OBTENCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE DESECHOS DE ACEITE. Depto. de Ingeniería Bioquímica del Instituto Tecnológico Superior de Irapuato.

Transcripción

1 Clave: OBTENCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE DESECHOS DE ACEITE Julio Eduardo Caudillo-Rosales 1, Juan Manuel Rangel-Aguilera 1, Hugo Antonio Barbosa- Rocha 1, Francisco Alejo-Iturvide 1, Enrique Ramírez-Chávez 2, Jorge Molina-Torres 2 y Pedro Eduardo Moreno-Zacarías 1,3. DIRECCIÓN DE LOS AUTORES 1 Depto. de Ingeniería Bioquímica del Instituto Tecnológico Superior de Irapuato. 2 Laboratorio de Fitoquímica, Depto. de Biotecnología y Bioquímica del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Campus Guanajuato. 3 Depto. de Ingeniería Bioquímica del Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, km 12.5 carretera Irapuato-Silao, CP tel ext CORREO ELECTRÓNICO pemoreno@itesi.edu.mx

2 INTRODUCCIÓN El aceite vegetal es un compuesto orgánico obtenido a partir de semillas u otras partes de las plantas en cuyos tejidos se acumula como fuente de energía, como todas las grasas está constituido por glicerina y tres ácidos grasos. Un litro de aceite vegetal utilizado para freír alimentos puede provocar, en caso de ser arrojado al desagüe, la contaminación de un millar de litros de agua y acabar en los ríos flotando y formando una fina capa que impide la oxigenación y contribuye así a comprometer el futuro de numerosas plantas y seres vivos. Cada año, alrededor de 3.4 millones de personas, niños en su mayoría, mueren víctimas de enfermedades relacionadas con el agua, y aproximadamente 2.2 millones de personas fallecen por enfermedades diarreicas vinculadas a servicios insuficientes de abastecimiento de agua, saneamiento e higiene (9). Con los precios del combustible en alza y la preocupación creciente por la contaminación del ambiente, el considerar una alternativa energética viene a ser toda una necesidad. Además de que las exigencias actuales en las actividades económicas piden el cumplir con el paradigma de las 4E, (economía, ética, ambiente, energía). En otras palabras, cualquier actividad económica deberá ser rentable, socialmente aceptada, con el menor impacto ambiental y energéticamente eficiente. (1) Y dado que estimaciones actuales prevén que en 25 años, México frenará su desarrollo por falta de agua en varias ciudades; habrá insuficiencia agroproductiva; varios ecosistemas se colapsarán y los problemas de salud pública se incrementarán (9), es necesario buscar alternativas que permitan la generación de combustibles económicamente viables a partir de materiales reciclados que no afecten la economía y permitan el crecimiento económico Nacional. Usualmente los aceites usados son dispuestos incorrectamente y de acuerdo a sus características físicas y químicas afectan severamente al medio ambiente dañando el suelo, el agua, la flora y la fauna tanto terrestres como acuáticas y en muchos de los casos estas afectaciones repercuten en la salud de la población humana. Al no ser soluble en agua y mantenerse en la superficie, los aceites usados bloquean los rayos solares, impidiendo a los organismos acuáticos, principalmente el primer eslabón de la cadena trófica el realizar la fotosíntesis, afectando posteriormente en consecuencia a los demás eslabones de dicha cadena, al no generarse oxigeno y alimento, pudiendo llegar a impactar severamente sus procesos vitales. (6) Estudios realizados en España obtuvieron que un restaurante de tamaño medio origina 50 o más litros al mes de residuo de aceites vegetales (7). Este mismo parámetro, trasladado a

