Biomass production in intensive plantations of Eucalyptus species in Uruguay

La producción de biomasa con especies de eucaliptos muestra un alto potencial, teniendo en cuenta los altos niveles de crecimiento que tienen estas especies en los diferentes suelos de prioridad forestal de Uruguay. La biomasa de estas especies (en particular la madera) presentan características interesantes desde el punto de vista tecnológico teniendo en cuenta la densidad básica, la homogeneidad de la composición química, el bajo contenido de azufre, cenizas y nitrógeno y un poder calórico relativamente alto. Estas características determinan que las plantaciones intensivas de estas especies puedan ser una alternativa interesante en sistemas de producción cuyo objetivo sea la obtención de distintos tipos de biocombustibles. Los cultivos de altas densidades y corta rotación tienen particularidades que merecen especial atención desde el punto de vista productivo, tecnológico y ambiental teniendo en cuenta la falta de información que hay sobre los mismos en los suelos forestales de Uruguay. En función de estas necesidades se instalaron en la primavera de los 2010 dos ensayos a campo en dos localizaciones (Tacuarembó-NE, y Paysandú-SW), con tipos de suelos representativos de los suelos predominantes en las regiones litoral y norte del país. Fueron evaluadas tres especies de eucaliptus (Eucalyptus benthamii, E. dunnii y E. grandis) establecidas con cuatro densidades de plantación (2220, 3330, 4440 y 6660 árboles por hectárea) en un diseño de parcelas divididas con tres repeticiones. El Capítulo 1 presenta un contexto general de la matriz energética en Uruguay y la conceptualización de la biomasa forestal y, en particular, de los cultivos energéticos; además de su posible adaptación a las condiciones del país y su potencial como materia prima para la obtención de combustibles. En función de ese contexto se plantean el objetivo general y los específicos los cuales se relacionan directamente con los capítulos de la presente tesis. En el Capítulo 2 se justifica la elección de las especies de eucaliptos y se analiza la distribución potencial de E. grandis y E. dunnii en los distintos tipos de suelos de prioridad forestal del país. E. benthamii no fue incluida en este primer análisis ya que no se contaban con datos suficientes de inventario por ser una especie de uso relativamente reciente por las empresas productoras de pasta de celulosa. Los resultados permitieron identificar los parámetros de suelo, topografía y clima que mayor asociación muestran con el crecimiento de estas especies y, por tanto, generar una cartografía de las regiones con mayor potencial para el crecimiento de ambas especies. Los modelos de predicción de hábitat ajustados mostraron un grado elevado de precisión, y también permiten visualizar la distribución a futuro de estas especies en función de diferentes escenarios de cambio climático. El Capítulo 3 analiza la evolución de la sobrevivencia y su relación con las especies y densidades de plantación en los primeros 5 años de crecimiento. La evolución de la sobrevivencia también es analizada en función de las variaciones de la temperatura y precipitaciones ocurridas durante el período de evaluación en ambos sitios, así como de las condiciones de preparación previo e inmediatamente posterior a la plantación. Fueron analizados los efectos de la competencia entre individuos y sus efectos sobre el volumen individual y por hectárea. La evolución de las curvas de crecimiento indica el momento óptimo de cosecha para cada caso. En el Capítulo 4 se presenta la dinámica de la densidad de la madera a lo largo de los ciclos de cultivo, la cual muestra un comportamiento diferente en ambas localizaciones para las especies y densidades de plantación en las diferentes edades evaluadas. El análisis del peso individual mostró un comportamiento similar al del volumen en cada una de las densidades de plantación. El análisis del efecto de la competencia en las diferentes densidades de plantación se manifiesta de forma similar al del volumen individual determinando diferencias en la productividad por hectárea de las especies en cada uno de los espaciamientos. Con estos resultados es posible identificar las especies y densidades de plantación con una productividad más elevada, y el momento óptimo de cosecha en cada caso. Al mismo tiempo, se observó la relación del espaciamiento y del turno de cosecha. Fueron identificadas las variables que permiten estimar con mayor precisión tanto del volumen como el peso individual para cada localidad, especie y densidad de plantación. En el capítulo 5 se analizan