CARACTERIZACION Y APROVECHAMIENTO DEL ACEITE RESIDUAL DE
FRITURAS PARA LA OBTENCION DE UN COMBUSTIBLE (BIODIESEL)
JUAN ALBERTO HERRERA RESTREPO COD: 85111740807 JULIAN ANDRES
VELEZ COD: 4517185
UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGA ESCUELA
DE TECNOLOGA QUMICA PROGRAMA DE TECNOLOGA QUMICA PEREIRA 2008
CARACTERIZACION Y APROVECHAMIENTO DEL ACEITE RESIDUAL DE
FRITURAS PARA LA OBTENCION DE UN COMBUSTIBLE (BIODIESEL)
JUAN ALBERTO HERRERA RESTREPO COD: 85111740807 JULIAN ANDRES
VELEZ COD: 4517185
TRABAJO DE GRADO Requisito final para optar al titulo de
Tecnlogo Qumico
Director GLORIA EDITH GUERRERO Doctora en ciencias Qumica
UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGA ESCUELA
DE TECNOLOGA QUMICA PROGRAMA DE TECNOLOGA QUMICA PEREIRA 2008
CONTENIDO Pag LISTA DE TABLAS LISTA DE FIGURAS RESUMEN 1.
JUSTIFICACION 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivos generales 2.2 Objetivos
especficos 3. MARCO DE REFERENCIA 3.1 ANTECEDENTES 3.1.1
Investigacin de biodiesel en Colombia 3.2 MARCO TEORICO 3.2.1 Que
es biodiesel 3.2.2 Obtencin del biodiesel 3.2.3 Propiedades 3.2.3.1
Ventajas del biodiesel 3.2.3.2 Desventajas del biodiesel 3.2.3.3
Emisiones del biodiesel 3.2.4 Materias primas para la produccin de
biodiesel 3.2.4.1 Caractersticas del biodiesel obtenido a partir de
diferentes aceites vegetales 3.2.5 Tcnicas de anlisis para el
aceite 3.2.5.1 Fundamento terico de los mtodos fsicos 3.2.5.1.1
Densidad 3.2.5.1.2 ndice de Refraccin (nt D) 3.2.5.1.3 Humedad
3.2.5.2 Fundamento terico de los mtodos qumicos 3.2.5.2.1 Acidez
3.2.5.2.2 ndice de Saponificacin 3.2.5.2.3 ndice de Yodo. 3.2.5.2.4
ndice de Perxidos 3.2.6 Obtencin de biodiesel 3.2.6.1 Reacciones de
transesterificacin de triglicridos 3.2.6.1.1 Variables que afectan
a la reaccin de transesterificacin 3.2.6.2 Reacciones de
esterificacin de cidos grasos 3.2.6.3 Catalizadores 3.2.7
Fundamentos de los mtodos de anlisis para los metilsteres 3.2.7.1
Mtodos fsicos 3.2.7.1.1 Densidad 3.2.7.1.2 ndice refraccin
3.2.7.1.3 Punto de inflamacin 3.2.7.1.4 Poder calorfico 1 3 3 3 4 4
7 8 8 8 10 10 11 12 13 15 16 16 16 16 17 17 17 17 18 19 19 20 23 25
26 27 27 27 28 28 29
3.2.7.1.5 Viscosidad cinemtica 3.2.7.1.6 Contenido de agua
3.2.7.2 Mtodos qumicos 3.2.7.2.1 ndice de yodo 3.2.7.2.2 Corrosin
lmina de cobre 3.2.8 Determinacin cuantitativa de los metil esteres
en el biodiesel por medio de cromatografa de gases 3.2.8.1 Detector
de ionizacin en llama 3.2.8.2 Acoplamiento de la Cromatografa de
Gases con Mtodos Espectroscpicos 3.2.8.3 Cromatografa de
Gases/Espectrometra de Masas (CG/EM) 3.2.8.4 Espectrometria de
masas molecular (EM) 3.2.8.4.1 Impacto Electrnico (IE) 3.2.9
Anlisis Estadstico 3.2.9.1 Precisin 3.2.9.2 Exactitud 3.2.9.3
Repetibilidad 3.2.9.4 Reproducibilidad 3.2.9.5 Poblaciones y
muestras 3.2.9.6 Media de la poblacin () 3.2.9.7 Desviacin estndar
de la poblacin y varianza de la poblacin 3.2.9.8 Media de la
muestra 3.2.9.9 Desviacin estndar de la muestra (s) y varianza de
la muestra (s2) 4. METODOLOGIA 4.1 Muestra de anlisis 4.2
Tratamiento preliminar del aceite residual 4.3 Anlisis fsico del
aceite 4.3.1 Densidad 4.3.2 ndice de Refraccin (nt D) 4.3.3 Humedad
4.4 Anlisis qumico del aceite 4.4.1 Acidez. 4.4.2 ndice de
Saponificacin. 4.4.3 ndice de Yodo. 4.4.4 ndice de Perxidos 4.5
Mtodo para la obtencin de biodiesel 4.6 Limpieza del biodiesel 4.7
Anlisis fsico para los metil-steres obtenidos 4.7.1 Densidad 4.7.2
ndice refraccin 4.7.3 Viscosidad cinemtica 4.7.4 Punto de
inflamacin 4.7.5 Poder calorfico 4.7.6 Contenido de agua 4.8
Anlisis qumico para los metil-steres obtenidos 4.8.1 ndice de yodo
4.8.2 Corrosin lmina de cobre 4.9 Determinacin cuantitativa de los
metil esteres en el biodiesel por medio de cromatografa de
gases
30 31 31 31 32 33 33 34 34 35 35 36 36 36 37 38 38 38 39 40 40
41 41 41 41 41 41 41 42 42 42 42 42 42 43 43 43 44 44 44 44 44 44
44 44 45
4.9.1 Estndar 4.9.2 Condiciones de elucin 4.9.3 Patrones 4.9.4
Anlisis cromatogrfico 4.9.4.1 Scan 5. RESULTADOS Y DISCUSION 5.1
Anlisis fsico del aceite 5.1.1 Densidad 5.1.2 ndice de Refraccin
(nt D) 5.1.3 Humedad 5.2 Anlisis qumico del aceite 5.2.1 Acidez.
