cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Coordinación de Mecatrónica TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

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1 cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Coordinación de Mecatrónica TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS Diseño, Construcción y Pruebas de un Prototipo para la Producción de Biodiesel a Partir de Aceites Provenientes de Recursos Renovables presentada por Felipe de Jesús Torres del Carmen Ing. en Electromecánica por el I. T. de Acapulco como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramírez Co-Director de tesis: Dr. Guadalupe López López Jurado: Dr. Sara Lilia Moya Acosta Presidente Dr. Rigoberto Longoria Ramírez Secretario Dr. María del Refugio Trejo Hernández Vocal Dr. Víctor Manuel Alvarado Martínez Vocal Suplente Cuernavaca, Morelos, México. 29 de Enero de 2008

2 Dedicatoria Con este trabajo de tesis se ve cumplido un objetivo muy importante en mi vida personal, realizar un estudio de maestría en ciencias. Deseo ofrecer el resultado de este esfuerzo al único que es digno de recibir todo el honor y gloria, a Dios, mi Señor Jesús. Hago una dedicación especial a mis padres y hermanos, mi familia en el presente; a mi novia y amor de mi vida, mi familia en un futuro. Terminar una obra vale más que comenzarla: lo que cuenta es la perseverancia, y no la pretensión Ec 8:8 i

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4 Agradecimientos Doy Gracias, a Dios, mi Señor Jesús, por estar siempre conmigo en todo momento, gracias por la vida que me das, gracias por brindarme tu amor y sabiduría, gracias a ti Jesús. Agradezco el apoyo, amor y comprensión de mis padres Carlos y Clara, el cariño de mis hermanos Andrés y Maricarmen. Gracias Silvia por ser la persona que durante este tiempo me has dado fuerza, confianza, amor y felicidad. Un agradecimiento para mis compañeros y amigos: Daniel, Fabio, Iván, Ernesto, Ángel, José Beltrán, Orlando, Marco, Alberto, Crisanty y Burelo; con quienes compartí circunstancias imborrables en el transcurso de la maestría. Gracias a mi asesor el Dr. Rigoberto Longoria, por su entusiasmo y compromiso con el trabajo de tesis. Gracias a Anita, Lic. Guadalupe y Lic. Maquinay, así como a todo el personal que labora en el cenidet, docente y administrativo. Gracias también, a las instituciones CONACYT y DGEST por el apoyo económico en el transcurso de la maestría. Confía en el Señor, con todo el corazón, y no te fíes de tu propia sabiduría. En cualquiera cosa que hagas, tenlo presente: él aplanará tus caminos Pro 3:5,6 iii

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6 Resumen En este trabajo de investigación se planeó conjuntar, bajo el concepto mecatrónico, aspectos químicos, mecánicos, electrónicos y de computación para producir biodiesel a escala piloto, utilizando como materia prima aceites de origen vegetal en un proceso automatizado. La utilización de aceites de origen vegetal se escogió, principalmente, para ofrecer una alternativa más en el aprovechamiento de la copra en regiones con alto potencial para el cultivo de la palma de coco, tomando en consideración que este cultivo se ha visto disminuido a consecuencia del ingreso al país, en los últimos quince años, de aceites de origen vegetal como la canola y el de soya. En particular, el estado de Guerrero podría volver a ocupar su lugar como primer productor de copra en el país y consecuentemente en la producción de biodiesel a partir de este producto agrícola, beneficiando económicamente a una gran proporción de su población. El proceso químico de transesterificación para la producción de biodiesel fue investigado a nivel laboratorio y de planta piloto, tomando en cuenta las condiciones de temperatura, concentración de reactivos, velocidades de agitación y tiempos de separación; variables que influyen directamente en el rendimiento o el grado de conversión de los triglicéridos. Se llevaron a cabo experimentos con diferentes aceites de origen vegetal puros como el de coco, de soya, higuerilla y de cocina, encontrándose una temperatura de 65 C como la más recomendable para el proceso que se efectúe a presión atmosférica. Los materiales de construcción de los componentes del prototipo fueron seleccionados considerando las propiedades químicas de los reactivos y sus costos. Dispositivos electrónicos, como el microcontrolador e instrumentación utilizada para sensar cada una de las variables a controlar, se eligieron contemplando las características técnicas que permitieron la automatización del proceso en el prototipo. La incorporación de circuitos electrónicos adecuaron las señales eléctricas para manipular elementos como válvulas solenoide, motor del agitador y resistencias de calentamiento. Otro aspecto importante en este trabajo fue la programación del microcontrolador, lo cual permitió llevar a cabo en el prototipo, de forma automática, las diferentes etapas que intervienen en el proceso, como las de medición de volúmenes de reactivos, temperaturas de calentamiento, tiempo de reacción, tiempo de separación de los productos de la reacción (biodiesel y glicerina) y decantación de la glicerina. v

