La industria de los fertilizantes de fosfato se desarrolló en el siglo XIX para proporcionar a los agricultores nutrientes para las plantas que fueran eficientes de fabricar, asequibles para los agricultores y agronómicamente efectivos. Los continuos avances en química e ingeniería han llevado a una variedad de productos comerciales que ahora se usan ampliamente para restaurar suelos degradados y reemplazar este nutriente esencial que se elimina continuamente de los campos en los cultivos cosechados.
Cuando los humanos pasaron por primera vez de la caza y la búsqueda de alimento a la agricultura, el agotamiento de P del suelo comenzó a medida que se cosechaban y retiraban los cultivos de sus campos. Los primeros agricultores aprendieron a enriquecer los suelos con estiércol animal o adoptar la agricultura itinerante. Sin embargo, a medida que se desarrollaron las ciudades, los nutrientes se retiraron sistemáticamente del campo y se concentraron cerca de la ciudad.
El agotamiento de los nutrientes de las plantas y la sostenibilidad agrícola han sido abordados de diversas maneras por diferentes civilizaciones. Newman (1997) describe cómo se manejó el agotamiento de P como resultado de la producción de cultivos en los EE. UU.
Pradera (mediante la explotación de P de la mineralización de materia orgánica), en una típica granja inglesa medieval con una producción de trigo en declive (con un déficit de P de 0,7 a 0,9 kg P/ha/año), para campos egipcios que permanecieron en equilibrio de P debido a las inundaciones anuales , y en el norte de China, donde se produjeron déficits de P incluso con la dispersión tradicional de excrementos humanos (con las correspondientes enfermedades transmitidas por heces).
La agricultura de tala y quema se empleaba comúnmente para limpiar la tierra y enriquecer el suelo con nutrientes de las cenizas residuales. Un estudio informó que la ceniza forestal contenía 11 kg de P/ha y 27 kg de N/ha después de la quema, de los cuales más de la mitad fueron arrastrados por el viento desde el campo (Giardina et al., 2000).
Además, en incendios de intensidad media a alta, las reacciones inducidas por el calor pueden aumentar la absorción de fósforo por parte de los minerales del suelo, lo que reduce la recuperación de fósforo por parte de los cultivos. Durante el período colonial de EE. UU., las técnicas de tala y quema forzaron la migración hacia el interior desde la costa atlántica a medida que los campos agrícolas se iban agotando sucesivamente de sus nutrientes sin medios para restaurar la fertilidad. Cuando se agrega al suelo, el efecto de encalado de la ceniza y la entrada de minerales P y K lo convierten en una buena enmienda para cultivar un cultivo que fija N.
A principios del siglo XIX, se descubrió que el P es beneficioso para el crecimiento de las plantas. Como el valor de los huesos “machacados” se reconoció como una fuente de P, la demanda creció rápidamente a principios del siglo XIX. Se trituraron huesos sin procesar (hidroxiapatita; Ca5 F(PO4)3OH) y se aplicaron al suelo a razón de 1 t/A o más. En Inglaterra, la demanda de huesos superó la oferta interna y en 1815 se importaron huesos del continente, alcanzando un máximo de 30.000 t/año (Nelson, 1990). Esto llevó al famoso nutricionista de plantas Justus von Leibig a quejarse:
“Inglaterra está robando a todos los demás países su fertilidad. Ya en su afán de huesos, ha dado la vuelta a los grandes campos de batalla de Liepsic, de Waterloo y de Crimea: ya de las catacumbas de Sicilia se ha llevado los esqueletos de muchas generaciones sucesivas. Anualmente traslada de las costas de otros países a las suyas el equivalente en mano de obra de tres millones y medio de hombres…. Como un vampiro, cuelga del cuello de Europa” (Liebig).
