REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

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1 REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA DETERMINACION DE LA CALIDAD Y RENDIMIENTO DEL BIODIESEL OBTENIDO A PARTIR DE LOS DESECHOS DE ACEITE COMESTIBLE Trabajo Especial de Grado para optar por el título de Ingeniero Químico. Realizado por: Br. SAAVEDRA SAAVEDRA, Juan Miguel. C.I.: TUTOR ACADEMICO: Msc: OSORIO, Eudo.

2 DETERMINACION DE LA CALIDAD Y RENDIMIENTO DEL BIODIESEL OBTENIDO A PARTIR DE LOS DESEHOS DE ACEITE COMESTIBLE Br. SAAVEDRA SAAVEDRA, JUAN MIGUEL C.I. V AV. 3E, CALLE76, EDIFICIO ALEJANDRA PAOLA, APARTAMENTO #14A MARACAIBO, ESTADO ZULIA. TLF: juanchosaa@gmail.com Tutor Académico Msc. Eudo Osorio

3 Veredicto Nosotros Profesores,, y. Designados como Jurado Examinador del Trabajo Especial de Grado DETERMINACIÓN DE LA CALIDAD Y RENDIMIENTO DEL BIODIESEL OBTENIDO A PARTIR DE LOS DESECHOS DE ACEITE COMESTIBLE presentado por el Bachiller: Juan Saavedra, titular de la Cedula de Identidad No , nos hemos reunido para revisar dicho trabajo y después del interrogatorio correspondiente lo hemos aprobado con, de acuerdo con las normas vigentes aprobadas por el Consejo Académico de la Universidad Rafael Urdaneta, para la Evaluación de los Trabajos Especiales de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico. En fe de lo cual firmamos, en Maracaibo, a los días del mes de del año. Msc. Eudo Osorio. Tutor Académico. Prof. Jurado Prof. Jurado. Prof. Nelson Molero Director de Escuela Prof. Oscar Urdaneta Decano

4 Dedicatoria Dedico principalmente este trabajo a Dios, por permitirme seguir adelante en la vida, dándome vida y salud, ayudándome a superar los obstáculos, y permitiéndome lograr las metas de mi vida. A mis padres y a mi hermano, por ser lo más importante en mi vida, que con su gran apoyo, consejos, ayuda y animo a mi persona, me han guiado por el buen camino, y me siguen apoyando en mi desarrollo personal. A mis familiares y amigos, por los buenos momentos vividos con ellos, con su apoyo en mis metas, con su ayuda en los malos ratos, y por ayudarme a crecer como persona. A mis profesores y tutores, que con sus conocimientos compartidos a mi persona, fui capaz de superar mis metas académicas, y de brindarme los conocimientos necesarios para avanzar en mi carrera universitaria. Juan Saavedra

5 Agradecimientos A la Universidad Rafael Urdaneta, en donde adquirí mis conocimientos académicos para convertirme en profesional, y además el desarrollo como persona, en donde se me concedió la sabiduría para la realización de este trabajo, y en donde aprendí las virtudes para ser una mejor persona. A mis profesores, que me ayudaron a desarrollar este trabajo, a los cuales les solicite asesoría, y estuvieron dispuestos en dármela, gracias. A mi tutor académico, Eudo Osorio, por darnos su apoyo en el desarrollo de este trabajo, y por ayudar a la culminación de el mismo. A Aneli Villasmil, mi compañera de tesis, que con su esfuerzo y dedicación a nuestro trabajo especial de grado, se logro la culminación del mismo. A mis padres, familiares, y a aquellas personas que de alguna u otra manera colaboraron con mi persona y siempre me desearon lo mejor para culminar este logro.

6 SAAVEDRA SAAVEDRA, Juan Miguel, DETERMINACIÓN DE LA CALIDAD Y RENDIMIENTO DEL BIODIESEL OBTENIDO A PARTIR DE LOS DESECHOS DE ACEITE COMESTIBLE Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Químico. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Química, Maracaibo, Venezuela, Resumen El biodiesel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales mediante una reacción llamada la Transesterificación de triglicéridos presentes en estos compuestos. Esta reacción consiste en que la glicerina presente en los triglicéridos de aceites vegetales o grasas animales, son desplazados por un alcohol de bajo peso molecular, lo cual da como resultado una mezcla de esteres, cuyas propiedades son similares a las del diesel convencional, proveniente del petróleo, el cual puede ser utilizado como combustible. En la presente investigación se puso en práctica la producción de este biocombustible, a partir de los desechos de aceite comestible utilizando metanol, para saber cuál es su rendimiento y cuál es su calidad, comparando los resultados obtenidos, con los expuestos en las normas ASTM para biocombustibles. El presente trabajo fue de tipo descriptivo, diseñado de forma experimental, basado en observación directa. Para la realización de esta investigación, se llevo a cabo la producción de biodiesel, a escala de laboratorio, a partir de los desechos de aceite comestible, metanol y el catalizador, para luego ser evaluado su rendimiento y la calidad del biodiesel obtenido, comparando los valores de las propiedades más importantes obtenidas, con las expuestas en la norma. Cabe destacar que dicha investigación se hizo con motivo de tener más conocimiento del área, debido a la poca información que se tiene sobre este tema. El biodiesel obtenido en cada uno de los ensayos cumple con los parámetros establecidos en la norma ASTM D 6751, dando así positivo a las pruebas de calidad del mismo. Palabras Clave: biodiesel, aceite comestible, desechos, transesterificación, metilester, glicerol. JUANCHOSAA@gmail.com

