Revista Científica ‘‘INGENIAR”: Ingeniería, Tecnología e Investigación. Vol 4, Num 8 (jul-dic) ISSN: 2737-6249  
Optimización de las propiedades mecánicas y estructurales de biocombustibles sólidos a partir de biomasa  
lignocelulósica  
DOI: https://doi.org/10.46296/ig.v4i8.0032  
OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y  
ESTRUCTURALES DE BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS A PARTIR  
DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA  
OPTIMIZATION OF THE MECHANICAL AND STRUCTURAL  
PROPERTIES OF SOLID BIOFUELS FROM LIGNOCELLULOSIC  
BIOMASS  
1
1
Romero-Mendoza María Alexandra *, Palacios-Vallejos Karla Yuliana , Rosero-  
1
1
Delgado Ernesto , Latorre-Castro Gisela  
1Carrera de Ingeniería Química, Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y  
Químicas, Universidad Técnica de Manabí, UTM. Portoviejo, Ecuador.  
*
Correo: ale97romero@gmail.com  
Resumen  
A pesar del gran potencial de la biomasa lignocelulósica densificada (pellets), no existe  
aprovechamiento energético eficiente de estos biocombustibles, debido a la complejidad de sus  
propiedades mecánicas y estructurales más relevantes (tamaño, diámetro). El objetivo del  
presente trabajo fue optimizar las propiedades mecánicas y estructurales de un biocombustible  
sólido elaborado a partir de biomasa lignocelulósica (BL) de la palma Africana. Se evaluó el  
efecto de dos longitudes (10 y 16 mm) y dos diámetros (5 y 8mm) sobre el valor calorífico superior  
(
HHV) de los biocombustibles sólidos. Se realizó un análisis proximal y un ensayo de combustión  
a cada una de las combinaciones evaluadas. Se determinó que una longitud de 10 mm y un  
diámetro de 8 mm de los pellets, alcanza el mayor HHV con un valor de 16,736 ± 0,14 Mj/kg y la  
mayor temperatura de combustión con un pico máximo de 725,10 ± 36,9 °C a los 10 minutos.  
Estadísticamente, se pudo comprobar que la longitud influye directamente sobre el potencial  
energético, y por el contrario el diámetro del pellet no tiene incidencia sobre el HHV.  
Palabras clave: pellets, HHV, propiedades mecánicas.  
Abstract  
Despite the great potential of densified lignocellulosic biomass (pellets), there is no efficient  
energy use of these biofuels, due to the complexity of their most relevant mechanical and  
structural properties (size, diameter). The objective of the present work was to optimize the  
mechanical and structural properties of a solid biofuel elaborated from lignocellulosic biomass  
(
8
BL) of the African palm. The effect of two lengths (10mm and 16mm) and two diameters (5 and  
mm) on the upper calorific value (HHV) of solid biofuels was evaluated. A proximal analysis and  
a combustion test were performed on each of the combinations evaluated. It was determined that  
a length of 10 mm and a diameter of 8 mm of the pellets reaches the highest HHV with a value of  
1
3
6.736 ± 0.14 Mj / kg and the highest combustion temperature with a maximum peak of 725.10 ±  
6.9 °C at 10 minutes. Statistically, it was possible to verify that the length directly influences the  
energy potential, and on the contrary, the diameter of the pellet has no effect on the HHV.  
Keywords: pellets, HHV, mechanical properties.  
Información del manuscrito:  
Fecha de recepción: 08 de enero de 2021  
Fecha de aceptación: 04 de febrero de 2021  
Fecha de publicación: 09 de julio de 2021  
1
44  
Romero-Mendoza et al., (2021)  
1
. Introducción  
Para el año 2014, en Ecuador la  
producción de residuos agrícolas  
superó los 10 millones de toneladas  
El acelerado incremento de la  
demanda energética y el consumo  
(Instituto Nacional de Prevención del  
de  
combustibles  
fósiles  
ha  
Ecuador, 2014). La eminente  
cantidad de residuos generados  
provocado que las consecuencias  
sobre el cambio climático y el medio  
ambiente se intensifiquen. El  
fenómeno de cambio climático  
engloba complejas interacciones y  
diversos impactos. Estos impactos  
se refieren normalmente a los  
permite  
aprovechamiento de los mismos  
mediante su transformación,  
el  
estudio  
y
el  
obteniendo así biocombustibles de  
alto valor agregado para su uso en la  
generación de energía (Palacios et  
al., 2020), por ejemplo durante el  
proceso de la elaboración del aceite  
de palma se originan varios residuos,  
que se derivan de los racimos de  
frutos frescos después de la  
extracción del aceite de palma, los  
cuales se componen de raquis  
efectos  
sobre  
la  
vida,  
los  
las  
ecosistemas,  
la  
salud,  
sociedades, las economías, las  
culturas y las infraestructuras debido  
a los fenómenos climáticos naturales  
peligrosos que acontecen dentro de  
un lapso de tiempo específico.  
