PRACTICA N 6 y 7: ELABORACION DE BIODIESEL

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1 I. INTRODUCCION. PRACTICA N 6 y 7: ELABORACION DE BIODIESEL Facultad de Ingeniería El Biodiesel es uno de los combustibles ecológicos, mas fácil de elaborar, con resultados exitosos para los vehículos a diesel, usos varios y el ambiente. Se puede decir que es un ECOCOMBUSTIBLE proveniente de recursos renovables, ya que se obtiene de los aceites vegetales, tales como: colza, girasol, algodón, canola, palma africana, aceites comestibles ya usados (el de su propio negocio o industria), etc. ó bien de grasas animales, o combinados. Se puede utilizar directamente los aceites vegetales con cambios técnicos en los motores, ó bien el Biodiesel sin casi ningún cambio en el motor del vehículo, o mezclar con diesel, kerosene o solventes. Para la fabricación de Biodiesel es necesario considerar detenidamente las variables, los ingredientes a utilizar, para obtener los mejores resultados. Estos son: Aceite vegetal. Soda cáustica (hidróxido de sodio). Metanol (alcohol metílico). II. III. OBJETIVO. Familiarizar al estudiante de octavo ciclo de la Escuela Profesional de Ingeniería Agroindustrial con las distintas materias primas en la elaboración de Biodiesel. Eliminar los distintos compuestos que deterioran el producto, lo cual no permite que llegue con una calidad óptima al consumidor final. Familiarizar al estudiante con el uso de insumos químicos permitidos por la agroindustria no alimentaria a utilizar en la elaboración de Biodiesel. FUNDAMENTO TEORICO. El Biodiesel se produce gracias a una reacción química denominada transesterificación, lo que significa que el glicerol contenido en los aceites es sustituido por un alcohol ante la presencia de un catalizador. En el presente caso se utilizará 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 para preparar biodiesel de buena calidad. Aunque la esterificación es un proceso posible, sin embargo el método utilizado comercialmente para la obtención de biodiésel es la transesterificación (también llamada alcohólisis). Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos (el número de átomos de las cadenas está comprendido entre 15 y 23, siendo el más habitual de 18) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir ésteres y glicerina (que puede ser utilizada en cosmética, alimentación, farmacia, etc.). La reacción de transesterificación, se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1, reaccionando en la metanólisis 1 mol de triglicérdo con 3 moles de alcohol (aunque se añade una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación del éster metílico). El triglicérido es el principal componente del aceite vegetal o la grasa animal. Además, la formación de la base de la glicerina, inmiscible con los ésteres metílicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, alcanzándose conversiones cercanas al 100%. 1

2 Las diferentes reacciones que tienen lugar en la transesterificación consisten químicamente 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. En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, amen que sin él no sería posible esta 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, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), 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 ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas. En el caso de la reacción de transesterificación, cuando se utiliza un catalizador ácido se requieren condiciones de temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos, por ello es frecuente la utilización de derivados de ácidos más activos. Sin embargo, la utilización de álcalis, que como se ha comentado es la opción más utilizada a escala industrial, implica que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros (<0,06 % v/v) para evitar que se produzca la saponificación. Además, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones. De esta manera las reacciones secundarias que se pueden dar son las siguientes: Reacción de saponificación. Reacción de neutralización de Ácidos grasos libres. El triglicérido reacciona con el catalizador básico, consumiendo éste, en presencia de agua dando lugar a la formación de jabones (reacción de saponificación). 2

