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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA. FACULTAD DE INGENIERÍA. ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA. PRODUCCION DE BIODIESEL UTILIZANDO ACEITE VEGETAL DE DESECHO Y ETANOL. Trabajo Especial de Grado para optar al titulo de Ingeniero Químico. REALIZADO POR LOS BACHILLERES: Fonseca, Edgar. C.I. 17.938.018 Martínez, José Manuel. C.I. 18.341.341 TUTOR ACADÉMICO: Prof. Eudo Osorio. Maracaibo, 2009. DERECHOS RESERVADOS
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA.
FACULTAD DE INGENIERÍA.
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA.
PRODUCCION DE BIODIESEL UTILIZANDO ACEITE
VEGETAL DE DESECHO Y ETANOL.
Trabajo Especial de Grado para optar al titulo de Ingeniero Químico.
REALIZADO POR LOS BACHILLERES:
Fonseca, Edgar. C.I. 17.938.018
Martínez, José Manuel. C.I. 18.341.341
TUTOR ACADÉMICO:
Prof. Eudo Osorio.
Maracaibo, 2009.
DERECHOS RESERVADOS
PRODUCCION DE BIODIESEL UTILIZANDO ACEITE VEGETAL DE
DESECHO Y ETANOL.
Tutor Académico Prof. Eudo Osorio.
Martínez. José Manuel C.I.: V- 18.341.341 Telf. 0414-6662726
Fonseca L. Edgar J. C.I.: V-17.938.018
Telf. 0414- 6782560 [email protected]
DERECHOS RESERVADOS
VEREDICTO
Nosotros Profesores: ______________________, ______________________,
y ______________________, designados como Jurado Examinador del
Trabajo Especial de grado “PRODUCCION DE BIODIESEL UTILIZANDO
ACEITE VEGETAL DE DESECHO Y ETANOL” presentado por los Bachilleres:
Edgar Fonseca y José Martínez titulares de la Cédula de Identidad No.
17.938.018 y 18.341.341 respectivamente, nos hemos reunido para revisar
dicho trabajo y después del interrogatorio correspondiente, lo hemos aprobado
con _________________________ de acuerdo con las normas vigentes
aprobadas por el Consejo Académico de la Universidad Rafael Urdaneta, para
la Evaluación de los Trabajos Especiales de Grado para optar al Título de
Ingeniero Químico. En fe de lo cual firmamos, en Maracaibo, a los ______
días del mes de _________ del año _______.
____________________
Msc. Eudo Osorio C.I.: V.-
Tutor Académico
___________________ ___________________ Prof.: Prof.: C.I.: V.- C.I.: V.- Jurado Jurado
___________________ ___________________
Prof.: Prof.: C.I.: V.- C.I.: V.- Director de Escuela Decano
DERECHOS RESERVADOS
Dedicatoria
Dedico este trabajo principalmente a Dios, por permitirme que aún siga
en este mundo gozando de las cosas buenas, lleno de vida y salud.
Haciéndome cumplir y alcanzar los sueños y metas que hasta ahora he
logrado, y lo que falta por conquistar en el futuro.
A mis padres, por ser fundamentales en mi vida; estando allí en las
buenas y en las malas, brindándome su apoyo incondicional.
Agradeciéndole su dedicación y desempeño para formarme.
A mi hermana querida, por regalarme su fortaleza, aprecio, amor y
cariño.
A mi abuela, que es mi segunda madre ofreciendo su sabiduría,
protección y buenos consejos. Sembrando valores que fueron fundamentales
en mi vida.
En Honor a la memoria de mis amigos Paola Mellado, Balmiro José
Carmona y María Lourdes Vielma que desde el cielo me cuidan y protegen,
dedicándoles este trabajo especialmente a ellos donde quiera que estén.
A Lidicis Faria por llenarme de alegría y motivación, por apoyarme en
todo durante este último año de mi vida y ayudarme crecer como persona.
DERECHOS RESERVADOS
A mis compañeros que han estado ahí cuando más los he
necesitados, ofreciendo siempre una mano amiga. Viviendo recuerdos gratos
que perdurará por siempre, le dedico principalmente a mi compañero de tesis
José Manuel por su apoyo y paciencia.
Edgar Jr. Fonseca
DERECHOS RESERVADOS
Dedicatoria
Le dedico este trabajo a Dios, mi amigo ya que sin el nada de esto fuese
una realidad, me ayudó, me protegió durante toda la carrera y mi vida.
A mis padres y mi familia, que tuvieron la paciencia y la cordura
necesaria para ayudarme cuando me sentía triste por cualquier motivo desde el
inicio hasta el final.
A mi abuela Celia Andrade, por su apoyo e insistencia en mis estudios,
confianza y trato como un hijo.
A mis amigos de siempre, que me apoyaron en todo lo que quise, quiero
y voy a querer, sin ellos nada de esto fuese posible.
A Paola Mellado, por su valentía y sencillez como persona, por su
pureza y grandeza, por ser lo que fue, una leal e importante amiga, en honor a
su memoria este trabajo.
A Yasmira Morales, por ser la más atenta, cariñosa en mí vida, por
haberme apoyado en todos mis caprichos, y quererme como lo ha hecho.
José Manuel Martínez
DERECHOS RESERVADOS
Agradecimientos
A la Universidad Rafael Urdaneta que durante estos últimos cuatros
años nos abrió sus puertas para formarnos como hombre y profesionales,
adquiriendo conocimientos, destrezas y dedicación, brindada por excelentes
profesores capacitados que forman parte de esta gran familia.
A nuestro tutor Ricardo Ávila, por su dedicación e ilustrados
conocimiento que sin su ayuda no hubiera sido posible la elaboración de este
trabajo de investigación.
A nuestro tutor académico el profesor Eudo Osorio por dedicarnos su
tiempo, para la culminación exitosa de éste proyecto.
A la profesora Mónica Molero, por su amplia y excelente participación,
por estar dispuesta a prestar la ayuda que fuera necesaria.
A nuestros padres por la paciencia y esmero en todo momento desde el
inicio de la carrera hasta llegar al un final exitoso como este.
Edgar Jr. Fonseca y José Manuel Martínez
DERECHOS RESERVADOS
Fonseca L., Edgar Jr.; Martínez Q., José M. “Producción de biodiesel usando aceite vegetal de desecho y etanol”. Tesis de Grado. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Maracaibo. Venezuela. 2009. 62p.
RESUMEN
El biodiesel, es un biocombustible que se produce mediante la transesterificación de triglicéridos, presentes en aceites vegetales y alcohol, donde un alcohol de bajo peso molecular desplaza a la glicerina existente en el aceite vegetal. La mezcla de esteres así resultante posee unas propiedades físico-químicas similares a las del diesel procedente de petróleo, el cual es utilizado como combustible para grandes maquinarias. En esta investigación es importante la producción de biodiesel con aceite vegetal de desecho, donde se requieren pasos adicionales para el cumplimiento de normas ASTM para biocombustibles. Este trabajo fue de Tipo Correlacional con Diseño Experimental, basado en Observación Directa y Documental. En esta investigación se llevó a cabo la obtención de biodiesel a escala de laboratorio a partir de aceites vegetales de desecho y etanol, analizando el resultado obtenido, donde según las normas de análisis mas importantes para biocombustibles, son viscosidad, densidad, índice de cetanos, punto de inflamación, punto de nube. Concluyendo que el biodiesel se puede sustituir por el diesel de manera eficiente, sin hacer modificaciones al motor, ya que sus propiedades fisicoquímicas son altamente semejantes. Palabras clave: Biodiesel, Ésteres de ácidos grasos, Transesterificación, Triglicéridos.
DERECHOS RESERVADOS
INDICE GENERAL
INTRODUCCION……………………………………………………………………..1
CAPITULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………….3
1.1. Planteamiento del Problema............................................................3
1.2. Formulación del Problema……………………………………………..4
1.3. Objetivo General………………………………………………...………4
1.4 Objetivo Específicos……………………………………………………..4
1.5 Justificación………………………………………………………………5
1.6 Delimitación………………………………………………………………5
1.6.1 Delimitación Espacial……………………………………………..5
1.6.2 Delimitación Temporal…………………………………………….6
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO…………………………………………………..7
2.1. Antecedentes…………………………………………………………....7
2.2. Bases Teóricas………………………………………………………...10
2.2.1. Biodiesel……………………………………………………………...10
Propiedades del Biodiesel………………………………………10
Materias Primas del Biodiesel…………………………………..11
2.2.2. Aceite Vegetal……………………………………………………….11
Usos del Aceite Vegetal…………………………………………11
Obtención del Aceite Vegetal…………………………………..12
Lípidos…………………………………………………………….13
Ácidos Grasos……………………………………………………13
2.2.3 Etanol…………………………………………………………………14
Síntesis……………………………………………………………14
Usos como combustible…………………………………………14
2.2.4 Aceite Vegetal Usado……………………………………………….15
Porcentaje de Acidez en el Aceite Vegetal…………………..16
DERECHOS RESERVADOS
Saponificación………………………………………………….16
2.2.5. Proceso de Obtención de Biodiesel……………………………………….17
Transesterificacion…………………………………………….17
Transesterificacion como Síntesis de Biodiesel……………17
Reacción química……………………………………………...18
Variables del Proceso de Transesterificacion......................19
2.2.6. Catalizador…………………………………………………………..20
2.2.7. Norma Internacional y Europea para Biodiesel…………………21
Punto de Inflamación…………………………………………...22
Temperatura de Destilación…………………………………...22
Densidad………………………………………………………...22
Viscosidad……………………………………………………….23
Índice de Cetanos……………………………………………....23
2.2.3. Cuadro de Variable…………………………………………………24
2.2.4. Definición de Términos Básicos…………………………………..26
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO……………………………………..30
3.1. Tipo de Investigación…………………………………………………..30
3.2. Diseño de la Investigación…………………………………………….30
3.3. Técnicas de Recolección de Datos…………………………………..31
3.4. Fases de la Investigación……………………………………………..33
CAPITULO IV: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS…………………………...45
4.1. Análisis de resultados por fases de la investigación……………….45
CONCLUSIONES...........................................................................................56
RECOMENDACIONES…………………………………………………………...58 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………….60
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE GRÁFICA
Gráfica
p. 1 Calibración de la viscosidad…………………………………………52
2 Curva de destilación del biodiesel Muestra 10…………………….53
3 Curva de destilación diesel Venezolano……………………………54
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INDICE DE TABLAS
Tabla p 1 Principales materias primas para la producción de biodiesel………....11
2 Norma internacional para Biodiesel (Volatilidad)……………………….22
3 Norma internacional para biodiesel (fluidez)………………………….....23
4 Norma internacional de biodiesel (composición)………………………..23
5 Cuadro de variables………………………………………………………..25
6 Características del aceite recolectado…………………………………...46
7 Etanol, transesterificación y razón molar………………………………...47
8 Cantidades de reactivos adicionada por corridas……………………….48
9 Rendimiento del proceso…………………………………………………..49
10 Pérdidas del proceso……………………………………………………….50
11 Densidad del biodiesel……………………………………………………...51
12 Cuadro de variable viscosidad…………………………………………….52
13 Propiedades del Biodiesel………………………………………………….55
DERECHOS RESERVADOS
INDICE DE FIGURAS
Figuras p 1 Formación del epóxido 36 2 Montaje para reacción de transesterificacion 37 3 Separación de biodiesel y glicerina 38 4 Lavado del biodiesel 40 5 Secado del biodiesel 41 ¡
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Fonseca L., Edgar Jr.; Martínez Q., José M. “BIODIESEL PRODUCTION USING VEGETAL OIL OF REMAINDER AND ETHANOL.” Rafael Urdaneta University. Engineering Department. Chemical Engineering School. Maracaibo. Venezuela. 2009. 62p.
