M.Sc. José Angel Sotolongo Pérez*
Dr. Pedro A. Beatón Delgado**
Ing. Armando Díaz García***
Lic. Sofía Montes de Oca López*
Lic. Yadiris del Valle Atala*
Ing. Soraya García Pavón*
*Centro de Aplicaciones Tecnológicas para el Desarrollo Sostenible (CATEDES), del Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA), Guantánamo, Cuba.
**CITMA, Santiago de Cuba, Cuba.
***Facultad de Ingeniería Química, Universidad de Oriente, Cuba.
e-mail: sotogtmo@enet.cu y pbeaton@yahoo.es

Resumen
En Cuba las biomasas de origen agroforestal son abundantes en muchas regiones y no se aprovechan completamente. Entre el bagazo, la paja de caña, la cáscara de arroz y de café, el aserrín, las astillas y los residuos forestales se producen cada año alrededor de 400 000 toneladas equivalentes de petróleo (tep), lo que representa aproximadamente 10% de la producción anual de petróleo crudo y gas acompañante del país [Rodríguez, 2003].

Una nueva especie botánica, que crece silvestre sin aparentes usos económicos (solo como cerca viva y sus semillas son antiparasitarias), podría convertirse en breve tiempo en una nueva alternativa para potenciar el desarrollo sostenible en zonas rurales. La Jatropha curcas Leen, más conocida como piñón botija o piñón de leche por los campesinos en el Oriente cubano, pertenece a la familia de las Euphorbiaceae. Estudios desarrollados por el Centro de Aplicaciones Tecnológicas para el Desarrollo Sostenible (CATEDES), del Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente (CITMA), en conjunto con el ICINAZ, el Complejo Agroindustrial (CAI) Bartolomé Masó, ambos del Ministerio del Azúcar (MINAZ) y el CEINPET, del Ministerio de la Industria Básica (MINBAS), demuestran las potencialidades energéticas y medioambientales de este cultivo energético como un alternativa para el desarrollo energético sostenible, permitiendo la producción de nuevos combustibles: biodiésel a partir de su aceite vegetal (no comestible) y otras biomasas residuales (cáscara del fruto, pericarpio o cascarilla de sus semillas, la torta o cake residual de la extracción del aceite y la madera combustibles). También contribuye a importantes soluciones ambientales: mejoramiento y conservación de suelos, incremento de la biodiversidad mediante la reforestación y mitigación de las emisiones de gases contaminantes.

Otro aspecto de la investigación es el desarrollo de una tecnología agrícola que permita el uso de áreas agrícolas abandonadas por la producción cañera debido al empobrecimiento de los rendimientos, así como el uso de tierras semidesérticas y secas, como las de la franja costera sur de la provincia de Guantánamo. También se crean nuevos empleos y se potencia un desarrollo agroindustrial en zonas rurales, lo que genera nuevas materias primas o rublos exportables y disminuye las importaciones de portadores energéticos (combustibles fósiles), y finalmente incrementa la participación de la biomasa en la matriz energética de Cuba.
Palabras clave: Jatropha curcas, biomasa, biodiésel, glicerol, tranesterificación, metiléster, desarrollo sostenible, aceite vegetal, nuez, cáscara del fruto, pulpa, pergamino o cascarilla, tonelada de petróleo equivalente.

Introducción
El nombre del género Jatropha deriva del griego: jatrós (doctor) y trophé (comida), que implica usos medicinales. Según Correll [1982], curcas es el nombre común para la nuez del Phycis en Malabar, India.

Es originaria de México y Centroamérica, pero crece en la mayoría de los países tropicales; se cultiva en América Central, Sudamérica, sureste de Asia, India y África [Schmook y Serralta-Peraza, 1997]. En Cuba está presente en casi todas las provincias y la Isla de la Juventud, y se desarrolla de forma silvestre como cerca viva.