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8 Abstract Within this research work was planned to put together, under a mechatronic concept, chemical, mechanical, electronic and programming aspects in order to produce biodiesel at pilot scale using, as raw material, vegetable oils and an automatic process. The utilization of vegetable oils was mainly chosen to offer one more alternative for the copra uses in regions with a high potential for coconut palm cultivation, considering that its cultivation has been diminished in the country as a consequence of the importation of vegetable oils of canola and soybean during the last fifteen years. Particularly, the Guerrero state could recover its prominent position as the first producer of copra in Mexico and, consequently, the first producer of biodiesel, having as a result the economic benefit for its population. The chemical process of transesterification for the biodiesel production was investigated at laboratory and in the pilot plant, considering temperature conditions, reagents concentration, mixing intensity and separation times. These variables have a direct influence in the reaction conversion grade of the triglycerides and in its yield. The experiments were carried out using different kinds of vegetable oils like coconut, soybean, castor oil bean and kitchen oil, being a temperature of 65 C the most recommended when the process is at atmospheric pressure. The prototype materials of its components were selected considering the chemical properties of the reagents and their cost. Electronic devices as the microcontroller and the measurement and control instruments of the different variables were chosen contemplating the technical characteristics that allowed the automation of the process. The incorporation of electronic circuits adapted the electric signs to manipulate mechanical elements like solenoid valves, motor agitator and heating resistances. Another important aspect in this project was the microcontroller programming, which allowed in an automatic way to carry out all different stages that intervene in the process like: reagents volume calculation, heating temperatures, reaction time, separation time and the glycerin decantation. vii

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10 Contenido Lista de figuras...xii Lista de tablas... xiii Nomenclatura...xiv Letras minúsculas...xiv Letras mayúsculas...xiv Letras griegas... xv Símbolos... xv Abreviaturas...xvi CAPÍTULO 1 Antecedentes Marco Teórico Orígenes del biodiesel Obtención de biodiesel Aceites y grasas Transesterificación Mecanismo de la reacción de transesterificación Uso del biodiesel Especificaciones Planteamiento del problema Producción mundial de biodiesel Producción de biodiesel en México Producción de aceite vegetal en México Justificación Problema Hipótesis Objetivos Objetivo general Objetivos particulares Estado del arte Aportaciones Limitaciones Organización del documento CAPÍTULO 2 Experimentación Introducción Materiales Aceite vegetal ix

11 Contenido Cenidet Alcohol Relación molar de alcohol/aceite Catalizador Propiedades de reactivos empleados Manejo de reactivos Método Diseño experimental Resultados Costo por litro de biodiesel Conclusiones de la experimentación CAPÍTULO 3 Diseño físico Introducción Consideraciones de diseño Consideraciones generales Detalles de los componentes Reactor Recipiente contenedor de aceite Recipiente contenedor de metóxido Motor del agitador Válvulas solenoide Resistencia eléctrica de calentamiento Armadura de soporte CAPÍTULO 4 Automatización Introducción Instrumentación Programación PIC16F877A Medición de volumen Funcionamiento del SFR Validación del SFR05 usado para el metóxido Calibración del SFR05 usado para el metóxido Validación del SFR05 usado para el aceite Calibración del SFR05 usado para el aceite Medición de tiempo Medición de temperatura Validación sensor LM35, precalentamiento del aceite Validación del sensor LM35 para el calentamiento en el reactor Detectar glicerina y biodiesel Abrir y cerrar de las válvulas solenoide Encender y apagar motor del agitador Programar condiciones del proceso CAPÍTULO 5 Construcción y pruebas Introducción x

