lecheras, sin que se

284 4 vea mermada la producción láctea y la cantidad de sólidos totales presentes en la leche. La disminución en el contenido de proteína de la leche, se puede deber a la asincronía en la degradabilidad de la proteína y la fermentabilidad de los carbohidratos en el rumen. La importancia de lograr esta sincronía, es que se optimiza la síntesis de proteína microbiana al incorporar melazas y alimentos proteicos de rápida degradabilidad como el ensilaje de alfalfa (Broderick et al., 2008; Oelker et al., 2009), lo que permite aumentar el contenido de proteína de la leche (Hristov y Ropp, 2003). La otra opción para lograr esta sincronía es con el uso de granos como el maíz. Estudios demuestran que al utilizar maíz como alimento energético y aumentar la proteína rápidamente degradable en el rumen se logra un incremento en la producción y porcentaje de proteína de la leche (Hall et al., 2010), pero incurriendo en mayores costos de alimentación (Martel et al., 2011). El contenido de monosacáridos altamente fermentables en el rumen varía según el origen de la melaza, encontrándose en menor o mayor proporción diferentes concentraciones de glucosa o sacarosa, teniendo en consecuencia un efecto distinto en la producción de leche por las variaciones en su degradabilidad (Oba, 2011). Al incorporar cantidades crecientes de sacarosa en la dieta se logra un incremento en el porcentaje de materia grasa y proteína (Penner et al., 2009) al igual que el contenido de lactosa (Penner y Oba, 2009). También existen diferencias productivas al variar la concentración de almidón y sacarosa en la dieta. Estudios revelan que existe un incremento en la cantidad de materia grasa producida conforme disminuye el almidón y se incrementa el contenido de sacarosa (Broderick et al., 2008). Esto se puede deber a que el almidón es un carbohidrato insoluble en agua y de estructura más compleja que la sacarosa, por lo que su degradabilidad sería más lenta (Oba, 2011), lo que ocurriría al incorporar granos, los cuales poseen un elevado contenido de almidón en relación a azúcares simples. El efecto de la incorporación de carbohidratos no estructurales en la dieta de vacas lecheras no sólo tiene incidencia en la producción y calidad de la leche sino también en el animal, al incorporar niveles crecientes de melazas se logra un incremento en la condición corporal (Eroni y Aregheore, 2006), y en la

285 5 ganancia de peso diaria (Penner et al., 2009). Sin embargo, en otros estudios no mostraron diferencias en la eficiencia alimenticia, condición corporal y ganancia de peso (Oelker et al., 2009). Al incorporar carbohidratos rápidamente fermentables a la dieta se modifican algunos parámetros sanguíneos. Si aumenta el porcentaje de sacarosa en la dieta disminuye la concentración de glucosa en la sangre, la concentración de β- hidroxibutirato se incrementa y la concentración de insulina no se ve afectada (Penner y Oba, 2009). La concentración de β- hidroxibutirato en la sangre indica la ocurrencia de cetosis, enfermedad metabólica que se produce por la acumulación de cuerpos cetónicos en la sangre como β- hidroxibutirato (DeFrain et al., 2006). Por otro lado estudios demuestran que al incorporar melazas más sacarosa en la dieta se ve elevada la concentración de glucosa e insulina en la sangre (Hall et al., 2010). Existe una relación en el incremento de la concentración de azúcares simples en la dieta y la producción de butirato a nivel ruminal (DeFrain et al., 2004). Al incrementarse el nivel de butirato en el rumen se incrementa la concentración de β- hidroxibutirato, disminuye la glucosa sanguínea, pero sin afectar la concentración de insulina (DeFrain et al., 2004; DeFrain et al., 2006). La relación entre el β- hidroxibutirato y la glucosa sanguínea no ha sido ampliamente estudiada, pero se plantea que β- hidroxibutirato podría aumentar la gluconeogénesis en el hígado (DeFrain et al., 2006). Lo que sí está ampliamente estudiado es la relación entre el incremento de la concentración de β- hidroxibutirato y el aumento en el contenido de grasa de la leche (DeFrain et al., 2006). Se plantea que el β- hidroxibutirato contribuiría a una mayor síntesis de ácidos grasos en la glándula mamaria, por lo que habría un incremento en la secreción de grasa en la leche cuando se alimenta al ganado lechero con un mayor contenido de azúcares rápidamente degradables en el rumen (DeFrain et al., 2006). En el país actualmente se dispone de melaza de remolacha, como alimento energético de bajo costo, pero cuya producción es estacional durante el año y localizada principalmente en la región del Biobío, lo que no es coincidente con el mayor número de animales de aptitud lechera del país (Instituto Nacional de

286 6 Estadística, 2007). Debido a lo anterior es necesaria la búsqueda de nuevas fuentes energéticas de bajo costo, de manera que aparece como alternativa el uso de melazas de paja de trigo como subproducto de la industria de la celulosa. Cabe destacar también que este cereal es ampliamente cultivado en el país, siendo la paja un residuo de difícil manejo debido al gran volumen producido. La principal alternativa que incurren los agricultores dedicados a la producción de este cereal es la quema de los residuos, con las desventajas que esto ocasiona. Sumado a esto estudios sin publicar demuestran que el uso de estas melazas no disminuye el ph ruminal a niveles críticos que pudieran desencadenar en cuadros de acidosis ruminal, como ocurre con otros carbohidratos rápidamente fermentables. En la actualidad no se disponen de estudios que demuestren el efecto en la producción y calidad de leche al incorporar melazas de paja de trigo como alimento energético, por lo que el objetivo de este estudio es cuantificar el efecto en la producción calidad de la leche y parámetros metabólicos tales como glucosa, insulina, β hidroxibutirato y urea al incorporar melaza de paja de trigo en dietas de vacas lecheras. MATERIALES Y MÉTODOS. El ensayo se llevó a cabo en la Estación Experimental Marcelo Tima Péndola, perteneciente a la Facultad de Agronomía de la Universidad de Concepción, Ubicada en el sector de Quinquehua a 25 Km de Chillán, Región del Bio-Bio, Chile. El ensayo tuvo una duración de 21 días. Diseño experimental Se utilizaron 10 vacas Holstein (n = 10) de tercer y cuarto parto en su cuarto mes de lactancia, cuyo peso promedio es de 553,6 ± 53,9 kg. con una producción lechera de 22 ± 2,7 litros día -1 las que fueron estabuladas individualmente. Los animales fueron pesados al comienzo del estudio y posteriormente cada 7 días con la finalidad de registrar las variaciones en el peso vivo. Se realizaron 2 tratamientos (n = 5), el primero consistió en la incorporación de un 4 % de melaza de paja de trigo teniendo como tratamiento control la inclusión de un 4 % de melaza de remolacha como ingrediente convencional. Las hembras fueron

287 7 alimentadas con una dieta fija isoenergética e isoproteíca para ambos tratamientos de 18 ± 0,5 Kg. de materia seca, la que se repartió en 2 raciones una después de cada ordeña en un régimen de 40:60, el rechazo de alimento fue retirado y pesado antes de la alimentación matutina a las 7:30 horas. Además se dispuso de agua a libre demanda. Para que ambas dietas fueran isoproteicas se adicionó 2,6 gr kg -1 de materia seca de urea (46% N) a la dieta con melaza de paja de trigo. Tabla 1. Composición de la dieta. Ingrediente gr kg -1 MS T1 = 4% melaza de remolacha. T2 = 4% melaza paja de trigo. Ensilaje de maíz Heno ballica -trébol Pellet girasol Maíz grano húmedo Melaza remolacha 40 0 Melaza paja de trigo 0 40 Composición química (%) Materia seca 61,47 63,98 Proteína cruda 13,89 14,04 Proteína verdadera 11,76 11,53 Proteína soluble 5,1 2,78 Nitrógeno no proteico 2,13 2,51 Fibra cruda 20,61 17,95 FDN 52,99 42,87 FDA 25,15 21,85 NFC 2 25,73 35,78 Extracto etéreo 2,07 2,07 Energía metabolizable (Mcal kg -1 ) 2,45 2,54 Cenizas 5,32 5,24 Ambas dietas contienen 150 gramos de sales minerales (Cran mix Prolac L.) Composición química de sales: 120 gr kg -1 Ca, 30 gr kg -1 P, 60 gr kg -1 Mg, 90 gr kg -1 Na, 130 gr kg -1 Cl, 20 gr kg -1 S, 18 gr kg -1 Levaduras, 16 mg kg -1 Co, 20 mg kg -1 Se, 2560 mg kg -1 Mn, 3270 mg kg -1 Zn, 815 mg kg -1 Cu, 40 mg kg -1 I. 2 NFC = 100-(%PC+ %FDN + % extracto etéreo + % cenizas totales) La ordeña se realizó dos veces por día a las 06:45 am y pm. registrándose ambas producciones lácteas individuales. La eficiencia de alimentación fue calculada dividiendo la producción de leche diaria, la producción de leche ajustada al 3,5% de materia grasa, producción ajustada por energía y producción ajustada por sólidos por el consumo diario de materia seca (Broderick

288 8 et al., 2008). Al inicio, día 7, día 14 del ensayo se tomaron muestras de leche por vaca individual de cada ordeña para el análisis de la concentración de proteína, materia grasa, lactosa, sólidos totales, sólidos no grasos y urea. Estas muestras fueron analizadas mediante espectroscopia infrarroja (Instrumento Milkoscan 4000) en el Laboratorio de Calidad de Leche perteneciente a INIA Carillanca (Temuco, Chile). Adicionalmente se tomaron muestras de sangre de la vena coccígea al inicio, día 7, y final del ensayo para cuantificar las variaciones en la concentración de glucosa la que se depositó en tubos Vacutainer con Fluoruro de Sodio (BD Franklin Lakes, NJ USA). Para la determinación de β- hidroxibutirato y urea se depositó 4ml de sangre en tubos Vacutainer con heparina de sodio (BD Franklin Lakes, NJ USA) y en tubos Vacutainer sin anticoagulante para insulina. Todas las muestras fueron mantenidas en frío para posteriormente ser centrifugadas a 2500 x g x 10 min. El suero resultante fue congelado a -20 C hasta su análisis. El análisis de glucosa se realizó mediante el kit comercial glicemia enzimática (Wiener Lab.) en el Laboratorio de Ciencias Clínicas de la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad de Concepción. La concentración de β hidroxibutirato y urea se cuantificó mediante espectrofotometría (Metrolab 2300). Ambos análisis se realizaron en el Laboratorio de Patología Clínica de la Universidad Austral de Chile. La determinación de Insulina se realizó en el Laboratorio especializado Vetlab mediante un Kit imunoenzimático (ELISA) Análisis químico de las dietas La composición química de la dieta completa y el tratamiento ofrecido a los animales se analizó en el laboratorio de Nutrición Animal, Departamento de Producción Animal, Facultad de Agronomía, Universidad de Concepción. Se determinó el porcentaje de materia seca (MS) secando las muestras a 105 C por 12 horas (Bateman, 1970; Schmidt, 1981; Pearson, 1999). La materia orgánica se calculó por diferencia entre el contendido de materia seca y las cenizas. Las cenizas se determinaron calcinando la muestra en una mufla por 5 horas a 550 C AOAC (1996; método ). La proteína, extracto etéreo y extracto no nitrogenado se determinaron mediante el método AOAC (1996; método ).

