Biodiesel Grasa Pollo Jalisco

7/23/2019 Biodiesel Grasa Pollo Jalisco

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RESUMEN

Produccin de biodiesel a partir de residuos grasosanimales por va enzimtica

Grasas animales extradas directamente de residuos or-

gnicos de un matadero municipal fueron empleadas conxito en la reaccin de transesterificacin como materia pri-ma alternativa de bajo costo para la produccin de biodiesel.Las reacciones de transesterificacin se realizaron por vaenzimtica con dos lipasas comerciales N435 y RM IM. Delas dos enzimas probadas, la enzima N435 fue la ms efi-ciente tanto en el sistema libre de solvente como en el siste-ma con terbutanol como solvente. En ambos sistemas el ex-ceso de etanol fue la mejor condicin para la reaccinalcanzando conversiones de 80% en 48 horas en el caso delsistema libre de solvente y 65% en 24 horas en el sistemacon terbutanol.

PALABRAS CLAVE: Biodiesel Etil steres Lipasa Residuos grasos Solvente Transesterificacin.

SUMMARY

Biodiesel production from animal grease wastes byenzymatic catalysis

Animal grease wastes were successfully used in thetransesterification reaction as an alternative raw material forbiodiesel production. Transesterification reactions wereperformed using an enzymatic catalysis with two commerciallipases N435 and RM IM. N435 was the most efficient in asolvent free system as well as in the system with terbuthanol.In both systems the excess of ethanol turned out to bebeneficial for the reaction obtaining conversions of 80% in 48hours and 65% in 24 hours.

KEY-WORDS: Biodiesel Ethyl esters Grease waste Lipase Solvent free system Transesterification.

1. INTRODUCCIN

El biodiesel se define como una mezcla demonoacilsteres de cidos grasos de cadena largade origen vegetal o animal, para su uso en combus-tin. Adems este biocombustible constituye unaalternativa viable para la obtencin de energa lim-pia y renovable. (Knothe y Dunn, 1996).

Sin embargo, su precio en promedio en el mer-

cado es el doble del precio del diesel fsil (Balat yBalat, 2008; Canakci y Sanli, 2008). Adicional-mente, algunos estudios (Haas et al., 2006) handeterminado que la materia prima representa apro-

ximadamente entre 75% y 88% del costo total deproduccin de este biocombustible por lo que esimperativo reducir estos costos para obtener unproducto competitivo en el mercado. Para ello, unaopcin prometedora es encontrar alternativas a las

materias primas usadas tradicionalmente queactualmente son aceites vegetales vrgenes o refi-nados.

Entre las materias primas alternativas, destacanlos residuos grasos animales y vegetales, los cua-les son una materia prima ideal a bajo costo.Adems se ha demostrado que existe una buenadisponibilidad, por ejemplo en USA se tiene unadisponibilidad estimada de 470 millones de tonela-das (Canakci, 2005). Estos residuos podran serutilizados como materia prima para biodiesel, evi-tando los debates ticos de utilizar cultivos y tierrasque se destinan para fines alimenticios.

Convencionalmente el biodiesel se produce uti-lizando catalizadores bsicos (Meher et al., 2006),los cuales presentan problemas de recuperacindel catalizador y corrosin. Por otra parte, la cat-lisis enzimtica se ha explorado recientementecon buenos resultados (Al-Zuhair, 2005; Dizge yKeskinler, 2008; Du, 2005; Royon et al., 2007);demostrando ser un sistema que proporcionagrandes ventajas en el proceso como: mayorseguridad, pueden ser usadas materias primas demenor calidad, el producto y subproducto seobtienen con mayor grado de pureza y los proce-sos enzimticos son generalmente ms limpios yecolgicos.

Adems, en estudios recientes se han probadoresiduos grasos vegetales en la produccin de bio-diesel. Sin embargo hay muy pocos estudios sobreresiduos grasos animales, los cuales al tener mayorcontenido de cidos grasos saturados, proporcio-nan mayor estabilidad al producto final, indepen-dientemente del catalizador empleado, aunquepuede aumentar la temperatura de fusin del bio-diesel obtenido, lo que puede ser una desventajabajo algunos climas (Lee et al., 2002), ms no asen el caso de climas tropicales.

En este trabajo se estudia el efecto de la rela-cin molar y el uso del terbutanol como solvente

sobre la reaccin de transesterificacin sobre resi-duos grasos animales extrados de los residuosorgnicos de un matadero municipal. Para ello, secaracterizaron las materias primas y se llevaron a

GRASAS Y ACEITES, 60 (5),OCTUBRE-DICIEMBRE, 468-474, 2009,ISSN: 0017-3495DOI: 10.3989/gya.021409

Produccin de biodiesel a partir de residuos grasos animales por va enzimtica

Por Ivanna Rivera, Gerardo Villanueva y Georgina Sandoval*

Centro de Investigacin y Asistencia en Tecnologa y Diseo del Estado de Jalisco (CIATEJ),44270 Guadalajara, Jalisco, Mxico.

