Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales

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1 14 Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales Dayna M Ortiz-Rodríguez, Francisco M Márquez-Linares Nanomaterials Research Group, School of Science and Technology, Universidad del Turabo, Gurabo, 00778PR, USA dortiz23@ .suagm.edu, fmarquez@suagm.edu Resumen. Uno de los grandes impactos que ha tenido el ser humano en el mundo es la consecuencia del uso de los recursos naturales del planeta, cuya finalidad ha sido el abastecimiento energético para el desarrollo económico y tecnológico. Este desarrollo económico ha causado un aumento en la demanda de bienes y servicios en países industrializados, y a su vez ha provocado un aumento en el consumo per cápita de energía a nivel mundial. Por tal razón, es muy importante el desarrollo de nuevas alternativas energéticas, para reducir la dependencia actual con el petróleo y al mismo tiempo disminuir el impacto de las emisiones de gases de efecto invernadero al medio ambiente. Como alternativa al uso de combustibles fósiles se encuentra el biodiesel, que es biodegradable, eco amigable, y económico. El biodiesel puede ser producido, por medio de la reacción de transesterificación de un aceite vegetal nuevo o usado (por ejemplo de girasol, maíz u oliva) con un alcohol de cadena corta (metanol) en presencia de un catalizador (NaOH). En el presente trabajo hemos obtenido biodiesel procedente de estos tres tipos de aceites vegetales que han sido posteriormente caracterizados. Se han realizado diversas pruebas de calidad y eficiencia para garantizar la calidad del biodiesel obtenido. Los resultados obtenidos indican que el aceite de girasol es el que proporciona una mejor eficiencia al biodiesel de síntesis, seguido por el de maíz y el de oliva. Las emisiones de CO 2 que podrían afectar el medio ambiente fueron, en todos los casos, inferiores al 4.1%. Palabras clave: Biodiesel, transesterificación, aceites vegetales, prueba de calidad, eficiencia. Production of Biodiesel from Vegetable Oils Abstract. One of the major impacts that humans have had on the world is the consequence of the use of natural resources of the planet, whose purpose has been the energy supply for economic and technological development. This economic development has caused an increase in the demand for goods and services in industrialized countries, and in turn has led to an increase in per capita consumption of energy worldwide. For this reason, it is very important to develop new energy alternatives to reduce the actual dependence on petroleum and, at the same time, reduce the impact of emissions of greenhouse gases to the environment. An alternative to using fossil fuels is biodiesel, which is biodegradable, eco-friendly, and represents an economical source of energy. Biodiesel may be produced by the transesterification reaction of new or used vegetable oils (for example sunflower, corn, or olive oil) with a short chain alcohol (methanol) in the presence of a catalyst (NaOH). In the present work we have synthesized biodiesel from these three types of vegetable oils that have been subsequently characterized. Different chemical tests have been used to ensure the quality of the biodiesel obtained. The results indicate that sunflower oil provided better efficiency biodiesel, followed by corn and olive oils. CO 2 emissions that could affect the environment were, in all cases, less than 4.1%. Keywords: Biodiesel, transesterification, vegetable oils, quality test, efficiency. Introducción El impacto ocasionado en el medio ambiente por el uso de combustibles fósiles ha motivado la necesidad de buscar otros tipos de energías sostenibles. El biodiesel representa una de las alternativas más interesantes. El biodiesel (fundamentalmente basado en ésteres metílicos de ácidos grasos) es un combustible que se puede sintetizar por transesterificación de los triglicéridos de aceites vegetales, grasas animales, o incluso a partir de aceites o grasas procedentes de residuos vegetales o