12 Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 5.2 Construcción del prototipo Panel de visualización Pruebas de funcionamiento del prototipo Uso del biodiesel obtenido en un motor diesel Eficiencia del biodiesel en un motor diesel CAPÍTULO 6 Conclusiones generales y Recomendaciones Conclusiones generales Conclusión particular sobre glicerina libre en el biodiesel, por análisis cromatográfico Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado reactivo Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado reactivo Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado técnico Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado técnico Recomendaciones Referencias...79 Anexo A Total de pruebas experimentales...83 Anexo B Diseño general del prototipo...84 Anexo C Diseño del reactor...85 Anexo D Diseño del recipiente del aceite...86 Anexo E Diseño del recipiente del metóxido...87 Anexo F Diseño de la válvula solenoide...88 Anexo G Diseño de la armadura de soporte...89 Anexo H Cálculo de potencia de la resistencia...90 Anexo I Mediciones del sensor LM35, precalentamiento del aceite...93 Anexo J Mediciones del sensor LM35, calentamiento en el reactor...95 Anexo K Programa general...97 Anexo L Artículo para el CIINDET xi

13 Lista de figuras Figura 1.1 Composición de un aceite o grasa...3 Figura 1.2 Fórmula genérica de los triglicéridos...3 Figura 1.3 Ecuación general de transesterificación...4 Figura 1.4 Reacción de transesterificación de triglicérido con metanol...4 Figura 1.5 Reacciones presentes en la reacción de transesterificación...5 Figura 1.6 Ciclo del CO Figura 3.1 Diseño general del prototipo...31 Figura 3.2 Reactor...32 Figura 3.3 Dimensiones del reactor en mm...32 Figura 3.4 Recipiente del aceite...33 Figura 3.5 Dimensiones del recipiente de aceite en mm...33 Figura 3.6 Recipiente contenedor de metóxido...34 Figura 3.7 Dimensiones del recipiente contenedor de metóxido...34 Figura 3.8 Impulsor del motor agitador...35 Figura 3.9 Curvas de potencia de distintos impulsores...36 Figura 3.10 Válvula solenoide...37 Figura 3.11 Sección transversal de ángulo de piernas iguales...42 Figura 3.12 Armadura de soporte...42 Figura 4.1 PIC16F877A, disposición de pines...45 Figura 4.2 Diagrama de flujo del programa principal...46 Figura 4.3 Funcionamiento del sensor SFR Figura 4.4 Gráfica de validación del SFR05 del metóxido...49 Figura 4.5 Gráfica de las pruebas de medición de nivel volumen de metóxido...50 Figura 4.6 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido...52 Figura 4.7 Gráfica de validación del SFR05 del aceite...53 Figura 4.8 Gráfica de las pruebas de medición de nivel volumen de aceite...54 Figura 4.9 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para aceite...55 Figura 4.10 Circuito para encender y apagar las resistencias eléctricas desde el PIC...58 Figura 4.11 Gráfica de validación del sensor LM35 para precalentamiento...59 Figura 4.12 Gráfica de validación sensor LM35, para calentamiento de la reacción...60 Figura 4.13 Circuito para abrir y cerrar válvula solenoide...62 Figura 4.14 Circuito para encender y apagar el motor-agitador...63 Figura 5.1 Aspecto general del prototipo para producir biodiesel...67 Figura 5.2 Panel de visualización de la etapa del proceso de biodiesel...68 Figura 6.1 Análisis cromatográfico al biodiesel obtenido en el prototipo...73 Figura 6.2 Cromatograma del estándar de glicerina...73 Figura 6.3 Acercamiento al análisis cromatográfico del biodiesel...74 Figura 6.4 Análisis cromatográfico del biodiesel usando metanol grado técnico...75 Figura 6.5 Acercamiento al cromatograma del biodiesel usando metanol grado técnico...76 Figura H.1 Dimensiones del reactor, en mm...90 xii

