Opciones para la producción de biodiésel en el Perú

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1 José Calle, Javier Coello, Paula Castro. Opciones para la producción de biodiésel en el Perú Options for biodiesel production in Peru José Calle 1, Javier Coello 2, Paula Castro 3. RESUMEN Intermediate Technology Development Group (ITDG) y la Universidad Nacional Agraria La Molina (UNALM) desarrollaron este trabajo de investigación con el fin de explorar las opciones para la producción de biodiésel en el Perú. Se diseñaron, construyeron y evaluaron dos propuestas tecnológicas: una para la producción artesanal de biodiésel a nivel familiar en zonas aisladas de la selva, a partir de aceites de especies vegetales abundantes, como una posible solución al problema de acceso a la energía de dichas comunidades; otra, para la producción de biodiésel a pequeña escala con aceites vegetales usados o de descarte, para ser utilizado como aditivo del combustible diésel en vehículos de transporte terrestre, reduciendo sus emisiones y ofreciendo una alternativa para la disposición final de los aceites usados. Palabras clave: biodiésel, biocombustibles, biomasa. ABSTRACT Intermediate Technology Development Group (ITDG) and the La Molina National Agrarian University (UNALM) developed this research project with the aim of exploring the options for biodiésel production in Peru. Two technological models were designed, built and assessed: one for the family-level production of biodiésel in isolated areas of the rainforest, using the oil of abundant vegetable species, as a possible solution to the problem of availability of energy sources of those communities; and another one for small-scale biodiésel production with waste vegetable oils, to be used as an additive for diésel fuel in ground transport units, reducing their emissions and offering an alternative for the final disposal of waste oils. Key words: biodiesel, biofuels, biomass. INTRODUCCIÓN El actual sistema energético mundial no es sostenible en el largo plazo debido a los impactos ambientales que genera y a la inequidad en su distribución. En el Perú, la energía primaria proviene aproximadamente en un 45% del petróleo y en un 30% de la leña 1. En el caso específico de la Amazonía peruana, los poblados más aislados tienen un limitado acceso a la electricidad debido a la dificultad y el elevado costo de la prolongación de la red de distribución. Por eso los pobladores utilizan leña y/o generadores eléctricos de tipo diésel. Este último combustible es transportado por vía fluvial, lo cual incrementa su costo y las probabilidades de constituirse en fuente contaminante de los ríos. Por otro lado, en las grandes ciudades del país, la contaminación del aire producida por las emisiones 1 Ph.D. en Ingeniería Agrícola. Universidad Nacional Agraria La Molina (UNALM). 2 Ingeniero Agrícola. Intermediate Technology Development Group (ITDG). 3 Ingeniera Ambiental. Universidad Nacional Agraria La Molina. vehiculares se ha acentuado en los últimos años, principalmente por el crecimiento del parque automotor alimentado por diésel y por el mal estado de los motores. Así, si en 1990 en Lima Metropolitana y el Callao se consumían mil barriles de diésel al año, en 1998 se consumieron mil barriles, mientras que el consumo de gasolina permaneció relativamente constante en el mismo período (6 563 mil barriles en 1990 a mil en 1998). Según estudios realizados en el año 2000 por la Dirección General de Salud Ambiental (DIGESA) del Ministerio de Salud, el principal contaminante atmosférico en Lima es el material particulado emitido por motores de combustión diésel 2. En este contexto, se hace necesario investigar mecanismos que permitan obtener fuentes alternativas de energía, que sean de bajo costo y que reduzcan los impactos ambientales negativos de su generación y utilización. El uso sostenible de la biomasa puede contribuir decididamente a avanzar en este sentido. La presente investigación, desarrollada por ITDG y la UNALM, con el apoyo del CONCYTEC, ha estado 70 Mosaico Cient. 2(2) 2005

