DESARROLLO DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE ACEITE VEGETAL PURO DE JATROPHA CURCAS PARA USO COMO COMBUSTIBLE DIRECTO O PARA FABRICACIÓN DE BIODIESEL

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1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 DESARROLLO DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE ACEITE VEGETAL PURO DE JATROPHA CURCAS PARA USO COMO COMBUSTIBLE DIRECTO O PARA FABRICACIÓN DE BIODIESEL Juan Peralta, Emérita Delgado, Gustavo Aveiga, Alfredo Barriga Centro Desarrollo Tecnológico Sustentable, Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Campus Gustavo Galindo, Km 30.5 vía Perimetral Apartado Guayaquil-Ecuador jperal@espol.edu.ec, eadelgad@espol.edu.ec, gaveiga@espol.edu.ec, abarriga@espol.edu.ec RESUMEN En este trabajo se muestra los avances del diseño, construcción y pruebas de operabilidad de un sistema de extracción mecánica de aceite vegetal de la semilla de Jatropha Curca con fines de uso para biocombustibles., considerando que dicho fruto no es comestible y que tiene una buena adaptación a suelos semiaridos o marginales, lo que implica, que no es competencia para productos agrícolas de consumo humano. Inicialmente se realizó una evaluación de la tecnología existente a nivel local y grado de adaptabilidad de la materia prima, grado de facilidad de obtención de semilla y campo finalmente se realizaron pruebas de laboratorio y campo para determinar los índices de productividad de aceite en función de la presión aplicada a la semilla. Palabras Claves: aceite, piñon, extracción, biocarburantes Introducción EL costo elevado de producción de derivados de petróleo y su impacto a la degradación del medio ambiente y su aportación al fenómeno de cambio climático mundial ha llevado a la necesidad de producir combustibles que se caractericen por tener el menor impacto posible durante su proceso de producción y utilización. Este es el caso particular de los biocombustibles ya sean bioetanol o biodiesel respectivamente. Hay una onda expansiva del desarrollo de Biocarburantes, que se juzga tanto por el aumento de la producción de biocombustibles a partir de especies agrícolas no tradicionales que no compitan con necesidades alimentarias, así como el desarrollo de tecnología para su aplicación. En el Ecuador se ha desarrollado la producción industrial de biodiesel se da a partir principalmente de la palma africana. La producción estimada de aceite de palma es TM aproximadamente, de los cuales pueden ser dedicados a exportación. Existen otros cultivos como la jatropha curcas (piñon), especie vegetal que en ciertas provincias del Ecuador se crece de manera silvestre. Aunque los diferentes esfuerzos desarrollados por varios investigadores a nivel nacional dedicado en el estudio de este campo de acción. Se conoce que no se ha desarrollado o adaptado en nuestro medio una tecnología completamente apropiada para la extracción eficaz aceite a partir del piñon. Se requiere empezar por un despulpador que seguido por un descascarador permita llegar a la semilla oleífera, esta tiene un contenido de 30% - 35% de aceite, el cual deberá extraerse por prensado y filtrado. El aceite vegetal virgen así obtenido, deberá luego ser procesado, para lograr las características del combustible que reemplace al diesel en el motor. El uso de aceites vegetales puros en motores es una posibilidad que requiere de continuo monitoreo de la calidad y características del mismo.