7 SAAVEDRA SAAVEDRA, Juan Miguel, "DETERMINATION OF THE QUALITY AND PERFORMANCE OF BIODIESEL OBTAINED FROM WASTE EDIBLE OIL" Bachelor Thesis submitted to take the degree of Chemical Engineer. Universidad Rafael Urdaneta. Faculty of Engineering. School of Chemistry, Maracaibo, Venezuela, Abstract Biodiesel is a liquid biofuel derived from natural fats and vegetable oils or animal fats through a reaction called transesterification of triglycerides in these compounds. This reaction is that the glycerin present in triglycerides from vegetable oils or animal fats, are displaced by a low molecular weight alcohol, which results in a mixture of esters, whose properties are similar to those of conventional diesel, from the oil, which it can be used as fuel. In the present investigation was put into practice the production of this biofuel from waste cooking oil using methanol, to know how they're performing and what is their quality, comparing the results with those given in ASTM standards biofuels. This work was descriptive, designed to be experimental, based on direct observation. To carry out this research, carried out the production of biodiesel, a laboratory scale, from waste cooking oil, methanol and catalyst, and subsequently evaluated their performance and quality of biodiesel obtained by comparing values obtained the most important properties with those described in the standard. It should be noted that the investigation was made on account of having more knowledge of the area due to the limited information we have on this subject. Biodiesel obtained in each trial fits within the parameters established by the ASTM D 6751, giving positive evidence of quality. Keywords: biodiesel, edible oil, waste, transesterification, methyl ester, glycerol. juanchosaa@gmail.com

8 Introducción Actualmente, la humanidad está en busca de nuevas alternativas de combustibles, para así sustituir el uso desenfrenado que se tiene sobre el uso de los llamados combustibles fósiles, entre ellos el petróleo, el carbón y el gas natural. Esta necesidad se deriva a que el uso de los llamados combustibles fósiles, conlleva a las emisiones de gases, especialmente dióxido de carbono, los cuales conllevan al calentamiento gradual de la atmosfera del planeta. Este calentamiento gradual del planeta conlleva a la presencia de cambios bruscos en el clima, e igualmente afecta a toda la fauna y flora presentes en el mundo. Se pueden presentar diferentes fenómenos climáticos como grandes tormentas, sequias, intensos huracanes, entre otras. Por eso los países del mundo, especialmente los más desarrollados, optaron por la necesidad de el desarrollo de combustibles alternos, los cuales impacten de menor o ninguna manera, a la atmosfera del planeta, y no conlleve al mayor calentamiento de el mismo. En este trabajo presentemos una de esas alternativas de combustible con el cual se puede disminuir el uso de combustibles fósiles en el mundo. El Biodiesel nace como una opción para el mundo de abastecerse de combustible no derivado del petróleo. Esta es una fuente de energía renovable, y seria la opción ideal para la sustitución del uso del llamado petrodiesel. El término biodiesel se refiere a los esteres metílicos obtenidos por transesterificación de aceites vegetales y de grasas animales. Se presentan los procedimientos de obtención y la utilización de biodiesel, principalmente en la combustión de motores diesel y calderas, y son varias sus ventajas medioambientales en comparación con el gasóleo convencional.

9 Como hemos mencionado, los combustibles fósiles tienen un efecto negativo sobre el medio ambiente, especialmente en las grandes ciudades, porque es responsable de emisiones de dióxido de azufre, emisiones de dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno; por este motivo se ha generado la necesidad de llevar a cabo actuaciones que contribuyan a conservar el medio ambiente. A pesar que se han venido desarrollando diversas formas de producir biodiesel, en nuestro país, la información y los conocimientos sobre este combustible alternativo es my limitada, debido al poco interés sobre el tema, al ser Venezuela un país con producción de petróleo y al ser los combustibles derivados de este, subsidiados por el estado. Sin embargo en otros países la producción de biodiesel se incrementó notablemente en los últimos años, debido a diversos factores como son el medio ambiente, los problemas del precio y de la no renovabilidad del petróleo, y como alternativa del desarrollo industrial, fuente de generación de riqueza y de mano de obra. El objetivo de este trabajo es aumentar el conocimiento sobre este combustible alternativo en nuestro país, debido a la poca información y conocimiento que se tiene, y quizás, tener más interés en otras opciones de uso de combustible que no sean los combustibles fósiles convencionales. En esta investigación se evaluará la calidad y el rendimiento del biodiesel obtenido a partir de los desechos de aceite comestible, al realizar una reacción de transesterificación utilizando metanol y un catalizador; expondremos las propiedades que este posea, y las compararemos con los estándares expuestos en la normas ASTM para biocombustibles.

10 Índice General Dedicatoria Agradecimiento Resumen Abstract Introducción Índice General Índice de Tablas Índice de Graficas y figuras Capítulo I Planteamiento del Problema Formulación del Problema Objetivos Objetivo General Objetivos Específicos Justificación del Problema Delimitación del Problema Espacial Temporal Capítulo II Antecedentes de la Investigación Bases Teóricas El Biodiesel Propiedades del Biodiesel Materia Prima del Biodiesel Aceite Vegetal Lípidos Ácidos Grasos Ácidos Grasos saturados