La planta Jatropha curcas L. (nombre científico)pertenece a la familia de las Euphorbeaceae (familia Castor) [Salas, et al., 1994]. Es una oleaginosa de porte arbustivo que tiene más de 3 500 especies agrupadas en 210 géneros; alcanza de 3 a 6 m de altura y tiene una longevidad mayor de 50 años; se destaca por su producción de biomasa, versatilidad de usos y adaptabilidad a condiciones marginales.

Actualmente uno de los grandes problemas de la humanidad es su dependencia con relación a los combustibles fósiles, que además de ser limitados provocan un fuerte impacto ambiental y trastornos económicos, en especial a los países del Sur. El reto está en conseguir que las fuentes renovables de energía vayan sustituyendo paulatinamente esos combustibles; una alternativa puede ser la biomasa, en especial aquella que puede convertirse en fuentes productoras de aceite vegetal, como es el cultivo de la Jatropha curcas L. en tierras abandonadas, secas y semiáridas no comprometidas con la alimentación humana.

El cultivo de esta planta cada día se extiende con mayor fuerza en países como India, Brasil, Guatemala y algunos países africanos, los cuales están trabajando para perfeccionar las técnicas del cultivo y los procesos industriales de sus diferentes biomasas y/o residuos. Ya en Cuba, en las provincias de Guantánamo y Granma, se desarrollan los primeros cultivos energéticos impulsados por el CITMA, el MINAZ y el apoyo del MINBAS.
Una estrategia encaminada al desarrollo de este cultivo como fuente de energía y productos renovables podría permitir:

• Reducir la pobreza creando empleos, en especial para el sector femenino, y creando nuevos productos, como combustibles, medicinas, insecticidas, lubricantes, fertilizantes, etcétera.
• Solucionar problemas ambientales, como la erosión y la reforestación, además de mejorar microclimas y mitigar los gases de efecto invernadero, etcétera.
• Incrementar la calidad de vida en el campo.
• Reducir el consumo de leña en zonas rurales.
• Reducción de las importaciones en zonas rurales.
• Disminuir la vulnerabilidad alimentaria.
• Desarrollar tecnologías descentralizadas, en especial en la solución de la energización.

Características de los frutos
Los frutos son cápsulas drupáceas de 2 cm de diámetro, como una pelotita de ping-pong de color café claro, donde se encuentran de dos a tres semillas del tamaño, forma y apariencia de una almendra, aunque más blancuzca, rodeadas por un material en forma de pulpa y la cáscara del fruto, que se convierte en un material pergaminoso al secarse. Una hectárea de cultivo energético de Jatropha curcas (en base a 400 árboles/ha) puede producir 3 500 kg de frutos (con un peso promedio por fruto de 3,3 g).

Cáscara del fruto
Para obtener la almendra es preciso pelar o descascarar el fruto, lo que puede hacerse de forma manual o con una máquina descascaradora. La producción de cáscara del fruto es de 1 000 kg/ha (30% del peso del fruto), que también puede pasarse por un molino de bola y convertirse en un material magnífico como biofertilizante después de convertirla con compost. La cáscara tiene un valor calórico de aproximadamente 2 651 kcal/kg (15% de humedad), por lo que también puede ser empleada como combustible.

La cáscara también puede transformarse, mediante un proceso de digestión anaerobia, en biogás y biofertilizante (efluente del digestor), lo que podría optimizar los rendimientos energéticos. En Nicaragua fue investigada la bioconversión de este material en digestores anaerobios de flujo ascendente, a temperatura ambiente, con tiempos de retención de tres días y se alcanzaron producciones de biogás adecuadas.

La semilla
Una hectárea de la variedad nativa podría producir unos 2 500 kg de semillas (70% del peso del fruto y 5 % de humedad), de color negro y forma oblonga elipsoidal con estrías oscuras y prominentemente reticuladas, que pueden medir como promedio alrededor de 17,41 mm de largo (entre 16,3 y 19,0 mm) y 11,45 mm de ancho (entre 10,0 y 12,8 mm). El peso de la semilla (para 1 000 unidades) es aproximadamente 840 g, es decir, 1 190,5 semillas por kilogramo, como promedio. Cada semilla pesa como promedio 0,84 g en la variedad nativa, según los resultados experimentales obtenidos en el segundo año del cultivo. De este peso, 74% corresponde a la nuez y 26% a la cascarilla o pergamino.
Este último no se puede eliminar para su uso como portador energético en el caso de usar máquinas extractoras Sundhara (proyecto alemán), debido a que facilita el proceso de extracción del aceite. La cascarilla tiene un valor calórico de 4 108 kcal/kg (10% de humedad), por lo que puede ser empleada como portador energético.

