De la caña de azúcar al hidrógeno: prototipo para una transformación de bajo costo

De izquierda a derecha: Andrés Barrera, estudiante del Programa Académico de Ingeniería Química; David Gómez-Ríos, profesor y director de Ingeniería Química; Howard Ramírez Malule, profesor y Director del Grupo de Investigación BIOQUIMAP. Crédito: Édgar Bejarano, Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería.

Como resultado de su trabajo de grado, Andrés Barrera Aristizabal, del Programa Académico de Ingeniería Química de la Universidad del Valle, desarrolló un sistema de bajo costo para medir las emisiones de hidrógeno producidas a partir del tratamiento de residuos de caña de azúcar que busca ser de utilidad a pequeños productores de regiones no interconectadas del país. Siendo un hito poco común entre estudiantes de pregrado, el resultado de su trabajo fue publicado en la revista internacional AgriEngineering, clasificada como Q1 en el índice bibliográfico SJR (Scimago Journal & Country Rank) y dedicada a visibilizar tecnologías innovadoras en el ámbito de la agricultura en el mundo.

La búsqueda de otros usos posibles

Todo empezó cuando Andrés Barrera compartió con sus profesores el interés de trabajar en procesos biológicos derivados de la reutilización de materiales considerados desechos, luego de utilizarse en actividades industriales a gran escala. Entre las opciones que sopesaron, la que más llamó su atención fue la de desarrollar un biorreactor que pudiera transformar los desechos producidos en el Valle del Cauca en una fuente de energía. Decidieron trabajar con la vinaza de la caña y con el RAC —Residuos Agrícolas de la Cosecha—, pues el peligro para las fuentes hídricas, sumada a las actuales regulaciones sobre su utilización, han traído consigo el gran interrogante sobre sus usos posteriores. 

La idea, luego de un periodo de investigación, era clara: convertir tales desechos en un vector de energía que contribuyera en la búsqueda de energías limpias, en el marco de la transición energética global, a la vez que una futura forma de generación de ingresos para pequeños y grandes productores. En lugar de metano, la forma de energía que usualmente se genera a partir de desechos, Andrés se decantó por el hidrógeno. 

“Es algo que tiene mucho mayor potencial en cuanto a capacidad calorífica y en cuanto a la ruta de hidrógeno. Porque en el país ya hay una ruta de hidrógeno que nos dice que Colombia quiere hacer esa transición energética de combustibles fósiles a hidrógeno” asegura Andrés, añadiendo que para esta investigación se utilizó el método de fermentación oscura.

La producción de hidrógeno fue, entonces, su punto de partida. Se hicieron todas las investigaciones, se acordó qué hacer con la materia prima, qué pretratamientos debían hacerle. No era fácil trabajar con estos materiales. Por un lado, el RAC, compuesto en gran medida por hojas secas y residuos parecidos –y que usualmente es quemado, usado como comida de ganado o para adecuación de terrenos- tiene una estructura muy rígida, por lo que debía ser resquebrajado para sacar a relucir sus azúcares, a través de ácido diluido. Por el otro, la vinaza, al darse en cantidades abundantes en la región, debía pasar por un tratamiento que permitiera tanto la existencia de bacterias anaeróbicas suficientes para la obtención del hidrógeno, como de los carbohidratos y nutrientes esenciales para hacer posible el trabajo de fermentación oscura.

Sensor MQ-8: medición de bajo costo

Estudiante Andrés Barrera explicando el funcionamiento del dispositivo de medición desarrollado. Crédito: Édgar Bejarano, Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería.

La siguiente pregunta que planteaba el experimento era cómo hacer para medir la información obtenida, y que esta fuera confiable y de bajo costo. Aunque para estas mediciones hay opciones conocidas en la academia, siendo la cromatografía de gases la más utilizada por sus resultados infalibles, prefirieron buscar otras, pues aquella requiere de grandes inversiones económicas, lo que deja de lado a un sector importante de productores en zonas no interconectadas del país.

“Entonces Andrés, en su revisión de la literatura, encontró que había unos sensores de muy bajo costo que se podían implementar. Él se dio a la tarea de conseguirlo, de configurarlo”, comenta el profesor, Director de Ingeniería Química y codirector del trabajo de grado, David Gómez-Ríos. Era un sensor MQ-8, un medidor con una conductividad eléctrica que aumenta proporcionalmente a la concentración de hidrógeno en el aire, por su alta sensibilidad frente a este tipo de gas, lo que permite una buena captura de información, aunque el hidrógeno sea un gas muy liviano, que se puede fugar fácilmente. 

Este sensor se conectó, de un lado, a un contenedor donde estaba la vinaza de la caña y el RAC, y del otro a una pequeña tabla de Arduino, que enviaba los datos obtenidos a un computador en tiempo real, para su análisis. Una vez implementado, se dio todo el proceso de experimentación, con diferentes concentraciones de vinaza y RAC, a lo largo de seis días.