11 Ácidos Grasos insaturados Aceite Vegetal usado Alcohol Metanol Síntesis del Metanol Catalizador Características deseables del catalizador Proceso de Transesterificación Mecanismo Químico de la Transesterificación Calidad del Biodiesel Punto de Inflamación Densidad Viscosidad Cinemática Índice de cetanos Definición de términos básicos Cuadro de variables Capítulo III Tipo de investigación Diseño de la investigación Técnicas de recolección de datos Instrumentos de recolección de datos Fases de la investigación Fase 1, Identificar los estándares de la calidad del biodiesel Fase 2, Sintetizar biodiesel y glicerina a partir del aceite de fritura y metanol Fase 3, Determinar la calidad y el rendimiento del biodiesel obtenido Capítulo IV Análisis de resultados obtenidos por fases de investigación.56

12 Fase 1, Identificar los estándares de la calidad del biodiesel Fase 2, Sintetizar biodiesel y glicerina a partir del aceite de fritura y metanol Fase 3, Determinar la calidad y el rendimiento del biodiesel obtenido Conclusiones Recomendaciones Bibliografía.67 Anexos...70

13 Índice de Tablas Tabla 1. Especificación del biodiesel según las normas y reglamentos Tabla 2. Cuadro de Variables Tabla 3. Datos para el cálculo de catalizador Tabla 4. Cuadro para la recolección de datos preliminares Tabla 5. Datos obtenidos luego del proceso de lavado Tabla 6. Datos para el cálculo de densidad Tabla 7. Datos obtenidos durante el cálculo de viscosidad Tabla 8. Datos obtenidos durante la determinación del punto de inflamación Tabla 9. Valores para la curva de destilación del biodiesel Tabla 10. Propiedades del biodiesel obtenido Tabla 11. Datos para el cálculo de catalizador Tabla 12. Cuadro para la recolección de datos preliminares Tabla 13. Datos obtenidos luego del proceso de lavado Tabla 14. Datos para el cálculo de densidad Tabla 15. Datos obtenidos durante el cálculo de viscosidad Tabla 16. Datos obtenidos durante la determinación del punto de inflamación..61 Tabla 17. Valores para la curva de destilación del biodiesel Tabla 18. Propiedades del biodiesel obtenido

14 Índice de Graficas y Figuras. Figura 1. Ciclo del Biodiesel Figura 2. Transesterificación de un triglicérido Grafica 1. Curva de destilación del Biodiesel Figura 3. Filtrado de la muestra Figura 4. Eliminación del agua de la muestra Figura 5. Preparación de el Metoxido de Sodio Figura 6. Agregando el Metoxido a la muestra Figura 7. Reacción de Transesterificación Figura 8. Muestras de Biodiesel y glicerol separadas Figura 9. Lavado del biodiesel obtenido Figura 10. Destilación del Biodiesel Figura 11. Vaso abierto de Cleveland Figura 12. Valoración con hidróxido de sodio

15 Capítulo I Planteamiento del problema. Actualmente la utilización de biocombustibles ha tenido un crecimiento a nivel mundial, debido a la necesidad de alternativas de combustibles que causen menos daños al medio ambiente y reemplacen o disminuyan el uso de combustibles fósiles. El biodiesel se puede producir a partir de grasas y aceites a través de un proceso de transesterificación, que consiste en hacer reaccionar un aceite con un alcohol, posteriormente eliminar la glicerina, que es un subproducto de la reacción y luego obtener el biocombustibles. Los aceites son líquidos grasos de orígenes diversos que no son solubles en agua. Los aceites comestibles provienen tanto del reino animal como del reino vegetal y además poseen menor densidad que el agua. Esta propiedad permite esparcirse con facilidad sobre el agua y tiende a formar grandes membranas finas que dificultan la oxigenación de la misma llegando a contaminarla. Además, la eliminación de los desechos de aceites por tubería puede causar obstrucción de la misma debido a la solidificación en las paredes del tubo. La mayoría de las personas tienden a arrojar los residuos de aceites por los desagües y fregaderos de los hogares, sin tener el conocimiento de que puede ser reciclado para darle otros usos. Uno de los posibles usos del aceite comestible desechado después de su uso en frituras, es transformarlo en biodiesel, pero existe poca información y estudios al respecto.

16 Formulación del problema. Cuál será el rendimiento y calidad del biodiesel obtenido a partir de los desechos de aceite comestible utilizado en frituras? Objetivos Objetivo General. Determinar la calidad y rendimiento del biodiesel a partir de los desechos de aceite comestible Objetivos Específicos. Identificar los estándares de calidad del biodiesel. Sintetizar biodiesel y glicerina a partir del aceite de fritura y metanol. Determinar la calidad y el rendimiento del biodiesel obtenido Justificación de la investigación. Actualmente es necesario la realización de nuevas investigaciones que permitan expandir el conocimiento sobre esta área, ya que, en el caso de nuestro país, Venezuela, por ser un país petrolero no le han dado mayor importancia al uso de los biocombustibles, que en un futuro podrían sustituir la escasez petrolera, ya que el petróleo es una materia prima que no se obtiene en todos los países, por lo tanto, se podría aprovechar esta ventaja para realizar negocios de exportación de biodiesel. La importancia que tiene usar los residuos de aceite comestible para la obtención del biodiesel, es que permitiría darle uso a un desecho que podría contaminar el agua. Además, por ser de fácil obtención, puede ser el reciclado

17 17 para luego venderlo a las industrias productoras de biodiesel generando un negocio para las industrias. Con esta investigación se podrán realizar comparaciones entre los resultados de calidad y eficiencia del biodiesel obtenido con los residuos de aceite comestible y los obtenidos de diferentes orígenes, que permitirían aportar nuevos criterios a las investigaciones futuras y abrir las puertas a nuevas investigaciones sobre el tema Delimitación de la investigación Espacial. El trabajo de investigación se realizara en Venezuela, estado Zulia, en la ciudad de Maracaibo, en las instalaciones del laboratorio de química de la Universidad Rafael Urdaneta, el cual cuenta con la infraestructura, materiales, equipos y suministros necesarios para llevar a cabo la investigación Temporal. El trabajo de investigación se llevara a cabo entre los meses de mayo y diciembre de 2010.