La variedad de Cabo Verde posee una semilla más pequeña (el peso de mil granos es aproximadamente de 682 g y la longitud de la semilla es aproximadamente de 16,8 mm). Esta variedad se encuentra en casi todos los países el mundo, excepto Centroamérica (en Cuba se han sembrado unas 9 ha recientemente, en las provincias de Guantánamo y Granma; se adaptaron muy bien a las condiciones edafoclimáticas de esas regiones secas y se encuentran en proceso de evaluación.

La semilla de la variedad de Nicaragua tiene un peso por 1 000 granos de aproximadamente 878 g; la longitud de la semilla es de aproximadamente 20,3 mm. El rendimiento de los árboles parece ser el mismo, pero tiene menos frutas por árbol que la variedad africana.

En otra variedad mexicana reportada como no tóxica el peso de mil granos está entre 524 y 901 g. Birgit y Schmook reportan existencia de estas semillas en la zona de Misantla, Veracruz, y son muy apreciadas por la población como alimento.

Las variedades nativas de Centroamérica (Nicaragua, México y Cuba) son diferentes a la de Cabo Verde, con hojas más grandes y redondeadas y una talla mayor, con semillas más grandes. Aunque esta última en Cuba parece ser más resistente ante el estrés por sequía.

Cada 100 g, la semilla puede contener 6,6 g de agua, 18,2 g de proteína, 38,0 g de aceite vegetal, 33,5 g de hidrato de carbono total, 15,5 g de fibra y 4,5 g de ceniza [Duque y Atchley, 1983].

Las semillas son longevas y debe reducirse su humedad hasta alcanzar entre 5 y 7% antes de almacenarse. A la temperatura ambiente las semillas pueden retener una alta viabilidad por lo menos durante un año. Esa característica de longevidad le da ventajas en relación con otras oleaginosas. Sin embargo, con el tiempo el aceite varia su pH, lo que afecta después el proceso de transesterificación para producir biodiésel (lo hace más ácido), lo que encarece el proceso industrial al requerir un consumo mayor de materia prima.

Las semillas pueden ser prensadas en cualquier máquina extractora de aceite diseñada para su procesamiento a presión en frío y se obtienen dos productos:

• El primero es un jugo o aceite de la semilla, que puede ser utilizado en la fabricación de jabones, insecticidas, lubricantes; como combustible para las cocinas y faroles de alumbrado y para la producción de biodiésel. También puede emplearse en la alimentación humana (después de desintoxicar).
• El segundo es un residual conocido con el nombre de torta o cake.

El aceite vegetal
Las semillas contienen alrededor de 38% de aceite en peso (aunque hay autores que reportan cifras hasta aproximadamente 50%). De esta cifra se puede obtener entre 27 y 32% usando máquinas extractoras a presión en frío. Este aceite es principalmente usado para la producción de jabón, insecticida y como combustible en forma de aceite puro o después de transesterificar (metilester o etilester), como biodiésel para ser usado en motores, cocinas y faroles para el alumbrado. Como biodiésel se emplea en mezclas B2, B5, B10, B20 o puro (B100). Si se usan algunos extractos, como solventes orgánicos, la extracción puede aumentar.

Con el empleo de una máquina Sundhara de fabricación local se han obtenido extracciones de aceite del orden de 29% y se han logrado rendimientos de 3,3 kg de semillas para producir 1 kg de aceite puro (1,086 L de aceite), con las siguientes características físico-químicas determinadas en el Laboratorio de la Refinería Hermanos Sainz de Santiago de Cuba.