(Mayor  
et  
al.,  
2019).  
En  
(
racimos de frutos vacíos), fibra y  
consecuencia, se ha desarrollado la  
importancia de estudiar fuentes de  
energías alternativas y renovables.  
cuesco; que aplicando las técnicas y  
estrategias  
biomasa  
apropiadas,  
esta  
posee  
ser  
lignocelulósica  
La biomasa lignocelulósica derivada  
de residuos agroindustriales, como  
fuente de energía renovable, es una  
solución viable para satisfacer  
características  
para  
aprovechada en la generación de  
energía (Contreras et al., 2011).  
La biomasa lignocelulósica puede  
ser destinada para fines industriales  
en la producción de energía térmica,  
a pesar de ello, el alto contenido de  
ceniza representa un gran desafío  
para lograr una operación fiable  
necesidades  
energéticas  
que,  
además, considera el cambio  
climático y ayuda a disminuir la  
dependencia de los combustibles  
fósiles (Programa de las Naciones  
Unidas para el Medio Ambiente,  
(Carvalho et al., 2013). En términos  
2
002).  
1
45  
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Optimización de las propiedades mecánicas y estructurales de biocombustibles sólidos a partir de biomasa  
lignocelulósica  
generales, se ha demostrado que el  
pretratamiento de biomasas  
generalmente son de forma cilíndrica  
(Palacios et al., 2020), dentro de sus  
componentes químicos el carbono  
fijo y el material volátil establece el  
potencial energético de la biomasa, y  
lignocelulósicas resulta clave al  
momento de someterla a procesos  
de valorización (Chin et al., 2015).  
Cada tipo de biomasa posee  
adicionalmente,  
establece  
la  
características  
específicas  
que  
selección óptima del material a  
peletizar (Obernberger & Thek,  
2004).  
determinan su rendimiento como  
combustible para la generación de  
energía, entre las propiedades más  
Entre las principales ventajas que  
ofrece el uso de biocombustibles  
sólidos se encuentran: el bajo costo  
de recolección y el bajo nivel de las  
emisiones de gases de efecto  
invernadero en los procesos de  
transformación (Palacios et al.,  
relevantes el  
contenido de humedad, ceniza, el  
carbono fijo, materia volátil, la  
se  
encuentran  
composición elemental, el poder  
calorífico y la densidad de masa  
(Palacios et al., 2020), en donde son  
los procesos de peletizado los que  
principalmente permiten incrementar  
2
020).  
A
pesar del gran potencial  
la  
densidad  
energética,  
mencionado,  
no  
existe  
aprovechando estos componentes y  
facilitando así el manejo, la  
reducción de los costos de  
transporte y almacenamiento, tanto a  
nivel doméstico como industrial  
aprovechamiento  
energético  
eficiente de estos biocombustibles,  
debido a la complejidad de sus  
propiedades  
estructurales  
mecánicas y  
más relevantes  
(Tumuluru et al., 2011).  
