ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN REACTOR PARA LA OBTENCION DE BIODIESEL, A PARTIR DE GRASAS DE ORIGEN ANIMAL GENERADAS EN EL CAMAL MUNICIPAL DE LA CIUDAD

DE ABANCAY – APURIMAC

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INTEGRANTES:

1. MARIA PIEDAD BUENO MOLINA

2. HARVEY ADOLFO TELLO FELIX

3. LUIS IVAN FLORES BARAZORDA

Abancay, 2012

PRESENTACIÓN

La presente tesina está orientada al ‘’Diseño y Construcción De Un Reactor para la obtención de Biodiesel, a partir de grasas de origen animal generadas en el Camal Municipal de la ciudad de Abancay – Apurímac ‘mediante un proceso de transesterificación. En vista de lo que se vive actualmente con respecto al uso de combustibles fósiles, debido al aumento del costo del petróleo por la reducción del abastecimiento del mismo, se hace necesario realizar estudios que propongan soluciones alternativas de producción de combustibles que favorezcan la economía y la provisión de energía. Por ello la necesidad de crear combustibles limpios, que no propaguen el problema del efecto invernadero, ya que se ha demostrado que este incremento se debe principalmente a la oxidación de carbono orgánico (producto de la combustión de combustibles fósiles) y la deforestación, esto ha provocado que la concentración de CO2 actual sea mayor en los últimos 650.000 años. Ponemos este trabajo a disposición del docente del curso para su posterior revisión.

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INDICEPresentación……………………………………………………………….………….…..2Resumen Ejecutivo………………………………………...……...……………………..4Abstract………………………………………………….......……….…………….……...5Introducción………………………………………….……………..................................6Estado Del Arte………………………………………........................................….……7Objetivos……………………………................................................................………..9Objetivo General…………………………………………………………………………. 9Objetivos Específicos ………………………..........................................................…..9Justificación………………………………………………………………………………..10Limitaciones De La Investigación…………………………………………..…………...11CAPITULO I……………………………………………………………………………….121. Marco Teórico – Conceptual Y Referencial………………………………….……...121.1. Generalidades………………………………………………………………………..121.2. Descripción De La Materia Prima E Insumos………………….……..…………..121.3. Productos Resultantes…………………………………….………………………..16A. ¿Qué Es El Biodiesel?.........................................................................................16Ventajas Del Biodiesel…………………………………………………….……..……….18Inconvenientes Del Biodiesel…………………………………….……….……………..18Aplicaciones…………………………………………………………..…………..……….18Control De Calidad Del Producto………………………………………………….…….201.4. Reactor…………………………………………………………………..……..…….21Características……………………………………………………………………….…….212. Diseño De Reactores…………………………………………………...….……..22Marco Referencial - Marco Legal De Los Biocombustibles………………..……….…23CAPITULO II…………………………………...............................................................24Ingeniería Del Proyecto………………………………………………..………………….242.1. Descripción Del Proceso De Obtención De La Grasa Animal………………..….242.1.1. Selección……………………………………………………………..........………..242.1.2. Extracción De Las Grasas………………………………………….………......….242.1.3 Almacenamiento…………………………………………………………........…….252.2. Descripción Del Proceso De Obtención Del Producto…………………………252.2.1. Mezclado……………………………………………………………………………252.2.2. Proceso De Reacción Química (Transesterificaciòn)………………………….252.2.3. Separación De Productos………………………………………………..…….….262.3. Control De Calidad…………………………………………………………..…..272.4. Almacenamiento……………………………………………………………….….272.5. Comercialización…………………………………………………………….……..272.6. Criterios Para la Construcción ………………………………………………………28

2.7. Proceso de Obtención de Biodiesel…………………………………………………28

2.8. Diagrama De Flujo Cualitativo……………………………………………..………...29

2.9. Diagrama De Flujo Cuantitativo…………………………………………………….30

CAPITULO III……………………………………………………………………….………313.1. Resultados De La Investigación………………………………….………..……….313.1.1. Resultados Objetivo General…………………………………………….………..313.1.2. Resultados De Objetivos Específicos………………………………...…………313.2. Balance De Masa………………………………………………………...…………31CAPITULO IV…………………………………………………………………..…..……….32Discusión Y Conclusión De Resultados…………………………………..……………..324.1. Para Resultados Del Objetivo General……………………………………324.2. Para Resultados Objetivos Específicos……………………….………….32ANEXOS………………………………………………………………………....………….33

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RESUMEN EJECUTIVO

El camal de la ciudad de Abancay actualmente genera cerca 5400 kg de residuos al año aproximadamente, los que son vertidos directamente al rio Mariño, siendo así un factor de contaminación, las grasas animales representan aproximadamente el 47% de estos residuos ,por ello se escogió como materia prima a estas, para la producción de biodiesel como objetivo principal mediante el diseño y construcción de un birreactor para la obtención de este biocombustible ,con características adecuadas y así proponer una posible alternativa de solución a la inadecuada disposición final de dicho elemento.

La metodología utilizada fue la selección de tejidos grasos para luego realizar la fundición y filtración e la grasa ya liquida, la cual fue mezclada en un biorreactor a motor con metanol e hidróxido de sodio como catalizador produciéndose así una reacción de transesterificación dando como resultados finales biodiesel y glicerina.

Luego de haber realizado la reacción de transesterificación, se logró obtener una solución lista para el proceso de decantación, a partir del cual se pudo obtener los productos finales esperados. Se logró obtener grasa de característica liquida, fundida a 50°C por 24 horas para evaporar todo el agua excedente y evitar la formación de jabones en la mezcla.

