- Biodiésel
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Muestra de biodiésel.
El biodiésel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo,[1] mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo.
El biodiésel puede mezclarse con gasóleo procedente del refino del petróleo en diferentes cantidades. Se utilizan notaciones abreviadas según el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla: B100 en caso de utilizar sólo biodiésel, u otras notaciones como B5, B15, B30 o B50, donde la numeración indica el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla.
El aceite vegetal, cuyas propiedades para la impulsión de motores se conocen desde la invención del motor diésel gracias a los trabajos de Rudolf Diesel, ya se destinaba a la combustión en motores de ciclo diésel convencionales o adaptados. A principios del siglo XXI, en el contexto de búsqueda de nuevas fuentes de energía, se impulsó su desarrollo para su utilización en automóviles como combustible alternativo a los derivados del petróleo.
El biodiésel descompone el caucho natural, por lo que es necesario sustituir éste por elastómeros sintéticos en caso de utilizar mezclas de combustible con alto contenido de biodiésel.
El impacto ambiental y las consecuencias sociales de su previsible producción y comercialización masiva, especialmente en los países en vías de desarrollo o del Tercer y Cuarto mundo generan un aumento de la deforestación de bosques nativos, la expansión indiscriminada de la frontera agrícola, el desplazamiento de cultivos alimentarios y para la ganadería, la destrucción del ecosistema y la biodiversidad, y el desplazamiento de los trabajadores rurales.
Se ha propuesto en los últimos tiempos denominarlo agrodiésel ya que el prefijo «bio-» a menudo es asociado erróneamente con algo ecológico y respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, algunas marcas de productos del petróleo ya denominan agrodiésel al gasóleo agrícola o gasóleo B, empleado en maquinaria agrícola.
Automóvil emblemático de la marca Mercedes-Benz, con motor adaptado al consumo de biodiésel, en Alemania.Antecedentes históricos
La transesterificación de los aceites vegetales fue desarrollada en 1853 por los científicos E. Duffy y J. Patrick, muchos años antes de que el primer motor diésel funcionase. El primer modelo de Rudolf Diesel, un monocilíndrico de hierro de 3 metros con un volante en la base funcionó por vez primera en Augusta (Alemania), el 10 de agosto de 1893. En conmemoración de dicho evento, el 10 de agosto se ha declarado "Día Internacional del Biodiésel". Diesel presentó su motor en la Exposición Mundial de París de 1898. Este motor es un ejemplo de la visión de Diesel, ya que era alimentado por aceite de cacahuete –un biocombustble, aunque no estrictamente biodiésel, puesto que no era transesterificado-. Diesel quería que el uso de un combustible obtenido de la biomasa fuese el verdadero futuro de su motor. En un discurso de 1912, dice: “el uso de aceites vegetales para el combustible de los motores puede parecer insignificante hoy, pero tales aceites pueden convertirse, con el paso del tiempo, importantes en cuanto a sustitutos del petróleo y el carbón de nuestros días”.
Durante los años veinte, los fabricantes de motores diésel adaptaron sus propulsores a la menor viscosidad del combustible fósil (gasóleo) frente al aceite vegetal. La industria petrolera amplió así su hueco en el mercado de los carburantes porque su producto era más económico de producir que la alternativa extraída de la biomasa. El resultado fue, por muchos años, la casi completa desaparición de la producción de combustibles a partir de biomasa. Sólo recientemente la preocupación por el impacto ambiental y la menor diferencia de precios han hecho de los biocombustibles una alternativa válida.
A pesar del increíble uso de los derivados del petróleo como combustibles, durante los años veinte, treinta y la posguerra mundial, varios países (entre ellos Argentina) informaron de haber usado aceites como sustituto del diésel. Se detectaron problemas por la diferencia de viscosidad entre el aceite y el diésel, que producía depósitos dentro de la cámara de combustión y los inyectores. Algunos intentos para superar esto fueron aplicar una pirólisis y craqueo al aceite, mezclarlo con diésel de petróleo o etanol, o calentarlo.
El 31 de agosto de 1937, G. Chavanne de la Universidad de Bruselas, Bélgica, obtuvo la patente por “transformar aceites vegetales para su uso como combustibles”. La patente describía la transesterificación del aceite usando etanol o metanol para separar la glicerina de los ácidos grasos y reemplazarla con alcoholes de cadenas cortas. Esta fue la primera producción de biodiésel.
Más recientemente, en 1977, Expedito Parente, científico brasileño, inventó y patentó el primer proceso industrial de producción de biodiésel. Actualmente, Tecbio, la empresa de Parente, trabaja junto con Boeing y la NASA para certificar bio-queroseno.
Entre 1978 y 1996, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) estadounidense ha experimentado el uso de algas como fuente de biodiésel, dentro del Aquatic Species Program. La experimentación del NREL, tras 16 años, está estancada debido a que el programa de investigación carece de financiación.
En 1979 se iniciaron en Sudáfrica investigaciones sobre cómo transesterificar aceite de girasol en diésel. Finalmente en 1983, el proceso de cómo producir biodiésel de calidad fue completado y publicado internacionalmente. Gaskoks, una industria austríaca, obtuvo esta tecnología y estableció la primera planta piloto productora de biodiésel en 1987 y una industrial en 1989.
Durante la década de los 90, se abrieron muchas plantas en muchos países europeos, entre ellos la República Checa, Alemania y Suecia.
En los años noventa, Francia ha lanzado la producción local de biodiésel (conocido localmente como diéster) obtenido de la transesterificación del aceite de colza. Va mezclado en un 5% en el combustible diésel convencional, y en un 30 % en el caso de algunas flotas de tranporte público. Renault, Peugeot y otros productores han certificado sus motores para la utilización parcial con biodiésel, mientras se trabaja para implantar un biodiésel del 50%.