3 La saponificación está favorecida cuando se utiliza el hidróxido potásico o sódico, ya que sus moléculas contienen los grupos OH responsables de esta reacción. Así, cuando se utilizan estos catalizadores, se debe tener especial precaución con las condiciones de reacción, especialmente la temperatura y la cantidad de catalizador básico, para reducir al máximo la saponificación. Sin embargo, los metóxidos sólo contienen el grupo OH como impureza, por lo que su utilización no produce prácticamente jabones por saponificación. En cualquier caso, se deben utilizar aceites y alcoholes esencialmente anhidros, ya que el agua favorece la formación de jabones por saponificación. Por este motivo, se debe eliminar el agua, mediante evaporación, en los aceites con altos contenidos en humedad antes de llevar a cabo la transesterificación. Por otra parte, hay dos maneras de eliminar los ácidos grasos libres presentes en el aceite. Así, se puede proceder a su neutralización, ya que los ácidos grasos presentes en el aceite vegetal pueden reaccionar con el catalizador básico (fundamentalmente NaOH) en presencia de agua, ocurriendo asimismo una reacción indeseable, produciendo como en el caso anterior jabón, tal y como se puede ver en la Gráfica 4. Otra manera de eliminar los ácidos grasos libres es mediante una reacción de esterificación con un catalizador ácido con lo que se formaría el éster metílico. IV. MATERIALES E INSUMOS Materiales. Campana extractora. Balanza analítica. Plancha de calentamiento. Envase de alumnio de 3 L. Probeta de 100 ml. Vaso de precipitación de 500 ml. Espátula Insumos. Aceite vegetal. Metanol. Hidróxido de sodio. Agua destilada. V. PROCEDIMIENTO Acondicionamiento de los aceites vegetales. Acondicionar los aceites vegetales para obtener los mejores resultados. Lavarlos (eliminación de impurezas y ácidos grasos libres). Climatizarlos (para evitar cristales a bajas temperaturas). Desecarlos (elimine la humedad, agua) Lavado. Acidos grasos libres en el aceite vegetal: Si el aceite escogido tiene un grado muy alto de ácidos grasos libres, puede causarle problemas en la separación del biodiesel y la glicerina formada en la reacción (transesterificación). Estos ácidos grasos libres forman jabón con el metóxido de sodio que tendrá que adicionar, emulsionando la grasa y la glicerina formada, obteniendo una masa gelatinosa sin fases posibles de separación. Así, que es necesario asegurarse que no tenga acidez libre, esto lo puede lograr de la siguiente manera: Antes de iniciar el proceso, lave el aceite con agua cáustica. Para diez (10) litros de aceite vegetal liquido adicione dos (2) litros de solución cáustica. La solución cáustica es: 250 gramos (¼ de kilo) de soda cáustica en escamas disueltos en 2 litros de agua. 3