El diseño del reactor se realizó teniendo en cuenta el pH de la reacción (en medio básico) y la posterior construcción en el que se realizó el proceso de obtención del biodiesel de la forma requerida. El objetivo general de la presente investigación, es el de obtener Biodiesel a partir grasa animal, producto final que se pudo obtener, sin embargo no con las características deseadas, debido a las limitaciones en cuanto a la adquisición de los insumos necesarios.

La obtención de la materia prima utilizada, es decir, la grasa animal fue conseguida acudiendo al camal municipal de Abancay, donde se nos facilitó 4.5 kg de sebo de vaca (fase sólida), parte de la cual (2 kg) fue sometida a un proceso de fundición en estufa (fase líquida) para su posterior filtrado, evitando de esta manera la presencia de sólidos suspendidos.

Palabras clave: biodiesel, biorreactor, grasa animal, transesterificación, contaminación ambiental.

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ABSTRACT

The slaughterhouse of the city of Abancay currently generates about 5400 kg of waste a year or so, which are tossed into the river Marino, making it a source of pollution, animal fats represent about 47% of this waste was chosen so these feedstock for biodiesel production as its main objective by designing and construction of a bioreactor for the production of this biofuel, with appropriate characteristics and propose a possible alternative solution to the inadequate disposal of the item.

The methodology used was the selection of fatty tissue and then make melting and filtration and the fat and liquid, which was mixed in a bioreactor engine with methanol and sodium hydroxide as a catalyst thereby producing a transesterification reaction as the final results giving biodiesel and glycerin.

After completing the transesterification reaction, it was possible to obtain a solution ready for decanting process, from which it was possible to obtain the desired final products. Was achieved characteristic liquid fat, melted at 50 ° C for 24 hours to evaporate any excess water and prevent the formation of soap in the mixture.

The reactor design was performed taking into account the pH of the reaction (middle core) and the subsequent construction was performed in which the process of obtaining the required shape biodiesel. The overall objective of this research is to obtain biodiesel from animal fat, final product could be obtained, but not with the desired characteristics, due to limitations in the acquisition of the necessary inputs.

Obtaining the raw material used, ie, animal fat was achieved by going to the municipal slaughterhouse Abancay, where we provided 4.5 kg of beef tallow (solid phase), part of which (2 kg) underwent a melting process in an oven (liquid phase) for further filtration, thus avoiding the presence of suspended solids.

Keywords: biodiesel, bioreactor, animal fat transesterification, environmental pollution

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad, los distintos países dependen del petróleo y sus productos, sin embargo, en los últimos años ha descendido la disponibilidad mundial de esta materia, y su costo relativo ha aumentado, lo que abarca la probabilidad de que a mediados del siglo XXI el petróleo ya no se use comercialmente de la forma habitual.

Esto sostenido por estudios basados en el análisis de la producción y reservas de petróleo (informe estadístico de energía mundial hecho por Beyond Petroleum), el cual estimó que las reservas durarían unos 40 años si se mantiene el ritmo de extracción actual.

Cabe mencionar que el uso de combustible fósiles fortalece el problema de efecto invernadero, el cual por un aumento en la retención de la radiación solar se está originando el calentamiento de la atmósfera y de la superficie terrestre (calentamiento global), y también el problema de las lluvias ácidas, que es un problema no solo ambiental sino también de salud pública.

Una solución alternativa es la creación de combustibles limpios como los biocombustibles, entre estos se encuentra el biodiesel, el cual tiene una interesante forma de obtención, ya que consiste en un combustible líquido derivado de aceites o grasas de origen vegetal o animal y que además puede usarse con seguridad en motores de ciclo diesel.

Este proyecto pretende estudiar y obtener biodiesel a partir de grasa bovina aprovechando un residuo que actualmente no genera un valor .Investigaciones experimentales muestra que el sebo bovino puede ser fácilmente esterificado, obteniendo una sustancia con propiedades similares a los ésteres de aceites vegetales. Experiencias muestran que la transesterificación alcalina de sebo bovino con metanol produce un biodiesel de alta calidad y también con una buena tasa de conversión.

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ESTADO DEL ARTE

El uso por primera vez de aceites vegetales como combustibles, se remontan al año de 1900, siendo Rudolph Diesel, quien lo utilizara por primera vez en su motor de ignición - compresión y quien predijera el uso futuro de biocombustibles.

Durante la segunda guerra mundial, y ante la escasez de combustibles fósiles, se destacó la investigación realizada por Otto y Vivacqua en el Brasil, sobre diesel de origen vegetal, pero fue hasta el año de 1970, que el biodiesel se desarrolló de forma significativa a raíz de la crisis energética que se sucedía en el momento, y al elevado costo del petróleo.

Las primeras pruebas técnicas con biodiesel se llevaron a cabo en 1982 en Austria y Alemania, pero solo hasta el año de 1985 en Silberberg (Austria), se construyó la primera planta piloto productora de RME (Rapeseed Methyl Ester - metil éstero aceite de semilla de colza).

Se desarrollaron diversas investigaciones antes que la primera planta de produc-ción de biodiesel proveniente de estos aceites fuera creada en Mureck, Austria en 1993 (Mittelbach, 2002). La elaboración de biodiesel en Austria, incrementó a 15,000 t para el año 2001.