VCI: 8 955,8 kcal/kg.
VCS: 9 335,0 kcal/kg.
Densidad a 60 0F g/cm3: 0,9207.
Viscosidad cinemática a 20 ºC cst: 44,31.
Relación C/H: 13,11.
Azufre en peso: 0,04%.
Agua en peso: 0,21%.
Una hectárea podía producir, en las condiciones predeterminadas en este trabajo, unos 750 kg de aceite puro de Jatropha curcas (30% del peso de la semilla), con un valor calórico de 9 335,0 kcal/kg, y puede alcanzar menos de 4% de acidez cuando está fresco.

La torta o cake
Es una mezcla de carbohidratos, fibra, proteína y aceite que no se pudo extraer, la cual contiene algunos componentes tóxicos; aún así es muy útil como biofertilizante por su alto contenido en nitrógeno. Después de eliminados los elementos tóxicos se podría transformar en un excelente alimento balanceado para el ganado, con un contenido proteínico superior a 50%. Aproximadamente 1 000 kg de este material podían obtenerse por hectárea, y también puede usarse como combustible, ya que tiene un valor calórico de 2 651 kcal/kg (3% de humedad). La variedad mexicana no es tóxica (contenidos de ácido forbólico y curcina muy bajos), por lo que sus semillas producen una torta de mayor calidad para usos económicos. Se prevé la adquisición de estas semillas para su evaluación. Investigaciones en Nicaragua ya han demostrado que este material es un buen sustrato para la producción de biogás en reactores UASB.

La madera combustible
Una hectárea de Jatropha curcas puede aportar unas 20 t de biomasa (base seca), considerando 200 kg de biomasa por árbol (población de 400 árboles/ha) después de los seis años.

La madera de las podas obligatorias de este cultivo (mantenimiento y de formación) tiene un valor calórico de 3 702 kcal/kg (15% de humedad), la cual puede ser empleada como estacas para regeneraciones de la Jatropha curcas en potreros, como cercas vivas o como leña combustible o para producir carbón. La producción de leña combustible aún no se ha podido definir con exactitud en las condiciones de este estudio, ya que las plantaciones aún son jóvenes.

Desde el punto de vista ambiental cada árbol puede contribuir a fijar 6 kg de CO2 (disminución de las emisiones de gases contaminantes) y 9 kg de O2, además de contribuir a la reforestación de zonas semiáridas y secas, y ayudar a incrementar la biodiversidad, evitar la erosión, restablecer el ciclo hídrico y formar suelos.

Estudios internacionales de varios países del trópico arrojan que si el nivel de nutriente suministrado es suficiente (en especial nitrógeno), el desarrollo de la planta depende de la disponibilidad de agua y la producción primaria neta de biomasa (NPP); es decir, la producción de todos los tipos de biomasas en un período anual (hojas del árbol, biomasa de la madera, frutos, etc.), puede alcanzar un rango promedio de 1,2 t/ha/año de materia seca al aire seco con precipitaciones anuales de 200 mm hasta 11,8 t/ha/año de materia seca al aire donde las lluvias alcanzan 1 500 mm.

Después de siete años cada planta tiene aproximadamente 200 kg de biomasa, incluyendo las raíces, por lo que considerando 25% de materia seca se aportarían 50 kg de materia seca (biomasa/árbol).

El glicerol
En el proceso de transesterificación del aceite para producir biodiésel por regla general se forman 79 mL de glicerina por cada litro de aceite usado (7,9 %), o sea, unos 64,35 L de este material por hectárea. La glicerina pura no es sólida a temperatura ambiente, pero la «capa de glicerina» no es solo glicerina, sin también una mezcla de glicerina, jabones, metanol sobrante y catalizador (lejía). Ésta se puede destilar para convertirla en glicerina farmacéutica con un alto valor añadido como materia prima industrial o como combustible en la producción de biogás.

Hay dos rutas para producir energía de los desechos del proceso de biodiésel; la bioconversión y la termoconversión, aunque la generación del biogás combinada es mejor que la combustión. La mezcla correcta de proteínas, glicerina y sales necesita ser cuidadosamente resuelta mediante futuras investigaciones.

