CAPTULO 1

Biodiesel

y su Produccin Industrial

Captulo 1. Biodiesel y su Produccin Industrial

1.1. Definicin y especificaciones

1.2. Materias primas para la produccin de Biodiesel

1.2.1. Aceites vegetales convencionales

1.2.2. Aceites vegetales alternativos

1.2.3. Aceites vegetales modificados genticamente

1.2.4. Aceites de fritura gastados

1.2.5. Grasas animales

1.2.6. Aceites de otras fuentes

1.2.7. Otras fuentes

1.2.8. Extraccin de aceites y grasas

1.2.9. Caracterizacin de las grasas y aceites empleados en la produccin de Biodiesel

1.2.9.1. Composicin de los aceites y grasas

1.2.9.2. Pruebas para caracterizar aceites y grasas

1.2.10. El aceite ideal para la produccin de Biodiesel

1.3. Reacciones implicadas en la produccin de Biodiesel

1.3.1. Reacciones de transesterificacin de triglicridos

1.3.2. Reacciones de esterificacin de cidos grasos

1.3.3. Factores que afectan las reacciones implicadas en la produccin de Biodiesel

1.3.3.1. El alcohol

1.3.3.2. Catalizadores

1.3.3.3. Tipo de catalizador y concentracin

1.3.3.4. Relacin molar de alcohol / aceite

1.3.3.5. Efecto del tiempo de reaccin y temperatura

1.4. Procesos Industriales para la produccin de Biodiesel

1.4.1. Pretratamiento del aceite

1.4.2. Proceso general de transesterificacin

1.4.2.1. Proceso Discontinuo

1.4.2.2. Proceso Continuo

1.4.3. Proceso de Esterificacin

1.4.4. Proceso Combinado Esterificacin-Transesterificacin

1.4.5. Proceso en Condiciones Supercrticas

1.4.6. Otros procesos

1.4.6.1. Craqueamiento trmico o pirlisis de grasas

1.4.6.2. Tecnologas biomasa a lquido

1.4.6.3. Ultrasnico

1.4.7. Tabla comparativa de algunos de los mtodos discutidos

1.4.8. Reactores para la produccin de biodiesel

1.4.9. Plantas clsicas para la produccin de Biodiesel

1.5. Aplicaciones del Biodiesel

1.5.1. Utilizacin del biodiesel

1.5.2. Pros y contras

1.6. Ventajas y desventajas para la produccin y uso de Biodiesel

1.6.1. Oportunidades para la produccin y uso de biodiesel

1.6.1.1. Reduccin de la mayora de emisiones contaminantes

1.6.1.2. Alta biodegradabilidad y baja toxicidad

1.6.1.3. Reduccin de la dependencia del petrleo importado

1.6.1.4. Ventajas tcnicas

1.6.2. Posibles barreras al desarrollo del biodiesel

1.6.2.1. Incremento de las emisiones de NOx

1.6.2.2. Cambios en el uso del suelo: deforestacin y prdida de biodiversidad

1.7. El Biodiesel en el mundo

1.7.1. Cunto y Donde?

1.7.2. Por qu y Cmo?

1.7.3. Polticas tributarias y de fomento

1.7.3.1. En la Unin Europea

1.7.3.2. En los Estados Unidos

1.7.3.3. En Brasil

1.7.4. A cunto?Captulo 1. Biodiesel y su Produccin Industrial

Los albores del tercer milenio se encuentran abocados al emprendimiento de objetivos que se compatibilicen con las demandas de los nuevos paradigmas que se avecinan. En medio de una acelerada irrupcin tecnolgica en todos los frentes de accin, los cambios son cada vez ms rpidos, por lo que requiere un marcado dinamismo en las respuestas y una preparacin especfica para afrontar adecuadamente las transformaciones que vertiginosamente se aproximan.