5.2.2 ndice de Saponificacin. 5.2.3 ndice de Yodo. 5.2.4 ndice de
Perxidos 5.3 Obtencin de biodiesel 5.4 Caracterizacin fsica de los
metil-steres (biodiesel) obtenidos del aceite residual de frituras
5.4.1 Densidad 5.4.2 ndice refraccin 5.4.3 Punto de inflamacin
5.4.4 Poder calorfico 5.4.5 Viscosidad cinemtica 5.4.6 Contenido de
agua 5.5 Anlisis qumico para los metil-steres obtenidos 5.5.1 ndice
de yodo 5.5.2 Corrosin lamina de cobre 5.6 Anlisis cuantitativo de
los metil esteres obtenidos a partir de un aceite residual de
frituras por medio de cromatografa de gases CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES ANEXOS BIBLIOGRAFIA
45 46 46 46 46 49 49 49 49 50 51 51 51 52 53 54 54 54 55 56 56
57 58 58 58 59 60 61 64 66 75
AGRADECIMIENTOS A nuestras familias por el apoyo incondicional
durante todo el transcurso de nuestros estudios, a los profesores y
administrativos, por los conocimientos brindados y su disposicin
para facilitar nuestra estancia en la universidad. A nuestros
compaeros y amigos por los buenos momentos y hacer de nuestro paso
por la universidad una de las mejores etapas de nuestro plan de
vida. Al grupo de OLEOQUMICA por permitirnos desarrollar nuestros
conocimientos y al buen trato durante el tiempo de investigacin. A
la profesora Gloria Edith Guerrero por las asesorias, los consejos
y acompaamiento para tener un desarrollo integral de la
investigacin. A el profesor Yamid Carranza con su grupo de
investigacin de tecnologa mecnica, por sus recomendaciones,
asesoria y atencin prestada a nuestro trabajo. A Juan Pablo Lpez
por el apoyo en el desarrollo de la investigacin. Agradecimientos
al centro de investigaciones y extensin.
LISTA DE TABLAS Pag Tabla 1. Principales propiedades del
biodiesel de aceite de higuerilla Tabla 2. Principales propiedades
del biodiesel de aceite de palma Tabla 3. Ensayos con diferentes
relaciones para la reaccin de Transesterificacin Tabla 4.
Composicin del estndar de mezcla de metil steres marca RESTEK Cdigo
35078 Tabla 5. Programacin del horno para el mtodo de impacto
electrnico (IE) Tabla 6. Densidad del aceite residual empleado para
la transesterificacin Tabla 7. ndice de refraccin del aceite
residual Tabla 8. Humedad del aceite residual Tabla 9. Acidez del
aceite residual Tabla 10. ndice de saponificacin del aceite
residual Tabla 11. ndice de yodo del aceite residual Tabla 12.
ndice de perxidos del aceite residual Tabla 13. Resultados de
acidez de los ensayos para la eleccin de las mejores relaciones de
reactivos para la reaccin de transesterificacin Tabla 14. Densidad
metil-ester obtenidos del aceite residual de frituras Tabla 15.
ndice de refraccin del biodiesel obtenido del aceite residual de
frituras Tabla 16. Punto de inflamacin de los metil-esteres
obtenidos de un aceite residual de frituras Tabla 17. Poder
calorfico del metil-ester obtenido de un aceite residual de
frituras Tabla 18. Viscosidad cinemtica de los metil-esteres de un
aceite residual de frituras Tabla 19. Humedad de los metil-esteres
de un aceite residual de frituras Tabla 20. ndice de yodo de los
metil-esteres de un aceite residual de frituras Tabla 21.
