D efiniciones y especificaciones del biodiésel

El biodiésel es un biocarburante (nombre genérico de los biocombustibles para automoción) líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas más utilizadas para este fin.

Las propiedades del biodiésel son prácticamente las mismas que las del gasóleo de automoción en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiésel puede mezclarse con el gasóleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente.

La ASTM (American Society for Testing and Material Standard) describe al biodiésel 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) debido a su bajo coste y sus ventajas químicas y físicas.

Tabla 1.  Propiedades del biodiésel

En cuanto a la utilización del biodiésel como combustible de automoción, ha de señalarse que las características de los ésteres son más parecidas a las del gasóleo que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del éster es dos veces superior a la del gasóleo frente a diez veces ó más de la del aceite crudo; además el índice de cetano de los ésteres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento. En la tabla 1, se enumeran las especificaciones establecidas para el biodiésel y el método de ensayo

correspondiente.

El biodiésel necesita tener unas especificaciones que enumere las propiedades y garantice la calidad de producto. Además, el biodiésel debe cumplir los requisitos para los combustibles minerales de automoción y que se encuentran recogidas en la norma europea EN-590. Los requerimientos específicos y los métodos de control para la comercialización y distribución de ésteres metílicos de ácidos grasos (Fatty Acid Methyl Ester, FAME) para su utilización en motores diesel con 100% de concentración se encuentran en la norma EN 14214 transcrita a la legislación española en el Real Decreto 61/2006, de 31 de enero, por el que se determinan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fuelóleos y gases licuados del petróleo y se regula el uso de determinados biocarburantes.

Procesos de obtención del biodiésel

Materias primas

Las materias primas más comunes utilizadas en España para la fabricación de biodiésel son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol (el contenido medio del girasol en aceite es de 44% por lo que en España será la mejor opción en cuanto a agricultura energética). También se están realizando pruebas con aceite de colza y con Brassica carinata.

Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiésel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo de vaca,...). Por otra parte, en España, la utilización de aceites usados no es todavía significativa. A continuación  (tabla 2), se detallan las principales materias primas para la elaboración de biodiésel [Vicente 1998, 2001].

Tabla 2. Principales materias primas para la 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 micoralgasSoja Crambe abyssinica Aceite de producciones microbianas

Palma Pogianus Aceites de fritura

Aceites vegetales convencionales

Las materias primas utilizadas convencionalmente en la producción de biodiésel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la soja (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). Por razones climatológicas, la colza (Brassica napus) se produce principalmente en el norte de Europa y el girasol (Helianthus annuus) en los países mediterráneos del sur, como España o Italia. La utilización de estos aceites para producir biodiésel en Europa ha estado asociada a las regulaciones de retirada obligatoria de tierras de la Política Agraria Común (PAC) que permite el cultivo de semillas oleaginosas a precios razonables. Sin embargo, la dedicación de sólo las tierras de retirada para la producción de materias primas energéticas supone un riesgo por cuanto estas superficies varían en el tiempo, ya que el régimen de retirada de tierras depende de la oferta y la demanda de cereales alimentarios, lo que implica que este índice está sujeto a alteraciones.

Aceites vegetales alternativos

Además de los aceites vegetales convencionales, existen otras especies más adaptadas a las condiciones del país donde se desarrollan y mejor posicionadas en el ámbito de los cultivos energéticos. En este sentido, destacan la utilización, como materias primas de la producción de biodiésel, de los aceites de Camelina sativa, Crambe abyssinica y Jatropha curcas. Existen otros cultivos que se adaptan mejor a las condiciones de España y que presentan rendimientos de producción mayores. En concreto, se trata de los cultivos de Brassica carinata y Cynara cardunculus. La Brassica carinata es una alternativa real al secano y regadío extensivo. La Cynara cardunculus es un cultivo plurianual y permanente, de unos diez años de ocupación del terreno, y orientado fundamentalmente a la producción de biomasa, aunque también pueden aprovecharse sus semillas para la obtención de aceite. Se obtienen de 2.000 a 3.000 kilogramos de semillas, cuyo aceite sirve de materia prima para la fabricación de biodiésel.

Aceites vegetales modificados genéticamente

Los aceites y las grasas se diferencian principalmente en su contenido en ácidos grasos. Los aceites con proporciones altas de ácidos grasos insaturados, como el aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran

la operatividad del biodiésel a bajas temperaturas, pero diminuyen su estabilidad a la oxidación, que se traduce en un índice de yodo elevado. Por este motivo, se pueden tener en consideración, como materias primas para producir biodiésel, los aceites con elevado contenido en insaturaciones, que han sido modificados genéticamente para reducir esta proporción, como el aceite de girasol de alto oleico.

Aceites de fritura usados

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. La producción de los aceites usados en España se sitúa en torno a las 750.000 toneladas/año, según cifras del 2004.

