CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA,...

CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -CONCYT-

SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -SENACYT- FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -FONACYT-

FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS Y FARMACIA, UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA -USAC-

INFORME FINAL

“DETERMINACIÓN Y EVALUACIÓN DE LA OBTENCIÓN DE ETANOL COMO FUENTE DE ENERGÍA RENOVABLE Y LIMPIA A PARTIR DE LA

DEGRADACIÓN DE CELULOSA EXTRAÍDA DE Gliricidia sepium, Leucaena leucocephala, Prosopis juliflora Y Sabal mexicana, ESPECIES VEGETALES

DE LA REGIÓN SEMIÁRIDA DEL ORIENTE GUATEMALTECO”.

PROYECTO FODECYT No.: 14 - 2012

INGRID SOFÍA RIZZO JUÁREZ

Investigadora Principal

GUATEMALA, DICIEMBRE DE 2014

http://www.google.com.gt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=uMeSYN4YMHDFzM&tbnid=QyCxrIswBTp9hM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fsietediasenguatemala.blogspot.com%2F2010%2F01%2Fconvocan-oficialmente-eleccion-de.html&ei=FXtxU8SzDoTksAT0voCoAg&bvm=bv.66330100,d.aWw&psig=AFQjCNEYzXZIpGyWN-9RMerrI4kMe_gnTg&ust=1400031561081955

EQUIPO DE TRABAJO Investigador principal: Licda Sofía Rizzo MAI Investigador asociado: Lic. Carlos Francisco Chinchilla Investigador asociado: Lic. Abraham Vásquez Investigador asociado: Dr. Juan Fernando Hernández PhD Asistente de investigación: Br. María Lourdes Nicolasa Subuyuj

AGRADECIMIENTOS: La realización de este trabajo, ha sido posible gracias al apoyo financiero dentro del Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología, - FONACYT-, otorgado por La Secretaría Nacional de Ciencia y Tecnología – SENACYT- y al Consejo Nacional de ciencia y Tecnología – CONCYT-.

OTROS AGRADECIMIETOS: Al Dr. Oscar Manuel Cóbar Pinto, Decano de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia de la Universidad de San Carlos de Guatemala, a la Dirección de Escuela de Química y al Departamento de Fisicoquímica de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia, a la Dra. Dinna Estrada, al Ing. Alberto Chamorro, a la Inga. Lesly Rosales, al Lic. Nehemías Marroquín, Lic. Francisco Hernández, Lic. Rony Cabrera de CONCYT. Al Lic. Gerardo Pirir; Al Lic. Federico Nave, Licda. Adriana Fajardo del Instituto de Investigaciones de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia.

RESUMEN

Esta investigación se llevó a cabo en cuatro especies vegetales, Gliricidia sepium (madre cacao), Leucaena leucocephala (yaje), Prosopis juliflora (campeche) y Sabal mexicana (palma), de la región semiárida del este de Guatemala, para la producción de etanol como fuente de energía renovable y limpia sin afectar recursos utilizados en alimentación y sin talar árboles ya que únicamente se utilizaron las ramas. Las ramas fueron secadas y pulverizadas de donde se extrajo celulosa por hidrólisis química, se obtuvo glucosa y se produjo etanol por medio de fermentación. Se efectuó un análisis de la abundancia relativa, densidad y diferencia de biomasa y se efectuó un análisis descriptivo de los resultados. A los resultados de biomasa se les efectuó una prueba de Kruskal-Wallis a un nivel de significancia del 5%. Se encontró que existe diferencia significativa en la producción de biomasa y área basal entre las especies colectadas y Sabal mexicana fue la especie que tuvo los valores más elevados de estas variables. En relación a los resultados de altura y diámetro a la altura del pecho –DAP- o área basal se efectuó un análisis de regresión y correlación a un nivel de significancia del 5%, en donde se obtuvo que las alturas de los individuos no son un buen indicador de su DAP o área basal. Del análisis químico se obtuvo el rendimiento celulosa, glucosa y etanol por cada especie. Se efectuó un análisis estadístico descriptivo y se encontró que de Sabal mexicana se obtuvo mayor porcentaje de las mencionadas sustancias.

ABSTRACT

This research was conducted using Gliricidia sepium (madre cacao), Leucaena leucocephala (yaje), Prosopis juliflora (campeche ) and Sabal mexicana (palma), species typical of the semi-arid region of eastern Guatemala to be used in the production of ethanol as a source of renewable and clean energy without affecting sources of food nor causing deforestation since only branches were considered for use. The branches were dried, pulverized and subjected to an extraction process of cellulose, hydrolysis by a chemical procedure that subsequently produced glucose and obtained ethanol throughout a fermentation process. An analysis of the difference of the relative abundance, biomass and density of the species was performed. A descriptive statistical analysis of the results was conducted, a Kruskal-Wallis test was carried out on the biomass data at a significance level of 5%. This analysis indicated that there were significant difference in biomass production and basal area among species, in which Sabal mexicana was found to have the higher values of these variables. Regression and correlation analysis were performed with the results of height and diameter at chest height - DAP – (or basal area) at a significance level of 5%, and it was found that the heights of individual plants are not a good indicator of DAP. The chemical analysis was carried out and a descriptive statistical analysis was performed on the results of the physical chemical variables and it was found that Sabal mexicana had the greatest percentage of efficiency of cellulose, glucose and ethanol production.

INDICE

Pag

PARTE I .................................................................................................................................................................................. 1

I.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................ 1

I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................................................................ 3

I.2.1 Antecedentes en Guatemala ........................................................................................................................... 3

I.2.2 Justificación del trabajo de investigación ............................................................................................................... 4

I.3 OBJETIVOS E HIPOTESIS ............................................................................................................................................... 4

I.3.1 Objetivos ..................................................................................................................................................................... 4 I.3.1.1 Generales ......................................................................................................................................................................... 4 I.3.1.2 Objetivos específicos ....................................................................................................................................................... 5

I.3.2 Hipótesis .................................................................................................................................................................. 5

I.4 METODOLOGIA I.4.1 Parte biológica………………………………………………………………………………………….……………………………………………………….…….6

I.4.1.2.Variables ................................................................................................................................................................... 6 I.4.1.3 Estrategia Metodológica ................................................................................................................................. 7

I.4.1.4 Población y muestra ................................................................................................................................... 8

I.4.1.5 Análisis estadístico de los resultados ........................................................................................................... 9 Regresión y correlación ..................................................................................................................................................................... 9 Abundancia de individuos ................................................................................................................................................................. 9 Área basal promedio de las especies ............................................................................................................................................. 9

I.4.1.6 Métodos............................................................................................................................................................. 9

I.4.2 Parte química ....................................................................................................................................................... 10

PARTE II ............................................................................................................................................................................... 11

II.1 MARCO TEORICO .................................................................................................................................................. 11

II.1.1 Características de la zona semiárida de Guatemala ........................................................................................ 11

II.1.2 Recursos vegetales y cultivos la región semiárida .................................................................................... 11

II.1.3 El petróleo y sus dificultades actuales ......................................................................................................... 12

Consumo mundial de petróleo proyectado (billones barriles anuales) ............................................................................... 12

II.1.4 Biocombustibles como alternativa de energía limpia ................................................................................ 13

Diferentes tipos de biocombustibles. ............................................................................................................................. 13

II.1.5 Etanol como biocombustible ......................................................................................................................... 13

II.1.6 Producción de etanol en Guatemala............................................................................................................ 14

II.1.7 Cultivos tradicionales y sus desventajas. .................................................................................................... 15

II.1.8 Recursos locales como alternativa al cultivo de la caña .......................................................................... 15

II.1.9 Procesos de obtención de bioetanol ............................................................................................................ 15

II.1.10 Características de las especies a estudiar ................................................................................................. 16 Gliricidia sepium (madre cacao) ..................................................................................................................................................... 16 Sabal mexicana (palma) .................................................................................................................................................................. 17 Prosopis julifolora (Campeche) ...................................................................................................................................................... 18 Leucaena leucocephala (yaje)........................................................................................................................................................ 19

III.1. RESULTADOS ......................................................................................................................................................... 21

III.1.1 Parte biológica ................................................................................................................................................. 21

III.1.2 Parte química .................................................................................................................................................. 36

III.2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ..................................................................................................................................... 38

