Guia Teorica Biodiesel

Gua terica

LABORATORIO DE PRODUCCION DE BIODIESEL

Fecha

15/01/14

Gua terica

Energas Renovables II: Laboratorio de biodiesel

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Contenido

1. Motivacin ..................................................................................................................... 3

2. Introduccin ................................................................................................................... 3

3. Qu es el biodiesel? ...................................................................................................... 3

4. Ventajas y desventajas del uso de biodiesel ................................................................... 5

4.1 Ventajas .................................................................................................................. 5

4.2 Desventajas ............................................................................................................ 5

5. Clasificacin del biodiesel ............................................................................................... 6

5.1 Primera generacin ................................................................................................ 6

5.2 Segunda generacin ............................................................................................... 7

5.3 Tercera generacin ................................................................................................. 7

6. Proceso del biodiesel a partir de aceites ........................................................................ 7

6.1 Filtracin ................................................................................................................. 7

6.2 Secado .................................................................................................................... 7

6.3 Transesterificacin ................................................................................................. 7

6.4 Separacin .............................................................................................................. 8

7. Situacin mundial frente al biodiesel ............................................................................. 9

8. Situacin chilena frente al biodiesel ............................................................................. 12

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1. Motivacin Hoy en da el uso indiscriminado de combustibles fsiles ha aumentado los niveles de

contaminacin atmosfrica en todo el mundo. Adems, la eliminacin de residuos en los procesos industriales y domsticos trae consigo contaminacin del medio ambiente. A todo lo anterior hay que sumar el agotamiento de las materias primas fsiles y la dependencia energtica de muchos pases, como es el caso de Chile.

Por los motivos antes mencionados es necesario recurrir a energas renovables no

convencionales que permitan ampliar la variedad energtica del pas y disminuir la

emisin de contaminantes a la atmsfera.

Figura 1: Biodiesel amigable con el medio ambiente

2. Introduccin

El biodiesel es un biocombustible liquido que puede reemplazar de forma total o

parcial al diesel convencional. Este puede clasificarse en dos generaciones: El biodiesel

de primera generacin, el cual es sintetizado a partir de aceites por medio de una

reaccin qumica llamada transesterificacion. Por otro lado se encuentra el biodiesel de

tercera generacin que se obtiene a partir del gas de sntesis por medio de una

reaccin de Fischer-Tropsch. En este laboratorio se estudiara la produccin a pequea

escala de biodiesel de primera generacin a partir del uso de aceite vegetal usado.

3. Qu es el biodiesel?

El biodiesel es un biocombustible que se obtiene principalmente a partir del proceso

de transesterificacin de aceites vegetales, animales o bien aceites reciclados. Pero

tambin puede ser formado por microalgas mediante el proceso de gas de sntesis

mediante la reaccin de Fischer-Tropsch.

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Materias primas del biodiesel:

Aceites vegetales: colza, soja, girasol, man, palma, lino y otros (ricino, crtamo,

jatropha)

Aceites comestibles usados o grasas animales.

Aceites a partir microalgas.

Figura 2: Principales materias primas del Biodiesel

La ventaja principal del biodiesel sobre los combustibles fsiles (Diesel) es que

reduce las emisiones de CO2 en grandes cantidades. As por ejemplo, el uso de una

tonelada de este biocombustible evita la produccin de 2,5 toneladas de dixido de

carbono y elimina totalmente las emisiones de azufre (SO2), evitando lluvias cidas.

Adems, es un combustible renovable, por lo tanto, se vuelve una alternativa importante

en la sustentabilidad del planeta.

Figura 3: Ciclo de carbono del biodiesel

Fsicamente, el biodiesel se ve como un lquido que tiene un color que puede variar desde el amarillo claro hasta el oscuro y es prcticamente inmiscible en agua, adems de tener una viscosidad similar a la del diesel que se obtiene del petrleo.