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. La Comisión Europea propone que el Ministerio de Medio Ambiente y los Ayuntamientos creen un sistema de recogida de aceite frito, oleinas y grasas en tres etapas: industrial, hostelería y doméstica, con especial atención a su control y trazabilidad debido a su carácter de residuo. En el caso español, dicha recogida no está siendo promovida enérgicamente por la Administración pese a que la Ley 10/98 de Residuos establece la prohibición de verter aceites usados, lo cual es un incentivo más para su utilización en la fabricación de biodiésel.

Grasas animales

Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de la transesterificación para obtener biodiésel. 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 España.

Aceites de otras fuentes

Por otra parte, es interesante señalar la producción de lípidos de composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a partir de algas, bacterias y hongos, así como a partir de microalgas.

Transesterificación

La reacción química como proceso industrial utilizado en la producción de biodiésel, es la transesterificación, que consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Todo este proceso se lleva a cabo en un reactor donde se producen las reacciones y en posteriores fases de separación, purificación y estabilización.

Las tecnologías existentes, pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las condiciones del proceso y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de la capacidad deseada de producción, alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del catalizador.  En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación (utilización al mismo tiempo de aceites refinados y reutilizados) suelen utilizar procesos Batch o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme.

Proceso Discontinuo

Es el método más simple para la producción de biodiésel donde se han reportado ratios 4:1 (alcohol:triglicérido). Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25ºC a 85ºC también han sido publicadas. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3% al 1,5% (dependiendo que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase éster. Se han publicado en la bibliografía resultados entre el 85% y el 94%.

En la transesterificación, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requiere temperaturas elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%. Temperaturas mayores y ratios superiores de alcohol:aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora. En el gráfico 1 se reproduce un diagrama de

bloques de un proceso de transesterificación en discontinuo.

 Gráfico 1. Proceso de transesterificación en discontinuo.

Proceso Continuo

Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado, los llamados CSTR del inglés, Continuous Stirred Tank Reactor. Este tipo de reactores puede ser variado en volumen para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje del 98% de producto de reacción. Un elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente constante. Esto tiene el efecto de aumentar la dispersión del glicerol en la fase éster.

El resultado es que el tiempo requerido para la separación de fases se incrementa. Existen diversos procesos que utilizan la mezcla intensa para favorecer la reacción de esterificación. El reactor que se utiliza en este caso es de tipo tubular. La mezcla de reacción se mueve longitudinalmente por este tipo de reactores, con poca mezcla en la dirección axial. Este tipo de reactor de flujo pistón, Plug Flow Reactor (PFR), se comporta como si fueran pequeños reactores CSTR en serie. El resultado es un sistema en continuo que requiere tiempos de residencia menores (del orden de 6 a 10 minutos) –con el

consiguiente ahorro, al ser los reactores menores para la realización de la reacción. Este tipo de reactor puede operar a elevada temperatura y presión para aumentar el porcentaje de conversión.

En el gráfico 2 se presenta un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación mediante reactores de flujo pistón. En este proceso, se introducen los triglicéridos con el alcohol y el catalizador y se somete a diferentes operaciones (se utilizan dos reactores) para dar lugar al éster y la glicerina.

Dentro de la catálisis heterogénea los catalizadores básicos se desactivan fácilmente por la presencia de ácidos grasos libres (FFA) y de agua que favorece la formación de los mismos. Para tratar alimentaciones con cierto grado de acidez, se prefiere la esterificación de los ácidos grasos libres con superácidos que a su vez presenten una elevada velocidad de reacción de transesterificación, lo que implica que se requiera de dos reactores con una fase intermedia de eliminación de agua. De este modo, alimentaciones con hasta un 30% en FFA se pueden esterificar con metanol, reduciendo la presencia de FFA por debajo del 1%. Esta etapa previa de esterificación se puede llevar a cabo con alcoholes superiores o glicerina que resulta atractiva en la producción de biodiésel puesto que es un subproducto del proceso.

Gráfico 2. Proceso de obtención de biodiésel mediante reactores de flujo pistón.

La glicerina subproducto del biodiésel

En la síntesis del biodiésel, se forman entre el aceite y el alcohol, normalmente metílico, ésteres en una proporción aproximada del 90% más un 10% de glicerina. La glicerina representa un subproducto muy valioso que de ser refinada a grado farmacológico puede llegar a cubrir los costos operativos de una planta productora. La glicerina es

eliminada del proceso cuando se procede al lavado con agua. Sin embargo, la glicerina puede encontrarse en el biodiésel como consecuencia de un proceso inapropiado, como puede ser una insuficiente separación de la fase de glicerina o un insuficiente lavado con agua. La glicerina se emplea en la fabricación, conservación, ablandamiento y humectación de gran cantidad de productos, éstos pueden ser resinas alquídicas, celofán, tabaco, explosivos (nitroglicerina), fármacos y cosméticos, espumas de uretano, alimentos y bebidas, etc.