III.2.1 Parte biológica ................................................................................................................................................. 38

III.2.2 Parte química .................................................................................................................................................. 39

PARTE IV. ............................................................................................................................................................................. 40

IV.1 CONCLUSIONES .................................................................................................................................................... 40

IV. 2 RECOMENDACIONES .................................................................................................................................................. 42

IV.3 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................................................................................. 43

IV. ANEXOS ........................................................................................................................................................................... 45

PARTE V. ........................................................................................................................................................................... 56

V.1. INFORME FINANCIERO ............................................................................................................................................. 56

1

PARTE I

I.1 INTRODUCCIÓN

El incremento acelerado en el costo de los combustibles derivados del petróleo ha ocasionado que se intensifiquen los esfuerzos por buscar otros combustibles alternativos de menor costo, provenientes de fuentes renovables, cuyo impacto adverso ambiental asociado a su producción y uso también sea menor. Uno de los combustibles utilizados como alternativa a los combustibles fósiles, es el etanol que frecuentemente se obtiene de la fermentación de carbohidratos. Se ha utilizado, por ejemplo para producir energía eléctrica, en alumbrados, en vehículos como combustible parcial o total. Se ha empleado el etanol conjuntamente con la gasolina, disminuyendo el porcentaje de ésta última. La mezcla de ambos combustibles se denomina como “gasohol” y la proporción de etanol y gasolina, se representan mediante la letra “E” mayúscula precediendo al valor del porcentaje de etanol. Por ejemplo, gasohol E10, se refiere a una mezcla que contiene 10% de etanol y 90% de gasolina. En algunos países se utiliza esta mezcla de combustibles como en Estados Unidos, Europa, y en Brasil que se utiliza E100 que es etanol puro. En un estudio de la Universidad de Michigan se afirma que el etanol emite 88% menos dióxido de carbono que la gasolina, lo cual es una gran ventaja para el medio ambiente ya que tiene emisiones de gases menores que los combustibles derivados del petróleo. Actualmente, en otros países como Brasil se hacen esfuerzos para implementar una planta con el propósito de producir etanol a partir de celulosa, (celulósico) como biocombustible de segunda generación, utilizando desechos de caña de azúcar y paja de trigo. Dentro de los usos que se le pueden dar al etanol es el alumbrado eléctrico. La celulosa es la sustancia que más frecuentemente se encuentra en la pared de las células vegetales, y fue descubierta en 1838.

Se dice que Brasil es el líder mundial en la implementación de biocombustibles, utilizando en gran medida el alcohol de caña de azúcar en sus vehículos, lo cual tiende a disminuir las emisiones de dióxido de carbono que perjudica considerablemente al medio ambiente. Adicionalmente, de acuerdo a publicaciones se sabe que el gobierno de Brasil invierte en una compañía de etanol celulósico con el objetivo de convertirse en una potencia bioenergética. Se espera que la planta opere en 2015.

http://www.valorsoja.com/2013/05/08/el-gobierno-brasileno-invierte-en-compania-de-etanol-celulosico-con-el-objetivo-de-convertirse-en-una-potencia-bioenergetica/

http://www.valorsoja.com/2013/05/08/el-gobierno-brasileno-invierte-en-compania-de-etanol-celulosico-con-el-objetivo-de-convertirse-en-una-potencia-bioenergetica/

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Se han efectuado investigaciones con el propósito de obtener etanol celulósico utilizando diversas fuentes de materia prima. En Estados Unidos se habla de la manufactura de etanol celulósico a partir de desechos vegetales y residuos sólidos, con la posibilidad de fabricar el biocombustible a nivel comercial. En este estudio se estableció un procedimiento para obtener etanol a partir de celulosa con el propósito de no utilizar una materia prima destinada a la alimentación como son los carbohidratos y se diseñó de tal forma que no afectara al ambiente por tala de árboles ya que se emplearon únicamente las ramas de árboles las cuales se regeneran. Se utilizaron especies vegetales que crecen en los departamentos del oriente de Guatemala de las cuales se efectuaron consideraciones ecológicas. Es importante mencionar que se estructuró con el aporte de conocimientos de un equipo multidisciplinario que se encuentra integrado por profesionales con conocimientos relacionados con la química, biología y ecología.

Se localizó en una región de Guatemala de la cual se menciona que es necesario impulsar la economía local y generar fuentes de trabajo ya que muchas familias que han cultivado frijol y maíz han perdido sus cultivos debido a sequía, y esto tiene un impacto negativo en las familias en donde se sabe que varios niños han muerto por desnutrición. Si las familias deciden sembrar las especies vegetales descritas en esta investigación, con el propósito de cortar y luego vender las ramas `para procesarlas y obtener el combustible mencionado pueden obtener ingresos.

Adicionalmente, una industria procesadora de etanol celulósico en esa región aumentaría las fuentes de trabajo. Es también importante mencionar como beneficio de esta investigación, que el etanol se conoce como generador de energía limpia ya que no deja el residuo como sucede con otros combustibles fósiles que contaminan el ambiente drásticamente. Se espera que los conocimientos generados en esta investigación puedan ser aprovechados por las comunidades, la industria en general, el transporte y que sirvan de base para investigaciones posteriores para que a largo plazo tenga un impacto económico, social y ambiental positivo en las familias de esa región. Como consecuencia de esta investigación, también se espera en un plazo más largo satisfacer una mayor demanda mundial del etanol como combustible. Esto implicaría un incremento del ingreso de divisas por exportación de etanol.

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I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.2.1 Antecedentes en Guatemala

La producción de etanol en la nación se encuentra localizada en cinco plantas industriales de las cuales se sabe que utilizan como materia prima la melaza y se conoce que exportan más del 80% de su producción. En relación al consumo de etanol interno, en Guatemala se promulgó la “Ley de alcohol carburante. Decreto 17-85” en donde se menciona la regulación del uso de la mezcla de etanol al 10% con gasolina (E10). Sin embargo de acuerdo a lo que indica la fuente consultada, en esa oportunidad no se manifestó interés por los proveedores locales de etanol para hacer realidad esta ley ya que no había incentivos considerables para ello. Debido a que la ley se ha tomado como inoperante, posteriormente, el diputado Oliverio García Rodas, efectuó una propuesta de reforma a la ley mencionada en donde se sugiere la utilización de por lo menos el 5% de etanol a las gasolinas. En un documento de 2007 de la Comisión de Energía y Minas del Congreso de la República, se manifiesta que es necesario modernizar la “Ley de alcohol carburante” atendiendo realidades nacionales y mundiales y a los índices de contaminación actuales de tal forma que contribuya a mejorar los problemas ambientales. Por otra parte, el encontrar un nuevo uso para especies vegetales de Guatemala se contribuye a la utilización eficiente de los recursos naturales, cumpliendo así con el artículo 119 de la Constitución Política de la República. Para este estudio se contempló la utilización de especies vegetales que crecen de manera natural en la región semiárida del oriente guatemalteco, región con gran necesidad de desarrollo. Esta región cuenta con diversas especies vegetales promisorias como solución a problemas de pobreza. La región semiárida del oriente guatemalteco es una región seriamente afectada por la pobreza y desnutrición. Se intentado el desarrollo local con cultivos tradicionales como frijol y maíz, sin embargo estos en algunos casos únicamente han servido de subsistencia y en otros no ha sido posible la cosecha a partir de ellos debido a que la sequía de esa región les afecta considerablemente. En esa región existen especies vegetales como el Prosopis juliflora (campeche), con rápido crecimiento en biomasa, en condiciones climáticas adversas, cuyo potencial como fuente alternativa de energía aún no ha sido investigada (Hernández 2008). Las especies de interés consideradas en este estudio tienen las ventaja de ser especies importantes para la regeneración del bosque, por lo que su cultivo y manejo agronómico, lejos de causar daños, contribuiría para mantener en condiciones favorables al ecosistema (Hernández, 2011).

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Con el propósito de obtener los beneficios de los usos de combustibles renovables, como el etanol, Guatemala debe dirigir esfuerzos en la producción del mismo para abastecer la demanda local e internacional disminuyendo así la dependencia de fuentes no renovables de combustibles, de los cuales se ha incrementado considerablemente el precio. En Guatemala se formó la Comisión Nacional de Biocombustibles formada por el Ministerio de Energía y Minas (MEM), Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales (MARN), Ministerio de Agricultura, Ganadería y Alimentación (MAGA), Ministerio de Economía (MINECO) y Ministerio de Relaciones Exteriores (MINEX), la cual tiene como propósito promover la investigación, cultivo, producción, comercialización y utilización de biocombustibles.