Francia empezó una producción local de biodiésel el cual se mezclaba en un 30% con diésel para transporte público. Renault y Peugeot certificaron motores de camiones con uso parcial de biodiésel (alrededor del 50%). Durante el año 1998 se identificaban 21 países con proyectos comerciales de biodiésel.
En septiembre del año 2005, Minnesota fue el primer estado estadounidense que obligaba un uso de, al menos, un 2% de biodiésel.
En 2008, la ASTM (American Society for Testing and Materials) publicó los estándares y especificaciones de mezcla de biodiésel.
Propiedades
El biodiésel se describe químicamente como compuestos orgánicos de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga y corta.
El biodiésel tiene mejores propiedades lubricantes y mucho mayor índice de cetano que el diésel de poco azufre. El agregar en una cierta proporción biodiésel al gasóleo reduce significativamente el desgaste del circuito de combustible; y, en baja cantidad y en sistemas de altas presiones, extiende la vida útil de los inyectores que dependen de la lubricación del combustible.
El poder calorífico del biodiésel es 37,27 MJ/L (megajulio por litro) aproximadamente. Esto es un 9% menor que el diésel mineral. La variación del poder calorífico del biodiésel depende de la materia prima usada más que del proceso.
El biodiésel es líquido a temperatura ambiente y su color varía entre dorado y marrón oscuro según el tipo de materia prima usada. Es inmiscible con el agua, tiene un punto de ebullición alto y baja presión de vapor. Su punto de inflamación (superior a 130 °C) es mucho mayor que el del diésel (64 °C) o la gasolina (-40 °C). Tiene una densidad de aproximadamente 0,88 g/cm3, menos que el agua.
Más allá, no tiene virtualmente ningún contenido de azufre y se suele mezclar como aditivo con el diésel de bajo contenido en azufre.
Compatibilidad con materiales
Plásticos
Es compatible con el polietileno de alta densidad. Al PVC lo degrada lentamente. Algunos polímeros los disuelve al contacto directo.
Metales
Afecta a materiales basados en el cobre, también ataca el zinc, el estaño, el plomo y el hierro fundido. Los materiales de acero inoxidable y aluminio son inmunes.
Caucho
El biodiésel descompone al caucho natural de algunos componentes de motores antiguos.
Gelificación
Cuando el biodiésel se enfría hasta determinado punto, algunas moléculas se agregan y forman cristales. El combustible empieza a “nublarse” una vez que los cristales se hacen grandes (un cuarto de la longitud de onda de luz visible). Este punto se llama punto de enturbiamiento. Cuanto más frío esté el combustible, mayores son los cristales. La menor temperatura en la cual el biodiésel pasa por un filtro de 45 micrones se la llama punto de obstrucción de filtros en frío (CFPP en inglés). A menores temperaturas el biodiésel se convierte en gel y luego solidifica. Dentro de Europa, hay mucha diferencia en este punto entre países. La temperatura en la cual el biodiésel puro comienza a gelificarse depende de la mezcla de ésteres y, consecuentemente, de la materia prima usada. Por ejemplo, si se produce a partir de sebo, tiende a convertirse en gel cerca de los 16 °C.
Hay muchos aditivos que se le agregan al biodiésel para disminuir esta temperatura. Otra solución es mezclar biodiésel con diésel o queroseno. Otra es tener un tanque secundario de biodiésel acompañando al del diésel de petróleo: el primero arranca y calienta el segundo, y una vez alcanzada la temperatura necesaria, se cambia la alimentación.
Contaminación por agua
El biodiésel puede contener pequeñas cantidades de agua, pero son problemáticas. Aunque el biodiésel no es miscible con el agua, es higroscópico como el etanol, es decir, absorbe el agua de la humedad atmosférica. Una de las razones para que el biodiésel sea higroscópico es la persistencia de los mono y diglicéridos sobrantes de una reacción incompleta. Estas moléculas pueden actuar como un emulsionante, permitiendo que el agua se mezcle con el biodiésel.[cita requerida] Por otro lado, puede haber agua residual debido al tratamiento o como resultado de la condensación del tanque de almacenamiento. La presencia de agua es un problema porque:
- El agua reduce el calor de combustión del combustible a granel. Esto significa más humo, mayores dificultades en el arranque, menor rendimiento energético.
- El agua causa la corrosión de los componentes vitales del sistema de combustible: las bombas de combustible, bombas de inyección, líneas de combustible, etc.
- El agua y los microbios que la acompañan atascan y estropean los filtros de papel para el combustible, lo que a su vez se traduce en un fallo prematuro de la bomba de combustible debido a la ingestión de partículas grandes.
- El agua se congela para formar cristales de hielo cerca de 0 °C (32 °F). Estos cristales proporcionan sitios para la nucleación y aceleran la gelificación del combustible residual.
- El agua acelera el crecimiento de las colonias de microbios, que pueden obstruir el sistema de combustible. Hay informes de usuarios de biodiésel que han calentado los depósitos de combustible para hacer frente al problema de los microbios.
- Además, el agua puede producir picaduras en los pistones de un motor diésel.
Reacciones de síntesis
El proceso de transesterificación consiste en combinar el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol, y deja como residuo de valor añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras.
Transesterificación
Las grasas de animales y plantas están hechas típicamente de triglicéridos, que son ésteres de ácidos grasos libres con glicerol. En el proceso, el alcohol es deprotonado (removido de un catión hidrógeno de una molécula) con una base para formar un nucleófilo (anión con un par de electrones libres) más fuerte. Comúnmente son usados etanol y metanol. Como se ve en el diagrama, la reacción no tiene otros reactivos más que el triglicérido y el alcohol.