Hay consenso a nivel mundial respecto de la necesidad de trabajar en conjunto, fijando pautas para dar cumplimiento de manera eficaz al nuevo paradigma de estos tiempos, que no es otro que la sustentabilidad de los agroecosistemas, la conservacin del aire, el agua y el suelo, resultan ser hoy los elementos primordiales a tomar en cuenta para la sobrevivencia de las especies en la tierra, incluida la del hombre.

Una de las necesidades en las que el hombre ha puesto especial atencin es en el tema energtico en donde ante su urgente bsqueda de fuentes alternativas de energa ha propuesto el desarrollo y la utilizacin de los llamados biocombustibles.

Los biocombustibles son aquellos combustibles producidos a partir de la biomasa y que son considerados, por tanto, una energa renovable. Se pueden presentar tanto en forma slida (residuos vegetales, fraccin biodegradable de los residuos urbanos o industriales) como lquida (bioalcoholes, biodiesel) y gaseosa (biogs, hidrgeno). Dentro de los biocombustibles, los biocarburantes abarcan al subgrupo caracterizado por la posibilidad de su aplicacin a los actuales motores de combustin interna (motores diesel y Otto). Son, en general, de naturaleza lquida. Los biocarburantes en uso proceden de materias primas vegetales, a travs de transformaciones biolgicas y fsico-qumicas.

Actualmente se encuentran desarrollados principalmente dos tipos: el biodiesel, obtenido a partir de la transesterificacin de aceites vegetales y grasas animales con un alcohol ligero, como metanol o etanol; y el bioetanol, obtenido fundamentalmente de semillas ricas en azcares mediante fermentacin. Con la caa de azcar, la remolacha o el sorgo dulce, que contienen azcares simples, se obtiene etanol por fermentacin. Sin embargo, en otros cultivos, como los cereales, la energa est almacenada en forma de carbohidratos ms complejos como el almidn, que tiene que ser hidrolizado antes de su fermentacin a bioetanol. Por su parte, hay que destacar el etil-terbutil ter (ETBE) producido a partir del bioetanol, ya que su utilizacin en motores presenta menos problemas que el propio bioetanol.

De todos estos biocombustibles el que es materia de nuestro estudio es el biodiesel, por lo cual a continuacin se har un estudio ms detallado de este.

1.1. Definicin y especificaciones

El biodiesel (vase figura 1.2.) es un biocarburante lquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soya las materias primas ms utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiesel son prcticamente las mismas que las del diesel de automocin en cuanto a densidad y nmero de cetano. Adems, presenta un punto de inflamacin superior. Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse con el diesel para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan stos convenientemente.

La definicin de biodiesel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard, asociacin internacional de normativa de calidad) lo describe como steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena larga derivados de lpidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignicin de compresin. Sin embargo, los steres ms utilizados, como veremos ms adelante, son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificacin de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificacin de los cidos grasos) debido a su bajo costo y sus ventajas qumicas y fsicas. A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea preciso tener en cuenta las caractersticas de los mercados agrcolas, junto a la complejidad que ya de por s presentan los mercados energticos. En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente.

Al asegurar la existencia de una demanda de biocarburantes, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras polticas como la agrcola, favoreciendo la creacin de empleo en el sector primario, la fijacin de poblacin en el mbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrcolas y reduciendo a la vez los efectos de la desertizacin gracias a la plantacin de cultivos energticos. En cuanto a la utilizacin del biodiesel como combustible de automocin, ha de sealarse que las caractersticas de los steres son ms parecidas a las del diesel que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del ster es dos veces superior a la del diesel frente a diez veces ms de la del aceite crudo; adems el ndice de cetano de los steres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. La ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento. En la siguiente tabla 1.1, se enumeran las especificaciones establecidas para el biodiesel y el mtodo de ensayo correspondiente.