Compuestos y caractersticas determinadas en el cromatograma para
cada pico. 60 59 57 58 57 56 55 54 55 45 47 49 50 50 51 52 52 53 43
15 16
LISTA DE FIGURAS
Pag Figura 1. Reaccin de transesterificacin de un triglicrido
para producir biodiesel Figura 2. Reaccin ndice de yodo Figura 3.
Reacciones presente en la transesterificacin Figura 4. Reaccin de
saponificacin Figura 5. Reaccin de esterificacin Figura 6. Ventajas
y desventajas de los catalizadores utilizados en la
transesterificacin Figura 7. Montaje para determinar el punto de
infamacin con el vaso abierto Cleveland Figura 8. Esquema de la
bomba calorimtrica Figura 9. Esquema del viscosmetro de Ostwald
Figura 10. Imagen de tiras patrn de ASTM D 130 Figura 12. Resultado
de la prueba de la corrosin de la lmina de cobre. 28 29 30 32 59
279
18 21 22 25
Figura 11. Programacin del horno para el mtodo de impacto
electrnico (IE) 47
RESUMEN La obtencin de biodiesel catalizada por una base como el
hidrxido de sodio potasio es el mtodo ms utilizado para la obtencin
del biodiesel, gracias a sus buenos rendimientos y disponibilidad.
En este trabajo se presenta un estudio experimental llevado a cabo
con el fin de evaluar la posibilidad de aprovechar el aceite de
desecho de frituras de la industria alimenticia para la obtencin de
biodiesel mediante la metanlisis bsica como fuente alternativa de
energa. En la caracterizacin fsica de la materia prima se
realizaron las pruebas de densidad, ndice de Refraccin y humedad.
En la caracterizacin qumica se realizaron pruebas de acidez, ndice
de Saponificacin, ndice de yodo, ndice de Perxidos y se seleccion e
implement una metodologa para la obtencin de biodiesel con base en
los recursos disponibles utilizando una proporcin de 30 mL de
Metanol, 1 g de KOH y 100 mL de aceite residual. Finalmente se
caracteriz el biodiesel obtenido mediante las pruebas
fsico-qumicas; densidad, ndice refraccin, viscosidad cinemtica,
punto de inflamacin, poder calorfico, contenido de agua, ndice de
yodo y corrosin lmina de cobre; adems se realiz una determinacin
cuantitativa de los metil esteres en el biodiesel por medio de
cromatografa de gases. Todos los resultados de la caracterizacin
fueron comparados con las especificaciones tcnicas estipuladas en
las normas internacionales para biocombustibles, concluyndose que
se obtuvo un biocombustible con propiedades fisico-qumicas dentro
de lo rangos aceptados por las normas ASTM, lo cual hace a este
residuo una materia prima adecuada para la obtencin del biodiesel,
contribuyendo al aprovechamiento de este subproducto industrial y a
la reduccin del impacto ambiental que este pueda estar
causando.
1. JUSTIFICACION Desde el principio de los tiempos, el hombre se
ha preocupado por estar en una constante bsqueda de fuentes de
energa que satisfagan sus necesidades, ste ha aprovechado las
radiaciones del sol, la combustin de la madera, el carbn y Las
reservas petroleras; siendo stas ltimas, las que a partir de la
industrializacin han recibido un fuerte uso masivo que continua en
aumento. Fueron necesarios 500 millones de aos para que se formaran
las fuentes fsiles producto de la descomposicin en condiciones
adecuadas de la materia orgnica y, el hombre en tan slo pocos aos
ha agotado dichos recursos (1). Desde el ao 1991 hasta el 2001 se
observ una tendencia mundial creciente del consumo anual del
petrleo entorno al 2%. Varios autores coinciden en que hacia el
2025 el precio del petrleo se har insostenible debido a que las
reservas se calculan hasta el 2040. Cifras que no son muy ajenas a
nuestra nacin ECOPETROL, hasta el ao 1999, expone que las reservas
probadas de crudo y de gas disminuyeron en 7.6 % y 4%
respectivamente, con lo que la autosuficiencia del pas segn
estimado, sera hasta el 2006 en crudo y sus derivados, hasta el
2010 en gas natural (1). Por otro lado, las fuentes fsiles energa
ha generado un fuerte impacto ambiental debido a que presentan un
alto potencial de concebir emisiones contaminantes: Dixido de
carbono (CO2): Factor causante del efecto invernadero. Monxido de
carbono (CO): Produce efectos letales sobre el hombre. xidos de
nitrgeno (NOX) e hidrocarburos quemados parcial o totalmente (HC):
Formadores del smog fotoqumico en presencia de luz. Emisiones
sulfurosas (SOX): Causantes de la lluvia cida (1).
A partir del panorama anterior, queda claro que la exploracin de
fuentes alternativas de energa debe ser una de las prioridades
mundiales; es por ello que, en bsqueda de subsanar sta problemtica,
en la actualidad ha aumentado el inters por las fuentes de energa
renovables como lo son el biodiesel y el bioetanol.