La observación de que no todos los huesos eran igualmente efectivos como fuente de nutrientes para las plantas condujo a la experimentación para acidificar los huesos antes de agregarlos al suelo. Uno de los primeros innovadores, John Lawes, aplicó hueso en bruto a sus campos de cultivo sin ver ningún crecimiento de cultivo adicional. Esto lo llevó a experimentar con el tratamiento de huesos con ácido sulfúrico, que resultó ser muy efectivo. En 1842 se le concedió una patente para el “superfosfato de cal”, compuesto de hidrogenofosfato de calcio y sulfato de calcio. La fabricación de superfosfato se extendió rápidamente por todo el mundo y marcó el comienzo de la industria moderna de fertilizantes.
2 Ca5 F(PO4 ) 3 phosphate rock + 7 H2 SO4 → 3 Ca(H2 PO4 ) 2 [superphosphate] + 7 CaSO4 + 2 HF
La fabricación de superfosfato consistía en colocar huesos molidos en un hoyo y luego agregar ácido sulfúrico mientras la mezcla se solidificaba durante varias horas. Luego se dejó madurar la pasta sólida en una pila de curado durante algunas semanas hasta que estuvo lista para romperse con picos, triturarse, tamizarse y embolsarse. La textura grumosa podría dificultar la distribución uniforme en el campo. Este proceso simple también alentó a los agricultores a hacer su propio superfosfato para uso local y en la granja (New England Farmer: julio de 1869).
Se cree que el nombre “superfosfato” apareció por primera vez en un panfleto de Joseph Graham, quien explicaba cómo “el fosfato de calcio (tal como existe en los huesos) es totalmente insoluble en agua… cuando se le priva de una porción de calcio que constituye su base, (se) reduce a un estado de superfosfato, se vuelve soluble…” (Cooper y Davis, 2004). El “súper” probablemente se refiere a su superioridad sobre los huesos de animales molidos sin tratar. Además de hacer fertilizante, gran parte del fósforo derivado de los huesos se calcinaba y se reducía en un horno a fósforo elemental para usar en la fabricación de cerillos (fósforo).
La eventual escasez de huesos condujo a la exploración de otras fuentes potenciales de fósforo. El guano, que se había acumulado a partir del estiércol seco de las aves en grandes cantidades en las islas áridas frente a la costa de Perú y en el Pacífico Sur, se convirtió en una fuente importante de fertilizante fosforado entre 1840 y 1870. Sin embargo, los depósitos de guano más ricos en nutrientes (típicamente de 4 a 5 % de fósforo) se agotaron rápidamente y su uso disminuyó en la segunda mitad del siglo XIX, cuando se descubrieron depósitos minerales de baja ley alrededor del mundo.
Cuando el guano peruano estuvo disponible por primera vez en los EE. UU., rápidamente comenzó a sustituir los voluminosos materiales orgánicos reciclados de origen local y condujo al desarrollo de la industria comercial de fertilizantes en los EE. UU. No es sorprendente; que las principales empresas procesadoras de carne y los mataderos de EE.UU. también fueran importantes fabricantes de fertilizantes y distribuían productos a base de nitrógeno y fósforo para la producción de cultivos.
Posteriormente se desarrollaron depósitos minerales de roca fosfórica (apatita) y se sustituyeron los huesos en la producción de superfosfato. La industria de los fertilizantes fosfatados entró en la era moderna cuando las fuentes de roca fosfórica estuvieron fácilmente disponibles y accesibles desde depósitos geológicos de todo el mundo (p. ej., Inglaterra, 1847; Noruega, 1851; Francia, 1856; EE. Rusia, 1930).
Todos los fertilizantes fosforados comunes ahora se producen a partir de roca fosfórica como material de partida. La mayoría de las fuentes de roca fosfórica son demasiado insolubles para su uso directo como fuente de fósforo para las plantas. La roca de fosfato de algunos depósitos geológicos es adecuada para la aplicación directa, especialmente si se usa para cultivos perennes que crecen en suelos ácidos, donde la acidez y las bajas concentraciones de Ca ayudan a acelerar la disolución de la roca y la liberación de P.