los siguientes parámetros energéticos: poder calórico superior, densidad de la madera, densidad energética y rendimiento energético por hectárea y por año. Fueron analizados los efectos de la localidad, la edad, la especie y la densidad a partir de los parámetros descritos, a los efectos de identificar la combinación de factores que maximiza la producción de energía por unidad de superficie y de tiempo. A su vez, fueron analizadas las relaciones entre la densidad de la madera y el poder calórico, y el peso relativo de estas en la densidad energética. Finalmente fue estimada la superficie plantada necesaria para abastecer una planta de generación de energía eléctrica de 10 MWh en cada localidad estudiada. En el Capítulo 6 se evalúan los niveles de producción de biomasa considerando todas las fracciones aéreas del árbol (madera, corteza, ramas y hojas), para cada especie y densidad de plantación. Se estudian los efectos de la competencia entre árboles sobre la proporción del peso de cada fracción con respecto a la biomasa total. Se analizan las concentraciones de nutrientes (P, Ca, Mg, K y N) de las fracciones madera, corteza y hojas en cada especie y densidad de plantación. Los contenidos de nutrientes entre fracciones muestran la relación de proporciones entre las mismas debido a las diferencias en la actividad fisiológica de cada una. El estudio de las concentraciones de nutrientes en cada fracción también permite visualizar la diferente distribución de estos en los diferentes componentes de la biomasa y las implicancias de extracción considerando las fracciones madera versus el árbol entero. La estimación de los kg de nutrientes extraídos para cada especie y densidad de plantación dan una idea clara de la fertilización que sería necesario reponer en el suelo para conseguir la sostenibilidad de este tipo de sistemas de producción. La cantidad de nutriente extraído versus la cantidad de biomasa producida da una idea de la eficiencia con que son utilizados los diferentes nutrientes en cada combinación especie, densidad de plantación y sitio. El balance del stock de cationes en el suelo versus las cantidades de nutrientes extraídos determina el número de rotaciones en los que sería posible mantener los actuales niveles de crecimiento asumiendo turnos de cosecha próximo a los seis años. Esto, a su vez, muestra cuál de los tres cationes evaluados (Ca, Mg y K) se tornarían restrictivos para el crecimiento en el corto y mediano plazo. En el Capítulo 7 se presenta la discusión general de la tesis y señalando nuevas interrogantes que surgen en este tipo de cultivos energéticos en los turnos siguientes a la primera cosecha teniendo en cuenta las particularidades de estos en esas etapas de crecimiento. Finalmente, en el Capítulo 8 se puntualizan las principales conclusiones obtenidas.Production of biomass from eucalyptus species shows a high potential taking into account their high levels of growth in the different forest priority soils in Uruguay. The biomass from these species (particularly wood) presents interesting characteristics from the technological point of view considering basic density, homogeneity of the chemical composition, the low content of sulphur, ash and nitrogen and a relatively high caloric power. These characteristics determine that these species could be an interesting alternative in production systems whose production objective is to obtain different types of biofuels. High density and short rotation plantations have particularities that need special attention from the productive, technological and environmental points of view, taking into account there is a lack of information on them in Uruguayan forest soils. Based on these needs, two field trials were installed in the spring 2010, at two sites with soil types which were representative of the predominant ones in the coastal and northern regions of the country. Three species of eucalyptus (Eucalyptus benthamii, E. dunnii and E. grandis) were evaluated in four planting densities (2220, 3330, 4440 and 6660 trees per hectare) in a split plot design with three replications. Chapter 1 presents a general context of the energy matrix in Uruguay and the conceptualization of forest biomass and, in particular, of energy crops as well as their possible adaptation to the country's conditions as well as their potential as raw material for fuels. Depending on this context, the general objective and the specific ones are established, which are directly related to the chapters of this thesis. In Chapter 2 the choice of eucalyptus species is justified and the distribution potential of E. grandis and E. dunnii