1
Para este caso, se desea indagar la manera de aprovechar un
desecho como el aceite residual de frituras, con el fin de elaborar
biodiesel, estudiando principalmente rendimientos en la obtencin
del producto y determinando su calidad fisicoqumica; proporcionando
de esta manera beneficios al medio ambiente, al desarrollo
socioeconmico local y a la seguridad energtica nacional. Con este
trabajo se busca abrir un nuevo campo de investigacin en el grupo
de oleoqumica, dar una primera visin del estudio de biocombustibles
y mostrar las variables que hay que tener en cuenta para que el
grupo lleve a cabo prximos estudios para mejorar la obtencin del
biodiesel y el aprovechamiento de los productos secundarios que le
dan un valor agregado a este producto industrial.
2
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivos generales Obtener y caracterizar un combustible a
partir de aceite residual de frituras con el fin de proponer una
alternativa de uso a este desecho y contribuir al manejo integral
de procesos industriales.
2.2 Objetivos especficos Caracterizar fsica y qumicamente el
aceite residual para frituras.
- Obtener el derivado metilado del aceite residual de frituras
(biodiesel) ycaracterizarlo fsica y qumicamente.
-
Establecer las principales caractersticas fsicas del aceite
residual de frituras: densidad, ndice de refraccin, humedad,
viscosidad.
-
Establecer las principales caractersticas qumicas del aceite
residual de frituras: Acidez, perxidos, ndice de yodo, ndice de
saponificacin.
-
Caracterizar cuantitativamente los metil-esteres del biodiesel
obtenido del aceite residual de frituras por tcnicas
cromatogrficas.
-
Determinar las propiedades fsicas del metil-ster: Densidad,
ndice de refraccin, punto de inflamacin, poder Calorfico por
volumen y viscosidad cinemtica a 40C
-
Determinar las propiedades qumicas del metil ster: ndice de
yodo, corrosin de la lmina de cobre (3 horas a 100 C) y contenido
de agua.
-
Comparar las propiedades del metil-ster obtenido, con las
especificaciones reportadas para biodiesel en las normas ASTM.
3
3. MARCO DE REFERENCIA
3.1 ANTECEDENTES La utilizacin de los aceites vegetales como
combustible no es una novedad, Rudolph Diesel (inventor del motor
diesel) ya utilizaba aceite de man en sus motores en los aos 1930.
Sin embargo la viscosidad causante del mal comportamiento de los
aceites vegetales especialmente en los motores diesel de inyeccin
directa fue limitante en su utilizacin, no obstante de probar
mtodos fsicos como la dilucin o microemulsin para su adaptacin como
combustible (2). Tambin el bajo precio que por entonces tena el
petrleo hizo que enseguida ocupase el lugar de aquel. Ms de un
siglo despus, estos motores admiten el uso de biodiesel, que no es
sino aceite vegetal modificado, con unas propiedades muy parecidas
a las del diesel convencional. Es posible su utilizacin directa en
motores diesel tanto de inyeccin directa como indirecta sin
modificacin. De hecho, este producto se utiliza actualmente en ms
de 25 pases de todo el mundo (3). El biodiesel es el biocarburante
de mayor implantacin en el viejo continente, con un porcentaje
cercano al 80% del total de la produccin, segn Eurobserv'eR. De
hecho, la Unin Europea es la principal regin productora de este
producto, que cuenta ya con 11 pases de gran produccin. En el ao
2007 la produccin mundial de biodiesel se incremento en un 29,6%.De
la cantidad total producida (47,4 millones de toneladas), 39,5
corresponden a la produccin de bioetanol, en la que Estados Unidos
se encuentra a la cabeza con 19,5 millones de toneladas, seguido de
Brasil con 14,9 millones, la Unin Europea con 1,8 millones y China
con 1,27 millones. La produccin total de biodisel registrada en
2007 fue de 7,9 millones de toneladas, situndose como principal
productor Alemania con 2 millones de toneladas, seguido de Estados
Unidos con 1,2 millones, Francia con 1,15 millones e Italia con
550.000 toneladas. En los ltimos tiempos los llamados
biocombustibles como el bioetanol y el biodiesel han venido siendo
muy usados en todo el mundo ya que estos proporcionan unos
rendimientos similares a los de los combustibles fsiles y adems
estos aminoran el impacto ambiental producidos por ellos. El
biodiesel, ha sido fuente de mltiples investigaciones que lo han
llevado a ser utilizado alrededor del mundo como complemento en
mezclas con combustibles fsiles con proyecciones a ser utilizado