I.2.2 Justificación del trabajo de investigación

El tema de la generación de energía es un tema que nos debe interesar a todos por la magnitud del impacto que tiene desde diferentes puntos de vista por ejemplo económico, social, ambiental, etc. Se dice que la energía condiciona el desarrollo. Asimismo se expresa que existe interés a nivel nacional de disminuir la dependencia del petróleo sustituyéndolo por otras fuentes de energía (Prensa Libre, 2011). Se hace necesario contribuir a la disminución de producción de sustancias que contaminan el medio ambiente. La utilización de etanol en lugar de combustibles fósiles es beneficiosa, ya que el etanol tiene una cadena de carbono más pequeña que los componentes de la gasolina por lo cual contaminan menos al ambiente. La caña de azúcar para síntesis de bioetanol ofrece una alternativa de energía limpia, sin embargo esto ha tiene un costo en términos de deterioro ambiental ya que se deben sustituir grandes extensiones de bosque para el cultivo de la caña. La búsqueda de nuevas fuentes de energía apunta a la utilización de especies vegetales locales, algunas de ellas se encuentran en la flora del oriente guatemalteco, las cuales por su aumento rápido en biomasa en condiciones mínimas de manejo (condiciones ambientales extremas) las hace teóricamente útiles para la producción de celulosa. Adicionalmente en el oriente guatemalteco hacen falta alternativas de desarrollo económico y social de la población que permitan reducir el hambre y la pobreza.

I.3 OBJETIVOS E HIPOTESIS

I.3.1 Objetivos

I.3.1.1 Generales

a) Determinar y evaluar la obtención de etanol como fuente de energía renovable

y limpia a partir de la degradación de celulosa extraída de Gliricidia sepium,

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Leucaena leucocephala, Prosopis juliflora y Sabal mexicana, especies vegetales de la región semiárida del oriente guatemalteco.

b) Evaluar la utilidad de especies vegetales de la región semiárida del oriente

guatemalteco como alternativa de energía renovable y limpia

I.3.1.2 Objetivos específicos

a) Determinar y evaluar la obtención de etanol como fuente de energía renovable

y limpia a partir de la degradación de celulosa extraída de Gliricidia sepium, Leucaena leucocephala, Prosopis juliflora y Sabal mexicana, especies vegetales de la región semiárida del oriente guatemalteco.

b) Realizar un análisis preliminar de la abundancia de las especies colectadas en

el área de estudio. c) Establecer algunos parámetros de las poblaciones de las especies vegetales

estudiadas tales como altura, diámetro, área basal, densidad de las especies y abundancia relativa, como base para estudios posteriores sobre su manejo agronómico.

d) Extraer y degradar celulosa de cuatro especies vegetales por medio de

hidrólisis ácida para obtener celulosa.

e) Obtener etanol por medio de fermentación de la glucosa mencionada en el objetivo anterior.

f) Evaluar el rendimiento en la producción de etanol de cada una de las especies vegetales estudiadas.

g) Divulgar a las autoridades, actores sociales e institucionales en el campo de su competencia, la información obtenida en la investigación.

I.3.2 Hipótesis

Se puede obtener etanol por medio de la hidrólisis de celulosa extraída de por lo

menos una de las especies vegetales consideradas en este estudio.

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I.4 METODOLOGÍA I.4.1 Parte biológica

I.4.1.1 Localización

La investigación se llevó a cabo en los departamentos de El Progreso y Chiquimula. En el Progreso se estableció un sitio de muestreo ubicado en la aldea Tulumaje, San Agustín Acasaguastlán, con coordinadas 14º55´20.42” de latitud norte y 90º 02´14.27” de longitud oeste, otro sitio en un terreno de la empresa CELGUSA, ubicado en aldea El Rancho, con una ubicación de 14º 55´36.08” de latitud norte y 90º 00´44.06” de longitud oeste. El clima predominante es cálidos, la temperatura media es de 35° C, con mínima de 25 y máxima de 40°C. Presentándose precipitaciones que oscilan de 400 a 600 milímetros por año. .

En el departamento de Chiquimula se estableció un sitio en la aldea los Vados,

con ubicación 14º47´00.87” de latitud norte y 89º 24´16.91” de longitud oeste, uno

de la aldea la Ceibita con ubicación 14º47´25.84.31” de latitud norte y 89º

23´53.62” de longitud oeste y uno ubicado en la aldea Agua Caliente con

ubicación 14º48´51.31” de latitud norte y 89º 23´05.09” de longitud oeste. El

bosque seco subtropical es predominante con precipitaciones de entre 500 a 1,000

mm. Las temperaturas medias máximas anuales están entre los 36 – 38º C,

mientras que las mínimas están entre los 16 y los 18º C. Las temperaturas más

altas se registran durante los meses de marzo y abril. La humedad relativa media

durante la época seca se sitúa en 56% en la época lluviosa aumenta a un 62%;

en las otras partes oscila entre el 60%, en la época seca, y el 75% en la época

lluviosa. La evapotranspiración es de 670 mm anuales.

I.4.1.2.Variables

Variables dependientes

Área basal El área basal como variable dependiente es la que condiciona la producción de biomasa de la planta, esta variable se utilizó para la comparar la capacidad en la producción de celulosa de las especies de estudio, a través de esta variable se obtienen datos sobre para el manejo y explotación de plantaciones forestales. Diámetro a la altura del pecho –DAP- El DAP o diámetro a la altura del pecho como variable dependiente es la que surge como respuesta a las condiciones bióticas y abióticas del ecosistema, se

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expresa como una medida de la producción de masa en términos de diámetro en centímetros. Altura de las especies Al igual que las variables anteriormente mencionadas es una variable que obedece a los aspectos biológicos extrínsecos. En este caso se utilizó como parámetro comparación y correlación con el DAP a fin de establecer si una variables puede funcionar como parámetro de predicción o determinación de la otra. La altura no nos sirve para realizar inferencias de forma empírica sobre la capacidad de cada una de las especies para la producción de biomasa. Abundancia Es una variable que depende de los factores biológicos y a la influencia antrópica. La abundancia es una medida de la capacidad de dispersión de la especie a pesar de los factores extrínsecos en contra, y sirve de comparador entre especies. Densidad Esta variable aporta información de cuántos individuos de cada una de las especies o número de especies diferentes por unidad de área. I.4.1.3 Estrategia Metodológica

Selección de los sitios de muestreo

En las primeras giras se realizó un premuestreo a fin de seleccionar las áreas con las características necesarias para el muestreo. El criterio más importante para la selección de los sitios de muestro fue la presencia de a las especies de estudio con patrones de distribución natural, de especímenes con más de 2 metros de altura y mayores de un año. En los municipios de Guastatoya, San Agustín Acasaguastlán y El Rancho. Considerando que en el municipio de Guastatoya no se reportó ninguna especimen de las especies de interés, que en San Agustín Acasaguastlán se detectaron algunos especímenes de Leucaena leucocephala (yaje), Prosopis juliflora (campeche), que Prosopis juliflora solo se encontró distribuido naturalmente en buena proporción en Aldea El Rancho, se decidió extender el estudio un área geográfica con condiciones biogeográficas similares tales como las que presenta el departamento de Chiquimula el municipio de Jocotán.

Muestreo Tomando en cuenta el criterio de Mostacedo y Fredericksen (2000) se utilizó el método punto centro cuadrado el cual consiste en establecer el muestreo a través de parcelas seleccionadas por conveniencia. Las ventajas de este método son la rapidez de muestreo y la flexibilidad de medición, puesto que no es necesario acondicionar el tamaño de la unidad muestral a las condiciones particulares de la vegetación (Matteuci y Colma,1982).

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Durante el muestreo se establecieron parcelas de 10 x 10 metros cuadrados, los cuadrantes se delimitan y se analizan los especímenes que se encuentren dentro de estos cuadrantes.