En América del sur, existen diversos países que se encuentran actualmente traba-jando en el tema: Bolivia ha instalado una planta de producción de biodiesel de aceite de soya ubicada en la provincia de Santa Cruz; Argentina es el mayor productor de biodiesel en Sudamérica y posee diversas plantas instaladas donde utilizan aceite de soya proveniente de los excedentes de producción; Brasil, gran productor de etanol para su utilización en mezclas con gasolina, produce biodiesel de aceite de soya utilizando alcohol etílico debido a la gran producción que tiene de este insumo; y finalmente en Colombia, la Universidad de los Llanos ha trabajado a escala experimental con aceite de palma y actualmente comercializan sus produc-tos como aditivo para motores diesel.

En el laboratorio del Centro de Investigaciones en Tecnologías Lacto-cárnicas (CITELAC) de Argentina, se están haciendo investigaciones con el objetivo de obtener un combustible a base de grasa animal para uso en motores, maquinarias agrícolas y vehículos (Universia Argentina, 2006).

En Perú la Universidad Nacional Agraria La Molina (UNALM), en consorcio con Intermediate Technology Development Group (ITDG), realiza investigaciones en este campo, las cuales se iniciaron con el proyecto: “Producción de biodiesel a pequeña escala a partir de,recursos oleaginosos amazónicos”. Este

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proyecto obtuvo el financiamiento del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONCYTEC), y se llevó a cabo desde Junio del 2003 hasta Mayo del 2004. Uno de los objetivos fue la construcción de un modelo tecnológico para la elaboración de biodiesel, el cual ha sido utilizado como equipamiento base para esta investigación.

En Abancay , alumnos de la Universidad Alas Peruanas realizaron un trabajo de obtención de biodiesel a partir de aceite residual producto de frituras, utilizando reactivos como el metanol e hidróxido de sodio.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Obtener biodiesel a partir de grasa de origen animal generada en el camal municipal.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Obtener la grasa con características adecuadas para la obtención de biodiesel.

Diseñar y construir un reactor para la obtención de biodiesel. Obtener el biodiesel con características adecuadas.

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JUSTIFICACIÓN

Aspecto técnico.

La elaboración de biodiesel se puede realizar de forma casera, con diferentes insumos, como grasas vegetales y solventes así como catalizadores en medio alcalinos.

Los usuarios pueden hacer sus propias mezclas fácilmente antes de su uso. No es necesario una manipulación especial y la mezcla se mantiene estable.

Aspecto social

Se podrían generar nuevos empleos. Se tendría una nueva alternativa para la población

Aspecto económico

El uso de las grasas animales como materia prima reduce la dependencia de otras materias primas agrícolas convencionales. El costo del biodiesel depende del precio de mercado de los aceites animales, al ser este insumo de bajo costo la producción de biodiesel tendría un coste menor al de los biodiesel de aceite vegetal y diesel en general.

No requiere modificaciones en los motores y mantiene las mismas prestaciones y consumo que el gasoil.

Aspecto ambiental

Al utilizar los residuos del camal como la grasa vacuna para la producción del biodiesel, se reduce el vertimiento de estas directamente al Rio Mariño disminuyendo así en gran medida la contaminación.

El Biodiesel puro o en mezclas reduce significativamente las emisiones de partículas en suspensión, de las cuales se sospecha pueden ser cancerígenas.

Reducción en las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera. El biodiesel no produce emisiones de dióxido de azufre, lo que previene

la lluvia ácida y disminuye comparativamente la concentración de partículas en suspensión emitidas de metales pesados de monóxido de carbono.

Contribuyen a la disminución de la contaminación de suelos, por tratarse de combustibles rápidamente biodegradables y no tóxicos.

Aspecto energético

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Los biocombustibles constituyen una fuente de energía renovable y limpia.

El incremento del uso de los biocombustibles, contribuye a la reducción de la dependencia energética de los combustibles fósiles, y por tanto tiene efectos positivos para la seguridad de abastecimiento energético.

LIMITACIONES DE LA INVESTIGACION

1. Existen limitaciones al conseguir los insumos químicos ya que estos se encuentran fiscalizados.

2. Poca información en Abancay sobre investigaciones realizadas del proceso y producción de biodiesel.

3. Los equipos de laboratorio se encuentran en mal estado como el caso

de los medidores de pH, básicamente para el control de calidad del

producto.

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CAPITULO I

1. MARCO TEORICO – CONCEPTUAL Y REFERENCIAL

1.1. GENERALIDADES

El presente capitulo describe los conceptos de las materias primas e insumos utilizados para la mejor comprensión y entendimiento del lector.

1.2. DESCRIPCION DE LA MATERIA PRIMA E INSUMOS

A. Materia prima

Grasas Animales

Las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de

la transesterificación para obtener biodiesel. Se denomina “sebo” a las grasas procedentes del tejido adiposo de ganado bovino (vaca-buey), ovino y caprino. El sebo tiene diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación, empleándose los de peor calidad en la formulación de los alimentos de animales. La aplicación de grasas animales surgió a raíz de la prohibición de su utilización en la producción de piensos, como salida para los mismos como subproducto. Sin embargo, actualmente no existe un nivel de aplicación industrial en Perú.Se utilizó estas grasas como materia prima para disminuir su emisión al rio Mariño y disminuir así la contaminación. Las grasas presentan las siguientes propiedades:

Propiedades químicas

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1. Hidrólisis: Las grasas se pueden hidrolizar hirviéndolas con álcalis, con lo que se forma, glicerina y jabones. Esto puede ocurrir de forma natural por la acción del grupo de enzimas llamadas lipasas.