ABSTRACT
Biodiesel, its a biofuel wich is produced by transesterification of triglyceride, in vegetable oil and ethanol , where one alcohol with low molecular weigth moves glycerine existing in the vegetable oil. The mixture of esters and has properties resulting physico-chemical characteristics similar to diesel from petroleum, which is used as fuel for large machinery. This research is important to the production of biodiesel with used vegetable oil, which require additional steps to comply with ASTM standards for biofuels. This type of study was correlational with Experimental Design, based on direct observation and documentary. This research was conducted to obtain laboratory-scale biodiesel from used vegetable oils and ethanol, leading to various studies the result, where according to the rules for biofuels, the most important for the analysis of it, is viscosity, density, cetane number, flash point, cloud point. Concluding that biodiesel can be substituted for diesel fuel efficiently, without making any changes to the engine, because its properties are very similar. Palabras clave: Biodiesel, Esters of grase acids, Transesterification, Triglyceride.
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INTRODUCCION
En la actualidad, la humanidad necesita disminuir los niveles de
contaminación del medio ambiente fundamentalmente la que hace referencia al
calentamiento global y el efecto invernadero al que estamos expuestos. El
consumo de combustibles fósiles, entre ellos el petróleo, el carbón y el gas
natural, da lugar a emisiones de dióxido de carbono que contribuyen al
calentamiento gradual del planeta.
Las repercusiones previstas del cambio climático incluidas la elevación
del nivel del mar, la mayor frecuencia e intensidad de las tormentas, la
extinción de diversas especies, el agravamiento de las sequías y las malas
cosechas afectarán a todas las naciones del mundo. Ante el aumento continuo
del total de emisiones, la mayoría de los países industrializados han aprobado
el Protocolo de Kioto. Primer esfuerzo mundial por controlar las emisiones.
Una de las formas para mitigar este efecto es la disminución del
consumo de combustibles de origen fósil con el aprovechamiento de
combustibles de origen vegetal. Para tal efecto los biocombustibles y en caso
de este trabajo el biodiesel, mezcla de diesel y aceite de frituras, disminuirá los
efectos de la contaminación gradualmente a medida que las mezclas
aumenten.
El biodiesel es un combustible producido a partir de materias primas
renovables, (aceites vegetales y /o grasas animales) que puede ser usado puro
B100, o mezclado con diesel de petróleo en diferentes proporciones, el más
común el B20, tiene 20% de biodiesel y 80% de diesel. Es obtenido mediante
un proceso llamado transesterificación que consiste en una reacción entre una
grasa o aceite con un alcohol de cadena corta generalmente metanol o etanol
dando como productos los etilésteres (biodiesel) y la glicerina.
DERECHOS RESERVADOS
Es un combustible sustituto del gas-oil para motores diesel, el cual
puede ser producido partiendo de materias primas agrícolas como los aceites
vegetales, grasas animales y etanol, el cual a su vez también puede ser
producido a partir de residuos de la agricultura. El biodiesel posee las mismas
propiedades del combustible diesel empleado como combustible para
automóviles, camiones, ómnibus y puede ser mezclado en cualquier proporción
con el diesel obtenido de la refinación del petróleo.
Esta investigación presenta la cadena de valor del biodiesel a partir de
aceite de frituras, las posibles empresas que intervienen en el proceso de
frituras, recolección, extracción de aceite, producción de de biodiesel,
distribución y comercialización del biodiesel. Por último se expondrán los
diferentes incentivos por parte de la legislación venezolana para la producción
y comercialización de biodiesel particularmente.
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CAPITULO I
EL PROBLEMA
1.1.- Planteamiento del problema:
En los últimos años una de las mayores preocupaciones a nivel mundial ha
sido la contaminación ambiental producida por el exceso de combustible usado
en los motores de automóviles, camiones, etc. Entre estos daños, se
encuentran el ocasionado por el combustible diesel el cual causa graves
perjuicios al ambiente como las emisiones de monóxido de carbono, dióxido de
azufre, dióxido de carbono entre otros.
El deterioro del medio ambiente, sumado a las poco alentadoras
perspectivas que presentan los combustibles fósiles y la creciente conciencia
ambiental, han llevado al desarrollo de diversos combustibles y fuentes de
energía denominadas renovables o biodiesel.
El biodiesel es un combustible sustituto del gas oil para motores diesel, el
cual puede ser producido a partir de materias primas agrícolas, aceites o
grasas y etanol o metanol que también pueden ser obtenidos de materias
agrícolas.
El biodiesel posee las mismas propiedades que el diesel empleado como
combustible para automóviles, camiones, autobuses y puede ser mezclado en
cualquier proporción con el diesel obtenido de la refinación del petróleo.
En Europa se ha utilizado por más de veinte años, y su uso se ha difundido
actualmente por todo el mundo a una velocidad increíble. Entre sus muchas
ventajas, se puede citar su impacto notorio en la reducción de emisiones
gaseosas nocivas producto de la combustión. Además, posee excelente poder
de lubricación, lo que permite su utilización como aditivo lubricante. A esto se le
debe sumar la posibilidad de utilizarlo en mezclas con gasoil común en
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cualquier proporción, así como su elevada biodegradabilidad, y su rendimiento
comparable al del gasoil derivado de petróleo.
Por otra parte, existen importantes consideraciones económicas que
dificultan el desarrollo del mercado del biodiesel. En Venezuela la expansión
del consumo de este combustible se ha visto limitada por su elevado costo
respecto del gas oil lo que ha determinado que su desarrollo haya estado
asociado a la existencia de apoyos o subsidios ya que no resulta competitivo
en condiciones de mercado.
Por lo tanto, es necesario analizar en qué medida este energético resulta
competitivo con el precio del gas oil ya que es el combustible que sustituye, en
particular con relación al precio del gas oil importado. Este análisis depende de
la posibilidad de que el biodiesel logre producirse en condiciones competitivas,
lo cual depende esencialmente del costo de la materia prima, dado que la
misma representa el 60% del costo de producción del biodiesel y la evolución
del precio del petróleo.
1.2.- Formulación del Problema:
¿Cómo producir el biodiesel usando Aceites vegetal de desecho y etanol?
1.3.- Objetivo General:
Producir biodiesel usando aceite vegetal de desecho y etanol.
1.4.- Objetivos Específicos:
1. Caracterizar el aceite vegetal y el etanol para ser utilizado en el proceso.
2. Realizar procedimiento para la producción de biodiesel.
3. Analizar el producto obtenido.
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1.5.- Justificación del Problema:
El propósito de esta investigación es demostrar que la obtención del
biodiesel a partir del aceite vegetal de desecho cumplirá un rol primordial en el
parque automotor, ya que si este es utilizado de la manera más correcta se
reduciría en una gran proporción la contaminación del medio ambiente.
Para la obtención del biodiesel a partir del etanol y el aceite vegetal de
desecho es necesaria la elaboración de un plan de trabajo donde se involucren
todos los parámetros de operación, reactivos y materiales, por tal motivo, la
implementación de este proyecto representará para la industria automotriz y la
población propiamente dicha la solución al problema de contaminación
ambiental, disminuyendo los costos operativos y aumentando la rentabilidad.
En este sentido, la función de obtener un biocombustible es de vital
importancia ya que promueve la conservación del medio ambiente y el ahorro
de energía.
Además de los principales objetivos que los investigadores quieren alcanzar
con la asignación de este proyecto, no solo es contribuir a la mejora continua
del medio ambiente, sino también según los resultados se espera caracterizar
el producto e implantar las ideas a su uso en el parque automotriz. Los
beneficios que se puedan lograr, se dirigen igualmente a aquellas personas y/o
empresas que de una manera u otra sienten alcanzar un particular interés en el
tema planteado, y en parte deja la enseñanza y enriquecimiento profesional de
todos los involucrados.
1.6.- Delimitación:
1.6.1.- Delimitación Espacial:
El presente trabajo especial de grado será elaborado en el laboratorio de
Química General de la Universidad Rafael Urdaneta.
DERECHOS RESERVADOS
1.6.2.- Delimitación Temporal:
El presente trabajo especial de grado será realizado a partir del mes de
octubre del 2008, hasta junio del 2009.
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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1.- Antecedentes de la Investigación:
Romano, Silvia (2005), en su proyecto “Obtención y caracterización de
Biodiesel en planta piloto”. Universidad de Bogota, Facultad de Ingeniería.
Bogotá. Colombia.
El objetivo General de este proyecto fue: obtener Biodiesel en escala de
planta piloto. Los Objetivos Específicos fueron: adaptar las técnicas utilizadas
en escala de laboratorio para controlar la calidad del producto, caracterizarlo y
detectar contaminantes. En escala de laboratorio, se incorporaron enzimas
inmovilizadas (lipasas) al proceso de producción de Biodiesel y se compararon
los resultados con el método convencional (transesterificación). Se caracterizó
el Biodiesel utilizando normas ASTM.
Los Autores del Marco Teórico fueron: González, Marcelo (2004) abordando
el tema del método transesterificacion, como obtención de banco de datos,
Acebedo, Luís (2003) enfatizando la elaboración de plantas piloto para el
procesamiento de aceites renovables, como ingrediente principal característico
del Biodiesel, Álvarez, Eduard (2000) ubicando la teoría sobre la variación de la
densidad al someter al aceite a altas temperaturas.
En el proceso experimental, se caracterizaron ciertos aspectos tomados en
cuenta para la obtención del Biodiesel implementando metodología de ensayo
y error para obtener un producto más puro, y menos contaminante, para luego
ser analizado mediante un severo control de calidad. El resultado fue el
esperado obteniendo un producto eficiente, ya que fue probado en reactores
confirmando que es una energía renovable.
Esta investigación es de suma importancia al tema en cuestión, ya que es
una evidencia de que se puede obtener un biodiesel, como biocombustible,
DERECHOS RESERVADOS
dando paso a una nueva metodología como ensayo y error, para la obtención
de este producto renovable.
Herrera, Dávila Álvaro (2004), realizó su investigación titulada, “Método de
Obtención de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales de Grado de Acidez
Variable en un Sistema Continuo” Centro de Estudios de Ingeniería de
Andalucía. España.
El Objetivo General se basó en: Obtención de un Biodiesel en sistema
continúo a partir de aceites vegetales de acidez variable. Los Objetivos
Específicos fueron: caracterizar por mezcla en una primera etapa aceites
vegetales de grado de acidez variable, reaccionar el aceite en un reactor
tubular modular horizontal múltiple y continuo con metanol en la proporción
estequiométrica de 1:50 a 1:300, caracterizar Ia cantidad de ácidos grasos
libres presentes en el medio, en presencia de un ácido fuerte como catalizador,
en una proporción de 1 a 10 gramos por kilogramo de aceite.
Los autores principales del Marco Teórico fueron: Morales, Rocío (1999)
sobre la teoría de los niveles de acidez de un aceite vegetal, y como podrían
variar sometidos a diferentes temperaturas, Martínez, Claudio (2002) acerca de
los reactores tubular modular horizontal en sus dos etapas, múltiples e
individuales. Ferrer, Pérez Raúl (2002) en la teoría de propiedades físico
químicas de los alcoholes, como el metanol en específico.
