GRASAS ANIMALES PARA LA ELABORACIÓN DE BIODIESEL

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1 GRASAS ANIMALES PARA LA ELABORACIÓN DE BIODIESEL Incertis D. 1P ; Bolta A. 1 ; Pascual A. 2 1 Departamento de Proyectos de Ingeniería, Innovación, Desarrollo y Diseño Industrial y Rural. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Valencia. 2 Departamento de Medio Ambiente de AINIA (Instituto Tecnológico Agroalimentario), Valencia RESUMEN El presente documento muestra un estudio de la viabilidad del uso de las grasas animales en la producción de biodiesel. Se exponen las dificultades fundamentales que afectan a su aceptación como materia prima, así como los problemas que se derivan de su procesado. Finalmente se propone una metodología para minimizar éstos problemas, así como otras alternativas de uso como componente del biodiesel. ABSTRACT The present document describes a study about the viability of using animal fats in biodiesel production. Main problems that affect to its acceptation as raw material are exposed, as well as some problems derived from its processing. Finally, a method for minimising these problems is proposed, as well as other alternatives of use as biodiesel component. 1.- INTRODUCCIÓN Definición de biodiesel Según ASTM International (American Society for Testing and Materials), biodiesel se define como: Ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasa de animales, y que se emplea en los motores de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas de calefacción. 1338

2 1.2.- Problemática del uso de grasas animales En la actualidad, la producción de biodiesel pasa por un uso prácticamente total de aceites vegetales, tanto nuevos, como de cocina usados. Sin embargo el uso de las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, podría ser una forma viable de revalorización y aprovechamiento de residuos procedentes de mataderos e industrias de transformación animal, más aún cuando el mercado de la grasa de peor calidad, destinada a alimentación animal, ha perdido terreno tras la aparición del mal de las vacas locas desde Hasta ahora se han realizado muy pocos estudios referentes al uso de grasas animales para la producción de biodiesel. Las causas del bajo interés suscitado por el uso de esta materia prima son: La masiva producción de aceites vegetales, que crea excedentes, aparte del porcentaje de producción de oleaginosas no destinadas a consumo humano según se reguló en la reforma de la Política Agraria Común (PAC), en 1992, que básicamente consiste en dejar un % mínimo de la tierra de cultivo en barbecho pudiéndose cultivar únicamente si los fines son no alimentarios. La existencia de aceites vegetales alternativos, plantas oleaginosas más adaptadas y productivas aunque no destinadas a consumo humano, además de oleaginosas modificadas genéticamente como el aceite de girasol de alto oleico. El mercado abierto recientemente de recogida de aceites usados en restaurantes e industrias de fritura, además de la fuente potencial de aceites provenientes del sector doméstico. Mayor dificultad e incomodidad en el manipulado y transporte de las grasas animales debido a su estado de agregación a temperatura ambiente. Un peor comportamiento de las grasas durante el procesado en biodiesel, como se verá posteriormente. 1339

3 No se alcanzan todas las especificaciones exigidas por las distintas normativas, dependiendo de las condiciones en las que se ha llevado a cabo la reacción. Comportamiento problemático en los motores tanto en la inyección como en el encendido en frío. 2.- PROCESO DE ELABORACIÓN DEL BIODIESEL La reacción de transesterificación El biodiesel se obtiene por transesterificación de los triglicéridos de aceites y grasas con alcoholes ligeros, especialmente metanol, aunque también se puede usar etanol, en presencia de catalizadores ácidos (ácido sulfúrico), o básicos (NaOH, KOH), o en presencia de enzimas. El esquema general de la reacción es: R-COO-CH 2 H 2 C-OH R-COO-CH + 3 CH 3 OH NaOH 3 R-COO-CH 3 + HC-OH R-COO-CH 2 H 2 C-OH Grasa Metanol Ester Metílico Glicerol Fig. 1. Reacción de Transesterificación Como se puede observar, los reactivos o materias primas son grasas (vegetales o animales) y metanol y los productos de reacción son el biodiesel (éster metílico) y glicerol (o glicerina), que se trata de un subproducto revalorizable. 1340