3 nuestros hogares da como resultado que una familia generara alrededor de un litro al mes, lo cual deriva en que una persona produce al año aproximadamente 4 litros de aceite (no ingerido) de desecho. Si bien muchos locales de comidas venden sus aceites de cocina usados a precios de hasta 17 centavos de dólar el litro (normalmente para su utilización como aceites de cocina de segunda categoría), existe un balance y un ciclo para éstos aceites, y en algún punto los mismos son desechados, a menudo a la red colectora cloacal o a rellenos sanitarios (10). En general, la flora bacteriana de un buen sistema de tratamiento de efluentes en una ciudad organizada o un buen compostaje podrá lidiar con dicha carga, pero a menudo éstos aceites llegan directamente a cursos de agua, sin previo tratamiento, y representan un riesgo para la flora y fauna acuática al formar una delgada capa superficial que impide procesos fisicoquímicos fundamentales para la vida (10). Esto no solo representa un problema ambiental, sino que es un desperdicio absoluto de materia prima valiosa, tanto para la obtención de glicerina, ácidos grasos o ésteres como el biodiesel. El combustible de origen vegetal que reemplaza al diesel fósil se llama "BIODIESEL". Se elabora a partir de aceites vegetales obtenidos de semillas, plantas o algas oleaginosas y también reciclando aceites usados en fritura de alimentos. Su energía específica es un 5% menor que la del diesel fósil, pero su elevada lubricidad compensa esta diferencia, por lo que el rendimiento energético de ambos combustibles es esencialmente el mismo. En general se utiliza como combustible alternativo en combinación con diesel fósil, en proporciones variables del 5, 20 y hasta 30%. Desde el punto de vista técnico, se considera que su mezcla, hasta un 20%, no requiere ajustes en los motores, si bien la asociación mundial de fabricantes de motores y vehículos aconseja no mezclar este combustible a tasas superiores al 5%. (14) La fabricación de BIODIESEL (alcohol éster de ácidos grasos) es sencilla y no requiere de economías de gran escala: se parte de un aceite vegetal nuevo o de descarte (ya cocinado), que se somete a un proceso químico llamado transesterificación o alcoholisis. En la transesterificación, la molécula de triglicérido se divide en tres moléculas de metiléster y una de glicerina. El hidróxido de sodio rompe los enlaces que unen a los ácidos grasos con la glicerina, la glicerina se hunde hasta el fondo del recipiente y las cadenas de ácidos grasos se unen al metanol. (10) La reacción se lleva a cabo en tres pasos. Primero una cadena de ácido graso se separa del triglicérido y se une al metanol formando una molécula de metiléster; queda un diglicérido (dos cadenas unidas a la glicerina). Luego se separa de la glicerina otra cadena de ácido graso, que se une al metanol formando la segunda molécula de metiléster, dejando un monoglicérido. Finalmente el monoglicérido se convierte en metiléster por sustitución

4 de la glicerina por metanol. Cuando termina esta última etapa se produce la compleción de la reacción. (10) Como resultante del proceso, se obtiene BIODIESEL y un subproducto genéricamente conocido como glicerol (propanotriol), que tiene más de 1600 usos en el ramo agrícola, la industria, la medicina, los cosméticos y la alimentación. El biodiesel tiene varias aplicaciones algunas de ellas son: a) Calefacción para el hogar utilizando biodiesel. Aunque para el estado de Guanajuato este no es un problema grave; para otros estados como lo son los estados del norte de nuestro país (Sonora, Chihuahua, Nuevo León, etc.). b) Generadores de electricidad que tienen como fuente de energía el biodiesel. Esta es una alternativa superior al tradicional quemado de carbón de piedra. El biodiesel es más económico, limpio y renovable para generar electricidad. c) La maquinaria agrícola también puede aprovechar el biodiesel. El biodiesel también sirve como combustible para tractores y las diferentes máquinas del campo, bombas de irrigación, generadores y sistemas de irrigación que habitualmente venían usando combustible diesel. El uso de biodiesel para conseguir energía en la agricultura, establece un ciclo de producción más eficiente que va desde productores a consumidores. Las emisiones netas producidas en la combustión del biodiesel de dióxido sulfuroso (SO 2 ) se reducen un 100 %. La emisión de hollín se reduce un 40-60%, y las de hidrocarburos (HC) un %. La emisión de monóxido de carbono (CO) se reduce un 10-50%. Se reduce igualmente la emisión de hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs), y en particular de los siguientes derivados, de comprobada acción cancerígena: Fenantrén - 97%; Benzoflúorantren - 56%; Benzopirenos - 71%. Finalmente, la emisión de compuestos aromáticos y aldehídos se reduce un 13%, y las de óxidos nitrosos (NOx) se reducen, o aumentan, 5-10% de acuerdo con el desgaste del motor, y la calibración de la bomba inyectora (11). El biodiesel derivado del aceite de colza y del aceite de soja es fácilmente biodegradado en ambiente acuático de acuerdo con los estándares de US-EPA y sufre una biodegradación elevada en dicho ambiente. El biodiesel derivado del aceite de colza y aquel derivado del aceite de soja poseen una biodegradabilidad del 88,49 % en 28 días. La máxima biodegradabilidad del diesel fósil después de 28 días es del orden del 26 %.(11) Dado que el insumo principal es el aceite vegetal, resulta importante conocer las posibilidades agrícolas disponibles para producirlo. Los litros de aceite vegetal que se obtienen por hectárea y por año y que pueden transformarse en BIODIESEL, dependerán del cultivo que da origen al aceite vegetal. Algunos de los más comunes son:

5 - Soja (Glicine max): 420 litros - arroz (Oriza sativa): 770 litros - girasol (Helianthus annuus): 890 litros - maní (Arachis hipogaea): 990 litros - aguacate, palta (Persea americana): 2460 litros - coco (Cocos nucifera): 2510 litros - cocotero (Acrocomia aculeata): 4200 litros - palma (Elaeis guineensis): 5550 litros

6 MATERIALES Y MÉTODOS Parte 1: Colecta de datos sobre los aceites en empresas En virtud de poder lograr una determinación aproximada del impacto ambiental producido en el municipio de Irapuato, Guanajuato, por el aceite vegetal desechado por la industria restaurantera se procedió a identificar la disposición final que este aceite tenía; para lo cual se realizó una visita a 20 establecimientos de comida rápida (los de mayor volumen de producción de aceite usado) de esta ciudad en el mes de Julio de 2007, en los cuales se averiguó el destino final de este residuo y si contaban con algún proceso de control de este desecho. Parte 2: Producción de Biodiesel La obtención de materia prima se realizó colectando aceite usado, en Noviembre de 2007, en cuatro establecimientos de comida rápida de la ciudad de Irapuato, sin costo alguno. El método de producción para el Biodiesel seleccionado fue el método ácido base, el cual consta de dos etapas (3). En la primera etapa del proceso, denominada ácida, la cual se realizó en Diciembre de 2007, 10L del aceite colectado fueron tratados previamente con filtración y destilación, para eliminar residuos sólidos y agua; de los cuales se tomó 1L. Posteriormente se hizo reaccionar el aceite con metanol al 99% y ácido sulfúrico al 95%, a 35 C, aplicándose agitación mecánica constante hasta formar una emulsión, durante dos horas. La mezcla se dejó en reposo durante 8 horas. En la segunda etapa, o etapa alcalina, se llevó la mezcla previamente tratada a 55 C y se hizo reaccionar con una solución de Metóxido de sodio, aplicando nuevamente agitación mecánica constante hasta obtener los dos productos (biodiesel y glicerol).

7 DESARROLLO Parte 1: determinación de la cantidad de aceite desechado por negocios de comida rápida. De las 20 empresas visitadas solo 3 (Pollo Feliz, McDonald s, Kentucky Fried Chicken) señalaron que los desechos de aceite eran recogidos por la empresas FRIMAX; la cual se encarga solo del trasporte, pero se desconocía el destino final del aceite. Las demás empresas declararon que no le daban otra utilidad al aceite y que lo desechaban vertiendo directamente al alcantarillado y cinco empresas declararon que lo vertían al suelo de lotes baldíos (Figuras 1 y 2). Parte 2: Producción de Biodiesel Se obtuvo una mezcla final consistente en dos fases: 2 fases: la superior de color amarillo pajizo (Biodiesel) y la inferior (glicerina) más viscosa y de color marrón oscuro. Se separaron por decantación las fases y se midió el volumen de cada una obteniéndose 880 ml de biodiesel y 120 ml de glicerol. A continuación se sometió el biodiesel a una serie de tres lavados con agua durante 24 horas. El biodiesel terminado se sometió a destilación para eliminar el agua remanente del lavado.