18 Capítulo II Antecedentes de la investigación. - Romano (2005). Obtención y caracterización del Biodiesel en planta piloto. Universidad de Bogotá, Facultad de Ingeniería. Bogotá, Colombia. Este proyecto se caracterizo por la obtención del Biodiesel en escala de planta piloto, adaptando las técnicas usadas en escala laboratorio para controlar la calidad del producto, caracterizando y detectando contaminantes. Incorporando enzimas inmovilizadas (lipasas) al proceso de producción de Biodiesel y comparando con el proceso convencional. Caracterizando así el producto bajo las normas ASTM. Los autores del Marco Teórico fueron: González (2004), que tomo el tema del método de transesterificación como obtención de banco de datos. Acebedo (2003) poniendo énfasis en la elaboración de planta piloto para el procesamiento de aceites renovables como ingrediente principal característico del Biodiesel. Álvarez (2000), ubicando la teoría sobre la variación de la densidad al someter al aceite a altas temperaturas. En el proceso experimental, se caracterizaron ciertos aspectos tomados en cuenta para la obtención del Biodiesel mediante el uso de metodología de ensayo y error, para obtener un producto más puro y menos contaminante para ser analizado mediante un severo control de calidad. Obteniendo como resultado un producto eficiente, debido a que fue probado en reactores, confirmando así que es una energía renovable.

19 19 Esta investigación es de suma importancia con referencia a la nuestra, debido a evidencia que se puede obtener biodiesel, mediante la reacción de transesterificación, detallando como se realiza el proceso. - Orellana y (2007), Evaluación de calidad de biodiesel elaborado con palma africana (Elaeis guineensis) y etanol. Escuela Agrícola Panamericana. Tegucigalpa, Honduras. El propósito de este estudio fue establecer un protocolo para el análisis de calidad en el biodiesel. Las especificaciones de calidad para cada una de las propiedades se basaron en la norma D6751 de la ASTM. El estudio se llevo a cabo en el Laboratorio de Análisis de Alimentos de Zamorano, donde se trabajo con equipo y métodos validados por la AOAC. Las propiedades evaluadas fueron: agua libre (%), viscosidad cinemática (mm2/s), punto de enturbiamiento (oc), poder calorífico (KJ/Kg), residuos de etanol, metanol y glicerina libre (%), para lo que se establecieron métodos analíticos utilizando el horno al vacio, el viscometro, un enfriador, el calorímetro adiabático y cromatografía de gases respectivamente. Se utilizo un diseño completamente al azar, evaluando cuatro tratamientos de biodiesel de palma africana: tres concentraciones con etanol (6:1, 9:1 y 12:1 respectivamente) y el control con metanol (6:1). Los resultados se evaluaron mediante un ANDEVA y una separación de medias Tukey. Los métodos analíticos establecidos resultaron ser precisos en determinar las propiedades del biodiesel, presentando un coeficiente de variación menor a 10%. A medida la concentración de etanol aumentaba, el contenido de agua libre aumento y la glicerina libre disminuyo. El resto de las propiedades no presentaron cambios significativos entre tratamientos. El biodiesel de palma africana cumplió con las especificaciones de calidad en contenido de residuos de alcohol, poder calorífico y el punto de enturbiamiento; por lo que se recomienda utilizarlo en temperaturas de regiones tropicales, mayores a 15 C.

20 20 Este trabajo sirve como antecesor del proyecto actual, ya que el método utilizado para el cálculo de la calidad del biodiesel será el mismo que se utilizara en el presente trabajo de investigación. - Fonseca y Martínez (2009), Producción de biodiesel usando aceite vegetal de desecho y etanol. Trabajo especial de grado. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Maracaibo, estado Zulia. En este trabajo se produjo el biodiesel mediante la transesterificación de triglicéridos, presentes en el aceite vegetal de desecho y en el alcohol, donde un alcohol de bajo peso molecular desplaza a la glicerina existente en el aceite vegetal. La mezcla de esteres resultante posee unas propiedades fisicoquímicas similares a las del diesel procedente del petróleo, el cual es utilizado como combustible para grandes maquinarias. La investigación se llevo a escala de laboratorio, analizando el resultado obtenido según las normas de análisis más importantes para biocombustibles como la viscosidad, densidad, índice de cetanos, punto de inflamación y punto de nube. Concluyendo que el biodiesel se puede sustituir por el diesel de manera eficiente, sin hacer modificaciones al motor, ya que sus propiedades fisicoquímicas son altamente semejantes. Este trabajo sirve como antecesor del proyecto actual, ya que se utilizara el mismo proceso de transesterificación para cumplir con el primer objetivo especifico de este trabajo de investigación Bases Teóricas El Biodiesel. No existe una definición común acerca del biodiesel, el cual se basa en aceites vegetales o grasas animales y sus respectivos esteres metílicos. Pero la ASTM (American Society for Testing and Materials) menciona como biodiesel