2 En la actualidad existente proyectos de generación eléctrica planteados por el gobierno, lo que a permitido que el valor comercial de la semilla se refleja en el precio del quintal de piñón en cáscara es de 10 dólares, mientras que en semilla es de 14 dólares., lo cual permite, pensar en un mercado rentable para los próximos años del aceite de piñón. METODOLOGÍA Dentro de este marco de desarrollo el Centro de Desarrollo Tecnológico Sustentable de la ESPOL busca como objetivo de trabajo facilitar la transición tecnológico-comercial hacia el uso de combustibles más naturales en el Ecuador. Como primer punto se realizaron visitas a centros locales de producción y procesamiento de semilla, particularmente el INIAP, Portoviejo, en donde se investiga en mejorar la calidad de cultivo e índices de productividad. Durante esta etapa se recolecto las primeras muestras de semilla para empezar las pruebas en laboratorio del cabezal de extracción diseñado. Figura 1. Visitas Técnicas Figura 2. Recolección de Semillas Tabla.1 Características de las semillas Cáscara Contenido Masa 60% 40% Harina Proteína Cruda 25,6 4,5 61,2 Lípidos (aceite crudo) 56,8 1,4 1,2 Cenizas 3,6 6,1 10,4 Fibra detergente neutra 3,5 85,8 8,1 Fibra detergente ácida 3,0 75,6 6,8 Lignina ácido detergente 0,1 47,5 0,3 Energía bruta (MJ/Kg.) 30,5 19,5 18,0 Fuente EPN Ing.Oswaldo Proaño. En Ecuador, se estima que en la provincia de Manabí existen 7 mil kilómetros de cerca viva de piñón, por ende existe cierta experiencia en la extracción de aceite por el mecanismo de extrusión por parte del INIAP en

3 Portoviejo; el equipo de aproximadamente un metro de largo cuenta con tornillo sin fin de un diámetro externo aproximado de 8cm girando a 60 rpm las cuales son generadas por un motor de 10 HP de potencia. Figura 3. Molino de Extracción, INIAP El equipo de extracción de aceite diseñado se basa en el concepto que consiste en un cabezal cilíndrico de extracción donde el material fresco es empujado por un pistón cilíndrico. El cilindro es accionado por una prensa que transmite la fuerza necesaria para el proceso de extracción. El aceite es extraído y liberado por canales longitudinales (hendijas) y es recogido por un sistema de captación que acaba en un tubo de salida. Finalmente, la torta que se genera del proceso de extracción solo por un orificio en el centro del plato. Figura 4. Diseño de Forma del Cabezal Para lograr la extracción completa de las diferentes fases de aceite se utiliza una camisa térmica (formada por una resistencia eléctrica alrededor de la parte superior de la jaula de ardilla) que tiene como objetivo disminuir la viscosidad del fluido producidos por medio del calentamiento térmico de la masa bajo extrusión. Este calentamiento debe ser limitado y controlado por un medidor de caratula (entre grados centígrados) para no alterar a su vez otras características intrínsecas del aceite, por ser termo-labile. Figura 6. Accesorios Figura 5. Cabezal Armado y camisa térmica

4 En la etapa de laboratorio se realizaron pruebas tomando en cuenta las condiciones físicas de la semilla, esto es: con testa o sin ella, molida o entera. Considerar que influencia tiene la temperatura en la separación de aceite, al igual que la forma de la camisa que contiene la semilla para ser sometida a presión por medio Maquina Imstróm.. Figura 7. Extracción de Aceite Figura 8. Torta formada luego de la Extracción Conocida la presión mínima para lograr la extracción de aceite se procedió a construir una prensa hidráulica con una capacidad máxima de trabajo de 6000 psi, a ser utilizada en las pruebas de campo con semilla entera principalmente. Figura 9. Prensa de Extracción En el sistema ensamblado se realizaron una serie de prueba con el fin de obtener la curva característica que relacione la presión aplica y el volumen de extracción de aceite de la semilla piñón. Como se puede apreciar la presión de trabajo mínima es muy parecida a la determinada en laboratorio. Finalmente se está realizando la optimización del sistema de extracción continuo por medio de un tornillo sinfín, a través de la selección de los componentes y accesorios apropiados principalmente el motorreductor en función de la demanda de presión de extracción de aceite para la semilla de piñón. RESULTADOS A continuación se presenta un resumen de las mediciones realizadas durante los diferentes ensayos de laboratorio y pruebas de campo. Cabe indicar que las semillas utilizadas presentan una humedad promedio alrededor del 20% Tabla 2. Resultados con Semilla Molida anillo de anillo de 19mm 22 mm