4 El aceite vegetal y la solución cáustica se ponen en contacto, se calienta y agita levemente y se deja reposar por 24 horas. Esto hará que los ácidos grasos libres reaccionen con la soda cáustica formando jabón, que ira al fondo del recipiente. Esta solución jabonosa la drena del fondo, podrá utilizarla para lavar equipos, pisos, etc. y el aceite flotante quedara sin ácidos grasos libres. Por supuesto, con análisis químicos se puede definir técnicamente la acidez libre y neutralizarla exactamente. Pero en este artículo pretendo indicar una producción artesanal Climatización del aceite vegetal Es necesario tomar en consideración, que el biodiesel, deberá mantenerse fluido, sin pequeñas partículas sólidas (cristales), o gelatinoso, en temperaturas ambientales bajas, porque de lo contrario obstruirá el filtro del combustible. Esto también pasa con el diesel, al cual le adicionan anticongelantes para evitarlo. Por lo que es necesario escoger bien el aceite vegetal a utilizar, ó adicionarle aditivos que evitan la formación de cristales. Calentar el aceite, luego coloque el aceite a la temperatura de 5 grados centígrados, por unas 24 horas, observará dos fases, la parte baja, son los cristales que a esa temperatura son sólidos (grasas saturadas) y en la parte superior quedarán los aceites líquidos (grasas insaturadas), que son los que utilizará para elaborar el biodiesel. La parte sólida la puede utilizar como grasa lubricante. Otra forma de evitar cristales o incremento de la viscosidad en el Biodiesel en bajas temperaturas ambientales es combinar, al final de la producción, Diesel y Biodiesel, aprovechando las características del combustible diesel que se encuentra en el mercado. Se sugiere una mezcla del 20 % de biodiesel y 80 % de diesel (B20) para empezar el ensayo en donde lo vaya a utilizar y luego ir subiendo el contenido de biodiesel a conveniencia, hasta llegar al 100% de biodiesel (B100) Desecado - Agua en aceite vegetal Para comprobar la existencia de agua, colocar el aceite en un frasco de vidrio. Debe estar completamente cristalino. Si lo ve algo opaco, translucido, es porque posee agua. Es necesario evitar que el aceite pueda contener agua en solución, ya que tendrá problemas en la separación del biodiesel y en la calidad del mismo. Para eliminar el agua, sencillamente caliente el aceite a unos 70 a 80 grados centígrados por varias horas Proceso de elaboración del Biodiesel. Para un (1) litro de aceite vegetal. Si desea elaborar una cantidad mayor, simplemente multiplique las cantidades aquí indicadas por el número de litros que desea producir. Use recipientes de acero inoxidable Calentar un (1) litro del aceite vegetal que acondicionó anteriormente (paso 5.1). Puede hacerlo en un recipiente de acero inoxidable. Eleve la temperatura a unos 50 grados centígrados Pesar 3,5 gramos de soda cáustica en escamas, 96% de pureza En otro recipiente limpio y seco, coloque 200 centímetros cúbicos de Metanol Mezclar la soda cáustica (paso 5.2.2) con el metanol (paso 5.2.3) hasta disolverla. Observará que la temperatura sube en algunos grados. Mezcle con una espátula hasta lograr la solución completa de la soda cáustica. Esta solución es venenosa y dañina para la piel. Tome las precauciones del caso (guantes de hule, anteojos, etc.) Adicione sobre el aceite vegetal (paso 5.2.1) la solución de metoxido de sodio (paso 5.2.4), poco a poco, mezcle con una espátula por unos quince minutos. Al inicio es viscoso y luego menos viscoso Dejar reposar el producto, si todo fue bien, en cosa de 30 minutos Ud. observara dos fases; en la parte superior una fase liquida y dorada (biodiesel) y en la inferior una parte café (glicerina y jabón) Dejar reposar por 24 horas, sifonee la parte superior que es el biodiesel. La parte inferior es la glicerina y el alcohol en exceso. 4

5 VI. RESULTADOS. A nivel industrial se puede recuperar el metanol que se encuentra en esta fase por destilación, además, refinar la glicerina, que tiene muy buena demanda por sus múltiples usos. O bien venderla tal cual, a alguna industria jabonera, de cosméticos, etc. De esta forma se ha obtenido "BIODIESEL" de una forma artesanal. Como se podrá observar es sumamente sencillo, pero para utilizarlo formalmente en vehículos, es recomendable implementar controles de calidad, para hacer cumplir el producto con las normas internacionales de calidad de combustibles. Además, es necesario cambiar ciertas mangueras plásticas ó caucho del vehículo, empaques, sellos, diafragmas, etc., pues el biodiesel podría dañarlas. El poder limpiador del biodiesel puede arrastrar suciedad existente en el sistema de diesel causando problemas en la ignición del vehículo. Pero hay una serie de usos que aceptan la calidad obtenida sin mayores parámetros de calidad química, así por ejemplo: lavado de piezas de equipos, lubricante industrial excelente (afloja piezas, limpiador, protector, etc.), combustible para el quemador de calderas y otros. Algunas características comparativas entre diesel y biodiesel son las siguientes: Propiedades Biodiesel Diesel Poder calorífico inferior (Kcal/Kg) aprox. 9,000 10,000 Punto de inflamación ºC Numero de cetanos Relación aire/combustible VII. DISCUSION DE LOS RESULTADOS Cuáles son los resultados más resaltantes obtenidos en la elaboración de Biodiesel realizada por su Grupo de Trabajo? Son los resultados obtenidos en la elaboración de Biodiesel, concordantes con los reportados en la bibliografía? Qué otros tipos de materias primas de la localidad se podrían utilizar para la elaboración de Biodiesel?... 5

6 7.4. Cuál sería la utilidad, como profesional agroindustrial, que le proporcionará la elaboración de Biodiesel? VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS UTILIZADAS

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