En condiciones ambientales normales, la reacción puede no ocurrir o hacerlo de manera muy lenta. Se usa el calor para acelerar la reacción, además de un ácido o una base. Es importante notar que el ácido o la base no son consumidos durante la reacción, es decir, son catalizadores. Casi todo el biodiésel es producido a partir de aceites vegetales vírgenes usando una base como catalizador debido a que es el método más económico, requiriendo bajas temperaturas y presiones y obteniendo una conversión del 98%. Sin embargo, hay otros métodos que usan ácidos como catalizadores que son más lentos.
Un ejemplo de la transesterificación mostrado en fórmula esquelética.Durante el proceso de esterificación, el triglicérido reacciona con un alcohol en presencia de un catalizador, generalmente hidróxidos fuertes (NaOH o KOH). El propósito de hacer una valoración ácido-base es para saber cuánta base es necesaria para neutralizar todos los ácidos grasos libres y, entonces, completar la reacción.
Transesterificación usando bases
En este caso, la transesterificación se realiza usando una base fuerte, capaz de deprotonar el alcohol, como catalizador. Comúnmente, la base es disuelta en el alcohol para dispersarla en todo el aceite. El hidróxido debe ser muy seco: cualquier cantidad de agua en el proceso aumenta las probabilidades de saponificación, y producir jabones consumiendo la base. Una vez hecha la mezcla de alcohol y base, es agregada al triglicérido.
El átomo de carbono del grupo carbonilo del éster del triglicérido tiene una leve carga positiva y el átomo de oxígeno del grupo carbonilo tiene una pequeña carga negativa. Esta polarización del grupo C=O es la que atrae al ion del hidróxido (RO-) al lugar de reacción.
R1 Atracción polarizada | RO- ————————————————> C=O | O-CH2-CH-CH2-O-C=O | | O-C=O R3 | R2Esto genera un intermedio tetraédrico con carga negativa en el antiguo grupo carbonilo.
R1 | RO-C-O- (par de electrones libres) | O-CH2-CH-CH2-O-C=O | | O-C=O R3 | R2Estos electrones vuelven a unirse con el carbono y desplazan al diacilglicerol formando un éster.
R1 | RO-C=O + -O-CH2-CH-CH2-O-C=O | | O-C=O R3 | R2El proceso se repite para los otros dos ésteres restantes unidos al glicerol. Esta reacción tiene unos factores limitantes:
- El grupo RO- tiene que encajar en el espacio donde está la carga positiva en el grupo carbonilo.
- Al aumentar el tamaño de la cadena del alcohol la Velocidad de reacción disminuye. Este fenómeno es llamado efecto estérico y es la razón primaria del uso de alcoholes de cadenas cortas.
- Pueden ocurrir muchas otras reacciones diferentes, por esto, se agrega un exceso de alcohol para asegurar que la transesterificación ocurra.
Mezclas
Las mezclas de biodiésel y diésel convencional basada en hidrocarburos son los productos más habitualmente distribuidos para su uso en el mercado del gasóleo al por menor. Gran parte del mundo utiliza un sistema conocido como la "B", factor que indica la cantidad de biodiésel en cualquier mezcla de combustible: el combustible que contiene 20% de biodiésel tiene la etiqueta B20, mientras que el biodiésel puro se denomina B100. Las mezclas con 80 por ciento de biodiésel y 20 por ciento de diésel de petróleo (B80) se pueden utilizar en general en motores diésel sin modificar. El biodiésel también puede ser utilizado en su forma pura (B100), pero puede requerir algunas modificaciones del motor para evitar problemas de mantenimiento y rendimiento. Las mezclas de biodiésel (B100) con diésel de petróleo se puede realizar por diferentes métodos:
- 1) Mezclado en los depósitos. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo se llevan a un depósito en la terminal de almacenamiento donde se mezclan y desde donde se distribuye la mezcla realizada.
- 2) En línea de mezcla. Los dos componentes provienen de depósitos diferentes en la terminal de almacenamiento y llegan al camión cisterna de forma simultánea: La mezcla final del biodiésel con el diésel de petróleo en la proporción deseada se realiza en la terminal de almacenamiento, en el brazo de carga del camión cisterna, lo que se conoce como “mezcla splash”.
- 3) Parquímetro bomba de mezcla. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo están en depósitos diferentes en la estación de servicio o el punto de consumo. En el surtidor de combustible se marca la mezcla deseada y es el surtidor el que realiza la mezcla solicitada en el momento de servirla. Desde el punto de vista logístico la mejor opción es ésta.
Materias primas
La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, ya que es una especie con alto contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos. Sin embargo existen otras variedades con mayor rendimiento por hectárea, tales como la palma de aceite (Elaeis guineensis), la curcas o jatropha, etc. También se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso la materia prima es muy barata, y además se reciclan lo que en otro caso serían residuos.
Existen otras materias primas de las cuales se puede extraer aceite para utilizarlas en el proceso de producción de biodiésel. Las materias primas más utilizadas en la selva amazónica son la la jatropha o curcas (piñón en portugués), sacha inchi, el ricino (mamona en portugués) y la palma aceitera.
Además, otra materia prima utilizada es la grasa animal, la cual produce mayores problemas en el proceso de fabricación, aunque el producto final es de igual calidad que el biodiésel de aceite, exceptuando su punto de solidificación.
Una gran variedad de aceites pueden ser usados para producir biodiésel. Entre ellos:
- Aceite vegetal sin usar. Los aceites de colza y soja son los más usados. El aceite de soja representa el 90% de la materia prima para biodiésel en los Estados Unidos. También puede ser obtenido de carraspique (zurrón boliviano), jatropha, lino, girasol, palma, cocotero y cáñamo.