El superfosfato se convirtió en el fertilizante de fósforo dominante en el mundo durante más de 100 años, pero ya no se usa ni comercializa ampliamente (con la notable excepción de los pastos en Australia y Nueva Zelanda). Otras fuentes de P permanecieron disponibles en cantidades limitadas (como estiércol, guano, roca fosfórica molida y escoria básica) y se probaron nuevos fertilizantes de P (como superfosfato triple, fosfatos amoniacales, fosfatos nítricos), pero no fueron comercialmente competitivos durante muchos años. .
La ventaja adicional de tratar la roca de fosfato con ácido fosfórico en lugar de ácido sulfúrico se descubrió en la década de 1870. Este proceso resultó en la producción de un fertilizante con concentraciones de fósforo soluble casi tres veces mayores que el superfosfato, denominado triple superfosfato (TSP). Sin embargo, TSP no obtuvo un uso generalizado hasta mucho más tarde. Esta nueva fuente de fósforo concentrado redujo en gran medida los costos de transporte de fertilizantes y el trabajo manual necesario para esparcir el fertilizante de fósforo en polvo en el campo, ya que la tecnología de granulación no se generalizó hasta la década de 1950.
Ca5 F(PO4)3 roca fosfórica + 7 H3PO4 → 5 Ca(H2PO4)2 [superfosfato triple]+ 2 HF
El proceso de nitrofosfato (Odda) se desarrolló en Noruega a fines de la década de 1920. Esta reacción consiste en mezclar roca de fosfato con ácido nítrico para producir nitrato de calcio y ácido fosfórico. Un fertilizante compuesto que contiene N y P (y K se agrega con frecuencia) también se produce comúnmente a partir de este proceso.
LA ERA MODERNA
En 1933, el Centro Nacional de Desarrollo de Fertilizantes (NFDC) de la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) recibió la misión de mejorar la eficiencia de la fabricación de fertilizantes y el uso de fertilizantes en las granjas. Esta organización fue fundamental en el avance de la tecnología y el uso de fertilizantes a nivel mundial. La mayoría de los fertilizantes producidos en el mundo todavía se fabrican con procesos desarrollados por primera vez por TVA. La organización sucesora, el Centro Internacional de Desarrollo de Fertilizantes (IFDC, por sus siglas en inglés) aún continúa con proyectos de investigación y desarrollo sobre nuevas tecnologías de fertilizantes.
El fosfato de diamonio (DAP) se convirtió en el fertilizante de fósforo dominante luego de la introducción del proceso TVA a principios de la década de 1960, donde el ácido fosfórico reacciona con amoníaco, utilizando un reactor de tubería cruzada.
TVA también introdujo procesos para fabricar fosfato nítrico, polifosfato de amonio sólido y urea fosfato. El popular polifosfato de amonio fluido se generalizó después de que TVA introdujera un método para combinar ácido superfosfórico (una mezcla de ácido fosfórico y ácido polifosfórico) con amoníaco en el reactor de tubería en T. El polifosfato en el ácido superfosfórico evita que las impurezas metálicas se precipiten de la solución.
A medida que la fertirrigación se vuelve más común, la introducción de fertilizantes de fósforo soluble en los sistemas de riego requiere un manejo cuidadoso para evitar la precipitación con componentes en el agua que pueden provocar la obstrucción y el taponamiento del sistema de riego (Mikkelsen, 1989). Se puede usar una variedad de excelentes fuentes de P solubles en agua para fertirrigar cultivos (como el fosfato monopotásico o la urea fosfato), pero se requiere mucha atención a la química del sistema.
Los fertilizantes P más comunes en el mundo actualmente son DAP, fosfato monoamónico (MAP) y TSP. Una gran cantidad de P se comercializa como ácido fosfórico, del cual 80 a 85% se utiliza en la producción de diversos fertilizantes fosforados.