(*Autor para correspondencia: [email protected] / [email protected])


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cabo los estudios de los efectos estadsticamentesignificativos de estos factores sobre la velocidadinicial de reaccin y la conversin.

2. MATERIALES Y MTODOS2.1. Materiales

Las lipasas RM IM (lipasa de Rhizomucor mie-heiinmovilizada soporte hidroflico) y N435 (lipasaB de Candida antarctica inmovilizada en soportehidrofbico), fueron una generosa donacin deNovozymes, los residuos grasos animales fueronobtenidos del matadero municipal de la ciudad deSan Luis Potos (Mxico), el hexano HPLC fuemarca Karal y todos los dems solventes utilizadosfueron grado reactivo.

2.2. Extraccin de las grasas

Las muestras obtenidas de residuos orgnicosde res y de cerdo (conteniendo porciones visiblesde grasa) son cortadas en porciones pequeaspara posteriormente extraer la grasa mediantecalentamiento en estufa a una temperatura de50 C durante 24 horas. El lquido obtenido se hacepasar por una gasa para evitar la presencia de resi-duos slidos. Finalmente se almacena a 20 gra-dos centgrados para su posterior uso.

2.3. Caracterizacin de las grasasPerfil de cidos grasos

Para la obtencin del perfil de cidos grasos seutiliza el mtodo de trifloruro de boro y para el an-lisis cromatogrfico se emplea un cromatgrafo degases Agilent 6980, equipado con una columna HP23 y cuyo mtodo opera bajo las siguientes condi-ciones temperatura inicial del horno: 200 C, gra-diente: 25 C/min hasta 180 C y mantener por 30min adems 5 C/min hasta 250C durante 15 min.,flujo de helio 2 ml/min., flujo de aire: 400 ml/min,flujo de H2 : 40 ml/min, volumen de inyeccin: 0.5L., makeup: 30 ml/min, relacin split: 100/1. Parala derivatizacin se adicionan 300 mg de muestra aun matraz con perlas de ebullicin desengrasadasy 4 mL de NaOH 0.5 N. Se conecta un refrigerantey se coloca en bao mara a 75 C por 12 min.Pasado este tiempo se aade por la parte superiordel refrigerante 5 mL de trifluoruro de boro y se dejaen el bao otros 2 min. Posteriormente, adicionar 3mL de n-heptano y se mantiene en el bao 1 min.El matraz se retira del sistema y se tapa paraenfriarlo con agua corriente agitando al mismotiempo. Se agregan 20 mL de solucin saturada deNaCl para llevar la fase orgnica al cuello del

matraz. Mediante una pipeta Pasteur, ayudado deuna perilla se recoge la fase heptnica tomando 1mililitro del extracto para inyectar la muestra en elcromatgrafo.

La relacin molar grasa:etanol fue calculada enbase a la composicin en cidos grasos encontra-da. La masa molecular de la mezcla reaccional seclculo en 936 g/mol.

ndice de yodoEl ndice de perxido o ndice de yodo se deter-

min usando el mtodo 28.022-28.023 de AOAC(1984).

ndice de acidez

El contenido de cidos grasos libres (AGL) sedetermin por titulacin alcalina de acuerdo almtodo Ca 5a-40 de la AOCS (1989) y su resulta-do es expresado como por ciento de cido oleico.

2.4. Reacciones de transesterificacin

Las reacciones de transesterificacin se lleva-ron a cabo en un volumen de 5 mL de. La mezclade reaccin constaba de 0.8 M de una mezcla 50%grasa de cerdo y 50% grasa de res, la proporcincorrespondiente de etanol para alcanzar una rela-cin molar 1:1 y 1:4 triglicrido: etanol y 100 mg delipasa. Las condiciones de operacin en las que sellevaron a cabo las reacciones fueron 45 C y unaagitacin magntica de 300 rpm.

Las reacciones de transesterificacin en terbu-tanol se llevaron a cabo en un volumen de 5 mL de

la mezcla reaccional que constaba de 0.2 M de unamezcla 50% grasa de cerdo y 50% grasa de res, laproporcin correspondiente de etanol para alcan-zar una relacin molar 1:1 y 1:4 triglicrido: etanoly 100 mg de lipasa. Las condiciones de operacinen las que se llevaron a cabo las reacciones fueron45 C y una agitacin magntica de 300 rpm.