- Aceites vegetales usados
- Grasas animales: cerdo, gallina y los subproductos de la producción de ácidos grasos omega 3 provenientes del pescado.
- Algas, las cuales pueden crecer usando materiales cloacales y sin desplazar la tierra usada para producir comida.
- Aceite de halófitas como la salicornia. Éstas crecen en agua salada, generalmente en costas, donde no se puede cultivar otra cosa.
Muchas experiencias sugieren que los aceites usados son las mejores materias primas, empero, debido a que la disponibilidad es drásticamente menor a la cantidad de combustible de petróleo que se quema, la solución no es muy usada.
Las Grasas animales son subproductos de la producción de carne. A pesar de esto, no es eficiente criar animales (o atrapar peces) simplemente por su grasa, aunque el uso de los subproductos incrementa el valor de la industria ganadera. Sin embargo, producir biodiésel de grasas animales reemplazaría un pequeño porcentaje de uso de diésel de petróleo. Hoy en día, muchas productoras de biodiésel que trabajan con distintas materias primas, hacen combustible biológico a partir de grasas animales de muy buena calidad. Actualmente una empresa valorada en 5 millones de dólares está siendo construida en EE. UU., con la intención de producir 11.4 millones de litros a partir de 1 billón de kilogramos de grasa de gallina.
El alcohol puede ser metanol, que forma metilésteres, o etanol, que forma etilésteres. El proceso con etanol es más complicado que con metanol, no es recomendado para principiantes.
El metanol proviene del petróleo, aunque puede producirse por pirólisis de la madera. El etanol proviene de las plantas o del petróleo, y hay un método para destilarlo caseramente.
El etanol se conoce con varios nombres: alcohol etílico, CH3-CH2-OH, alcohol del vino o de la cerveza. Ambos alcoholes son muy peligrosos, el metanol más. El catalizador puede ser hidróxido de sodio (soda cáustica, NaOH) o hidróxido de potasio (potasa, KOH). Los productores domésticos experimentados usan KOH, con el cual se genera un subproducto utilizable: fertilizante de potasio. Para ambas sustancias el proceso es el mismo, salvo que se necesitaría 1,4 veces más KOH que NaOH.
Estos últimos productos son también peligrosos, hay que tener los siguientes cuidados: evitar el contacto con los ojos o la piel, no respirar los vapores, alejarlos de los alimentos y los niños. Más allá, reaccionan con aluminio, cobre y zinc. Para el reactor se recomienda usar recipientes de vidrio, esmaltados, acero inoxidable o polietileno de alta densidad.
Uno de los productos para el aceite usado es isopropanol de alta pureza. También para la valoración se usa fenolftaleína. El rojo de fenol, indicador de pH para piscinas, no funciona.
Las proporciones son (por litro de aceite): 200 mL metanol, 3,5 g hidróxido de sodio.
Se dice que para la generación de biodiésel se debe seguir la siguiente "receta":
- 1 litro de aceite vegetal (normalmente bajo en agua (2% max) de lo contrario se obtendrá jabón).
- 200 ml de metanol.
- 3,4 g de sosa cáustica (NaOH) (hidróxido de sodio).
Se debe mezclar primero el metanol con la sosa cáustica para generar metóxido de sodio. *** Tener especial cuidado al mezclar estos dos ya que la sosa caustica combinada con metanol generara una reacción exotérmica muy agresiva, que puede quemar la piel, ojos, etc. *** Una vez que se obtiene el metóxido, mezclar con el aceite vegetal, calentar a 55 °C y mezclar durante una hora, dejar reposar y en aproximadamente 3 horas verás el resultado. Una capa ligera de aceite transparente arriba y una capa densa y oscura de glicerina abajo.
Cantidad de materia prima requerida
La producción actual de aceites vegetales y grasas animales no es suficiente para reemplazar la demanda de combustibles fósiles. Es más, al aumentar la producción, se requerirán más fertilizantes y pesticidas, y más tierras serán desplazadas. En Estados Unidos, el consumo de combustibles fósiles es de 160 millones de toneladas, y la producción de aceites y grasas es de 16.3 millones de toneladas.
Si todas las tierras cultivables de los Estados Unidos (1.9 millones de kilómetros cuadrados) fueran usadas para plantar soja para biodiésel, llegaría con suerte a cubrir esta demanda de combustible de petróleo. Esta área se podría reducir considerablemente si se utilizaran algas. Se estima que para cubrir la demanda con aceite de algas, se necesitarían 40.000 kilómetros cuadrados en casos optimistas. Las ventajas de las algas son que se pueden cultivar en tierra no arable (desiertos y terrenos marinos) y su potencial es más alto que el de otras plantas.
Rendimiento
Cultivo Litros/hectárea Palma 4752 Alga 3000 Cocotero 2151 Jatropha 2000 Colza 954 Árbol de sebo 907 Maní 842 Girasol 767 Soja 922 Maíz 700 Cáñamo 242 El rendimiento del combustible de algas no fue determinado precisamente, pero se dice que es de 12 veces más energía por hectárea que el girasol.
Se dice que la planta de jatropha tiene un gran rendimiento, pero depende mucho de las condiciones climáticas y del suelo. El rendimiento promedio es de 1,5 a 2 millones de toneladas en los lugares más favorables. Se cultiva en Filipinas, Malí e India; es resistente a sequías y puede compartir espacio con otros cultivos como el café, azúcar, frutas y vegetales. Se adapta bien en terrenos desérticos lo cual reduce la deforestación.