289 9 La fibra detergente neutro y fibra detergente ácida fue determinada según el método de Van Soest (1991). La caracterización de los azúcares presentes en las melazas y las dietas se determinaron en la Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) perteneciente a la Universidad de Concepción. Tabla 2. Composición química de melazas. Composición química (%) Melaza paja de trigo Melaza de remolacha Materia seca Proteína cruda 1,27 7,97 Extracto no nitrogenado 69,8 37,48 Energía metabolizable (Mcal -1 kg MS) 1,07 1,95 Cenizas totales 2,41 9,26 Composición azúcares (g kg -1.) Glucosa 64,7 199,4 Manosa 88,8 18,8 Galactosa 36 9,9 Arabinosa 125,3 12,2 Xylosa 191,5 5,1 Diseño experimental y análisis estadístico Se utilizó un diseño de bloques al azar, aleatorizando según peso vivo y fecha de parición de la vaca. Se asignaron las vacas en 2 tratamientos con 5 repeticiones cada uno. Estos son 4 % de inclusión de melaza de remolacha (n = 5) y 4% de melaza de paja de trigo (n = 5). Para el análisis de datos se utilizó el programa Infostat, para establecer las diferencias significativas entre los parámetros en estudio se utilizó la prueba estadística de U Mann Whitney para dos muestras independientes, se establecieron diferencias significativas cuando P< 0,05 y se consideró una tendencia cuando P<0,1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Consumo de materia seca y producción de leche El consumo de materia seca no se vio afectado por el tratamiento. El consumo de materia seca para el tratamiento con melaza de remolacha en promedio fue de

290 10 16,53 kg d -1 y para el tratamiento con melaza de paja de trigo fue de 16,72 kg d -1 en promedio para todo el ensayo (Tabla 3). En un estudio en el que se utilizó un 2,6% de melaza de caña de azúcar en dietas basadas en ensilaje de maíz el consumo voluntario de materia seca fue de 22,6 kg d -1 con vacas de 646 kg de peso y no existió diferencia al reemplazar el ensilaje de maíz por ensilaje de alfalfa (Oelker et al., 2009). Con la inclusión de un 3% de melaza de caña de azúcar en reemplazo de maíz grano se logra el mayor consumo de materia seca (Broderick y Radloff, 2004), en tanto al incluir un 9,1% de melazas secas en la dieta no existe diferencia significativa en el consumo de alimento con la no inclusión de éstas (Hristov y Ropp, 2003). Otros resultados indican que al incluir cantidades crecientes de melaza seca en la dieta se maximiza el consumo voluntario con un 8% (Broderick y Radloff, 2004). Los resultados antes expuestos indican que la concentración ideal de azúcares rápidamente fermentables es de un 5% del total de la dieta (Broderick y Radloff, 2004). Se ha señalado que el impacto de incluir melazas en la dieta de vacas lecheras es el incremento en el consumo de materia seca por la palatabilidad que estas presentan por la gran cantidad de azúcares solubles que contienen (Eroni y Aregheore, 2006; Penner y Oba, 2009). Cabe señalar que las melazas utilizadas en este ensayo tienen diferente composición de azúcares, la melaza de remolacha tiene 245,4 gr de azucares por kilo de materia seca, siendo su principal componente la sacarosa en un 81,2%, en cambio la melaza de paja de trigo posee 506,1 gr por kilo de materia seca de los cuales un 62,6 % los representa la arabinosa y xylosa. La melaza de remolacha posee una elevada cantidad de pectinas aproximadamente 250 g kg -1 de materia seca, estas pectinas tienen una degradabilidad más rápida que la hemicelulosa (Mojtahedi y Danesh Mesgaran 2011), porción de la pared celular de donde se obtuvo la melaza de paja de trigo. La producción de leche, producción ajustada al 3,5% de materia grasa, producción corregida por energía y sólidos totales no se vio afectada por los tratamientos en ninguna de las tres etapas de evaluación P>0,05 (Tabla 3). Lo que es concordante con lo encontrado en otros estudios, en donde se incremento el % de inclusión de melazas en reemplazo del maíz grano, no evidenciando un efecto

291 11 en la producción de leche ajustada al 3,5% de materia grasa, ajustada por energía y por sólidos (Gehman et al., 2006; Martel et al., 2011). Caso similar ocurre cuando se aplicaron 2 concentraciones de azúcares 4,5 % y 8,7% en la dieta (Penner y Oba, 2009). Tabla 3 Efecto del reemplazo de melaza de remolacha por melaza de paja de trigo en consumo de materia seca y producción de leche. Etapa Melaza de Melaza de Valor P remolacha paja de trigo Inicial 15,85 ± 1,66 16,9 ± 0,73 0,420 Consumo de Materia seca 1 semana 16,62 ± 1,09 16,24 ± 1,35 0,841 (kg d -1 ) 1 Final 17,12 ± 1,16 17,02 ± 0,86 0,841 Producción de leche (kg d -1 ) Eficiencia alimenticia 3,5% LCMG 2 (kg d -1 ) 3,5%LCMG/CMS LCE 3 (kg d -1 ) LCE/CMS LCS 4 (kg d -1 ) LCS/CMS Inicial 21,2 ± 2,28 22,94 ± 3,06 0,547 1 semana 20,88 ± 1,59 23,16 ± 3,35 0,547 Final 22,77± 2,15 25,9 ± 3,77 0,150 Inicial 1,34 ± 0,07 1,36 ± 0,18 0,881 1 semana 1,26 ± 0,11 1,43 ± 0,18 0,095 Final 1,33 ± 0,09 1,52 ± 0,2 0,055 Inicial 25,82 ± 3,59 27,55 ± 3,77 0,690 1 semana 25,8 ± 3,21 26,34 ± 2,58 0,841 Final 27,29 ± 3,1 29,15 ± 3,06 0,547 Inicial 1,63 ± 0,11 1,63 ± 0,22 0,690 1 semana 1,55 ± 0,16 1,62 ± 0,1 0,690 Final 1,60 ± 0,2 1,71 ± 0,15 0,690 Inicial 25,27 ± 3,43 26,93 ± 3,78 0,690 1 semana 25,28 ± 3,0 26,28 ± 2,43 0,690 Final 26,95 ±3,1 29,7 ± 2,99 0,309 Inicial 1,59 ± 0,09 1,59 ± 0,21 0,841 1 semana 1,52 ± 0,15 1,62 ± 0,09 0,547 Final 1,58 ± 0,19 1,75 ± 0,17 0,309 Inicial 23,05 ± 3,33 25,08 ± 3,25 0,547 1 semana 23,16 ± 3,02 24,25 ± 2,37 0,690 Final 24,44 ± 2,83 26,99 ± 2,7 0,309 Inicial 1,45 ± 0,08 1,48 ± 0,19 0,999 1 semana 1,39 ± 0,14 1,49 ± 0,09 0,309 Final 1,43 ± 0,17 1,59 ± 0,13 0,309 1 Consumo de materia seca = CMS. 2 3,5% LCMG = 3,5% producción ajustada al 3,5% de materia grasa = 0,43x producción diaria+ 16,216 x producción de materia grasa diaria. (Tyrrell y Reid, 1965) 3 LCE= producción ajustada por energía = 0,327 x producción diaria + 12,86 x producción de materia grasa diaria + 7,65 x producción de proteína diaria. (Tyrrell y Reid, 1965) 4 LCS = producción ajustada por sólidos (Kgdía -1 ) = 12,3 producción de materia grasa diaria + 6,56 x producción de sólidos no grasos 0,0752 x producción diaria. (Tyrrell y Reid, 1965). Si bien existió un aumento de la producción de leche en este estudio al

292 12 comparar la etapa inicial y final de 2,96 litros en el tratamiento con melaza de paja de trigo y de 1,52 litros para el tratamiento con melaza de remolacha, esto se puede explicar porque la dieta que contenía melaza de paja de trigo tenía una concentración mayor de carbohidratos no fibrosos, los cuales aumentan la producción de leche (Cherney et al., 2003), además de que los animales utilizaron la energía consumida principalmente para producción de leche y en una menor proporción para ganancia de peso vivo, dado que las vacas que consumieron melaza de paja de trigo tuvieron una ganancia de peso vivo de 200 g d -1 inferior a las vacas que consumieron melaza de remolacha. La eficiencia de alimentación se incrementó para los animales que consumieron melaza de paja de trigo, a la primera semana para el tratamiento con melaza de remolacha fue de 1,26 y para el tratamiento con melaza de paja de trigo fue de 1,43 (P < 0,1). Durante la segunda semana de estudio para el tratamiento con melaza remolacha fue de 1,33 y para el tratamiento con melaza de paja de trigo de 1,52 (P < 0,1). Resultados similares a los de este estudio se lograron cuando se utilizaron melazas y cebada grano como alimento energético en donde la eficiencia alimenticia fue de 1,33 (Gehman et al., 2006), y a lo encontrado cuando se reemplaza el almidón proveniente del maíz grano por sacarosa en donde la eficiencia alimenticia ajustada al 3,5% de materia grasa fue de 1,63 Broderick et al., 2009) y de 1,64 cuando se utiliza un 3% de melazas líquidas (Broderick y Radloff, 2004). La eficiencia ajustada por energía fue igual para ambos tratamientos en la etapa inicial cuyo valor fue de 1,59 kilos de leche por kilo de materia seca de alimento consumido, durante las 2 semanas de evaluación esta se incrementó para el tratamiento con melaza de paja de trigo, debido a que hubo una mayor producción de leche y un aumento en la producción de proteína, pero no evidenciando una diferencia significativa con el tratamiento que contenía melaza de remolacha (Tabla 3). La eficiencia corregida por sólidos de la leche fue igual para ambos tratamientos (P > 0,1). Siendo mayor en comparación con lo encontrado en otros estudios en donde se lograron valores de 1,33 con la inclusión de un 5% de melaza de caña de azúcar (Martel et al., 2011) y de 1,52

293 13 con la inclusión de 7,1% de melaza (Hall et al., 2010). La eficiencia alimenticia corregida por sólidos también fue mayor en este ensayo para ambos tratamientos respecto a otros estudios en los que se logró una eficiencia de 1,55 (Broderick et al., 2009). Esto se debe a que la concentración de materia grasa fue mayor para ambos tratamientos con respecto a otros estudios, lo que se explica por e el merito genético de las vacas utilizadas, investigaciones anteriores demuestran que animales más puros genéticamente tienen mayores producciones de leche, pero con una concentración de proteína y materia grasa en la leche inferior a animales de menor mérito genético como es el caso las vacas utilizadas en este ensayo (Kennedy et al., 2003). Tabla 4. Efecto en la ganancia de peso vivo de la inclusión de un 4% de melaza de remolacha y 4% de melaza de paja de trigo en la dieta de vacas lecheras. Melaza de Melaza de Valor P remolacha paja de trigo Peso vivo inicial Peso vivo final 550, Ganancia de peso vivo diaria (Kgdía -1 ) 0,34 0,14 0,730 Ganancia de peso por unidad de peso 0,05 0,02 0,690 metabólico (kgdía -1 )* * (Peso vivo final peso vivo inicial) 0,75 / 14 días. La ganancia de peso vivo diaria no evidenció diferencia significativa para ambos tratamientos. El tratamiento con melaza de remolacha de tuvo una ganancia de peso de 0,34 kg d -1 y el tratamiento con melaza de paja de trigo de 0,14 kg d -1. Al calcular la ganancia de peso vivo diaria por unidad de peso metabólico no existió diferencia para los tratamientos. Estos resultados son bajos en comparación con lo que se encontró cuando se utilizó un 2,8 % y un 5,7 % de sacarosa en la dieta en donde la ganancia de peso fue de 0,57 kg d -1 y de 1,1 kg d -1 respectivamente en una dieta que incorporaba alfalfa, ensilaje de cebada, cebada grano, maíz, arvejas y gluten de maíz (Penner et al., 2009). En cambio otros ensayos indican ganancias de peso inferiores de 0,4 kg d -1 con un 5 % de sacarosa, ensilaje de alfalfa, ensilaje de maíz, maíz, almidón de maíz y harina de soya ingredientes similares a los de este estudio (Broderick et al., 2008).

294 14 Composición de leche En la etapa inicial y primera semana de estudio no existió diferencia para ambos tratamientos en el % de materia grasa, proteína, lactosa, sólidos totales, sólidos no grasos y urea de la leche (Tabla 5). En la etapa final el contenido de lactosa fue significativamente mayor para el tratamiento con melaza de paja de trigo (P <0,05). En esta fase para el tratamiento con melaza de remolacha fue de 4,52% y para el tratamiento con melaza de paja de trigo de 4,87%. En otros ensayos rse encontraron contenidos similares de lactosa láctea (4,7%) con la inclusión de un 5% de melaza en la dieta (Martel et al., 2011) y de 4,67 % con la inclusión de 2,6% de melaza en una dieta basada en ensilaje de alfalfa (Oelker et al., 2009). El incremento en el contenido de lactosa al utilizar melazas de paja de trigo se puede deber a que la proporción de CNF (carbohidratos no fibrosos) de la dieta fue mayor que la dieta con melaza de remolacha, en aproximadamente un 10 %, lo que se ratifica con lo encontrado en un estudio en el que se aumenta la proporción de CNF en un 5,7% generando un incremento de un 0,07 % en la lactosa láctea (Cherney et al., 2003). Otra posible explicación del incremento en el contenido de lactosa en la leche de las vacas alimentadas con melaza de paja de trigo es que exista un incremento en la producción de propionato a nivel ruminal, el que es precursor de la glucosa y consecuentemente aumenta la síntesis de lactosa en la glándula mamaria (Golombeski et al., 2006). Si bien es cierto en este ensayo no se midió la producción de ácidos grasos volátiles en el rumen, el incremento de propionato se puede verificar con el incremento en la insulina sanguínea (Van Knegsel et al., 2007c), resultados que se muestran en la tabla 6 y que se discutirán posteriormente. Cabe destacar también que este incrementó en el contenido de lactosa pudo generar el incremento en la cantidad de leche producida diariamente por el tratamiento con melaza de paja de trigo, debido a que la lactosa es el principal osmoregulador en la glándula mamaria y consecuentemente de la producción de leche (Golombeski et al., 2006). Además el contenido de lactosa en la leche es el constituyente de más difícil manipulación con cambios en la dieta (Jenkins y McGuire, 2006). En general, los resultados de este ensayo indican mayores contenidos de