2 Opciones para la producción de biodiésel en el Perú orientada a la búsqueda de soluciones en este campo mediante el uso de la biomasa como fuente energética, específicamente mediante la producción del biocombustible líquido denominado biodiésel. El biodiésel es un combustible renovable derivado de aceites vegetales o grasas animales que puede ser utilizado como sustituto o aditivo del diésel convencional. La Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM) define al biodiésel como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de insumos grasos renovables, como los aceites vegetales o grasas animales. El término bio hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en contraste con el combustible diésel tradicional derivado del petróleo; de otro lado, diésel alude a su uso en motores de este tipo 3. El proceso de producción de biodiésel se basa en la reacción de transesterificación del aceite 4, 5. Los aceites están compuestos principalmente por moléculas de triglicéridos formadas de tres cadenas de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerol 6. La transesterificación consiste en reemplazar el glicerol por un alcohol simple, como el metanol o el etanol, de forma que se produzcan ésteres metílicos o etílicos de ácidos grasos. Este proceso permite disminuir la viscosidad del aceite, la cual es principalmente ocasionada por la presencia de glicerina en la molécula 4. La alta viscosidad del aceite impide su uso directo en motores diésel no modificados, desventaja que se supera mediante este proceso. Para lograr la reacción se requieren temperaturas entre 40 y 60 C, así como la presencia de un catalizador, que puede ser hidróxido de sodio o potasio (NaOH o KOH). Luego de precalentar el aceite a la temperatura deseada, se incorpora el alcohol con el catalizador disuelto y se mantiene reaccionando durante 1 a 2 horas con agitación constante 4, 7. Después de la reacción se separan dos fases en la mezcla: una superior líquida y cristalina, el biodiésel; y otra inferior, de color por lo general más oscuro y alta viscosidad, la glicerina. Si el aceite utilizado contiene agua o ácidos grasos libres, en la reacción se forma además jabón. Luego de la separación por gravedad del biodiésel y la glicerina, se realiza un postratamiento de purificación al biodiésel. Este consiste básicamente en un lavado con agua, el cual permite separar cualquier resto de glicerina, metanol, catalizador y jabón que hayan podido quedar en el biodiésel, ya que todas estas moléculas son más solubles en agua que en el éster. Las propiedades fisicoquímicas del biodiésel son muy similares a las del diésel de petróleo y su uso no requiere mayores cambios en los motores diesel. Así, puede emplearse directamente en el motor, pudiéndose también utilizar como aditivo, mezclado en cualquier proporción con el diésel. Puede ser bombeado, almacenado y manipulado con los mismos equipos, procedimientos e infraestructura que el diésel. El encendido, rendimiento, torque y potencia de los motores no varía significativamente, pero el consumo puede incrementarse hasta en un 5%. El biodiésel, además, tiene diversas ventajas sobre el diésel convencional, como por ejemplo 3, 4, 6, 8, 99. No contiene sulfuros, disminuyendo las emisiones de SO 2 y mejorando la lubricidad del combustible. Es más seguro de manipular gracias a su punto de inflamación elevado (150ºC). Se puede producir a partir de insumos locales. Es altamente biodegradable en el agua, por lo que es ideal para transporte fluvial. Prácticamente no es tóxico en caso de ingestión, tanto en peces como en mamíferos. Contribuye a la reducción del calentamiento global, ya que emite menos CO 2 en su ciclo de vida que el fijado mediante fotosíntesis por las plantas usadas para producirlo. Al ser un combustible oxigenado, el biodiésel tiene una combustión más completa que el diésel, reduciendo las emisiones de CO, materia particulada e hidrocarburos no quemados. El trabajo desarrollado por ITDG y la UNALM tuvo como objetivo el desarrollo y prueba de modelos tecnológicos para la producción de biodiésel a pequeña escala, a partir de especies oleaginosas amazónicas para la producción de una fuente de energía limpia. Los resultados de la presente investigación han sido: Una propuesta tecnológica para la producción de