Desde el 2001 se está investigando la conversión en gas de la glicerina obtenida como coproducto en la transesterificación. Este proceso podría aportar también una notable ayuda en la depuración del resto de los residuos de la planta, que se incorporarían como materia prima en los digestores.

La termoconversión de la glicerina será otra opción en el futuro teniendo en cuenta
que la relación de poderes caloríficos inferiores de la glicerina y el gasoil es de 0,377 (4128,2 kcal/kg). En cuanto a la combustión se refiere, la glicerina se quema bien, pero ha de ser quemada a altas temperaturas para evitar que emita vapores de acroleína, sustancia tóxica por inhalación y por contacto a través de la piel. El límite legal de exposición humana a la acroleína es de 0,1 ppm, como promedio, durante una jornada de trabajo de ocho horas y en ningún momento se puede exceder de 0,3 ppm durante más de quince minutos. Los vapores de acroleína se producen al quemar la glicerina entre
200 y 300 ºC.

Por lo tanto, la opción de quemar la glicerina debe contar con unos quemadores que permitan alcanzar una combustión completa a una temperatura del orden de los 1 000 ºC y mantenerlo en los quemadores durante un período superior a cinco segundos, siendo conveniente incorporar también un proceso previo de precalentamiento y atomización.
La glicerina tiene más de 1 500 usos conocidos; no obstante, en este momento las aplicaciones más importantes se derivan de su destino para la industria de la alimentación, que además es también la que más crece con tasas de 4% anual. La cosmética le sigue en importancia con tasas de crecimiento anual que superan los 3,5%.

Resultados y discusión
En las condiciones de Cuba se pueden realizar (para regiones secas y/o semiáridas) dos cosechas: una de producción alta entre los meses de diciembre y febrero, y otra con rendimientos menores entre los meses de julio y septiembre.

El cultivo energético de una plantación de Jatropha curcas acentúa su producción a partir del tercer año y se estabiliza a los seis años. En ese momento por cada hectárea plantada de Jatropha curcas en un agrosistema de silvipastoreo se podrían garantizar los niveles de productividad de biomasa expuestos en la figura 1 (para estas condiciones edafoclimáticas y suelos secos y semiáridos):

Fig. 1. Niveles de productividad de biomasa.

En esta figura se pueden observar las características energéticas de las diferentes biomasas; las de mayor valor económico son el aceite y el glicerol por su diversidad en usos, potencialidades energéticas y el estado de madurez actual de la tecnología para su aprovechamiento energético y otros muchos usos industriales, como materia prima en importantes procesos (jabón, cosméticos, insecticidas, lubricantes, etcétera).

En espera de las nuevas y más modernas tecnológicas para el aprovechamiento de las otras biomasas (cáscara del fruto, cascarilla o pericarpio de la semilla y la torta residual), se pueden utilizar de inmediato como biofertilizantes, y podrán transformarse en energía en un futuro próximo mediante procesos de bioconversión y termoconversión, en la producción de gas (biogás) y calor para diversas necesidades socioeconómicas.

Un sistema agroforestal puede producir de forma teórica niveles de energía superiores a las 1,835 tep/ha (no se incluye la leña combustible). De esta cifra, el aporte de mayor calidad lo constituye el aceite vegetal puro y su conversión en biodiésel (0,305 tep/ha), cifra que puede duplicarse en la medida que se garanticen manejos agroculturales óptimos del cultivo y se determinen con exactitud las repuestas productivas de frutos ante las variaciones de irrigación y fertilización, aspectos que necesitan aún de mayores estudios y precisiones.