14 Lista de tablas Tabla 1.1 Especificaciones del biodiesel de las normas ASTM D-6751 y EN Tabla 1.2 Producción de biodiesel en países europeos en 2006, tons/año...8 Tabla 1.3 Producción nacional de aceites...9 Tabla 1.4 Rendimiento en kg de aceite por hectárea de cultivo...10 Tabla 1.5 Emisiones promedio de biodiesel comparadas a las de diesel...12 Tabla 2.1 Composición química y propiedades del aceite de coco crudo...20 Tabla 2.2 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y metanol...24 Tabla 2.3 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y metanol...24 Tabla 2.4 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y etanol...25 Tabla 2.5 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y etanol...26 Tabla 2.6 Experimentos de biodiesel con cantidades óptimas, variando tipo de aceite...26 Tabla 4.1 Validación sensor SFR05 del metóxido...48 Tabla 4.2 Datos de pruebas de medición nivel volumen de metóxido...49 Tabla 4.3 Regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido...51 Tabla 4.4 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de metóxido...52 Tabla 4.5 Validación sensor SFR05 del aceite...53 Tabla 4.6 Datos de pruebas de medición nivel volumen de aceite...54 Tabla 4.7 Regresión lineal a datos del SFR05 para aceite...55 Tabla 4.8 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de aceite...56 Tabla 5.1 Tabla de pruebas de funcionamiento del prototipo...69 Tabla 6.1 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GR...74 Tabla 6.2 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GT...76 xiii

15 Nomenclatura Letras minúsculas a Altura cm Centímetros c p btu Calor específico lb F cst Centistoke g 1 m Aceleración de la gravedad 2 s g Gramos gal Galones h Horas hp Caballos de potencia in Pulgadas kg Kilogramos l Litros lb Libras m/m Masa sobre masa m Metros mg Miligramos ml Mililitros mm Milímetros ms Milisegundos mv Milivolts s Segundos t Tiempo Letras mayúsculas P Caída de presión (bar) T Incremento de temperatura C Grados Centígrados F Grados Fahrenheit A Área D Diámetro KHz Kilo hertz K v Coeficiente de flujo M Peso (libras) xiv

16 Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica MHz Mega hertz N Velocidad de rotación (rpm) Nd Nivel que disminuye (mm) Ni Nivel inicial (mm) N p Número de potencia Nr Nivel de referencia (mm) P Potencia (watts) Q m 3 Caudal volumétrico h Re Número de Reynolds V CA Volts de corriente alterna V CC Volts de corriente continua V Volumen (litros) V 2 m Velocidad de flujo s W Watts Letras griegas g ρ Densidad 3 cm µ Viscosidad cinemática (centistoke) σ Desviación estándar π pi= g γ Peso específico 3 cm Símbolos % Por ciento Grados Pulgadas $ Pesos moneda nacional Copyright Marca registrada xv

17 Abreviaturas Amb. ASTM btu CENIDET EBB EU FIUBA FJTC GR GT INEGI NBB NPT PDIP PIC ppm rpm rps RTC TTL UAEM USD Ambiente American Society for Testing and Material The Brithish Thermal Unit Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico European Biodiesel Board European Union. Unión Europea Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires Felipe de Jesús Torres del Carmen Grado Reactivo Grado Técnico Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática National Biodiesel Board National Pipe Tapered Plastic Dual Inline Package Microcontrolador PIC16F877A Partes por millón Revoluciones por minuto Revoluciones por segundo Real Time Clock. Reloj de tiempo real Transistor Transistor Logia Universidad Autónoma del Estado de Morelos United States Dollar xvi

18 CAPÍTULO 1 Antecedentes 1.1 Marco Teórico Los motores de combustión interna, se pueden clasificar de acuerdo al tipo de encendido: por chispa, o por compresión [1]. El motor de combustión por compresión, también conocido como motor Diesel, tiene un amplio campo de aplicación, como es el caso de la generación eléctrica, la propulsión marina, etc. Sin embargo, su mayor utilización se aprecia en el sector de la automoción, en específico en el transporte de carga pesada y ligera. Contribuyendo, en gran medida, en las emisiones de CO 2 que se vierten a la atmósfera, siendo éste uno de los problemas de contaminación que más afecta al medio ambiente, causante del llamado efecto invernadero [2]. En otro contexto, a nivel mundial se visualiza un eminente agotamiento de los combustibles fósiles, tales como los derivados del petróleo y el gas natural. Ante esta situación un gran número de países han intensificado sus esfuerzos por generar fuentes de energía renovables, que permitan un incremento en la seguridad del abastecimiento energético, y a su vez, disminuir el impacto al medio ambiente. De esta manera, se gestó la posibilidad de un combustible alternativo al diesel de petróleo, originándose a partir de aceites vegetales y/o grasas animales. A este diesel alternativo se le ha llamado biodiesel, el cual es biodegradable, no tóxico y emite menor cantidad de gases contaminantes en comparación con el diesel de petróleo [3]. 1