Así, como coproducto de la producción de biodiésel se obtendría glicerina, de calidades farmacéutica e industrial. Estas glicerinas tienen un valor económico positivo y su comercialización forma parte de la rentabilidad del biodiésel. Sin embargo, la creciente oferta de glicerina está provocando ya una disminución de sus precios de venta con la consiguiente problemática de merma de rentabilidad que ello supone para el sector del biodiésel. Al nivel actual de producción, las glicerinas tienen suficientes salidas comerciales actualmente, pero conseguir una producción de biodiésel de la magnitud del objetivo fijado para el 2010 podría tener problemas en la saturación del mercado de glicerina, por lo que es especialmente relevante asegurar los canales de comercialización de este producto.

Con el aumento de la producción de biodiésel, la glicerina se enfrenta a un reto de investigación y desarrollo de cara a tener una salida para la misma debido a su aumento significativo en los próximos años. Por ello, se deben buscar nuevas salidas y aplicaciones al producto final o bien encontrar nuevas aplicaciones en las que ésta actúe como materia prima química.

Balance energético de la producción de biodiésel

El balance energético del biodiésel, considerando la diferencia entre la energía que produce 1kg. de biodiésel y la energía necesaria para la producción del mismo, desde la fase agrícola hasta la fase industrial es positiva al menos en un 30%. Por lo tanto puede ser considerada una actividad sostenible.

Además de las condiciones favorables desde el punto de vista ecológica y energético merece destacarse la posibilidad del empleo inmediato en los motores. El biodiésel quema perfectamente sin requerir ningún tipo de modificación en motores existentes pudiendo alimentarse alternativamente con el combustible diesel o en mezcla de ambos. Esta es la diferencia importantes respecto de otras

experiencias de sustitución de combustibles como la del bioetanol, donde es necesario efectuar en los motores modificaciones irreversibles. El empleo de biodiésel aumenta la vida de los motores debido a que posee un poder lubricante mayor, mientras que el consumo de combustible, la autoignición, la potencia y el torque del motor permanecen inalterados.

El proceso de elaboración del biodiesel esta basado en la llamada transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores.Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol trivalente, el glicerol. Si el glicerol es reemplazado por metanol, se obtienen tres moléculas más cortas del ácido graso metiléster. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.Por lo tanto en la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerina.Los procesos de transesterificación pueden adaptarse para usar una gran variedad de aceites, pudiendo ser procesados además, aceites brutos muy ácidos. El particular interés en los aceites muy ácidos, reside en que generalmente, están fuera de las normas de comercialización y son frecuentemente rechazados por los compradoresEl aceite es inicialmente calentado a la temperatura de proceso óptima, y son agregados cantidades necesarias de metanol y catalizador. Luego de ser mezclado, el producto es transportado hacia dos columnas conectadas en serie. La transesterificación tiene lugar en esas columnas y la glicerina pura es liberada mediante decantación.Los ésteres son lavados dos veces con agua acidificada. La glicerina obtenida es separada de los ésteres en pocos segundos, de ese modo es posible obtener biodiesel de muy alta calidad, el cual cumple con todos los requerimientos de las normas estándar americanas. El glicerol para ser utilizado debe ser refinado. ESQUEMA DE LA PLANTA

 La descripción de cada módulo de la planta es la siguiente:a) Molino de aceite.Los productos obtenidos son:

 Aceite vegetal crudoHarina de alto contenido proteico (soja) 

El aceite crudo es posteriormente procesado, transformado en BIODIESEL y glicerol, y la harina se vende como alimento para animales, eventualmente después de un proceso de estabilización de enzimas y acondicionamiento. b) Unidad de refinamiento y transesterificación.Esta unidad produce el filtrado y remoción, catalítica o por destilación, de ácidos grasos libres. El producto es aceite vegetal refinado y sin ácidos, que constituye el material de alimentación para la:

 Unidad de transesterificación.  

En esta etapa del proceso el aceite es transformado catalíticamente, mediante agregado de metanol o etanol con el catalizador previamente mezclado, en metil o etiléster y glicerol. c) Unidad de purificación y concentración de glicerol.Consiste en una etapa de filtrado y purificación química, un equipo de concentración del glicerol, y el posterior almacenamiento del glicerol puro.

TransesterificaciónEl aceite con ácidos y gomas eliminados (parte refinada) se transforma en metil o etiléster por medio de un proceso catalítico de etapas múltiples, utilizando metanol o etanol (10% de la cantidad de aceite a ser procesado). El metiléster crudo se refina posteriormente en un lavador en cascada.Si el producto se utiliza como combustible para motores, no necesita el proceso de destilación pero puede ser fácilmente integrado en el esquema de proceso si se desea un metiléster de calidad química.

Refinamiento del glicerolEl proceso de transesterificación produce como subproducto derivado aproximadamente 10 % de glicerol. Este glicerol en bruto contiene impurezas del aceite en bruto, fracciones del catalizador, mono y diglicéridos y restos de metanol.Con el objeto de venderlo en el mercado internacional debe ser refinado para llegar a la calidad del glicerol técnico o, con una posterior destilación, a la del glicerol medicinal (99,8%).