is analysed in the different types of forest priority soils in the country. E. benthamii was not included in this first analysis since there was not enough inventory data as it is a relatively recent species used by pulp producers. Results allowed to identify the parameters of soil, topography and climate that show a greater association with their growth and therefore a mapping of regions with greater potential for the growth of both species. The models for adjusted habitat prediction showed a high degree of precision and also allowed to visualize a future distribution of these species depending on different climate change scenarios. Chapter 3 analyses survival evolution and its relationship with species and planting densities in the first 5 years of growth. The evolution of survival is also analysed according to the variations in temperature and rainfall during the evaluation period in both sites and also from the point of view of soil preparation conditions prior to and immediately after planting. Competition effects between individuals and their effects on individual volume and per hectare were analysed as well. The evolution of the growth curves indicates the optimum harvest time in each case. In Chapter 4, dynamics of wood density are presented. A different behaviour is shown on both sites for the species and planting densities at the different evaluated ages. The analysis of the individual weight showed a similar behaviour to the volume in each of the planting densities. The analysis of the competition effect on the different densities of plantation manifests in a similar way to the individual volume, determining differences in the species productivity per hectare in each of the spacings. Based on these results it is possible to identify the species and plantation densities with higher productivity levels as well as the optimum harvest time in each case. At the same time, a relationship between spacing and harvest time was observed. The variables that allow to estimate with greater precision both volume and individual weight for each species site and density of plantation were identified. Chapter 5 discusses the following energy parameters: higher caloric power, wood density, energy density and energy yield per hectare and per year. The effects of site, age, species and density were analysed with each of these parameters in order to identify the combination of factors that maximizes energy production per area and time. In turn, relationships between wood density and caloric power and their relative weight in determining energy density were analysed. Finally, it was estimated the planted área needed to supply a 10 MWh power generation plant for each site. In Chapter 6, levels of biomass production are evaluated considering all the tree aerial fractions (wood, bark, branches and leaves) for each species as well as plantation density. It has also studied the effects of competition among trees with the proportion of each fraction weight in respect to the total biomass. The nutrient concentrations (P, Ca, Mg, K and N) are analysed in wood, bark and leaf fractions in each species and planting density. The nutrient contents in fractions show the proportion relationships among them due to the differences in the physiological activity of each one. The study of nutrient concentrations in each fraction also allows to visualize the different distribution pattern of these in the different components of the biomass and the extraction implications considering wood versus whole tree fractions. The estimation of kg of nutrients extracted for each species and plantation density gives a clear idea of mineral magnitudes that would be necessary to replenish the soil in order to achieve the sustainability of this type of production system. The amount of nutrient extracted versus the amount of biomass produced provides an idea of the efficiency with which different nutrients are used in each species combination, planting density and site. Balance of cations stock in the soil versus the amounts of extracting nutrients determines the number of rotations in which it would be possible to maintain current growth levels, assuming turns close to six years. This, in turn, shows which of the three evaluated cations (Ca, Mg and K) would become restrictive for growth in the short and medium term. Chapter 7 presents the general discussion of the thesis and points out new questions that arise in this type of energy crops in the turns following the first harvest, considering their particularities in those stages of growth. Finally, in Chapter 8 the main conclusions obtained are highlighted