Procesos industriales
En la actualidad existen diversos procesos industriales mediante los cuales se pueden obtener biodiésel. Los más importantes son los siguientes:
1. Proceso base-base, mediante el cual se utiliza como catalizador un hidróxido. Este hidróxido puede ser hidróxido de sodio (sosa cáustica) o hidróxido de potasio (potasa cáustica).
2. Proceso ácido-base. Este proceso consiste en hacer primero una esterificación ácida y luego seguir el proceso normal (base-base). Se usa generalmente para aceites con alto índice de acidez.
3. Procesos supercríticos. En este proceso ya no es necesario la presencia de catalizador, simplemente se hacen a presiones elevadas en las que el aceite y el alcohol reaccionan sin necesidad de que un agente externo, como el hidróxido, actúe en la reacción.
4. Procesos enzimáticos. En la actualidad se están investigando algunas enzimas que puedan servir como aceleradores de la reacción aceite-alcohol. Este proceso no se usa en la actualidad debido a su alto coste, el cual impide que se produzca biodiésel en grandes cantidades.
5. Método de reacción ultrasónica. En el método reacción ultrasónica, las ondas ultrasónicas causan que la mezcla produzca y colapse burbujas constantemente. Esta cavitación proporciona simultáneamente la mezcla y el calor necesarios para llevar a cabo el proceso de transesterificación. Así, utilizando un reactor ultrasónico para la producción del biodiésel, se reduce drásticamente el tiempo, la temperatura y la energía necesarias para la reacción. Y no sólo reduce el tiempo de proceso sino también de separación.[2] De ahí que el proceso de transesterificación puede correr en línea en lugar de utilizar el lento método de procesamiento por lotes. Los dispositivos ultrasónicos de escala industrial permiten el procesamiento de varios miles de barriles por día. Especialmente durante el último año el uso del equipo ultrasónico aumentaba significativamente a causa de sus ventajas económicas.
Métodos de producción
Proceso por lotes
- Preparación: se debe tener precaución con la cantidad de agua y AGL presentes en el lípido (aceite o grasa). Si los niveles son muy altos, puede ocurrir una saponificación y obtener jabón.
- El catalizador es disuelto en el alcohol usando un mezclador común.
- La mezcla de alcohol y catalizador es puesta en un contenedor y, más tarde, el aceite o grasa. El sistema es ahora cerrado herméticamente para prevenir la pérdida del alcohol.
- La mezcla se mantiene unos pocos grados encima del punto de ebullición del alcohol (70 °C) para acelerar la reacción. El tiempo estimado de finalización es de 1 a 8 horas; bajo condiciones normales, el tiempo disminuye a la mitad cada 10 °C incrementados. Se usa un exceso de alcohol para asegurar que la reacción se complete totalmente (generalmente en proporción 4:1 alcohol:triglicérido).
- La capa de glicerina formada es más densa que la del biodiésel, por eso se pueden separar por gravedad. A veces se usa un centrifugador para separar los dos materiales más rápido.
- Una vez separados la glicerina del biodiésel, el exceso de alcohol en cada capa es removido por destilación. Hay que cuidar que el alcohol extraído no tenga agua.
- Los productos extraídos con la glicerina pueden ser separados para obtener glicerina pura.
- El biodiésel es a veces purificado lavándolo cuidadosamente con agua tibia para remover los restos de catalizador y jabón. Luego se seca y se almacena.
Proceso supercrítico
Un método alternativo de transesterificación sin catalizador usa metanol supercrítico en temperaturas y presiones altas continuamente. En estado supercrítico, el aceite y el metanol forman una única fase y la reacción ocurre espontánea y rápidamente. Además tolera que la materia prima contenga agua. El paso de remoción del catalizador es suprimido. A pesar de las altas temperaturas y presiones, los costes energéticos son similares y hasta menores que el proceso anterior.
Reactor ultrasónico
En este método, las ondas ultrasónicas hacen que la mezcla produzca burbujas que chocan entre sí constantemente. Esta cavitación provee simultáneamente el movimiento y el calentamiento requerido para la transesterificación. Consecuentemente, usar un reactor ultrasónico reduce significantemente el tiempo, las temperaturas y la energía necesarios. Por consiguiente, este proceso puede cubrir varias etapas en un mismo período de tiempo en vez del proceso por lotes.
Método de microondas
Se está investigando actualmente el uso de hornos microondas para proveer la energía necesaria en la transesterificación. Los microondas proveen calor intenso concentrado que puede ser mayor que el mismo dentro del recipiente en una reacción por lotes. Un proceso de 6 litros por minuto con una conversión de 99% ha demostrado que consume un cuarto de la energía requerida en el proceso por lotes. El proceso sigue siendo para uso científico y en etapa de desarrollo.
Usando enzimas lipasas
La lipasa es una enzima que se usa en el organismo para disgregar las grasas de los alimentos para que se puedan absorber. Se han hecho una gran cantidad e investigaciones usando enzimas como catalizador. Las mismas muestran que se pueden obtener un muy buen rendimiento. El uso de lipasas hace la reacción menos sensible a grandes cantidades de AGL (que son un problema en la producción común).
Estándares y regulación
Los ésteres metílicos de los ácidos grasos (FAME), denominados biodiésel, son productos de origen vegetal o animal, cuya composición y propiedades están definidas en la Unión Europea en la norma EN 14214, con una excepción del índice de yodo para España, cuyo valor máximo queda establecido en 140 en vez de 120 como propone la norma EN 14214.