puro. Este biocombustible que es obtenido de la conversin de un
aceite vegetal en 4
metil-esteres por medio de una reaccin llamada
transesterificacin, hecho que hace en gran nmero de regiones se
prueben los diferentes aceites locales para evaluar su rendimiento
en motores y su factibilidad econmica (4). Adems con el uso de
biocombustibles como el biodiesel se tiene valores agregados como
el beneficio de la actividad agrcola y la reduccin de la
contaminacin. Como pases investigadores del biodiesel estn Estados
unidos donde se form a partir del 2005 un programa llamado Recycled
cooking oil o recoleccin de aceite de cocina, que consiste en una
campaa de recoleccin del aceite usado en las cocinas de las casas
que empez en el condado de Pinellas Park en la florida y que
rpidamente se propag a estados como New Hampshire y Hawai donde el
programa a adoptado caractersticas especiales, el aceite
recolectado se utiliza para producir biodiesel el cual es mezclado
con el diesel normal para mover la mayora de los buques de la
armada y algunos vehculos oficiales (5). En Europa se destaca
Austria. En Austria, la cadena de comidas rpidas McDonald`s
desarrolla un proyecto de produccin de biodiesel a partir de los
aceites de fritura que generan sus 135 locales como desechos de los
procesos de produccin de alimentos. La empresa se encarga de
recolectar el aceite usado. Se estima que recuperan alrededor de
1.100 toneladas por ao de sus locales de venta en Austria. Reciclan
este aceite mediante transesterificacin a steres metlicos de cidos
grasos y obtienen, as, biodiesel. El combustible generado se
utiliza para abastecer al trasporte pblico de la ciudad de Graz,
capital del estado de Estiria, que tiene 250.099 habitantes, lo que
la convierte en la segunda ciudad del pas. Est situada en el
sureste de Austria, encuadrada al sur de los Alpes. McDonald`s
absorbe los costos de recoleccin del aceite, con el fin de obtener
combustible que pueda venderse a precios competitivos. Es probable
que la cadena de comidas rpidas utilice esta estrategia como parte
del marketing y la publicidad, en especial con el fin de generar
una imagen de compromiso con el cuidado del medioambiente, aspecto
de especial importancia en las comunidades europeas (6). En sur
Amrica los pases que lideran la produccin de biodiesel son
Argentina y Brasil en Argentina se realizan trabajos sobre
aprovechamiento de los aceites residuales como el de La Fundacin
Biosfera en el cual Propone que vecinos y comerciantes acumulen
5
el aceite que desechan de sus cocinas para luego pasar a
buscarlo para enviarlo a la planta productora que se levanta en una
escuela de la localidad bonaerense de Tres Arroyos. Como primer
paso del proyecto la Fundacin preguntar quienes son los
comerciantes que estn dispuestos a participar. Constituido el
listado, distribuir bidones para que depositen en ellos el aceite
que hayan utilizado para preparar sus comidas y que ya no pueden
volver a usar. Esos bidones sern recogidos por miembros de la
institucin que luego depositarn el aceite en un tanque de mayor
volumen. Una vez lleno, ser llevado a la planta de elaboracin de
biodiesel que posee la escuela agrotcnica de la localidad
bonaerense de Tres Arroyos. El biodiesel obtenido ser utilizado
como aditivo del combustible diesel en los vehculos de transporte
publico recudiendo as las emisiones de los vehculos y dando una muy
buena disposicin a los aceites residuales que podran ir a parar a
las fuentes hdricas. Es Brasil el pas que lleva la punta en sur
Amrica en la produccin de biodiesel a partir del 2008 la meta
obligatoria de uso de biodiesel ser de 800 millones de litros de
biodiesel que debern ser agregados al diesel que se consume en el
pas carioca. En Ro de Janeiro, una experiencia llevada a cabo por
el Instituto Alberto Luiz de Coimbra de Posgrado e Investigacin de
Ingeniera (Coppe), de la Universidad Federal de Ro de Janeiro
(UFRJ), en asociacin con el gobierno del Estado, prob exitosamente
un mnibus impulsado con biodiesel elaborado a base de aceite
reciclado donado por una red de comida rpidas. Este tipo de aceite
residual usado en Ro tambin es objeto de estudios en otras partes
del pas. Tambin se tienen subproyectos que hacen parte del
macroproyecto biodiesel Brasil en los cules los comedores
universitarios y colegiales recolectan el aceite usado el cual
posteriormente es transformado en biodiesel para impulsar los
vehculos de transporte publico (4).