La perspectiva mundial actual es de tasas de crecimiento positivas en constante disminución para los fertilizantes fosforados. Sin embargo, este promedio mundial oculta tendencias regionales específicas, como la disminución de la demanda de fósforo en China y el aumento de la demanda de fertilizantes fosfatados en China.
África (IFA, 2018).
El futuro
Los fertilizantes de fósforo han logrado la aceptación de los agricultores por ser: 1) eficientes de fabricar, 2) asequibles y 3) agronómicamente efectivos. Además, los nuevos materiales fertilizantes con fósforo deberán satisfacer varios criterios ambientales (como durante la minería y la recuperación, la fabricación y el uso en el campo), las demandas sociales (como el consumo de energía, la producción de gases de efecto invernadero, el manejo del fosfoyeso) y las expectativas del consumidor (como minimizar oligoelementos en fertilizantes, utilizando prácticas de minería sostenible, minimizando los impactos en la calidad del agua). Estas nuevas consideraciones imponen restricciones adicionales al desarrollo de nuevos productos fertilizantes.
La recuperación mejorada del fósforo que se consume directamente en la alimentación humana y en la alimentación animal sin duda ganará más importancia a medida que se enfatice el reciclaje de P de varias corrientes de desechos. Los esfuerzos futuros para reutilizar y reciclar de manera más efectiva el P derivado de los flujos de desechos probablemente incluirán:
1. Fertilizantes y compost a base de estiércol: el fósforo puede separarse mediante procesamiento sólido-líquido y los productos pueden concentrarse aún más mediante secado, compostaje, fortificación o granulación.
2. Productos de combustión y cenizas de estiércol y lodos: La incineración a 800 a 900°C concentra la fracción mineral sin causar pérdidas significativas por volatilización de P. El calentamiento de los productos de desecho que contienen P a temperaturas más altas vaporizará el P elemental que puede condensarse y oxidarse a ácido fosfórico.
3. Extraer P de los flujos de desechos orgánicos: Se puede producir una variedad de fertilizantes de P útiles a partir de varios productos de desecho, incluidos los minerales de fosfato de calcio y estruvita, como la brushita y la hidroxiapatita.
El trabajo adicional se ha centrado recientemente en el comportamiento de los materiales orgánicos de P en el suelo y los factores manejables que controlan el valor de estas fuentes de P para la nutrición de las plantas.
Se está investigando el uso de inoculantes microbianos y biofertilizantes para mejorar la recuperación de fósforo del fertilizante por parte de las raíces de las plantas. Si bien la atención reciente se ha centrado en las interacciones raíz-hongo para mejorar la absorción de P, otros organismos que promueven el crecimiento de las plantas pueden contribuir significativamente a la solubilidad del P y la actividad de la rizosfera.
Los rápidos avances en el campo de las ciencias de los materiales también ofrecen nuevas matrices y mecanismos de entrega para suministrar P a los cultivos. Se han sugerido muchos enfoques nuevos, pero la barrera económica hasta ahora ha impedido la adopción generalizada de nuevas tecnologías de fertilizantes fosforados.
Conclusión
El desarrollo de la industria moderna de fertilizantes fosforados ha brindado a los agricultores un acceso fácil y seguro a nutrientes para cultivos efectivos y asequibles. Estos productos reemplazan el fósforo que se elimina del campo durante la cosecha y mejoran la fertilidad de los suelos sin nutrientes. Los fertilizantes fosfatados de uso común tienen su origen en la química y los procesos que están bien establecidos.
Los nuevos conocimientos sobre ciencia e ingeniería de materiales pueden proporcionar avances en fuentes innovadoras de fertilizantes fosfatados. Una integración más estrecha de los nuevos productos fertilizantes y la biología de las raíces también puede mejorar la recuperación del fósforo aplicado. El desarrollo de fertilizantes fosfatados innovadores que sostengan la productividad agrícola y minimicen los impactos ambientales supondría una contribución significativa para la ciencia agrícola.
Dr. Mikkelsen, 2019. IPNI; Sources of Phosphorus for Plants: Past, Present, and Future,