El grado de acidez es el parámetro que revela la pureza del aceite por tanto
se procedió a la obtención del Biodiesel a partir de aceites de palmas por el
método de transesterificacion obteniéndose un alto valor de acidez en el
producto lo cual indico el inicio de un proceso de ranciedad unido al
decaimiento cualitativo del aceite de palma resultando un producto con una
acidez menor. Posteriormente se obtuvo un Biodiesel con un bajo valor de
acidez lo cual define un proceso de extracción eficiente del aceite efectuado
inmediatamente después de la recolección del aceite de palma y con métodos
DERECHOS RESERVADOS
naturales y poco agresivos. Los niveles de acidez se midieron a través de un
Phmetro obteniéndose dichos resultados.
Esta investigación un alto beneficio al presente trabajo ya que indica los
diferentes análisis y procedimientos aplicados al Biodiesel para el control de su
calidad.
Alejo, L y Siritt, H (2005), en su trabajo especial de grado titulado
“Propuesta de mejoras en la producción de aceite de palma” en la Universidad
de Misiones, Argentina. El Objetivo General de esta investigación fue: enfoque
gerencial de Gestión Tecnológica, para desarrollar una serie de propuestas
operativas de mejoras en los procesos productivos. Los Objetivos Específicos
fueron: Utilizar las herramientas propias de la metodología Administración Cero
Pérdidas, Describir la aplicación de técnicas de recolección de datos, Hacer
énfasis en las fallas que ocasionan desperdicios de material y energía.
Algunos autores recalcados en el Marco Teórico: Weckl, Sebastián (1990)
Enfatizando el sistema de control de calidad de aceites en cuanto a su color y
porcentaje de acidez. Frey, Ricardo (2001) con el estudio de aceites vegetales,
especialmente de Palmas.
Se procedió a seleccionar el área de estudio, delimitando el problema. Se
identificaron todas las posibles causas asociadas al problema, mediante una
metodología propia de la investigación denominada Taller de Trabajo, por
medio de la cual se obtuvieron como resultado de la investigación dos
propuestas de producción de aceite de palma, empleando técnicas de manejo
de materiales, técnicas para el análisis de los parámetros de los procesos y
sistemas de inventario de la empresa.
Dicho estudio ofrece un aporte significativo referente a las propuestas de
obtención de Biodiesel a partir del aceite de palma, ya que permite tener una
idea mas clara y precisa de las posibles soluciones a ofrecer en el presente
estudio, empleó técnicas de recolección de datos para buscar las posibles
soluciones como lo fueron las encuestas y observación directa, utilizó técnicas
DERECHOS RESERVADOS
de manejo de materiales para acortar las distancias entre operaciones y reducir
el manejo para el análisis de producción de aceite de palma, considerando que
si se quiere obtener un Biodiesel de calidad la materia prima también debe
serlo.
2.2.- Bases Teóricas:
2.2.1.- El Biodiesel:
El biodiésel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de
lípidos naturales como aceites vegetales, nuevos o usados, mediante
procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica
en la preparación de sustitutos totales o parciales del diésel o gasóleo
obtenido del petróleo.
El biodiésel puede mezclarse con gasóleo procedente del refino de
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.
Propiedades del biodiesel:
El biodiésel se describe químicamente como compuestos
orgánicos de ésteres de ácidos grasos de cadena larga y corta, que
entres sus componentes y propiedades contienen 11% Oxigeno en
peso y no contiene azufre, Reduciendo proporciones significativas
en la emanación de partículas, monóxido de carbono y dióxido de
azufre.
Materias primas del biodiesel:
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
DERECHOS RESERVADOS
climas fríos. Sin embargo existen otras variedades con mayor
rendimiento por hectárea, tales como la palma. 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. Además, existen otras materias primas en las
cuales se pueden extraer aceite para utilizarlas en el proceso de
producción de Biodiésel.
ACEITES CONVENCIONALES
ACEITES VEGETALES
ALTERNATIVOS OTRAS FUENTES
Girasol Brassica carinata Aceite de semillas modificadas genéticamente
Colza Cynara curdunculus Grasas animales (sebo de vaca y búfalo)
Coco Camelina sativa Aceites de micoralgas Soja Crambe abyssinica Aceite de producciones microbianas
Palma Pogianus Aceites de fritura
Tabla 1. Principales materias primas para la producción de biodiésel.
Fuente: Castaño y Lapuerta “Bioingeniería” (2000).
2.2.2.- Aceite vegetal:
El aceite vegetal es un compuesto orgánico obtenido a partir de
semillas u otras partes de las plantas en cuyos tejidos se acumula como
fuente de energía.
Usos del aceite vegetal:
Los aceites vegetales son preferibles a las grasas animales para
el consumo humano. Esto se debe a que son ricos en ácidos grasos
mono o poliinsaturados, una cualidad muy importante para la
transformación de grasa en el organismo humano. En la actualidad
es obligación del fabricante de productos en que aparezca el aceite
vegetal advertirlo en el etiquetado. A veces esta advertencia se hace
refiriéndose al aceite utilizado, aunque lo más común es que sean
DERECHOS RESERVADOS
varios y mezclados en cuyo caso se advierte simplemente de que el
producto contiene aceites vegetales, sin especificar.
La mayor parte de los aceites vegetales se usan para alimentar el
ganado. El aceite vegetal más usado para consumo humano es el de
girasol. Aunque también se ha extendido el uso de este aceite
vegetal como combustible para los motores diesel. El aceite vegetal
también se puede utilizar como combustible en vehículos híbridos o
adaptados.
Obtención del aceite vegetal:
El aceite vegetal se puede obtener mecánica o químicamente, y
generalmente se usa alguna combinación de ambas técnicas.
En el método mecánico las semillas y frutos oleaginosos se
someten a un proceso de prensado. Los residuos de este prensado
se aprovechan como alimento para el ganado, por ser un producto
muy rico en proteínas. Finalmente se somete al aceite extraído a otro
proceso de refinamiento.
El método químico utiliza disolventes químicos que resulta más
rápidos y baratos, además de dar mejor rendimiento. El solvente
generalmente usado es el Hexano.
Por tal motivo, muchos nutricionistas y médicos, están en contra
de su uso en la alimentación.
Lípido:
Los lípidos son moléculas orgánicas, la mayoría biomoléculas,
compuestas principalmente por carbono e hidrógeno y en menor
medida oxígeno, aunque también pueden contener fósforo, azufre y
nitrógeno, que tienen como característica principal el ser hidrofóbicas
o insolubles en agua y sí en disolventes orgánicos como la bencina,
DERECHOS RESERVADOS
el alcohol, el benceno y el cloroformo. En el uso coloquial, a los
lípidos se les llama incorrectamente grasas, aunque las grasas son
sólo un tipo de lípidos procedentes de animales. Los lípidos cumplen
funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de
reserva energética (triglicéridos), la estructural (fosfolípidos de las
bicapas) y la reguladora (esteroides).
Ácidos grasos:
Son las unidades básicas de los lípidos saponificables, y
consisten en moléculas formadas por una larga cadena
hidrocarbonada con un número par de átomos de carbono (12-22) y
un grupo carboxilo terminal. La presencia de dobles enlaces en el
ácido graso reduce el punto de fusión. Los ácidos grasos se dividen
en saturados e insaturados.
Saturados. Sin dobles enlaces entre átomos de carbono; por
ejemplo, ácido láurico, ácido mirístico, ácido palmítico, ácido
esteárico, ácido araquídico y ácido lignogérico.
Insaturados. Los ácidos grasos insaturados se caracterizan
por poseer dobles enlaces es su configuración molecular.
Éstas son fácilmente identificables, ya que estos dobles
enlaces hacen que su punto de fusión sea menor que en el
resto. Se presentan ante nosotros como líquidos, como
aquellos que llamamos aceites. Este tipo de alimentos
disminuyen el colesterol en sangre y también son llamados
ácidos grasos esenciales. Los animales no somos capaces de
sintetizarlos, pero los necesitamos para desarrollar ciertas
funciones fisiológicas, por lo que debemos aportarlos en la
dieta. La mejor forma y la más sencilla para poder enriquecer
nuestra dieta con estos alimentos, es aumentar su ingestión,
DERECHOS RESERVADOS
es decir, aumentar su proporción respecto los alimentos que
consumimos de forma habitual.
2.2.3.- Etanol:
Es un alcohol que se presenta como un líquido incoloro e inflamable con
un punto de ebullición de 78 °C. Al mezclarse con agua en cualquier
proporción, da una mezcla azeotrópica.
Su fórmula química es CH3-CH2-OH, principal producto de las bebidas
alcohólicas como el vino (un 15% aproximadamente), la cerveza (5%) o
licores ( hasta un 50%).
Síntesis:
El alcohol es un líquido incoloro y volátil que está presente en
diversas bebidas fermentadas y utilizado para combustibles. Desde la
antigüedad se obtenía el etanol por fermentación anaeróbica de una
disolución con contenido en azúcares con levadura y posterior
destilación.
Uso como combustible:
Se emplea como combustible industrial y doméstico. En el uso
doméstico, se emplea el alcohol de quemar. Éste además contiene
compuestos como el etanol u otras sustancias denominadas
desnaturalizantes, que impiden su uso como alimento, ya que el
alcohol para consumo suele llevar impuestos especiales. En algunos
países, en vez de etanol se utiliza metanol como alcohol de quemar.
2.2.4.- Aceite vegetal usado:
El Aceite vegetal usado es Aceite residual, procedente de la producción
de la fritura de alimentos. Este aceite ha perdido sus propiedades originales
una vez termo-oxidados y deben ser tratados correctamente. Estos aceites
DERECHOS RESERVADOS
suelen contener restos de alimentos y agua que se desprende de la
preparación de los alimentos. Estos aceites adquieren mayor graduación
según se utilicen más y es posible que adquieran dioxinas por las cenizas
de la incineración.
El aceite vegetal usado es un residuo particularmente contaminante.
Esto significa que verter dicho residuo por el fregadero es una práctica ilegal
y anti-ecológica. Producir biodiesel a partir de aceite vegetal es
relativamente sencillo guardando las medidas de seguridad pertinentes (hay
incluso recetas caseras). El método más común consiste en la
transesterificación usando alcohol etílico e hidróxido sódico. Para favorecer
la reacción se necesita aporte de calor y remover, lo que implica un
pequeño consumo eléctrico, se obtiene biodiesel y glicerina (jabón). El
combustible obtenido puede ser usado en la mayoría de motores diesel con
pequeñas o ninguna modificación.
El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores
perspectivas en la producción de biodiésel, ya que es la materia prima más
barata, y con su utilización se evitan los costes de tratamiento como
residuo. España es un gran consumidor de aceites vegetales, centrándose
el consumo en aceite de oliva y girasol. Por su parte, los aceites usados
presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes
alteraciones y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como
biocombustible.
Además, como valor añadido, la utilización de aceites usados significa la
buena gestión y uso del residuo, el informe sobre el marco regulatorio de los
carburantes propone reciclar aceite de fritura en biodiésel, este aceite da
problemas al depurar el agua; sin embargo, su recogida es problemática.
Porcentaje de Acidez en el aceite vegetal:
El aceite constituye uno de los productos alimenticios de mayor y
permanente demanda por parte de los consumidores. Dentro de
DERECHOS RESERVADOS
éstos, los aceites denominados 100% vegetal y los de maravilla son
los que muestran mayor variedad de marcas y precios en el
mercado. De acuerdo con el Reglamento Sanitario de los Alimentos,
los aceites comestibles de maravilla no deberán contener más de un
0,25% de acidez libre expresado como % de ácido oleico. Respecto
a la acidez es importante saber que el grado de acidez no se refiere
a lo que la palabra "ácido" significa normalmente. Como parámetro
químico, la acidez se refiere a la proporción de ácidos grasos libres
que contiene el aceite, expresada en grados. Estos grados no tienen
relación con la intensidad del sabor. Un aceite de oliva virgen extra
de baja acidez no es un aceite de poco sabor. Se trata de la garantía
de un fruto sano, elaborado en condiciones óptimas en todo su
proceso. Queda claro pues que los grados de acidez del aceite son
una pauta para catalogar, pero no guardan ninguna relación con el
sabor.