295 15 materia grasa en relación a lo reportado por otros estudios, en los cuales el contenido de materia grasa fue de 3,26% con un 8,8 % de inclusión de melaza (Gehman et al., 2006) y de 3,45% al incluir un 7,1% de melaza (Hall et al., 2011). En este ensayo para la etapa final el contenido de materia grasa para el tratamiento con melaza de remolacha fue de 4,72% y para el tratamiento con melaza de paja de trigo de 4,3%, valores similares a lo encontrado cuando de incluyó un 8,6% de azúcares fermentables en donde el contenido de materia grasa de la leche fue de 4,51% (Golombeski et al., 2006). La mayor concentración de materia grasa secretado en las vacas alimentadas con melaza de remolacha se debe a que estas melazas contienen principalmente pectinas cuya fermentación en el rumen disminuye la producción de propionato y lactato (Penner y Oba, 2009) y aumenta el acetato y butirato lo que permite que aumente la materia grasa en la leche (Van Knegsel et al., 2007a) por lo que se considera que las melazas de remolacha son un ingrediente lipogénico (Mahjoubi et al., 2009). Cabe señalar que las melazas de remolacha también poseen una alta concentración de azúcares simples como la sacarosa cuya inclusión permite fundamentalmente un incremento del porcentaje de materia grasa mas qué de otro componente de la leche (Penner y Oba, 2009). El contenido de proteína de este ensayo para los dos tratamientos se mantuvo dentro de los niveles reportados por otros investigadores con la inclusión de melazas en la dieta, al utilizar un 2,5% de melaza la concentración de proteína en leche fue de 3,32% (Martel et al., 2011) y con la inclusión de un 9,1% de melaza el contenido de proteína fue de 3,35% (Hristov y Ropp, 2003), sin embargo en otros estudios se muestran menores contenidos de proteína al incluir un 7,1% de melaza el contenido de proteína fue de 2,7 % (Hall et al., 2011), y de 2,77 con la inclusión de un 8,8 % de melazas más cebada grano (Gehman et al., 2006). La diferencia en el contenido de proteína en leche puede deberse a la fuente energética y proteica. En el caso de los mayores contenidos de proteína en leche los alimentos usados son ensilajes de alfalfa y afrecho de soya como alimento proteico y maíz grano y melazas como alimento energético. Se ha señalado el ensilaje de alfalfa es una buena fuente de nitrógeno no proteico (Broderick et al,

296 ) el que se degrada rápidamente en el rumen y que en conjunto con los carbohidratos de las melazas podría aumentar la síntesis de proteína microbiana y en consecuencia aumentar la síntesis de proteína láctea (Broderick y Radloff, 2004; Broderick et al., 2009), siempre y cuando no se exceda la concentración de azúcar (Firkins et al., 2008), debido a que si hay un exceso de azúcares en la dieta se limita la producción de leche (Broderick y Radloff, 2004). Tabla 5. Efecto de la sustitución de melaza de paja de trigo por melaza de remolacha en la composición química de la leche. Etapa Melaza de Melaza de Valor P remolacha paja de trigo Inicial 4,81 ± 0,27 4,73 ± 0,31 0,690 % Materia grasa 1 semana 4,92 ± 0,48 4,38 ± 0,47 0,285 Final 4,72 ± 0,65 4,30 ± 0,48 0,309 Inicial 1,02 ± 0,16 1,08 ± 0,16 0,841 Materia grasa producida (kg d -1 1 semana 1,03 ± 0,16 1,00 ± 0,09 0,999 ) Final 1,07 ± 0,16 1,10 ± 0,11 0,999 Inicial 3,16 ± 0,17 3,28 ± 0,25 0,420 % Proteína 1 semana 3,23 ± 0,17 3,29 ± 0,34 0,547 Proteína diaria producida (kg d -1 ) % Lactosa Lactosa diaria producida (kg d -1 ) %Sólidos totales %Sólidos no grasos Urea (mg dl -1 ) Final 3,26 ± 0,17 3,33 ± 0,36 0,547 Inicial 0,67 ± 0,09 0,75 ± 0,13 0,309 1 semana 0,68 ± 0,08 0,76 ± 0,08 0,309 Final 0,74 ± 0,11 0,85 ± 0,09 0,087 Inicial 4,60 ± 0,31 4,81 ± 0,13 0,309 1 semana 4,66 ± 0,28 4,81 ± 0,11 0,222 Final 4,52 ± 0,19 4,87 ± 0,07 0,007 Inicial 0,98 ± 0,15 1,10 ± 0,16 0,150 1 semana 0,97 ± 0,11 1,12 ± 0,18 0,222 Final 1,03 ± 0,12 1,26 ± 0,2 0,055 Inicial 13,71 ± 0,58 13,94 ± 0,49 0,420 1 semana 13,96 ± 0,79 13,61 ± 0,73 0,730 Final 13,62 ± 0,58 13,60 ± 0,68 0,998 Inicial 8,65 ± 0,41 8,96 ± 0,32 0,198 1 semana 8,78 ± 0,37 9,00 ± 0,31 0,690 Final 8,65 ± 0,26 9,06 ± 0,35 0,150 Inicial 26,6 ± 6,72 19,9 ± 3,17 0,174 1 semana 30 ± 6,88 27,5 ± 2,72 0,309 Final 29,9 ± 6,28 23,5 ± 2,92 0,166 El contenido de sólidos totales y sólidos no grasos no mostró diferencias significativas durante todo el ensayo (Tabla 5). El porcentaje de sólidos totales en

297 17 el caso del tratamiento con melaza de remolacha fue en promedio de 13,76% y de 13,71%, para el tratamiento con melaza de paja de trigo. El contenido de sólidos no grasos para el tratamiento con melaza de remolacha fue de 8,69% y para el tratamiento con melaza de paja de trigo de 9 %, valores similares a lo encontrado por Broderick y Radloff (2004) de 9,03% con la inclusión de 3% de melaza líquida y de 8,84% con la inclusión de un 6% de melaza líquida. En el caso de la urea de la leche no existieron diferencias significativas en ninguna de las tres etapas. Los valores de urea en la leche encontrados en este ensayo son más altos que para las otras investigaciones, se encontraron 13,2 mg dl -1 de urea con la inclusión de 8,6% de azúcares fermentables y 10,3 mg dl -1 al utilizar un 9% de melazas líquidas (Broderick y Radloff, 2004). La concentración de urea en leche es dependiente de la producción de leche, el contenido de proteína y materia grasa de la leche, pero fundamentalmente de la proteína y energía contenida en la dieta (Jonker et al., 1999). Mayores valores de urea se encuentran en animales alimentados con un exceso de proteína, en este caso la proteína metabolizable fue de 1,28 kg d -1 y el requerimiento proteico para mantención es de 0,43 kg d -1 para ambos tratamientos, por lo que para producción de proteína láctea habrían 0,85 kg d -1 lo que corresponde a la producción de proteína diaria del tratamiento con melaza de paja de trigo, en el caso del tratamiento con melaza de remolacha hay un excedente de 0,11 kg d -1 lo que justifica que este tratamiento presente 6,4 mg dl -1 más de urea en la leche. Respecto de la energía, esta si pudo ser limitante para el tratamiento con melaza de paja de trigo más que para el tratamiento con melaza de remolacha, porque la energía metabolizable consumida fue igual para ambos tratamientos (Tabla 7), pero este grupo de animales tuvo una producción mayor de leche. Al proporcionar una dieta con un déficit de energía se limita la producción diaria de leche y con esto la cantidad de proteína producida, por lo que se incrementa la urea en leche debido a que a nivel ruminal hay un exceso de amonio el que es transformado a urea en el hígado, la urea es una molécula que tiene rápida difusión en las membranas y sangre, lo que permite que se secrete por la glándula mamaria en la leche (Jonker et al., 1999). Como es el caso del estudio realizado Khakili y

298 18 Sairanen (2000) en donde la energía de la dieta que contenía melaza de remolacha era limitante y el valor de urea láctea fue de 37,6 mg dl -1. Cabe señalar que valores mayores a 20 mg dl -1 de urea láctea podrían generar problemas reproductivos en las vacas (Gehman et al., 2006). Respecto de la producción diaria de materia grasa no existió diferencia entre ambos tratamientos durante el estudio (Tabla 5). Valores similares a los encontrados por Golombeski et al (2006) cuando se incorporaron 8,6 % de azúcares fermentables en donde hubo una producción diaria de 1,12 kg d -1 y con un 5% de melaza en la dieta se logran producciones de materia grasa de 1,05 kg d -1 (Martel et al., 2011), otros estudios señalan mayores producciones diarias de materia grasa, lo que se produce por una mayor producción de leche en relación a este ensayo, debido al mayor potencial genético y productivo de las vacas. La producción de proteína diaria no mostró diferencias en la etapa inicial y primera semana de ensayo (P > 0,05). En la etapa final en cambio tendió a ser mayor para el tratamiento con melaza de paja de trigo (P < 0,1). Uno de los argumentos del incremento de la proteína diaria de este tratamiento se debe al incremento en la producción de leche que si bien no fue significativamente mayor para la etapa final, la producción aumento en 2,96 kg d -1 respecto a la etapa inicial. Otro factor es la sincronía de la disponibilidad de la fuente energética y proteica, con la inclusión de carbohidratos rápidamente fermentables, hay más producción de proteína microbiana, lo que produce más leche y más proteína en ella (Jenkins y Mc Guire, 2006). Cabe destacar que la melaza de paja de trigo posee azúcares simples y otros más polimerizados como arabinosa y xilosa, además el almidón del maíz grano húmedo y ensilaje de maíz, los cuales difieren en el tiempo de degradación en el rumen (Firkins et al, 2008), y que en conjunto con el nitrógeno no proteico adicionado a la melaza y la proteína dietaría podrían suplir este incremento de proteína y leche producido por éste tratamiento. Anteriormente se ha señalado que la incorporación de alimentos glucogénicos originados del almidón existe un incremento en la concentración de insulina (Van Knegsel et al., 2007 a), y un aumento en la proteína de la leche (Martel et al., 2011), lo que ocurrió en este ensayo con la inclusión de melaza de paja de trigo.

299 19 El otro fundamento del incremento en la cantidad de proteína producida diariamente es que se incremente el propionato en el rumen, lo que produce una respuesta metabólica que es más importante en la producción de proteína que la cantidad de proteína dietaría (Jenkins y Mc Guire, 2006), esta respuesta metabólica corresponde al incremento en la concentración de insulina que direcciona la movilización de nutrientes en la glándula mamaria, incrementos en la concentración de insulina disminuyen la materia grasa secretada en la leche (Van Knegsel et al., 2007c), pero producen una mayor cantidad de proteína, como ocurrió en el tratamiento con melaza de paja de trigo. Valores similares de proteína diaria producida se encontró cuando se incluyó un 5,6% de sacarosa en la dieta en donde la proteína producida fue de 0,9 kg d -1 (Penner et al., 2009) y cuando se incluyó un 7,1% de melazas más 3,3% de sacarosa existió una producción de 1,06 kg d -1 de proteína (Hall et al., 2010). La producción diaria de lactosa no evidencio cambios en la etapa inicial y a la primera semana de ensayo. Durante la segunda semana para el tratamiento con melaza de remolacha fue 1,03 kg d -1 y para el tratamiento con melaza de paja de trigo fue de 1,26 kg d -1 tendiendo a incrementarse para este tratamiento (P < 0,1). Este aumento de lactosa producida puede ser reflejo del aumento en el contenido de lactosa de la leche y al incremento en la producción de leche. Con la Inclusión de un 5,6% de sacarosa en la dieta Penner et al (2009) se lograron producir 1,17 kg d -1 de lactosa diaria y con la inclusión de 8,6% de azúcares fermentables se produjeron 1,22 kg d -1 (Golombeski et al., 2006), otros estudios reflejan una mayor producción de lactosa diaria, lo que se debe a una mayor producción de leche en relación a este estudio. Parámetros sanguíneos La glucosa sanguínea no mostró diferencias significativas para ninguna etapa de ensayo (Tabla 8). Los valores de glucosa sanguínea para este estudio fueron inferiores a lo reportado anteriormente, 58 mg dl -1 cuando se empleó un 8,6% de pulpa de remolacha (Mahjoubi et al., 2009), 59,8 mg dl -1 cuando se utilizó un 6% de pulpa de remolacha (Voelker y Allen, 2003) y 67,1 mg dl -1 con un 7,1% de melazas en la dieta (Hall et al., 2010). El fundamento de que los valores