Los parámetros evaluados en el campo fueron

1. Altura del espécimen 2. Diámetro a la altura del pecho –DAP-

La altura se obtuvo por medición directa. El diámetro del tronco se obtuvo a una altura de 1.3 m de la superficie del suelo (DAP=diámetro a la altura del pecho) utilizando una cinta métrica. Se realizaron medidas repetidas del diámetro a lo largo del través del tiempo. El cálculo del área basal por hectárea se realizará a través de la siguiente expresión:

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* 2DAP

AB

Donde: AB = Área basal DAP = Diámetro promedio a la altura de pecho

Colecta de muestras vegetales Para la toma de muestras vegetales se erigieron las plantas más robustas y con mejor follaje. Las muestras fueron colectadas de las ramas de 1.5 m o más de altura. En cada ocasión se colectaron muestras de aproximadamente 1.5 kilogramos de material vegetal fresco. Colocación del material vegetal en bolsas Una vez colectado el material fue colocado en bolsas negras, identificado y trasladado al laboratorio de análisis químico y fisicoquímico ubicado en el segundo nivel del edificio T-12, en el campus universitario. Identificación taxonómica de las muestras Algunas de las muestras fueron secadas y usadas para la identificación taxonómica de las especies. Para ello se utilizó una copia de la flora de Guatemala de Stanley & Steyermark (1962).

I.4.1.4 Población y muestra

Población La población la constituyeron los individuos de cada una de las siguientes especies: Gliricidia sepium (madre cacao), Leucaena leucocephala (yaje),

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Prosopis juliflora (campeche) y Sabal mexicana (palma). Colectadas en la región semiárida de los departamentos de El Progreso y Chiquimula. Unidades de muestreo Las unidades de muestreo fueron cada una de las parcelas establecidas dentre de cada uno de los sitios de muestreo, ubicados en las aldeas Tulumaje y El Rancho en el departamento de El Progreso y las aldeas Los Vados, Agua Caliente y La Ceibita, en el municipio de Jocotán, departamento de Chiquimula. Definición de la muestra La muestra la constituyó cada uno de los especímenes de las especies de estudio a los cuales se les midieron las variables dependientes. Para el caso del análisis químico las muestra se constituyó en cada una de las bolsas conteniendo el material vegetal fresco colectado.

I.4.1.5 Análisis estadístico de los resultados

Comparación de la producción de biomasa y áreas basales El análisis de estadístico de la producción de biomasa y las áreas basales de las especies se realizó a través de una prueba de Kruskal-Wallis a un nivel de significancia del 5%, utilizando el programa estadístico MEGASTAT 2007.

Regresión y correlación

Se realizó en análisis de regresión y correlación simples entre las variables altura y DAP con el fin de establecer si la altura es un buen indicador de la productividad.

El análisis estadístico se realizó utilizando el paquete estadístico XLSAT 2007 a un nivel de significancia del 5%.

Abundancia de individuos

Los índices de abundancia de los individuos se realizó por medio del software PAST 3.0.

Área basal promedio de las especies

Para el cálculo del área basal se utilizó u na hoja electrónica de Microsoft Excel 2007 utilizando para tal propósito la siguiente fórmula:

4

* 2DAP

AB

I.4.1.6 Métodos

Densidad de las especies por hectárea El cálculo de la densidad de las especies se realizó utilizando una hoja electrónica de Microsoft Excel 2007 a través de la relación individuos/unidad de área. Abundancia relativa de las especies

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Los índices de abundancia de las especies se calcularon con la ayuda del software PAST 3.0.

I.4.2 Parte química

Se secaron las muestras de cada una de las especies vegetales y se disminuyó el tamaño de partícula. Se determinó el peso del material Luego de eso se inician ciclos de lavados en caliente con hidróxido de sodio e hipoclorito de sodio, el primero al 10% y el segundo al 5%, hasta obtener un sólido esponjoso de color blanco. Con cada ciclo de lavado el color verde o amarillo se va perdiendo hasta quedar una solución incolora y un floculo como el descrito. Este sólido se pesó y ese valor correspondía a la cantidad de celulosa obtenida. Se calculó el rendimiento. Para obtener glucosa a partir de la celulosa se ensayaron varios métodos. La muestra de celulosa previamente secada y pesada se sometió a hidrólisis ácida con: ácido clorhídrico al 15% y calor. Se neutralizó la muestra con Ca(OH)2. Utilizando el método de Benedict – Felling se identificó la presencia de azucares reductores. El siguiente paso consistió en la fermentación de la glucosa obtenida, para lo cual se agregó levadura, bajo condiciones de anaerobias y enriquecimiento de CO2, el cual se puede inyectó al sistema de reacción mediante un cilindro de gas a una presión de 1 atmósfera. Se mantuvo la fermentación en un sistema cerrado a 37 grados centígrados durante 15 días. El sistema puede proveerse o no se un sistema adicional que consiste en un tubo de vidrio doblado en forma de ´N´ con agua en la segunda curva, para permitir la liberación de presión mediante el escape del exceso de CO2 producido durante la fermentación. Este proceso es típico de la fabricación artesanal de bebidas alcohólicas. Se obtuvo entonces un líquido de color amarillo dorado, el cual produce una abundante espuma cuando es filtrada al vacío y que contiene una concentración promedio de 2.5% de alcohol. El alcohol se destiló a presión reducida. Se añadió nuevamente levadura para obtener más etanol. Este ciclo se repitió hasta no observar más fermentación, aproximadamente entre 7 y 10 veces. Se efectuó cromatografía de gases a las muestras obtenidas de cada especie vegetal con el propósito de identificar y cuantificar etanol. Se obtuvo un rendimiento final de alcohol sobre la base de material vegetal seco inicial.

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PARTE II

II.1 MARCO TEORICO

II.1.1 Características de la zona semiárida de Guatemala

La zona semiárida de Guatemala es una zona única en Centro América por la interacción que existe entre las condiciones climáticas, fisiográficas y edáficas y la vegetación. Se trata de un área muy deforestada a causa de la sustitución de su bosque natural por monocultivos con riego y el pastoreo de ganado. Presenta una superficie de 928 km2, esta área es atravesada por el valle del río Motagua y está en colindancia con sierra de las Minas al oeste, con Jalapa en la montaña de Pinula y al este con la sierra del Merendón al este (Castañeda, 1995). Las comunidades arbóreas pioneras están dominadas por yaje (Leucaena sp) o comunidades mixtas de cactaceas, mimosaceas, cesalpinaceaes y fabáceas (Veliz, 2011). En la región semiárida del oriente guatemalteco se observan regadíos, con especies frutales nativas como zapote, caimito, chico, aguacate y la pacaya, sin embargo aun no se hace un uso adecuado de los recursos con potencial como fuente energética alternativa. El problema energético plantea la necedad de investigar los recursos locales como alternativas de desarrollo social y económico. (Hernandez, 2011).

II.1.2 Recursos vegetales y cultivos la región semiárida

Por efectos de la presión humana existente no se observa ningún sistema natural maduro, los sistemas naturales han sido utilizados como fuente directa de energía (leña), madera y en pocos casos como alimento y como fuente de plantas medicinales y ornamentales (Castañeda, 1995). En los últimos años se ha observado una pérdida de biodiversidad por sustitución de la flora nativa por sistemas agrícolas de monocultivo como melón, tomate y tabaco, esto solo han promovido la agricultura de subsistencia. El empobrecimiento de la población humana y la tendencia hacia los monocultivos anuales son factores muy importantes en la disminución de la biodiversidad del área. La presión humana y el establecimiento de los cultivos ha hecho que algunas especies propias del lugar sea observadas con menor frecuencia (tal es el caso de las cactáceas), además el cambio climático ha cambiado dramáticamente los patrones de distribución de las especies de interés forestal, es común observar la extracción irracional leña, postes u horcones proveniente de especies como Leucaena spp (Hernandez, 2011).

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II.1.3 El petróleo y sus dificultades actuales

Los acontecimientos socio políticos mundiales de la actualidad están influyendo de manera directa en los procesos de extracción y uso del petróleo. En los últimos 6 años ha habido una disminución de la producción de petróleo en 288,000 barriles/día, y por otro lado se ha incrementado la demanda mundial por parte de economías emergentes como la china, incrementándose los precios (Biblioteca agropecuaria de Colombia, 2008). El petróleo y sus derivados son fuentes de energía no renovable y que se están agotando, además el efecto contaminante por uso de sus derivados como fuente de energía es claro cuando se habla del aumento del calentamiento global.

