Evaluación de la influencia del agregado de biocarbón en las propiedades fisicoquímicas del suelo y variables agronómicas en cultivo de arveja (Pisum sativum L.), para su posterior deshidratado bajo diferentes tecnologías de secado

Abstract

El objetivo principal de este trabajo de tesis es producir biocarbón a partir de subproductos agrícolas regionales, aplicarlo como enmienda orgánica y evaluar sus efectos tanto en el suelo como en el cultivo de arveja (Pisum sativum L.). Como etapa final, se propone la elaboración de harina de arveja a partir del cultivo obtenido. Inicialmente, se seleccionaron dos subproductos agroindustriales regionales: bagazo de cerveza y cáscara de nuez, los cuales se caracterizaron en forma integral. Posteriormente, se procedió a la obtención de sus respectivos biocarbones mediante un proceso de pirólisis, realizado a 450 °C con un tiempo de residencia de 2 horas. Los biocarbones obtenidos fueron analizados en términos de rendimiento, propiedades fisicoquímicas y calidad. Los resultados mostraron que tanto el biocarbón de cáscara de nuez (BCN) como el de bagazo de cerveza (BBC) presentaron similitudes en cuanto a los índices de calidad, la capacidad de retención de agua y los grupos funcionales presentes en su superficie. No obstante, se destacó que la relación C/N del BCN podría favorecer el ciclo de nutrientes a largo plazo, contribuyendo así al aumento de la fertilidad del suelo. Luego, se llevaron a cabo ensayos de fitotoxicidad en placas de Petri con el objeto de evaluar el potencial empleo de los biocarbones como enmienda y/o mejoradores de suelos. Los resultados mostraron que los extractos de BCN ejercieron efectos fitoestimulantes sobre las semillas de arveja (índice de germinación -IG- >100%), mientras que el extracto diluído de BBC mostró cierta fitotoxicidad (60%<IG<80%). Estos resultados sugieren que el BCN resulta más adecuado para su aplicacion como enmienda orgánica. Posteriormente, se evaluaron dos cultivares de arveja (cv. Onward y cv. Utrillo) en términos de características agronómicas y productivas. Los resultados demostraron que el cv. Onward presentó mayor rendimiento en biomasa total y número de vainas por planta, mientras que el cv. Utrillo se destacó por un mayor peso de granos. Las arvejas cosechadas fueron sometidas a procesos de deshidratación utilizando tres tecnologías de secado: convectivo, solar e infrarrojo lejano. La cinética de secado se modeló matemáticamente, determinándose que los modelos de Noomhorm y Verma describieron mejor el proceso para los métodos solar (R2= 0,9998) y convectivo (R2= 0,9988), respectivamente. En el caso del secado por infrarrojo lejano, el modelo de Midilli presentó el mejor ajuste (R² = 0,9931). Este último método redujo significativamente los tiempos de secado y minimizó la variación de color respecto a las arvejas frescas, lo que indica una mayor preservación de la calidad del producto final. En base a lo expuesto, se concluyó que el cv. Onward representa la mejor opción para realizar ensayos con enmienda de BCN a campo y emplear para su posterior deshidratado la tecnología de secado por infrarrojo lejano. En el ensayo a campo del cultivo, empleando BCN en diferentes proporciones al suelo (1 y 2%), se observó que la enmienda con BCN mejoró significativamente las propiedades fisicoquímicas del suelo bajo estudio, evidenciándose un aumento en el contenido de ceniza, la capacidad de intercambio catiónico y la actividad biológica, asi como una disminucion en la densidad aparente, luego de un perido de incubación de la enmienda de 60 días. Estas mejoras en el suelo se reflejaron en una mayor productividad del cultivo, incrementos de 25-30% de vainas frescas por hectárea, en comparación con el tratamiento control (sin biocarbón), evidenciando el efecto positivo del BCN en el desarrollo del cultivo. En la etapa final del estudio, se elaboró harina de arveja apartir de las arvejas cosechadas y deshidratadas mediante secado de infrarrojo lejano. Se caracterizaron sus propiedades fisicoquímicas y tecnofuncionales, observándose variaciones en el contenido de cenizas y fibra cruda a partir de arvejas cultivadas con enmienda de biocarbón. También se observaron cambios significativos en las propiedades tecnofuncionales, como la capacidad de absorción de agua y aceite y la capacidad de hinchamiento, en comparación con el tratamiento de control. Los resultados de este estudio evidencian que el uso de biocarbón de cáscara de nuez como enmienda agrícola mejora la calidad del suelo y la productividad del cultivo de arveja. Asimismo, el secado por infrarrojo lejano se posiciona como una alternativa tecnológica convectivo, solar e infrarrojo lejano. La cinética de secado se modeló matemáticamente, determinándose