Tabla 1.1. Especificaciones para el Biodiesel

Lmites

PropiedadUnidadMnimoMximoMtodo de ensayo

Contenido en ster%(m/m)96.5

EN 14103

Densidad a 15CKg/m3860900EN ISO 3675

EN ISO 12185

Viscosidad a 40Cmm2/g3.505.00EN ISO 3104

Punto de inflamacinC120-prEN ISO 3679

Contenido de azufremg/Kg-10.0prEN ISO 20846

prEN ISO 20884

Residuo de carbn (en 10% de residuo destilado)%(m/m)-0.30EN ISO 10370

ndice de cetanomg/Kg51.0EN ISO 5165

Contenido de cenizas sulfatadas%(m/m)-0.02ISO 3987

Contenido en aguamg/Kg-500EN ISO 12937

Contaminacin totalmg/Kg-24EN 12662

Corrosin de la tira de cobre (3h a 50C)ClasificacinEN ISO 2160

Estabilidad a la oxidacin 110CHoras6.0-EN 14112

ndice de cidomg KOH/g0.50EN 14104

ndice de yodog de yodo/100 g120EN 14111

ster de metilo de cido linolico%(m/m)12.0EN 14103

steres de metilo poli-insaturados(a 4 dobles enlaces)%(m/m)1

Contenido de metanol%(m/m)0.20EN 14110

Contenido en monoglicridos%(m/m)0.80EN 14105

Contenido en diglicridos%(m/m)0.20EN 14105

Contenido en triglicridos%(m/m)0.20EN 14105

Glicerol libre%(m/m)0.02EN 14105

EN 14106

Glicerol total%(m/m)0.25EN 14105

Metales del grupo I (Na+K)mg/Kg5.0EN 14108

EN 14109

Metales del grupo II (Ca+Mg)mg/Kg5.0prEN 14538

Contenido de fsforomg/Kg10.0EN 14107

El biodiesel necesita disponer de unas especificaciones que enumere sus propiedades y garantice la calidad del producto. Adems, el biodiesel debe cumplir los requisitos para los combustibles minerales de automocin que se encuentran recogidas en la norma europea EN-590 [ED]. Los requerimientos especficos y los mtodos de control para la comercializacin y distribucin de steres metlicos de cidos grasos FAME- para su utilizacin en motores diesel con 100% de concentracin se encuentran en la norma EN 14214 y el RD 1728/1999 [RD1728, 1999] en concordancia con la Directiva Europea 98/70/CE.

En la tabla antes presentada se indican algunas pruebas a las que es sometido el biodiesel y con las cuales se caracteriza, por lo que a continuacin se describir que es lo que se investiga con algunas de ellas:

Densidad

Esta propiedad depende de la materia prima utilizada para su produccin. Un exceso de metanol hace disminuir la densidad, situacin que causa problemas al motor.

Viscosidad

La viscosidad es una medida de la friccin interna entre molculas, o de la resistencia a fluir de los lquidos. La transesterificacin disminuye la viscosidad de los aceites, que es hasta 15 veces superior a la del diesel. Una elevada viscosidad puede provocar problemas en inyectores y sistema de bombeo del motor.

Nmero de cetano

El nmero de cetano, mide la disponibilidad de un combustible a la autoignicin cuando es inyectado al motor. Un nmero alto de cetano implica un arranque ms fcil, menor temperatura y unos gases ms blancos.

Punto de inflamacin

Su elevado punto de inflamacin en comparacin con el de diesel (51C) lo hace de ms fcil manejo, transporte y almacenamiento. Una baja temperatura en esta propiedad est dada por un residuo elevado de metanol.

Contenido de azufre

Un nivel alto de azufre en el biodiesel provoca emisiones de dixido de azufre, disminuyendo lubricidad y por tanto la vida del motor.

Contenido de cenizas

Formadas por restos de jabn y catalizador, conducen a la saturacin del filtro y al desgaste en diversas partes del motor.

Contaminacin total

Son restos de jabn formados en la reaccin, estos provocan abrasin en el motor.