Descripción de la Tecnología de la PlantaLa unidad de transesterificación incluye contenedores operativos de pre - almacenamiento para la materia prima, productos intermedios y fínales. El metanol/etanol, glicerol, producto derivado, y el metiléster terminados, son almacenados en el patio de tanques fuera de la planta.La estructura principal del complejo comprende un edificio múltiple, que alberga el material operativo y las instalaciones de distribución de energía, ventilación central, laboratorio de producción, sala de monitoreo, instalaciones para el personal, etc.Para cada tamaño de planta de producción, se deben satisfacer precondiciones específicas de infraestructura, dependientes de la localización real.Por lo tanto, y adicionalmente al esquema de planta delineado, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

o Conexión de energía eléctrica adecuada.o Agua potable y conexiones cloacales.o Suministro de vapor de proceso.o Provisión de agua de enfriamiento.

o Conexiones telefónicas.o Administración, flota de vehículos, posible capacidad de

almacenamiento adicional requerida para repuestos, así como también para materiales auxiliares.

o Instalación para seguridad del trabajo e industria.o Conexión con caminos y/o ferrocarriles.

Además, las capacidades estimadas de almacenamiento para:

o Aceite de soja.o Metanol.o Metiléster.o Glicerol y otros productos.

Estas capacidades de almacenamiento, deben ser computadas de acuerdo a los propósitos del futuro operador, y dependiendo de los ciclos de entrega y comercialización.

Planta de transesterificación con proceso integrado de eliminación de gomas y ácidos.Para grandes unidades y en el caso donde se procesen semillas oleaginosas que tengan un alto contenido de ácidos grasos libres, se utilizan procesos convencionales de eliminación por destilación de gomas y ácidos. Los ácidos grasos separados pueden ser vendidos en el mercado internacional. Con plantas más pequeñas se utiliza una unidad integrada donde la eliminación de gomas y ácidos tiene lugar por medio de un intercambio catalítico y un proceso de extracción por solventes.La planta de transesterificación comprende aparatos y componentes convencionales utilizados en la ingeniería química. Debido a su categorización como líquido inflamable Clase B, el metanol requerido para la reacción se almacena en un tanque subterráneo. Desde aquí es bombeado a través de una tubería al reservorio de proceso en la planta. El aceite crudo es almacenado en tanques de procesamiento.Después que se han calentado los dos componentes de la reacción, estos son suministrados a una columna de lecho fijo en la que tiene lugar la pre-esterificación a temperatura elevada. Siguiendo a la separación de la mezcla metanol/agua del aceite pre-esterificado en el separador, este es transesterificado con un catalizador homogéneo y un componente adicional de metanol en un proceso multietapa mediante un mezclador - sedimentador en cascada. Después de la transesterificación, el exceso de metanol es separado por evaporación y el calor de condensación del metanol es utilizado para calentar los conductos.La mezcla de metiléster-glicerol se separa del glicerol crudo en un separador, antes de la posterior limpieza del metiléster adicional.El metiléster limpio (Biodiesel) se recolecta como producto terminado en contenedores de fraccionamiento. Después de los análisis y aprobación, una bomba entrega el producto a un tanque de producto terminado fuera de la planta.El metanol en exceso de la etapa de pre-esterificación se deshidrata en vacío y, como el metanol separado luego de la etapa de transesterificación, puede ser reprocesado para su reutilización en la reacción. El vacío operativo requerido para las etapas de proceso se genera en una estación de vacío anexo a la planta.Se deben establecer zonas a prueba de incendios en determinadas partes de la planta de transesterificación debido a la presencia de metanol; al respecto se deben respetar las reglamentaciones pertinentes. El grado de riesgo se reduce eficientemente asegurando una relación de intercambio de aire de aproximadamente 8 en la sección de la planta correspondiente. Se proveen aparatos locales de limpieza de partículas por aspiración. El sistema de ventilación central se instala en el anexo de mantenimiento. Descripción general de las InstalacionesLa sección de transesterificación se emplaza en un sector parcialmente abierto del galpón, que es la medida más adecuada para minimizar riesgos operacionales.Las estructuras de acero se erigen en galpones como elementos básicos de una configuración de almacenamiento múltiple que permita un flujo de producción por gravedad. Esta disposición en