2. Oxidación: Los ácidos grasos no saturados se oxidan con facilidad en el carbono adyacente al doble enlace formando hiperóxido que pueden romperse formando aldehídos y cetonas.

3. Antioxidante: Las grasas naturales tienen una gran resistencia a la oxidación debido a la presencia de sustancia antioxidante que protegen a los ac. Grasos hasta que ellas mismas son transformadas en cuerpos inertes. Hay una serie de sustancias que poseen capacidades antioxidantes, entre ellas tenemos los fenoles, quinonas, tocoferoles, ac. gálico y galato.

4. Hidrogenación: Es el proceso mediante el cual se fija hidrógeno a los dobles enlaces de los ácidos no saturados de una grasa convirtiéndolos en los saturados correspondientes. Este proceso tiene importancia comercial, ya que, permite tener de los aceites de los vegetales y pescado grasa consistente para la fabricación de las margarinas.

Propiedades físicas:

1. Carácter anfipático: Son aquellos lípidos que contienen una parte hidrófila, es decir que atrae al agua y otra parte hidrófoba que repele al agua.

2. Punto de fusión: Esta propiedad depende de la cantidad de carbonos que exista en la cadena hidrocarbonada y del número de enlaces dobles que tenga esa cadena. Mayor será el punto de fusión cuanto más energía sea necesaria para romper los enlaces, es por ello que las grasas saturadas tiene un punto de fusión más alto que las insaturadas.

B. INSUMOS

1. Alcohol Metílico

Metanol, Alcohol Metílico, Metil Alcohol, Carbinol, Hidroximetano, Metilol, Monohidroximetano, espíritu de la madera, alcohol de madera.El Metanol es un líquido incoloro, volátil e inflamable con un ligero olor alcohólico en estado puro. Es miscible en agua, alcoholes, esteres, cetonas y muchos otros solventes; además, forma muchas mezclas azeotrópicas binarias. Es poco soluble en grasas y aceites. Se emplea alcohol metílico o metanol de 95% de pureza. La cantidad requerida para la elaboración de biodiésel es de aproximadamente el 15% ó 20% del volumen de aceite a procesar. Esta sustancia es tóxica cuando se ingiere, se inhala o tiene contacto

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con la piel, es altamente inflamable y arde con llama incolora. Su manipulación debe hacerse tomando todas las precauciones del caso. De hecho, también se puede utilizar alcohol etílico o etanol, siempre y cuando sea anhidro o tenga una pureza de 99.5%.

Propiedades físicas del Metanol

Propiedad ValorPeso Molecular (g/mol) 32,04Punto de Ebullición (ºC) 67,4; 760 mmHgPunto de Fusión (ºC) -97,8Presión de Vapor (mmHg) 92; 20 ºC

126; 25ºC160; 30 ºC

Gravedad Específica (Agua = 1)

0.7915; 20/4 °C0.7866; 25 °C

Densidad del Vapor (Aire = 1)

1,11

pH No ReportadoSolubilidad en agua MiscibleLog Kow -0,67Límites de Inflamabilidad (% vol)

5,5 – 44

Temperatura de Auto Ignición (ºC)

470

Punto de Inflamación (ºC) 15,6; copa abierta12,2; copa cerrada

Fuente: Ministerio Del Ambiente

Propiedades químicas

El Metanol presenta reacciones que son típicas para alcoholes de su clase. Las reacciones de particular importancia en la industria son principalmente deshidrogenación y deshidrogenación oxidativa sobre óxido de Plata o Molibdeno-Hierro para la producción de Formaldehído; la reacción con Isobutileno usando catalizadores ácidos, para formar metiltertiarilbutil éter (MTBE); carbonación a ácido acético usando como catalizador Cobalto o Rodio; esterificación con ácidos orgánicos y derivados ácidos; eterificación; adición a enlaces no saturados y reemplazo del grupo hidroxilo.El Metanol líquido y sus vapores son sustancias muy inflamables y que al contacto con el aire pueden llegar a ser explosivas. Esto representa un problema de seguridad potencialmente grande.

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2. Catalizador (Hidróxido de sodio)

El catalizador puede ser hidróxido de sodio (NaOH, soda cáustica) o hidróxido de potasio (KOH, potasa cáustica), de grado industrial, en escamas o en perlas. La desventaja de la Soda Caústica (NaOH) es que se solidifica y hace difícil su separación del biodiesel por decantación en el reactor.La cantidad a aplicar de catalizador depende de la acidez del aceite a tratar. Tanto el NaOH como el KOH son corrosivos para diversos materiales, y resultan irritantes para la piel y las mucosas. Propiedades físicas

PROPIEDAD VALORPeso Molecular (g/mol) 40,0Estado Físico SólidoPunto de Ebullición(ºC)(760 mmHg)

1.390; puro105; solución acuosa 6% en peso120; solución acuosa 34% peso150; solución acuosa 55% en peso

Punto de Fusión (ºC) 318; puroPresión de Vapor (mmHg) 0; puroGravedad Específica (Agua = 1) 2,13; puro

1.219; 20% solución acuosa1.430; 40% solución acuosa1.525; 50% solución acuosa

Densidad del Vapor (Aire = 1) No AplicaPH 14 SoluciónSolubilidad en Agua (g/ml) 1,11

Fuente: Ministerio del Ambiente

Propiedades químicas

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1. El Hidróxido de Sodio es una base fuerte, se disuelve con facilidad en agua generando gran cantidad de calor y disociándose por completo en sus iones, es también muy soluble en Etanol y Metanol. Reacciona con ácidos (también generando calor), compuestos orgánicos halogenados y con metales como el Aluminio, Estaño y Zinc generando Hidrógeno, que es un gas combustible altamente explosivo, El Hidróxido de Sodio es corrosivo para muchos metales. Reacciona con sales de amonio generando peligro de producción de fuego, ataca algunas formas de plástico, caucho y recubrimientos.

