En el sector industrial se generan a diario enormes volúmenes de residuos que, en la gran mayoría de los casos, generan problemas ecológico-ambientales. La cascarilla de arroz es un subproducto que se obtiene después de procesar el arroz para obtener el grano blanco que consumimos en nuestra alimentación. Aunque se considera un residuo, su uso en la agricultura se ha convertido en una práctica común en muchos países, y la ciencia se ha interesado en el estudio de este material vegetal para implementarlo en procesos industriales, contribuyendo a la potencialización de servicios y mecanismos de fabricación de productos amigables con el medio ambiente.
El arroz es un cereal de gran importancia para muchos países alrededor del mundo. Hace parte de la familia de hierbas de las Gramíneas o Poáceas, siendo el arroz común (Oryza sativa) la única especie apta para el consumo. Historiadores afirman que este cereal podría ser nativo del Sureste asiático y se cultiva desde hace más de 7000 años. Actualmente, más de 70 países, principalmente China, India, Indonesia y Bangladesh, producen arroz en todo el mundo. Asimismo, se generan grandes volúmenes de cascarilla de arroz (CA), que es un residuo de baja densidad.
Propiedades y Composición de la Cascarilla de Arroz
La cascarilla de arroz es un tejido vegetal lignocelulósico constituido por un 85 % de material orgánico, representado por celulosa, lignina, D-xilosa y pequeñas cantidades de D-galactosa. Cuando la cascarilla de arroz es sometida a altas temperaturas, produce ceniza entre el 13 y 29 % del peso inicial, constituida principalmente por sílice (entre un 87 y 97 %) debido a que no se disocia al quemarse, y pequeñas cantidades de sales inorgánicas. En promedio, la cascarilla de arroz cuenta con un 64,30 % de material volátil, un 16,10 % de carbono fijo y un 19,54 % de ceniza; es en esta última donde se concentra el contenido de dióxido de sílice que supera el 90 %. Esta alta proporción de sílice, junto con su fino tamaño y alta reactividad, ha sido un factor clave para su aprovechamiento en diversas industrias.
Aprovechamiento Industrial de la Cascarilla de Arroz
En los últimos treinta años, ha crecido el interés en la utilización de la cascarilla de arroz y su ceniza (CCA) para crear nuevos materiales o mejorar productos en ciertas industrias, gracias a sus propiedades físicas y químicas. Con la finalidad de mitigar los impactos de la generación y disposición de residuos sólidos, se presentan diversos estudios e investigaciones tendientes a valorizar estos residuos, usándolos como materia prima alternativa o como un producto sustituto con valor agregado.
Producción de Sílice de Alta Pureza
Un área significativa de investigación y desarrollo se centra en la extracción de sílice (SiO2) amorfa de alta pureza y tamaño de partículas nanométricas a partir de la cascarilla de arroz. Este proceso busca transformar un residuo agroindustrial regional en un producto de mayor valor comercial.
Un proyecto pionero, gestionado a través del Centro para la Transferencia de los Resultados de la Investigación (CETRI Litoral) y la empresa Risiera SRL, recibió financiamiento para el diseño y construcción de una planta piloto. El objetivo fue escalar la producción de sílice para ser empleada como materia prima y aditivo en diversas aplicaciones industriales. Este tipo de colaboraciones entre el sistema científico y la industria son fundamentales para dar impulso a desarrollos sostenidos.
El sílice obtenido de la cascarilla de arroz tiene aplicaciones muy usuales en sectores como:
- Pinturas y lacas
- Resinas de poliéster, resinas laminadas y gel
- Caucho de silicona
- Adhesivos y sellantes
- Tintas de impresión
- Compuestos y geles de cables
- Pastas de dientes
- Cosmética
En 2023, con la Planta Piloto para la obtención de SiO2 en marcha en instalaciones de la firma en la localidad de San Javier, se planteó un nuevo desafío: desarrollar una tecnología para el aprovechamiento de la cáscara de arroz como combustible másico en la producción de sílice de alta pureza.
Como Fuente de Energía y Combustible
Cuando la cascarilla de arroz se desecha sin control, ocupa grandes áreas donde puede autocombustionarse (debido a su alta capacidad volátil), esparciendo las cenizas y causando grandes daños al medio ambiente. Sin embargo, su alto poder calorífico (alrededor de 4000 kcal/kg o 13,20 a 14,20 Mj*Kg) la convierte en una alternativa energética valiosa.
planta de energía de gasificación de biomasa, el arroz cáscara de la gasificación de la electricidad
Se puede utilizar como combustible en sustitución de la leña para la generación de gases calientes en procesos de secado, en pequeños generadores de vapor, y más recientemente, en los hornos de la industria del cemento. La quema de la cascarilla es una forma sostenible de generación de energía, ya que es un subproducto que de otra manera sería desechado. La quema no produce emisiones netas de dióxido de carbono, ya que el dióxido de carbono emitido durante la quema es igual al dióxido de carbono absorbido por el arroz durante su crecimiento. La cascarilla de arroz también se puede quemar directamente en calderas para generar vapor, que se puede utilizar para generar electricidad o para calentar edificios, o para secar el arroz después de la cosecha, lo que reduce el tiempo de secado y aumenta la eficiencia de la producción.