19 Capítulo I: Antecedentes Cenidet Orígenes del biodiesel Usar aceites vegetales como combustible no representa una novedad. El primer motor diesel de la historia funcionaba con aceite de cacahuate. Su inventor, el alemán Rudolf Diesel, lo presentó en la Exposición Universal de Paris de 1900 como un motor de aceite. Posteriormente se realizaron diversos ensayos con otros aceites vegetales, pero el tema perdió interés ante el fuerte desarrollo de la petroquímica [2]. Sin embargo, cuando se han presentado problemas de abastecimiento de productos petrolíferos, especialmente durante las dos guerras mundiales, se ha recurrido a los aceites vegetales para sustituir el diesel. Después de las dos guerras mundiales, el desarrollo tecnológico en el campo de los motores diesel se intensifica, y se basa en el diesel derivado del petróleo, barato y con propiedades específicas, necesarias para los nuevos sistemas de inyección [2, 3]. Como consecuencia se abandona el empleo de los aceites vegetales como combustibles para los motores diesel, que resultaban más costosos y ofrecían características físico-químicas menos constantes. En 1973, cuando se presenta la primera crisis del petróleo, se plantea el ahorro de la energía y la utilización de recursos energéticos renovables, reiniciándose entre otras la investigación en el campo de los biocombustibles líquidos de origen vegetal [2]. Empero, el uso de aceites vegetales brutos como combustible en motores diesel originaba diversos problemas, tales como, taponamiento de filtros, líneas e inyectores, depósitos de carbón en la cámara de combustión (inyector, pistón y culata), excesivo desgaste del motor, degradación del aceite lubricante por polimerización, entre otras [3]. Como solución a estos problemas, se analizaron varias alternativas [2, 3]: Crear motores completamente nuevos para los combustibles alternativos, como es el caso del motor Elsbett, diseñado por la empresa Elsbett Konstruktion Germany, que se fabrica en Alemania, Malasia y Estados Unidos. Modificar los motores actuales para que se adapten a los combustibles alternativos (motores con precámara o motores con sistemas de precalentamiento de aceite). Utilizar los motores actuales, modificando los combustibles alternativos. La tercera opción es la que goza de mayor difusión actualmente, siendo el objetivo principal rebajar la viscosidad de los aceites vegetales hasta valores cercanos a los combustibles de origen fósil, para poder ser usados en los motores diesel Obtención de biodiesel Los aceites vegetales usualmente contienen ácidos grasos libres, fosfolípidos, esteroles, agua y otras impurezas. A causa de esto, el aceite no puede ser usado como combustible directamente en el motor. Para solucionar estos problemas, el aceite requiere una modificación química 2

20 Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica principalmente por transesterificación, pirólisis o emulsificación. Entre ellas, la transesterificación es el proceso más importante para producir un combustible a partir de aceite vegetal, que sea limpio y no ocasione daños ambientales. De esta forma, la ASTM (American Society for Testing and Material) define al biodiesel de la siguiente manera [2-4]: Biodiesel, son ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales, y que se emplean en los motores de ignición por compresión (motores diesel). Como materia prima en el proceso de transesterificación para obtener biodiesel, es posible emplear [4]: Aceite vegetal sin usar procedente de plantas oleaginosas: colza, girasol, higuerilla, soya, maíz, palma de coco, palma de aceite, etc. Aceite vegetal usado, es un residuo que proviene de la industria de alimentación (aceite de fritura) y de la red de restaurantes, hoteles, etc. Grasa animal: sebo de vaca o de búfalo Aceites y grasas Las grasas y los aceites están compuestos de ésteres: monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos (siendo estos últimos los mas comunes) y de ácidos de cadena larga, llamados ácidos grasos [2]. Figura 1.1 Composición de un aceite o grasa La mayoría de los aceites y grasas son triglicéridos mixtos, pues tienen dos o tres ácidos grasos diferentes. La diferencia que existe entre los aceites y las grasas radica en los enlaces de los ácidos grasos presentes en la molécula. Las grasas tienen ácidos grasos en los que predominan los enlaces sencillos (saturados) y los aceites tienen ácidos grasos con varios enlaces dobles (insaturados) [5]. Figura 1.2 Fórmula genérica de los triglicéridos 3