2. En presencia de la humedad del ambiente, el hidróxido de sodio reacciona con el Dióxido de Carbono para generar Carbonato de Sodio. Reacciona con el Monóxido de Carbono bajo presión para dar formato de Sodio, también en presencia de humedad.

1.3. PRODUCTOS RESULTANTES

A. ¿Qué es el biodiesel?

Es un combustible compuesto por esteres mono alquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables, empleado en motores de ignición de compresión, tanto como en calderas de calefacción. Dicho en términos más simples: el biodiesel es un combustible de origen orgánico producido a partir de aceites vegetales o grasas animales; asimismo, puede ser utilizado como sustituto o aditivo del diesel 2 convencional. El término bio hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en contraste con el combustible diesel tradicional derivado del petróleo; por su parte, diesel alude a su uso en motores de este tipo.

Propiedades Fisicoquímicas del Biodiesel

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Parámetro Unidades Diesel Biodiesel

Poder Calórifico Kcal/L 8.74 7.795

Densidad (15ºC) g/cc 0.820-0.845 0.860.0.900

Punto de Inflamación

ºC 55(mínimo) 101(mínimo)

Azufre Ppm350(máximo)

10(máximo)

Contaminación Total

Ppm 24(máximo) -

Agua Ppm200(máximo)

500(máximo)

Viscosidad Cinemática

cSt 2.0-4.5 3.5-5.0

De acuerdo con la tabla anterior se puede decir que:

El poder calórico del biodiesel es menor que el combustible fósil, por lo tanto en proporción de 1 Litro de Petro Diesel equivale a 1.1 (app) Litro de Biodiesel.

La densidad y la viscosidad aumentan con respecto al diesel, por lo tanto influyen en el transporte y almacenamiento del combustible. En el caso de la densidad, mientras mayor es la densidad aumenta la energía térmica. Mientras que la viscosidad tiene que ser menor para evitar fugas en el motor.

El punto de inflamación en el biodiesel es mucho mayor que el gasoil, por ello es menos explosivo y más seguro de transportar.

La cantidad de Azufre es mucho mayor en el diesel, esto contribuye al desgaste del motor, a la aparición de depósitos que afectan el funcionamiento del motor y el control de emisiones perjudiciales para el medio ambiente.

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Ventajas del biodiesel

1. Respecto a la disminución de la contaminación del aire, dos son los principales efectos del uso del biodiesel: la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente de CO2, y la reducción de la mayoría de emisiones tóxicas o contaminantes.

2. Diversos estudios señalan que el biodiesel emite, finalmente, menos CO2 que el fijado mediante el proceso de fotosíntesis por estas mismas plantas oleaginosas. Es posible afirmar que sustituyendo o complementando el diesel con el biodiesel se puede ayudar a combatir uno de los principales efectos del uso de combustibles fósiles: el problema del cambio climático.

3. El biodiesel, es oxigenado y no contiene azufre, tiene una combustión más completa que su antecesor y, por ello, una composición notoriamente mejor en sus emisiones. Asimismo, el biodiesel, aún usado en mezclas de solo 10% por 90% de diesel convencional, reduce notablemente las emisiones de monóxido de carbono (CO), óxidos de azufre (SOx), compuestos aldehídicos como el formaldehído y el acetaldehído y, prácticamente, elimina las emisiones de benceno, que es un peligroso compuesto cancerígeno.

4. La combustión del biodiesel produce menos humo visible y menos olores desagradables que su antecesor derivado del petróleo, por lo que su uso como sustituto o complemento del diesel puede contribuir a disminuir la polución del aire y los riesgos a la salud pública relacionados con ella.

Inconvenientes del Biodiesel

1. Podría generar un aumento de la deforestación de bosques, expansión indiscriminada de la frontera agrícola, desplazamiento de cultivos alimentarios y ganadería. 

2. A bajas temperaturas puede llegar a solidificarse y producir obstrucciones en los conductos.

3. Es incompatible con algunos materiales ya que en estado puro puede llegar a dañar por ejemplo el caucho y algunas pinturas.

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4. El contenido energético del biodiésel es algo menor que el del diésel (12% menor en peso u 8% en volumen), por lo que su consumo es ligeramente mayor.

5. El biodiésel de baja calidad (con un bajo número de cetano) puede incrementar las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno), pero si el número de cetano es mayor que 68, las emisiones de NOx serían iguales o menores que las provenientes del diésel fósil .

APLICACIONES

El empleo más frecuente del biodiesel se encuentra en el sector del transporte. Pero existen otros sectores, como puede ser el de generación eléctrica, en los que también puede utilizarse. Las aplicaciones más destacadas se listan a continuación:

1. Combustión en calderas. Se trata de una aplicación que no precisa de especificaciones especiales, en la que posiblemente pueda emplearse el aceite directamente sin esterificar. El problema reside en el coste relativo a otros combustibles, incluida la biomasa.