4 2.2.- Las etapas del proceso A continuación se expone el diagrama de flujo del proceso en una planta piloto: PRETRATAMIENTO GRASA DECANTACIÓN FILTRADO ºC PRE CALENTADO + AGITACIÓN ADICIÓN METÓXIDO SÓDICO ºC CONTROL Tª TRANSESTERIFICACIÓN CONTROL Tª CONTROL Tª - ph 37 ºC LAVADO SEPARACIÓN GLICERINA LAVADO (AIREACIÓN) FILTRADO BIODIESEL 110 ºC CONTROL Tª Fig. 2. Diagrama de flujo de elaboración de biodiesel Especificaciones La siguiente tabla muestra las especificaciones que ha de cumplir el biodiesel según diferentes normas europeas y la ASTM norteamericana. Propiedades del Biodiesel Método UE Italia Austria ASTM Acidez total mg KOH/g ISO 660 < 0.5 < 0.5 < 0.8 < 0.8 Metanol % m/m DIN < 0.3 < 0.2 < 0.2 < 0.2 Monoglicéridos % m/m GCL < 0.8 < Glicerina libre % m/m GCL < < 0.02 < 0.02 Glicerina total % m/m HPLC < < 0.24 < 0.24 Índice de Yodo Cálculo 119 < < Fósforo mg/kg DIN < 10 < 10 < 20 - Agua mg/kg ISO 6296 < 500 < < 500 Densidad 15 ºC g/l Viscosidad mm 2 /s Azufre % m/m - < 0.01 < 0.01 < 0.02 < 0.05 Tabla 1. Propiedades del Biodiesel según diferentes normativas 1341

5 3.- IDENTIFICACIÓN DE LOS S DE PROCESADO A continuación se describe de forma esquemática los principales problemas que se observan en la cadena de procesado de biodiesel, desde su almacenamiento, hasta su utilización en un motor. CAUSA Aumento del nivel de ácidos grasos en la materia prima. Almacenamiento prolongado a temperaturas superiores a la de fusión de la grasa. Reacción incompleta, separación poco definida de los productos de reacción y niveles altos de glicerol total y triglicéridos. CAUSA Pequeño rango de T a donde es viable efectuar la reacción. Alto punto de fusión de la grasa y bajo punto de evaporación del metanol. Problemas de mezclado a temperaturas inferiores a la de fusión de la grasa y paro de reacción y toxicidad a temperaturas superiores a la de evaporación del metanol CAUSA Poca definición en la interfase de separación de los productos (éster y glicerina). Parece ser debido principalmente a la presencia de sólidos suspendidos en la grasa, que se acumulan en la interfase durante la separación. Pérdidas de éster durante los procesos de eliminación de glicerina y de lavado. CAUSA Alto valor de CFPP (Cold Filter Plug Point o Punto de Obturación del Filtro en Frío). Alto contenido en ácidos grasos saturados. Problemas de encendido del motor a bajas temperaturas. Problemas con la inyección del combustible. Contenido en aldehídos, cetonas, óxidos y ácidos de bajo 1342

6 CAUSA peso molecular. Oxidación de las cadenas de ácidos grasos. Generación de olores desagradables durante la combustión del éster. 4.- METODOLOGÍA DE MINIMIZACIÓN DE S Una vez identificados los problemas en el procesado, se plantean las siguientes soluciones para minimizar en la medida de lo posible sus consecuencias. Se indica así mismo el grado de consecución (verde: alto; rojo: bajo) SOLUCIÓN Aumento del nivel de ácidos grasos en la materia prima. Almacenamiento inferior a un mes en estado líquido tan cerca del punto de fusión como sea posible (>40 ºC). Almacenamiento prolongado en estado sólido. SOLUCIÓN SOLUCIÓN Pequeño rango de temperatura donde es viable efectuar la reacción. Control exhaustivo de la temperatura en todo el proceso mediante sensores y reguladores automáticos. Sistema de vacío para disminuir la temperatura de reacción. Poca definición en la interfase de separación de los productos (éster y glicerina). Filtrado previo y posterior a la reacción. No se obtienen los resultados esperados. Se recomienda investigación de otros métodos alternativos para la eliminación de éstos sólidos. Alto valor de CFPP (Cold Filter Plug Point o Punto de Obturación del Filtro en Frío). 1343

