Trabajo Fin de Master Biodiesel

7/24/2019 Trabajo Fin de Master Biodiesel

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Estudio comparativo de dos tipos de reactores para obtencin de Biodiesel a partir

de aceite usado

Mster en

IngenieraAmbiental

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Mster en Ingeniera Ambiental

Estudio comparativo

de dos tipos de

reactores para

obtencin de

Biodiesel a partir deaceite usadoTrabajo Fin de Mster

Javier Als lvarezTutor: Jos Morillo Aguado

Escuela Tcnica Superior de ingenieros de Sevilla


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de aceite usado

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Estudio comparativo de dos tipos de reactores para la obtencin de Biodiesel a partir

de aceite usado

Trabajo presentado para el Ttulo de Mster en Ingeniera Ambiental

Fdo. Javier Als Alvarez

El tutor:

Jos Morillo Aguado

Profesor del Departamento de Ingeniera Qumica de la Universidad de Sevilla

Sevilla 2014


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ContenidoCaptulo 1- Resumen ...................................................................................................... 5

Captulo 2- Antecedentes bibliogrficos ........................................................................ 8

2.1 Ventajas e inconvenientes medioambientales y operativas ................................ 17

2.2 Demanda biodisel ............................................................................................... 18

2.3 Descripcin qumica del proceso .......................................................................... 20

2.4 Proceso de produccin de biodiesel ..................................................................... 24

2.4.1 Pretratamiento ............................................................................................... 26

2.4.2 Proceso de transesterificacin ....................................................................... 27

2.4.3 Tratamiento de la glicerina ............................................................................ 28

2.4.4 Tratamiento biodiesel bruto .......................................................................... 28

2.4.5 Etapa de lavado .............................................................................................. 29

2.5 Planta de produccin ............................................................................................ 30

2.6 Principales factores que afectan a la produccin de biodiesel ............................ 34

2.7 Normativa biodiesel .............................................................................................. 36

Captulo 3- Objetivos del trabajo .................................................................................. 45

Captulo 4- Materiales y Mtodos ................................................................................. 47

4.1 Plan de trabajo ...................................................................................................... 48

4.2 Materias primas .................................................................................................... 50

4.2.1 Aceites de fritura ............................................................................................ 50

4.2.2 Metanol .......................................................................................................... 53

4.2.3 cido sulfrico ................................................................................................ 54

4.2.4 Hidrxido sdico ............................................................................................. 55

4.3 Reactor flujo oscilatorio y reactor tanque agitado ............................................... 55

4.4 Procedimiento experimental ................................................................................ 58


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4.4.1 Filtracin ......................................................................................................... 58

4.4.2 Esterificacin .................................................................................................. 59

4.4.3 Transesterificacin ......................................................................................... 59

4.4.4 Decantacin .................................................................................................... 60

4.4.5 Destilacin ...................................................................................................... 60

4.4.6 Lavado ............................................................................................................ 61

4.4.7 Centrifugado ................................................................................................... 62

4.5 Mtodos analticos utilizados ............................................................................... 63

Captulo 5- Resultados y discusin ................................................................................ 68

5.1 Estudio comparativo ............................................................................................. 69

5.2 Anlisis del biodiesel procedentes de aceites de fritura ...................................... 74

5.2.1 Reactor mezcla completa ............................................................................... 74

5.2.2 Anlisis elemental biodiesel reactor mezcla completa .................................. 76

5.2.3 Reactor flujo oscilatorio ................................................................................. 76

5.2.4 Anlisis elemental biodiesel flujo oscilatorio ................................................. 79

5.3 Estudio de las condiciones optimas de operacin del reactor flujo oscilatorio ... 80

Captulo 6- Conclusiones ............................................................................................... 83

Captulo 7- Bibliografa .................................................................................................. 86


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Captulo 1

- RESUMEN


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El presente proyecto se enmarca dentro de las lneas de investigacin desarrollada por

el Grupo de investigacin AGR 155-obtencin de Biocombustibles perteneciente al

departamento de Ingeniera Qumica de la Universidad de Sevilla y dentro del rea deIngeniera Qumica.