300 20 encontrados en este ensayo fueran inferiores, hacen pensar en el balance energético negativo que pudieron presentar los animales, estudios anteriores indican que existe una disminución en la glucosa sanguínea cuando a nivel ruminal existió una baja producción de propionato, el que se genera principalmente por la fermentación de alimentos glucogénicos (Mahjoubi et al., 2009) y que en el caso de las melazas de remolacha se considera que son lipogénicos por lo que aumentan la producción de acetato y butirato (Mojtahedi et al., 2011). En cambio en el caso del tratamiento con melaza de paja de trigo la disminución de glucosa fue aún mayor, lo que no responde a la una menor producción de propionato, sino a la utilización de la glucosa para la formación de lactosa en la glándula mamaria, además debido a la alta concentración de insulina sanguínea. Tabla 6. Variación en la concentración de glucosa, Insulina, β-hidroxibutirato y urea sanguínea para las tres etapas de evaluación al reemplazar melaza de remolacha por melaza de paja de trigo en la dieta Etapa Melaza de Melaza de Valor P Glucosa (mg dl -1 ) Insulina (µg ml -1 ) Β- hidroxibutirato (mg dl -1 ) Urea (mg dl -1 ) ** P < 0,05 diferencia estadística, * P < 0,1 tendencia remolacha paja de trigo Inicial 52,95 ± 9,83 50,07 ± 2,96 0,841 1 semana 43,94 ± 3,73 45,39 ± 3,9 0,468 Final 52,95 ± 5,78 48,63 ± 4,59 0,198 Inicial 0,48 ± 0,12 0,5 ± 0,28 0,547 1 semana 0,68 ± 0,25 1,22 ± 0,23 0,015 ** Final 0,82 ± 0,15 1,08 ± 0,18 0,095 * Inicial 10,18 ± 1,28 9,12 ± 1,54 0,285 1 semana 11,8 ± 2,82 10,58 ± 4,04 0,547 Final 6,61 ± 1,49 7,00 ± 1,79 0,690 Inicial 9,63 ± 1,77 10,54 ± 2,54 0,420 1 semana 9,64 ± 2,84 10,59 ± 0,96 0,095 * Final 8,88 ± 3,03 12,47 ± 1,17 0,690 La concentración de insulina fue igual para ambos tratamientos en la etapa inicial, al día 7 fue significativamente mayor para el tratamiento con melaza de paja de trigo y al día 14 tendió a ser mayor para el mismo tratamiento (Tabla 6). Los valores obtenidos en este ensayo se encuentran dentro de los rangos reportados por otras investigaciones, Penner et al (2009), reportó 0,17 µg ml -1 al

301 21 incluir un 4,5% de azúcares en la dieta, con la inclusión de un 8,6% de pulpa de remolacha se encontraron 750 µg ml -1 (Mahjoubi et al., 2009) y 530 µg ml -1 con la inclusión de 7,1% de melazas más un 3,3% de sacarosa en la dieta (Hall et al., 2010). La mayor concentración de insulina en el tratamiento con melaza de remolacha se explica porque las melazas de paja de trigo se comportan como un alimento glucogénico, debido a que aumentan la producción de proteína diaria e incrementan la concentración de insulina en la sangre en comparación con una dieta lipogénica (Van Knegsel et al., 2007b), que corresponde a la dieta con melaza de remolacha en este ensayo. Este incremento en la concentración de insulina también se incrementa con el paso del tiempo y consecuentemente limita la movilización de reservas adiposas y la síntesis de materia grasa en la leche (Van Knegsel et al., 2007c), lo que también ocurrió en este ensayo en donde existió una disminución del porcentaje de materia grasa que no fue significativo, pero alcanzo un 0,43%. La concentración de β- hidroxibutirato fue igual para ambos tratamientos durante el ensayo (P>0,05), aunque fue mayor para la etapa inicial y primera semana. Existió una disminución en 3,57 mg dl -1 para el tratamiento con melaza de remolacha desde el día 1 al final de ensayo y para el tratamiento con melaza de paja de trigo de 2,12 mg dl -1. Valores similares se encontraron cuando se utilizó un 4,7% de sacarosa en la dieta, en donde la concentración de β hidroxibutirato fue de 10,5 mg dl -1 (Penner y Oba, 2009), y a lo encontrado con la inclusión de un 6% de pulpa de remolacha la concentración de β-hidroxibutirato fue de 6,5 mgdl -1 (Voelker y Allen, 2003). β-hidroxibutirato es el cuerpo cetónico predominante en rumiantes, un incremento en la concentración de los cuerpos cetónicos en la sangre se evidencia en las primeras semanas postparto, cuando existe un incremento en los requerimientos energéticos y que no se alcanzan a suplir con la ingesta de alimento, por lo que se movilizan las reservas adiposas, produciendo este incremento en la concentración de β- hidroxibutirato (Duffield et al., 2009). La posible vía por la que se presentó una disminución en la concentración de β- hidroxibutirato en este ensayo es que los animales durante la etapa inicial tenían un menor consumo de alimento respecto de la etapa final, por lo que sustentaron

302 22 la producción de leche a expensas de sus reservas grasas. La mayor disminución del tratamiento con melaza de remolacha se puede deber a que la glucosa sanguínea se mantuvo más alta que para el tratamiento con melaza de paja de trigo. Estudios revelan que la concentración de glucosa sanguínea está inversamente relacionada con la concentración de β- hidroxibutirato (Van Knegsel et al., 2007b). Otro factor a considerar es que el β- hidroxibutirato es un precursor de la síntesis de materia grasa en la leche (Voelker y Allen, 2003), por lo que la disminución en el porcentaje de materia grasa en la leche del tratamiento con melaza de paja de trigo se puede deber a la disminución en la concentración de β- hidroxibutirato, en el caso de la melaza de remolacha no existió una disminución en el porcentaje de materia grasa, debido a la fermentación de las pectinas que originan acetato y butirato (Mahjoubiet al., 2009), ácidos grasos volátiles que son precursores de la síntesis de materia grasa. Cabe destacar que ninguno de los tratamientos evidenció la incidencia de cetosis, enfermedad metabólica que se genera por la circulación de β- hidroxibutirato mayor a 12, 5 g dl -1 de sangre (Duffield et al., 2009). La concentración de urea para el día 1 y final de ensayo no mostró diferencia estadística (P > 0,05), en tanto para el día 7, tendió a ser mayor para el tratamiento con melaza de paja de trigo (P < 0,1). Valores similares se han encontrado con la inclusión de 4,7% de sacarosa, en donde la concentración de urea fue de 8,95 mg dl -1 (Penner y Oba, 2009) y a lo encontrado cuando se agregó un 7,1% de melaza en la dieta en donde la concentración de urea sanguínea fue de 14 mg dl -1 (Hall et al, 2011). Al igual que la urea de la leche, la urea en sangre es un indicador del balance proteico y energético (Jonker et al., 1999) y también de la eficiencia de utilización del amonio generado en el rumen (Gehman et al., 2006). Siendo los valores de normalidad tanto para la urea de la leche y sanguínea de 16 mg dl -1 (Jonker et al., 1999), a valores más elevados de ambos parámetros el metabolismo proteico es más deficiente. La explicación de la elevada concentración de urea en leche y no así también en la sangre se debe a que esta última representa el metabolismo del nitrógeno de un tiempo reducido antes de que la muestra sea tomada, mientras tanto la urea en la leche es un

303 23 indicador del metabolismo completo del nitrógeno (McCormick et al., 2001). Balance energético y proteico Tabla 7. Cálculos del balance energético para ambos tratamientos (n=5) durante el período de experimentación. Melaza de Melaza de Valor P remolacha paja de trigo Energía consumida (NE I ) Mcal d -1 41,94 ± 2,85 43,23 ± 2,18 0,420 Energía para mantención (NE M ) Mcal d -1 12,58 ± 1,06 12,61 ± 0,64 0,998 Energía para producción (NE L ) Mcal d -1 29,22 ± 3,42 32,39 ± 6,5 0,547 Requerimiento total (NE T ) Mcal d -1 41,80 ± 3,42 45,01 ± 6,83 0,690 Balance energético (NE N ) Mcal d -1 0,14 ± 4,08-1,78 ± 6,57 0,690 NE M = 0,11 x peso vivo 0,75 NE L = 0,0929 x % materia grasa + 0,0547 x % proteína + 0,0395 x % lactosa (NRC, 2001). No hubo diferencia significativa en la energía consumida, en la energía utilizada para producción de leche y en el balance energético final, pero para el tratamiento con melaza de paja de trigo existió un déficit de 1,78 Mcal d -1. Estudios anteriores indican que la partición de la energía consumida en dietas lipogénicas, como sería el tratamiento con melaza de remolacha, se utiliza en producción de leche y de materia grasa, y posteriormente en aumentar la ganancia de peso, al contrario de lo que ocurre con dietas glucogénicas, lo que corresponde al tratamiento con melaza de paja de trigo, en donde la energía se deriva a aumentar las reservas grasas más que a producción de leche (Van Knegsel et al., 2007a). En este ensayo el tratamiento con melaza de paja de trigo, tuvo una menor ganancia de peso y un balance energético posiblemente negativo, lo que se explica por el aumento en la concentración de insulina. Se ha señalado que un incremento en la concentración de insulina limita la movilización de grasas (Firkins et al., 2008). Además de que los animales en plena lactancia derivan la energía ingerida a mantener la producción de leche y posteriormente a ganancia de peso (Mahjoubi et al., 2009), además de que la dieta ofrecida en este estudio y por tanto en energía disponible, por lo que fue utilizada principalmente para mantención y producción de leche. No existió diferencia para la proteína consumida y de mantención para ambos tratamientos, la proteína utilizada para producción, balance proteico final y

304 24 eficiencia de utilización del nitrógeno tendió a ser mayor para el tratamiento con melaza de paja de trigo. Esto se debe a que la producción de leche y proteína diaria excretada fue mayor para este tratamiento. La eficiencia de utilización del nitrógeno fue mayor para ambos tratamientos en comparación con lo reportado anteriormente, en donde la eficiencia fue de 29,3% cuando se reemplazo un 2,5% de sacarosa por almidón (Broderick et al., 2008) y cuando se utilizó 3,6% de sacarosa (Cherney et al., 2003), lo que indicaría que hubo un mayor aprovechamiento de la proteína por la sincronía de la degradabilidad de las melazas y la proteína de la dieta. Tabla 8. Balance proteico y eficiencia de utilización del nitrógeno calculado para el tratamiento con un 4% melaza de remolacha y con un 4% melaza de paja de trigo. Melaza de Melaza de Valor P remolacha paja de trigo Proteína consumida (P I ) 2,38 ± 0,16 2,39 ± 0,12 0,998 Proteína para mantención (P M ) 0,43 ± 0,04 0,43 ± 0,02 0,998 Proteína para producción (P L ) 1,65 ± 0,23 1,9 ± 0,21 0,095 Requerimiento total (P T ) 2,09 ± 0,23 2,33 ± 0,22 0,095 Balance proteico (P N ) 0,29 ± 0,2 0,06 ± 0,18 0,055 Eficiencia de utilización del nitrógeno (%)* 31,30 35,76 0,095 * Proteína para producción/proteína consumida CONCLUSIÓN. Conforme a lo indicado en los objetivos, se evaluó el efecto de la inclusión de la melaza de paja de trigo en la alimentación de vacas lecheras, no evidenciando ninguna respuesta productiva en cantidad de leche producida diariamente y en el consumo de materia seca. Respecto de de la calidad de leche y producción de cada uno de sus componentes existió un mayor porcentaje de lactosa y mayor producción de proteína diaria al incluir melaza de paja de trigo, lo que fue posible debido a la mejor disponibilidad de la energía y la proteína a nivel ruminal, los parámetros sanguíneos medidos indicaron que no existió la presencia de cetosis u otra alteración con la inclusión de la melaza de paja de trigo. Con estos resultados se plantea la posible utilización de melaza de paja de trigo a nivel de planteles lecheros, según la disponibilidad y costos de esta.