2 15 animales (Shi y Wang 2012). En las grasas animales y aceites vegetales hay una mezcla variable de ácidos grasos y triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol, y glicerol (García 2007). En la reacción de transesterificación (Figura 1), una molécula de triglicérido reacciona con tres moléculas de alcohol (normalmente metanol o etanol) para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerol; obteniéndose así un aproximado del 10% de glicerina y un 90% de biodiesel del producto total (García 2007). Figura 1. Reacción de Transesterificación. El glicerol producido en la reacción de transesterificación, una vez recuperado y refinado puede emplearse en distintos sectores entre los que destacan la industria química (plásticos, pinturas, conservantes), cosmética, y farmacéutica (Larosa 2001). El uso de biodiesel presenta importantes ventajas frente a otros combustibles derivados del petróleo. Su índice de cetano es más alto que el del diesel de petróleo, no contiene azufre, reduce las emanaciones de CO 2, CO, partículas e hidrocarburos aromáticos, en caso de accidente los vertidos son menos contaminantes que los de combustibles fósiles, es biodegradable y su transporte y almacenamiento resulta más seguro que el de los petroderivados, ya que posee un punto de ignición más elevado (Rodríguez et al. 2011). Experimental Materiales Se utilizaron tres aceites vegetales nuevos: aceite de oliva 100% extra virgen, aceite de girasol y aceite natural de maíz 100% puro. NaOH (hidróxido de sodio) se utilizó en pellets y fue proporcionado por Fisher Scientific, 99.3%. Metanol anhidro fue proporcionado por Fisher Scientific (99.9%). Las mediciones de ph se realizaron mediante un ph-metro de electrodo (Mettler Toledo). Las medidas de viscosidad se realizaron empleando un viscosímetro tipo Cannon Fenske. Las mediciones de eficiencia y emisión de gases se realizaron empleando un motor diesel de pruebas Gunt Hamburgo CT110. Procedimiento Una cantidad apropiada de catalizador (NaOH) se mezcló con 100 ml de metanol, para obtener metóxido de sodio (CH 3 ONa). A continuación se midieron 500 ml de cada aceite vegetal (girasol, oliva y maíz), los cuales se calentaron hasta alcanzar una temperatura de 70 C. Cuando la temperatura del aceite se estabilizó a 70 C

3 16 alcanzó dicha temperatura, y después de transcurrir un tiempo adecuado, se dejó reposar hasta que la temperatura quedó estabilizada a 40 C. A continuación, a cada aceite previamente tratado a temperatura, se adicionó la disolución de metóxido sódico. La mezcla se mantuvo en agitación magnética durante 2 horas a 40 C, dando como resultado disoluciones homogéneas. Estas disoluciones fueron introducidas en sendos embudos de decantación. Con objeto de facilitar la separación de fases, las disoluciones se mantuvieron en estos embudos durante un mínimo de 48 horas. Como resultado, se formaron dos fases diferentes que pudieron ser separadas (ver Figura 2). Figura 2. Formación de dos fases tras la reacción de transesterificación: glicerina en la parte inferior y el biodiesel de síntesis en la parte superior. Pruebas de Calidad Para comprobar la calidad del biodiesel obtenido se realizaron diversas pruebas. La prueba de metanol consistió en mezclar 5 ml de biodiesel con 45 ml de metanol. Dicha mezcla se agita moderadamente durante unos segundos. Si hay residuos de aceite en el fondo del recipiente, significa que no todo el aceite ha reaccionado con el CH 3 ONa. La prueba de agua, consistió en mezclar 10 ml de agua con 10 ml de biodiesel. Esta mezcla se agita moderadamente durante unos segundos dando lugar a la formación de dos capas claramente separadas. La no aparición de estas dos fases puede deberse a que las reacciones no se han completado, y/o al uso de exceso de catalizador. Como era de esperar, ninguno de los tres biodiesel obtenidos pasó las pruebas de calidad de metanol y agua, por lo que fue necesario reprocesarlos (Knothe 2005). El reprocesado se realiza mediante la adición de metanol, en una proporción adecuada, al biodiesel producido. La mezcla se homogeneiza mediante agitación magnética y se calienta moderadamente a 40 C. A continuación, la mezcla de reacción se transfiere a un embudo de decantación y se deja en reposo durante un día. La glicerina es, de nuevo, separada del biodiesel, y se vuelven a realizar las primeras dos pruebas de calidad. Después de este nuevo procesado, el biodiesel obtenido a partir de las tres muestras de aceite cumplió con las mismas. El reprocesado se debe llevar a cabo cuando no todo el aceite vegetal reacciona por completo con el alcohol. Si hay

4 17 aceite sin reaccionar en el biodiesel podría aumentar la viscosidad y bajar en el punto de ignición, dando lugar a posibles efectos adversos para el motor (Addison 2002). Una vez que el biodiesel pasó las primeras dos pruebas de calidad (ver Figura 3), se procedió al lavado del mismo. Se realiza una prueba de lavado, para cada biodiesel, con 1/3 de agua por cada 50 ml de biodiesel. Después de agitar esta solución durante 5 minutos, en un agitador magnético, la mezcla se introduce en un embudo de separación durante 1 hora. En el embudo de separación se aprecia el agua en la parte inferior y el biodiesel en la parte superior. La separación de las dos fases se produjo de manera correcta por lo que se continúa con el lavado del lote completo (ver Figura 4). Después del lavado del lote completo del biodiesel se determinó su viscosidad a las temperaturas de 20 C y 40 C. El ph debe ser aproximadamente 7.00 (neutro), puesto que de lo contario se podrían dañar las válvulas del motor (Addison 2002). En todos los casos, el ph del biodiesel estuvo en un intervalo próximo al ideal (6.80 a 7.20). El siguiente paso es secar el biodiesel. El secado es importante para asegurar la completa eliminación de agua y cualquier otro residuo presente que pueda afectar al posterior uso del biodiesel. El procedimiento consistió en calentar el biodiesel a 48 C para evaporar el agua residual presente en el biodiesel. Si el biodiesel obtenido no tiene turbidez y presenta una apariencia cristalina, es una buena señal de que los residuos de agua se han evaporado y el mismo está limpio y listo para ser utilizado. El biodiesel sintetizado en este trabajo mostró esas características. Por último, se realizaron las pruebas de eficiencia y emisión de gases en un motor diesel de pruebas Gunt Hamburgo CT110. Figura 3. Pruebas de calidad de metanol (a) y agua (b), después del reprocesamiento del biodiesel.