21 21 al ester mono alquílico de cadena larga de ácidos grasos derivados de recursos renovables, como por ejemplo aceites vegetales o grasas animales para utilizarlos en motores Diesel. Knudsen (2001). El biodiesel está constituido por esteres mono alquílicos de ácidos grasos de cadena larga, obtenidos mediante la reacción entre un aceite vegetal u otro cuerpo graso y un alcohol en presencia de un catalizador. Lamoureux (2007). Aceite vegetal + Alcohol + Catalizador Biodiesel + Glicerol Esta reacción produce los ácidos grasos del biodiesel y un subproducto que se debe eliminar, la glicerina. De cada molécula de metanol (o etanol) se reemplaza un elemento hidrogeno por un grupo radical, constituyendo la molécula metil ester. Lamoureux (2007). Figura 1. Ciclo del Biodiesel. Lamoureux (2007)

22 22 Propiedades del Biodiesel: Los componentes básicos de los aceites y grasas son los triglicéridos, los cuales provienen tanto de ácidos grasos saturados como insaturados. Dependiendo de estas y otras características del origen de los triglicéridos se obtendrá un biodiesel con unas cualidades u otras. Ciria (2003). El biodiesel se describe químicamente como compuestos orgánicos de esteres de ácidos grasos de cadena larga y corta, que entres sus componentes y propiedades contienen 11% Oxigeno en peso y no contiene azufre, reduciendo proporciones significativas en la emanación de partículas, monóxido de carbono y dióxido de azufre. Lapuerta, Hernández, Armas y Ballesteros (2002). Materias primas del Biodiesel. El biodiesel se puede hacer a partir de una gran variedad de materia base, entre otros aceites extraídos de soya, maíz, colza o palma por ejemplo, aceite usado en cocina o grasa animal. Se estima generalmente que esta materia base representa un 80% del precio final del combustible, y puede aumentar esta proporción si es necesario un tratamiento preliminar de eliminación de los contaminantes. Para lograr una total eficiencia del proceso químico, el aceite debe estar libre de ácidos grasos libres, agua, fosforo y sulfuro. Lamoureux (2007). La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, ya que es una especie con alto contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos. Sin embargo existen otras variedades con mayor rendimiento por hectárea, tales como la palma. También se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de frituras), en cuyo caso la materia prima es muy barata y, además, se reciclan lo que en otro caso serian residuos. Además, existen otras materias primas en las cuales se pueden extraer aceite para utilizarlas en el proceso de producción de biodiesel. Ejemplo

23 23 aceite de girasol, de coco, soja, colza, grasas animales, aceites de fritura, algas entre otros. Lapuerta, Hernández, Armas y Ballesteros (2002) Aceite vegetal. Con respecto a las materias primas oleaginosas utilizadas en el mundo para elaborar biodiesel destacan: aceites de semillas convencionales como girasol (Helianthus annus), colza (Brassica napus), soja (Glycine max), coco (Cocus nucifera) y palma africana (Elaeis guineensis). También se han utilizado semillas de aceites alternativos como el proveniente de plantas como la Jatropha curcas, al igual que los aceites derivados de Pogianus, Grambe abyssinica, Camelina sativa, Cynara curdunculus y Brassica carinata. Además, han sido empleadas otras fuentes de aceite como las semillas genéticamente modificadas, materiales como el sebo proveniente de la grasa de animales, aceites provenientes de producción microbiana o micro algas y aceite usado (frituras). Crespo (2001). La decisión de cual aceite o grasa utilizar en producir biodiesel es una decisión de proceso químico y una decisión económica. Materias primas convenientes para un proceso base-catalizador requiere AGL (ácidos grasos libres) < 1% y preferiblemente < 0,05%. La materia prima también debe ser secada, preferiblemente < 0,5% de humedad. Maziero (2006). Lípidos: Los lípidos son moléculas orgánicas, la mayoría biomoleculas, compuestas principalmente por carbono e hidrogeno y en menor medida oxigeno, aunque también pueden contener fosforo, azufre y nitrógeno, que tienen como característica principal el ser hidrofobicas o insolubles en agua y si en disolventes orgánicos como la bencina, el alcohol, el benceno y el cloroformo.

24 24 En el uso coloquial, a los lípidos se les llama incorrectamente grasas, aunque las grasas son solo un tipo de lípidos procedentes de animales. Los lípidos cumplen funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de reserva energética (triglicéridos), la estructural (fosfolipidos de las bicapas) y la reguladora (esteroides). Ácidos Grasos: Son las unidades básicas de los lípidos saponificables, y consisten en moléculas formadas por una larga cadena hidrocarbonada con un número par de átomos de carbono (12-22) y un grupo carboxilo terminal. La presencia de dobles enlaces en el acido graso reduce el punto de fusión. Los ácidos grasos se dividen en saturados e insaturados. Ácidos Grasos Saturados: Sin dobles enlaces entre átomos de carbono; por ejemplo, acido laurico, acido miristico, acido palmítico y otros. Ácidos Grasos Insaturados: Los ácidos grasos insaturados se caracterizan por poseer dobles enlaces en su configuración molecular. Estas son fácilmente identificables, ya que estos dobles enlaces hacen que su punto de fusión sea menor que en el resto. Se presentan ante nosotros como líquidos, como aquellos que llamamos aceites. Este tipo de alimentos disminuyen el colesterol en sangre y también son llamados ácidos grasos esenciales. Los animales no somos capaces de sintetizarlos, pero los necesitamos para desarrollar ciertas funciones fisiológicas, por lo que debemos aportarlos en la dieta. La mejor forma y la más sencilla para poder enriquecer nuestra dieta con estos alimentos, es aumentar su ingestión, es decir, aumentar su