(
tamaño, diámetro). Para garantizar  
La densificación de la biomasa  
lignocelulósica para la obtención de  
pellets, se denomina peletizado,  
estos son elaborados a partir de  
biomasa molida que después pasa  
por un proceso de prensado  
utilizando como aglutinante la propia  
lignina presente en la biomasa; y que  
la calidad de los pellets, existen  
normas europeas como ÖNORM M  
7
5
135, la PVA, SS 187171, DIN  
1719, en las que se establece los  
siguientes parámetros: diámetro 4-  
1
0 mm, la longitud<5*D, densidad al  
3
granel >600 Kg/m , contenido de  
agua <10 Qt%, contenido de ceniza,  
1
46  
Romero-Mendoza et al., (2021)  
poder calorífico superior e inferior,  
contenido de elementos como  
azufre, potasio, cloro, cadmio, zinc,  
plomo, entre otros (Obernberger &  
Thek, 2004). Por otra parte, los  
residuos de palma africana son  
generados a nivel local; sucesos que  
constituyen el eje motivador principal  
de este trabajo. Por consiguiente,  
resulta importante la generación de  
para determinar su potencial  
energético (Demirbas, 1997;  
Palacios et al., 2020).  
Los análisis de humedad, cenizas y  
el contenido de material volátil se  
realizaron siguiendo la metodología  
de Al-Karany & Al-Kassir (2013).  
Para el análisis de la humedad se  
utilizó una termobalanza modelo  
BMBA150, el contenido de ceniza se  
lo realizó en una mufla Thermolyne  
Cientific FD1315M , el material  
volátil se obtuvo mediante el  
porcentaje de pérdida de peso que  
se produjo en cada muestra al  
someterlas a temperatura de 950°C  
en atmósfera inerte durante 7  
minutos; mientras que el carbono fijo  
se calculó sustrayendo de cien la  
suma del contenido de humedad, de  
cenizas y de materia volátil (Al-  
Karany & Al-Kassir, 2013) (Castells,  
nuevas  
investigaciones  
que  
permitan optimizar la eficiencia de la  
producción, la calidad del producto  
final y aprovechar de mejor manera  
las  
características  
de  
estos  
biocombustibles.  
Esta investigación tiene como  
objetivo optimizar las propiedades  
mecánicas  
y
estructurales de  
biocombustibles sólidos obtenidos a  
partir de biomasa lignocelulósica.  
2
. Metodología  
2
005).  
En este estudio se utilizó como  
biomasa lignocelulósica la fibra de la  
palma africana (Elaeis guineensis).  
2
.2. Cálculo del calor de  
combustión  
El valor calorífico superior (HHV), se  
2
.1. Análisis físico-químicos  
obtuvo  
aplicando  
la  
fórmula  
La humedad, el contenido de  
cenizas, material volátil y carbono  
fijo, fueron evaluados a los pellets de  
diversos tamaños y diámetros, cada  
ensayo se realizó por triplicado.  
Estos análisis constituyen la base  
desarrollada por Parikh et al. (2004)  
expresada por la ecuación 1. Con  
este parámetro se determina la  
cantidad de calor (energía) por  
unidad de masa desprendida  
1
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Optimización de las propiedades mecánicas y estructurales de biocombustibles sólidos a partir de biomasa  
lignocelulósica  
durante el proceso de combustión de  
los pellets (Seijas et al., 2014).  
función del estándar que se  
encuentra en la norma ÖNORM M  
135 (Obernberger & Thek, 2004).  
7
퐻퐻푉 = 0,3536퐶퐹 + 0,1559푀푉 −  
ꢀ
푗
0
,0078퐴푆퐻 ( ) (Ec. 1)  
2.5. Combustión de los pellets  
퐾푔  
La quema de los pellets se efectuó  
en un equipo de combustión piloto,  
sometiendo a combustión 100g de  
pellets, se evaluó el incremento de  
Donde: CF representa el porcentaje  
de carbono fijo, MV el porcentaje del  
material volátil y ASH el porcentaje  
de ceniza.  
temperatura  
hasta  
lograr  
la  
2
.3.  
Elaboración  
de  
los  
combustión completa de los pellets,  
registrando el valor de las  
temperaturas alcanzadas a cada  
minuto durante un período de tiempo  
de 22 minutos. Los resultados se  
utilizaron para establecer la cinética  
de combustión.  
comprimidos (pellets)  
El proceso de elaboración de los  
pellets se realizó en una peletizadora  
modelo S120, este ensayo consistió  
en la densificación de la biomasa  
previamente molida y tamizada.  
2
.4. Diseño del experimento  
3
3
. Resultados y discusión  
.1. Análisis físico-químicos  
Se evaluaron 2 factores con 2  
2
niveles cada uno (2 ), los resultados  
En la tabla 2 se muestran los  
resultados del análisis proximal  
realizado a los pellets según el  
tamaño y el diámetro de los mismos  
antes y después de la combustión.  