Consumo mundial de petróleo proyectado (billones barriles anuales)

Fuente:(Biblioteca agropecuaria de Colombia, 2008)

En los últimos años la temperatura ha aumentado drásticamente trayendo como consecuencia las alteraciones climáticas que se manifiestan con la ocurrencia cada vez más frecuentes de fenómenos naturales que desembocan en la ocurrencia de desastres.

Cambios en la temperatura global

Fuente: (Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, 2007)

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II.1.4 Biocombustibles como alternativa de energía limpia

Hoy día se trabaja en la búsqueda de fuentes alternativas de para la producción de biocombustibles, éstos se son una alternativa de energía limpia, se producen orgánicamente. La fuente de estos es la biomasa o materia orgánica. Las especies vegetales de uso agrícola más utilizadas para estos procesos son el maíz o la mandioca, que son ricas en carbohidratos, o plantas oleaginosas como la soja, girasol y palmas, aunque también se están empleado especies forestales. Se dice que son una alternativa de energía limpia porque al utilizar estos materiales se reduce el CO2 que es enviado a la atmosfera en comparación con los combustibles derivados del petróleo. En Europa, Argentina y Estados Unidos ha surgido diversa normativa que exige a los proveedores mezclar biocombustibles hasta un nivel determinado. Generalmente los biocombustibles se mezclan con otros combustibles en cantidades que varían del 5 al 10%. En Guatemala, según datos de la Asociación de Combustibles Renovables –ACR- (2011). en el decreto ley 17-85, ley de alcohol carburante, en el artículo 13, se dice que al menos se debe mezclar el 5% de etanol en la gasolina, esta ley está vigente, pero inoperante.

Diferentes tipos de biocombustibles.

FUENTE: (Hernández, 2007).

II.1.5 Etanol como biocombustible

La producción de etanol como aditivo oxigenante, los diversos métodos de producción de bioetanol a partir de materias primas alternativas, y las nuevas tendencias para mejorar los procesos de su obtención son temas de interés industrial actual porque se enfrenta el problema del agotamiento de combustibles derivados del petróleo. Además se han generado enormes cantidades de gases contaminantes.las que han sido liberadas a la atmósfera, cambiando la temperatura a nivel mundial.

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El uso recursos energéticos renovable reduce las emisiones de CO2 generadas por que la producción y uso de biocombustibles son compensadas, una hectárea cultivada con recursos alternativos, utilizados para síntesis de biocombustibles reduce la emisión de bióxido de carbono a razón de de 0.2 a 2.0 toneladas (Hernández, 2007). De los biocombustibles es el bioetanol el que tiene mayor interés, pudiéndose obtener de materias orgánicas ricas en azúcares reductores o ricas en celulosa.

Consumo de etanol y biodiesel a nivel mundial

FUENTE: (Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, 2007).

Cuando el bioetanol se mezcla con derivados de petróleo como la gasolina se obtiene combustibles de mejor calidad y más limpios. Ya está normado en la mayoría de países (incluyendo Guatemala) que las gasolinas deban de contener entre el 5 y el 10 % de etanol, sin embargo, esto aún no es una realidad. (Artículo de Prensa Libre 21 de septiembre de 2011, página 32).

II.1.6 Producción de etanol en Guatemala

Guatemala es el mayor productor de etanol en la región centroamericana, hay cinco destilerías con una capacidad instalada de 250 millones de litros al año, es decir cerca de 1.54 millones de litros por día. Más del 90% del alcohol producido en nuestro país es exportado, principalmente a Europa, Estados Unidos y México, mientras que el porcentaje restante es exclusivamente para el mercado de bebidas. A pesas de todo se reporta una reducción en la exportación de etanol, ligada a una baja en la producción de cultivo de caña de azúcar. La venta al exterior llegó a 145.6 millones de litros en 2008 y bajó hasta 107.7 millones de litros en 2010. Según la ACR, cerca del 90% se exporta a Europa, Estados Unidos y México. El resto se emplea en la industria local de bebidas (Prensa libre, 21 de septiembre de 2011).

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II.1.7 Cultivos tradicionales y sus desventajas.

Los cultivos tradicionales como la caña de azúcar son empleados para la producción de bioetanol sin embargo esto ha representado un alto costo para los recursos naturales. Es decir que se ha reducido la cobertura natural del bosque (Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, 2007). Latinoamérica tiene cultivadas cerca de ocho millones de hectáreas de caña de azúcar, las cuales pueden ofrecer 33,6 millones de m3 de etanol, oferta inferior a la cantidad que se necesitaría para lograr que en todos los países la gasolina se mezclase con diez por ciento de etanol. Satisfacer esta demanda requeriría deforestar 10,4 millones de hectáreas de bosque adicionales a las existentes, para cultiva caña de (Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, 2007). Este aspecto plantea interrogantes sobre la capacidad de la caña de azúcar de paliar con la problemática ambiental y de contribuir en realidad con el desarrollo económico y social (Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, 2007).

II.1.8 Recursos locales como alternativa al cultivo de la caña

Aún no se tienen muchos estudios sobre el potencial de los recursos locales en la producción de bioetanol en Latinoamérica, lo que si está claro sabe es que existen especies promisorias, que a veces hasta son consideradas como malezas, que bien podrían ser empleadas con fines diferentes a al agricultura de subsistencia. Así tenemos el caso específico del campeche (Prosopis juliflora), el cual en los últimos años ha venido estudiándose, estableciendo que se trata de una especie con potencial. Es necesario conocer si especies como la mencionada anteriormente pueden ser manejadas y cultivadas, para la producción de biocombustibles, a la vez que se inician estudios de cómo estas especies pueden comercializarse a nivel local, con lo que se ofrecerían alternativas de desarrollo local (Hernández, 2011).

II.1.9 Procesos de obtención de bioetanol

El bioetanol se obtiene de plantas ricas en azúcares, de cereales o de biomasa. En el proceso de obtención a partir de azúcares, estos se diluyen con agua y luego son sometidos a fermentación. En el caso de obtenerse a partir de biomasa, ésta, primero debe ser reducida e hidrolizada para la obtención de azúcares, los cuales son sometidos a fermentación en una etapa posterior. El proceso fermentativo empleado es la fermentación alcohólica, para ello se utilizan levaduras. Una vez fermentos los azúcares, los productos son sometidos a un proceso de destilación. Mediante la destilación se separan los diferentes componentes líquidos de la mezcla (etanol/agua).

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Esquema general de la obtención de bioetanol (Biblioteca agropecuaria de Colombia, 2008)

II.1.10 Características de las especies a estudiar

Gliricidia sepium (madre cacao)

El madre cacao es una planta propia de las región mesoamericana que incluye a México y Centroamérica abarcando 18° de latitud, desde la 25°30' N. en el noroeste de México hasta la 7°30' N. en Panamá. Esta planta se ha cultiva desde la época pre-colombina, soporta precipitaciones pluviales promedio anual de entre 700 y 3500 mm y estaciones secas de entre 5 a 8 meses de duración comprendida entre diciembre y abril, soportando temperaturas promedio anuales que van desde los 22°C hasta los 41º C. Crece en una variedad de suelos, así se les puede encontrar en suelos arenosos, pedregosos, arcillosos y suelos negros, llegando a ser tolerante a condiciones pantanosas. En Centroamérica el madre cacao se puede encontrar formando parte de rodales puros o en bosques secundarios mixtos de lugares severamente perturbados. Florece en la época seca (entre enero y marzo), ya a los primeros cinco años de vida esta planta puede iniciar su fructificación.

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Usos El uso más común es como cerco vivo, como sombra para los cultivos de café y en algunos países latinoamericanos es utilizado para reforestar cuencas. Su follaje puede usarse como abono orgánico, forraje para el ganado y como combustible. Las hojas del madre de cacao tienen un contenido crudo promedio de proteína y de lignina y buena digestibilidad in vitro de la materia seca. Las hojas se han usado como aditivo en las dietas para gallinas ponedoras. La madera es dura, pesada y fuerte, se usa extensamente para postes, travesaños en las vías de ferrocarril y para la construcción de muebles, mangos de herramientas y artículos pequeños. La madera es una buena fuente para combustible, tiene un peso específico de 0.47 a 0.75 g por cm3 y un valor calórico de 4.91 kcal por g. Se usa a veces para la producción de carbón. Las semillas, la corteza, las hojas y las raíces son tóxicas y se usan como rodenticida y para la pesca. Estas partes a pesar se ser tóxicas son utilizadas como alimento para el ser humano y como cataplasmas en remedios caseros (Cordero & Barrance, 2004).