305 25 BIBLIOGRAFÍA 1. AOAC Oficial methods of analisis. 16 th ed. Association of official analytical chemists, Gaithersburg, MD. 2. Broderick, G.A., N. D. Luchini, S.M. Reynal, G.A. Varga, y V.A. Ishler Effect on production of replacing dietary starch with sucrose in lactating dairy cows. J. Dairy. Sci. 91 (12): Broderick, G.A. y W.J. Radloff Effects of molasses supplementation on the production of lactating dairy cows fed diets based on alfalfa and corn silage. J. Dairy. Sci. 87 (9): Cherney, D.J.R., J.H. Cherney y L.E. Chase Influence of dietary nonfiber Carbohydrate concentration and supplementation of sucrose on lactation performance of cows fed fescue silage. J. Dairy. Sci. 86 (12): DeFrain, J.M., A.R. Hippen, K. F. Kalscheur y D.J. Schingoethe Feeding lactose increases ruminal butyrate and plasma β-hybroxybutirato in lactating dairy cows. J. Dairy. Sci. 87 (8): DeFrain, J.M., A.R. Hippen, K.F. Kalscheur y D.J. Schingoethe Feeding lactose to increase ruminal butyrate and the metabolic status of transition dairy cows. J. Dairy. Sci. 89 (1): Duffield, T.F., K.D. Lissemore, B.W. McBride y K.E. Leslie Impact of hyperketonemia in early lactation dairy cows on health and production. J. Dairy. Sci. 92 (2): Eroni, V.T. y M. Aregheore Effects of molasses at different levels in concentrate supplement on milk yields of dairy cows grazing Setaria grass (Setaria sphacelata) pasture in Fiji. Asian-Aust. J.Anim. Sci. 19 (10): Firkins, J.L., B.S. Oldick, J. Pantoja, C. Reveneau, L. E. Gilligan y L. Carver Efficacy of liquids feeds varying in concentration and composition of fat, nonprotein nitrogen, and nonfiber carbohydrates for lactating dairy cows. J. Dairy. Sci. 91 (5):

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307 27 blood biochemical parameters of Holstein steers. Livestock science. 141: Mullins, C.R. y B. J. Bradford Effect of a molasses- coated cottonseed product on diet digestibility, performance, and milk fatty acid profile of lactating dairy cattle. J. Dairy. Sci. 93 (7): McCormick., M.E. D.D. Redfearm. J.D. Ward y D.C. Blouin Effect of protein source and soluble carbohydrate addition on rumen fermentation and lactation performance of Holstein cows. J. Dairy. Sci. 84 (7): NCR Nutrient requirements of dairy castle. 7 th Rev. Ed. Natl. Acad. Sci., Washington, DC. 24. Oba, M Review: Effects of feeding sugars on productivity of lactating dairy cows. Can. J. Anim. Sci. 91: Oelker, E.R., C. Reveneau y J.L. Firkins Interaction of molasses and monensin in alfalfa hay-or corn silage-based diets on rumen fermentation, total tract digestibility, and milk production by Holstein cows. J. Dairy. Sci. 92 (1): Penner, G.B. y M. Oba Increasing dietary sugar concentration may improve dry matter intake, ruminal fermentation, and productivity of dairy cows in the postpartum phase of the transition period. J. Dairy. Sci.92 (7): Penner, G.B., L.L. Guan y M. Oba Effects of feeding fermenten on ruminal fermentation in lactating Holstein Cows fed two dietary sugar concentrations. J. Dairy. Sci.92 (4): Tyrrell, H.F. y J.T. Reid Prediction of the energy value of cows milk. J. Dairy. Sci. 48: Van Knegsel, A.T.M., H. Van Den Brand, J. Dijkstra, W.M. Van Straalen, M.J.W. Heetkamp, S. Tamminga y B. Kemp. 2007a. Dietary energy source in dairy cows in early lactation: Energy partitioning and milk composition. J. Dairy. Sci. 90 (3): Van Knegsel, A.T.M., H. Van Den Brand, E.A.M. Graat, J. Dijkstra, R. Jorritsma, E. Decuypere, S. Tamminga y B. Kemp. 2007b. Dietary energy source in dairy cows in early lactation: Metabolites and metabolic hormones.

308 28 J. Dairy. Sci. 90 (3): Van Knegsel, A.T.M., H. Van Den Brand, J. Dijkstra, W.M. Van Straalen, R. Jorritsma, S. Tamminga y B. Kemp. 2007c. Effect of glucogenic vs. Lipogenic diets on energy balance, blood metabolites, and reproduction in primiparous and multiparous dairy cows in early lactation. J. Dairy. Sci. 90: (7): Van Soest., P.J., J.B. Robertson y B.A. Lewis Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstrach polysaccharides in relation to animal nutrition. J. Dairy. Sci. 74: Voelker, J.A. y M.S. Allen Pelleted beet pulp substituted for high moisture corn: 1. Effects on feed intake, chewing behavior, and milk production of lactating dairy cows. J. Dairy. Sci. 86 (11):

309 PROYECTOS FONDEF DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO PLAN DE MARKETING ESTRATÉGICO DE LOS PRODUCTOS COMERCIALES OBTENIDOS A PARTIR DE LA PAJA DE TRIGO: PULPA CELULÓSICA, BIOFERTILIZANTE A BASE DE LIGNINA Y CARBOHIDRATO COMO SUPLEMENTO BOVINO Titulo del Proyecto: Desarrollo de Productos Comerciales a partir de paja de trigo Código del Proyecto: D08i1100 Nombre Ejecutivo(a) de FONDEF: Khaled Awad Nombre Director(a del Proyecto): Alex Berg G. Institución(es) Beneficiaria(s): Universidad de Concepción Empresa(s) y Otras Socias Contraparte: GRANOTOP S.A BIOLECHE LTDA NORSKE SKOG LTDA Fecha de emisión : 30/03/2011 COMISION NACIONAL DE INVESTIGACION CIENTIFICA Y TECNOLOGICA BERNARDA MORIN 495 CASILLA 297-V CORREO 21 FONO: FAX: SANTIAGO, CHILE

310 BIOFERTILIZANTE A BASE DE LIGNINA MIX COMERCIAL Producto El proyecto actualmente en ejecución Desarrollo de Productos comerciales a partir de paja de trigo, busca evaluar la factibilidad de producir un fertilizante a partir de paja de trigo. El desarrollo y diseño del producto final junto a los socios estratégicos, tiene por objeto general: - Introducir la lignina, un componente natural, presente en materias primas lignocelulósicas como la paja de trigo para producir un Biofertilizante natural de liberación controlada, el cual tendría un impacto ambiental positivo y una mejor eficiencia productiva al ser un producto natural y al disminuir el número de aplicaciones comparadas a los tradicionales sistemas de fertilización. Específicamente el producto tiene por objeto: - Desarrollar la creación de valor de la paja de trigo como potencial materia prima de generación de productos comerciales de alto valor. - Incorporar la nueva materia prima lignocelulósica al mercado, como alternativa a la biomasa forestal. - Incentivar a empresas de agroquímicos que cuenten con insumos para fabricar nuevos y más eficientes fertilizantes. - Promover el desarrollo de soluciones tecnológicas como la planteada, debido a razones ambientales, ecológicas y estratégicas. - Generar interés en sectores como los fruticultores, en el cual el uso de fertilizantes de origen natural y de liberación controlada, es una alternativa muy atractiva, ya que se disminuyen las cargas químicas comparadas a los fertilizantes tradicionales. Respecto la oferta de UDT, esta considera fortalecer las capacidades de I&D, mejorando procesos productivos y estructurando negocios del consumidor final con los intermediarios, a la vez creando valor en la industria con nuevos productos, abriendo mercado a los Biofertilizantes de liberación controlada. Canales de distribución. Canal Indirecto. El principal objetivo de la tecnología desarrollada es identificar y poder llegar a nuevos mercados con los productos desarrollados, creando alianzas estratégicas entre la empresa del negocio tecnológico, Granotop, y las empresas Norske Skog S.A. y Bioleche Ltda. La particularidad de ser socios desarrolladores de la tecnología, genera el principal valor del proyecto y a la vez entrega una nueva alternativa de diversificación de la oferta disponible de los socios principales, siendo UDT el proveedor directo de transferencia tecnológica. La alianza presente en esta cadena de distribución atiende directamente a las necesidades de los actuales clientes y nuevos potenciales, favoreciendo a cada socio estratégico 1 en esta producción. A la vez combina valor basado en la confianza y permite a cada componente de la cadena moverse rápidamente para enfrentar las necesidades del mercado.

311 De esta forma los socios estratégicos en la producción sustentan ventajas competitivas en el largo plazo y promoviendo mejoras en el desempeño, demostradas en disminución de costos, aumento de los márgenes, mayor especialización, entre otros beneficios. Promoción. Con los beneficios a cada línea productiva de la paja de trigo ya identificados en la evaluación, el Biofertilizante a base de lignina nitrada entra en al mercado con especial cuidado de los socios estratégicos, al ser un producto con altas ventajas competitivas en el mercado de los fertilizantes. Dentro de sus características destaca la utilización de menos fertilizante, por ejemplo, en plantaciones de grano y en frutos de exportación a quienes se les solicita bajar las cargas químicas de sus plantaciones. Como no existe tecnología que permita el uso integral de la materia prima, la cual integra procesos factibles en la producción de pulpa celulosa y obtener los componentes de lignina y carbohidratos derivados, los socios estratégicos cumplen un rol fundamental en la promoción, venta o uso del producto. Al ser un producto nuevo los socios estratégicos, vale decir; Bioleche Ltda. y Norske Skog S.A, deben estimular el entusiasmo en la utilización del Biofertilizante, obteniendo beneficios tangibles en el corto-mediano plazo. De esta manera facilitar la introducción del nuevo producto al mercado mediante la exhibición de resultados a sus clientes o futuros usuarios de la tecnología. La UDT en su rol de creador de la tecnología tiene por principales objetivos en materia de promoción: - Dotar de vida al Biofertilizante, resaltando su valor fundamental posesionándolo como un producto eficiente. - Integrar a las PYMES del sector agrícola y agroquímico al uso del Biofertilizante mediante muestras en la etapa de desarrollo óptimo del producto, con objeto de encontrar un segmento específico. - Divulgar un beneficio significativo y competitivo de forma explícita. - Entregar resultados claros y evidentes al mercado generando confianza en un Biofertilizante de características ecológicas y económicas. - Elevar el nivel de interés de los usuarios de fertilizantes tradicionales (PYMES) 1, demostrando aplicaciones en procesos de economías de escala, fortaleciendo el crecimiento de la industria. - Establecer plazos para proceso de ventas, incrementándolas en el mediano plazo. - Desarrollar presupuestos para la promoción, con objeto de evaluar los resultados. Con estas acciones y objetivos de promoción, UDT: - incentiva y promueve a los socios estratégicos, permitiendo llegar a nuevos segmentos o mercados. - Potencia el conocimiento (valorización de la tecnología) del producto entre usuarios de otras marca - Posiciona a UDT en I&D en las empresas, en sus procesos productivos y competencias de la industria. 1 Parte de la estrategia es llegar a las PYMES, por su alta participación en el mercado y debido a que actúan de manera similar ante cambios productivos en la industria.

312 Precio - Objetivo de fijación de precios. Se estima que la paja de trigo contiene, aproximadamente, un 15% de lignina en su estructura; vale decir que para toneladas de trigo al inicio del proyecto (cantidad muy inferior al total de paja de trigo que se genera a nivel nacional, ~ ton) se producirían ton. de lignina. El siguiente cuadro muestra las proyecciones de toneladas de lignina a medida que se aumenta la utilización de paja generada, en el periodo de evaluación. Año Paja de trigo a utilizaren la propuesta (ton.) Lignina (ton.) El principal objetivo en la fijación de precios es maximizar la participación de mercado. Cabe destacar que para el precio objetivo se ha considerado equivalente al precio del lignosulfonato, el cual de acuerdo a información del Servicio de Información de Empresas Químicas (Infochems) es de 600 US$/ton. - Determinación de la demanda. Considerando que actualmente no existe mercado para la producción de Biofertilizantes, el mercado potencial de la lignina como materia prima para producir el Biofertilizante, corresponde al necesario para cubrir los requerimientos de las plantas de producción de Biofertilizante en base a lignina, lo que en el año 1 del proyecto productivo corresponde a toneladas anuales, llegando a el año 10. El mercado objetivo es cubrir la totalidad del requerimiento de producción de Biofertilizantes en base a lignina, lo que significa que es equivalente al mercado potencial, es decir que para esta línea de producción la demanda estará directamente relacionada con la oferta, para los socios estratégicos. La demanda de la tecnología depende de las necesidades de las empresas colaboradoras del proyecto y de futuros usuarios cuando exista conocimiento del producto en el mercado.