A partir del quemado de la cascarilla de arroz, se produce una alta proporción de cenizas (20%), constituidas principalmente por sílice. Estas cenizas, ricas en sílice, pueden ser utilizadas como aditivo en la mezcla de concreto para la obtención de ladrillos, entre otros productos.
Además, la cascarilla de arroz puede someterse a carbonización hidrotérmica para producir hidrochar, agua de proceso y gas de síntesis, los cuales tienen distintas aplicaciones, incluyendo su uso como bioenergéticos, dado que el poder calorífico del hidrochar es superior al del agua de proceso.
Uso Agrícola de la Cascarilla de Arroz
El uso de la cascarilla de arroz en la agricultura es una práctica extendida y beneficiosa.
Cascarilla de Arroz como Recurso Estratégico
La cascarilla es rica en nutrientes esenciales como el silicio, potasio, calcio y magnesio, así como en micronutrientes como el hierro, el zinc y el manganeso.
Fertilizante Orgánico
La cascarilla de arroz se puede utilizar como un fertilizante orgánico para mejorar la calidad del suelo. Su alta cantidad de sílice y otros nutrientes pueden mejorar la fertilidad del suelo. Además, su pH básico puede ayudar a neutralizar la acidez del suelo. La aplicación de la cascarilla de arroz en el suelo puede mejorar su estructura, aumentar la fertilidad, reducir la erosión del suelo y mejorar su capacidad para retener agua.
Control de Malezas
Se puede utilizar como un herbicida natural para controlar el crecimiento de malezas en los cultivos. Actúa como una capa protectora que retiene la humedad en el suelo, ayudando a mantener los cultivos hidratados durante períodos de sequía.
Reducción de la Erosión del Suelo
La capa protectora que crea la cascarilla de arroz puede evitar que el suelo se erosione debido a la lluvia y el viento.
Sustrato para la Producción de Hongos
Otro uso común es como sustrato para la producción de hongos, especialmente el champiñón. Esto se debe principalmente a la capacidad de la cascarilla para retener agua y nutrientes.
Alimento para Microorganismos del Suelo
La cascarilla de arroz también se utiliza o puede utilizarse como fuente de alimento para los microorganismos del suelo. La descomposición de la cascarilla en el suelo libera nutrientes lentamente, lo que significa que los cultivos pueden absorberlos gradualmente durante un período prolongado.
Beneficios de la Utilización de la Cascarilla de Arroz en la Agricultura
- Reducción de la necesidad de fertilizantes químicos: Al usarla como fertilizante orgánico, se puede disminuir la dependencia de fertilizantes químicos, que son costosos y tienen un impacto ambiental negativo.
- Mejora de la calidad del suelo: Aumenta la cantidad de nutrientes y la retención de agua, lo que puede incrementar la producción de cultivos y mejorar la salud del ecosistema.
- Reducción de los costos de producción: Como subproducto que de otra manera sería desechado, su uso en la agricultura es una forma económica de aprovechar un recurso disponible.
- Integración con otras prácticas agrícolas: Su uso maximiza los beneficios cuando se combina con sistemas de agricultura sostenible, como la rotación de cultivos y la siembra directa.
Cómo Aplicar la Cascarilla de Arroz en la Agricultura
La cascarilla de arroz se puede aplicar de varias maneras, dependiendo del uso deseado:
- Como abono orgánico: Se puede aplicar en el suelo como una enmienda. La cantidad recomendada varía entre 1 y 3 toneladas por hectárea, dependiendo de las condiciones del suelo y del cultivo. Se puede aplicar antes de la siembra (mezclada con el suelo o como capa superficial) o después de la cosecha (esparcida para que se descomponga naturalmente).
- Como sustrato para hongos: Requiere un proceso de preparación específico. Primero se debe limpiar, lavar, hidratar y esterilizar antes de su uso. Luego se puede mezclar con otros ingredientes, como harina de soja o harina de maíz, para formar el sustrato completo.
La Cascarilla de Arroz como Adsorbente de Metales Pesados
El desarrollo industrial ha traído consecuencias desfavorables para el ambiente debido a que los procesos industriales generan grandes cantidades de desechos tóxicos, entre los que se encuentran los metales pesados, los cuales se vierten a los afluentes de forma indiscriminada. Los metales pesados no se degradan y tienden a acumularse en los organismos vivos a través de la cadena trófica, causando graves daños a la salud humana (riñones, sistema nervioso, hígado, cáncer, entre otros) y al ambiente, especialmente en la fauna acuática.