5 anillo de 16mm masa de entrada (gr) ,2 164,3 temperatura ( C) (gr) 24,7 28,4 23 corregido (gr) 27,1 29,8 24,2 total (gr) 189,7 195,4 183,7 Porcentaje (%) carga mínima (ton) carga máxima (ton) torta o gabazo (gr) 140,3 138,8 141,3 Fuente : Propia Tabla 3. Resultados con Semilla Entera anillo de 16mm anillo de 19mm anillo de 22 mm masa de entrada (gr) ,8 temperatura ( C) (gr) 21,8 22,7 17,1 corregido (gr) 22,9 23,9 17,9 total (gr) 166,8 164,7 159,9 Porcentaje (%) carga mínima (ton) carga máxima (ton) torta o gabazo (gr) 123,2 119,3 125,7 Fuente: Propia En la etapa de pruebas de campo se utilizó una masa inicial de 200, 300, y 2000 gramos respectivamente, con el fin de obtener suficiente datos (20 pruebas) que por medio del análisis grafico de las muestras procesadas podemos obtener los coeficientes de participación

6 MUESTRA DE SEMILLA (G) Prueba 1 Prueba 2 Prueba VOLUMEN DE ACEITE EXTRAIDO (ML) Figura10. Relación masa vs volumen de extracción La relación de gramos de semilla y volumen en mililitros de aceite extraídos en función de los coeficientes de partición (Cp) que están presente dentro del rango 5.015<-Cp<5.249, con lo que se puede validad las pruebas realizadas por su grado de similitud. CONCLUSIONES A partir de los ensayos realizados podemos concluir lo siguiente: La presión mínima de operación para la extracción de aceite es de 3000 psi trabajando con semilla sin preprocesar. Esta información es fundamental para el diseño de sistemas de extracción a escala comercial. Cuando se utiliza la camisa térmica en el cabezal de extracción la temperatura debe alcanzar los 60 ºC en el centro del cilindro y en el exterior 75 ºC, para evitar posibles alteraciones en la calidad del aceite. El máximo rendimiento de extracción de aceite de piñón fue de 20.91%, mientras que el mínimo de 15.02%. RECOMENDACIONES Se debe controlar la humedad o variables externas que afecten las condiciones de la semilla. Preferiblemente se debe trabajar con semilla recolectara recientemente REFERENCIAS 1. Barriga, A. (2008). Produccion y Uso de Aceite Vegetales y Biodiesel en el Ecuador. Obtenido de CDTS. 2. Brittaine, R. (2010). Jatropha: A Smallholder Bioenergy Crop. Roma: FAO. 3. Huerga, I. (2008). Física del Fruto de la Jatropha. IMTA. 4. INIAP. (5 de 2009). PIÑON Jatropha curcas L: PROYECTOS DE INVESTIGACION ENECUADOR. Brasilia. 5. Lozano, J. A. (2008). Jatropha Curcas L.. Obtenido de Agro-Energía. 6. Ltda, C. E. (s.f.). Ficha técnica de la jatropha curcas. Recuperado el Mendoza, H. (10 de 2008). IMPACTO AMBIENTAL DEL CULTIVO Y PRODUCCION DEL PIÑON (Jatropha curcas) PARABIOCOMBUSTIBLES. Quito. 8. Núñez, M. Y. (diciembre 2009). Estudio descriptivo del comportamiento del piñón (Jatropha curcas L.) en el departamento de Yoro, Honduras. 9. Posso, E. R. (2009). CULTIVOS ENERGÉTICOS ALTERNATIVOS. Ibarra: Grupo Seritex. 10. Proaño, I. O. (2008). Propiedades y Procesamiento del Piñón para Biocombustibles. EPN.