7 SOLUCIÓN Uso de lubricantes y anticongelantes. Disminuye el CFPP pero sigue siendo demasiado elevado. SOLUCIÓN Contenido en aldehídos, cetonas, óxidos y ácidos de bajo peso molecular. Eliminación mediante arrastre de vapor durante el lavado. Como se puede observar, los mayores problemas que impiden un uso óptimo de las grasas animales tienen que ver con la presencia de partículas sólidas no sedimentables y con el contenido elevado en ácidos grasos saturados. Las soluciones planteadas disminuyen de forma parcial las consecuencias, aunque actualmente no se consiguen resultados óptimos. 5.- ALTERNATIVAS La mejor alternativa que se propone para la inclusión de las grasas animales en la elaboración de biodiesel es la realización de la reacción de transesterificación mezclando las grasas con aceites vegetales, tanto nuevos como usados, en proporciones no superiores al 25 %. Con esto se asegura el cumplimiento de las especificaciones que dictan las diferentes normativas, aunque dependiendo de qué proporción de mezcla y del origen y naturaleza de los aceites vegetales empleados, se obtendrá una mayor o menor eficiencia en el rendimiento del motor. Otra alternativa que se propone es el uso de las grasas animales como aditivo del biodiesel. Por razones que todavía se desconocen, cuando el contenido en agua de un biodiesel se encuentra entre 600 y 1000 ppm, se ha demostrado que se reducen las emisiones de NOx tras la combustión (1996, D. Bradin). La adición de cierta cantidad de grasa a un biodiesel aporta la cantidad de agua necesaria para que se ajuste a las concentraciones reseñadas. 1344

8 6.- CONCLUSIONES Por todo lo visto anteriormente, se concluye que realmente es viable el uso de grasas animales como materia prima para la elaboración de biodiesel y que su inclusión en el incipiente mercado de este biocombustible puede ser inmediata debido a la situación generada por la encefalopatía espongiforme bovina, siempre y cuando se use como aditivo o en mezclas. No obstante, se aconseja la investigación de los procesos de reacción de las grasas en su comportamiento a nivel molecular y la búsqueda de aditivos que mejoren las propiedades del biodiesel. 7.- REFERENCIAS B. Rice, A. Frohlich, R. Leonard, W. Korbitz. 1997, Bio-diesel Production based on Waste Cooking Oil: Promotion of the Establishment of an Industry in Ireland. Alterner Contract No. XVII/4.1030/AL/77/95/IRL, Teagasc (Agriculture and Food Development Authority), Final Report. M. Camps, F. Marcos. 2002, Los Biocombustibles, Ed. MundiPrensa. pág ; Mittelbach, M. 2000, Five key Success Factors for the Modern Multi-Feedstock- Biodiesel Production Plant. Procedings of the 1 st World Conference and Exhibition on Biomass for Energy and Industry, Sevilla. G. Vicente, M. Martínez, J. Aracil. 2001, Biodiesel: Una alternativa real al gasóleo mineral. Ingeniería Química, Marzo 2001, pág CORRESPONDENCIA Dª Adelina Bolta Escolano. Departamento de Proyectos de Ingeniería, Innovación, Desarrollo y Diseño Industrial y Rural. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Valencia. Camino de Vera s/n Valencia (España). Tfno EXT FAX abolta@dpi.upv.es 1345