Saponificación:
Es una reacción química entre un ácido graso y una base o álcali,
en la que se obtiene como principal producto la sal de dicho ácido y
de dicha base. Estos compuestos tienen la particularidad de ser
anfipáticos, es decir tienen una parte polar y otra apolar (o no polar),
con lo cual pueden interactuar con sustancias de propiedades
dispares. Por ejemplo, los jabones son sales de ácidos grasos y
metales alcalinos que se obtienen mediante este proceso.
El método de saponificación en el aspecto industrial consiste en
hervir la grasa en grandes calderas, añadiendo lentamente sosa
cáustica (NaOH), agitándose continuamente la mezcla hasta que
comienza esta a ponerse pastosa.
La reacción que tiene lugar es la saponificación y los productos
son el jabón y la glicerina.
DERECHOS RESERVADOS
2.2.5.- Proceso de obtención de biodiesel:
La producción del biodiesel es bien conocida y citada extensamente en
la literatura y a través de diversos medios líricos. Básicamente se elabora
mediante la transesterificación de grasas y aceites con alcohol etílico en
ambiente básico. Los catalizadores a emplear pueden ser soda cáustica o
etilato sódico, ambos en solución etanólica.
La transesterificación:
La transesterificación es el proceso de intercambiar el grupo
alcoxi de un éster por otro alcohol. Estas reacciones son
frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una
base.
La transesterificación como síntesis de biodiesel:
El proceso de transesterificación consiste en combinar, el aceite
(normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente
etanol, y deja como residuo de valor añadido glicerol, que puede ser
aprovechada por la industria cosmética, entre otras.
Una molécula de aceite vegetal está formada por tres ésteres
vinculados a una molécula de glicerina, lo que hace de él un
triglicérido. El procedimiento para la conversión de los aceites
vegetales en biodiésel se llama transesterificación.
Transesterificación no es nada más que la separación de la glicerina
del aceite vegetal. Aproximadamente el 20% de una molécula de
aceite vegetal está formado por glicerina. La glicerina hace que el
aceite vegetal sea más denso y viscoso. Durante el proceso de la
Transesterificación, la glicerina se elimina del aceite vegetal, dejando
el aceite fino y la reduciendo la viscosidad.
DERECHOS RESERVADOS
Para producir el biodiésel, hay que separar los ésteres del aceite
vegetal de la glicerina. Los ésteres son la base de biodiésel. Durante
este proceso, la glicerina se sustituye por alcohol (etanol o metanol).
Para lograr la separación de la molécula, se necesita un
catalizador, que puede ser hidróxido de sodio o hidróxido de potasio.
Con la ruptura de la molécula, la glicerina se une a la sosa cáustica
(hidróxido de sodio) y se decanta por ser más pesada que el
biodiésel. Los ésteres se unen el alcohol, y forman el biodiésel.
La reacción química para obtener el biodiésel se produce entre un
ácido (aceite vegetal) y dos bases (etanol y catalizador). La cantidad
de catalizador utilizado en la fabricación de biodiésel dependerá del
pH de aceite vegetal. El éxito de la reacción depende de la capacidad
para medir el pH, o incluso, la acidez del aceite vegetal.
La reacción química:
La reacción, denominada transesterificación , substituye el etanol
- producto químico utilizado para quitar el agua de la gasolina - por la
glicerina en los triglicéridos (grasas, aceites) para elaborar etil-
ésteres también denominados biodiesel. Utiliza la soda cáustica
(sosa) como catalizador. Un químico lo podría escribir como:
Triglicéridos (aceites) + Alcohol (etanol) ===> Biodiésel (etil-ésteres)
+ Glicerina (Catalizador:sosa).
El proceso químico es relativamente sencillo, sin embargo para
producir un biodiesel de calidad deben optimizarse las variables del
proceso, tales como el exceso de etanol, la catálisis del mismo,
desactivación del catalizador, agitación, temperatura y, en general,
todas las variables del proceso. La viscosidad del éster es menos de
dos veces superior a la del gasoil, frente a las 1020 veces la del
DERECHOS RESERVADOS
aceite vegetal crudo. La composición del Biodiesel deriva de las
características químicas de los aceites utilizados.
Variables del proceso de transesterificación:
Existen diferentes variables de operación que influyen sobre la
reacción de transesterificación. La relación molar entre el alcohol y el
aceite es una de las variables más influyentes en el rendimiento de
los ésteres que constituyen el biodiesel. Según la estequiometría, la
alcoholisis requiere tres moles de alcohol por mol de triglicérido para
dar tres moles de ésteres de ácidos grasos y un mol de glicerina.
La relación molar está asociada al tipo de catalizador utilizado de
modo que un aumento de relación molar está asociada también a un
aumento de la velocidad de la reacción, alcanzándose mayores
conversiones en tiempos menores debido a que una mayor cantidad
de alcohol desplaza el equilibrio hacia la formación de productos.
La temperatura óptima de reacción depende del aceite utilizado.
La concentración del catalizador depende del tipo de catalizador pero
también de la relación molar de los reactivos y de la temperatura. El
tiempo de reacción depende de la cantidad de producto que se
quiere obtener, de las condiciones de reacción y de los
requerimientos energéticos de la misma, aunque para obtener
conversiones máximas generalmente suele estar en torno a una
hora.
El efecto de la agitación está asociado al efecto que provoca la
mezcla alcohol – aceite sobre la transesterificación. La solubilidad del
aceite en el alcohol es baja (de ahí que se emplee exceso de alcohol)
y la agitación ayuda a la reacción pero está limitada por la
transferencia de materia entre el triglicérido y el alcohol.
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2.2.6.- Catalizador:
Un catalizador es una sustancia (compuesto o elemento) capaz de
acelerar (catalizador positivo) o retardar (catalizador negativo o inhibidor)
una reacción química, permaneciendo éste mismo inalterado (no se
consume durante la reacción). A este proceso se le llama catálisis.
Los catalizadores no alteran el balance energético final de la reacción
química, sino que sólo permiten que se alcance el equilibrio con mayor o
menor velocidad. Muchos de los catalizadores actúan alterando superficies
permitiendo encontrarse y unirse o separarse a dos o más reactivos
químicos. En el mundo natural, hay catalizadores biológicos o
biocatalizadores, los más importantes son las enzimas, de naturaleza
proteica aunque también existen ácidos ribonucleicos con capacidad
catalítica, denominados ribozimas.
La reacción requiere la presencia de un catalizador adecuado, que
puede ser homogéneo o heterogéneo. Aunque los catalizadores
tradicionalmente utilizados en la alcoholisis de grasas y aceites han sido
homogéneos (especialmente de carácter básico).
Los catalizadores homogéneos pueden ser básicos o ácidos. La catálisis
homogénea básica es mucho más rápida que la ácida y requiere
condiciones más moderadas de presión y temperatura. Sin embargo,
presentan el problema de la formación de jabones por neutralización de los
ácidos grasos libres presentes en el aceite, especialmente cuando se utiliza
el hidróxido potásico o el sódico.
Esta neutralización se puede evitar utilizando ácidos grasos de bajo
índice de acidez. No obstante, los aceites más rentables económicamente
presentan cierto contenido en ácidos grasos, como los aceites y grasas
usadas. La catálisis homogénea ácida es más lenta y requiere condiciones
DERECHOS RESERVADOS
menos moderadas que usando catalizadores básicos, pero la principal
ventaja es que los ácidos grasos libres no forman jabones sino que se
esterifican directamente a ésteres etílicos por lo que es muy ventajosa para
la de aceites de alto índice de acidez.
Los catalizadores homogéneos básicos son sales fuertes, comúnmente
hidróxidos sódicos y potásicos y los alcóxidos correspondientes, metóxidos,
etóxidos, propóxidos y butóxidos sódicos y potásicos. Además de éstos los
carbonatos, las amidas sódicas y potásicas y los hidruros sódicos y
potásicos también pueden ser utilizados. Como catalizadores ácidos suelen
emplearse ácidos fuertes como el ácido sulfúrico, clorhídrico, fosfórico y
sinfónico.
En los procesos de metamorfosis de los aceites anteriormente
especificados se realizó un estudio a fin de obtener un catalizador más
adecuado. Se estudiaron catalizadores homogéneos básicos como
hidróxidos alcalinos, alcóxidos alcalinos y catalizadores homogéneos ácidos
tales como ácido sulfúrico.
2.2.7.- Norma internacional y europea para biodiesel.
La ASTM (American Society for Testing and Material Standard) describe
al biodiesel como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga
derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de
animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. Sin
embargo, los ésteres más utilizados, son los de metanol y etanol (obtenidos
a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o
grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos.
DERECHOS RESERVADOS
Tabla 2: Norma internacional para Biodiesel (Volatilidad).
Fuente: Norma ASTM PS 121/1999 “Especificaciones para biodiesel”.
Parámetro Unidad de
medida
Norma estadounidense para
Biodiesel (ASTM D6751-07)
Norma Europea
Biodiesel (EN14214)
Punto de inflamación °C 130 min. 120 min. Temperatura de
destilación °C 360 máx.
Densidad a 15 °C g/ml 0,86-0,90
Punto de inflamación:
Mide la tendencia del combustible de formar mezclas inflamables con el
aire. Se usa para evaluar el riesgo de inflamación del biocombustibles, se
establece un mínimo para seguridad contra incendios. En el biodiesel este
límite se utiliza para garantizar que se haya removido todo el etanol. El
exceso de etanol puedo afectar las bombas de combustible, sellos y
empaquetaduras y resultar en mala combustión.
Temperatura de destilación:
El biodiesel tiene prácticamente un punto de destilación, que se ubica en
el rango más alto de la curva del diesel. Este parámetro se incorpora para
controlar que el combustible no haya sido contaminado con materiales de
mayor punto de evaporación.
Densidad:
La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez del biodiesel
recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo,
más pesado nos parecerá.
DERECHOS RESERVADOS
Tabla 3: Norma internacional para biodiesel (fluidez).
Parámetro Unidad de
medida
Norma estadounidense para
Biodiesel (ASTM D6751-07)
Norma Europea
Biodiesel (EN14214)
Viscosidad a 40°C
cSt 1.9 - 6.0 3.5 - 5.0
Fuente: Norma ASTM PS 121/1999 “Especificaciones para biodiesel”.
Viscosidad:
La viscosidad es una medida de la resistencia del combustible a fluir.
Cuando la temperatura aumenta la viscosidad disminuye, algunos motores
requieren una viscosidad mínima para evitar perdidas durante la inyección
del combustible (lo cual no es problema con el biodiesel, que suele tener
mayor viscosidad que el diesel). La viscosidad máxima depende del diseño
del sistema de inyección. Un combustible muy viscoso puede causar una
mala atomización, que lleva a la mala combustión.
Tabla 4: Norma internacional de biodiesel (composición).
Parámetro Unidad de
medida
Norma estadounidense para
Biodiesel (ASTM D6751-07)
Norma Europea
Biodiesel (EN14214)
Índice de cetanos
47 min. 51 min.
Fuente: Norma ASTM PS 121/1999 “Especificaciones para biodiesel”.