Efecto de corrosin al cobre

Los cidos grasos libres guardan una relacin con la acidez, pudiendo provocar problemas de corrosin en algunos materiales. El biodiesel es poco corrosivo.

Contenido de metanol

El exceso de metanol puede provocar una baja temperatura de inflamacin y corrosin en piezas de aluminio y zinc, tambin reduce el ndice de cetano y la lubricidad.

Contenido de glicerina total

Es la suma de la glicerina contenida en los triglicridos y la formada en el proceso. Un nivel bajo indica una buena transformacin del aceite en ster.

ndice de Yodo

Indica el nmero de dobles enlaces en el biodiesel, cuantificando su grado de instauracin, es decir est relacionado con su viscosidad y nmero de cetano.

Contenido de agua

Puede estar disuelta o no, puede causar corrosin si no est disuelta, as como crecimiento bacteriolgico dentro del motor.

1.2. Materias primas para la produccin de biodiesel

Las materias primas ms comunmente utilizadas en la fabricacin de biodiesel son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol. Tambin se estn realizando pruebas con aceite de colza y con Brassica carinata. Se puede decir que la produccin de biodiesel tiende a provenir mayoritariamente de los aceites extrados de plantas oleaginosas, especialmente del girasol (en Espaa e Italia) y de la colza (en pases de Centroeuropa). Las oleaginosas se importan a Europa para obtener la protena y luego los aceites son reexportados fuera de la Unin Europea. La utilizacin de los mismos en la fabricacin de biodiesel dara salida interior a dicho producto, evitando la reexportacin. Cualquier materia que contenga triglicridos puede utilizarse para la produccin de biodiesel (girasol, colza, soya, aceites de fritura usado, sebo de vaca, etc.). (Vase figura 1.3.)

A continuacin se detallan las principales materias primas para la elaboracin de biodiesel:

Aceites vegetales convencionales

- Aceite de girasol

- Aceite de colza

- Aceite de soya

- Aceite de coco

- Aceite de palma

- Aceite de ricino (Vase figura 1.4.)

Aceites vegetales alternativos

- Aceite de Brassica carinata- Aceite de Cynara curdunculus- Aceite de Camelina sativa- Aceite de Crambe abyssinica- Aceite de Pogianus- Aceite de Jatropha curcas

Aceites de semillas modificadas genticamente

- Aceite de girasol de alto oleico

Grasas animales

- Sebo de vaca

- Sebo de bfalo

Aceites de fritura usados

Aceites de otras fuentes

- Aceites de producciones microbianas

- Aceites de microalgas

- Algas productoras de aceites

- Grasas residuales provenientes, por ejemplo, de plantas de tratamiento de aguas o de trampas de separacin de grasas.

A continuacin se hace una descripcin ms detallada de las materias primas utilizadas en los procesos de produccin de biodiesel.

1.2.1. Aceites vegetales convencionales

Las materias primas utilizadas convencionalmente en la produccin de biodiesel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la soya (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). Por razones climatolgicas, la colza (Brassica napus) se produce principalmente en el norte de Europa y el girasol (Helianthus annuus) en los pases mediterrneos del sur, como Espaa o Italia. La utilizacin de estos aceites para producir biodiesel en Europa ha estado asociada a las regulaciones de retirada obligatoria de tierras de la Poltica Agraria Comn (PAC) que permite el cultivo de semillas oleaginosas a precios razonables. Sin embargo, la utilizacin slo de las tierras de retirada para la produccin de materias primas energticas supone un riesgo, porque estas superficies varan con el tiempo, ya que el rgimen de retirada de tierras depende de la oferta y la demanda de cereales alimentarios, lo que implica que este ndice est sujeto a alteraciones. El uso de cultivos tradicionales como energticos est condicionado adems por la produccin del aceite, ya que la produccin media por hectrea de aceite de girasol resulta poco atractivo, desde el punto de vista del agricultor, para elegir este cultivo como fuente de obtencin de biocarburantes.