planta provee beneficios en lo relativo a ensamblado de máquinas, suspensión de elementos de ciertos aparatos, mejor adaptación diferentes condiciones de carga y flexibilidad en el caso de alteraciones en la instalación.Además crea las precondiciones para el mejoramiento de la ventilación general evitando la formación de bolsones de aire mediante pisos de acero abiertos, especialmente en la sección de transesterificación. Adicionalmente las plataformas de acero permiten ampliar visualmente el panorama de las instalaciones. En las plataformas existen caminos de paso.La disposición de los pisos se realiza de acuerdo a los materiales tratados en cada emplazamiento específico, teniendo en cuenta además la facilidad de limpieza. Los requerimientos son más rigurosos en la sección de transesterificación, porque aquí se realizan procesos químicos húmedos con distintas sustancias. Por esto se utilizan en esta área pisos con baldosas.Como protección contra perdidas y para evitar riesgos de contaminación del suministro de agua, en algunos casos los componentes de la planta deben ser instalados en adecuados depósitos colectores herméticos.La planta debe estar provista de un depósito de homogenización y recolección, de forma tal que puedan ser desarrollados análisis de toxicidad antes de realizar la descarga a las cloacas públicas o propias de la planta.El patio de tanques para depósito de líquidos inflamables y biodiesel se ubican fuera del edificio principal. En el área subterránea para los tanques de almacenamiento de metanol y etanol, debido al riesgo de incendio, y a nivel del terreno los tanques para el metil o etiléster.La estación de bombeo para el llenado y las bombas de alimentación de la planta se anexan al patio de tanques. 

Qué es la bioenergía ?

La bioenergía es la energía que se obtiene a partir de la biomasa. Esta presenta bajos niveles de emisiones de gas de efecto invernadero en comparación con las fuentes de energía fósil (Sheehan et al., 1998). Puede producirse a partir de los biocombustibles sólidos como la leña, el carbón o los residuos agrícolas (que pueden quemarse directamente o gasificarse para producir calor y electricidad), los cultivos energéticos (como la caña de azúcar y plantas oleaginosas de las que se pueden producir combustibles líquidos como el bioetanol y el biodiesel), y de los residuos municipales, industriales y pecuarios (de los que pueden obtenerse combustibles gaseosos como el biogás).

La biomasa es una atractiva materia prima por tres principales razones: primero, es un recurso renovable, segundo tiene propiedades positivas ambientales resultando en menor liberación de emisiones de dióxido de carbono y bajo contenido de azufre. Y tercero, aparece como un potencial económicamente significativo. 

 Clasificación de los Biocombustibles según su aspecto físico

Aspecto físico

Biocombustible

Sólidos Leñas y astillas               Paja de biomasa y cereales de cardo,miscanthus entre otros               Biocombustibles sólidos densificados (pellets y briquetas)               Carbón Vegetal

Líquidos Líquido piroleñoso               Líquido de hidrólisis               Bioetanol y bioalcoholes               Aditivos oxigenados               Aceite vegetal (Biodiesel)Metiléster

Gases Biogás (diversos orígenes)

Fuente:  Los Biocombustibles. M. Camps y F. Marcos, 2002.

 

A continuación se dará una breve explicación sobre las diferentes fuentes de bioenergía: 

Biocombustibles Líquidos (Etanol y Biodiesel)

Los biocombustibles líquidos son aceites, alcoholes y otros compuestos químicos producidos a partir de materia orgánica tal como, las plantas herbáceas, oleaginosas y leñosas, residuos de la agricultura y actividad forestal, como también de una gran cantidad de desechos biológicos industriales como los desperdicios, y los subproductos de la industria alimenticia. La principal forma de utilización de los biocombustibles líquidos, es como etanol o alcohol etílico y biodiesel. El biodiesel puede ser usado como reemplazo del diesel y el bioetanol para la gasolina.

Las ventajas de los biocombustibles son: a) Fácilmente disponibles a partir de las fuentes de biomasa, b) son ambientalmente amigables y c) son biodegradables y contribuyen a la sustentabilidad (Puppan, 2002).

Principales fuentes de Biocombustibles para Automóviles

 

Fuente: Demirbas, A. (2008). Biodiesel: A realistic fuel alternative for

diesel engines.

El Bioetanol es un alcohol que se obtiene a partir de tres tipos de materia prima: los productos ricos en sacarosa, como la caña de azúcar, la melaza y el sorgo dulce; las fuentes ricas en almidón, como cereales (maíz, trigo, cebada, etc.) y tubérculos (yuca, camote, papa); y mediante la hidrólisis de los materiales ricos en celulosa, como la madera y los residuos agrícolas. El bioetanol se usa como solvente, en la elaboración de bebidas y ahora comúnmente como combustible o aditivo de gasolina. Las materias primas son en general el azúcar de caña o de remolacha.

Propiedades Técnicas del Bioetanol

Características

Alto contenido de OxigenoBiodegradable

No produce compuestos de azufreBiocombustible renovable (lleva una disminución

de las emisiones de gases efecto invernadero)Incremento en rendimiento y potencia

Tres opciones básicas para la producción de Etanol

Fuente: Adaptado Horta, L. (2006 ).  Viabilidad del etanol derivado de

biomasa como combustible para el transporte. Tarea 5, Banco

Interamericano de Desarrollo (borrador)

El biodiesel, es un sustituto del combustible diesel producido a partir de fuentes renovables como aceites vegetales, grasa animal y aceites de freir usados. Una fuente de aceite vegetal para el biodiesel es el producido por más de 350 especies de plantas oleaginosas, entre las que se encuentran la palma de aceite, la jatropha, colza, soya, ricino, maíz, girasol entre otros.