Índice de cetanos:
Mide la calidad de ignición de un combustible, un alto número de
cetanos indica un menor retraso en la ignición, ayuda a un mejor arranque
del motor y minimiza la emisión de humo.
DERECHOS RESERVADOS
2.3.- Cuadro Variable:
El Objetivo General: obtener el biodiesel a partir de aceite vegetal usado y
etanol
Variable Dependiente: Biodiesel.
Biodiesel:
Definición Conceptual: el Biodiesel es un biocombustible sintético
líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites
vegetales o grasas animales, nuevos o usados, mediante procesos
industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en
la preparación de sustitutos totales o parciales del Petro diésel o
gasóleo obtenido del petróleo. (Rudolf Diesel) 1983.
Definición Operacional: el biodiesel es un biocombustible, que
funciona como medio de ignición para el trabajo de motores, o
reactores reduciendo la contaminación, mejorando el rendimiento del
motor. (Rudolf Diesel) 1983
Variable Independiente: Aceite vegetal usado y Etanol.
Aceite vegetal usado:
Definición Conceptual: es un producto obtenido de plantas de girasol
o palmas, específicamente frituras, método típico de cocina, es decir,
aceite usado. (Rudolf Diesel) 1983
Definición Operacional: producto para el uso comestible, medio de
cocción para alimentos. (Rudolf Diesel) 1983.
Etanol:
DERECHOS RESERVADOS
Definición Conceptual: es un alcohol que se presenta como un líquido
incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 °C. Su fórmula
química es CH3-CH2-OH, principal producto de las bebidas
alcohólicas, el etanol se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón
en cosechas de maíz y caña de azúcar, entre otros. (Rudolf Diesel)
1983
Definición Operacional: compuesto químico, que se utiliza para la
producción de combustibles, y bebidas alcohólicas. (Rudolf Diesel)
1983
Tabla 5. Cuadro de variables
OBJETIVO
ESPECÍFICO
VARIABLE SUB-VARIABLES INDICADOR
Caracterizar el
aceite de frituras y
etanol para ser
utilizado en el
proceso
Aceite de frituras y
etanol
Aceite:
-% de Acidez
- % de Humedad
Realizar el
procedimiento
para la producción
de Biodiesel
Procedimiento
para la producción
de Biodiesel
Transesterificaciòn
de triglicéridos
Analizar el
producto obtenido
Variable
dependiente: El
Biodiesel
Variable
independiente:
Aceites de
Frituras y Etanol
Producto obtenido
Viscosidad,
densidad, número
de cetanos, punto
de inflamación.
Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
DERECHOS RESERVADOS
2.4.- Definición de términos básicos.
Aceite: (del árabe az-zait, el jugo de la aceituna, y éste del arameo
zayta) es un término genérico para designar numerosos líquidos
grasos de orígenes diversos que no se disuelven en el agua y que
tienen menos densidad que ésta. (Rudolf Diesel, 1983).
Aceite de colza: Es un aceite nutritivo producido a partir de
prensado a partir del prensado de las semillas de la planta de colza
(Denis Almedia, 1966).
Aceite de coco: Es un aceite vegetal y al igual que la mantequilla de
coco es una sustancia grasa (Denis Almedia, 1966).
Aceite de girasol: Es el aceite obtenido de la semilla de girasol, se
caracteriza por su contenido de vitamina E. (Rudolf Diesel, 1896).
Aceite de palma: Se trata de un aceite de origen vegetal obtenida
del mesocarpio de la fruta de la palma Elaeis guineensis, este aceite
es considerado como el segundo más ampliamente producido sólo
superado por el aceite de soja. El fruto de la palma es ligeramente
rojo y este es el color que tiene el aceite embotellado sin refinar.
(Rudolf Diesel, 1896).
Ácido oleico: Es un tipo de grasa monoinsaturada típica de los
aceites vegetales como el aceite de oliva, de aguacate, de palma,
etc. (Rudolf Diesel, 1896).
Biodiesel: Es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a
partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales,
nuevos o usados, 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.
(Rudolf Diesel, 1893).
Calentamiento global Es el fenómeno observado en las medidas de
la temperatura que muestra en promedio un aumento en la
DERECHOS RESERVADOS
temperatura de la atmósfera terrestre y de los océanos en las últimas
décadas. (Ávila Ricardo, 2006).
Catalizador: Cuerpo capaz de producir la transformación catalítica.
(Ávila Ricardo, 2006).
Combustible: Es cualquier material capaz de liberar energía cuando
se cambia o transforma su estructura química. Supone la liberación
de una energía de su forma potencial a una forma utilizable (por ser
una reacción química, se conoce como energía química). (Rudolf
Diesel, 1893).
Combustible Diesel: Es una mezcla compleja de hidrocarburos
compuesta principalmente de parafinas y aromáticos, con un
contenido de olefinas que alcanza solamente a un pequeño
porcentaje por volumen. (Rudolf Diesel, 1983).
Combustibles fósiles: Son aquellos energéticos que se presentan
normalmente en ambientes como carbón, gas natural, hidrocarburos
sólidos, petróleo, entre otros. (Rudolf Diesel, 1893).
Cultivo: Toda clase de especie vegetal cultivada en un campo,
generalmente con fines económicos. (Rudolf Diesel, 1893).
Efecto invernadero: Se denomina efecto invernadero al fenómeno
por el cual determinados gases, que son componentes de una
atmósfera planetaria, retienen parte de la energía que el suelo emite
por haber sido calentado por la radiación solar. Afecta a todos los
cuerpos planetarios dotados de atmósfera. (Ávila Ricardo, 2006).
Energéticos: son aquellas sustancias clasificadas químicamente.
(Ávila Ricardo, 2006).
Especies: Unidad básica de la clasificación biológica. (Ávila Ricardo,
2006).
DERECHOS RESERVADOS
Fritura: Cocción de un alimento mediante la inmersión rápida en un
recipiente lleno de materia grasa muy caliente. (Ávila Ricardo, 2006).
Metanol: Alcohol de metano de fórmula molecular CH3OH. Es
utilizado como combustible principalmente al juntarlo con la gasolina.
(Rudolf Diesel, 1893).
Nafta: (del árabe, naft), también conocido como éter de petróleo, es
un derivado del petróleo extraído por destilación directa, utilizado
principalmente como materia prima de la industria petroquímica
("nafta petroquímica" o "nafta no energética"), en la producción de
alquenos, como etileno y propileno, así como de otras fracciones
líquidas como benceno, tolueno y xilenos. En la industria química se
usa como disolvente. La nafta energética es utilizada para producir
gasolina de alto octanaje, mediante el proceso de reformado
catalítico y para la generación de gas de síntesis (Sintegas o
Syngas), que es utilizado a su vez en la producción de gas
doméstico. (Rudolf Diesel, 1896).
Pericarpio es, en botánica, la parte del fruto que recubre su semilla y
consiste en el ovario fecundado. (Rudolf Diesel, 1896).
Semilla: Es la estructura mediante la cual se realiza la propagación
de las plantas. (Rudolf Diesel, 1896).
Semillas oleaginosas: Los frutos secos son semillas oleaginosas
porque proceden de determinadas plantas como: almendras,
castaños, pepitas de girasol, etc. (Rudolf Diesel, 1896).
Suspensión: manera en que partículas muy pequeñas de una
materia sólida están en un líquido sin disolverse y distribuidas
uniformemente. (Connor, Abraham, 1995).
Transesterificación: es el proceso de intercambiar el grupo alcoxi
de un éster por otro alcohol. (Smith John, 1997).
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO III
MARCO METODOLOGICO
3.1.- Tipo de Investigación
Hernández Fernández y Baptista (2003), establecen que una investigación
correlacional, se define como una asociación de variables mediante un patrón
predecible para un grupo o población. Los estudios correlaciónales evalúan el
grado de vinculación entre dos o mas variables, pudiéndose incluir varios pares
de evaluaciones de esta naturaleza en una sola investigación (comúnmente se
incluye mas de una correlación). La investigación correlacional tiene, en alguna
medida, un valor explicativo y parcial, ya que el hecho de saber que dos
variables se relacionan, aumentan mucho más la información. Cuanto mayor
sea el número de variables que se asocien en el estudio mayor sea la fuerza de
las relaciones, más completa será la explicación.
Por lo anteriormente expuesto, se concluyó que la presente investigación,
forma parte de este tipo, ya que se relacionan dos variables, una dependiente
y otra independiente. La variable a manipular será la independiente, por tanto la
variable dependiente será medida. El etanol y aceite de frituras serán
manipuladas, con el fin de medir y obtener el biodiesel (variable dependiente).
Se puede decir que es del tipo correlacional, ya que se realizaron un número
de experimentos para obtener el biodiesel, de manera óptima. En pocas
palabras es experimental ya que, esta investigación trató de la obtención y los
beneficios del biodiesel, para luego compararlo con el tradicional diesel.
Se puede añadir, que es de tipo explicativo. Ya que las variables
relacionadas forman un vínculo informativo que profundiza más el
entendimiento del proceso.
3.2.- Diseño de Investigación.
Hernández Fernández y Baptista (2006), hicieron mención de un diseño de
investigación experimental se define como, la concepción de un experimento
DERECHOS RESERVADOS
donde se requiere la manipulación intencional de una acción para analizar sus
posibles resultados. Se refiere a un estudio en el que se manipulan
intencionalmente una o más variables independientes, para analizar las
consecuencias que la manipulación tiene sobre una variable dependiente,
dentro de una situación de control para el investigador.
Por tanto, se dedujo que la presente investigación tuvo un diseño
experimental, ya que se utiliza cuando el investigador pretende establecer el
posible efecto de una causa que se manipula, en este caso el etanol con aceite
de frituras. Para la obtención de biodiesel se realizaron varios experimentos
con diferentes concentraciones de y 80% de Diesel con 20% de Biodiesel
hasta llegar al 100% de Biodiesel, para analizar y comparar los diferentes
efectos que causa la manipulación de una variable arrojando diferentes
resultados encontrando así el producto óptimo, donde el proyecto es factible,
ya que se ofreció como una fuente de energía alterna, reduciendo así las
emisiones de dióxido de carbono, para un balance de las mismas en el mundo
más favorable.
3.3.- Técnicas de Recolección de Datos.
Una vez que seleccionamos el diseño de investigación apropiado en este
caso “experimental”, de acuerdo con nuestro problema de estudio, la siguiente
etapa consiste en recolectar los datos pertinentes sobre los atributos,
conceptos cualidades y variables. El mismo implica elaborar un plan detallado
de procedimientos que nos conduzcan a reunir datos con un propósito
específico.
Para recolectar los datos asociados con las variables de investigación de
obtener biodiesel a partir del etanol y aceite de frituras, se tomo en cuenta
cuidadosamente los detalles del proceso, para seleccionar el instrumento
apropiado y confiable para la medición y el desarrollo del presente estudio.
Las técnicas de recolección de datos que fueron aplicadas para este
análisis fueron:
DERECHOS RESERVADOS
La Observación Directa:
Según Hernández, Fernández y Baptista (2006), “la observación directa
consiste en el registro sistemático, cálido y confiable de comportamientos o
conductas manifiestas, donde se recolectan datos mediante la observación del
investigador”.
La observación directa fue aplicada para el análisis de este trabajo, debido
que se muestra y se percibe directamente los cambios y fenómenos que ocurre
en el momento de la transesterificacion entre los triglicéridos y el alcohol,
utilizando equipos de laboratorio registrando informaciones validas y confiables.
Los datos que se dieron para la síntesis del biodiesel fueron precisos y exactos
por tanto, a observación directa se concluyo que el biodiesel había sido
producido satisfactoriamente.