25 25 proporción respecto los alimentos consumimos de forma habitual. Almedia (1966) Aceite comestible usado. El aceite comestible usado es aceite residual, procedente de la producción de la fritura de alimentos. Este aceite ha perdido sus propiedades originales una vez termo-oxidados y deben ser tratados correctamente. Estos aceites suelen contener restos de alimentos y agua que se desprende de la preparación de los alimentos. Estos aceites adquieren mayor graduación según se utilicen más y es posible que adquieran dioxinas por las cenizas de la incineración. Fonseca y Martínez (2009). El aceite residual de cocina es uno de los grandes responsables de la contaminación del agua. Los aceites comestibles provenientes de materias primas como girasol, soja, maíz o palma, forman en la superficie del agua una película difícil de eliminar que afecta su capacidad de intercambio de oxigeno y altera el ecosistema. Avellaneda (2010). Los aceites residuales de cocina usados son principalmente obtenidos de la industria de restaurantes o reciclados en sitios especiales. Puede no tener ningún costo o un 60% menos que los aceites refinados dependiendo de la fuente y la disponibilidad. Los aceites usados presentan un gran nivel de reutilización, y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como biocombustible. Sin embargo, estos aceites tienen propiedades tanto del aceite crudo como del refinado. El calor y el agua aceleran la hidrólisis de los triglicéridos y aumenta el contenido de ácidos grasos libres en el aceite. El material insaponificable, la viscosidad y la densidad aumentan considerablemente debido a la formación de dímeros y polímeros, pero el índice de yodo y la masa molecular disminuyen. Avellaneda (2010).

26 26 Por estas razones, la utilización de aceites usados presenta dificultades logísticas y técnicas, no solo por su recogida, sino también por su control y trazabilidad debido a su carácter de residuo. Otros problemas encontrados al utilizar aceites reciclados para producir biodiesel tiene que ver con los altos contenidos de material insaponificable, cantidad de agua y el alto contenido de ácidos grasos libres, por lo cual requiere de varios procesos para acondicionar el aceite para la transesterificación. Avellaneda (2010). A pesar de estos problemas los aceites reciclados son considerados como una de las alternativas con mejores perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más barata y con su utilización se evitarían los costos de tratamiento como residuo. Por estos motivos, una gran variedad de investigadores han trabajado con diferentes aceites de fritura reciclados desde hace mas de 26 anos. Avellaneda (2010) Alcohol Los alcoholes cumplen la función de reemplazar a la glicerina durante el proceso de transesterificación. Se puede utilizar tanto el etanol como el metanol. El etanol es elaborado a partir de granos mientras que el metanol se obtiene del carbón, gas natural o madera. Es recomendable utilizar metanol porque produce una reacción de biodiesel más estable. Hay que tener mucho cuidado al momento de manipular este alcohol puesto que si es ingerido puede sr fatal para la salud. Tickell (2000). Metanol. La estructura química del metanol es muy similar a la del agua, con la diferencia de que el ángulo del enlace C-O-H en el metanol (108,9) es un poco mayor que en el agua (104,5), porque el grupo metilo es mucho mayor que un átomo de hidrogeno. También es conocido como alcohol metílico o alcohol de madera. Su fórmula química es CH 3 OH. González (2009).

27 27 En condiciones normales es un liquido incoloro, de escasa viscosidad y de olor y sabor frutal penetrante, miscible en agua y con la mayoría de los solventes orgánicos, muy toxico e inflamable. El olor es detectable a partir de los 2 ppm. Es considerado como un producto petroquímico básico, a partir del cual se obtienen varios productos secundarios. González (2009). El metanol tiene varios usos. Es un disolvente industrial y se emplea como materia prima en la fabricación de formaldehido. El metanol también se emplea como anticongelante en vehículos, combustible de bombonas de camping-gas, disolvente de tintas, tintes, resinas y adhesivos. El metanol puede ser también añadido al etanol para hacer que éste no sea apto para el consumo humano (el metanol es altamente tóxico). Rodríguez y Uribe (2004). Síntesis del Metanol Originariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de madera. Esta materia prima condujo a su nombre de alcohol de madera. Este proceso consiste en destilar la madera en ausencia de aire a unos 400 C formándose gases combustibles (CO, C 2 H 4, H 2 ), empleados en el calentamiento de las retortas; un destilado acuoso que se conoce como ácido piroleñoso y que contiene un 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol y un 0.5% de acetona; un alquitrán de madera, base para la preparación de antisépticos y desinfectantes; y carbón vegetal que queda como residuo en las retortas. Rodríguez y Uribe (2004). Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados. Rodríguez y Uribe (2004).

28 28 La reacción se produce a una temperatura de C y a una presión de atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr 2 O 3. Rodríguez y Uribe (2004). El gas de síntesis (CO + H 2 ) se puede obtener de distintas formas. Los distintos procesos productivos se diferencian entre sí precisamente por este hecho. Actualmente el proceso más ampliamente usado para la obtención del gas de síntesis es a partir de la combustión parcial del gas natural en presencia de vapor de agua. Rodríguez y Uribe (2004). O se puede obtener por: En el caso de que la materia prima sea el carbón, el gas de síntesis se puede obtener directamente bajo tierra. Se fracturan los pozos de carbón mediante explosivos, se encienden y se fuerzan aire comprimido y agua. El carbón encendido genera calor y el carbono necesarios, y se produce gas de síntesis. Este proceso se conoce como proceso in situ. Este método no tiene una aplicación industrial difundida. Rodríguez y Uribe (2004) Catalizador. Un catalizador es una substancia que inicia una reacción entre otras substancias. Los posibles catalizadores para la reacción de biodiesel son hidróxido de sodio (NaOH) e hidróxido de potasio (KOH). El hidróxido de sodio es una substancia de color blanco comúnmente llamada soda caustica o lejía