Se evaluó el contenido de ceniza,  
material volátil y carbono fijo con la  
se analizaron con la ayuda del  
programa Statgraphics centurión  
XVI.I, los atributos del diseño se  
muestran en la tabla 1.  
Tabla 1.  
Atributos del experimento  
finalidad  
características que atribuyen el  
poder energético estos  
de  
conocer  
las  
Longitud  
mm)  
Diámetro  
mm)  
L1  
L2  
D1  
D2  
10  
16  
5
-1  
1
(
a
-1  
1
biocombustibles. La composición  
química proximal es un parámetro  
(
8
Los valores de longitud y diámetro  
tabla 1) fueron seleccionados en  
para  
determinar  
el  
potencial  
(
energético de la biomasa, por su  
1
48  
Romero-Mendoza et al., (2021)  
parte, el contenido de carbono fijo  
favorece el potencial energético del  
pellet, al actuar como un generador  
de calor principal durante la  
combustión, es decir, muestra una  
fuerte correlación lineal con el valor  
cenizas y humedad; disminuyen el  
potencial energético del material,  
afectando el proceso de combustión  
(Gebgeegziabher et al., 2013). Sobre  
esto Demirbas (1997), menciona que  
el contenido de material volátil es un  
parámetro que está relacionado  
directamente con la velocidad de  
calentamiento y el incremento de la  
temperatura.  
calorífico  
Obernberger  
del biocombustible  
Thek, 2004;  
(
&
Ozyuguran & Yaman, 2017). No  
obstante, valores elevados de  
Tabla 2.  
Análisis proximal de los pellets antes y después de la combustión  
Antes de la combustión  
Después de la combustión  
Combinación  
CEN (%)  
MV (%)  
CF (%)  
CEN (%)  
MV (%)  
CF (%)  
L1-D1  
L2-D1  
6,40 ± 0,34 82,61 ± 0,58 10,99 ± 0,81 80,24 ± 0,50  
28,83 ± 0,3  
0,0 ± 0  
7,24 ± 0,18 84,57 ± 0,39 67,85 ± 0,54 27,74 ± 0,19  
6,99 ± 0,76 81,44 ± 0,73 11,71 ± 0,13 86,66 ± 0,32 34,14 ± 0,35  
8,02 ± 0,20 83,04 ± 0,44 8,95 ± 0,32 83,70 ± 0,41 23,08 ± 1,15  
8,19 ± 0,26  
4,45 ±  
1
,55  
L1-D2  
L2-D2  
0,0 ± 0  
0,0 ± 0  
CEN: ceniza; MV: Material Volátil; CF: Carbono Fijo.  
Los resultados del análisis proximal  
Luego del proceso de combustión se  
observó que existe una cantidad de  
material volátil sin consumirse, lo  
cual representa una cantidad de  
materia prima que se está perdiendo  
en el proceso. A pesar de que L1-D2  
resultó con mejores características  
en su análisis proximal, también  
presenta el valor de MV más elevado  
luego de la combustión, lo cual  
puede ser aprovechado para  
incrementar aún más el poder  
energético de esta combinación.  
fueron  
variando  
en  
cada  
experimento, el menor contenido de  
ceniza se obtuvo para L1-D1 y el  
menor contenido de material volátil  
se obtuvo para L1-D2, y ambas  
presentaron los valores de CF más  
altos siendo estos de 10,99 ± 0,81%  
y 11,71 ± 0,13% respectivamente,  
por lo que se puede decir que los  
experimentos  
con  
mejores  
características según su análisis  
proximal son los de L1 (10 mm).  
1
49  
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Optimización de las propiedades mecánicas y estructurales de biocombustibles sólidos a partir de biomasa  
lignocelulósica  
Sulaiman et al. (2019) en su  
investigación con pellets elaborados  
a partir del tallo de maíz obtuvieron  
un elevado valor calorífico (33,600  
Mj/kg), con un bajo contenido de  
cenizas (0,7%), de material volátil  
Ozyuguran & Yaman (2017) en su  
estudio.  