Biodegradation pretreatment of wood of E. grandis, E. dunnii, and E. benthamii to work in biorefinery processes

Nowadays, there is a great interest in using lignocellulosic materials as substrate for the production of biorefi nery products. Eucalypti are good options to use as crops to obtain different kinds of biofuels and derivatives, since their plantations show high adaptation potential to soil and weather conditions in Uruguay. The basic process steps involved in the obtainment of biorefi nery materials are: pretreatment, hydrolysis, fermentation and products separation. As delignifi cation is an important process to obtain biorefi nery products, in this context the evaluation of the biological (BT) and hydrothermal (TT) pretreatment of different species of Eucaliptus was studied. The possibility of obtaining sugars, alcohols and organic acids was the main focus. The results of these investigations show a good production of reducing sugars (4-5 mg/mL for both BT and TT pretreatments), acetic acid (3-8 mg/mL for BT and 3-7 mg/mL for TT) and isopropanol (18-48 mg/mL for BT and 20-30 mg/mL for TT). In conclusion, the results show similar behaviours for BT and TT pretreatments, which is a quite important result since BT is cheaper and cleaner and thus a more attractive technology

Bioethanol production using high density Eucalyptus crops in Uruguay

Experimental scale crops for Eucalyptus grandis, Eucalyptus benthamii, Eucalyptus dunnii and Eucalyptus tereticornis, at 2,220, 4,440 and 6,660 trees ha−1 were established in two soil units, at Paysandú and Tacuarembó, Uruguay. Wood samples were taken from twenty-two-months-old trees, and were used to produce bioethanol by pre-hydrolysis simultaneous saccharyfication and fermentation process (PSSF). Cellulose and lignin content was analyzed. Species and planting density affected biomass production at both sites; the highest value was obtained with E. dunnii at 6,660 trees ha−1 at Paysandú. Cellulose content of wood varied between species at both sites, but only between planting densities at Tacuarembó. The site effect showed that the highest amount of cellulose (14.7 Mg ha−1) was produced at Paysandú. E. benthamii and E. tereticornis wood showed higher lignin contents, conversely, the PSSF yields showed no differences, which led to a bioethanol average of 97 L Mg−1. Bioethanol productivity was associated to the biomass productivity. It was possible to obtain 2,650 L ha−1 of bioethanol using wood from E. benthamii, E. dunnii and E. grandis at 4,440 and 6,660 trees ha−1 at Paysandú, and with E. benthamii at 4,440 and 6,660 trees ha−1, and E. dunnii at 6,660 trees ha−1 at Tacuarembó

Pulp and wood quality from Eucalyptus globulus ssp globulus provenances

O trabalho procurou avaliar um ensaio de procedências de Eucalyptus globulus implantado no Uruguai em 1995, do ponto de vista da qualidade da madeira. Amostras de madeira provenientes de sete procedências da Tasmânia e sul de Vitória foram analisadas para densidade básica, dimensões de fibras, composição química da madeira e polpação Kraft incluindo rendimento depurado, número Kappa, refino e resistências da polpa. As procedências que mostraram os melhores valores em termos de rendimento depurado, número kappa e rejeitos foram a 1 (sul de Vitória), 10 (Ilha Capa Barren, do estreito de Bass) e 12 (nordeste da Tasmânia). As procedências 10 e 12 foram as que mostraram a melhor performance em termos de facilidade de refino e resistências da polpa. As relações entre propriedades da madeira e polpação Kraft foram discutidas para escolher as melhores procedênciasThe work look for analyze provenances trials of Eucalyptus globulus established in Uruguay in 1995 to evaluate the growth and wood quality. Samples of wood from trees in seven provenances of Tasmanian and southern Victorian were analysed for basic density, fiber dimensions, wood chemicals components and Kraft pulping including yield, Kappa number, beating and pulp strengths. The provenances that showed the best values in term of screened yield, Kappa number and rejects were: 1 (south of Victoria), 10 (Bass estreit)and 12 (north of Tasmania). The provenances 10 e 12, showed the best performance in term of beating easy and pulp strengths. Relations between wood properties and Kraft pulping were discussed for to choose the best provenance