2.5. Anlisis cromatogrficos y estadsticos

100 L de muestra fueron diluidos en 900 L dehexano HPLC y analizadas por cromatografa degases con una columna HP5 bajo las siguiente con-diciones:Temperatura inicial del horno: 200 C., gra-diente: 5C/min, hasta 300 C y mantener por 13min., Flujo de helio 2 ml/min., Flujo de aire: 400ml/min, Flujo de H2 : 40 ml/min, Volumen de inyec-cin: 0.2 L.Makeup: 30 ml/min, Relacin split: 50/1.

Todas las determinaciones fueron llevadas acabo por duplicado. El clculo del porcentaje deconversin en las reacciones de transesterificacinse llevo a cabo mediante la siguiente ecuacin:

% Conversin (1)

El anlisis de los datos experimentales se llevo

a cabo por medio del software Statgraphics

MR

. Eldiseo experimental utilizado fue un 2k con unarplica. Los tres factores estudiados fueron: el bio-catalizador, la presencia de solvente y el radio

(mM totales de etil steres*100)

(3*mM triglicrido)

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PRODUCCIN DE BIODIESEL A PARTIR DE RESIDUOS GRASOS ANIMALES POR VA ENZIMTICA


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molar. Con dos variables de respuesta: % de con-versin y velocidad inicial de reaccin.

3. RESULTADOS Y DISCUSIN

3.1. Caracterizacin de las grasas

La determinacin de ndice de perxido permi-te identificar el nivel de oxidacin, presente en gra-sas y aceites, lo cual es un indicativo de la calidadde los mismos. Analizados los ndices de perxidoobtenidos en los residuos grasos (Tabla 1), seobserva que en nuestro caso son menores a losencontrados en la literatura, lo que es indicativo depoca oxidacin (Badui, 1993). Esto puede ser debi-do a que las grasas son extradas directamente delos residuos orgnicos y que se encuentran prote-gidas de la oxidacin por los tejidos, lo cual repre-

senta una ventaja.El ndice de acidez (Tabla 1), nos permite deter-minar la presencia de cidos grasos libres en lamuestra. Es importante mencionar que en el casode la catlisis enzimtica la presencia de cidosgrasos libres no afecta el rendimiento de la reac-cin, ya que las enzimas son capaces de llevar acabo la reaccin de esterificacin directa a partir decidos grasos libres (Canakci, 2005; Lee et al.,2002). Esto es una ventaja frente al proceso clsi-co en el cual se emplean catalizadores bsicosdonde la presencia de cidos libres en las grasas o

aceites, as como un alto nivel de oxidacin, afec-tan de manera significativa los rendimientos de lareaccin.

En el perfil de cidos grasos que se presenta enla Tabla 2, se observa la presencia de alrededor de50% de cidos grasos saturados en la grasa decerdo y alrededor de 70% en la de res, lo cual esuna de las principales diferencias con respecto a lacomposicin de los aceites vegetales. Los residuosgrasos estudiados estn compuestos en su mayo-ra por los cidos esterico, palmtico y oleico.Estos cidos representan el 88% y el 79%, en elcaso de los residuos grasos de res y de cerdo res-pectivamente, lo cual es consistente con los datosreportados en la literatura (Badui, 1993).

3.2. Efecto de los factores sobre la conversin

El anlisis estadstico (Figura 1) demostr que

todos los factores (radio molar de sustratos, biocata-lizador y la presencia de solvente) son significativossobre la conversin final. Adems la interaccin entreel biocatalizador y el radio molar de sustratos esigualmente importante en el desempeo de la reac-cin. Esto implicara que todos los factores y la inter-accin que result significativa se deben optimizar.

En el sistema libre de solvente, las condicionesbajo las cuales se obtuvieron mayores conversio-nes fueron un radio molar 1:4 con la enzima N435,alcanzando una conversin del 79% en 48 horas.No obstante, en las otras condiciones de reaccinanalizadas se obtuvieron conversiones menores al

10% (Figura 2). Lee et al. (2002), en un estudiosimilar llevan a cabo la reaccin de transesterifica-cin con fracciones grasas animales y metanol conun radio molar 1:3 y 10% p/v de la enzima N435logrando una conversin de apenas 2.8% despusde 48 horas de reaccin a una temperatura de30C, sin embargo al agregar 10% p/v de slica gelalcanzaron conversiones del 58%. En el mismoestudio al utilizar etanol en una reaccin con adicio-