Observación Documental:
Hernández, Fernández y Baptista (2006) establecen que: “En cuanto a
las investigaciones sobre la realidad actual, además de constituir los
documentos un complemento indispensable de los demás medios de
observación de la realidad, han de partir de las anteriores investigaciones
realizadas de tipo similar, que respecto a ellas constituyen también fuentes
documentales”.
Para la presente investigación, se recopilaron diversos aspectos que
fueron determinados para la recolección de datos, estos aspectos se tomaron
de investigaciones anteriores sobre el Biodiesel, se obtuvo que la observación
documental fue fundamental, ya que los resultados obtenidos llegaron a ser
precisos y contundentes debido a la documentación que existía sobre el tema.
Es importante recalcar, que las investigaciones pasadas sobre el tema fueron
tomadas en cuenta desde su teoría hasta ser llevadas a su ejercicio o práctica.
DERECHOS RESERVADOS
3.7.- Fases de la investigación.
1.- Caracterización del aceite vegetal usado.
Materias primas: aceites y grasas.
Las materias primas aceites y grasas vegetales y animales disponibles
para producir biodiesel en Venezuela son variadas: aceites vegetales, grasas
animales, aceite de maíz, aceites y mantecas comestibles usados. Sin
embargo, su cantidad no es suficiente para satisfacer una posible demanda a
gran escala de biodiesel.
Un siguiente paso, con el fin de estimar el potencial de réplica de estos
sistemas pequeños de producción de biodiesel a partir de aceites usados, ha
sido el inicio de un estudio para evaluar, caracterizar y clasificar los aceites y
grasas comestibles residuales en la ciudad de Maracaibo.
El estudio constó de una primera etapa a nivel de laboratorio, que
incluyó:
– Recolección de aceites y grasas residuales de cadenas de comida
rápida, fábricas de bocaditos fritos, cadenas de supermercados,
restaurantes.
– Análisis de los aceites y grasas: índice de acidez, porcentaje de
humedad, índice de saponificación.
– Evaluación de métodos de pre-tratamiento de los aceites: filtrado,
desecación en estufa de vacío, neutralización de ácidos grasos libres.
Filtrado:
DERECHOS RESERVADOS
Para la caracterización del aceite vegetal usado, se realizaron distintos
ensayos de manera precisa y exacta, con el fin de determinar cantidades que
iban a ser utilizadas en el proceso.
Se colocó una muestra de aceite en un vaso precipitado para ser calentado
a una temperatura de 130 °C. Luego en un erlenmeyer se trasladó el mismo
con un embudo de porcelana y papel filtro, conectado a una bomba de vacío
para filtrar la muestra, eliminando toda impureza que pudiese existir.
% Humedad:
El aceite usado que se filtró, se reiteró el proceso de calentado a unos
150 °C en una plancha eléctrica, durante 10 minutos exactamente con el fin
de remover toda el agua el podía existir en el mismo.
En este paso se realizó el cálculo del porcentaje de humedad que tenía
el aceite usado, para comparar la diferencia entre el aceite vegetal virgen
con el usado. Con base de la norma COVENIN 704:1996.
Se pesaron 1-2 grs. de muestra en crisoles previamente secados y
pesados. Se colocaron en la estufa a 105-110 ºC por 5 horas hasta obtener
peso constante. Se enfriaron las muestras en un desecador y se pesaron al
alcanzar la temperatura ambiente. Se calculó el % de Materia Seca con la
siguiente ecuación:
100,sec....
,sec..%
gateparcialmenmuestradepeso
gamuestrapesoMS
Se calculó el % de Contenido de Humedad por diferencia:
%Humedad = 100 - %MS
Porcentaje de Acidez:
DERECHOS RESERVADOS
Para la primera parte de la caracterización se determinó el porcentaje de
acidez del aceite, con el fin de saber que tipo de catalizador se iba a manipular
para la obtención del Biodiesel.
Los materiales utilizados fueron: balanza analítica neutralizada, vaso
precipitado de 100 ml, matraz de erlenmeyer 250 ml, bureta graduada de 50 ml,
vaso precipitado de 250 ml y una probeta de 100ml. Los reactivos utilizados
fueron: mezcla de etanol con éter etílico 1:1 v/v de 150 ml, solución KOH 0,01
N etanólico.
Empezando con el procedimiento para la obtención del porcentaje de
acidez, se midieron 75 ml de etanol al 95° y se trasladaron a un erlenmeyer
para luego añadir 75 ml de éter etílico, y se agitó. Se pasó la mezcla a un vaso
precipitado de 250 ml y se procedió a medir el pH por medio de papel tornasol,
hasta que el pH llegó a 7 neutralizándolo con KOH 0,1N.
Posteriormente, se pesaron en un erlenmeyer 20 gr. de muestra y se
mezclaron con 75 ml de la solución etanol éter etílico neutralizado. A la mezcla
se le agregaron 4 gotas de fenolftaleína y se tituló con una solución preparada
de etanol con KOH 0,01N hasta que cambió de color a rosado. Se procedió al
cálculo del porcentaje de acidez con los datos arrojados a través de la siguiente
fórmula:
M
PNVA
10
% Donde,
A: Porcentaje de Acidez.
V: Volumen en ml de KOH utilizado en la titulación.
C: Normalidad de KOH.
P: Peso equivalente del acido oleico, 282 g/mol.
M: Masa de la muestra en gramos.
2.- Realizar procedimiento para la producción de biodiesel.
DERECHOS RESERVADOS
En el montaje experimental realizado, se llevaron a cabo las siguientes
etapas para la obtención de biodiesel: Preparación del etóxido, reacción de
transesterificación, separación de biodiesel y glicerina, lavado del biodiesel y
secado del biodiesel.
Preparación del etóxido.
Para la preparación del etóxido, se pesaron las cantidades especificadas en
cada corrida de NaOH y etanol, luego se mezclan y con ayuda de agitación las
escamas de catalizador se disuelven en el etanol, formando el etóxido de
sodio.
El peso del catalizador (NaOH) corresponde al porcentaje de catalizador
especificado en el diseño más la cantidad necesaria para neutralizar los ácidos
grasos libres presentes en el aceite.
Figura 1. Formación del etóxido Fuente: Fonseca y Martínez (2009)
Reacción de transesterificación:
DERECHOS RESERVADOS
Para la reacción de transesterificación se utiliza un reactor de cuatro bocas
con capacidad de 4000 ml, agitador tipo ancla, manta de calentamiento,
condensador de bola, termómetro de mercurio y termómetro de inmersión.
Condiciones de operación:
Temperatura: 60 ºC (+1 y 2 ºC), en ocasiones la temperatura se
incrementaba en uno ó dos grados centígrados, debido a que el sistema de
calentamiento es controlado manualmente.
Presión: 0 Psig.
Agitación: 200 rpm.
Tiempo de reacción: 90 min.
Para llevar a cabo la reacción de transesterificación, se cargó el aceite
usado al reactor y se precalentó a una temperatura aproximada de 40ºC, con el
fin de ayudar a que se alcanzar rápidamente la temperatura de reacción.
Mientras que se realizó el precalentamiento del aceite se preparó el etóxido,
para que una vez se obtengan los 40ºC, se adicione al reactor.
Figura 2: Montaje para reacción de transesterificación
Fuente: Fonseca y Martínez (2009)
Después de adicionar el etóxido, se esperó que la temperatura llegase a los
60°C y se dejó por 90 minutos, para garantizar que se complete la reacción.
DERECHOS RESERVADOS
Separación de biodiesel y glicerina.
Para la separación del biodiesel se utilizó un embudo de separación con
capacidad de un litro. Una vez cumplido el tiempo de reacción se vertieron los
productos en el embudo y se dejaron un tiempo mínimo de 12 horas, para
garantizar la buena separación entre fases. (Los tiempos no fueron iguales
para todas las corridas, variaron entre 17 y 47 horas, debido a que en
ocasiones el tiempo de separación se cumplió en horarios nocturnos y se
esperaba hasta el día siguiente para separar los productos.).
En la Figura 3 se muestra las dos fases formadas, la fase superior de color
rojizo son los etilésteres (biodiesel), y la fase inferior de color café es la
glicerina. Las fases fueron extraídas y pesadas.
Etilester
Glicerina
Figura 3: Separación de biodiesel y glicerina
Fuente: Fonseca y Martínez (2009)
Condiciones de operación:
Temperatura: 25ºC
DERECHOS RESERVADOS
Presión: 0 Psig
Tiempo de separación: Mínimo 12 horas
Lavado:
Para el lavado del biodiesel se utilizó un embudo de separación con
capacidad de un litro. Una vez que el biodiesel es separado de la glicerina, se
lavó ya que, hubo presencia de residuo de catalizador, etanol, jabones y
glicéridos sin reaccionar.
Para el lavado se utilizó una cantidad de agua correspondiente a la segunda
parte del biodiesel obtenido; el agua se agregó en 4 lavados. En cada lavado el
agua se agregó lentamente para que atravesara el biodiesel y arrastrase las
impurezas hacia el fondo del embudo, luego son separadas del biodiesel, este
procedimiento se repite 4 veces, en el último lavado el agua salió clara a
diferencia del primero que fue turbia. El tiempo de cada lavado depende de lo
que se demore separando el agua con las impurezas del biodiesel.
En la Figura 4 se ilustran los cuatro lavados realizados al biodiesel
observándose la diferencia del agua de lavado entre el primer (agua turbia) y
último lavado (agua clara).
DERECHOS RESERVADOS
Figura 4: Lavado del biodiesel
Fuente: Fonseca y Martínez (2009)
Condiciones de operación:
Temperatura: 25ºC
Presión: 0 Psig
Tiempo de lavado: Depende de cada etiléster
Secado:
Para la etapa de secado del biodiesel se empleó un erlenmeyer en un baño
de maría con agua. En la Figura 5 se ilustra el montaje para esta etapa. El
biodiesel fue secado para eliminar el contenido de agua que quedó del lavado;
se dejó secar hasta que no se observó burbujeo.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 5: Secado del biodiesel
Fuente: Fonseca y Martínez
Condiciones de operación:
Temperatura: 110ºC
Presión: 0 Psig
Tiempo de secado: Depende de cada etiléster
El biodiesel seco se deja enfriar y se pesa para luego ser almacenado.
3.- Analizar el producto obtenido.
Se estableció una serie de análisis que sería sometido el producto obtenido
en el laboratorio. A fin de tener un producto óptimo, fue importante la
caracterización del aceite, ya que este tenía un grado de acidez mayor que el
aceite vegetal sin usar, esto se debió a los altos contenidos de residuos que
tenía el mismo. En la transesterificación el hidróxido de sodio fue mezclado con
el etanol para formar un etóxido de sodio. Cuando se mezcló el etóxido con
aceite, rompió las uniones de la molécula de aceite, liberando glicerina y
neutralizando los ácidos grasos.
En la práctica, de acuerdo a la reacción con propiedad estequiométrica, se
necesitó más de 3 alcoholes por cada triglicérido para que la reacción pudiese
ocurrir completamente.
De igual forma, para que esta reacción sintetizada se llevara a cabo se
necesitó la presencia de un catalizador y de ciertas condiciones de reacción, a
saber, tiempo, temperatura, agitación. Así mismo se vio que la calidad del
DERECHOS RESERVADOS
aceite es uno de los condicionantes más importante para que la
transesterificación se diera adecuadamente.
Para el análisis del biodiesel se llevaron a cabo 10 experimentos con
distintas proporciones estequiométricas y diferentes porcentajes de catalizador.