Recientes investigaciones muestran el potencial del aceite de ricino como materia prima producir biodiesel, por ser el nico soluble en alcohol a temperatura ambiente, y no requerir el consecuente gasto de energa que exigen otros aceites vegetales en su transformacin a combustible, as como facilidades implicadas en su cultivo y en la disponibilidad de sus semillas sin afectar otros cultivos de carcter alimentario.

En la siguiente tabla 1.2., se muestran los principales cultivos oleaginosos que se utilizan para la extraccin de aceites vegetales y se indican algunos datos relativos al contenido de aceite de acuerdo al tipo de semilla, esta informacin es de inters para saber cual sera una posible fuente de aceite conveniente para el proceso, tomando en cuenta perspectivas tcnicas y geogrficas.

Tabla1.2. Principales cultivos oleaginosos y sus caractersticas agronmicasPrincipales productoresMalasia, Indonesia, Nigeria, Tailandia, Colombia, BrasilEstados Unidos, Brasil, Argentina, China, India, Paraguay, Canad

Principales usosPalma: Margarina, grasas para cocinar, productos alimentarios, jabones, velas, cosmticos, lubricantes, jebes. Palmiste: Grasas alimentaras, helados, mayonesa, repostera, jabones, detergentes, biodieselAceite para ensaladas, margarinas, productos alimenticios, jabones, pinturas, insecticidas, desinfectantes, biodiesel. Lecitina extrada del aceite se usa como emulsificante en la industria de alimentos y farmacutica. La torta es una fuente importante de protena para alimento animal y humano.

Requerimientos agronmicos generalesPalmera de climas tropicales, requiere mnimo 1.600 mm de lluvia anual y 2- 4 meses secos. Soporta inundaciones temporales, y requiere bastante luz y humedad del suelo adecuada. Se desarrolla mejor en reas bajas. Temperaturas mximas medias de 30-32, y mnimas de 21-24C. Demora 4 5 aos en empezar a dar fruto, y alcanza su mayor productividad poco antes de los 20 aosHerbcea anual adaptada a climas desde los trpicos hasta los subtrpicos hmedos. No resiste calor excesivo o inviernos severos, su temperatura ptima es 24-25C, pero resiste temperaturas medias anuales entre 5,9 y 27C. Requiere das cortos, aunque esta caracterstica depende del cultivar. Crece mejor en suelos frtiles y bien drenados. Leguminosa, en asociacin con Rhizobium puede fijar nitrgeno y no requiere fertilizacin con N. Se ha reportado que tolera precipitaciones entre 310 y 4.100 mm. El periodo de crecimiento es de 4 a 5 meses. Se usa en rotacin con maz, granos pequeos, otras legumbres, algodn, arroz.

Rendimiento promedio kh/ha/aoPulpa:

5 mil

Semilla:

800280-580

Contenido de aceite (%)Pulpa

45-55

Semilla

44-5718-20

Parte oleaginosaPulpa del fruto

SemillaSemilla

NombrePalma aceiteraSoya

Principales productoresIndia,

China, Canad, Alemania, FranciaFederacin

Rusa,

Ucrania,

India, China,

Argentina,

Estados Unidos

Principales usosProductos alimentarios, lubricantes, jabones, biodieselAceite para ensalada y para cocinar, margarina, lubricantes, jabones, pinturas y esmaltes.

Requerimientos agronmicos generalesPlanta anual o bianual de flores amarillas, adaptada a climas fros. Requiere suelos frtiles y bien drenados, y responde favorablemente a la fertilizacin con N y P. Das soleados y noches frescas favorecen su crecimiento; el clima seco durante la cosecha es esencial. Tolera precipitaciones anuales entre 300 y 2.800 mm y temperaturas medias entre 5 y 27C. Puede ser plantada luego de granos, maz, papas, remolacha o despus del barbecho, pero no despus de colza, mostaza o girasol. La canela es una variedad de colza con bajo contenido de cido ercico (