En España el biodiésel aparece regulado en el Real Decreto 61/2006, de 31 de enero, por el que se determinan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fuelóleos y gases licuados del petróleo y se regula el uso de determinados biocarburantes. Para las mezclas de biocarburantes con derivados del petróleo que superen un 5% de ésteres metílicos de los ácidos grasos o de bioetanol es obligatoria una etiqueta específica en los puntos de venta.[3]
NORMA EN 14214
Estándares europeos que describen los requerimientos para FAME (ésteres de metanol). Existe en tres idiomas: inglés, francés y alemán. La última versión fue publicada en noviembre de 2008. Existen diferencias en la norma debido a los requisitos para clima frío.
Estas especificaciones fueron hechas por el CEN (Comité Europeo de Normalización), una organización no lucrativa privada cuyo objetivo es fomentar la economía europea en el mundo, el bienestar de los ciudadanos y el medio ambiente.
Propiedad Unidad Mínimo Máximo Contenido de éster % (m/m) 96,5 - Densidad a 15 °C kg/m3 860 900 Viscosidad a 40 °C mm2/s 3,5 5,0 Punto de inflamación °C >101 - Contenido de azufre mg/kg - 10 Residuo carbonoso % (m/m) - 0,3 Índice de cetano - 51,0 - Contenido en cenizas de sulfatos % (m/m) - 0,02 Contenido de agua mg/kg - 500 Contaminación total mg/kg - 24 Corrosión en lámina de cobre clasificación Clase 1 Clase 1 Estabilidad a la oxidación, 110 °C horas 6 - Valor ácido mg KOH/g - 0,5 Índice de yodo - - 120 Metiléster linolénico % (m/m) - 12,0 Metiléster poliinsaturado % (m/m) - 1 Contenido en metanol % (m/m) - 0,20 Contenido en monoglicéridos % (m/m) - 0,80 Contenido en diglicéridos % (m/m) - 0,20 Contenido en triglicéridos % (m/m) - 0,20 Glicerina libre % (m/m) - 0,02 Glicerina total % (m/m) - 0,25 Metales grupo I (Na+K) mg/kg - 5,0 Metales grupo II (Ca+Mg) mg/kg - 5,0 Contenido en fósforo mg/kg - 10,0 NORMA ASTM D6751
La ASTM (American Society of Testing and Materials) es una de las organizaciones voluntarias de estándares más grande del mundo. Establece estándares para materiales, productos, sistemas y servicios.
Estas especificaciones son para mezcla B100.
Propiedad Límites Unidad Punto de inflamación 130,0 mín. °C Agua y sedimentos 0,050 máx. % vol Viscosidad cinemática a 40 °C 1,9 – 6,0 mm2/seg Cenizas sulfatadas 0,020 máx. % masa Azufre (Grado S 15) 0,0015 máx. ppm Azufre (Grado S 500) 0,05 máx. ppm Corrosión en lámina de cobre N° 3 máx. - Índice de cetano 47 mín. - Punto de enturbiamiento A informar por cliente °C Residuo carbonoso 0,050 máx. % masa Acidez 0,80 máx. mg KOH/g Glicerina libre 0,020 máx. % masa Glicerina total 0,240 máx. % masa Contenido de fósforo 0,001 máx. % masa Temperatura de destilación, equivalente en temperatura atmosférica, 90% recuperado 360 máx. °C NORMA ASTM D7467
La ASTM aprobó una especificación para mezclas diésel que contienen entre 6 y 20% de biodiésel. Con esta nueva especificación los fabricantes de motores diésel pueden probar diésel B20 en los motores para asegurar su óptimo rendimiento. Actualmente, Chrysler apoya el uso de B20 en su Dodge Ram. De la misma forma, General Motors acepta un B5 pero limita el uso de B20 a flotas del gobierno.
Propiedad Unidad Mínimo Máximo Punto de inflamación °C 52 - Agua y sedimentos % vol. - 0,05 Ceniza % (m/m) - 0,01 Azufre -S15 ppm - 0,0015 -S500 ppm - 0,05 Corrosión en lámina de cobre Clasificación - No. 3 Índice de cetano - 40 - Residuo carbonoso % (m/m) - 0,35 Valor ácido mg KOH/g - 0,3 Estabilidad a la oxidación horas 6 - Lubricación Micrones - 520 Contenido de biodiésel % volumen 6 20 Aplicaciones
El biodiésel puede ser utilizado en estado puro (B100) o puede ser mezclado con diésel de petróleo en las operaciones de concentración en la mayoría de las bombas de inyección diésel. La nueva extrema alta presión (29.000 psi) de los motores tiene límites estrictos de fábrica de B5 o B20, según el fabricante. El biodiésel tiene diferentes propiedades disolventes que el petrodiésel y degradará las juntas de caucho natural y las mangueras en los vehículos (en su mayoría vehículos fabricados antes de 1992), aunque éstos tienden a reemplazarlos en su mantenimiento normal por lo que es muy probable que ya hayan sido reemplazadas por FKM, que no es reactiva al biodiésel. Se sabe que el biodiésel elimina los depósitos de residuos en las líneas de combustible en las que se ha utilizado el petrodiésel. Como resultado, los filtros de combustible pueden ser obstruidos con partículas si se realiza una transición rápida de biodiésel puro. Por lo tanto, se recomienda cambiar los filtros de combustible en los motores y calentadores poco después de comenzar el cambio a una mezcla de biodiésel[4]
Estados Unidos
En septiembre de 2005 Minesota fue el primer estado en obligar a que el diésel comercializado contenga al menos un 2% de biodiésel.[5]
Uso para vehículos y aceptación de fabricantes
En 2005, Chrysler lanzó la Jeep Liberty CRD basada en diésel con mezcladores de 5% de biodiésel. En 2007, la misma marca indicó que incrementaría la mezcla a 20% si se estandarizaba el biodiésel en los Estados Unidos.