Análisis de rendimiento.
Se realizó un análisis de rendimiento para el proceso de obtención del
biodiesel, debido a que se llevaron a cabo 10 corridas diferentes en cuanto a
porcentaje de catalizador y proporción estequiométrica, con el fin de calcular
cual de las combinaciones entre estos dos parámetros fueron los mas
eficientes en la realización del proceso.
Análisis de apariencia del biodiesel.
Para el análisis de la apariencia del biodiesel, se realizó un estudio de la
cantidad de residuos y geles que contenía el biodiesel, tomando en cuenta la
proporción estequiométrica y el porcentaje de catalizador utilizado en las
corridas, con el fin de saber que porcentaje es más eficiente de acuerdo a los
requisitos de la norma de calidad de biodiesel para la apariencia del mismo.
Análisis de destilación del biodiesel.
La prueba de la destilación se utilizó para determinar las características
de los diversos puntos que hierve una muestra del biodiesel. Esto, tiene un
efecto importante en el funcionamiento, el almacenaje, y la seguridad de
combustibles. El procedimiento estándar para medir la gama de puntos que
hierve para los combustibles es la prueba de la destilación, que es la ASTM D
86.
Esta prueba consiste en un destilador simple donde se introduce la
muestra y se recogen los datos del punto que hierve. Estos datos incluyen el
DERECHOS RESERVADOS
punto que hierve inicial, el punto que hierve final, y la temperatura que hierve
que corresponde a los incrementos del volumen de combustible destilado (el
5%, el 10%, el 20%, etc.).
Donde permitió la destilación del biodiesel sin la descomposición, el
procedimiento especificado en la técnica para convertir la curva de la
destilación de nuevo a la presión atmosférica es solamente válido para los
productos de petróleo y se debe ser utilizado con precaución para el biodiesel.
Determinación de la densidad del producto.
Se midieron 20 ml de biodiesel en un cilindro graduado, luego se pesó la
muestra en una balanza analítica se tomó el dato en gr. Se utilizó la fórmula de
densidad:
Volumen
MasaDensidad
Determinación del punto de nube.
Se colocó 1 cm3 de varias muestras del Biodiesel obtenido, en tubos de
ensayo. Se colocaron en una gradilla en el freezer (-16 °C). Se midió con un
termómetro la temperatura a la cual se observaba que se licuaban y en donde
se mantenía constante. Se repitió el procedimiento 3 veces con cada muestra.
Viscosidad cinemática.
Se colocó un tubo de ensayo debajo de una pipeta de 1 cm3. Se cargó la
pipeta con cada una de las muestras (10 muestras de biodiesel) cuya
viscosidad se quería medir. Se tomó el tiempo necesario para vaciar la pipeta
de cada una de las muestras.
DERECHOS RESERVADOS
Se realizó una gráfica de calibración para la viscosidad cinemática,
obteniendo dichos valores por medio del tiempo y la ecuación de la recta.
Punto de inflamación.
Se calentaron cada una de las diez muestras en un matraz de porcelana por
separado. Se les aplicó calor a cada una de las muestras con un mechero
directamente a los diferentes biodiesel que se encontraba en los matraces. Con
un termómetro se midió la temperatura en el tiempo exacto donde las muestras
de biodiesel empezaron la incineración o en el momento de la inflamación.
Índice de cetanos.
El índice del cetanos es una cantidad calculada que aproxima el número de
cetanos. Se realizó el cálculo del índice de cetanos por medio del método de
ASTM disponible para el mismo, el cual da la ecuación empírica siguiente para
el índice del cetanos:
Índice de Cetanos = 454.74 – 1641.42 D + 774.74 D2 – 0.554 T60 + 97.80 {log
(T60)}2
Donde: D = densidad del biodiesel a 15°C, g/ml
T60 = temperatura correspondiente al 60% de los puntos de la curva de
destilación.
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS.
4.1. Análisis de resultados por fases de la investigación
4.4.1.- Fase I. Caracterizar el aceite vegetal usado y el etanol para ser
utilizado en el proceso.
Aceite Vegetal Usado.
Filtrado:
Sabiendo que, el aceite utilizado para los ensayos, contenía un alto grado
de residuos y de oxidación por la cantidad de veces que fue usado, el proceso
de filtrado es sumamente importante para la eficiencia del proceso de la
obtención de biodiesel, ya que con estos residuos la reacción no se llevaría a
cabo de manera correcta, dejando partículas en el eventual caso de un
biodiesel con aceite sin filtrar, esto obstruiría el paso del biocombustibles por
todo el motor, ocasionando daños principalmente en el tanque de combustible y
los inyectores, válvulas y pistones. Luego de haber calentado y filtrado el
aceite, por medio de vacío, se observó un aceite menos oscuro y más limpio,
pero sabiendo que esto solo podía afectar en una leve proporción el resultado
del cálculo del porcentaje de acidez.
% Humedad:
El proceso de calentado, fue llevado a cabo principalmente para remover
todas las partículas de agua que podían existir en el aceite vegetal usado. Este
tipo de aceite usado contiene agua, que ralentiza la reacción y favorece la
saponificación, lo cual se quiere evitar para tener mayor cantidad e biodiesel. El
agua se acidifica y acaba atacando a los tanques de almacenamiento.
DERECHOS RESERVADOS
Contribuye al crecimiento de microorganismos, y forman lodos que pueden
colmar los filtros del motor.
Porcentaje de acidez:
La caracterización del aceite vegetal usado, se utilizó como referencia la
norma COVENIN 325:2001 para aceites y grasas comestibles. Sabiendo
según esta norma, que para el uso de aceites comestibles vegetales, debe
cumplir ciertos parámetros, como por ejemplo el porcentaje de acidez que no
debe ser mayor de 5 %. A continuación se presentará un cuadro donde se
reflejará los resultados del porcentaje de acidez del aceite vegetal usado y el
virgen como comparación.
Resultados preliminares de este estudio se presentan en la tabla 6
siguiente:
Parámetro Mc Donalds
(Hamburguesa)
% humedad 0,16
% de acidez 19,3
Composición de materia prima según proveedor
Aceite girasol
Producto frito Pollo y papas
Precio (Bs. F / litro) Gratis Tabla 6: Características del aceite recolectado.
Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
Según los resultados arrojados, mediante el procedimiento estudiado, el
porcentaje de acidez de la muestra de aceite usado fue mucho mayor que el
aceite virgen, esto se debe a que el aceite usado, tiene una oxidación mucho
mayor, gracias al calentamiento fuerte que el mismo fue sometido, creando un
número mayor de ácidos grasos, recordando que aunque se haya filtrado
DERECHOS RESERVADOS
suelen permanecer residuos de alimentos en el aceite, impulsando el resultado
de acidez.
Estos alimentos pueden desprender partículas de agua al aceite al
momento que son cocinados, produciendo un mecanismo de ranciedad por
hidrólisis. El agua provoca la hidrólisis de los radicales grasos y se restituyen
algunas moléculas de ácido original. Esto trae como consecuencia una cadena
de reacciones que hacen que el aceite tome un olor y sabor ácido y
desagradable.
El resultado arrojado del porcentaje de humedad según el método utilizado
a escala de laboratorio tomando como referencia los datos de la norma
CONVENIN 743:2001, el aceite vegetal comestible no debe tener un porcentaje
de humedad mayor de 0,05%, en el cálculo para el aceite vegetal usado, luego
del calentamiento se observó que tenia una humedad un mucho mayor (casi el
doble) debido a los contaminantes que puede tener el mismo, y las partículas
de agua desprendidas por los alimentos cocinados en el mismo.
Etanol.
A continuación se presentan una serie de características sencillas del
alcohol utilizado para la reacción de transesterificación para la obtención del
biodiesel.
Parámetro Etanol Aceite Vegetal
Fórmula CH3CH2OH
Peso Molecular 46 282
Peso de 1 mol de Producto 46 g 282 g
Tabla 7: Etanol, transesterificación y razón molar. Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
DERECHOS RESERVADOS
4.4.2.- Fase II. Realizar procedimiento para la producción de biodiesel.
Para la elaboración de este objetivo se tomó en cuenta los estudios
realizados por anteriores investigadores, lo cual avala el procedimiento para la
producción de biodiesel, ya que se han realizado con diferentes tipos de
aceites vegetales incluyendo el aceite de girasol, materia prima utilizada para
esta investigación.
Se muestran una serie de cuadros que proporciona los resultados arrojados en
los experimentos o corridas en diferentes proporciones estequimétricas y
diferentes concentraciones de catalizador.
Cantidad
de Cantidad
de Cantidad
de Total
Corrida Aceite Etanol NaOH Cargado 1 202,24 43,68 4,18 250,10 2 200,05 72,59 4,10 276,74 3 192,85 83,98 3,95 280,78 4 195,23 84,97 2,99 283,19 5 200,79 72,83 3,08 276,69 6 198,21 43,14 3,03 244,39 7 168,20 87,70 5,14 261,04 8 200,43 43,45 4,09 247,96 9 199,10 43,49 5,04 247,63
10 200,71 72,83 3,11 276,65 Tabla 8: Cantidades de reactivos adicionada por corridas.
Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
En la tabla 8 se muestran el peso de cada materia prima y el total
cargado para cada uno de los ensayos.
4.4.3.- Fase III. Analizar el producto obtenido.
Análisis de rendimiento.
El rendimiento del proceso se determinó mediante la relación entre el
peso del biodiesel seco y el peso del aceite. El peso de catalizador y del etanol
no se tiene en cuenta debido a que éstos son retirados en la etapa de lavado.
DERECHOS RESERVADOS
El mayor rendimiento en el proceso es de 83,50% (ver tabla 9), el cual
corresponde a la corrida 10 donde se utilizó un porcentaje de catalizador de
0,5% y relación molar alcohol/aceite de 10:1. Para la segunda mejor corrida fue
la muestra 6, resultó un 77,7% de rendimiento; en general empleando una
relación molar de 6:1 y un porcentaje de catalizador de 0,5% se obtuvo un
rendimiento promedio en el proceso de 75,2%. Con esto se llegó a la
conclusión que mientras menor sea la cantidad de catalizador básico en un
reactivo casi ácido se obtendrá mejor resultado debido a la neutralización de
moléculas acidas con básicas.
%
NaOH
Peso de Biodiesel
(g)
Peso de Biodiesel lavado (g)
Peso de Biodiesel Seco (g)
Total Producido
(g)
Corrida Rend. (%)
1 1 150,11 142,57 142,12 238,95 70,3% 2 1 144,48 116,98 116,05 270,66 58,0% 3 1 145,65 110,13 108,81 274,82 56,4% 4 0,5 171,01 138,55 135,20 277,56 69,3% 5 0,5 166,04 143,22 141,14 270,64 70,3% 6 0,5 165,67 153,22 154,03 238,45 77,7% 7 1,5 120,86 113,32 107,84 256,22 64,1% 8 1 148,40 134,05 137,15 242,45 68,4% 9 1,5 130,78 119,18 115,84 242,50 58,2% 10 0,5 176,40 170,24 167,53 271,93 83,5%
Tabla 9: Rendimiento del proceso.
Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
En la tabla 9 se presentan los pesos de biodiesel lavado y seco y el
rendimiento total del proceso, para cada una de las corridas realizadas.
Para el % de catalizador de 0,5 se obtuvieron rendimientos superiores a
69% y 70%, lo cual se debe a que a medida que aumenta el porcentaje de
catalizador, aumenta la formación de jabón y éstos hacen que el rendimiento
disminuya y en ocasiones que no se logre la reacción si la cantidad formada es
alta.