biodiésel a nivel familiar en zonas aisladas de la selva. Una propuesta tecnológica desarrollada y probada para la producción de biodiésel a pequeña escala con insumos de descarte. MATERIAL Y MÉTODO La investigación se desarrolló en el Laboratorio de Energías Renovables y el Laboratorio de Fitoquímica de la UNALM. En primer lugar, se desarrolló una profunda revisión bibliográfica que permitió elaborar un inventario de insumos potenciales de la Amazonía peruana para la producción de biodiésel. Las especies fueron priorizadas de acuerdo con la información sobre sus rendimientos, nivel de conocimiento y manejo actual y características de los frutos oleaginosos. A continuación se recolectaron muestras de las oleaginosas seleccionadas y se procedió a extraer el aceite prensado del fruto en una prensa hidráulica manual de fabricación artesanal. Mosaico Cient. 2(2)

3 José Calle, Javier Coello, Paula Castro. Se realizaron pruebas de transesterificación de los aceites obtenidos a escala de laboratorio, utilizando un evaporador rotativo marca Büchi, modelo R3000. La transesterificación se realizó utilizando 20% en volumen de metanol (95% de pureza) e hidróxido de sodio o de potasio (grado industrial) como catalizadores. Se trabajó con aceites de diversa procedencia (refinado de cocina, crudo de palma, palmiste, sacha inchi, umarí, aguaje, tempate, ricino, girasol, soya, castaña y aceites vegetales usados). De acuerdo con las características de cada aceite, se realizaron tratamientos de refinación previos a la transesterificación, tales como filtrado de impurezas, secado y neutralización y filtrado de ácidos grasos libres. A partir de las pruebas a escala de laboratorio y de la revisión de modelos de pequeñas plantas de producción de biodiésel en otros países, se diseñaron y construyeron dos sistemas: Un reactor para producir biodiésel a escala pequeña a partir del procesamiento de 50 litros de aceite, para ser utilizado en fábricas o zonas urbanas con aceites de descarte. Un reactor de bajo costo para producir biodiésel a partir del procesamiento de 40 litros de aceite en zonas rurales, sin requerimientos de energía eléctrica. En ambos casos, el reactor va acompañado de un sistema de lavado y filtrado del biodiésel para su purificación. El funcionamiento de estos reactores fue probado en la producción de biodiésel a partir de aceite de cocina refinado, aceite de cocina usado y aceite de palma crudo. RESULTADO Producción de biodiésel a partir de recursos oleaginosos amazónicos En la Tabla 1 se presentan los rendimientos obtenidos en la extracción de aceite de algunas especies oleaginosas mediante prensado en una prensa hidráulica artesanal. Las calidades de los diferentes aceites empleados, medidas en términos de los ácidos grasos libres que contienen, y los rendimientos en la producción de biodiésel se muestran en la Tabla 2. Se puede apreciar que existe una relación directa entre la acidez del aceite y el rendimiento de la transesterificación por catálisis alcalina. A menor índice de acidez, la transformación en biodiésel presenta mejores resultados. Propuesta tecnológica para la producción de biodiésel a partir de insumos de descarte El modelo final diseñado y construido para la producción de biodiésel con insumos de descarte consta de un tanque elevado de 15 litros de capacidad para la producción del metóxido (mezcla del alcohol con el catalizador), el cual fluye por gravedad hacia el tanque principal (reactor de biodiésel, de 60 litros de capacidad), donde se mezcla con el aceite para producir el biodiésel por transesterificación. Ambos tanques están equipados con agitadores impulsados por motores monofásicos que giran a 200 rpm. El modelo incluye una resistencia eléctrica de W para proporcionar calor a la reacción, conectada a una termocupla y termostato para controlar la temperatura de proceso, y un condensador con refrigeración por agua para recuperar el alcohol. La salida del producto se realiza por una válvula ubicada en la parte inferior del reactor. En las figuras 1 y 2 se puede apreciar el esquema y la fotografía del diseño construido. Este reactor requiere de suministro de energía eléctrica para alimentar los motores y la resistencia eléctrica, y de agua como refrigerante para permitir la condensación y recuperación del metanol luego de destilarlo. Éstos suministros pueden ser utilizados tanto en ámbitos urbanos como en industrias productoras de aceite. Dado que este modelo emplea insumos de descarte, es necesario realizar un tratamiento previo del aceite para eliminar los contaminantes que pudiera contener. Esto consiste en: Filtrado de sólidos grandes. Decantado de sólidos pequeños. Determinación de acidez libre. Tabla 1. Proceso de extracción de aceite de algunas oleaginosas amazónicas. 72 Mosaico Cient. 2(2) 2005