Desde el 2004, la ciudad Halifax, Nueva Escocia, actualizó su sistema de transporte público para que los autobuses anduvieran con biodiésel puro de aceite de pescado. En un principio surgieron dificultades técnicas, pero con el tiempo se superaron.
En 2007 McDonald's del Reino Unido anunció que convertiría su aceite usado en biodiésel para abastecer a los ómnibus de este país.
Uso en trenes
Virgin Trains (compañía de trenes británica) dijo que tiene el primer tren a biodiésel B20 y que reducía en un 14% las emisiones.
El Tren Real el 15 de septiembre de 2007, completó su primer recorrido con B100 abastecidos por Green Fuels Ltd. La realeza, el príncipe de Gales y el director de Green Fuels, fueron los primeros pasajeros en un tren corriendo 100% biodiésel. Desde ese entonces, el tren opera exitosamente con biodiésel puro.
También en Disney, los trenes del parque corren con B98 desde el 2007. En el 2008 se canceló el proyecto por falta de abastecimiento, pero en 2009 lo retomaron usando biodiésel a partir de aceites usados del parque.
Aceite de calefacción
El biodiésel puede ser usado también como combustible de calefacción en calderas domésticas y comerciales. Una mezcla de 20% de biodiésel y 80% de aceite es la recomendada para no tener que modificar nada.
Se debe tener cuidado en el primer uso porque los residuos del diésel son removidos y pueden obstruir cañerías: es necesario un cambio de filtro. Otra idea es usar biodiésel progresivamente para que las obstrucciones no ocurran con tanta facilidad. Esto genera una ventaja: el sistema se limpia y su rendimiento aumenta.
Algunos estudios afirman que si se usara biodiésel B20 en los hogares, las emisiones de CO2 se reducirían en 1,5 millones de toneladas por año.
En Massachusetts, una ley ordena que todo diésel para calentar debe ser 2% biodiésel para 2010 y para 2013, 5%.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
- El biodiésel disminuye de forma notable las principales emisiones de los vehículos, como son el monóxido de carbono y los hidrocarburos volátiles, en el caso de los motores de gasolina, y las partículas, en el de los motores diésel.
- La producción de biodiésel supone una alternativa en el uso del suelo que evita los fenómenos de erosión y desertificación a los que pueden quedar expuestas aquellas tierras agrícolas que, por razones de mercado, están siendo abandonadas por los agricultores.
- El biodiésel supone un ahorro de entre un 25% a un 80% de las emisiones de CO2 producidas por los combustibles derivados del petróleo, constituyendo así un elemento importante para disminuir los gases invernadero producidos por el transporte.
- Por su mayor índice de octano y lubricación reduce el desgaste en la bomba de inyección y en las toberas.
- No tiene compuestos de azufre por lo que no los elimina como gases de combustión.
- El biodiésel también es utilizado como una alternativa de aceite para motores de dos tiempos, en varios porcentajes; el porcentaje más utilizado es el de 10/1.
- El biodiésel también puede ser utilizado como aditivo para motores a gasolina (nafta) para la limpieza interna de éstos.
Inconvenientes
- La explotación de plantaciones para palmas de aceite (utilizadas para hacer biodiésel) fue responsable de un 87% de la deforestación de Malasia hasta el año 2000. En Sumatra y Borneo, millones de hectáreas de bosque se convirtieron en tierra de cultivo de estas palmeras y en los últimos años se ha conseguido más que doblar esa cifra, la tala y los incendios perduran. Hasta deforestaron por completo el famoso parque nacional Tanjung Puting de Kalimantan. Orangutanes, gibones, rinocerontes, tapires tigres, panteras nebulosa, etc... se van a extinguir por la destrucción del hábitat. Miles de indígenas han sido desalojados de sus tierras y 1500 indonesios fueron torturados. Pero los gobiernos, mientras Europa siga comprando su palma de aceite para hacer biodiésel, seguirán promoviendo el cultivo de estas plantas para su propio beneficio.[cita requerida]
- Debido a su mejor capacidad disolvente con respecto al petrodiésel, los residuos existentes son disueltos y enviados por la línea de combustible, pudiendo atascar los filtros, caso que se da únicamente cuando se utiliza por primera vez después de haber estado consumiento diésel mineral.[cita requerida]
- Tiene una menor capacidad energética, aproximadamente un 3% menos, aunque esto, en la práctica, no es tan notorio ya que es compensado con el mayor índice de cetano, lo que produce una combustión más completa con menor compresión.[cita requerida]
- Ciertas hipótesis[cita requerida] sugieren que se producen mayores depósitos de combustión y que se degrada el arranque en frío de los motores, pero esto aún no está documentado.
- Otros problemas que presenta se refieren al área de la logística de almacenamiento, ya que es un producto hidrófilo y degradable, por lo cual es necesaria una planificación exacta de su producción y expedición. El producto se degrada notoriamente más rápido que el petrodiésel.[cita requerida]
- Hasta el momento, no está claro el tiempo de vida útil del biodiésel; algunos sostienen[cita requerida] que posee un tiempo de vida muy corto (meses), mientras que otros afirman[cita requerida] que su vida útil llega incluso a 10 años o más. Pero todos concuerdan que depende de su manipulación y almacenamiento.
- El rendimiento promedio para oleaginosas como girasol, maní, arroz, algodón, soja o ricino ronda los 900 litros de biodiésel por hectárea cosechada. Esto puede hacer que sea poco práctico para países con poca superficie cultivable; sin embargo, la gran variedad de semillas aptas para su producción (muchas de ellas complementarias en su rotación o con subproductos utilizables en otras industrias) hace que sea un proyecto sustentable[cita requerida]. No obstante, se está comenzando a utilizar la jatrofa para producir aceite vegetal y, posteriormente, biodiésel y que puede cultivarse incluso en zonas desérticas[cita requerida].