8 RESULTADOS Análisis de Resultados El rendimiento del proceso en porcentaje aproximado fue el siguiente: por cada litro de aceite procesado mediante transesterificación se obtuvo un 88% de biodiesel y un 12 % restante de glicerol. Lo cual se encuentra en concordancia con los datos teóricos del rendimiento de la reacción, indicando una transesterificación completa. La duración del proceso desde la recolección del aceite hasta llegar a la obtención del Biodiesel fue de cuatro días. El método de producción seleccionado resultó ser bastante eficiente, económico y factible. Los datos obtenidos en las visitas a las empresas restauranteras sirven de apoyo, para demostrar la falta de control que se tiene sobre los residuos, en este caso, de los aceites, lo cual tiene una repercusión directa sobre el medio ambiente, generando un impacto ambiental negativo. Todo esto nos permite demostrar también, que con la realización de este proyecto estaremos disminuyendo considerablemente las cargas ambientales producidas por el vertido indiscriminado de aceites usados al dre naje y al suelo. Por otra parte, en base a los resultados cuantitativos del proceso (cantidad de Biodiesel y Glicerol obtenidos), se puede deducir que es un negocio bastante rentable, pudiendo obtenerse ingresos económicos importantes a mediano plazo, ya que según nuestras estimaciones procesando 300 litros semanales (cantidad promedio de aceite desechado por los cuatro negocios referenciados en la etapa 2) de aceite usado, y comercializando los productos finales (biodiesel a 6.87pesos/Litro y el glicerol a 150 pesos/litro) durante un año esto arrojaría una ganancia neta de aproximadamente 607, pesos mexicanos.

9 control en el desecho de aceite numero de empresas tienen control no tienen control control llevado Figura 1. Control de la disposición final del aceite. Disposición final del aceite Número de Empresas Alcantarillado Suelos Trat. De Público Residuos Figura 2. Medio de disposición final del aceite

10 DISCUSIÓN

11 CONCLUSIONES Se tuvieron resultados satisfactorios en cuanto a la recolección del aceite. Se cumplió con uno de los objetivos que fue el de obtener el combustible, el proceso de obtención fue satisfactorio de acuerdo a los parámetros teóricos. El reciclaje de aceite dejará grandes ganancias ecológicas y económicas dado que de solo cuatro negocios de una sola ciudad se obtuvieron 300 litros de aceite usado semanales, que si se procesaran darían aprox. 280 litros de combustible que puede ser utilizado entre otras cosas para la generación de electricidad y como combustible automotriz, principalmente.

12 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1) Gonzales, Rodrigo. El por qué de los biocombustibles en Chile )KAC, Aleksander. Método Acido base para la producción de biodiesel. Journey to Forever. 4)HEINDEN, Richard W., Analitical methodologies for the determination of biodiesel ester purity determination of total methylesters; pdf 5) 6) Comisión Colombiana del Océano. Bases para la prevención y control de la contaminación marítima. 7)FORTUNY, Jordi. 9) La ciencia y el hombre. Revista de la Universidad Veracruzana. Ene abr Vol XVIII No. 1.

13 10)LENOIR, Christian - Univ. Católica Argentina; Análisis de la producción del biodiesel; 11)LAROSA, Rodolfo; Proceso para la producción de Biodiesel; 8 pag. 14)GAUDIOSO, Rossana; producción y uso del biodiesel; f; 1 de 4 pag.