El hecho de que en los ltimos aos la demanda energtica haya experimentado un

incremento considerable, unido a la incertidumbre generada en torno a las reservas

petrolferas que hacen pensar que la poca del petrleo barato este llegando a su fin, y

a una mayor sensibilizacin social, ha provocado la bsqueda y desarrollo de nuevas

fuentes que sustituyan o reduzcan la dependencia energtica de los combustibles

fsiles. En este sentido el uso de biocombustibles constituye una alternativa real a los

derivados petrolferos en el sector de la automocin, lo que ha provocado un renovado

inters por dicho biocombustible que se ve amparado por la Directiva 2009/28/EC que

fija como objetivo para el ao 2020 un 20% la energa consumida en el transporte

proceder de recursos renovables.

El proyecto est planteado como un proyecto de demostracin tecnolgica dentro del

mbito de los procesos de produccin de biocombustibles. El proyecto est centrado

en la utilizacin de soluciones tcnicas innovadoras para resolver las limitaciones ms

importantes asociadas con la produccin del biodiesel. Naturalmente estas mejoras

tcnicas tienen implicaciones ambientales positivas importantes ya que se espera

lograr un mayor rendimiento en la produccin sostenible del biocombustible, una

mayor calidad del mismo, una menor generacin de glicerol y, en definitiva, una

reduccin en la dependencia energtica de los combustibles fsiles para el transporte.

El proyecto pretende tambin demostrar la viabilidad de un modelo de produccin de

biodiesel que, adems de estar basada en el uso una tecnologa innovadora de

produccin, plantear una va alternativa para la gestin controlada y

medioambientalmente sostenible de los aceites de fritura que son recogidos

peridicamente en establecimientos hosteleros. Este tipo de residuos alimentarios son

muy abundantes en pases del sur de Europa, como Espaa, y en especial en regiones

como Andaluca en donde se producen grandes cantidades de ellos, tanto a nivelindustrial (sector de la hostelera) como a nivel domstico.


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El inters que despierta el presente proyecto radica en que es un proyecto muy

innovador tecnolgicamente y con gran vocacin integradora en el que los diversos

agentes implicados (productores de aceite de frituras, productor del biodiesel yconsumidores finales) constituyen un ciclo completo dentro de la ciudad de Sevilla lo

que hace del proyecto una propuesta singular y con gran futuro.

El trabajo de investigacin consisti en una serie de trabajos experimentales, primero

comparando dos tipos de reactores, un reactor tipo tanque agitado (habitualmente

utilizado en las plantas de biodiesel) y el reactor tipo flujo oscilatorio patentado por la

empresa Bioprocessors, cuyo objetivo es ver el tipo de reactor que mejor se adapta al

proceso de produccin de Biodiesel, y en segundo, una vez elegido el reactor ptimo

se ha hecho un estudio sobre las condiciones ptimas de operacin (variables

estudiadas relacin molar, tiempo de operacin y velocidad del agitacin). En ambos

casos se ha partido de la misma materia prima, aceite de fritura usado procedente del

mismo servicio de catering.

En la primera parte del proyecto, se lleg a la conclusin de que el mejor reactor fue el

de flujo oscilatorio patentado por Bioprocessors obtenindose mejores rendimientos,

entre el 10 y 15% mejores, a dems el tiempo se reduca a la mitad, 30 min por

reaccin, en vez de 60 min. Las conversiones alcanzadas por este reactor llegaron casi

al 80% lo que implica una mayor produccin de biodiesel en menos tiempo y otro

factor importante es la menor produccin de glicerina reduciendo as el problema de

exceso de glicerina de difcil salida comercial.