Diagrama de Flujo para la producción de Biodiesel

 

Fuente: Probst, O. (2005). Memorias II Reunión Nacional Rembio,

Chiapas.

Propiedades Técnicas del Biodiesel

CaracterísticasInsoluble en agua

Amarillo brillante u obscuroBiodegradable

Bajas emisiones de efecto invernadero

No contiene azufreMejora la combustión

Es renovablePuede emplearse puro o combinado

Fuente: Demirbas, A. (2008). Biodiesel: A realistic fuel alternative for

diesel engines 

Cultivos para la producción de aceite vegetal

VariedadVegetal

NombreCientífico

kg aceite(ha*año)

Maíz Zea mays 145Algodón Gossypíum hirsutum 273Cáñamo Cannabis sativa 305

Soya Glycine max 375Linaza Linum usitatissimum 402

Cártamo Carthamus tinctorius 655Planta Búfalo Cucurbita

foetidissima665

Arroz Oriza sativa L. 696Girasol Helianthus annuus 800Cacao Theobroma cacao 863

Cacahuate Arachis hypogaea 890Canola Brassica napus 1000Olivo Olea europaea 1019Ricino Ricinus communis 1188Nogal Carya illinoensis 1505Jojoba Simmondsia

chinensis1528

Palma babassu

Orbygnia martiana 1541

Jatropha Jatropha curcas 1590Aguacate Persea americana 2217

Coco Cocos nucifera 2260Palma

macaubaAcromia aculeata 3775

Palma de aceite

Elaeis guineensis 5000

Fuente: Probst, O. (2006). Memorias III Reunión Rembio, Veracruz

 

Biocombustibles Gaseosos

Los biocombustibles gaseosos se clasifican de acuerdo a los procesos de conversión, ya sea por medios biológicos (biogás) o térmicos (gasificación).

El biogás se genera por las reacciones de biodegradación de residuos vegetales y animales (p.e estiércol animal o humano, aguas negras y residuos agrícolas), mediante la acción de microorganismos en ausencia de aire (anaeróbico). Generalmente, el biogás es producido en biodigestores. Este es un sistema que aprovecha la digestión anaerobia de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para transformar este en biogás y fertilizante.

El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, iluminación y calefacción doméstica, y en grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere electricidad.

Esquema general de la obtención del Biogás a partir de biomasa y posibles usos

 

Fuente: Bernal, S. I., (2008). Ingeniería conceptual de una planta de

Biogás. Facultad de Química, Tesis Licenciatura UNAM.

Tipo de recurso y tecnología para la obtención de biogás.

Materia Prima

Tecnología (a)

Escala (m3/año)

Costos de inversió

Costo unitario (US

Productos obtenidos

Costo producto (US

n (US) (b)

/MW) (c)

/MWh) (b)

 Estiércol y orina

 Biodigestores de geomembrana de PV

 24

100

 ND

 Biogás

ND

C Estiércol y orina

 Biodigestores de polietileno de invernadero

 24

33 ND

 Biogás

ND

    25  B 

Estiércol

Biodigestor semi-industrial

4,638 (18MW)

1,750

2,875

iogásVaporElectricidad

49

266

 Estiércol y resid

 Biodigestor semi-

 53,271 (36 MW)

 66,825

 1,856

 BiogásVaporElec

 16

202

uos de maíz

industrial

tricidad

 Estiércol y residuos de alimen

 Biodigestor semi-industrial

 72,158 (50 MW)

 146,925

 2,939

 BiogásVaporElectricidad

 15

266

tos

Fuente: Red Mexicana de Bioenergía, "La bioenergía como catalizador de

desarrollo sustentable", (2006).

Notas: (a) La tecnología correspondiente a los biodigestores de geomembrana de PVC o

de polietileno de invernadero son de pequeña escala, empleados únicamente para

fines rurales y con aplicaciones domésticas. Los biodigestores semi-industriales son

empleados para fines de generación de vapor y/o energía eléctrica. (b) El costo de

inversión, el costo unitario, la situación actual de la tecnología y el costo del producto

se obtuvieron de plantas que actualmente se encuentran en operación. Para los dos

primeros casos los datos son de 2003 y para los últimos tres casos, los datos

corresponden al año 2000 (c) El costo del producto expresado en dólares por MWh

corresponde al vapor y a la electricidad generada a partir del biogás. (ND) No

disponible.

 La Gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (residuo orgánico) es transformado en un gas combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente gasificante (aire, oxígeno y/o vapor de agua).

El proceso químico de la gasificación convierte cualquier material que contenga carbono en un gas de síntesis compuesto principalmente de monóxido de carbono e hidrógeno. Este gas de síntesis puede ser usado como combustible para generar vapor o electricidad, o como productor de materia prima en la industria química así como en una gran cantidad de procesos industriales. 