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El biodiesel tpico posee un punto de inflamacin 1 de 150C y una densidad de 0,88 g/cm3, adems de un poder calorfico de 37,5 MJ/kg.

4. Ventajas y desventajas del uso de biodiesel

4.1 Ventajas

1) Biocombustible renovable y amigable con el medio ambiente.

2) No es toxico, produce menos emisiones contaminantes (no produce dixido de

azufre )

3) Punto de inflamacin ms alto y cercano a 150C.

4) Miscible con gasoil (mezclas en distintas proporciones)

5) Posee cualidades lubricantes.

6) No requiere modificar los motores diesel convencionales.

7) Se puede producir biodiesel de forma casera sin necesidad de ocupar elementos

de difcil acceso.

8) El proceso de obtencin de biodiesel a partir de aceite usado es fcil, lo que promueve la produccin tanto a escala domstica como industrial. Adems los reactivos utilizados en el proceso son de bajo costo, lo cual hace que el proceso de produccin de Biodiesel sea econmicamente viable para el pequeo y mediano inversionista. Para el desarrollo industrial de biodiesel se necesitarn altas cantidades de aceite usado lo cual puede ser difcil de conseguir segn la zona donde se encuentre la planta de biodiesel. Adems se asocia a costos de transporte y almacenamiento del aceite usado y del biodiesel producido.

4.2 Desventajas

1) Menor poder calorfico por lo que baja el rendimiento y la potencia del motor.

2) Leve aumento de las emisiones de xidos de nitrgeno ( )

3) Se congela 2 a 3 grados Celcius sobre el diesel (problema en climas fros)

4) Posee baja estabilidad hidroltica y oxidativa2 (almacenamiento no debe exceder

los 6 meses)

5) Su poder solvente puede ocasionar problemas con elementos de caucho y cuando

es cargado en depsitos sucios.

6) La realizacin de biodiesel de forma casera depende de cada persona la obtencin

de un biodiesel ms limpio y de mejor calidad. Existe la posibilidad que los

implementos y materiales utilizados de forma casera no sean los adecuados.

1 Punto de inflamacin o punto de ignicin: Es el conjunto de condiciones fsicas (presin,

temperatura) necesarias para que la sustancia empiece a arder y se mantenga la llama sin necesidad de aadir calor exterior.

2 La estabilidad hidroltica se refiere a la habilidad de los aditivos y de ciertos aceites sintticos para

resistir la descomposicin qumica (hidrlisis) en presencia de agua. En cambio la estabilidad oxidativa se refiere a la capacidad de los compuestos a reaccionar a la oxidacin de los materiales.

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7) En el proceso de obtencin de biodiesel a partir de aceite usado se debe tener mucho cuidado en el proceso de calentamiento del aceite usado ya que las temperaturas empleadas son muy altas y se debe tener especial cuidado con la placa ya que se pueden sufrir graves lesiones de quemadura. Otro de los procesos en los cuales se tiene que tener especial cuidado es en la agitacin de los cristales de soda custica con metanol, ya que la mezcla es altamente corrosiva, para esto se deben seguir rigurosamente las medidas de proteccin del laboratorio, que en este caso es el uso de guantes y lentes de seguridad.

5. Clasificacin del biodiesel

5.1 Primera generacin

Son los que se sintetizan a partir de aceites vegetales con y sin usos como girasol,

colza, canola, soya o jatrofa3. Esta se produce mediante una reaccin qumica llamada

transesterificacin. El biodiesel que se producir ser de primera generacin ya que se

produce en base a aceite vegetal usado.

Figura 4: Produccin de biodiesel a partir de aceite usado de cocina

3 Jatropha curcas, conocida como pin de tempate o jatrofa, es una Euphorbiacea que tiene

propiedades medicinales. Se conoce con ms de 200 nombres en todo el mundo , crece de manera silvestre y tambin sembrada como cerca viva. En la actualidad se cultiva para la extraccin de su aceite y produccin de biocombustible usado en motores diesel.