21 Capítulo I: Antecedentes Cenidet Transesterificación A través del proceso de transesterificación de los aceites vegetales y su reacción con un alcohol (normalmente, metanol), se obtienen los ésteres metílicos derivados, que son compuestos oxigenados con características similares en su comportamiento a las del diesel, principalmente en lo referente a la viscosidad, temperatura de ebullición, residuo carbonoso, número de cetano, etcétera [2]. Transesterificación o alcoholisis, es el desplazamiento del grupo alcoxi (grupo alquilo unido a un átomo de oxigeno, RO * donde R es el grupo alquilo) de un tipo de éster por otro alcohol, en un proceso similar a la hidrólisis, excepto, que el alcohol es usado en lugar de agua. La reacción de transesterificación está representada por la ecuación general de la figura 1.3 [3]. Catalizador RCOOR 1 + R2OH RCOOR2 + R* OH Ester Alcohol Ester Alcohol Figura 1.3 Ecuación general de transesterificación Si el alcohol usado en este proceso es el metanol, se le llama metanólisis. La metanólisis de un triglicérido se aprecia en la figura 1.4. Sin embargo para que la reacción ocurra en un tiempo razonable y se logre una mayor conversión, es necesario adherir un catalizador a la mezcla del aceite vegetal y metanol, amén que sin él no se logre la reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H 2 SO 4, HCl, H 3 PO 4, RSO 3 ), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO 4 /ZrO 2, WO 3 /ZrO 2 ), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al 2 O 3 ), básicos homogéneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos, sosa cáustica (NaOH) e hidróxido de potasio (KOH), ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas [4]. Figura 1.4 Reacción de transesterificación de triglicérido con metanol Mecanismo de la reacción de transesterificación La reacción de transesterificación químicamente consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado [4]. Ver la figura

22 Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Figura 1.5 Reacciones presentes en la reacción de transesterificación La descomposición de los triglicéridos en diglicéridos y así sucesivamente, ocurre en 4 pasos, los cuales se describen a continuación, para una transesterificación usando metanol [6]. a) El alcohol (CH 3 OH) reacciona con el catalizador básico (X). b) El radical cargado negativamente (CH 3 O - ) reacciona con el doble enlace del grupo carbonilo del triglicérido. c) Se forma una molécula del éster alquílico (R 1 COOCH 3 ), en éste caso, se trata del metiléster (biodiesel). 5