Otro de los beneficios que trajo consigo esta tecnología fueron los múltiples ámbitos en las que se puede aplicar, no solo a la caña de azúcar y sus derivados. “Si yo me voy al altiplano cundiboyacense puede haber residuos de la papa. Si me voy a La Guajira habrá residuos (producto de actividades agropecuarias). Si me voy al Putumayo, encontraré una situación similar a estos otros lugares. Ahí se puede aplicar el mismo enfoque que usamos acá con la vinaza”, aclara el profesor Howard Ramírez Malule, Director del Grupo de Investigación BIOQUIMAP y director del trabajo de Andrés.  

Todos los anteriores son ejemplos de la necesidad de facilitar los procesos de reutilización de desechos, y que también resuenan en el deseo de transición energética que se está intentando implementar en el mundo actualmente. Según el profesor Gómez-Ríos, dicha transición implica una serie de desafíos, entre ellos el logístico, lo que conlleva ciertas responsabilidades. “Hay que pensarse cómo hacemos, en el sitio de generación de un residuo en particular, para que esa tecnología se pueda implementar allá, sin obligar a transportar grandes volúmenes de sustancias”. Descentralizar el uso de estas tecnologías con las mediciones in situ que permite este dispositivo facilita el uso de campesinos y pequeños productores para que puedan hacerse cargo de sus desechos productivos. En este sentido, y gracias a que su costo en el mercado está por debajo de los 12.000 pesos, el uso de este sensor le apunta, a su vez, a incentivar la transición energética por sendas más asequibles, para todo tipo de productores, sin importar dónde estén ubicados.

La publicación de la investigación en la revista AgriEngineering: un hito para Andrés 

Son poco frecuentes los casos de estudiantes de pregrado que realizan una publicación en una revista científica, a nivel internacional. En el caso de Andrés Barrera, la idea surgió cuando, en medio de la investigación y el análisis de la experimentación, entendieron que los problemas que habían tenido al optar por una tecnología de bajo costo también podrían presentarse en otros casos. En un escenario como ese, pensaron, la comunidad académica valoraría la solución a la que habían llegado. 

“Entonces, viendo el potencial que tenía el trabajo, en el que se hizo un desarrollo y se validó su información, en este caso en un entorno a menor escala, decidimos buscar una revista que fuera especializada”, recuerda el profesor Gómez-Ríos, y añade que la estructuración del artículo científico fue trabajo de Andrés, quien se enfrentó a los desafíos de escribir en otra lengua, además de la validación estadística que acompañara los resultados. 

Después, el artículo se envió, recibió la respectiva retroalimentación, todo durante un período de evaluación relativamente corto. “Eso también habla, de alguna manera, de que el trabajo fue bien recibido”, asegura el profesor Gómez-Ríos.

Por su parte, para Andrés Barrera, la publicación del artículo supuso una gran felicidad. “Porque sabes que todo el esfuerzo que se hizo a lo largo de un año se ve reflejado. Me gustó lo que hice. Me gustó todo lo que se experimentó. A pesar de los desafíos y de los inconvenientes que hubo, siento que fue muy grato para mi formación profesional”. Su objetivo a mediano plazo es, según cuenta, hacer una maestría, que le permita seguir ampliando sus conocimientos sobre la línea investigativa de bioprocesos.

Mejoras a futuro

“Nosotros siempre estamos pensando en materiales de bajo costo. Pensando en ese campesino que tiene residuos, pero no la tecnología para aprovecharlos”, dice el profesor Howard Ramírez Malule. Pensando en estas comunidades, se han planteado mejoras al dispositivo de detección de hidrógeno, que van desde la sofisticación de su montaje, pasando por una más exacta cuantificación de los datos arrojados, la calibración del sensor, determinar su vida útil, hasta la posibilidad de que se convierta en un biorreactor para producir tanto de hidrógeno como metano. 

Dichas mejoras requieren de inversores que vean el potencial de este tipo de trabajos, algo ya empieza a augurarse en el futuro. “Cuando hicimos la divulgación del trabajo de Andrés (en AgriEngineering), me escribió una persona de Cenicaña, diciéndonos que es muy interesante lo que estamos haciendo”, recuerda el profesor Ramírez Malule, y añade que luego de ese contacto se dieron a la tarea de intercambiar información, esperando que esto se pueda materializar con un trabajo en conjunto. “Creemos que este trabajo lo podemos llevar a una segunda etapa, a una escala piloto. No solamente que se quede en una investigación de laboratorio, sino que también tenga un cara a cara, un acercamiento con la industria”, son sus palabras.

Si le interesa contactar al estudiante y directores del trabajo de grado o conocer más sobre el proyecto, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co