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5.2 Segunda generacin

Estos son los que se obtienen a partir del gas de sntesis por medio de una reaccin

de Fischer-Tropsch. La materia prima principal del biodiesel de segunda generacin son

las microalgas.

5.3 Tercera generacin

Este biodiesel es el producido de forma directa desde clulas modificadas (alteracin

gentica de clulas). Actualmente se utilizan dos organismos modelo, Escherichia Coli y

Saccharomyces cerevisiae.

6. Proceso del biodiesel a partir de aceites

6.1 Filtracin

El proceso de filtracin es la primera etapa a realizar en la produccin de biodiesel a

partir de aceites. Si se trata de un aceite nuevo y bien purificado, probablemente este

paso no sera necesario. Por el contrario, al realizarse este proceso con aceites usados,

esta etapa es obligatoria para eliminar las pequeas y grandes impurezas que contenga el

aceite. Generalmente se usan filtros comunes como lo es la gasa, pero es recomendable

filtrar el aceite a una temperatura de alrededor de 35C y utilizar filtros prensa de mayor

eficiencia en la purificacin del liquido. De ser necesario, el aceite puede ser filtrado ms

de una vez.

6.2 Secado

En esta etapa se procede a quitar el agua presente en el aceite, mediante un proceso

de calentado, se tiene que el aceite utilizado para cocinar es ms propenso a contener

agua, y esto claramente es una limitante a considerar ya que el agua ayuda a la formacin

de glicerina y la humedad disminuye el poder calorfico de los biocombustibles, lo cual es

perjudicial para el producto final y adems hace ms lenta la reaccin. Por esto se debe

asegurar que la cantidad de agua durante el proceso no sea alta, lo que se desea

conseguir mediante la etapa de secado del aceite. Adems se pueden utilizar alcoholes

con ms del 98,5% de pureza para mejorar el proceso de secado.

6.3 Transesterificacin

El principal proceso de produccin de biodiesel a partir de triglicridos (aceites sin

uso y usados) es la reaccin de transesterificacin que es el proceso de intercambiar el

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grupo alcoxi (OR) de un ster (aceite) por otro alcohol (OH), generalmente catalizadas

mediante la adicin de un acido, una base o enzimas. De forma general, se hace

reaccionar un triglicrido con metxido (metanol + hidrxido de sodio) para obtener un

ster metlico (biodiesel) y glicerina. La Figura 5 nos muestra el proceso de

transesterificacin:

Figura 5: Reaccin de transesterificacin y sus respectivos reactivos y productos.

En la figura anterior se muestra la razn de transformacin del aceite con el metanol

de 5:1 y la del aceite con sus productos (biodiesel) que es de 10:9.5. Estos valores son

los que generalmente se dan experimentalmente, por lo que en la prctica las

proporciones pueden ser distintas.

6.4 Separacin

Finalmente se realiza el proceso de separacin de las fases, el cual se lleva a cabo

luego de realizar el proceso de transesterificacin donde se hace reaccionar el triglicrido

con el metxido. El proceso qumico que se lleva a cabo en esta etapa es el de

"decantacin" por lo que se separan las fases de biodiesel y glicerina, siendo la ms

pesada la que queda depositada en la parte inferior del recipiente a ocupar, que en este

caso es la glicerina la cual se produce en menor cantidad (depende de la cantidad de

agua que tenga la mezcla).

El reposo es un factor importante en el proceso de decantacin ya que mientras ms

tiempo de descanso de la mezcla biodiesel-glicerina se tenga, mejor ser la separacin de

las fases y por lo tanto el biodiesel. Otro punto a considerar es la energa que se utiliza en

este proceso ya que en el momento de elegir el mtodo de separacin se debe tener en

cuenta el balance energtico entre eficiencia y costo.