5 18 Figura 4. Lavado del lote completo. Resultados y Discusión Es importante mencionar que las reacciones se desarrollaron empleando diferentes cantidades de catalizador. Las reacciones de síntesis se desarrollaron en medio básico y, para ello, se emplearon diversas cantidades de NaOH (0.25 g, 0.50 g, 1.00 g y 1.75 g). Los mejores resultados se obtuvieron utilizando 1.75 g de NaOH. En estas condiciones, se produjo menos jabón en la prueba de agua y en el lavado, y se formó menos cantidad de aceite sin reaccionar, en la prueba de metanol. La prueba de viscosidad dinámica se realizó en los aceites a dos temperaturas: 20 C y 40 C. La viscosidad de un fluido es la medida de su resistencia, a desplazarse de un lugar a otro (Ferreira et al. 2009). A mayor temperatura menor es la viscosidad del biodiesel. El biodiesel de aceite de oliva obtuvo una mayor viscosidad en ambas temperaturas. Él biodiesel de girasol tiene la menor viscosidad a 20 C, y el biodiesel de maíz tiene la menor viscosidad a 40 C. Con relación, a las pruebas de eficiencia y de emisión de gases, el biodiesel de girasol obtuvo la mejor eficiencia, seguido por el de maíz, y por último el de oliva, que además de ser el de menor eficiencia, también fue el que produjo mayor cantidad de emisiones de CO y CO 2. Conclusión El biodiesel producido a partir de aceites de maíz, girasol y oliva pasó las pruebas de calidad. Las pruebas de viscosidad revelaron que a 20 C el biodiesel de girasol muestra una viscosidad más baja. A 40 C, el biodiesel de maíz tuvo una viscosidad baja, por lo que, previsiblemente, tanto el de girasol como el de maíz podrían ser los más apropiados para su posterior uso. El estudio de la eficiencia de las muestras de biodiesel obtenidas a partir de los tres aceites vegetales ha permitido establecer que el biodiesel más apropiado es el obtenido a partir de girasol, seguido por el maíz y por último el de oliva. El biodiesel de oliva, debido a su elevada viscosidad, podría tener efectos negativos que afecten a la eficiencia del motor. En general, las pruebas de emisión de gases resultaron ser positivas, demostrando que el biodiesel sintetizado emite un volumen mínimo de gases, en comparación con los combustibles fósiles.

6 19 Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado por el Departamento de Energía a través del proyecto Massie Chair en la Universidad del Turabo. DO agradece a la Escuela de Ciencias y Tecnología de la Universidad del Turabo, por la ayuda como Asistente de Cátedra. Referencias Citadas Addison K Biodiesel and your vehicle. Journey to forever. [Internet]. [cited 2013 Oct 21].Available from: vehicle.html#reprocess. Ferreira AP, da Costa CR, do Espírito DM, Real JR, Guimares PR, Paraguassu LH Metrological approach in the characterization of viscosity of corn biodiesel relative to temperature, using capillary viscometers. Fund App Metrology. (34): García JZ Evaluación de materiales vegetales y residuales oleaginosos para la producción de biodiesel en el Salvador. Universidad de El Salvador, El Salvador Knothe G, Gerpen VJ, Krahl J The Biodiesel Handbook.1 Edition, AOCS Press, Illinois, USA. Larosa R J.. Proceso para la Producción de Biodiesel. ZOE Tecno Campo. [Internet] [cited 2013 Oct 25]. Available from: biodie_lar.htm. Rodríguez MC, Osario M, Obón JM, Alacid MC Enseñando tecnologías: Biodiesel a partir de aceites usados. II Jornadas sobre la enseñanza de las ciencias y las ingenierías Shi H, Yuan M, Wang T Design of biodiesel production processes bybase catalyzed transesterification. Adv Mat Res. ( ):