DERECHOS RESERVADOS
Pérdidas
por %
pérdidas
Corrida % NaOHLavado
(g) por
Lavado 1 1 7,54 5,0% 2 1 27,50 19,0% 3 1 35,53 24,4% 4 0,5 32,45 19,0% 5 0,5 22,82 13,7% 6 0,5 12,46 7,5% 7 1,5 7,54 6,2% 8 1 14,35 9,7% 9 1,5 11,60 8,9%
10 0,5 6,16 3,5%
Tabla 10: Pérdidas del proceso. Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
En la tabla 10 se muestran las pérdidas del proceso por el lavado del
biodiesel con respecto al biodiesel obtenido después de la reacción.
Cuando se emplea una relación molar alcohol/aceite alta. Se obtienen mayores
pérdidas en el lavado (ver tabla 10); lo cual hace que el rendimiento sea más
bajo debido a que entre mayor sea la cantidad remanente de etanol aumenta el
volumen en la fase de biodiesel el cual disminuye al ser lavado afectando
directamente el rendimiento.
Análisis de apariencia.
El biodiesel obtenido a partir de aceite de frituras es totalmente líquido
de color rojizo y transparente sin ningún contenido de sólidos ni geles. De las
10 muestras obtenidas 4 cumplen en gran medida con las características del
biodiesel obtenido de aceite de frituras (muestras: 4, 5, 6, 10), puesto que no
presentan contenido de sólidos ni de geles y, son totalmente transparentes. Las
4 muestras restantes (1, 2, 3, 7,8 ,9), contienen sólidos y geles.
DERECHOS RESERVADOS
Teniendo en cuenta los resultados de la apariencia del biodiesel, se
observa que el % de catalizador influye en la estabilidad del combustible debido
a que con cantidades iguales de NaOH.
Análisis de densidad del biodiesel
En la tabla 11 se presentan los valores de densidad obtenidos en cada
uno de los ensayos realizados. Teniendo en cuenta los valores de densidad
obtenidos se observa que todas las muestras están dentro del rango que indica
la norma ASTM D 1298 (0,86 – 0,90 g/cm3). La densidad es una propiedad
que no garantiza que el biodiesel obtenido sea de buena calidad pero se toma
para comparar unas muestras con otras, debido a que hay muestras que
cumplen con la densidad estipulada pero su apariencia no es la adecuada.
DensidadCorrida g/cm3
1 0,886 2 0,886 3 0,886 4 0,886 5 0,889 6 0,896 7 0,896 8 0,886 9 0,886 10 0,886
Tabla 11: Densidad del biodiesel.
Fuente: Fonseca Martínez, 2009.
Viscosidad Cinemática
Ya obtenido los resultados de las viscosidades en las diferentes
muestras o corridas, se le dio paso a la realización de la curva de
calibración a partir de la ecuación de la recta y el tiempo.
DERECHOS RESERVADOS
Corrida Tiempo (seg.) Viscosidad (centistokes)
1 11 6,96
2 11,5 7,49
3 10,8 6,75
4 8,9 4,76
5 9,04 4,91
6 9,08 4,96
7 13 9,06
8 11,8 7,80
9 14 10,11
10 9,10 4,98
Tabla 12: Cuadro de variable viscosidad.
Fuente: Fonseca Martínez, 2009.
Y= 1,0499x-4,5794
Variacion de viscosidad
4,91
4,96
4,98
4,9
4,92
4,94
4,96
4,98
5
9,03 9,04 9,05 9,06 9,07 9,08 9,09 9,1 9,11
Tiempo (seg)
Vis
co
sid
ad
(c
St)
9,04
9,08
9,1
Gráfico 1: Calibración de la viscosidad. Fuente: Fonseca Martínez, 2009.
Análisis de destilación del biodiesel
La destilación fue una prueba cualitativa que ayudó a determinar la
calidad del biodiesel, teniendo en cuenta las volatilidades de cada uno de los
componentes presentes en la muestra. En el Gráfico 2 se presenta la curva de
destilación realizada a la muestra 10, la cual fue la seleccionada debido que
DERECHOS RESERVADOS
cumplió con las características de apariencia, densidad y fue con la que se
obtuvo un mayor rendimiento.
Curva de Destilación de biodiesel
0100200300400
0 20 40 60 80 100
% de Volumen de destilado
Tem
per
atu
ra
(°C
)
Gráfico 2: Curva de destilación del biodiesel Muestra 10.
Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
En el Gráfico 3 se muestra la curva de destilación para el diesel
venezolano donde se presentan los límites de acuerdo al % de volumen
destilado. El rango de ebullición varía entre 180 y 390ºC
Como la muestra destilada biodiesel y el diesel derivado del petróleo,
son mezclas multicomponentes, no ebullen a una temperatura fija, sino en un
intervalo de temperatura definido por un punto inicial y un punto final.
DERECHOS RESERVADOS
Gráfico 3: Curva de destilación diesel Venezolano.
Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
Se puede observar que el biodiesel de la muestra 10 cumple con el valor
de temperatura exigido para el 90% de destilado ya que según la norma ASTM
D1160 para el biodiesel la cual debe ser máxima 360 ºC y la obtenida en la
destilación de la muestra de biodiesel es de 326 ºC.
El valor del punto final de ebullición obtenido para las muestra 10 es de
334 ºC respectivamente, por lo que se cumple con lo estipulado por la norma
ya que debe ser máximo 390 ºC. Además la obtención de un punto final de
ebullición a presión atmosférica indica la ausencia de moléculas de gran
tamaño como mono, di y triglicéridos en el biodiesel.
Análisis de otras propiedades del biodiesel.
En la tabla 13 se muestran los resultados de cada una de las
propiedades indicadas, las cuales fueron determinadas para la muestra
10, que anteriormente se mencionó.
DERECHOS RESERVADOS
Tabla 13: Propiedades del Biodiesel.
Propiedad Unidad Norma Resultado Estándar Variación
Índice de
Cetanos
N.A
ASTM
976
49,1
Min. 47
2,1
Punto de
Inflamación
°C
ASTM
D 93
137
Min. 130
7
Punto de
Nube
°C
ASTM
D 94
15
Viscosidad
Cinemática
cSt
ASTM
D 445
4,98
1,9 – 6
1,02
Fuente: Fonseca y Martínez (2009).
Teniendo en cuenta los datos encontrados en el laboratorio para la
muestra 6 de biodiesel, se observa que el punto de inflamación está por encima
de la especificación mínima que debe cumplir, lo que indica que el producto
contiene compuestos de alta volatilidad lo que indica que el biodiesel está bien
purificado.
El biodiesel dió como resultado un biocombustibles, estándar capaz de
satisfacer las necesidades de un motor a diesel, sin hacer algún tipo de cambio
en el mismo, puede funcionar correctamente, ya que existen como
anteriormente se explicó unas normas para el biodiesel ASTM la cual los
resultados arrojados están dentro de los rangos comprendidos de dicha norma.
DERECHOS RESERVADOS
CONCLUSIONES
Para el objetivo general de esta investigación se concluyó que si es
posible obtener biodiesel a partir de aceite vegetal usado y etanol de
manera eficiente.
Se deben conocer claramente propiedades como la acidez del aceite
empleado, para determinar la cantidad y el tipo de catalizador a usar,
con el fin de neutralizar la mayor cantidad de ácidos grasos libres y
evitar el contenido de éstos en el biocombustible para garantizar su
calidad.
Se debe filtrar el aceite cuando tenga una temperatura elevada por lo
menos de 120 °C, para garantizar un buen filtrado y así mejorar el
rendimiento en el proceso de transesterificación.
El aceite debe ser calentado por lo menos 10 minutos luego de la
filtración para eliminar los restos de humedad que el mismo pueda
contener, con el fin de eliminar posibilidades de formación de jabón en el
proceso.
Una vez se tenga controlada la etapa de reacción, las etapas más
críticas del proceso que inciden directamente en la calidad del producto
son la etapa de lavado y secado, en las cuales hay que tener en cuenta
condiciones como tiempo y temperatura.
Se pudo percibir la influencia en el rendimiento del proceso de las
variables estudiadas (relación molar alcohol/aceite y porcentaje de
catalizador), siendo el porcentaje de catalizador la variable de mayor
impacto.
1
DERECHOS RESERVADOS
Las condiciones óptimas encontradas de las variables analizadas para el
proceso de obtención de biodiesel a partir de aceite de frituras,
empleando NaOH como catalizador son 0,5% de catalizador, dando
como resultado un rendimiento de 83,50%. Comparando con otras
investigaciones realizadas (Zapata, 2003) el rendimiento encontrado
para condiciones similares 0,8% de catalizador es de 83.57%
aproximadamente, lo que índica que el valor del rendimiento concuerda
con lo reportado en la literatura.
La muestra analizada (10) en general cumplen con las especificaciones
para el biodiesel. En cuanto a la apariencia del combustible obtenido,
cumplen con las características más significativas que representan este
combustible.
Las propiedades calculadas como índice de cetanos, punto de
inflamación y nube, viscosidad y densidad se encuentran dentro de los
límites, teniendo en cuenta que las propiedades estudiadas son las más
importantes para la calidad del biodiesel.
2
DERECHOS RESERVADOS
RECOMENDACIONES
Filtrar el aceite con una bomba de vacío, varias veces la misma muestra
cambiando el papel filtro utilizado por uno nuevo, para así garantizar que
no existan impurezas en el aceite.
Para la obtención de biodiesel, se debe tener en cuenta que la acidez
del aceite usado, juega un papel muy importante en el procedimiento de
transesterificación, ya que son los ácidos grasos los que se deben
neutralizar, para que esto ocurra eficientemente, al momento de hacer
la reacción dejar por más de una hora y media, para que la reacción se
lleve a cabo completamente y exista menor formación de jabón.
En cuanto al alcohol utilizado se recomienda hacer un estudio
empleando metanol, el cual podría favorecer la seguridad del proceso y
obtenerse de una fuente renovable o biomasa. Es importante corroborar
experimentalmente lo expuesto en la literatura, con respecto a las
condiciones del proceso (tiempo, temperatura, separación de biodiesel –
glicerina), teniendo en cuenta también un catalizador que compense la
reacciones lentas.
En la etapa de purificación se recomienda que el tiempo de secado sea
mayor (entre 3 y 4 horas) y se emplee agitación constante para que no
existan puntos muertos en el proceso y la eliminación de agua sea más
eficiente.
Una vez que el biodiesel es obtenido se debe mantener en una
temperatura ambiente para que no sufra cambios en cuanto a sus
propiedades.
Para futuros estudios sería de gran aporte cuantificar las cantidades del
alcohol, catalizador y glicerina en el biocombustible.
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Recomendaciones económicas y ambientales:
El agua retirada después del proceso de lavado, presenta un contenido
importante de catalizador y glicerina, este desecho se puede utilizar en
formación de jabones y obtención de fertilizantes al ser tratado con ácido
fosfórico.
La glicerina obtenida luego de la separación es de baja pureza, por lo
que se requiere un proceso de purificación para poder utilizarla en sus
aplicaciones industriales, lo que podría generar un ingreso adicional en
el caso de ser rentable, sirviendo de apalancamiento financiero del
proyecto.
Es importante a la hora de desarrollar un proyecto de biocombustibles
tener en cuenta el equilibrio ambiental, ya que este tipo de proyectos
puede impulsar una expansión de monocultivos, haciendo que tierras
fértiles que producen alimentos, se concentren en la producción de
materias primas para los biocombustibles, aumentando la deforestación,
extinción de especies y desequilibrio ambiental.
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DERECHOS RESERVADOS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
TEXTOS
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