Proceso de Gasificación

 

Energía Rural (leña y carbón)

Los biocombustibles más utilizados en el sector rural son leña (incluyendo carbón vegetal y residuos forestales), residuos agrícolas y residuos de animales (estiércol). El uso de la leña se concentra principalmente en los hogares rurales y en pequeñas industrias y por el momento no existen aplicaciones a gran escala.

La situación en México: Uno de cada tres hogares usan leña para cocinar (28 millones de habitantes). El consumo promedio es de 2.1 kg/cap/día o 5 ton/fam/año. Los niveles de contaminación intramuros en los hogares que utilizan leña para cocinar son muy altos (700 microgramos/m3), más de tres veces al promedio reportado en grandes ciudades donde los principales afectados son mujeres y niños.

Consumo de Leña en México

Fuente: FAO (1998), Díaz-Jiménez (2000).

El mayor reto consiste en utilizar los cambios hacia una mayor eficiencia energética y el uso de fuentes renovables en beneficio de las zonas rurales. Como una solución a esta problemática, desde los años ochenta se han difundido las estufas eficientes de leña. En México, existe poca experiencia documentada de programas de estufas mejoradas de leña. 

En los últimos años se han desarrollado nuevas iniciativas en diferentes regiones de México, particularmente en Michoacán, Chiapas y Oaxaca. Se ha trabajado con una diversidad de diseños de estufas y planes de diseminación. Probablemente existan en nuestro país alrededor de 50 mil estufas mejoradas de leña.

Recientemente, algunos proyectos han buscado ser más consistentes y pretender metas con plazos más amplios, como por ejemplo, el “Proyecto Estufas Patsari” el cual inicia en 2003. Este proyecto además del desarrollo y difusión de la Estufa Patsari, evalúa por primera vez y de manera integral, el uso de las estufas, llevando a cabo de manera simultánea estudios de investigación para documentar los impactos tales como: Contaminación intramuros, Eficiencia y funcionamiento, Percepciones y calidad de

vida, Impactos a la salud, Gases de efecto invernadero y el potencial de mitigación.

Proceso de síntesis

Fig. 2: Proceso de síntesis

PRODUCCIÓN

La tecnología básica de producción consta de un reactor en el cual se lleva a cabo la transesterificación. Por un lado, en un tanque auxiliar, se prepara la solución de metóxido de sodio. Se prepara dicha solución a partir de alcohol -usualmente metílico- de alta pureza (el agua interfiere en la reacción) e hidróxido de sodio. No se utiliza alcóxido anhidro pues la reacción de dicha sustancia en agua es muy violenta y tiende a la autoignición. Ésta mezcla fuertemente cáustica es vertida en el reactor principal que contiene los lípidos fundidos. La reacción a menudo se realiza a unos 50ºC para agilizar la misma, y se mezcla vigorosamente para favorecer una reacción completa. En los procesos industriales más complejos, se procede a separar el biodiesel y la glicerina formados mediante el uso de centrífugas contínuas que permiten además remover constantemente los productos de reacción para desplazar la reacción hacia el lado de los productos (logrando un mayor rendimiento). Sin embrago, aún son comunes los procesos por lotes (batch), en los que transcurridos unos 50 minutos, se procede a una decantación de la glicerina. Luego de separar la misma, el éster es lavado para eliminar jabones y otros subproductos de reacción indeseados.

Fig. 1: Reacción de transesterificación básica:

El agua, cabe agregar, favorece en presencia del catalizador alcalino la formación de jabones. Además, la degradación misma de un aceite produce ácidos grasos libres, y esa acidez debe ser tenida en cuenta a la hora de calcular la masa de catalizador necesaria. Los jabones son perjudiciales no sólo porque contaminan el producto final, sino porque tienden a la formación de emulsiones muy estables. Por esto, debe asegurarse la menor cantidad de agua posible durante el proceso, lo cual implica un secado del aceite (si es aceite usado), y el uso de alcoholes de más del 98,5% de pureza. Esto es principalmente lo que torna incompetitivo al uso del alcohol etílico, ya que éste forma con agua una mezcla azeotrópica que impide una destilación de más del 96% de pureza y requiere para su purificación total una destilación con mezclas ternarias (lo que eleva el costo del alcohol etílico puro en relación al alcohol metílico).

Fig. 2: Proceso de síntesis

PROCESO DE ELABORACIÓN CASERA

Con el fin de estudiar la aplicación del biodiesel en motores, la factibilidad del reuso de aceites y el impacto asociado en las emisiones de combustión, se procedió a sintetizar en forma casera un lote de cuatro litros de biodiesel.

Partiendo de aceite de girasol cocinado, se procedió al filtrado del mismo para la eliminación de las impurezas. Esto se realizó con la ayuda de un colador y papel tisú, que aún con la reducida viscosidad del aceite caliente conlleva un tiempo de filtrado razonablemente largo. Se procedió luego a calentar el aceite para obtener una materia prima libre de agua.