29 29 mientras que el hidróxido de potasio puede ser usado si no se dispone de hidróxido de sodio. Ambos vienen en gránulos o en forma peletizada a nivel comercial. Su nivel de peligrosidad es alto y son considerados químicos peligrosos y deben ser manejados con extrema precaución puesto que pueden dañar la piel, ojos o pulmones. Tickell (2000). Características deseables del catalizador: Un buen catalizador debe reunir varias propiedades para ser de interés en un proceso químico. Las más importantes son: actividad, selectividad y estabilidad. 1. Actividad catalítica: Se refiere a la velocidad con la cual se induce a la reacción a seguir hacia el equilibrio químico y puede definirse como la propiedad de aumentar la velocidad de la reacción con respecto a la manifestada sin catalizador, en las mismas condiciones de temperatura, presión, concentración, etc. La actividad puede incrementarse usualmente elevando la temperatura, aunque de esta manera se puede acortar la vida del catalizador o incrementar reacciones indeseables. 2. Selectividad de un catalizador: La selectividad es una medida de la extensión a la cual el catalizador acelera una reacción específica para formar uno o mas de los productos deseados. Varía usualmente con la presión, temperatura, composición de los reactantes, extensión de la conversión y naturaleza del catalizador, y por lo cual se debe hablar de la selectividad de una reacción catalizada bajo condiciones especificas. La selectividad se define como el porcentaje de reactante consumido que forma los productos deseados. 3. Estabilidad: La estabilidad es la capacidad de un catalizador de mantener sus propiedades, en especial la actividad y la selectividad durante un tiempo de uso suficiente para aplicarlo industrialmente. En general, el catalizador pierde eficacia con el tiempo debido a cambios físicos o químicos ocurridos durante la reacción. La estabilidad puede expresarse también como el tiempo de vida útil del catalizador. Un buen

30 30 catalizador debe mantenerse inalterable por un largo tiempo de funcionamiento. Benjumea, Agudelo y Ríos (2009). La reacción requiere la presencia de un catalizador adecuado, que puede ser homogéneo o heterogéneo. Aunque los catalizadores tradicionalmente utilizados en la alcoholisis de grasas y aceites han sido homogéneos (especialmente de carácter básico). Ávila (2006). Los catalizadores homogéneos pueden ser básicos o ácidos. La catálisis homogénea básica es mucho más rápida que la acida y requiere condiciones más moderadas de presión y temperatura. Sin embargo, presentan el problema de la formación de jabones por neutralización de los ácidos grasos libres presentes en el aceite, especialmente cuando se usa el hidróxido potásico o el sódico. Ávila (2006). Esta neutralización se puede evitar utilizando ácidos grasos de bajo índice de acidez, no obstante los aceites más rentables económicamente presentan cierto contenido de ácidos grasos, como los aceites y grasas usadas. La catálisis homogénea acida es más lenta y requiere condiciones menos moderadas que usando catalizadores básicos, pero la principal ventaja es que los ácidos grasos libres no forman jabones sino que esterifican directamente a esteres etílicos por lo que es muy ventajosa para aceites de alto índice de acidez. Los catalizadores homogéneos básicos son sales fuertes, comúnmente hidróxidos sódicos y potásicos, con los alcóxidos correspondientes, metóxidos, etóxidos, propóxidos, y butóxidos sódicos y potásicos. Además de estos los carbonatos, amidas e hidruros sódicos y potásicos también pueden ser utilizados. Como catalizadores ácidos suelen emplearse ácidos fuertes como el acido sulfúrico, clorhídrico, fosfórico y sinfónico. Ávila (2006) Proceso de Transesterificación.

31 31 La reacción química que mejores resultados ha demostrado tener para obtener biodiesel es la transesterificacion. Esta consiste en la reacción entre un triglicérido (compuesto por una molécula de glicerol esterificada por tres moléculas de ácidos grasos), contenido en el aceite vegetal o grasa animal y un alcohol ligero (metanol o etanol), obteniéndose como productos glicerina y esteres derivados de los tres ácidos grasos de partida, es decir, biodiesel. En general se suele usar metanol como alcohol de sustitución, en cuyo caso el biodiesel estará compuesto por esteres metílicos. León (2009). El glicerol contenido en los aceites es sustituido por un alcohol ante la presencia de un catalizador. Se puede usar por ejemplo Metanol y NaOH (soda cáustica) o KOH (hidróxido de potasio). Este es sólo un método posible para la elaboración de biodiesel, pero existen otras formas y trucos para preparar biodiesel de buena calidad. Smith (2007). El contenido máximo de ácidos grasos libres aceptable con el proceso de transesterificacion es de 2%, lo mejor siendo inferior a 1%. La catálisis básica es relativamente rápida porque el tiempo de residencia suele ser de 5 minutos a 1 hora, según la temperatura, la concentración, la mezcla y el ratio entre el alcohol y triglicérido. Los catalizadores que se ocupan usualmente son el hidróxido de sodio NaOH, el hidróxido de potasio KOH y el metoxido de sodio (obtenido por mezcla del metanol con NaOH). Lamoureux (2007). Mecanismo químico de la transesterificación. En la figura 2 se explica químicamente el proceso de transformación de una de las tres cadenas acidas de un triglicérido, el componente principal del aceite vegetal, en un metil ester (biodiesel). En el primer paso de la reacción, el metanol (CH3OH) reacciona con el catalizador básico (denominado X). R1 es el grupo alquilo que forma parte de la cadena del acido graso del triglicérido. En el segundo paso el radical cargado negativamente (CH3O - ) reacciona con el doble enlace del grupo carbonilo del triglicérido. En el paso tres se forma una molécula del ester alquílico