313 FUERZAS IMPORTANTES DEL ENTORNO. Demográficas. - Los fertilizantes contribuyen a la producción de alimentos en el mundo, para satisfacer las necesidades de una población que crece aproximadamente 75 millones de personas cada año y que ha alcanzado a millones en el año Las oportunidades económicas en los países en desarrollo mejoran. Se registra un aumento en el ingreso Per cápita de la población y se acrecienta la demanda por alimentos de calidad, con mayor nivel proteico. Los agricultores deben mostrarse atentos a los cambios e impactos demográficos y alimentarios, procurando elevar la eficiencia en el uso de la fertilización para mejorar su producción. Constantemente, se debe responder a una demanda global creciente por alimentos y piensos, al mismo tiempo que aumentar la producción de cultivos altamente demandantes, como frutales y hortalizas. Junto a técnicas modernas de producción agrícola, semillas de calidad y condiciones climáticas adecuadas, los fertilizantes hacen posible que los agricultores respondan a este desafío, manteniendo la fertilidad de suelo. Algunas investigaciones realizadas al respecto señalan que cerca del 40% de la producción mundial de alimentos sería el resultado directo del uso de fertilizantes. (Espinoza, 2009) Políticas. - No existen regulaciones nacionales ni internacionales que limiten o regulen su uso. Es más, la lignina nitrada que se utilizará como fertilizante es un componente que contiene nitrógeno (como nitrato o amonio), proviene de la naturaleza. - Factores que tienen directa relación con medidas de carácter gubernamental relacionados con la protección de la salud de la población y del medio ambiente, pueden incentivar su utilización, dado que el uso indiscriminado de fertilizantes y agroquímicos en general, pueden generar un efecto nocivo sobre la flora, fauna y cursos de agua. (Instituto Valenciano de la exportación, 2003) Naturales. - Dentro de los principales objetivos del proyecto se incentiva la potencial utilización de la paja de trigo como materia prima beneficiando los siguientes puntos: Económico. Cada año, la paja de trigo que se genera de las cosechas de trigo, se quema mediante roces, lo cual significa serios problemas ambientales y riesgos de incendio, con graves perjuicios a la actividad agrícola y comercial. Mejora de la rotación de cultivos, por la eliminación del rastrojo. Agricultores, principalmente, de las regiones del Bio Bio, la Araucanía, podrán dar un uso a la paja de trigo, sin tener que realizar roces; la comunidad rural que se verá liberada de contaminación y riesgos de incendio. Ambientales y Ecológicas: Respecto al uso de fertilizantes y su relación con el medio ambiente en los últimos años ha surgido preocupación sobre el tema, dada la degradación y contaminación que estos provocan. Motivos que hacen atractiva la solución para mejorar la calidad de vida para la comunidad o los Stakeholders. - El ingreso del sector agrícola, principalmente de la novena región aumentará al ser parte de la cadena de creación del Biofertilizante, puesto que en esta región se encuentra un 40% de la

314 producción nacional, así mismo la creación de valor económico para la paja de trigo establecerá un potencial aumento en la demanda, dando paso a una fuente de ingresos para agricultores. - La producción de un Biofertilizante de liberación controlada a base de lignina, genera economías, en cuanto a la disminución de intervenciones en campo, debido a que la liberación de nutrientes es lenta y no presentaría problemas de lixiviación del nitrógeno en el suelo. Tecnológica: Los avances de I&D marcan nuevas pautas a seguir en fertilizantes, estableciendo nuevas y mejoradas opciones reales con los Biofertilizantes, los cuales demuestran fuerte eficiencia en la producción agrícola. Estratégicas: Desarrollo económico de la comunidad agrícola, incentivando y favoreciendo la estructuración de negocios tecnológicos y productivos en el país. Poder de compra: Alta oferta de materia prima disponible para la producción del Biofertilizante. Esta oferta económicamente no existe, por la ausencia de un valor de mercado, fijando el precio inicial de compra como el mínimo para el inicio del proyecto, ante un potencial aumento en la demanda de la paja de trigo. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA DE LA INDUSTRIA. Análisis cinco fuerzas de Porter 1. Poder de negociación con los clientes -Concentración de compradores respecto a la concentración de compañías. Los compradores están concentrados respecto a la ubicación geográfica de las compañías productoras de fertilizante. La industria tiene amplios canales de distribución locales que permiten no concentrarla tanto. -Grado de dependencia de los canales de distribución. La industria a nivel nacional depende directamente de los distribuidores, quienes son los que llevan el producto al cliente final, junto a las distintas sucursales. -Volumen comprador. Los principales compradores de fertilizantes están determinados por minoristas quienes compran a menor escala y los mayoristas que están en el mercado nacional e importaciones (Fuente: FAQ Anuario de Fertilizantes) -Posibilidad de negociación, especialmente en industrias con muchos costes fijos.

315 Nuestro país se destaca por ser un principal importador neto de fertilizantes, cercano a 1,1 mill de ton. al año. En nuestro país la industria se caracteriza por presentar una estructura oligopólica, con muy pocas empresas presentes. Es muy importante disponer de un mercado de fertilizantes sin distorsiones en su funcionamiento, considerando que ellos representan hasta el 60% de los costos de producción de algunos cultivos (Espinoza, 2009) -Costes o facilidades del cliente de cambiar de empresa. Clientes con bajos costos, pueden cambiarse de producto ante la generación de ahorro. -Disponibilidad de información para el comprador. Los futuros clientes de la tecnología tendrán toda la información disponible por los socios estratégicos. -Capacidad de integrarse hacia atrás. UDT cumpliendo su rol de I&D, establece tópicos para integración hacia atrás. Los potenciales clientes de la tecnología serían empresas con acceso a la generación de materias primas, especialmente, a la lignina nitratada. Quienes quieran integrarse hacia atrás verán en el desarrollo de materiales compuestos termoplásticos una fuente de innovación para sus productos. -Existencia de sustitutivos. Ante un cambio de preferencias del mercado los sustitutos más cercanos son la urea y salitre. En nuestro caso el fertilizante tendría una carga de nitrógeno mayor y sería de origen natural. -Sensibilidad del comprador al precio. Dependiendo de las características de los clientes en la industria de la agricultura, las futuras empresas usuarias de la tecnología serán menos sensibles al factor precio que a los beneficios, al asegurarse de que no tendrán problemas de puesta en marcha y al grado de servicio disponible. Para medir la eficiencia y el acierto o no de las decisiones tomadas por estas empresas, el costo de la tecnología es menos importante que el asegurar el buen funcionamiento del mismo. En definitiva, probablemente esté dispuesto a pagar un precio extra a un proveedor que tenga productos de alta calidad y de prestar un servicio excepcionalmente bueno. -Ventaja diferencial (exclusividad) del producto. La ventaja diferenciadora que obtendrán los clientes viene determinada por el valor agregado que entrega específicamente la nueva tecnología. Poder de negociación de los proveedores. -Facilidades o costes para el cambio de proveedor. Los costos están directamente asociados a servidcios logísticos y costo fijo por toneladas de la materia prima. Principalmente, la materia prima está en la novena región, concentrando y disminuyendo los costos logísticos, hacia las plantas de procesamiento. -Amenaza de integración vertical hacia adelante de los proveedores. Los costos de producción del Biofertilizante a base de lignina requieren una alta inversión y especialización. Detrás del producto existen agentes y socios estratégicos los que han colaborado

316 en investigación y producción. Dado esto para los proveedores es económicamente improbable que realicen una integración hacia adelante. -Amenaza de integración vertical hacia atrás de los competidores. Así también, para los competidores en el mediano plazo los altos costos impiden una mayor utilización de un Biofertilizante a base de lignina por todos los procesos de investigación necesarios plenamente. -Coste de los productos del proveedor en relación con el coste del producto final. Los proveedores de materia prima para fertilizantes tienen un alto coste en relación al producto final, característica común en la industria agricultura. Para el proyecto el coste de la materia prima es mínimo por ser un producto sin valor económico. A medida que existan variaciones en la oferta y potencial aumento en la demanda, el costo de la paja cambiará en relación al costo del producto final. Amenaza de nuevos entrantes. -Existencia de barreras de entrada. - La inversión requerida para la instalación de una planta para producción de Biofertilizante. - Alto grado de capacitación que deben tener los empleados. - Patentar en el país y países de destino para que esta tecnología esté protegida de nuevos entrantes. -Economías de escala. En el mediano plazo, al tener empresas entrantes de mayor participación de mercado, podrán aumentar sus volúmenes de producción, generando economías de escala. Vale decir quién las posea, debido a sus altos volúmenes tiene la posibilidad de reducir costos. Esto puede dificultar a un nuevo competidor para penetrar en el mercado con precios bajos. -Requerimientos de inversión. Las inversiones en I&D a realizar, la etapa productiva y puesta en marcha del producto limitan a nuevos competidores. -Acceso a la distribución. La estructuración de los canales de distribución, establece un valor complementario para los socios estratégicos, creando una barrera de entrada en potenciales competidores. -Ventajas en la curva de aprendizaje. Método de investigación, didáctica, y método de desarrollo de UDT, proporciona un buen contexto para la realización del producto final. El amplio conocimiento del tema, habilidad y capacidad para el desarrollo del Biofertilizante a base de lignina.

317 -Mejoras en la tecnología El asesoramiento técnico e investigación a los socios estratégicos representa en la etapa de introducción del producto mejoras en la tecnología, dificultando a los competidores la entrada al mercado. Amenaza de productos sustitutivos. Frente a la escasa comercialización que existe en el mercado, la amenaza de sustitutos es menor. Se puede mencionar que en el mercado es posible encontrar por lo menos un proveedor de fertilizantes de liberación controlada basados en la utilización de lignina, la empresa EPPA en China, quien abastece principalmente a Norteamérica. De esto podemos determinar que: -Existe una baja propensión del comprador a optar por un sustituto directo. -Los precios relativos de los productos sustitutos tienen baja consideración. -El coste o facilidad de cambio del comprador es elevado frente al nacional. -Disponibilidad de sustitutos cercanos. No obstante el consumidor puede seguir optando por nuevos y mejorados productos derivados de la urea o salitre como fertilizante, pero estos, sin embargo, no son de origen natural, y su efectividad no es tan buena particularmente por problemas de lixiviación. Análisis de la Empresa (Foda) Externo Oportunidades - Fuerte apoyo a la apertura de las importaciones para productos agropecuarios. - El aumento sostenido del precio del producto que se pretende Sustituir: La biomasa forestal. Este aumento está ligado al aumento del precio del petróleo y a nuevos usos de las lignocelulosas, como fuente de biomateriales, bioenergéticos y productos químicos naturales. - Creciente innovación tecnológica agraria - Alta demanda internacional de productos agropecuarios orgánicos. - La biomasa forestal será un producto cada vez más apetecido y más caro que dejará espacios en el mercado, para que otras materias primas, como la paja de cereales, penetre como materia prima para producir pulpa celulósica. - Escaso conocimiento de la tecnología que permita al agricultor adoptar nuevas tecnologías. - Existencia de instituciones públicas y empresas privadas que promueven el desarrollo de la actividad agrícola Amenazas - Aumento de los precios de insumos para la elaboración de la tecnología - Alta migración campesina que desabastezca las fuentes de materia prima. - Cambios constantes de normas y regulaciones orientadas al sector agrícola. - Variaciones negativas de precios internacionales para importaciones. - Competencia agresiva en la industria con alto y avanzado nivel de I&D

318 - Futuros programas del gobierno que especialicen al agricultor en utilización de desechos del trigo para su comercialización. Interno Debilidades - Cambios climáticos que afecten las cosechas y derivados del trigo - Altos costo en transporte (logisticos) - Variaciones en los costos de la producción de trigo y cosecha. - El biofertilizante orgánico, producido a partir de la lignina, la cual lleva incorporado dentro de su estructura está siendo más y más considerado por los agricultores. Sin embargo, sus altos costos impiden una mayor utilización. - Altas probabilidades de incendios provocados por roces o incendios forestales, que consuman porcentajes de materia prima. Fortalezas - Alta capacidad de investigación especialización en la tecnología. - Competitivo nivel profesional y científico para el desarrollo de la tecnología. - Adecuado y completo marco legal en materia de regulaciones y beneficios para la sociedad. - Ubicación estratégica frente a los clientes y proveedores. - Agricultores identificados con la organización de cadenas productivas agrícolas. Cadena de distribución. - Fomento del gobierno a la inversión agrícola, con variedad de créditos y subsidios que permite a UDT, acceder a más proveedores. - Gran cantidad de áreas disponibles para el cultivo de materia prima más del cercano al 59% de la novena región. - Maquinarias, laboratorios y profesionales suficientes que permiten una rápida elaboración del producto.

319 PULPA CELULOSICA Dado que la paja de cereales no puede ser usada en los procesos convencionales de pulpaje existentes en el mercado, debido a la recuperación de los componentes inorgánicos es muy compleja y los procesos alternativos existentes, principalmente en China e India, son económicamente poco atractivos en el mundo occidental, existe la necesidad de desarrollar una nueva tecnología. El proceso Kraft tradicional que domina en la industria de producción celulosa, debe ser realizado en grandes instalaciones industriales para que sea atractivo industrialmente, debido a su complejidad tecnológica y a los serios problemas ambientales y sociales. Además, este proceso no permite obtener los componentes químicos de la paja de trigo individualmente, ya que la recuperación de componentes inorgánicos se ve afectada por la elevada concentración de cenizas de la paja de trigo, siendo una alternativa inviable. La alternativa de uso de paja de trigo en procesos no tradicionales, considera la utilización de procesos más amigables con el medio ambiente y que permitan separar eficientemente los componentes químicos de la paja de trigo, en este caso los solventes orgánicos han ocupado un lugar particular, siendo altamente eficientes. De esta manera las futuras plantas serán de un tamaño económico más pequeño, comprendiendo los siguientes puntos principales en este nuevo proceso. Bajas inversiones iniciales por planta de procesos Costos de transporte mínimos, ubicando la empresa productora de la tecnología de deslignificación en un radio cercano a los proveedores de paja de trigo. Alta capacidad productiva Que el producto tenga uso industrial Producto competitivo DEFINICIONES BÁSICAS DE LA INDUSTRIA En forma preliminar se presentan algunas definiciones básicas respecto de la industria, las cuales permiten comprender en forma posterior su funcionamiento. El actual escenario económico nacional está marcado por una alta presencia de los derivados de la madera, siendo la celulosa el producto con mayor participación en el los mercados nacionales e internacionales. También la demanda por biomasa forestal está aumentando sostenidamente. Junto a los usos tradicionales, como madera aserrada, celulosa, tableros y leña, se están estableciendo usos alternativos, como la transformación termoquímica, la generación de energía, la producción de biomateriales y nuevos materiales compuestos y la extracción de compuestos químicos de interés. Frente a estas características de la industria nace la oportunidad de obtención de celulosa, hemicelulosas y lignina de una nueva materia prima que es la paja de trigo.