23 Capítulo I: Antecedentes Cenidet d) Se regenera el catalizador formándose un diglicérido. Los pasos a) al d) se repiten hasta la desaparición del triglicérido con la formación del monoalquiléster (biodiesel) y glicerina como productos finales Uso del biodiesel El uso de biodiesel en motores de combustión por compresión está totalmente extendido en Europa desde los últimos años. Países como Alemania y Austria utilizan biodiesel ya sea al 100% (B100) ó mediante una mezcla del 2% al 30% (B2 B30) de biodiesel y el resto de diesel. La razón de realizar una mezcla con el diesel convencional, radica en que los aceites vegetales tienen, entre otras cosas, la particularidad de disolver la goma y el caucho. Debido a que estos aceites vegetales son la materia prima para la fabricación del biodiesel, dicho producto también disuelve la goma y el caucho, materiales empleados en la fabricación de los conductos y las juntas del sistema de alimentación de los motores por lo que con el uso prolongado de biodiesel B100, se podrían llegar a degradar dichos conductos. Desde mediados de los años 90, casi todos los fabricantes de motores (principalmente marcas alemanas), han substituido dichos conductos por otros fabricados con materiales plásticos o derivados, con lo que el biodiesel no los disuelve [2,4]. En España se hace uso de una mezcla de 10% de biodiesel y 90% de diesel. Otros productores de la Unión Europea, y debido a su política comercial, venden toda su producción de biodiesel a una empresa petrolera, la cual opta por la mezcla de un máximo de 5% de biodiesel y el resto de diesel. De esta forma se considera al biodiesel como un aditivo porque no altera las características técnicas del diesel según la norma EN590. Si se incorpora más de un 5%, la mezcla final no cumple la norma EN590, por lo que tendrían que informar y etiquetar dicho producto con un nombre diferente al de Diesel [2] Especificaciones Austria fue el primer país en el mundo en disponer de una norma para producir biodiesel [3]. Diversos países emitieron sus normas, entre ellos Alemania, Italia, Francia, República Checa, Estados Unidos y Argentina. Una de las normas que más fue aceptada a nivel mundial fue la D-6751 propuesta por la ASTM en Sin embargo en el 2003, la Unión Europea definió la norma EN14214 imponiendo restricciones más fuertes en la calidad del biodiesel [4]. La tabla 1.1 muestra los parámetros, métodos y valores límite de las normas ASTM D-6751 y la EN14214 [4-7]. 6

24 Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Tabla 1.1 Especificaciones del biodiesel de las normas ASTM D-6751 y EN LIMITES METODO DE PRUEBA PARAMETROS UNIDADES ASTM ASTM EN14214 D-6751 D-6751 EN14214 Densidad a 15 C g/cm ASTM D1298 EN ISO 3675 Viscosidad a 40 C mm 2 /s ASTM D445 EN ISO 3104 Punto de Ignición C ASTM D93 EN ISO 3679 Azufre mg/kg 0.05 % peso 10 ASTM D2622 EN ISO Residuo de Carbón % (m/m) 0.05 en muestra del 0.3 en 10% de ASTM D189 EN ISO % residuo destil Número Cetano ASTM D613 EN ISO 5165 Cenizas sulfatadas % (m/m) ASTM D874 ISO 3987 Agua mg/kg 0.05% vol 500 ASTM D1796 EN ISO Contaminación total mg/kg EN Corrosión Cobre (3h a 50 C) < No. 3 Clase 1 ASTM D130 EN ISO 2160 Estabilidad a la oxidación 110 C Horas 15 mg/100ml 6 ASTM D2274 EN Índice de ácido mg KOH/g ASTM D664 EN Índice de yodo g de yodo/100g DIN EN Esterificación % 98 en vol 96.5 en peso - EN Metanol % (m/m) DIN EN Monoglicéridos % (m/m) DIN EN Diglicéridos % (m/m) DIN EN Triglicéridos % (m/m) DIN EN Glicerina libre % (m/m) ASTM D6584 EN Glicerina total % (m/m) ASTM D6584 EN Metales del grupo I mg/kg EN Metales del grupo II mg/kg EN Fósforo mg/kg % peso 10 ASTM D5951 EN Planteamiento del problema Producción mundial de biodiesel Como se mencionó en el apartado 1.1.1, el uso de aceites de origen vegetal como combustibles en motores de combustión data de hace más de 100 años. Esta valiosa idea no tuvo un gran interés, sino hasta hace tres décadas que el mundo de la investigación volvió a considerar la posibilidad de sustituir el diesel de petróleo por un combustible a partir de aceite vegetal que no causara daños ambientales. Por otra parte, el gran número de países que no cuentan con fuentes de petróleo para obtener sus combustibles, incrementaron sus esfuerzos por producir biocombustibles, en particular, biodiesel. Así en 1982, Alemania y Austria llevaron a cabo las primeras pruebas técnicas para producir biodiesel, pero hasta 1985 en Silberberg, Austria se construyó la primera planta piloto productora de biodiesel a partir de aceite de colza. Otros países europeos también empezaron a desarrollar esta técnica. Estados Unidos no podía estar apartado de ello y se sumó, al igual que Argentina, en la producción de biodiesel [9]. 7

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