4 Opciones para la producción de biodiésel en el Perú Tabla 2. Características de los aceites en relación con los rendimientos de producción de biodiésel Neutralización de los ácidos grasos libres mediante saponificación del aceite, si la acidez libre es mayor a 2 g de KOH por litro de aceite. Secado. Figura 2. Reactor para producción de biodiésel con insumos de descarte Figura 1. Diseño de reactor para producción de biodiésel con insumos de descarte. aireadora. En la salida para el biodiésel se incorporó además un sistema de filtrado en base a una malla metálica fina y un tamiz de tela. En las figuras 3 y 4 se muestra el diseño y la fotografía del tanque de lavado. Para el postratamiento del combustible se construyó un tanque de lavado del biodiésel con agua, que consta de un cilindro de plástico de 150 litros de capacidad con dos salidas inferiores con tubería de PVC y llaves de bola: una para el agua y una para el biodiésel. Para permitir una mezcla lenta del agua y el biodiésel se utiliza una bomba de aire de acuario conectada a una piedra Propuesta tecnológica para la producción de biodiésel en comunidades de selva El modelo tecnológico para la producción de biodiésel en comunidades de selva construido consta de un barril de acero inoxidable de 50 litros de capacidad donde se lleva a cabo la transesterificación del aceite, con una tapa superior hermética para cargar el aceite y alcohol. Las tuberías, válvulas, codos y niples son de fierro Mosaico Cient. 2(2)

5 José Calle, Javier Coello, Paula Castro. Figura 3. Diseño del tanque de lavado de 20 a 200º C) adosado a la parte inferior del tanque. Incluye también un sistema de recuperación de alcohol, utilizando un serpentín hecho con un tubo de cobre de 1/4" dentro de un tubo de PVC de 3" conectado a mangueras para enfriamiento con agua. En las figuras 5 y 6 se puede apreciar este modelo artesanal de reactor. Figura 5. Diseño del reactor artesanal construido Figura 4. Tanque de lavado construido Figura 6. Fotografía del reactor artesanal construido galvanizado. Está equipado con un agitador manual construido en base a un sistema de manivela con álabes y eje del agitador de acero, un sistema de engranajes para conectar el eje del agitador y el eje exterior, y un sistema de engranajes cónicos para conectar el eje exterior y la manivela. La temperatura en el reactor se controla mediante un termómetro de alcohol (rango 74 Mosaico Cient. 2(2) 2005

6 Opciones para la producción de biodiésel en el Perú DISCUSIÓN Producción de biodiésel a partir de recursos oleaginosos amazónicos La producción de biodiésel a partir de aceites vegetales no refinados con alto contenido de ácidos grasos libres puede ser mucho más eficiente si se utiliza un paso previo de esterificación en medio ácido, proceso que recomiendan diversos artículos científicos para procesar también aceites y grasas de desecho 3, 5, 6. Para este paso previo se requiere como insumo ácido sulfúrico, el cual en nuestro país está controlado para evitar su uso por el narcotráfico. Bajo estas circunstancias, en esta investigación se consideró poco viable poder implementar sistemas de producción de biodiésel que utilicen ácido sulfúrico en la selva, por lo que este proceso no se ensayó. Cuando se utiliza sólo un catalizador alcalino, el paso previo es la saponificación y separación de los ácidos grasos libres para que no interfieran en la transesterificación del aceite. Este residuo puede ser convertido en jabón de uso doméstico, tanto para uso propio como para comercializarlo. Por otro lado, para poder hablar de una producción