Mapa de distribución de Gliricidia sepium

Fuente: FAO. org

Sabal mexicana (palma)

Palma con tallo de hasta 15 m de altura, con un sistema radical que llega a los 60-90 cm del suelo. Hojas de hasta 1 m de largo. Las flores, de ligera fragancia, nacen en racimos de 0.6-1.8 m de largo, insertos entre las hojas. Los frutos son numerosos, ovalados y aplanados, de 13-20 mm de ancho y 15 mm de grosor. Las semillas son color café, de 9 mm de largo (Cordero & Barrance, 2004). Esta planta es natural de Guatemala y puede localizarse en rodales sobre las laderas y pendientes pronunciadas en altitudes que van desde cero a mil cuatrocientos metros sobre el nivel del mar, en los departamentos de Chiquimula,

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El Progreso, Escuintla, Huehuetenango, Jutiapa, San Marcos y Santa Rosa, pero principalmente en la cuenca del río Motagua (Cordero & Barrance, 2004).

Usos Las hojas se usan para construir techos y los tallos para la construcción de viviendas y puentes, en algunas otras partes se usa para la construcción de techos para ranchos (En torno al valle del rio Motagua es común encontrar viviendas con construcciones a base de palma), para la construcción de chiqueros y gallineros y como sombra para cafetales, así también sus hojas son utilizadas para la elaboración de artesanías, sombreros, canastos, escobas y sopladores. La palma tiene buena demanda en el monte espinoso del valle del Motagua, los agricultores compran las hojas por zontes (400 hojas) a un precio entre 40 y 60 quetzales reportado para el año de 1995.

Mapa de distribución de la palma

Prosopis julifolora (Campeche)

Esta planta considerada de importancia para los procesos de regeneración en los bosques secos y espinosos de la región mesoamericana. Es nativa de México, Centroamérica y el norte de Suramérica, crece de manera silvestre en zonas con muy poca precipitación pluvial, radiación solar intensa, temperaturas altas, poca humedad. Crece en suelos pobres, arenosos, y con un pH que van de 6.5 a 8.3 y a veces hasta 10.4 (Cordero & Barrance, 2004).

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Esta especie vegetal presenta rápido desarrollo del sistema radicular, se adapta rápidamente, compite con malezas. En un año las plántulas llegan a alcanzar un tamaño de entre 1.70 y 1.80 m e inician la producción de vainas (Marroquín, 2011). Además es una especie muy buena para la fijación de nitrógeno, con nódulos fijadores en las raíces (Cordero & Barrance, 2004).

Usos Esta planta es considerada como una planta promisoria por algunos científicos que han estudiado los procesos de regeneración del bosque espinoso por más de diez años, ya que según afirman los vainas, las hojas y la madera pueden usarse para una diversidad de cosas que van desde la elaboración de harinas para la alimentación humana y del ganado, pasando por usos en la construcción de viviendas, hasta la utilización como fuente de energía alternativa, renovable (Hernandez, 2011). Esta planta es buena productora de abono verde y materia orgánica, produciendo de entre 300 kg/ha a 8,000 kg/ha. Produce de 3,000 a 4,000 kg. Presenta una producción de 50 a 100 toneladas de leña por hectárea. Debido a su alto valor calorífico la madera se ha llamado "antracita vegetal". Arde lentamente y mantiene bien el calor (Cordero & Barrance, 2004). Se utiliza para repoblación forestal productiva de zonas secas y áridas o en zonas degradadas. Su leña es muy apreciada como para producción de leña. En países como la India y Australia, en donde ha sido introducida su uso se ha extendido a la mejora de la fertilidad de suelos, al control de la erosión, a la estabilización de bancos de arena, como barreras rompe vientos y como alimento y sombra para especies silvestres y domésticas (Cordero & Barrance, 2004).

Leucaena leucocephala (yaje)

El yaje es originario sur de Yucatán, habita el sur de México, el monte espinoso de Guatemala, Honduras, El Salvador y Nicaragua, se describe como una especie multipropósito de interés agro silvícola, se usa en plantaciones en linderos y árbol disperso como sombra para cultivos perennes comerciales. Está siendo cultivada

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comercialmente en varios países tropicales para satisfacer distintas necesidades de productos forestales y en la actualidad presenta interés como fuente alternativa de energía renovable (Hernández, 2011). Prospera en ambientes adversos, adaptándose bien a tierras bajas con precipitaciones de entre 350 mm/año y 2,300 mm/año y temperaturas promedio anuales de entre 22 y 30 ºC. Crece bien en suelos neutros y alcalinos.

Usos La leña y el carbón obtenidos de esta especie son de una calidad excepcional. La madera tiene un alto poder calorífico (4200-4600 kcal/kg) y una gravedad específica de 0.54 a 0.74, ésta es utilizada en la construcción rural ligera. Se usa para reforestación productiva en zonas degradadas y zonas secas y áridas, mejorando la estructura del suelo y ayudando a prevenir la erosión. Las semillas maduras son empleadas como sustituto de café y en la elaboración de joyas. Los frutos son una fuente principal de vitamina A y proteínas (Cordero & Barrance, 2004).

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PARTE III

III.1. RESULTADOS

III.1.1 Parte biológica

Diferencia en la biomasa entre las especies encontradas y estudiadas en Chiquimula Se realizó la comparación entre las áreas basales de las especies de estudio con el fin de establecer si existen diferencias estadísticamente significativas entre las mismas. Para el análisis se realizó la prueba de Kruskal-Wallis a un nivel del 5 % de significancia, utilizando el Software estadístico MEGASTAT 2007. Los resultados muestran que existe diferencia significativa entre las especies colectadas en Chiquimula en cuanto a la producción de biomasa y se infiere que Sabal mexicana (palma) es la especie que produce más biomasa que las demás especies. Diferencia en la biomasa entre las especies encontradas y estudiadas en El Progreso Se realizó la comparación entre las áreas basales de las especies de estudio con el fin de establecer si existen diferencias estadísticamente significativas entre las mismas. Para el análisis se realizó la prueba de Kruskal-Wallis a un nivel del 5 % de significancia, utilizando el Software estadístico MEGASTAT 2007. Los resultados muestran que existe diferencia significativa entre las especies colectadas en El Progreso en cuanto a la producción de biomasa, siendo, según los resultados la palma quien produce más biomasa. Regresión y correlación entre Alturas y DAP Con el fin de establecer si la altura era un buen indicador de la productividad de las especies se correlacionó la altura (variable independiente) con el DAP (variable dependiente) para las diferentes especies colectadas en las dos áreas de estudio

de interés. El análisis estadístico se realizó a con el software XLSAT 2007 a un nivel de significancia del 5%.

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Gráfica 1 Análisis de regresión y correlación, altura vrs. DAP, Prosopis juliflora / Chiquimula

Fuente: Proyecto FODECYT 14-2012

23

Gráfica 2

Análisis de regresión y correlación, altura vrs. DAP, Gliricidia sepium / Chiquimula


24

Gráfica 3 Análisis de regresión y correlación, altura vrs. DAP. Sabal mexicana/Chiquimula


25

Gráfica 4

Análisis de regresión y correlación, altura vrs. DAP, Prosopis juliflora/El Progreso


26

Gráfica 5 Análiss de regresión y correlación, altura vrs. DAP, Gliricidia sepium / Chiquimula


27

Gráfica 6 Análisis de regresión y correlación, altura vrs. DAP, Sabal mexicana / El Progreso


28

Gráfica 7 Análisis de regresión y correlación, altura vrs. DAP, Leucaena leucocephala /El

Progreso


29

Cuadro. 1. Abundancia de individuos en las áreas de estudio

Chiquimula El Progreso

Gliricidia sepium 28 16

Sabal mexicana 51 17

Prosopis juliflora 5 18

Leucaena leucocephala

0 15

84 66



30

Cuadro 2. Alturas promedio (m) de las especies de estudio


Prosopis juliflora 3.07 3.42

Gliricida sepium 8.82 4.92

Sabal mexicana 3.99 2.42


3.05



31

Cuadro 3. DAP promedio de las especies


Prosopis juliflora 31.09 26.27

Gliricidia sepium 16.72 8.05



25.88



32

Área basal promedio de las especies Para el cálculo del área basal se utilizó el diámetro al altura del pecho –DAP- de las especies estudiadas como base utilizando la fórmula:

4

2DAP

AB

Cuadro 4 Área basal (cm2) de las especies


Prosopis juliflora

848.03 649.83

Gliricidia sepium

278.04 52.77

Sabal mexicana

1018.85 703.41


0.00 644.06



33

Cuadro 5. Área basal en cm2 de las especies / Ha


Prosopis juliflora

0.42 1.17

Gliricidia sepium

0.78 0.09

Sabal mexicana

5.20 1.20


0.00 0.97



34

Cuadro 6. Densidad de las especies por hectárea (ind/100 m2)


Gliricidia sepium

0.07 0.03


Prosopis juliflora

0.05 0.04


0.00 0.03



35


Cuadro 7. Abundancia relativa de las especies


Gliricidia sepium 33.33 24.24 Sabal mexicana 60.71 25.76 Prosopis juliflora 5.95 27.27


0.00 22.73

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III.1.2 Parte química

Rendimiento de celulosa

Cuadro 8. Rendimiento de celulosa en relación al material vegetal seco


Cuadro 9. Rendimiento de la glucosa en relación a la celulosa obtenida.


Especie Vegetal

Porcentaje de Rendimiento

Gliricidia sepium 34.80%


33.10%

Prosopis juliflora 30.80%

Sabal Mexicana 36.10%

Gliricidia sepium

80%


79%

Prosopis juliflora

81%

Sabal Mexicana

82%

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Rendimiento de etanol

Cuadro 10. Resumen Rendimiento de Etanol

Concen-tración Conocida

Area T ret Prom

Concen-tración Calculada

Error Máximo Tr

Error Promedio Tr

Error Prom Area

Rendi-miento

Etanol 1% 6300 1.3 min

0.25 min

0.1 min 2.38%

Sabal Mexicana

1800 1.3 min

0.2857 0.2min 0.1 min 2.0% 22.86

Gliricidia sepium

1750 1.42 min

0.2778 0.4 min 0.3 min 3.1% 22.22


1700 1.41 min

0.2698 0.4 min 0.2 min 2.7% 21.59

Prosopis juliflora

1650 1.40 min

0.2619 0.3 min 0.2 min 2.50% 20.95


38

III.2. Discusión de resultados

III.2.1 Parte biológica

La comparación del área basal para establecer la existencia de diferencias significativas muestra que la palma produce más biomasa porque al parecer está mejor adaptada, el hecho de que tenga un crecimiento secundario (mayor DAP) apunta a que la palma puede ser considerada como promisoria para la producción de celulosa. El análisis de regresión lineal de las altura de las especies vrs. su respectivo DAP (gráficas 1 a la 7) muestra que las variables altura y DAP no se relacionan de buena manera, es decir que la estimación de la altura no permite realizar inferencias de forma empírica sobre la capacidad de cada una de las especies para la producción de biomasa, sin embargo Sabal mexicana para la región de Jocotán, Chiquimula y el Prosopis juliflora para El Rancho, El Progreso son las especies con comportamientos más linearizados. En cuanto a abundancia, Sabal mexicana y Gliricida sepium son las especies más abundantes para la región Chortí (Chiquimula). Para El Progreso la abundancia es muy similar entre las diferentes especies, esto se puede explicar desde la perspectiva de la intervención humana, es decir que en El Progreso éstas especies tienen mucha presión por la expansión de los cultivos y por el uso como leña que estas tienen, mientras que en la región Chortí la palma y el madre cacao muestran una utilidad práctica para las personas que fabrican escobas con las hojas de palma o bien se alimentan del madre cacao. La palma no solo es la más abundante para la región Chortí sino también muestra la mayor área basal, aspecto que la hace de interés para la producción de biomasa (celulosa). En cuanto a la altura promedio de los individuos, este parámetro resulta sin importancia debido a que no es buen índice de la biomasa producida (al menos eso es lo que demuestran los resultados del análisis de regresión y correlación entre altura y DAP), en ese sentido se muestra al madre cacao con mayores alturas (cuadro 2), sin embargo, con DAPs relativamente pequeños (cuadro 3), aspecto que se puede explicar con árboles delgados pero altos. El área basal de la palma para la región Chortí es de especial interés (cuadro 4, gráfica 10), esto se interpreta como una mejor capacidad para producir biomasa. Además, se puede relacionar con el hecho de que sea una especie relativamente abundante, en especial para la región Chortí. Los resultado de su abundancia y su área basal deben de contrastarse con los resultados de la producción de etanol en laboratorio.

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Las abundancias relativas refuerzan las discusiones anteriores sobre el hecho de que la palma en la región Chortí muestra predominancia sobre las otras especies de estudio.

III.2.2 Parte química

Se demostró que es posible obtener celulosa, hidrolizarla a glucosa y fermentar ésta última sustancia a etanol a partir de las hojas de las especies .vegetales consideradas para esta investigación. Sin embargo, es importante considerar que durante el procedimiento para obtener el etanol desde el material vegetal, se utilizan sustancias las cuales para su síntesis consumen gran cantidad de energía, producen dióxido de carbono durante su fabricación, el cual es considerado como gas de efecto invernadero. Adicionalmente, en la técnica propuesta de obtención de etanol, se hace necesario utilizar reactivos que tienen precios elevados, como lo es el ácido clorhídrico lo cual incrementa el costo del producto final. Se estableció que en ciertas condiciones aerobias a partir del etanol se obtiene acetato de etilo, el cual tiene usos en perfumería, confitería, en la fabricación de café descafeínado, en la producción de vinos, etc. Las ventajas de utilizar estas especies de la forma planteada, que la utilización de sus ramas, son que en primer lugar un solo arbusto puede rendir múltiples cosechas durante muchos años, en segundo lugar, se aprovecha una extensa zona geográfica tan árida que no podría cultivarse fácilmente otras especies, tercero, las especies en cuestión no necesitan mantenimiento ni ayuda humana especial para crecer, cuarto, ayudarían al desarrollo económico sostenible de los pobladores de la zona, contribuye a la reforestación y equilibrio del ecosistema de la zona geográfica en cuestión, sexto, existen múltiples productos que podrían obtenerse de estas especies. Por ejemplo de acuerdo a estudios experimentales se ha establecido que de las vainas de Prosopis juliflora puede obtenerse harina para utilizar en nutrición, (principalmente en regiones de sequía prolongada) debido a que se considera fuente de carbohidratos y proteínas. Existe adicionalmente interés en obtener bebidas de las vainas de esta especie.

40

PARTE IV.

IV.1 CONCLUSIONES

De la especie vegetal que se obtuvo mayor rendimiento de etanol, de acuerdo al análisis descriptivo fue de Sabal mexicana.

El análisis preliminar de la abundancia de las especies en el área de estudio muestra una proporción muy baja de individuos especialmente para los sitios establecidos en el departamento de El Progreso, al parecer uno de los factores condicionantes es el factor antrópico.

La palma produce más biomasa, considerándose como promisoria para la producción de celulosa.

Las variables altura y DAP no se relacionan de buena manera para las especies estudiadas.

La estimación de la altura no permite realizar inferencias de forma empírica sobre la capacidad de cada una de las especies para la producción de biomasa.

La palma (Sabal mexicana) para la región de Jocotán, Chiquimula y el campeche (Prosopis juliflora) para El Rancho, El Progreso, son las especies con comportamientos más linearizados (DAP vrs. área basal).

En cuanto a abundancia, la palma (Sabal mexicana) y el madre cacao (Gliricida sepium) son las especies más abundantes para la región Chortí (Chiquimula).

Para El Progreso la abundancia es muy similar entre las diferentes especies de estudio, es decir que todas las especies presentan poca abundancia.

La palma (Sabal mexicana) es la más abundante para la región Chortí mostrando mayor área basal, aspecto que la hace de interés para la producción de bioetanol.

Las alturas de los individuos no son un buen indicador de su DAP o área basal, es decir, de la producción de biomasa.

En función de su área basal, la palma en la región Chortí, presenta mayor capacidad para producir biomasa.