6
3.1.1 Investigacin de biodiesel en Colombia Diariamente Colombia
consume aproximadamente 90 mil barriles de diesel o a.c.p.m con el
fin de parar el consumo excesivo de combustibles fsiles y de
reducir el impacto ambiental el gobierno expidi la Resolucin 1289
de 2005, por la cual se establecieron los requisitos tcnicos y
ambientales del biocombustible para uso en motores diesel y sus
mezclas con diesel de origen fsil, cuya base fundamental fueron las
normas tcnicas y los estndares mundiales fijados en la materia a
nivel mundial. En dicha Resolucin se estableci que a ms tardar el 1
de enero del ao 2008 en las principales ciudades del pas se deber
distribuir mezclas de 5% de biocombustible para uso en motores
diesel (biodiesel) como un 95% de diesel de origen fsil, fecha que
hoy y de acuerdo con las excelentes perspectivas del programa, se
ha adelantado para el mes de agosto en la Costa Atlntica y a ms
tardar en el mes de marzo del 2008 para el resto del pas (7). En
Colombia se han realizado diferentes estudios a nivel de
laboratorio y planta piloto, con el fin de obtener biodiesel a
partir de diversas materias primas , tales como aceite de palma,
aceite de higuerilla, aceites fritos y subproductos de la industria
avcola, adems se han realizado estudios sobre la variables que
afectan la reaccin de transesterificacin, en las diferentes
regiones dando prioridad a las materias primas presentes en estas,
por ejemplo en las zonas donde hay grandes cultivos de palma de
aceite se realizan estudios sobre la produccin del biodiesel a
partir del aceite crudo de palma y de la olena de palma, tambin se
han realizado estudios sobre su utilizacin en mezclas de diferentes
proporciones con diesel convencional (8, 9, 10, 2). Para Colombia,
la materia prima con mayor potencial con miras a implementar un
programa de biodiesel, lo constituye el aceite de palma. El pas
tiene un enorme potencial de siembra de Palma Africana y en la
actualidad de este cultivo se obtiene aproximadamente el 87% de la
produccin nacional de aceites y grasas (8).
7
3.2 MARCO TEORICO
3.2.1 Que es biodiesel La definicin de biodiesel propuesta por
las especificaciones ASTM (American Society for Testing and
Material Standard, asociacin internacional de normativa de calidad)
lo describe como steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena
larga derivados de lpidos renovables tales como aceites vegetales o
grasas de animales, y que se emplean en motores de ignicin de
compresin. Sin embargo, los steres ms utilizados, son los de
metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificacin de
cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la
esterificacin de los cidos grasos) debido a su bajo costo y sus
ventajas qumicas y fsicas (11). Se encuentra registrado como
combustible y como aditivo para combustibles en la Agencia de
Proteccin del Medio Ambiente (Enviroment Protection Agency (EPA))
en los Estados Unidos. Estos esteres pueden ser obtenidos a partir
de aceites vegetales tales como el aceite de man, palma, soya,
girasol, grasas animales a partir de aceite residual de frituras y
un sin nmero mas de aceites vegetales. Este combustible es
utilizado puro (B100 conocido como gasoil verde), o en mezclas con
diesel de petrleo en diferentes concentraciones, una de las
concentraciones ms utilizada es del 20 % es decir 20 partes del
biodiesel por 80 de diesel de petrleo, pero tambin se dan mezclas
con el 5 % y el 10 % como la que entrar en vigencia en Colombia a
partir del 2008 de que todos los vehculos de trasporte pblico del
pas deben llevar una mezcla del 5 % (12,4,13).
3.2.2 Obtencin del biodiesel El proceso ms utilizado para la
produccin de biodiesel es la transesterificacin, la cual se refiere
a la reaccin entre un aceite o grasa y un alcohol en un medio
catalizado, para producir steres alqulicos de cidos grasos
(biodiesel) y glicerol o glicerina. La figura 1 muestra la reaccin
que transforma las molculas de triglicridos, grandes y
8
ramificadas, en molculas de steres alqulicos, lineales, no
ramificadas, de menor tamao y muy similares a las del petrodiesel
(11). Los alcoholes empleados deben ser de bajo peso molecular;
entre stos, el ms utilizado es el metanol debido a su bajo costo,
seguido por el etanol (14). Para que esta reaccin sea completa, se
necesita una temperatura promedio de 60 C, un catalizador bsico
como un hidrxido o uno cido y un tiempo de reaccin cercano a las 3
horas. Finalmente, las cadenas de steres se convertirn en
biodiesel, reteniendo molculas de oxgeno en su constitucin, lo que
le otorgar interesantes propiedades en la combustin. (12, 4, 15,
13, 16). En la sntesis del biodiesel, se forman entre el aceite y
el alcohol, normalmente metlico, steres en una proporcin aproximada
del 90% ms un 10% de glicerina la cual puede ser trasformada para
darle un valor agregado. La glicerina se emplea en la fabricacin,
conservacin, ablandamiento y humectacin de gran cantidad de
productos, stos pueden ser resinas alqulicas, celofn, tabaco,
explosivos (nitroglicerina), frmacos y cosmticos, espumas de
uretano, alimentos y bebidas (8). A continuacin se presenta en
forma resumida un esquema de la reaccin de obtencin del
biocombustible: Figura 1.