Las metodologías tradicionales para la eliminación de metales pesados, como las químicas (intercambio iónico, precipitación) o físicas (filtración por membrana), suelen tener limitaciones como altos costos de operación, generación de subproductos contaminantes o corta vida útil. Los métodos biológicos, aunque prometedores, requieren grandes áreas y son sensibles a variaciones ambientales.
A partir de estas limitaciones, se han generado alternativas de bajo costo e impacto ambiental que reducen las concentraciones de metales pesados en los afluentes. Tales alternativas involucran procesos de adsorción donde diversos materiales, producto de procesos agrícolas, han sido usados. La cascarilla de arroz, debido a sus propiedades fisicoquímicas, se postula como un buen adsorbente de metales pesados. Cuenta con un área superficial de aproximadamente 270 m2/g, y una vez calcinada presenta más del 90 % de óxido de silicio, compuesto al que se le atribuye gran capacidad de remoción de contaminantes. El hecho de que sea un residuo de fácil manejo y acceso lo hace atractivo, puesto que usándolo en procesos de descontaminación se están solucionando dos problemas ambientales de forma directa: se da uso y manejo a la cascarilla y se remueven contaminantes de gran impacto ambiental de los cuerpos de agua.
Estudios de Adsorción Específicos
- Remoción de Cromo (VI): Estudios han demostrado que la cascarilla de arroz, especialmente carbonizada o activada químicamente (con H3PO4 o NaOH), puede alcanzar porcentajes de remoción superiores al 70 %, e incluso al 95 % bajo ciertas condiciones de pH, tamaño de partícula y tiempo de contacto. En Colombia, investigaciones locales han validado la eficiencia de este material en la remoción de Cr (VI) en sistemas acuosos.
- Remoción de Mercurio (II): La cascarilla de arroz también ha sido probada eficazmente para remover mercurio (II), un metal de alta toxicidad cuya presencia ha aumentado por actividades mineras. Estudios que involucran cascarilla lavada con HCl y calcinada han demostrado una alta capacidad de adsorción.
- Otros Metales: Este material residuo de actividades agrícolas ha demostrado ser un buen adsorbente para otros metales pesados.
Variables de Adsorción
En el proceso de adsorción de metales pesados, es crucial considerar la concentración inicial del metal a tratar y el tiempo de contacto con el material adsorbente (cascarilla de arroz). Estudios han demostrado que un tiempo de contacto suficiente y la concentración del metal influyen significativamente en la eficiencia de la remoción.
Desafíos y Perspectivas Futuras
Problemas Asociados al Uso de la Cascarilla de Arroz en la Floricultura
El uso de cascarilla de arroz como componente de sustratos para los cultivos de flores de corte en Colombia enfrenta desafíos significativos:
- Requerimientos ambientales y sociales: Estándares de certificación (como Florverde) para la exportación de flores exigen una adecuada trazabilidad del material.
- Contaminación ambiental: El quemado y/o tostado de la cascarilla es cuestionado debido a la contaminación ambiental que genera.
- Generación de residuos: Tras su utilización como sustrato, la cascarilla puede generar un problema adicional, produciendo grandes volúmenes de residuos (hasta 70 t·ha-1/año-1), que sumados a otros cultivos sin suelo, podrían alcanzar cerca de 100.000 t/año-1 en la Sabana de Bogotá.
Salinización del Sustrato a Base de Cascarilla de Arroz
En sistemas de cultivo en sustrato, la salinidad puede aumentar debido a la acumulación de sales disueltas. Las causas que pueden originar un incremento en la salinidad del sustrato a base de cascarilla de arroz incluyen:
- Presencia de concentraciones elevadas de sales procedentes de algunos de los componentes del sustrato (por ejemplo, K y Mn en la cascarilla tostada).
- Aporte excesivo de sales con el agua de riego o con la solución nutritiva.
- Presencia en el sustrato de una alta Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) junto a una rápida descomposición del sustrato.
Esta salinidad puede provocar toxicidades específicas de determinados iones (Mg, Na, B). Los efectos de la salinidad se deben generalmente a un aporte excesivo de nutrientes minerales con el fertirriego y a la acumulación de otros iones (Na y Cl). Es necesario ajustar las cantidades de fertilizantes y aplicar agua excedentaria (elevadas fracciones de lavado) para evitar la acumulación de sales, variando este exceso según la época, el desarrollo de la planta y la calidad del agua.
Tendencias en la Producción de Sustratos
Para un uso eficiente de los recursos, agua y fertilizantes, existe una tendencia a la recirculación o reutilización del agua. Se deben estandarizar las metodologías de caracterización de análisis físicos, químicos y biológicos, y disponer de legislación específica para controlar la comercialización y calidad de los sustratos. Además, es importante formular sustratos inoculados con microorganismos e implementar la utilización de biofertilizantes y bacterias promotoras de crecimiento vegetal en estos sistemas de cultivos sin suelo.
La cascarilla de arroz presenta una limitante importante debido a su elevado contenido de sílice. Sin embargo, a su vez, esta característica representa un área de oportunidad para su aprovechamiento en diversas aplicaciones.