320 Empresas que componen la industria Las empresas con mayor participación de mercado son Arauco S.A. y Empresas CMPC, quienes lideran la producción de pulpa celulósica con exportaciones que bordean los US$ 1225 MILL anuales, parte del 3,5% que representa el sector forestal en el PIB nacional. La capacidad instalada total para la producción de celulosa en el país alcanza, en 2006, los 3 millones de toneladas, distribuidas en ocho plantas entre la Séptima y Décima regiones, estando el 46% concentrada en la Octava Región. Con los nuevos proyectos de inversión que están entrando en operación, la capacidad total de producción en el año 2008 alcanzará los 4,7 millones de toneladas. Por otro lado, la empresa Norske skog que produce pulpa termomecánica para la producción de papel periódico y otros, requiere en su producción incorporar celulosa blanqueada kraft para mejorar las propiedades mecánicas de sus papeles, estas cantidades fluctúan hasta en un 15%. Proveedores de la Industria El país cuenta con 15,5 millones de hectáreas de cobertura forestal, de las cuales un 13,5 % corresponde a plantaciones para uso industrial. Estas suman 2,1 millones de hectáreas y están distribuidas entre la V y XI regiones. Más del 70% de este patrimonio está acogido a sellos de certificación de manejo forestal sustentable, reconocidos internacionalmente. Sin embargo el proyecto aborta esta disponibilidad forestal y recoge la realidad nacional respecto a la amplia disponibilidad de la paja de trigo como materia prima y sin valor económico hasta hoy. Por tanto, incorporará una nueva materia prima lignocelulósica al mercado, como una fuente alternativa de producción de celulosa, hemicelulosas y lignina. Clientes de la Industria Los principales clientes de esta tecnología vienen dados por empresas del sector forestal y agrícola interesados en la aplicación de pulpa celulósica de paja de trigo. En el negocio destaca principalmente la transferencia tecnológica a los socios estratégicos que utilizarían la pulpa celulósica, la empresa Norske Skog S.A. Posteriormente en una segunda etapa los clientes serán tanto empresas fabricantes y usuarios extranjeros de la tecnología como Asia, Europa y Norteamérica. Competidores de la Industria La pulpa celulósica de paja de trigo sólo se ha desarrollado en países asiáticos, sin embargo no tiene mayor participación en el mercado mundial. La industria está caracterizada por los distintos procesos kraft de elaboración de celulosa. Los dos únicos productores de celulosas químicas Kraft en Chile son Empresas CMPC y Celulosa Arauco, con participaciones del 39% y 61% respectivamente y un 4% y 5% de participación de mercado internacionalmente. En el exterior destacan Fibria y Suzano (Brasil), APRIL (Singapur), Sodra y Metsä-Botnia (Europa), Domtar (Canada), Cantor y Tembec (EE.UU.), que junto a las empresas nacionales poseen el 40% de la producción mundial de celulosa.

321 Sustitutos de la Industria Los principales sustitutos son: - BSK: Bleached Softwood Kraft, Celulosa Blanqueada de Fibra Larga, proceso Kraft - BHK: Bleached Hardwood Kraft, Celulosa Blanqueada de Fibra Corta, proceso Kraft - UKP: Unbleached Kraft Pulp, Celulosa No blanqueada o Cruda, proceso Kraft Aproximadamente un 90% de la producción de fibras deriva de la madera como principal materia prima. Sin embargo, cabe destacar el restante que en países como China o India, se utiliza un elevado porcentaje de fibras vegetales en su producción. ANALISIS DEL MEDIO EXTERNO El objetivo es establecer el atractivo de la industria, vale decir su rentabilidad en el largo plazo. Para esto se realiza un análisis de los factores estructurales de la industria, lo que permite identificar amenazas y oportunidades. Para efectuar este análisis se utilizó el modelo de las cinco fuerzas de Michael Porter. Según Porter 2, existen áreas donde las tendencias prometen oportunidades o amenazas, las que denomina Fuerzas determinantes que influirán en la intensidad, competitiva y en la rentabilidad del sector industrial, es decir, proporcionan un panorama de la estructura del sector. Atractivo de la Industria Como se aprecia en la Tabla N 2, la evaluación general actual de la industria nos indica que es de atractivo medio. Esto se fundamenta principalmente en las oportunidades que presenta el mercado debido a que la materia prima corresponde a un subproducto agrícola y el proceso de deslignificación es más simple que los existentes, por lo cual su costo de producción es menor. Actual Bajo Medio Alto Barreras a la entrada x Barreras a la salida x Rivalidad entre competidores x Poder de compradores x Poder de proveedores x Disponibilidad de sustitutos x Acción del gobierno x Evaluación general x Tabla N 2: Resumen del análisis del medio externo. Atractivo de la industria Porter, M. Estrategia Competitiva

322 Identificación de Amenazas y Oportunidades Oportunidades - Mayor conocimiento de los usuarios de la tecnología respecto a los beneficios. - Pocos sustitutos para la pulpa celulósica. - Escaso número de competidores en el mercado nacional. - La creación de un mercado de pulpa celulósica de paja de trigo que permita aumentar el desarrollo de nuevos productos. - La alta especialización en investigación permite competir en cuanto a la tecnología en mercados internacionales. - En cuanto a estos productos, no existen regulaciones nacionales ni internacionales que limiten o regulen su uso. - Se seguirán construyendo nuevas plantas de celulosa en las zonas de bajo costo, como Latinoamérica, las cuales buscarán diversificar sus líneas productivas. - En 2009 el sector forestal exportó US$ millones, por lo que representa el segundo sector más importante en la economía de Chile, luego del Cobre. De esta cantidad el 47% corresponde a pulpa celulósica. Amenazas - Bajo conocimiento de la tecnología a en el mercado nacional. - Contratos de largo plazo de empresas proveedoras de nuevas tecnologías de celulosa, en ocasiones asociados a altos costos de cambio. - Mercado dependiente de la madera como materia prima fibrosa para producir celulosa forestal - Posible ingreso de nuevas materias prima (fibras) de bajo costo. - Potencial crecimiento del mercado asiático que utilizan altos porcentajes en su producción. - Creciente concentración esperada de la industria a largo plazo por lo que tendría que disminuir el precio del commodity. ANÁLISIS DEL MEDIO INTERNO El objetivo identificar las principales fortalezas y debilidades frente a los competidores de mayor importancia. Para efectuar este análisis se realizaron las tareas siguientes: identificación de competidores relevantes, determinación de factores críticos de éxito, entendidos éstos como aquellas capacidades controlables en las que se debe sobresalir para que la empresa logre ventaja sostenible en el largo plazo y rentabilidad por sobre el promedio de la industria y se determinó el perfil competitivo de la industria de la celulosa. Este análisis se encuentra desarrollado en extenso en el anexo C. Finalmente se preparó una evaluación resumida de las fortalezas y debilidades identificadas, la que se presenta en la tabla N 3:

323 EVALUACIÓN GENERAL FORTALEZAS Operación Comercialización y Ventas Tecnología e I & D Adquisiciones Evaluación general Actual Bajo Medio Alto X X No se cuenta con toda la información Tabla N 3: evaluación general de las fortalezas en comparación a sus principales competidores. X X IDENTIFICACIÓN DE FORTALEZAS Y DEBILIDADES Fortalezas - La pulpa celulósica de paja de trigo no requiere tratamientos de blanqueo, por lo tanto no se requiere compuestos clorados (cloro o dióxido de cloro). - La paja de trigo seguirá teniendo un uso pequeño, del orden del 5% del total, por lo que su precio se mantendrá bajo y estable en el tiempo. - Posibilidades de outsourcing en las PYMES - Generador de grandes beneficios tangibles Debilidades - Dependencia directa de los socios estratégicos para evaluar resultados - No existen derivados de la materia prima probados en la industria PROYECCIÓN DE VARIABLES QUE INFLUYEN LA DEMANDA El objetivo es establecer, en función de los resultados expuestos en los anteriores capítulos, un perfil general de la posición competitiva que tendrá una nueva empresa que ingrese a la industria de la celulosa. En función de los análisis del medio externo e interno, de las definiciones básicas de la organización y de los factores críticos de éxito, se establecen las siguientes variables del desempeño del negocio. Para que el inversionista lo tenga en cuenta a la hora de ingresar a la industria, la tabla siguiente muestra el posicionamiento general en de un negocio medio de la industria.

324 Identificación del posicionamiento del negocio en la matriz atractivo de la industria Fortaleza del negocio ATRACTIVO DE LA INDUSTRIA Alto Medio Bajo FORTALEZA DEL NEGOCIO Baja Media Alta x ANÁLISIS MEDIO EXTERNO: Modelo de las Cinco Fuerzas de M. Porter A continuación se desarrolla el análisis de las fuerzas que Porter denomina determinantes para determinar la estructura del sector, estas fuerzas son: la intensidad de la rivalidad entre competidores, la amenaza de nuevos participantes (barreras a la entrada), la amenaza de sustitutos y el poder de proveedores y compradores. Para entender el sentido del análisis del medio externo, se toma en cuenta a las empresas productoras de celulosa, las cuales se desarrollan sus procesos con tecnologías internacionales e investigaciones propias. Rivalidad entre los competidores de la Industria El Crecimiento de la Industria está determinado por los mercados emergentes que crecerá un 4% mientras que los mercados maduros un 0,6% al 2020 (Arauco, 2010) La industria seguirá concentrada por los dos únicos productores de celulosa debido a sus altos costos de entrada. La industria posee altos Costo Fijos debido a que el tamaño óptimo de una planta gira en torno a 1millón de toneladas anuales. Los productos no tienen mayor Diferenciación. Las empresas poseen contratos con pymes y empresas mundiales generando Costos de Cambio. Respecto a Intereses Estratégicos de Nivel Corporativo La industria de la celulosa en su conjunto tiene la oportunidad de convertirse en uno de los productores de celulosa más importantes a nivel mundial. Si el mercado sigue funcionando como hasta ahora empresas norteamericanas deberían tener altos Costos de Salida por una vez, debido a que seguirán construyendo plantes celulosas en zonas de bajo costo, especialmente en Latinoamérica. Las Restricciones Gubernamentales en la industria nacional han sido llevadas a cabo por las empresas e incluso destacando en relación con los stakeholders.

325 Amenaza de Nuevos Participantes. Al definir la estrategia, es necesario prestar atención a la posible entrada de nuevos participantes a la industria, ante lo cual la motivación estratégica se traslada al ámbito de erigir barreras a la entrada. La principal y alta Barrera a la Entrada, es la inversión inicial en las plantas de producción de celulosa. La planta debería estar construida en las cercanías de los puntos de aprovisionamiento de paja de trigo. Esta industria está marcada por las Economías de Escala, las cuales han llevado a la celulosa a los precios que se encuentra hoy cercano a los 949 Dólares / t Los productos de la industria celulósica están Diferenciación principalmente Arauco y CMPC, los dos principales productores de celulosa poseen un gran conocimiento de Marca por su participación en la economía nacional y proveedor internacional. Los nuevos participantes de la industria se ven expuestos a altos Requerimientos de Capital, que van desde la investigación a la puesta en marcha de procesos de pulpa celulósica. También la falta de inexperiencia en el sector forestal se transforma en una barrera para potenciales competidores. Las empresas están compitiendo constantemente un la creación de nuevas tecnologías que permitan menores costos en los procesos de elaboración, destacando los químicos Acceso a la Tecnología más Moderna mejorando las condiciones de crecimiento del recurso forestal, tecnología e integración de sus operaciones. Las regulaciones del gobierno y la sociedad es una de las mayores barreras de entradas en las industrias, por los altos niveles de desechos que tienen las plantas de celulosa. Amenaza de Sustitutos Las firmas que ofrecen productos o servicios sustitutos pueden reemplazar a los productos de la industria, o presentar una alternativa para la satisfacción de la demanda, afectando con esto el atractivo de la industria. El impacto sobre la rentabilidad de la industria depende de una serie de factores a saber: disponibilidad de sustitutos cercanos, costos del cambio para el usuario y el contraste de la relación valor-precio entre los productos originales y sus sustitutos. La pulpa celulósica no Dispone de Sustitutos Cercanos Nuevos productos de pulpa celulósica en el mercado de materia prima alternativa afecta en Rentabilidad y además la agresividad dependiendo del volumen de producción del Sustituto, desataría altos cambios en la oferta disponible. En futuras estrategias el Valor Precio del Sustituto que tenga en el mercado será fuertemente valorado, por los mercados emergentes. Además el valor diferenciador respecto a la calidad creerá una oportunidad para entrar en mercados fuertemente regulados. Poder de Negociación de Proveedores El poder de negociación de proveedores, plantea una amenaza a la industria cuando existe un excesivo empleo de poder por parte de este agente. Bajo esta perspectiva, la estrategia debe residir en neutralizar este poder de negociación. La intensidad de este poder es identificado al examinar los factores siguientes: número de proveedores de importancia, disponibilidad de sustitutos a los productos de los proveedores, diferenciación o costos de cambio de los productos de los proveedores, amenaza de integración hacia adelante por parte de los proveedores, amenaza de integración hacia atrás de la industria, contribución de los proveedores a la calidad