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Ya descritas las etapas que involucran el proceso de produccin de biodiesel, se

puede observar con claridad en la Figura 6 el esquema general de este proceso:

Figura 6: El ciclo del biodiesel

7. Situacin mundial frente al biodiesel

Claramente la sociedad mundial al ver las complicaciones que se presentan a futuro

para la obtencin de combustibles fsiles (algunas fuentes indican que el petrleo

desaparecer en 80 aos) y a la creciente preocupacin de la humanidad por el medio

ambiente, ha decidido investigar y colaborar fuertemente en una poltica que conlleva el

uso de las energas renovables no convencionales y los biocombustibles, como lo es el

biodiesel. Si bien an falta por estudiar y mejorar ciertos aspectos de la produccin a gran

escala de este combustible amigable con el medio ambiente, las autoridades hacen lo

posible por enfocar sus investigaciones en optimizar y aumentar la eficiencia del biodiesel.

El desarrollo de las ERNC se ha visto potenciado por la unin europea, donde

Alemania es uno de los pases con mayores ndices de produccin de energas limpias y

biocombustibles, es por esto que es el principal productor de biodiesel en el mundo, ya

que concentra el 63% de la produccin. Le sigue Francia con el 17%, Estados Unidos con

el 10%, Italia con el 7% y Austria con el 3%.

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Figura 7: Mapa mundial de consumo/produccin de biodiesel. (Verde: Si hay polticas de produccin, Rojo:

En vas de produccin, Amarillo: No hay produccin o no hay datos disponibles)

En el caso de Sudamrica la mayor concentracin de produccin de biodiesel se

presentan en Brasil y Argentina.

En el caso brasileo se ha aplicado un programa que ha aumentado el porcentaje de

biodiesel a mezclar con el diesel convencional, que va desde un 2% obligatorio el ao

2005 a 5% obligatorio el ao 2010. Se aplica el uso de aceites vegetales variados y

mltiples grasas de animales como materia prima en el proceso de produccin industrial

de biodiesel. Adems se ha instaurado un decreto que seala que los productores de

biodiesel pueden pagar menos impuestos en caso de que el uso de materias primas

proceden de los proyectos de agricultura familiar.

Por otro lado est el caso argentino donde se desarrolla un gran proyecto de

produccin de biodiesel mediante la creacin de una planta llamada Patagonia Bioenerga

S.A (PBSA) en San Lorenzo con capacidad para 250.000 [ton/ao]. Esta fue formada por

dos empresas argentinas que se asociaron a capitales internacionales como Cazenave &

Asociados S.A de servicios agropecuarios y Energa & Soluciones S.A de gas natural.

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A continuacin se muestra el rea de este proyecto y una imagen de la planta antes

mencionada:

Figura 9: Planta industrial PBSA en Argentina

Figura 8: Localizacin y trabajos realizados en Argentina para el biodiesel

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8. Situacin chilena frente al biodiesel

Chile se encuentra en vas de desarrollo hacia el progreso de biocombustibles como

lo es el biodiesel. Esto debido a que gran parte del petrleo y combustibles fsiles son

trados desde afuera por lo que los costos son muy grandes y las emisiones de dixido de

carbono son cada da ms elevadas. Pero el problema para producir biodiesel a escala es

el inconveniente que se produce entre la materia prima que es para consumo humano y la

que sera destinada para produccin de biocombustibles. Esto pasa porque Chile no tiene

un gran potencial en las materias primas que producen el biodiesel, por lo que se

deberan buscar nuevas alternativas para la produccin de este conveniente

biocombustible, como lo son las plantaciones de plantas de uso exclusivo para energas

(cultivos dentroenergticos), como lo es la jatrofa.

En cuanto al aspecto legal, en Mayo 2009 se public la norma que especifica las

condiciones tcnicas para la produccin de biodiesel en Chile. La mezcla permitida es

entre 2% y 5% de biodiesel por litro de diesel.

Los factores que explican la baja produccin de biodiesel y alternativas a producir

ms en el pas son:

- Chile no posee tierras para desarrollar cultivos como la soja a gran escala.