17  
HHV  
1
1
1
1
6,6  
6,2  
5,8  
5,4  
(55%) y un contendido de carbono  
L1-D1  
L2-D1  
L1-D2  
L2-D2  
fijo de 44,3%; por el contrario Adjin-  
Tetteh et al. (2018) reportaron un  
valor calorífico de 12,480 Mj/kg, así  
como un alto contenido de ceniza  
L1= 10 mm; L2=16 mm; D1=5 mm; D2= 8 mm  
Figura 1. Valor calorífico superior  
HHV) de cada experimento  
(
(
16,24%), con una concentración de  
El diagrama de Pareto (figura 2)  
muestra que la longitud tiene un  
efecto significativo sobre el valor  
material volátil del 61,73% y carbono  
fijo de 10,96%.  
3
.2.  
Calor  
de  
combustión  
calorífico  
superior (HHV)  
del  
calculado (Mj/kg)  
biocombustible, mientras que el  
diámetro no tiene efecto. Además, se  
tiene que el efecto del diámetro  
sobre el HHV es positivo, es decir  
cuando el diámetro aumenta el valor  
calorífico se incrementa, mientras  
que la longitud tiene un efecto  
negativo ya que cuando la longitud  
En la figura 1 se presentan los  
resultados de la evaluación  
energética, se observa que el valor  
calorífico superior (HHV) contenido  
en los biocombustibles (pellets) está  
condicionado  
principalmente  
a
parámetros como contenido de  
humedad, ceniza, material volátil y  
carbono fijo, como lo demuestran  
aumenta  
el  
valor  
calorífico  
disminuye.  
Diagrama de Pareto Estandarizada para HHV  
+
-
A:LONGITUD  
B:DIÁMETRO  
AB  
0
2
4
Efecto estandarizado  
6
8
10  
Figura 2. Diagrama de Pareto estandarizado para evaluar los efectos de la longitud y  
el diámetro sobre el valor calorífico superior calculado.  
1
50  
Romero-Mendoza et al., (2021)  
En la tabla 3 se muestra la prueba de  
múltiples rangos (α=0,05), realizada  
a las dos longitudes y diámetros  
evaluados, en la cual se observa que  
existen diferencias significativas  
para las dos longitudes evaluadas  
Tabla 3.  
Prueba de múltiples rangos: longitud y  
diámetro de los pellets en función de  
HHV  
Media  
HHV  
Longitud  
Grupos  
Homogéneos  
(
mm)  
(
Mj/kg)  
1
16,04  
16,73  
X
X
(10 y 16 mm) en función del HHV de  
-
1
los pellets, por el contrario para el  
diámetro no se observan diferencias  
estadísticas, lo cual comprueba que  
el diámetro de los pellets en el  
intervalo evaluado (5-8 mm) no tiene  
incidencia sobre el valor calorífico  
superior de los biocombustibles  
elaborados con residuos de palma  
Africana.  
Diámetro  
mm)  
(
-
1
16,37  
16,39  
X
X
1
3
.3. Cinética de combustión  
En la figura 3 se muestran las  
cinéticas de temperatura de cada  
uno de los experimentos durante la  
combustión en un tiempo de 22  
minutos. En cada uno de los gráficos  
se muestran los valores de  
temperatura máxima alcanzada.  
Los pellets que mayor valor calorífico  
superior alcanzaron fueron los  
elaborados con una longitud de 10  
mm (L1) y un diámetro de 8 mm (D2),  
con un HHV de 16,736 ± 0,14 Mj/kg;  
por su parte, los pellets que menor  
valor calorífico superior presentaron  
La cinética de la combustión es de  
mucha importancia porque permite  
(
16,024 ± 0,04 Mj/kg), fueron los  
elaborados a partir de una longitud  
L2) de 16 mm y un diámetro de 5  
mm (D1).  
observar  
la  
oscilación  
de  
temperatura, el desprendimiento de  
energía y el tiempo que se requiere  
para realizar la combustión de una  
(
determinada  
cantidad  
de  
biocombustible sólido (pellets).  
1
51  
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Optimización de las propiedades mecánicas y estructurales de biocombustibles sólidos a partir de biomasa  
lignocelulósica  
Figura 3. Cinética de combustión de los pellets (T Max) para A): L1-D1 (10-5) mm, B):  
L2-D1 (16-5) mm, C): L1-D2 (10-8) mm, D): L2-D2 (16-8) mm.  