326 del producto, costo total de la industria contribuido por proveedores y la importancia de la industria sobre la rentabilidad de los proveedores, los que se analizan a continuación. Los principales proveedores de la industria son el sector forestal que abastece a los dos grandes competidores. Para el proyecto tecnológico UDT, los principales proveedores de encuentran en la novena y octava región del país, donde existen una de las mayores producciones de trigo. La paja de trigo como materia prima dentro de la industria se Diferencia por los bajos costos en comparación a el sector forestal. Existen bajas Amenazas de Integración hacia delante por parte de los Proveedores por los altos costos que existen en la industria, la investigación y capacidad técnica necesaria para producir. La industria celulósica contribuye Importancia de la Industria sobre la Rentabilidad de los Proveedores, a pesar de que el costo de la madera en el país tiene menos costo que el de países europeos, eso ha posicionado el producto final en el mercado mundial como uno de los lideres americanos en precio-calidad del producto, traspasando ese beneficio a los proveedores forestales. Respecto a la entrada de la pulpa celulósica los proveedores tendrían el mayor beneficio en una primera etapa al crear valor económico a los desechos del trigo. Poder de Negociación de Compradores Los compradores compiten con la industria cuando la obligan a reducir los precios, cuando negocian una mejor calidad o más servicios y cuando enfrentan los rivales entre sí. El poder de los grupos importantes de compradores depende del número de características de su situación de mercado y del valor relativo de su compra en relación con la industria global. Un grupo de compradores será poderoso si se cumplen las siguientes condiciones: En el mercado de la pulpa celulósica para la industria chilena, figuran principalmente Norteamérica, Europa y luego Asia, siendo EEUU el país con mayor consumo de los derivados como el papel y cartón, a pesar de que las variaciones de consumo en el mundo son bastantes amplias. Estas Características obligan a la tecnología desarrollada en el proyecto a establecer socios estratégicos que tengan alto poder de negociación, determinado canales de distribución que ya están presentes en la industria. Amenaza de los Compradores de Integración hacia atrás Los compradores no cuentan con costos de cambios al ser la celulosa un commodity, por lo tanto este valor es traspasado a los proveedores de tecnologías para la elaboración de pulpa celulósica. Para la tecnología existe una alta Amenaza de la Industria de Integración hacia atrás. El comprador directo de la tecnología la puede desarrollar para la ejecución de nuevas líneas de productos. Ante esto los efectos de las licencias en otros países pueden frenar. La tecnología desarrollada Contribuye a la Calidad del Producto final de los compradores, al entregar un proceso más eficiente en la producción, afectando directamente en la rentabilidad de los clientes disminuyendo os costos de producción.

327 Cuadro Análisis del medio externo a nivel del negocio Análisis de la Industria de Muy poco Poco Muy Industria de carteras y empaques Atractiva Atractiva Neutral Atractiva Atractiva Barreras a la Entrada Economías de Escala Diferenciación de Producto Identificación de Marca Costo de Cambio Requerimientos de Capital Acceso a Tecnología Avanzada Acceso a Canales de Distribución Acción del Gobierno Efecto de la Experiencia Pequeña Escasa Baja Bajo Bajos Amplio Amplio Inexistente Sin importancia x x x x x x x x x Grande Grande Elevada Elevado Elevados Restringido Restringido Elevada Muy importante Barreras a la Salida Especialización de Activos Costo de Salida Interrelación Estratégica Barreras Emocionales Restricciones Gubernamentales y Sociales Elevada Elevado Elevada Elevadas Elevadas x x x x x Baja Bajo Baja Bajas Bajas Rivalidad entre competidores Concentración y Equilibrio Crecimiento de la industria Costo Fijo Diferenciación de Producto Incrementos de Capacidad Diversidad de Competidores Intereses Estratégicos de Nivel Corporativo Costos de cambio Grandes Lento Elevado Genérico Pequeños Elevada Grandes Elevado x x x x x x x x Pequeño Rápido Bajo Producto único Grandes Baja Bajos Bajo Poder de los compradores Cantidad de compradores importantes Disponibilidad de sustitutos Costos de cambio Amenaza de integración hacia atrás de Compradores Amenaza de integración hacia adelante Contribución a calidad de servicios por compradores Contribución de la industria al costo total de compradores Rentabilidad de compradores Pocos Muchos Bajos Elevada Baja Grande Fracción grande Baja x x x x x x x x x Muchos Pocos Altos Baja Elevada Pequeña Fracción pequeña Elevada

328 ANÁLISIS DEL MEDIO INTERNO Competidores Relevantes Poder de los proveedores Cantidad de proveedores importantes Disponibilidad de sustitutos Diferenciación o costo de cambio de proveedores Amenaza de integración hacia adelante de proveedores Amenaza de integración hacia atrás de la industria Contribución de proveedores a calidad del servicio Costo total de la industria contribuido por proveedores Importancia de la industria para rentabilidad de proveedores Pocos Baja Elevados Elevada Baja Elevada Fracción grande Pequeña x x X X x x x x Muchos Elevada Bajo Baja Elevada Pequeña Fracción pequeña Grande Disponibilidad de sustitutos Disponibilidad de sustitutos cercanos Costos de cambio de usuario Agresividad y rentabilidad de productor de sustitutos Precio-valor de sustitutos Grande Bajos Elevada Elevado x x X X Pequeña Elevados Baja Bajo Para definir a los competidores relevantes en la industria ha de tenerse presente que principalmente se compite por pulpa celulósica, en el mercado nacional e internacional. Competidores desde un punto de vista de mercado Desde el punto de vista de la participación de mercado se tiene que, la industria está compuesta por los principales productores y desarrolladores de tecnología en el país, Arauco S.A. y Empresas CMPC. Situación competitiva en comparación La industria en visión general presenta un nivel atractivo para la entrada de la nueva tecnología, por sus características competitivas y comparativas inigualables, de esta forma aprovechando el potencial crecimiento de la industria celulósica.

329 PULPA CELULOSICA CARBOHIDRATOS DISUELTOS COMO SUPLEMENTO DE ALIMENTO PARA BOVINOS ESTRUCTURA DE LA INDUSTRIA En la primera parte se desarrolla el análisis de las fuerzas que M. Porter denomina determinantes para encontrar la estructura del sector, estas fuerzas son: la intensidad de la rivalidad entre competidores, la amenaza de nuevos participantes (barreras a la entrada), la amenaza de sustitutos y el poder de proveedores y compradores. Para entender el sentido del análisis del medio externo, se toma en cuenta a las empresas productoras de suplementos alimenticios para bovino en la industria, principalmente Iansagro. Poder de Negociación de los clientes. - El mercado presenta constante crecimiento en la nutrición bovina, por exigencias y regulaciones nacionales y en exportaciones, vistas en países como EEUU, Brasil, China, India, Argentina y Australia en la producción de carne y en India, Rusia, Alemania y Francia en la producción lechera. - Los clientes en sus procesos producción de vacas lecheras necesitan de una mayor y mejor nutrición, para elaboración de derivados. - El único productor de alimentación para bovinos es Iansagro, con mayor participación de mercado. - Alto poder de los compradores, optando por distintas alternativas de alimentación en el mercado. - Los compradores tienen capacidad de integración hacia atrás. - Baja amenaza de integración hacia atrás, debido a los costos del proceso producto. - No existen costos de cambios asociados en la industria - Una alta calidad del producto en el proceso productivo Poder de los proveedores. - El poder de venta es mayor ya que los proveedores están concentrados en zonas de la novena región. - No existen sustitutos cercanos. Otras pajas de cereales como la de arroz o el centeno, no tienen las mismas propiedades. - No existen costos de cambios - Al largo plazo los agricultores pueden mejorar sus procesos productivos con mejoras tecnológicas, amenazando con integración hacia adelante. - Los proveedores son el primer contribuyente a la calidad del servicio, pero no así indispensable. - La mayor importancia es el nuevo valor económico entregado a la paja de trigo. Nuevos Competidores. Barreras de Entrada. - La industria posee altos efectos debido a economías de escala, debido a la industrialización y avances tecnológicos de los alimentos para bovinos. - Alto costo en el desarrollo de la tecnología asociado a I&D y posterior comercialización. - Alto costo de acceso a nuevos mercados asociados a distribución de escala mundial.

330 Disponibilidad de sustitutos - Nuevos concentrados. Alimentos que son bajos en fibra y altos en energía, a bajo costo, generando mayor rentabilidad en industria de alimentos - Constante de desarrollos de tecnologías que permitan la obtención de suplementos alimenticios de otros cereales. - Clientes propensos valor-precio del sustituto, respecto al uso de suplementos alimenticios químicos u otros concentrados como granos de cereales, subproductos de cervecería y destilería, subproductos de la industria azucarera (actual competidor en la industria), semillas de leguminosas o proteínas de origen animal. - Suplementos alimenticios químicos de menor calidad nutritiva pero a costo inferior al de mercado. - El desarrollo tecnológico facilita la entrada de sustitutos directos (ejemplo: otros cereales) Intensidad de la rivalidad - En todo el sector pecuario será fundamental satisfacer la creciente demanda de productos ganaderos de calidad. - Las empresas competidoras en la industria se enfocan en productos de menor calidad, y en calidad nutricional. - La intervención de los gobiernos con políticas agrícolas aumentan la exigencia en los competidores. - La existencia de socios estratégicos en la producción de suplementos alimenticios fortalecen y colaboran para ser líderes en la industria. - Las empresas competidoras respecto a la comercialización no se atacan entre sí, si no que fidelizan a los clientes. FODA Análisis Externo. La actividad de la UDT consiste en la producción y comercialización de servicios tecnológicos. Se encuentra ubicada que se encuentra ubicada en el parque industrial de Coronel, sector estratégico de actividades industriales. El producto en estudio se ha venido desarrollando desde una fuente natural, no es tóxico y puede ser utilizado como componente energético en la dieta de bovinos, por ejemplo, en vacas lecheras. Se estima que la aceptación de este producto será importante en el medio agrícola, debido a su similitud con la melaza, un azúcar que se genera del proceso de transformación de la remolacha, cuyo precio no es estable y se ha visto un aumento en los últimos años. a) Oportunidades - Pocos sustitutos que mejoran la nutrición de los bovinos. - Ampliar el poder de negociación con los canales de distribución de importación bovina en el mercado, para respaldar el acceso a exportaciones a países como Paraguay y Argentina que fueron los principales proveedores de carne bovina durante el (Echávarri, 2010) - Se ven economías en alza por lo cual la demanda de carnes rojas es cada vez mayor, donde la nutrición de calidad es valorado en las exportaciones. - Ventajas Comparativas y Competitivas con respecto a otras Producciones y a otros Países

331 - Aumento de las nuevas regulaciones de los gobiernos y mercados internacionales en nutrición animal. - Las políticas de exportación del gobierno a creado nuevas oportunidades para la búsqueda de nuevos mercados internacionales. b) Amenazas - Nuevo y mejor poder en canales de distribución de la competencia. - Aparición de marcas a base de otros cereales como cebada o arroz. - Concentración económica e Integraciones hacia atrás que afectan más a productores medianos y pequeños. - Amplio desarrollo tecnológico en suplementos alimenticos en el mercado nacional - Cambios de las condiciones de comercialización de los proveedores. Análisis Interno Este análisis permite considerar las posibilidades que el suplemento alimenticio puede afrontar con garantías. La pregunta a la que se debe dar respuesta es qué puede hacer la empresa?, para indicar con certeza las acciones a tomar se considerará a los clientes, proveedores, proceso de producción y tecnología. Existe una afirmación empresarial que contribuirá a la satisfacción de las necesidades del medio agrícola. a) Debilidades. - Poco conocimiento de este tipo de producto en el mercado de alimentación animal. b) Fortalezas - Mayor rendimiento de un complemento alimenticio. - Los carbohidratos que se pueden extraer a partir de la paja de trigo, es mayor que la melaza obtenido a partir de la remolacha. - Presencia de Know how (constantemente UDT se encuentra en investigación y desarrollo de ideas). - Personal en el área de producción con conocimientos sólidos en el proceso de producción.

332 Bibliografía 2. Empresas CMPC, Publicaciones celulosa papelnet Publicaciones CMPC, Corporación chileno de la madera AG, Estrategia Competitiva: Técnicas para el análisis de los sectores industriales y de la competencia. Porter, Michel E. Co Editorial Continental Fertilizantes en Chile: Coyunturas y perspectivas, Espinoza, Jacqueline O. Ministerio de Agricultura, Gob de Chile, Fertilizantes en Chile, Instituto Valenciano de la Exportación (IVEX CHILE), Mayo Situación de la carne bovina Verónica Echávarri Vesperinas, Oficina de Estudios y políticas agregarías, Gobierno de Chile. Mayo,