que los modelos de Noomhorm y Verma describieron mejor el proceso para los métodos solar (R2= 0,9998) y convectivo (R2= 0,9988), respectivamente. En el caso del secado por infrarrojo lejano, el modelo de Midilli presentó el mejor ajuste (R² = 0,9931). Este último método redujo significativamente los tiempos de secado y minimizó la variación de color respecto a las arvejas frescas, lo que indica una mayor preservación de la calidad del producto final. En base a lo expuesto, se concluyó que el cv. Onward representa la mejor opción para realizar ensayos con enmienda de BCN a campo y emplear para su posterior deshidratado la tecnología de secado por infrarrojo lejano. En el ensayo a campo del cultivo, empleando BCN en diferentes proporciones al suelo (1 y 2%), se observó que la enmienda con BCN mejoró significativamente las propiedades fisicoquímicas del suelo bajo estudio, evidenciándose un aumento en el contenido de ceniza, la capacidad de intercambio catiónico y la actividad biológica, asi como una disminucion en la densidad aparente, luego de un perido de incubación de la enmienda de 60 días. Estas mejoras en el suelo se reflejaron en una mayor productividad del cultivo, incrementos de 25-30% de vainas frescas por hectárea, en comparación con el tratamiento control (sin biocarbón), evidenciando el efecto positivo del BCN en el desarrollo del cultivo. En la etapa final del estudio, se elaboró harina de arveja apartir de las arvejas cosechadas y deshidratadas mediante secado de infrarrojo lejano. Se caracterizaron sus propiedades fisicoquímicas y tecnofuncionales, observándose variaciones en el contenido de cenizas y fibra cruda a partir de arvejas cultivadas con enmienda de biocarbón. También se observaron cambios significativos en las propiedades tecnofuncionales, como la capacidad de absorción de agua y aceite y la capacidad de hinchamiento, en comparación con el tratamiento de control. Los resultados de este estudio evidencian que el uso de biocarbón de cáscara de nuez como enmienda agrícola mejora la calidad del suelo y la productividad del cultivo de arveja. Asimismo, el secado por infrarrojo lejano se posiciona como una alternativa tecnológicaconvectivo, solar e infrarrojo lejano. La cinética de secado se modeló matemáticamente, determinándose que los modelos de Noomhorm y Verma describieron mejor el proceso para los métodos solar (R2= 0,9998) y convectivo (R2= 0,9988), respectivamente. En el caso del secado por infrarrojo lejano, el modelo de Midilli presentó el mejor ajuste (R² = 0,9931). Este último método redujo significativamente los tiempos de secado y minimizó la variación de color respecto a las arvejas frescas, lo que indica una mayor preservación de la calidad del producto final. En base a lo expuesto, se concluyó que el cv. Onward representa la mejor opción para realizar ensayos con enmienda de BCN a campo y emplear para su posterior deshidratado la tecnología de secado por infrarrojo lejano. En el ensayo a campo del cultivo, empleando BCN en diferentes proporciones al suelo (1 y 2%), se observó que la enmienda con BCN mejoró significativamente las propiedades fisicoquímicas del suelo bajo estudio, evidenciándose un aumento en el contenido de ceniza, la capacidad de intercambio catiónico y la actividad biológica, asi como una disminucion en la densidad aparente, luego de un perido de incubación de la enmienda de 60 días. Estas mejoras en el suelo se reflejaron en una mayor productividad del cultivo, incrementos de 25-30% de vainas frescas por hectárea, en comparación con el tratamiento control (sin biocarbón), evidenciando el efecto positivo del BCN en el desarrollo del cultivo. En la etapa final del estudio, se elaboró harina de arveja apartir de las arvejas cosechadas y deshidratadas mediante secado de infrarrojo lejano. Se caracterizaron sus propiedades fisicoquímicas y tecnofuncionales, observándose variaciones en el contenido de cenizas y fibra cruda a partir de arvejas cultivadas con enmienda de biocarbón. También se observaron cambios significativos en las propiedades tecnofuncionales, como la capacidad de absorción de agua y aceite y la capacidad de hinchamiento, en comparación con el tratamiento de control. Los resultados de este estudio evidencian que el uso de biocarbón de cáscara de nuez como enmienda agrícola mejora la calidad del suelo y la productividad del cultivo de arveja. Asimismo, el secado por infrarrojo lejano se posiciona como una alternativa tecnológica eficiente para la deshidratación del grano, preservando la calidad del producto final. Por lo que estos resultados pueden contribuir al desarrollo de estrategias agrícolas más sostenibles y a la valorización de subproductos agroindustriales para la producción de alimentos con mayor valor agregado.