Figura 1. Reaccin de obtencin del biocombustibles
9
3.2.3 Propiedades Los motores diesel de hoy requieren un
combustible que sea limpio al quemarlo, adems de permanecer estable
bajo las distintas condiciones en las que opera. El biodiesel es el
nico combustible alternativo que puede usarse directamente en
cualquier motor diesel en proporciones de 2-30% de acuerdo con la
normas EN 590 y EN 14214, sin ser necesario ningn tipo de
modificacin, en mezclas con mayor proporcin de biodiesel se
requiere de adaptaciones al motor como precalentadores o pre-cmaras
de combustin (17, 18, 19, 20). Hay que tener en cuenta que las
energas renovables, como los aceites vegetales, grasas animales y
aceites residuales como el que se trat, son realmente las fuentes
energticas del futuro, en el sentido que tendern, por razones
ambientales y econmicas, a sustituir el actual modelo
energtico.(21,15, 22, 23). 3.2.3.1. Ventajas del biodiesel (21,15,
22, 23, 25, 24,16) Empleo de fuentes naturales renovables como
materias primas, tales como aceite vegetal usado y etanol, dando
solucin al problema de contaminacin generada por la inadecuada
disposicin final y reutilizacin de dichos aceites. Sustitucin del
diesel convencional en motores, quemadores y turbinas; as como en
autobuses, taxis y maquinaria agrcola sin necesidad de reconversin
mecnica. Contiene 11% de oxgeno en peso y no tiene azufre. El
biodiesel posee mejores cualidades lubricantes que el combustible
tradicional. Mayor estabilidad energtica, pues proporciona una
proteccin contra la dependencia del petrleo. Mayor poder
disolvente, que hace que no se produzca carbonilla ni se obstruyan
los conductos y mantiene limpio el motor. Se producen menos
partculas de desgaste que con el diesel. 10
3.2.3.2 Desventajas del biodiesel (21,15, 22, 23, 25, 24,16)
Incompatibilidad a bajas temperaturas con el petrodiesel. Uno de
los mayores problemas que se encuentran a la hora de decidir el uso
de Biodiesel como combustible es el de las malas propiedades que
posee a bajas temperaturas. Para un Biodiesel procedente de un
aceite residual el Punto de Obstruccin por Filtros Fros POFF est
entre 7 y 0 C , lo cual es insuficiente para invierno. Mayor
Viscosidad. Debido a que el biodiesel tiene una viscosidad mayor
que el diesel pueden existir problemas de prdidas de flujo a travs
de los filtros e inyectores. Si el spray es alterado por el flujo
de combustible se puede generar una coquizacin del inyector o
dilucin del lubricante. Problemas de Corrosin. Pueden aparecer
algunos problemas debido a corrosiones y partculas de desgaste en
el aceite, que hay que tener en cuenta no solo en lo que afecta al
motor, sino tambin respecto a la instalacin. La presencia de K y Na
puede causar la precipitacin de jabones obstruyendo los filtros.
Estos se presentan en el Biodiesel debido a un defectuoso proceso
de lavado en su produccin Glicerina Libre y Total. Hay que
controlar muy bien los niveles de estos dos parmetros debido a que
afectan de forma muy directa a la bomba de inyeccin Problemas de
Estabilidad. Posee menor estabilidad a la oxidacin que el diesel
debido a que posee dobles enlaces y oxgeno en su molcula. Esto es
importante a la hora de almacenar durante mucho tiempo el
biodiesel. Precios poco competitivos frente a los derivados fsiles
y el enfrentamiento de cultivos energticos, que tambin son
empleados como cultivos alimenticios, lo que producen una situacin
poco deseada al entremezclar el mercado alimenticio con el de los
combustibles, distorsionando los precios y creando un impacto
desfavorable en el mercado.
11
Elevacin en los niveles de emisin de los xidos de nitrgeno los
cuales contaminan la capa de ozono. 3.2.3.2 Emisiones del biodiesel
(16, 52) Las principales emisiones contaminantes del biodiesel son
los xidos de nitrgeno, los cuales incluyen el xido ntrico (NO), el
dixido de nitrgeno (NO2) y el xido nitroso (N2O).
NOx (conjunto de NO y NO2) El xido ntrico (NO) y el dixido de
nitrgeno (NO2) se suelen considerar en conjunto con la denominacin
de NOx . Son contaminantes primarios de mucha trascendencia en los
problemas de contaminacin. El emitido en ms cantidad es el NO, pero
sufre una rpida oxidacin a NO2, siendo este el que predomina en la
atmsfera. Los NOx tienen una vida corta y se oxidan rpidamente a
NO3- en forma de aerosol o a HNO3 (cido ntrico). El HNO3 Tiene una
gran trascendencia en la formacin del smog fotoqumico, del nitrato
de peroxiacetilo (PAN) e influye en las reacciones de formacin y
destruccin del ozono, tanto troposfrico como estratosfrico, as como
en el fenmeno de la lluvia cida. En concentraciones altas producen
daos a la salud y a las plantas y corroen tejidos y materiales
diversos. Las actividades humanas que los producen NOx son,
principalmente, las combustiones realizadas a altas temperaturas.