A continuación se efectuó una titulación con alcohol isopropílico y solución de hidróxido de sodio para determinar el nivel de acidez del aceite. La soda cáustica interviene simplemente como catalizador, pero en presencia de ácidos grasos libres, tenderá a neutralizar los mismos formando jabones. En tal sentido, debe asegurarse una cantidad suficiente de hidróxido de sodio que permita no sólo neutralizar los ácidos sino también actuar como catalizador. Un nivel demasiado alto de ácidos grasos libres puede incluso ser prohibitivo para la reacción, si

éste deriva en una excesiva formación de jabones. Por otro lado, una cantidad insuficiente de catalizador no permitirá una reacción de rendimiento satisfactorio.

El proceso comienza en definitiva con la mezcla del alcóxido de sodio y el aceite, tal y como fue detallado en el subtítulo "producción". En nuestro caso, se utilizó un recipiente de acero inoxidable y un agitador eléctrico de 12V.

El acero inoxidable es un material muy noble que soporta fácilmente las condiciones altamente cáusticas de la reacción. La agitación, por su parte, es necesaria para promover el contacto íntimo de los reactivos y lograr una buena eficiencia de reacción .

Fig. 3: Reactor casero

El paso siguiente lo constituye la decantación de la mezcla, que por sí sóla se separará por completo en dos fases (glicerina y éster) al cabo de unas horas.

El rendimiento del proceso suele estar cercano al 98-99%. Del porcentaje que ha reaccionado, se forma aproximadamente un 90% de éster y un 10% de glicerina.

Una vez realizada la decantación, el éster es "sifoneado", o la glicerina es purgada. En el presente trabajo no analizaremos el tema de la glicerina. Sin embargo, cabe alcarar que a nivel industrial su refinación y venta puede significar grandes ingresos. Sin embargo, a escala casera, su purificación resulta casi imposible, con la problemática adicional que representa su alta alcalinidad (hasta pH11) y elevado contenido de metanol (un tóxico del nervio óptico que puede producir intoxicación, ceguera y muerte hasta por inhalación o contacto dérmico).

Además, recordaremos que la destilación a temperatura de la glicerina no es aconsejable dado que esto puede resultar en la descomposición térmica de la glicerina, lo que puede liberar acroleína (propenal), un gas cancerígeno. Por esto, la purificación de la glicerina se realiza en general mediante una destilación al vacío, método impráctico y no económico a pequeña escala.

Terminada la reacción, el metanol remanente queda retenido aproximadamente en un 50% en la fase de la glicerina, y otro 50% en el éster. Sin embargo, el lavado del éster con agua (proceso solo aplicable a escala piloto por las implicancias ambientales respecto al volúmen de agua necesario) remueve el contenido de metanol, dado que el agua, compuesto altamente polar, tiene gran afinidad por éste alcohol. Cualquier remanente de alcohol en el éster sería en el peor de los casos quemado en la cámara de combustión sin mayores inconvenientes, y presenta en última instancia un mero problema de costos (ya que su recupero presenta un ahorro valioso).

Fig. 4:Lavado del lote de 4 litros

El lavado con agua, (a escala casera) se realizó con la ayuda de una piedra aireadora. Éste método desarrollado por la Universidad de Idaho (EE.UU.), se basa en el hecho que las pequeñas burbujas desprendidas de la piedra aireadora están rodeadas por una fina película de agua (que por su densidad y polaridad se separa del éster y yace bajo el mismo). La película de agua disuelve y lava las impurezas en su viaje a la superficie. Al emerger y explotar, las pequeñas gotas de agua provenientes de la película de la burbuja comienzan a descender hacia la fase acuosa, continuando el proceso de lavado.

El agua se vuelve turbia y lechosa por la disolución de los jabones (producto de las reacciones secundarias indeseadas, mas siempre presentes).

Finalmente, tras un filtrado con un filtro de papel de poro grande (filtro de café) se eliminaron los vestigios de agua emulsionada (el papel es un excelente absorbente de agua), y se obtuvo un producto totalmente transparente.

De ésta forma, se obtuvieron unos cuatro litros de ésteres metílicos grasos de aproximadamente la siguiente composición:1

69.3% C18:2 C18H32O

18.7% C18:1 C18H34O

6% C16:0 C16H32O

4.5% C18:0 C18H36O

1,4% C20:0/C22:0 C20H40O/C22H44O

0.3% C18:3 C18H30O

Fig. 5: Agua de lavado (3 etapas), glicerina y éster obtenido

El peso molecular aparente de una molécula equivalente de aceite de girasol (a efecto de los cálculos estequiométricos), teniendo en cuenta que por cada grupo glicerilo existen tres cadenas carbonadas cuya composición es la recién expuesta, sería entonces de 284.164 gramos por mol.