2. Aplicación a motores diesel estacionarios para generación de energía eléctrica o para motobombas en las propias zonas de cultivo. La ventaja consiste en que estos motores no necesitan combustibles tan sofisticados como los de automoción.

3. Aplicación a tractores agrícolas y otra maquinaria agrícola. Además de contar con la ventaja mencionada anteriormente, se reduce el coste del transporte si el biocarburante es producido en las cercanías del cultivo.

4. Aplicación a motores de barcos marinos o fluviales, con planteamientos similares.

5. Aplicación a vehículos diesel pesados (camiones y autobuses) y ligeros (pequeños camiones, microbuses y turismos). Los vehículos antiguos, así como los diseñados para trabajo pesado, donde las exigencias relativas a prestaciones y emisiones no son extremas, pueden emplear combustibles con unas especificaciones menos exigentes que las de los automóviles ligeros en Europa, EEUU o Japón. Así, un vehículo diesel de diseño antiguo, equipado con sistemas de control mecánico de inyección, no exige un carburante, y en particular un biodiesel, con especificaciones muy estrictas. Éstas corresponden al biodiesel de automoción para motores de combustión interna en vehículos ligeros

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CONTROL DE CALIDAD DEL PRODUCTO

Dado que la calidad del biodiésel producido es un factor fundamental, que define el modo de funcionamiento y el tiempo de vida de un motor, es esencial garantizar un producto de calidad. Rendimiento en volumen (biodiesel : aceite)

1. Se debe observar una separación de fases marcada de biodiésel y glicerina. Si no hay separación, entonces no ha habido reacción. En este caso se debe evaluar cuál es el motivo de este problema.

2. Para ser aceptado como combustible, el biodiésel debe cumplir con todas las especificaciones impuestas por la normativa vigente. Esta normativa es independiente de los procesos de producción y del tipo de materia prima utilizado, por lo que el proceso de refinado de los ésteres obtenidos de la transesterificación es extremadamente importante.

B. Glicerina

La glicerina (glicerol o glicol) es la cadena de 3 alcoholes más simple. Esta aparece cuando los triglicéridos de los aceites vegetales se rompen en ácidos grasos libres y una molécula de glicerina. Los ácidos grasos reaccionan con el metanol para formar el biodiesel.

La glicerina es un líquido muy viscoso y de densidad alta (1,26 Kg/l). El nombre proviene de la palabra griega glykys que significa dulce.

La cantidad de glicerina que se forma en la reacción depende de la cantidad de AGL que tiene el aceite que se usa en el proceso. Esta varía entre un 10% y 30% de la cantidad de dicho aceite utilizado.

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1.4. REACTOR

Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, hablamos de biorreactores. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, además en base a los parámetros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones, por ejemplo un salto en escalón en la composición de entrada. Reactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable. El reactor usado es el  reactor tanque agitado o Reactor tipo Batch.

CARACTERISTICAS

El reactor es recargado mediante dos orificios de la parte superior del tanque. Cuando la reacción se está llevando a cabo, ningún compuesto ingresa o sale del reactor hasta que la reacción culmine. El calentamiento o enfriamiento se lo realiza fácilmente con el uso de una chaqueta o sistema de enfriamiento o calentamiento.

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2. DISEÑO DE REACTORES

El diseño del reactor se realizo con materiales de acero inoxidable y tubos de agua de resistencia a altas temperaturas. El modelo usado es de pequeña escala y puede ser utilizado por pequeños productores de biodiésel.

También veremos una lista de accesorios que debe tener el sistema para complementar el circuito que debe seguir el biodiésel en todo el proceso de producción.

1. 3 tanques de acero inoxidable de 1 y 2 litros.

2. Tubo de resistencias a altas temperaturas de 1 metro de longitud y 4 codos del mismo material.

3. Estructura de hierro como soporte.

4. Un motor de 300 revoluciones aprox. Para la agitación del mezcla.

5. Termómetro para el control de la temperatura de reacción.

MARCO REFERENCIAL - MARCO LEGAL DE LOS BIOCOMBUSTIBLES

El Perú cuenta con el siguiente marco legal específico para la promoción de los biocombustibles líquidos:

1. Ley Nº 28054: Ley de Promoción del Mercado de Biocombustibles (agosto del 2003).

2. Decreto Supremo N° 013-2005-EM: Reglamento de la Ley de Promoción del Mercado de Biocombustibles (marzo del 2005).

3. Decreto Supremo Nº 021–2007–EM: Reglamento para la Comercialización de Biocombustibles (abril del 2007).

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4. Directiva Nº 004-2007: Lineamientos del Programa de Promoción del Uso de Biocombustibles – PROBIOCOM (marzo del 2007).

5. Resolución Ministerial Nº 165-2008-MEM-DM: Disposiciones relativas a la calidad y métodos de ensayo para medir las propiedades de los combustibles diesel B2, diesel B5 y diesel B20 (abril del 2008).

6. Decreto Supremo Nº 064-2008-EM: Modificación del Reglamento para la Comercialización de Biocombustibles (diciembre de 2008).

7. Decreto Supremo N° 016-2008-AG: Declaración de interés nacional la instalación de plantaciones de piñón e higuerilla como alternativa para promover la producción de biocombustibles en la selva (julio de 2008).

8. Decreto Supremo N° 075-2009-PCM: Decreto Supremo que crea la Comisión Multisectorial de Bioenergía (noviembre de 2009)

9. Decreto Supremo N° 091-2009-EM: Modificación del Reglamento para la Comercialización de Biocombustibles (diciembre de 2009).