Pulp and wood quality from Eucalyptus globulus ssp globulus provenances

O trabalho procurou avaliar um ensaio de procedências de Eucalyptus globulus implantado no Uruguai em 1995, do ponto de vista da qualidade da madeira. Amostras de madeira provenientes de sete procedências da Tasmânia e sul de Vitória foram analisadas para densidade básica, dimensões de fibras, composição química da madeira e polpação Kraft incluindo rendimento depurado, número Kappa, refino e resistências da polpa. As procedências que mostraram os melhores valores em termos de rendimento depurado, número kappa e rejeitos foram a 1 (sul de Vitória), 10 (Ilha Capa Barren, do estreito de Bass) e 12 (nordeste da Tasmânia). As procedências 10 e 12 foram as que mostraram a melhor performance em termos de facilidade de refino e resistências da polpa. As relações entre propriedades da madeira e polpação Kraft foram discutidas para escolher as melhores procedênciasThe work look for analyze provenances trials of Eucalyptus globulus established in Uruguay in 1995 to evaluate the growth and wood quality. Samples of wood from trees in seven provenances of Tasmanian and southern Victorian were analysed for basic density, fiber dimensions, wood chemicals components and Kraft pulping including yield, Kappa number, beating and pulp strengths. The provenances that showed the best values in term of screened yield, Kappa number and rejects were: 1 (south of Victoria), 10 (Bass estreit)and 12 (north of Tasmania). The provenances 10 e 12, showed the best performance in term of beating easy and pulp strengths. Relations between wood properties and Kraft pulping were discussed for to choose the best provenance

Influencia de la edad de corte en el pulpeo de Eucalyptus globulus plantado en Uruguay

Se evaluaron dos materiales genéticos de E.globulus (Jeeralang y Chivilingo) en las zonas del litoral y sureste del Uruguay, cada uno con dos turnos de cosecha. En cada turno se evaluó el crecimiento, la productividad celulosa y las propiedades de las fibras

Influencia del raleo sobre el módulo de elasticidad y ruptura en Eucalyptus grandis

El presente trabajo está enfocado en Eucalyptus grandis, principal especie del género plantada en Uruguay para obtener madera sólida. El objetivo del mismo es evaluar la incidencia de la intensidad del raleo sobre el módulo de elasticidad (MOE)y el módulo de rotura (MOR). El monte seleccionado para cumplir con el objetivo se ubica en el departamento de Tacuarembó y fue plantado sobre suelo arenoso en el año 1989, con semilla proveniente de Bañando de Medina (Uruguay). El ensayo fue diseñado con parcelas al azar, con dos repeticiones y tres tratamientos: A) raleo fuerte con 272 árboles /ha remanentes, B) raleo medio con 352 árboles/ha remanentes y C) sin raleo, con 1280 árboles /ha. El raleo fue realizado en el año 1994,cuando el monte tenía cinco años y las evaluaciones se efectuaron cuanto el monte alcanzó los 19 años de edad. De cada tratamiento se seleccionaron los 10 individuos promedio de diámetro a la altura del pecho (DAP) para obtener las tablas y probetas libres de defecto a ensayar. Las variables analizadas fueron el MOE y el MOR de tablas con dimensiones comerciales y probetas libres de defectos. No se observaron diferencias significativas en las variables analizadas

Producción de etanol y coproductos con residuos forestales de pino

La producción de combustibles de segunda generación ha tomado relevancia a nivel mundial, teniendo en cuenta la necesidad de reducir las emisiones de carbono a la atmósfera y también de encontrar alternativas a los recursos fósiles de naturaleza finita. En este sentido, Uruguay ya ha empezado a trabajar en el desarrollo de tecnologías para la producción de biocombustibles de segunda generación. Sin embargo, los costos para producir estos combustibles son todavía muy elevados, por lo que existe la necesidad de desarrollar tecnologías menos costosas, capaces de generar mejores beneficios en una escala industrial. Una manera de contribuir a la viabilidad económica de los combustibles de segunda generación es a través del desarrollo de biorrefinerías. Esta estrategia maximiza la producción de compuestos de alto valor agregado para cofinanciar la producción de otros, como el bioetanol