Aportes e impactos
Los principales aportes e impactos de un agrosistema forestal de Jatropha curcas se pueden enmarcar en los beneficios económicos, sociales y medioambientales.
Económicos: El país podrá disponer de nuevos combustibles renovables (cáscara, cascarilla, leña y el aceite vegetal para producir biodiésel), lo que tendrá una influencia positiva en el mejoramiento de la matriz energética, así como posibilitará una mayor diversificación de los combustibles que participan en la economía energética, en especial la biomasa (al aportar nuevos combustibles renovables). Estas materias primas y sus subproductos (residuos) de los procesos industriales (aceites, glicerol, torta, cáscara, etc.) pueden tener otros empleos económicos (insecticidas, abono, alimento animal, y otros), de acuerdo con la factibilidad económica, así como generar empleos, desarrollo de agroindustrias y reducción de las importaciones de combustibles y otras materias primas, y generar nuevos rubros exportables.

Sociales: Puede contribuir a la solución de problemas de la energización rural, como un nuevo combustible para las cocinas, lámparas de alumbrado, las maquinarias, etc., lo que influye en una elevación de la calidad de vida.

Medioambientales: El desarrollo de un agrosistema de Jatropha curcas y el aprovechamiento de su biomasa pueden propiciar un incremento de las áreas boscosas y frenar la reforestación en los ecosistemas más frágiles, en especial en las regiones semiáridas y secas no aprovechadas por la agricultura cubana, la regeneración de esos suelos, el incremento de la biodiversidad, la disminución de las emisiones de gases contaminantes, etcétera.

Conclusiones
La producción de biomasa de la Jatropha curcas y su conversión en energías limpias y útiles puede tener una influencia positiva en la matriz energética nacional y sobre el medio ambiente; el país se beneficiará con el crecimiento del área boscosa, el incremento de la biodiversidad, la recuperación de suelos erosionados y agotados productivamente y la mitigación de las emisiones de gases contaminantes, responsables del efecto invernadero y del calentamiento global.

No son despreciables las producciones de biomasa de un agrosistema forestal de Jatropha curcas (1,83 tep/ha, no se incluye el aporte de la leña combustible por no haberse estudiado con precisión su aporte real, cifras que sí están incluidas en la producción de biomasa de las otras agroindustrias). Esas producciones pueden incrementarse a medida que se precise la influencia de la fertilización y la irrigación con la productividad de frutos y biomasa en general. Una comparación de los resultado obtenidos con otras agroindustrias cubanas (3,43 tep/ha de la caña de azúcar, 1,07 tep/ha del cocotero y 0,118 tep/ha del café), demuestran la factibilidad de este cultivo energético.
Otro análisis que avala lo anterior es la relación input:output energética; para la Jatropha curcas es de 1:3,5 hasta 1:5 según la experiencia internacional, superior a las obtenidas en las otras agroindustrias cubanas, exceptuando al cocotero (caña de azúcar 1:1,8; en Guantánamo era de 1:0,94; mientras que el café era de 1:0,71 y el coco de 1:22 ).
A esto se añaden las potencialidades que ofrece este cultivo energético vinculado a un sistema agroforestal, los dos primeros años y después a un sistema silvipastoreo (ovino), garantizando la producción de alimentos (legumbres y proteína animal) de gran valor en la dieta humana; ya se cuenta con una primera experiencia en una finca en la región de Macambo del municipio San Antonio del Sur en la provincia de Guantánamo y en la provincia de Granma.

Bibliografía
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Colectivo autores. “CATEDES” «Evaluación fenológica y productiva del cultivo de Jatropha curcas». Datos estadísticos de evaluación del proyecto PT 137, 2006.
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Openshaw, Keith. «A Review of Jatropha curcas: an Oil Plant of Unfulfilled Promise». Biomass and Bioenergy 19, 2000.
Rodríguez, F. 2003. «Cuanto creció en verdad la economía cubana». En: Trabajadores, 29 de diciembre, Cuba. p. 7.
Schmook, B., & Seralta-Peraza, L. (1997). J. curcas: Distribution and Uses in the Yucatan Peninsula of Mexico. In G. M. Gu¨ bitz, M. Mittelbach, & M. Trabi (Eds.). Biofuels and industrial products from Jatropha curcas. DBV Graz, 1997.
Sotolongo Pérez, José A. «Evaluación de las fuentes de energía, sus potencialidades y principales impactos medioambientales en la provincia de Guantánamo». Tesis en opción al grado de Máster en Energía.