Cuando la ruta de combustión básica  
de un combustible sólido inicia, lo  
primero que ocurre es la evaporación  
de la humedad (Sandoval et al.,  
(PAH), los cuales son quemados  
después de la desvolatilización, y el  
carbono fijo presente en la biomasa  
es quemado, emitiendo calor hasta  
que la biomasa queda reducida en  
ceniza.  
2
013). Posteriormente, se libera una  
gran  
variedad  
de  
productos  
de la  
gaseosos  
a
través  
En la cinética (figura 3), se puede  
descomposición del combustible.  
Basu (2006), menciona que la  
combustión de los biocombustibles  
sólidos elaborados a partir de  
biomasa lignocelulósica desprende  
cierta cantidad de gases volátiles  
como hidrocarburos poliaromáticos  
observar  
que  
el  
perfil  
de  
temperaturas alcanzado durante la  
combustión de los diferentes  
ensayos (L1-D1, L2-D1, L1-D2 y L2-  
D2) es similar. Es decir, se observa  
un incremento de temperatura entre  
los primeros 8 minutos, tiempo  
1
52  
Romero-Mendoza et al., (2021)  
promedio en el cual se alcanza un  
máximo de temperatura (pico  
máximo) que dura aproximadamente  
de menor tamaño, esto se debe a  
que, en la materia de mayor tamaño,  
las moléculas internas de su  
estructura no pueden interactuar  
fácilmente o de forma directa con el  
reactivo.  
1
a 2 minutos, posterior a ello, la  
temperatura desciende rápidamente.  
Durante la práctica, el experimento  
L1-D2 (Fig. 3C) alcanzo la mayor  
temperatura con un pico máximo de  
Forero et al. (2012) mencionan que  
el tamaño de los pellets afecta el  
consumo del material durante su  
combustión, más que la composición  
de este, de manera que grandes  
tamaños de partícula generan más  
tiempo en cada una de las etapas de  
combustión.  
7
25,10 ± 36,9 °C a los 10 minutos del  
proceso de combustión, punto a  
partir del cual la temperatura  
disminuye  
hasta  
estabilizarse  
alrededor de los 50 °C. Este patrón  
se observó en cada una de las  
curvas de cinética de combustión  
4
. Conclusiones  
obtenidas,  
mientras  
que  
la  
Los biocombustibles  
sólidos  
temperatura más baja se obtuvo en  
la cinética del experimento L2-D1  
presentan características físicas que  
condicionan su aprovechamiento  
(
Fig.  
temperatura de 608,7 °C±18,3 a los  
minutos.  
3B)  
alcanzando  
una  
energético.  
Con  
las  
pruebas  
realizadas se evidencia que la  
combustión del pellet depende del  
tamaño de partícula, que a su vez  
influye en el poder calorífico  
superior, demostrando que con  
menor longitud de los pellets, se  
puede alcanzar un mayor HHV,  
debido a que una partícula más  
pequeña permite una combustión  
más uniforme para alcanzar una  
temperatura más elevada.  
7
Los resultados de la cinética de  
combustión corroboran lo expuesto  
en el apartado 3.2, donde el mayor  
valor calorífico superior (HHV) se  
obtuvo con L1-D2, por lo que con  
una menor longitud es posible  
aprovechar las características del  
biocombustible sólido.  
Según  
Fernández et al. (2015) la superficie  
reactiva de contacto con el oxígeno  
del aire (para dar la reacción de  
combustión) es mayor en una astilla  
Los biocombustibles sólidos (pellets)  
como práctica para la producción de  
1
53  
Revista Científica ‘‘INGENIAR”: Ingeniería, Tecnología e Investigación. Vol 4, Num 8 (jul-dic) ISSN: 2737-6249  
Optimización de las propiedades mecánicas y estructurales de biocombustibles sólidos a partir de biomasa  
lignocelulósica  
energía térmica, vienen ganando  
relevancia, provocando, a primera  
vista, un menor impacto ambiental,  
un mejor manejo y distribución; por  
ende, resulta relevante este estudio,  
ya que con la optimización se busca  
mejores resultados, volviendo el  
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