10. Este marco legal se creó respondiendo a diversos intereses ambientales y económicos.

11. La Ley Nº 28054 establece en su Artículo 1 “el marco general para promover el desarrollo del mercado de los biocombustibles sobre la base de la libre competencia y el libre acceso a la actividad económica, con el objetivo de diversificar el mercado de combustibles, fomentar el desarrollo agropecuario y agroindustrial, generar empleo, disminuir la contaminación ambiental y ofrecer un mercado alternativo en la lucha contra las drogas”

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CAPITULO II

INGENIERIA DEL PROYECTO

Equipos:

1. Equipo reactor de acero inoxidable construido por los alumnos responsables del trabajo.

Materiales: provenientes del laboratorio de la universidad alas peruanas

Vasos precipitados de 250, 500 ml Erlenmeyer de 250 , 500 ml Balanza de precisión Telas de filtrado

2. Reactivos: proporcionados por la universidad alas peruanas

El catalizador: hidróxido de sodio al 0.1 N los residuos grasos animales fueron obtenidos del matadero municipal

de la ciudad de Abancay , Metanol solvente: también proporcionado por el laboratorio de la

universidad Alas Peruanas

2.1. DESCRIPCION DEL PROCESO DE OBTENCION DE LA GRASA ANIMAL

2.1.1. SELECCIÓN

Se selecciona una cantidad necesaria de tejido adiposo equivalente a 2.18 gra- mos, se procede a realizar la limpieza de impurezas.

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2.1.2. Extracción de las grasas

1º Las porciones sólidas de grasa son cortadas en porciones aún más pequeñas.

2º Se extrajo la grasa mediante calentamiento en estufa a una temperatura de 50 °C durante 24 horas.

Así se separó los tejidos y se eliminó el agua de las muestras obtenidas de residuos orgánicos de res (conteniendo porciones visibles de grasa). Trabajo realizado de manera artesanal. El líquido obtenido se hace pasar por un tamiz para evitar la presencia de residuos sólidos.

2.1.3 ALMACENAMENTO

Finalmente se almacena la grasa obtenida a 20 grados centígrados para su posterior uso.

2.2. DESCRIPCION DEL PROCESO DE OBTENCION DEL PRODUCTO

2.2.1. MEZCLADO

Se mezcló la grasa + metanol +hidróxido de sodio = Metóxido de sodio, en una proporción de 500ml de grasa + 100 ml de metanol + 1.9 gr de hidróxido d sodio.

Se mezcló el aceite proveniente del primer tanque y el metóxido de sodio proveniente del segundo tanque .Una vez tuvimos la mezcla de metanol y sosa preparada, se vertió esta sobre el aceite sin dejar de remover con el motor a 300 revoluciones dentro del tanque reactor durante al menos 1 hora. La temperatura ideal para hacer una buena reacción es 50ºC, por lo que tuvimos que mantener una temperatura lo más cercana posible a esos 50º durante todo el proceso.

2.2.2. PROCESO DE REACCION QUIMICA (TRANSESTIFICACION)25

Consiste en una reacción de transesterificación, este tipo de reacción es el proceso de intercambiar el grupo alcoxi (grupo alquilo unido a un átomo de oxígeno, es decir, RO) de un éster por otro alcohol, son frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una base. Cuando el glicerol se sustituye por el alcohol (metanol o hexano) obtenemos tres moléculas de metiléster (biodiesel) y una molécula de glicerina.

En la figura 1 se presenta la obtención general del biodiesel

En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, sin este no sería posible esta reacción. El catalizador utilizado es hidróxido de sodio, ya que es un catalizador homogéneo básico que se suele utilizar a escala comercial y actúa mucho más rápido y además permite operar en condiciones moderadas. La transesterificación es una reacción reversible, por lo cual es importante adicionar un exceso de alcohol para favorecer la producción de biodiesel, la relación molar estequiométrica aceite-alcohol es de 1:3, pero la relación comprobada experimentalmente para sebo vacuno debe ser de 1:6, ya que en esta relación se encontró un valor aceptable para la viscosidad. Por ello se utiliza una proporción de 200 ml de solvente y 3.8 g de hidróxido de sodio para producción de un litro de biodiesel

2.2.3. SEPARACION DE PRODUCTOS

Después del paso anterior se deja reposar la mezcla por una hora. Dado que el biodiesel tiene una menor densidad que la glicerina, siempre va a quedar encima de esta. El separado de la glicerina se puede hacer fácilmente drenando esta por la parte inferior del decantador después de dejar el tiempo suficiente para que se sedimente. La glicerina es separada del biodiesel por centrifugación, basado en la diferencia de densidades en diferentes envases.

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2.3. CONTROL DE CALIDAD

Se realizó las mediciones de acuerdo a lo ya explicado anteriormente.

1. Rendimiento en volumen (biodiesel : aceite)2. Viscosidad cinemática comparada3. Densidad4. Poder calorífico5. Punto de inflamación6. Contenido de agua y sedimentos

2.4. ALMACENAMIENTO

Es almacenado a temperatura ambiente en galoneras de color oscuro, para

evitar reacciones de fotooxidación. La luz causa un pequeño incremento en los

parámetros de oxidación y acidez, especialmente para un biodiesel

almacenado a altas temperaturas. Estudios de estabilidad de los metilésteres

de ácidos grasos, reportan que el biodiesel debe ser almacenado en

contenedores herméticos con una temperatura de almacenamiento menor a

30ºC (Knothe, 2003). Los productores de BD aconsejan almacenarlo por no

más de tres a seis meses, a menos que se utilicen aditivos para estabilizarlo.