- La superficie de cultivo de maravilla es bsica y solo alcanza para satisfacer la

demanda alimenticia. Por otro lado el cultivo del raps puede ser una alternativa.

- Las materias primas obtienen un mejor precio como alimento para las

salmoniculturas de exportacin.

- Si bien hay aceites usados estos no son muy significativos o tienen otro mercado.

- Las grasas animales son un mercado que se ha ido restringiendo y podran estar

disponibles para usos energticos.

Algunos proyectos que se estn desarrollando en Chile son los siguientes:

1) Primer bus de transantiago que funciona con biodiesel: Este proyecto es

desarrollado por la concesionaria de transantiago Alsacia, la distribuidora de combustibles

Petrobras y la empresa fabricante de vehculos Scania, se trata de un bus del recorrido

103 que circula con biodiesel B5, con norma Euro IV y sistema ecolution. Este automvil

fue uno de los primeros experimentos para buscar vehculos eficientes e inteligentes que

ayuden a descontaminar la cuenca de la capital

2) Primer vuelo comercial usando biodiesel: Lan y Copec realizaron el primer

vuelo comercial utilizando solo biodiesel de Sudamrica entre las ciudades de Santiago y

Concepcin. El combustible utilizado fue en base a residuos de aceite vegetal el cual fue

procesado y refinado por la empresa Copec.

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3) Proyectos en bioenerga en Copec S.A: Se trata de un proyecto FONDEF donde

participan la Universidad de la Frontera de Temuco y Concepcin, Molinera Gorbea,

SOSO y Copec. En este se realizaran los siguientes estudios:

- Estudio de catalizadores4 enzimticos en proceso de transesterificacin del aceite

de colza.

- Estudio de biodiesel como aditivo mejorador de combustin y emisiones en mezclas

con petrleo.

- Planta piloto de fabricacin de biodiesel.

- Instalacin surtidora de diesel con biodiesel a flota de Molinera Gorbea.

4) Recoleccin de aceite usado para biodiesel: En Chile se comercializan ms de

130.000 de aceites al ao. Estos aceites poseen una difcil biodegradacin por lo que

desechar estos lquidos directamente a las aguas servidas son de complicado manejo y

contaminan las aguas de forma exponencial, es por esto que existe fiscalizacin con

respecto al uso de aceites y su forma de desecharlos, es aqu donde la empresa

Rendering recolecta 120 toneladas de aceites vegetales al ao en los restaurantes que

cumplen con las normas de sanidad. Este aceite usado es vendido a productores de

biodiesel u ocupado en produccin de biodiesel a baja escala.

5) Planta de produccin de biodiesel del DIGA: Este proyecto se lleva a cabo en la

comuna de La Pintana donde el DIGA (Direccin de Gestin Ambiental) gestiona la

recoleccin y procesamiento del aceite usado (domiciliario y pequeos comerciantes).

Uno de los casos que se dan en esta comuna es la alta demanda y produccin de

sopaipillas y frituras en los tpicos carros en la calle, se realizo un trato con los

comerciantes de forma tal de darle los permisos necesarios para funcionar legalmente

vendiendo sus productos en la calle a cambio de guardar el aceite usado y donarlo al

DIGA para que este lo procese y lo convierta en biodiesel.

El costo de produccin de la planta es de $100-180 pesos por litro lo que lo hace un

proyecto muy viable econmicamente. Esto se verifica al ver la siguiente tabla donde se

muestran las ventajas de esta planta con respecto a otras de nivel mundial:

4 Los catalizadores ayudan a acelerar y mejorar las reacciones qumicas.

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Tabla 1: Tabla comparativa de la planta de biodiesel del DIGA

En la tabla 1 se puede ver claramente el bajo costo de inversin de la planta del DIGA

y la recuperacin de esta que son comparables con las plantas de biodiesel a nivel

mundial. Este proyecto se encuentra en proceso de masificacin y es uno de los ms

grandes del pas.

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