sostenible y eficiente de biodiésel es necesario considerar el destino final de la glicerina obtenida en el proceso. Para la opción de producción de biodiésel en comunidades de selva (donde las posibilidades de aprovechar industrialmente la glicerina son escasas), un uso potencial de este subproducto es el energético, con el fin de procurar el calor necesario en la reacción de transesterificación. En condiciones urbanas, este subproducto sí tendría un interesante valor comercial si se llega a purificar y vender a diferentes industrias. Este paso, documentado en algunas investigaciones en otros países, aún debe ser ensayado, evaluado y perfeccionado. Propuesta tecnológica para la producción de biodiésel a partir de insumos de descarte El escenario inicial previsto en el proyecto para la producción de biodiésel a partir de insumos de descarte lo constituían las propias plantas productoras de aceite, las cuales tienen un porcentaje de su producción de descarte y/o en malas condiciones por ranciamiento. Si bien esta idea se confirmó parcialmente durante la investigación (actualmente estos volúmenes de descarte se destinan a la fabricación de jabones o cosméticos), también se logró identificar un escenario de mayor potencial para la producción de biodiésel: el aprovechamiento de los aceites usados provenientes de restaurantes o industrias de alimentos. Para evaluar la producción de biodiésel a partir de estos insumos de descarte se diseñó un primer modelo tecnológico en base a la evaluación de prototipos existentes, tomando en cuenta los siguientes criterios: Facilidad para su construcción, operación y mantenimiento. Posibilidad de ser transportado. Dimensión adecuada para procesar el aceite de una experiencia piloto de producción real. Versatilidad para modificar los parámetros de producción (temperatura, agitación, tiempo, volúmenes de insumos) y para ampliar el equipo o incorporarle componentes anexos. Flexibilidad para trabajar con insumos diferentes. Durabilidad de los materiales. Seguridad en la operación. El funcionamiento de este modelo para la producción del biodiésel ha sido probado con aceite de cocina refinado, aceite de cocina usado proveniente del Tabla 3. Características del biodiésel obtenido según estándares internacionales. Mosaico Cient. 2(2)

7 José Calle, Javier Coello, Paula Castro. comedor universitario de la UNALM, y aceite de palma crudo. El biodiésel obtenido en estas pruebas cumple con las principales especificaciones técnicas para este tipo de combustible, lo cual nos indica que el modelo tecnológico construido permite realizar un proceso exitoso de transesterificación. En la Tabla 3 se presenta una comparación de las características fisicoquímicas del biodiésel producido y de los estándares internacionales para diesel 2 y para biodiésel. Figura 7.: Prensa hidráulica. Propuesta tecnológica para la producción de biodiésel en comunidades de selva El diseño del modelo tecnológico para la producción de biodiésel en comunidades de selva se realizó a partir de los siguientes supuestos: No se cuenta con energía eléctrica. Es necesario obtener el aceite a partir de los frutos o semillas. Se requiere utilizar materiales baratos y fáciles de conseguir. Se usarán aceites crudos que posiblemente necesiten un tratamiento de refinación previo. La operación del equipo debe ser sencilla para que los propios pobladores lo puedan manejar. Por ello, esta propuesta tecnológica ha considerado: Un prototipo de prensa hidráulica para la extracción de aceite. Pretratamiento del aceite: determinación de acidez libre, saponificación y filtrado. Un reactor de biodiésel construido en base a un barril de cerveza en desuso y con agitación manual y calentamiento de fuente externa, como por ejemplo por briquetas elaboradas en la misma prensa hidráulica a partir de las tortas o los residuos de los frutos y semillas de donde el aceite se extrajo y de la glicerina restante de la transesterificación. Un sistema de lavado del biodiésel similar al del modelo anterior. Adicionalmente, se construyó un modelo de prensa para la extracción de aceites, en base a una gata hidráulica, un armazón de fierro y un filtro hecho en acero inoxidable. La