La especie Leucaena leucocephala no se localizó en los sitios de estudio ubicados en Chiquimula (Jocotán).

Existe diferencia significativa en cuanto al área basal de las diferentes

especies (Kruskal-Wallis = 0.05).

El valor más alto en relación al área basal fue el de Sabal mexicana.

Prosopis juliflora, muestra ser la segunda especie en relación a valores de área basal, después de Sabal mexicana, para el departamento de El Progreso.

La especie que presentó mayor rendimiento en la producción de celulosa en función del material seco fue la palma (Sabal mexicana), con un 36.10%, le sigue el madre cacao (Gliricidia sepium), con un 34.80%, luego el yaje (Leucaena leucocephala), con 33.10% y por último el campeche (Prosopis juliflora),con un 30.80%.

41

La especie que presentó mayor rendimiento en la producción de glucosa en función de la celulosa obtenida fue la palma (Sabal mexicana), con un 82.00%, le sigue el campeche (Prosopis juliflora),con un 81.00%, luego el madre cacao (Gliricidia sepium), con un 80.00% y por último el yaje (Leucaena leucocephala), con 79.00%.

La especie que presentó mayor rendimiento en la producción de etanol en función de la glucosa obtenida fue la palma (Sabal mexicana), con 22.86%, le sigue el madre cacao (Gliricidia sepium), con 22.22%, luego el yaje (Leucaena leucocephala), con 51.59%, y por último el campeche (Prosopis juliflora), con 20.95%.

Los resultados biológicos en cuanto al área basal (buena cantidad de biomasa), de la palma (Sabal mexicana), coinciden con los buenos resultados de la parte química en cuanto al rendimiento en la producción de celulosa, glucosa y etanol.

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IV. 2 RECOMENDACIONES

Se recomienda a la palma (Sabal mexicana), como principal especie vegetal de estudio para la producción de etanol.

Se considera importante establecer plantaciones manejadas de las especies de estudio.

Se recomienda promover políticas que promuevan la reforestación con plantas nativas del bosque seco.

Se recomienda establecer plantaciones de palma (Sabal mexicana) en la región Chortí, como regenerador del paisaje natural y como alternativa de aprovechamiento.

Efectuar un estudio para determinar la correlación entre producción de biomasa y rendimiento de etanol, de muestras vegetales provenientes de plantaciones manejadas de las especies estudiadas por este proyecto.

Promover la conservación de las especies de plantas nativas del bosque seco.

Es recomendable hacer este estudio con especies del corredor seco que no tengan mucha presión por expansión de la frontera agrícola.

Llevar a cabo investigaciones con el propósito de obtener otros productos de las diferentes partes de las especies vegetales como las semillas, etc. con el propósito de aprovechar al máximo las mismas y dar un valor agregado a los productos obtenidos de ellas.

Realizar investigaciones comparando el rendimiento utilizando la enzima celulasa y el procedimiento químico establecido.

Llevar a cabo estudios biológicos de estas especies en otras áreas de Guatemala.

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IV.3 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. Biblioteca agropecuaria de Colombia. (2008). Bibliografía sobre combustibles. Bogotá: COPROICA-ICA.

2. Castañeda, C. (1995). Impacto de los sistemas productivos en la diversidad del bosque muy seco de Guatemala. Dirección General de Investigación - USAC.

3. Cordero, D., & Barrance, A. (2004). Arboles de centroamerica. (OFI-CATIE, Ed.) Oxford.

4. Ferrer, J. (2002). Cinética de la hidrólisis ácida de bagacillo de caña de azúcar. Revista de la facultad de agronomía, 19, 23-33.

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44

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45

IV. ANEXOS

Anexo 1. Diagramas de flujo de la parte química a. Diagrama de flujo del aislamiento y blanqueado


46

b. Diagrama de flujo del procedimiento para la hidrólisis ácida de la celulosa con HCl al 30%

c. Diagrama de Flujo de la caracterización de Glucosa con el Reactivo de

Fehling según la USP de los Estados Unidos


47

Anexo 2. Resultados del análisis estadístico a. Diferencia de la biomasa de las especies encontradas y estudiadas en

Chiquimula

Median n Avg. Rank 610.93 5 51.00 Campeche 175.79 27 29.04 Madre cacao

855.30 51 47.98 Palm 490.88 83 Total

11.679 H (corrected for ties)

2 d.f.

.0029 p-value

b. Distribución de Chi cuadrado diferencia de la biomasa de las especies

encontradas y estudiadas en Chiquimula


48

c. Diferencia de la biomasa de las especies encontradas y estudiadas en El

Progreso

Kruskal-Wallis Test

Median N Avg. Rank

421.84 18 39.22 Campeche

42.09 16 11.00 Madre cacao

711.11 17 44.38 Palma

440.04 15 38.30 Yaje

365.17 66 Total

29.995 H (corrected for ties)

3 d.f.

1.38E-06 p-value

d. Distribución de chi cuadrado, diferencia de la biomasa de las especies

encontradas y estudiadas en El Progreso


49

Anexo 3. Cromatogramas a. Cromatograma del estándar de etanol 1%

Fuente: Proyecto FODECYT 14-2012 b. Cromatograma del estándar de etanol 3%


50

c. Cromatograma para Gliricidia sepium

Fuente: Proyecto FODECYT 14-2012 d. Cromatograma de Leucaena leucocephala


51

e. Cromatograma de Prosopis juliflora

Fuente: Proyecto FODECYT 14-2012 f. Cromatograma de Sabal mexicana


52

g. Cromagrama de Gliricidia sepium

Fuente: Proyecto FODECYT 14-2012 h. Cromatograma de Leucaena leucocephala


53

i. Cromatograma de Prosopis juliflora

Fuente: Proyecto FODECYT 14-2012 j. Cromatograma para Sabal mexicana


54

Anexo 4. Cuadros de rendimiento

a. Rendimiento de Etanol Sabal mexicana

Sabal Mexicana

Área T ret Concentración Error Tr Rendimiento

Repetición 1 1810 1.35 0.28730159 0.05 22.984127

Repetición 2 1790 1.25 0.28412698 0.05 22.7301587

Repetición 3 1795 1.5 0.28492063 0.2 22.7936508

Repetición 4 1805 1.1 0.28650794 0.2 22.9206349

Repetición 5 1800 1.3 0.28571429 0 22.8571429

Repetición 6 1800 1.3 0.28571429 0 22.8571429

Promedio 1800 1.3 0.28571429 0.08333333 22.8571429


b. Rendimiento de Etanol Gliricidia sepium

Gliricidia sepium


Repetición 1 1760 1.37 0.27936508 0.07 22.3492063

Repetición 2 1740 1.37 0.27619048 0.07 22.0952381

Repetición 3 1745 1.5 0.27698413 0.2 22.1587302

Repetición 4 1755 1.45 0.27857143 0.15 22.2857143

Repetición 5 1750 1.4 0.27777778 0.1 22.2222222

Repetición 6 1750 1.3 0.27777778 0 22.2222222

Promedio 1750 1.39833333 0.27777778 0.09833333 22.2222222


55

c. Rendimiento de Etanol Leucaena leucocephala



Repetición 1 1710 1.38 0.27142857 0.08 21.7142857

Repetición 2 1690 1.37 0.26825397 0.07 21.4603175

Repetición 3 1695 1.5 0.26904762 0.2 21.5238095

Repetición 4 1705 1.45 0.27063492 0.15 21.6507937

Repetición 5 1700 1.43 0.26984127 0.13 21.5873016

Repetición 6 1700 1.31 0.26984127 0.01 21.5873016

Promedio 1700 1.40666667 0.26984127 0.10666667 21.5873016


d. Rendimiento de Etanol Prosopis juliflora

Prosopis juliflora


Repetición 1 1660 1.38 0.26349206 0.08 21.0793651

Repetición 2 1640 1.36 0.26031746 0.06 20.8253968

Repetición 3 1645 1.4 0.26111111 0.1 20.8888889

Repetición 4 1655 1.45 0.26269841 0.15 21.015873

Repetición 5 1650 1.43 0.26190476 0.13 20.952381

Repetición 6 1650 1.4 0.26190476 0.1 20.952381

Promedio 1650 1.40333333 0.26190476 0.10333333 20.952381


56

PARTE V.

V.1. INFORME FINANCIERO

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