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IVANNA RIVERA, GERARDO VILLANUEVA Y GEORGINA SANDOVAL

Tabla 1Caractersticas de las grasas

Determinacin Grasa Grasade res de cerdo

ndice de acidez 4.8 0.4(% acido oleico)

ndice de perxido (meq/kg) 1.0 17.9

Tabla 2Perfil de cidos grasos

cido graso Tipo Prfil obtenido (%) Literatura (%)a

Grasa de cerdo Grasa de res Grasa de cerdo Grasa de res

Larico Saturado 0.08 0.08 0.10 0.10Mirstico Saturado 1.46 2.83 1.50 3.20Palmtico Saturado 26.85 28.64 26.00 24.30Palmitoleico Insaturado 1.79 1.14 3.30 3.70Heptadecanoico Saturado 0.43 2.00 0.40 1.50Esterico Saturado 18.36 33.13 13.50 18.60Oleico Insaturado 33.72 26.45 43.90 42.60Cis-vaccnico Insaturado 2.21 0.87 0.00 0.00Linoleico Insaturado 12.17 1.89 9.50 2.60Alfa-linolnico Insaturado 0.54 0.52 0.40 0.70Araqudico Saturado 0.24 0.43 0.20 0.20Eicosenoico Insaturado 0.67 0.10 0.70 0.30Otros 1.48 1.92 0.50 2.20Total 100.00 100.00 100.00 100.00

a Datos de literatura: Badui (1993).


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nes del equivalente a un radio molar durante 3ciclos se logro una conversin del 70%. Es decirque en el presente estudio se alcanzan mayoresconversiones que las anteriormente reportadaspara la reaccin de transesterificacin de grasasanimales catalizada por lipasas inmovilizadas.

Algunos de los esfuerzos realizados para alcan-zar las mejores condiciones de reaccin como losde Dizge y Keskinler (2008) y Yagiz et al. (2007),

utilizando aceites de desecho y aceite de cocinacon la enzima TL IM de Thermomyces lanuginosay los de Hsu et al. (2003), con grasas de restauran-tes y la lipasa inmovilizada de Pseudomonas cepa-cia, han identificado, al igual que en el presente tra-bajo, que el radio molar es un parmetro importan-te en este tipo de reacciones, sobre todo el casodel sistema libre de solvente (Sandoval et al.,2002). Adems el exceso moderado de alcohol,



Figura 2Efecto del radio molar triglicridos: etanol en la reaccin de transesterificacin en un sistema libre de solvente, catalizadapor lipasas inmovilizada de R. miehei(RM IM) y C. antarcticaB (N435). Condiciones: 45C, 100 mg de enzima, 300 rpm.

Diagrama de Pareto para % Conv.

B:ENZIMA

A:SOLVENTE

AC

0 1 2 3 4 5 6

AB

BC

C:RELACINMOLAR

Figura 1Diagrama de Pareto, anlisis estadstico del % de conversin. Los tres factores estudiados fueron: enzima, tipo de sistemay relacin molar. Los tres factores fueron significativos con 95% de confianza.


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ayuda a alcanzar mayores conversiones de reac-cin, probablemente debido a que permite que bajela viscosidad y los sustratos sean ms accesibles alsitio activo de la enzima. Sin embargo tambin esconocido que el exceso de etanol o metanol es uninhibidor de las lipasas (Sandoval et al., 2001).

Como se puede observar en la Figura 3, al igualque en el sistema libre de solvente en presencia delsolvente terbutanol, las mejores condiciones dereaccin fueron con un radio molar 1:4 y la enzimaN435. Sin embargo, a diferencia del sistema sin sol-vente, las conversiones obtenidas con terbutanolpara la enzima RM IM fueron mayores alcanzandoconversiones de 30% y 35% con relacin molar 1:1y 1:4 respectivamente. Sin embargo, en el caso dela enzima N435 las conversiones fueron menores enterbutanol, 50% y 65% con las mismas relacionesanteriores. Adems en terbutanol el equilibrio sealcanza en un menor tiempo, por lo que las cinticas

slo se siguieron durante 24 horas.En la mayora de estudios similares donde se

llevan a cabo reacciones de esterificacin-transes-terificacin con solventes, se utiliza hexano debidoa la estabilidad de las lipasas en este solvente(Chulalaksananukul et al., 1990; Guncheva yZhiryakova, 2008; Sandoval et al., 2002). A diferen-cia de estos trabajos, en nuestro caso se eligi elterbutanol, ya que es ms seguro que el hexano,pues es menos txico y menos voltil. Adems, enestudios preliminares de transesterificacin deaceite de oliva con etanol, se observ mayor velo-

cidad de reaccin y conversin en terbutanol queen hexano (los datos no se presentan). Los mejoresresultados de la transesterificacin en terbutanolcomparado con hexano pueden explicarse debido aque en este tipo de solventes ms polares, el coe-ficiente de actividad termodinmica del alcohol, queadems de ser sustrato es tambin inhibidor com-petitivo de la lipasa, disminuye; disminuyendo sudisponibilidad real y volvindose as menos inhibi-dor, adems de tener una actividad termodinmicamenor en el denominador de la constante de equi-librio (Sandoval et al., 2002).