prensa fue utilizada con éxito para extraer aceite de diversas semillas y pulpa seca de frutos, como piñón, tempate, umarí, aguaje y pijuayo. Dado que su funcionamiento por lotes y su tamaño pequeño sólo permiten procesar poca cantidad de insumo, ideal para fines de investigación, a partir de este modelo se tendría que diseñar uno de mayor capacidad y que pueda ser utilizado con fines productivos. La prensa se puede observar en la figura 7. CONCLUSIONES La presente investigación ha avanzado en evaluar la viabilidad técnica de producir biodiésel a pequeña escala a partir de insumos oleaginosos no convencionales, en condiciones artesanales y a partir de aceites comestibles usados. Para el primer caso, aún resta evaluar si socialmente este proceso puede ser adoptado por los pobladores de comunidades rurales de la selva peruana y convertirse así en una fuente alternativa, local y renovable de energía eléctrica. En este escenario, la principal ventaja que presenta el biodiésel es la de facilitar el aprovisionamiento local de una fuente renovable de energía de manera simple y sostenible. Para el segundo caso, se considera que en el corto plazo, en el Perú, es posible emprender un proceso de producción de biodiésel a mediana escala orientado al aprovechamiento de aceites usados provenientes de restaurantes diversos para su uso como aditivo en vehículos diésel. Con esto se puede contribuir a paliar uno de los principales problemas de las grandes ciudades del país: la contaminación atmosférica. Con estos fines, cabe recomendar en el corto y mediano plazo: Estudiar la oferta de aceites comestibles usados en ciudades del país y su destino actual. Desarrollar la ingeniería y las estrategias de gestión necesarias para el diseño e implementación de 76 Mosaico Cient. 2(2) 2005

8 Opciones para la producción de biodiésel en el Perú sistemas distritales de producción de biodiésel, así como la logística de abastecimiento del aceite y alianzas estratégicas con municipios e instituciones ambientales. Implementar un sistema piloto de producción de biodiésel a nivel urbano aprovechando aceites comestibles usados, que muestre que el biodiésel es una opción viable en el Perú. Desarrollar estudios de prefactibilidad técnicoeconómicos para las diferentes posibilidades de producción de biodiésel a partir de oleaginosas amazónicas: Evaluar el potencial actual de poblaciones naturales de diversas oleaginosas amazónicas. Analizar la posibilidad de establecer plantaciones de estas especies para la producción de biodiésel en la selva peruana. Evaluar el interés de los palmicultores en derivar parte de su producción de aceite para la fabricación de biodiésel. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Ministerio de Energía y Minas (Perú). Balance Nacional de Energía Lima: El Ministerio; Ministerio de Transportes y Comunicaciones (Perú). Iniciativa Aire Limpio para Lima y Callao. Lima: El Ministerio; Mittelbach M. Diesel fuel derived from vegetable oils, VI: Specifications and quality control of biodiésel. Bioresource Technol 1996; 56: Tickell J. From the fryer to the fuel tank: the complete guide to using vegetable oil as an alternative fuel. 3rd ed. Covington (U.S.A): Tickell Energy Consultants; Zhang Y, Dubé MA, McLean DD, Kates M. Biodiesel production from waste cooking oil: 1. Process design and technological assessment. Bioresource Technol 2003; 89: Canakci M, Van Gerpen J. Biodiesel production from oils and fats with high free fatty acids. American Society of Agricultural Engineers 2001; 44(6): Álvarez P, Bustillo MD, Barriga F, Pereda J, Durán M. Producción de biodiésel a partir de residuos de industrias agroalimentarias. Rev Alimentación, Equipos y Tecnol 2003; 22(175): Sheehan J, Camobreco V, Duffield J, Graboski M, Shapouri H. An overview of biodiesel and petroleum diésel life cycles. Colorado (U.S.A.): National Renewable Energy Laboratory; Stratta J. Biocombustibles: Los aceites vegetales como constituyentes del biodiésel. Buenos Aires (Argentina): Bolsa de Comercio de Rosario; Direcciones para correspondencia: José Calle: jcalle@lamolina.edu.pe; Javier Coello: jcoello@itdg.org.pe; Paula Castro: paulacastrop@yahoo.com. Mosaico Cient. 2(2)