32 32 (R1COO CH3), en nuestro caso especifico se trata del metil ester. En el último paso se regenera el catalizador formándose un di glicérido. Los pasos del uno al cuatro se repiten hasta la desaparición del triglicérido con la formación del mono alquil ester y glicerina como productos finales. Lamoureux (2007). Figura 2. Transesterificación de un triglicérido. Lamoureux (2007). La mezcla de esteres grasos producidos en esta reacción se conoce como biodiesel. Las propiedades del biodiesel son determinadas por la cantidad de cada acido graso que se encuentra en la grasa o aceite que son la materia prima para producir los esteres. NREL (2004)

33 33 De modo general, parámetros de calidad como el número de cetano, el calor de combustión, el punto de fusión y la viscosidad aumentan con el tamaño de la cadena carbónica y disminuyen con el aumento de la instauración. Por lo tanto es importante tomar en cuenta el criterio de saturación al momento de evaluar las materias primas que serán empleadas para producir biodiesel. Por ejemplo, el biodiesel producido de aceites con ácidos saturados como el aceite de coco o de palma africana presentara el mayor numero de cetano y mayor estabilidad en anaquel pero tendrán problemas de desempeño a temperaturas muy bajas. Por otro lado el biodiesel obtenido de aceites con una proporción alta de ácidos grasos poli-insaturados presentara un bajo número de cetano y baja estabilidad pero contaran con un punto de fusión bajo por lo que podrán ser utilizados en climas templados. CEPAL (2007) Calidad del Biodiesel. El Ester producido durante la reacción tiene que cumplir varios criterios de calidad para cumplir con especificación descrita por la norma de biodiesel y ser vendido como tal y mezclado con petróleo diesel. Lamoureux (2007). La calidad del biodiesel ha de ser controlada con mucho rigor, ya que la presencia de determinados contaminantes puede provocar diversos problemas en lo que respecta tanto a su obtención como a su uso como combustible en los motores diesel. Así, la glicerina en exceso presente en el mismo puede causar problemas durante el almacenamiento o en el sistema de alimentación, pudiendo conducir a ensuciar inyectores o a la formación de mayores emisiones de aldehídos, así como la corrosión del sistema de inyección. Por estos motivos, la normativa europea sobre biodiesel EN y la norma americana ASTM D6751 ha establecido unos valores máximos para limitar la presencia de determinados contaminantes, entre los que se encuentra la glicerina. Dorado y Font (2004).

34 34 También se tomaron como referencia algunas normas y reglamentos algunos de países latinoamericanos para comparar el biodiesel obtenido en el trabajo con los estándares de los diversos países. Entre esos reglamentos se encuentran la resolución 271/2006 de la secretaria de energía de la Republica de Argentina, y la resolución colombiana N 1180 de la Republica de Colombia. Tabla 1. Especificación del biodiesel según las normas y reglamentos. Parámetro Unidad A.S.T.M D Especificaciones Secretaria de Energía de la R. de Argentina Resolución Colombiana Densidad a 15 C g/cm 3 0,85 0,90 0, 875-0,90 0,86-0,90 Viscosidad cinemática a 40 C cst 1,90 6,00 3,50-5,00 1,90-5,00 Punto de Inflamación C Mín. 130 Mín. 100 Mín. 120 Índice de cetanos ---- Mín. 47 Mín. 45 Mín. 45 Punto de Inflamación: Mide la tendencia del combustible de formar mezclas inflamables con el aire. Se usa para evaluar el riesgo de inflamación de biocombustibles, se establece un mínimo para seguridad contra incendios. En el biodiesel este límite se utiliza para garantizar que se haya removido todo el alcohol. El exceso de alcohol puede afectar las bombas de combustible, sellos y empaquetaduras, lo cual lleva a una mala combustión. ASTM (2008). Densidad: La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez del biodiesel recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá. ASTM (2008).

35 35 Viscosidad cinemática: La viscosidad cinemática es la resistencia al flujo de un fluido bajo gravedad. Por lo tanto, la viscosidad cinemática está relacionada con la viscosidad dinámica por la densidad. La norma ASTM D445 es la norma estándar para determinar la viscosidad cinemática de líquidos. NBB (2002). Si la viscosidad del biodiesel es alta, la bomba de inyección no será capaz de proveer suficiente combustible para llenar la cámara de bombeo, produciendo nuevamente la perdida de energía. En el caso de viscosidad excesiva como la de aceites vegetales que no han sido transesterificados, habrá una degradación del spray en el cilindro causando una pobre atomización y la producción de humo negro. Índice de Cetanos: Mide la ignición del combustible, un alto número de Cetanos indica un menor retraso en la ignición, ayuda a un mejor arranque del motor y minimiza la emisión de humo. ASTM (2008) Definición de términos básicos: Aceite: (del árabe az-zait, el jugo de la aceituna, y este del arameo zayta) es un término genérico para designar numerosos líquidos grasos de orígenes diversos que no se disuelven en el agua y que tienen menos densidad que esta. Morillo (2005). Biodiesel: Es un biocombustible sintético liquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, nuevos o usados, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiesel o gasóleo obtenido del petróleo.