3.3. Efecto de los factores sobre la velocidadinicial de reaccin

Las velocidades iniciales de cada cintica, semuestran en la Tabla 3. El nico factor importantesobre la velocidad inicial de reaccin es el tipo debiocatalizador utilizado (Figura 4). La enzima N435tambin se destaca en este aspecto, alcanzandouna velocidad inicial aproximadamente 3 vecesmayor que la de la enzima RM IM.

Las velocidades iniciales de reaccin son unode los parmetros importantes para llevar a cabolos estudios de la reaccin. Sandoval et al. (2002)compararon las velocidades iniciales en un sistemapor lotes para la esterificacin de cido oleico conetanol catalizada por la lipasa inmovilizada RM IM,en un sistema libre de solvente y utilizando hexanocomo solvente. Sus resultados mostraron que la



Figura 3Efecto del radio molar triglicridos: etanol en la reaccin de transesterificacin empleando terbutanol como solvente, catalizada

por lipasas inmovilizada de R. miehei(RM IM) y C. antarticaB (N435). Condiciones: 45C, 100 mg de enzima, 300 rpm.


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velocidad inicial de la reaccin es independiente dela presencia del solvente y se ve afectado principal-mente por el radio molar, sin embargo en nuestrocaso al probar dos enzimas diferentes el efectoprincipal esta dado por este factor. Es comprensiblela mayor velocidad obtenida al utilizar la lipasaN435 ya que se trata de una lipasa no selectiva

hacia las tres posiciones del triglicrido, mientrasque la lipasa RM IM es 1,3 regioselectiva (Schmidand Verger, 1998), por lo que la transesterificacinslo se completa despus de que se realiza lamigracin intramolecular del acilo de la posicin 2 auna de las otras posiciones.

4. CONCLUSIONES

Los residuos grasos animales cuentan con unagran cantidad de cidos grasos esterificables quelos hacen ideales para la produccin de biodiesel y

disminuye los costos de produccin de este biocom-bustible. Adems permite la solucin de los proble-mas ambientales asociados con la generacin deproductos secundarios de la industria ganadera.

Los residuos grasos animales son una materiaprima viable para las reacciones de transesterifica-

cin por va enzimtica.La enzima N435 fue la mejoropcin en el sistema libre de solvente y en el siste-ma utilizando terbutanol como solvente, demostran-do su versatilidad, la cual es debida en parte a sucapacidad para modificar las tres cadenas del trigli-crido de forma indistinta, as como al tipo de sopor-te en el que se encuentra inmovilizada la lipasa.

Para llevar a cabo con xito la sntesis de biodie-sel, es determinante la seleccin de los parmetrosadecuados como son: el catalizador, el radio molary el tipo de solvente a utilizar.Estos tres parmetrosdemostraron ser claves para llevar a cabo la trans-esterificacin.

Por otro lado en el sistema libre de solvente apesar de que se obtiene mayor conversin, esnecesario mayor tiempo de reaccin, lo cual sedebe en gran medida a las limitaciones difusionalespropias del sistema. Sin embargo a nivel industrialtiene la ventaja de que se eliminaran los costos derecuperacin del solvente.

AGRADECIMIENTOS

El presente trabajo fue realizado gracias a lafinanciacin del proyecto SLP2005-01-20 del



Tabla 3Velocidades iniciales de reaccin

Enzima Relacin molar grasa: etanolVi (mmol/h/g de enzima)

Libre de solvente Terbutanol

N 435 1:1 10.7 10.31:4 11.2 13.3

RM IM1:1 0.5 2.91:4 1.9 3.9

Figura 4Diagrama de Pareto, anlisis estadstico velocidad inicial. Los tres factores estudiados fueron: enzima, tipo de sistema

y relacin molar. El nico factor significativo fue la enzima con 95% de confianza.

Diagrama de Pareto para Vi

B:ENZIMA

A:SOLVENTE

AC

0 12 153 96

AB

BC

C:RELACINMOLAR


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Fondo Mixto CONACYT-Gobierno de San LuisPotos (Mxico). Ivanna Rivera agradece alCONACYT su beca de maestra.

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Recibido: 25/2/09

Aceptado: 2/4/09



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