El uso de ter-butilhidroquinona (TBHQ), un inhibidor de la oxidación para

aceites vegetales, tiene efectos beneficiosos en su estabilidad (Ugolini, 2000).

2.5. COMERCIALIZACION

Los principales consumidores serán:

1. Transporte y pasajeros de carga mediante grifos y estaciones de servicio debidamente inscritos en el DGH

2. Industrias, pesca.

3. Generación de energía.

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2.6. CRITERIOS PARA LA CONSTRUCCION

Se tomaron en cuenta los siguientes criterios

1. Se tuvo en cuenta el pH de la solución catalizadora, y la acidez de las

grasas. Por eso se utilizó acero inoxidable como material de los tanques

para evitar la corrosión y producir una reacción limpia de impurezas el

espesor del acero es de 1.3 mm, ya que la solución a preparar es a

pequeña escala.

2. Los tanques deben tener fondo cónico”. Dicha característica permite

aprovechar la ventaja de la presión hidrostática que aunada a la

reducción del área de salida, incrementa la “velocidad de descarga” y de

y de este modo puede gobernarse adecuadamente la evacuación tanto de la

glicerina como la del biodiesel resultantes del proceso.

3. La cantidad de biodiesel a producir.

4. El costo de los materiales.

2.7. PROCESO DE OBTENCION DE BIODIESEL

El proceso para obtener Biodiesel se ha realizado tanto a nivel laboratorio como a nivel planta piloto, estructura donde se cuenta con tres tanques;

1. En el primero se almacena la materia prima, es decir la grasa refinada que se obtuvo (proceso descrito en el punto anterior),

2. En el segundo tanque se almacena la solución de mezcla de Metanol + Hidróxido de Sodio (METÓXIDO), y

3. En el tercer tanque (REACTOR) se lleva a cabo la reacción; este “reactor” tiene acoplado un motor con el cual se realiza la agitación a 300 rpm, además está conectado a un sistema de calefacción para mantener la temperatura a 65° C. Luego, en el siguiente proceso se da la decantación, para la posterior separación del biodiesel y la glicerina.

1º La grasa se calienta a 50°C (aproximadamente).

28

CONTROL DE CALIDAD

COMERC.ALMCENM.

2º Se combina con una mezcla de Metanol + Hidróxido de Sodio en una proporción determinada.

3º Se realiza la agitación a 300 rpm utilizando el motor incorporado por un tiempo determinado.

4º Se mantienen por 3 horas para realizar la reacción de transesterificación. La temperatura se incrementa a 65°C (aproximadamente)

5º Se procede a realizar la decantación por un periodo aproximado de 5 horas.

6º El siguiente paso es separar la glicerina del Biodiesel. Almacenarlos independientemente.

7º Realizar el lavado del Biodiesel usando solución salina y separar el Biodiesel limpio. (Opcional)

2.8. DIAGRAMA DE FLUJO CUALITATIVO

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500 ml

100 ml

500 ml Grasa+ 1.9 gr hidrox+100 ml metanol (1.11 kg/l) = 120ml glicerina + 480ml biodiesel

1.9 gr

CONTROL DE CALIDAD

COMERC.ALMCENM.

2.9. DIAGRAMA DE FLUJO CUANTITATIVO

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Grasa +alcohol

CAPITULO III

3.1. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION

3.1.1. RESULTADOS OBJETIVO GENERAL

Luego de haber realizado la reacción de transesterificación, se logró obtener una solución lista para el proceso de decantación, a partir del cual se pudo obtener los productos finales esperados.

3.1.2. RESULTADOS DE OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Se logro obtener grasa de característica liquida, fundida a 50°C por 24 horas para evaporar todo el agua excedente y evitar la formación de jabones en la mezcla.

2. El diseño del reactor se realizó teniendo en cuenta el pH de la reacción (en medio básico) y la posterior construcción en el que se realizo el proceso de obtención del biodiesel de la forma requerida.

3.2. BALANCE DE MASA

Recurso/ producto Ud. Entrada SalidaAceite de grasa

animalml 500

Metanol ml 100Na(OH) gr 1.9

Biodiesel ml 480Glicerina ml 120

1. Del total de la mezcla (600ml) de las cantidades tanto de metoxido como de grasa animal diluida, se tiene que el 80% es biodiesel y el 20% glicerina

Lo cual expresado en datos numéricos se tiene: 480 ml de biodiesel y 120 ml de glicerina.

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CAPITULO IV

DISCUSICION Y CONCLUSIÓN DE RESULTADOS

4.1. PARA RESULTADOS DEL OBJETIVO GENERAL

El objetivo general de la presente investigación, es el de obtener Biodiesel a partir grasa animal, producto final que se pudo obtener, sin embargo no con las características deseadas, debido a las limitaciones en cuanto a la adquisición de los insumos necesarios.

4.2. PARA RESULTADOS OBJETIVOS ESPECIFICOS

La obtención de la materia prima utilizada, es decir, la grasa animal fue conseguida acudiendo al camal municipal de Abancay, donde se nos facilitó 4.5 kg de sebo de vaca (fase sólida), parte de la cual (2 kg) fue sometida a un proceso de fundición en estufa (fase líquida) para su posterior filtrado, evitando de esta manera la presencia de sólidos suspendidos.

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ANEXOS

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