Las reacciones que estos presentan son las siguientes 2NO + O2
2NO2
El NOX en la atmsfera, est sujeto a las siguientes reacciones
fotoqumicas: NO2 + luz solar O + O2 O3 + NO NO + O O3 NO2 + O2
12
Finalmente, gran parte del dixido de nitrgeno atmosfrico se
convierte en cido ntrico y sales de nitrato: 4NO2 + O2 +2 H2O
4HNO3
3.2.4 Materias primas para la produccin de biodiesel Las
principales materias primas para la elaboracin de biodiesel son las
oleaginosas y sus aceites derivados. El reto para cualquier pas o
regin consiste en la implementacin de procesos basados en materias
primas autctonas, los cuales se deben optimizar para obtener un
biodiesel con un costo de produccin bajo que lo haga competitivo,
pero que cumpla con las especificaciones internacionales de calidad
para su uso como combustible en motores diesel. Cualquier materia
que contenga triglicridos puede utilizarse para la produccin de
biodiesel (girasol, colza, soja, palma, higuerilla, aceites de
fritura usado, sebo de vaca) A continuacin se detallan las
principales materias primas para la elaboracin de biodiesel (26):
Aceites vegetales convencionales Las materias primas utilizadas
convencionalmente en la produccin de biodiesel han sido los aceites
de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la
soja (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de
frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). - Aceite de
girasol - Aceite de colza - Aceite de soja - Aceite de coco -
Aceite de palma - Aceites vegetales alternativos
13
Adems de los aceites vegetales convencionales, existen otras
especies ms adaptadas a las condiciones del pas donde se
desarrollan y mejor posicionadas en el mbito de los cultivos
energticos. - Aceite de Brassica carinata - Aceite de Cynara
curdunculus - Aceite de Camelina sativa - Aceite de Crambe
abyssinica - Aceite de Pogianus - Aceite de Jatropha curcas Aceites
de semillas modificadas genticamente Los aceites y las grasas se
diferencian principalmente en su contenido en cidos grasos. Los
aceites con proporciones altas de cidos grasos insaturados, como el
aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran la operatividad del
biodiesel a bajas temperaturas, pero diminuyen su estabilidad a la
oxidacin, que se traduce en un ndice de yodo elevado. Por este
motivo, se pueden tener en consideracin, como materias primas para
producir biodiesel, los aceites con elevado contenido en
insaturaciones, que han sido modificados genticamente para reducir
esta proporcin, como el aceite de girasol de alto oleico. Grasas
animales Adems de los aceites vegetales y los aceites de fritura
usados, las grasas animales, y ms concretamente el sebo de vaca,
pueden utilizarse como materia prima de la transesterificacin para
obtener biodiesel. El sebo tiene diferentes grados de calidad
respecto a su utilizacin en la alimentacin, emplendose los de peor
calidad en la formulacin de los alimentos de animales. - Sebo de
vaca - Sebo de bfalo Aceites de fritura usados El aceite de fritura
usado es una de las alternativas con mejores perspectivas en la
produccin de biodiesel, ya que es la materia prima ms barata, y con
su utilizacin se 14
evitan los costes de tratamiento como residuo. Por su parte, los
aceites usados presentan un bajo nivel de reutilizacin, por lo que
no sufren grandes alteraciones y muestran una buena aptitud para su
aprovechamiento como biocombustible. La utilizacin de aceites
usados presenta dificultades logsticas, no slo por su recoleccin,
como se ha dicho, sino tambin por su control y trazabilidad debido
a su carcter de residuo. Aceites de otras fuentes Por otra parte,
es interesante sealar la produccin de lpidos de composiciones
similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a
partir de algas, bacterias y hongos, as como a partir de
microalgas. - Aceites de producciones microbianas - Aceites de
microalgas
3.2.4.1 Caractersticas del biodiesel obtenido a partir de
diferentes aceites vegetales Las propiedades del biodiesel dependen
tanto de la materia prima de la cual fue obtenido como del proceso
de obtencin, ya que los cidos grasos presentes en el aceite de
partida permanecen en el biodiesel obtenido. A continuacin se
muestra las propiedades del biodiesel obtenido a partir del aceite
de higuerilla y de palma: Tabla 1. Principales propiedades del
biodiesel de aceite de higuerilla (3,24) Propiedad Densidad Agua y
sedimentos Corrosin Contenido de cenizas Residuo carbonoso Punto de
inflamacin Punto de fluidez Viscosidad a 40 C ndice de acidez ndice
de saponificacin ndice de yodo Unidades g/cm3 % Volumen % Peso %
Peso C C cSt (mm2/s) mg KOH/g aceite mg KOH/g aceite Estndar ASTM
D-5 D-96 D-665 D-482 D-189 D-93 D-97 D-445 D-1980 D-5558 Resultado
0.9707 0.0 1 0.015 0.101 279.3 -2 266.81 2.1 187.4 84.3 Valor Tpico
0.96