Investigaciones actuales
Se están llevando a cabo investigaciones para encontrar mejores materias primas y mejorar el rendimiento del biodiésel. Usando las ganancias actuales, vastas cantidades de tierra y agua se necesitarían para producir suficiente aceite para reemplazar completamente los combustibles fósiles. Se necesitarían el doble de área de Estados Unidos para soja o dos tercios para colza para cubrir las necesidades de calefacción y transporte de este país.
Muchas variedades de mostaza parda tienen un rendimiento muy alto y son muy útiles en la rotación de cultivo con cereales, y tiene la ventaja que las sobras después de producir el aceite son un muy buen pesticida natural.
La (Naval Facilities Engineering Service Center) y las Industrias productoras de biodiésel de Santa Bárbara, California, están desarrollando nuevas tecnologías para la Armada y Marina de EE. UU., uno de los usuarios más importantes de diésel del mundo.
Un grupo de científicos españoles trabaja para Ecofasa, una compañía que anunció que iba a hacer biodiésel con basura. El combustible es fabricado a partir basura urbana tratada con bacterias para producir ácidos grasos.
Biodiésel de algas
Desde 1978 a 1996, la U.S. NREL (National Renewable Energy Laboratory), experimentó el biodiésel de algas en su proyecto Aquatic Species Program. Un artículo publicado por Michael Briggs, del grupo de biodiésel en la universidad de New Hampshire, propone un reemplazo realista de todos los combustibles de vehículos usando algas con un contenido de aceite mayor del 50% que crecerían en estanques en plantas potabilizadoras.
La producción de aceite de alga no se ha llevado a cabo a escala comercial, pero estudios de factibilidad determinan que lo establecido arriba es posible. Además, las algas no disminuirían la producción de comida, ya que no requieren tierras arables ni agua potable.
Hongos
Un grupo en la Academia Rusa de Ciencias en Moscú publicó en un estudio en septiembre de 2008 que aislaron grandes cantidades de lípidos de hongos unicelulares y las convirtieron en biodiésel de una manera sencilla y económica.
Un descubrimiento reciente es la bacteria Gliocladium roseum. Ésta fue encontrada en las selvas patagónicas y tiene la capacidad única de convertir celulosa en hidrocarburos de longitud media, típicos del diésel.
Biodiésel de tierras usadas de café
Investigadores de la universidad de Nevada, produjeron exitosamente biodiésel a partir de aceite derivado de tierras usadas de café. Su análisis indicaba que la tierra contenía entre un 10 y 15% de aceite. Una vez extraído el aceite, se sometió a procesos convencionales y se obtuvo biodiésel. Se estima que, por este proceso, producir el biocombustible costaría 20 centavos por litro. En la universidad dicen que es muy sencillo y que hay tantas plantaciones de café que se podrían hacer millones de litros anuales. No obstante, si se usan todos los campos de café en el mundo, la cantidad producida no llegaría al 1% del diésel usado en los Estados Unidos anualmente.
Véase también
- Biocombustible
- Biobutanol
- Bioetanol
- Cáñamo
- Desarrollo sostenible
- Estándar de combustibles bajos en carbono
- Gasóleo
- Jatrofa
- Biotecnología
Referencias
- ↑ CIEMAT también se obtiene de la grasa de los camellos del sahara (2006). Análisis del ciclo de vida de combustibles alternativos para el transporte. Fase II. Análisis de ciclo de vida comparativo del biodiésel y del diésel. Centro de Publicaciones. Secretaría General Técnica. Ministerio de Medio Ambiente. España. ISBN 84-8320-376-6.
- ↑ Transesterificación de aceite a biodiésel asistida por ultrasonido http://www.hielscher.com/index_es.htm
- ↑ R.D. 61/2006, de 31 de enero BOE n. 41 de 17/2/2006
- ↑ de 27 de mayo
- ↑ Legislación en Minesota sobre biodiésel (Minnesota)
Bibliografía
- Síntesis de aditivos para biodiésel a partir de modificaciones químicas de la glicerina. Sandra Y. Giraldo, Luis A. Rios, Alexander Franco y Fernando Cardeño. [1]
- Experimental study on evaluation and optimization of conversion of waste animal fat into biodiesel. Ghassan M. Tashtoush, Mohamad I. Al-Widyan y Mohammad M. Al-Jarrah. [2]
- El manual de Biodiesel, Chaper 2 - La historia de los combustibles diésel a base de aceite Vegetable, por Gerhard Knothe, ISBN 1-893997-79-0
- "US EPA Biodiesel Factsheet". [3]
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre BiodiéselCommons.- Análisis Well-to-Wheel del uso de energía y emisiones de gases de efecto invernadero de sistemas avanzados vehículo/combustible - Estudio Europeo (en inglés). GM, LBST, BP, ExxonMobil, Shell, TotalFinaElf. (27 de septiembre de 2002)
- Portal de Energías Renovables. Biocarburantes. CIEMAT
- National Biodiésel Board-Sitio de las empresas de biodiésel en los EE.UU.
- European Biodiésel Board- Sitio de las empresas de biodiésel en la UE
- Análisis sobre los vehículos ecológicos.
- Gota Verde. Proyecto de estudio de la producción de biodiésel a escala local
- Cómo fabricar biodiesel de forma artesanal
- Noticias, Marketplace y Anuncios compra-venta en español sobre biocarburantes, en Biodeselspain.com
- Aspectos generales sobre motores y resultados de ensayos con biodiesel.
- Información y noticias sobre biodiésel en Latinoamérica
- Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiésel: retos y oportunidades
- Limitaciones y ventajas del biodiésel como combustible alternativo a partir de aceite usado
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