Abstract The main objective of this thesis is to produce biochar from regional agricultural byproducts, apply it as an organic soil amendment, and evaluate its impact on both the soil and the pea crop (Pisum sativum L.). Finally, the production of pea flour from the resulting crop is proposed. Initially, two regional agro-industrial by-products were selected for comprehensive characterisation: beer bagasse and walnut shells. Their respective biochars were then obtained by pyrolysis at 450 °C for 2 hours. The resulting biochars were analysed in terms of yield, physicochemical properties, and quality. The results showed that both the biochar produced from walnut shells (BCN) and the biochar produced from beer bagasse (BBC) had similar quality indices, water holding capacity, and functional groups present on their surface. However, it was noted that the C/N ratio of BCN could favour long-term nutrient cycling and thus contribute to increased soil fertility. Phytotoxicity tests were then conducted in Petri dishes to evaluate the potential use of biochar as a soil improver and/or amendment. The results showed that BCN extracts had a phytostimulant effect on pea seeds (germination index (IG) >100%), whereas the diluted BCN extract exhibited some phytotoxicity (IG 60–80%). These results suggest that BCN is more suitable for use as an organic soil amendment. Subsequently, two pea cultivars (cv. Onward and cv. Utrillo) were evaluated in terms of their agronomic and yield characteristics. The results showed that cv. Onward produced higher total biomass and numbers of pods per plant, while cv. Utrillo stood out for its higher kernel weight. The harvested peas were dehydrated using three technologies: convective, solar and far infrared. Drying kinetics were modelled mathematically and it was determined that the Noomhorm and Verma models best described the solar (R² = 0.9998) and convective (R² = 0.9988) processes, respectively. For far-infrared drying, the Midilli model provided the best fit (R² = 0.9931). The latter method significantly reduced drying times and minimised colour variation compared to fresh peas, indicating better preservation of the final product's quality. Based on the above, it was concluded that cv. Onward is the best option for carrying out trials with BCN amendment in the field and for subsequent drying using far infrared technology. In the field trial, using BCN at different soil proportions (1% and 2%), it was observed that the amendment significantly improved the soil's physicochemical properties, showing an increase in ash content, cation exchange capacity, and biological activity, as well as a decrease in bulk density, after a 60-day incubation period. These improvements in the soil were reflected in higher crop productivity: 25–30% more fresh pods were produced per hectare compared to the control treatment (no biochar), demonstrating the positive effect of BCN on crop development. In the final stage of the study, the harvested peas were used to produce pea flour, which was then dehydrated using far infrared drying. Their physico-chemical and technofunctional properties were characterised and variations in ash and crude fibre content were observed from peas grown with biochar amendment. Significant changes in technofunctional properties, such as water and oil absorption capacity and swelling capacity, were also observed compared to the control treatment. This study shows that using walnut shell biochar as an agricultural amendment improves soil quality and increases the productivity of pea crops. Similarly, far infrared drying emerges as an efficient technological alternative for grain dehydration that preserves the quality of the final product. Therefore, these results could contribute to the development of more sustainable agricultural strategies and the enhancement of the value of agro-industrial by-products used in the production of higher-value food products.