En la segunda parte se estudi cules eran las condiciones ptimas de reaccin. Paraello se realizaron pruebas modificando la relacin molar alcohol: triglicridos (6:1, 8:1

y 10:1), el nmero de pistonazos por segundo, (1,5 y 3 segundos por pistonazo) y el

tiempo de reaccin (20 y 30 min). De los resultados se extrajo que las condiciones

ptimas del proceso eran relacin molar 6:1, 1,5 pistonazos por segundo y 30 minutos.


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Captulo 2

-ANTECEDENTES BIBLIOGRFICOS


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El biodiesel es un biocombustible sinttico lquido que se obtiene a partir de lpidos

naturales como aceites vegetales o grasas animales y puede sustituir total o

parcialmente el diesel obtenido del petrleo. Como sustituto total se denomina B100,mientras que otras denominaciones como B5 o B30 hacen referencia a la proporcin

en tantos por cien, %, de biodiesel utilizado en la mezcla. Por ejemplo B5 es diesel con

un 5% de Biodiesel

El diesel mineral est constituido aproximadamente de un 75% de hidrocarburos

saturados y 25% de hidrocarburos aromticos. Procede del refinado de petrleo crudo

y es mucho menos voltil que la gasolina. Se puede representar por la frmula

genrica (CxHy) que tienen, en cualquier caso, entre 8 y 21 tomos de carbono.

Mientras que molculas de los steres de alquilo (biodiesel) no son qumicamente

idnticos a las molculas de hidrocarburos que constituyen el diesel, pero son lo

suficientemente similares para que puedan ser fcilmente utilizados en muchos tipos

de motores diesel, como un reemplazo hacia el diesel convencional. El biodiesel, cuyas

propiedades son conocidas desde mediados del siglo XIX, se destina como combustible

en motores diesel convencionales o adaptados, segn el fabricante y por ello a finales

del siglo XX se est impulsando su produccin como combustible

para automviles, alternativo a los derivados del petrleo.

El impacto medioambiental y las consecuencias sociales de su previsible produccin y

comercializacin masiva, especialmente en los pases en vas de desarrollo o del Tercer

Mundo es objeto de debate entre los especialistas y los diferentes agentes sociales y

gubernamentales internacionales.

El combustible diesel deriva su nombre del tipo de motor de combustin interna para

el que se utiliza como combustible: el motor Diesel. Este motor fue inventado por el

ingeniero alemn Rudolf Diesel (1858-1913), que ya se pens en utilizar el motor para

quemar aceites vegetales. Se cuenta que en la Exposicin de Pars de 1900 se

construy un pequeo motor Diesel funcionamiento del aceite de cacahuete.


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El motor Diesel, se puede hacer para funcionar con aceite vegetal puro. Sin embargo,

para los motores diesel actuales el aceite vegetal no presentan las caractersticas

deseables: la viscosidad cinemtica de los aceites vegetales es de aproximadamente unorden de magnitud mayor que la del combustible diesel convencional, derivado del

petrleo. De alta viscosidad causa una mala atomizacin del combustible en las

cmaras de combustin del motor y en ltima instancia puede provocar problemas

operativos, tales como, depsitos en el motor.

Como opcin, se investig en la de conversin del aceite vegetal extrado de plantas

(principalmente compuesta de triglicridos) en un fluido menos viscoso y ms ligero,

metiles esteres (biodiesel), que parece ser mucho ms similar al diesel y todava

manteniendo un alto potencial de energa en su estructura molecular.

Hay varios (y muy diferentes) procesos para convertir el aceite vegetal en biodiesel.

Estos incluyen microemulsificacin, craqueo trmico y otros. Sin embargo, el ms

ampliamente utilizado se basa en la reaccin qumica llamada transesterificacin. Este

es un proceso por el cual los lpidos (aceites vegetales o grasas animales) reaccionan

qumicamente con un alcohol, normalmente metanol, en presencia de un catalizador

cido o bsico (el catalizador bsico es el ms utilizado por lo general una base tal

como sodio o hidrxido de potasio) para dar un alquilo steres. La base de este

proceso se explicar ms adelante con mayor detalle.

Mientras que la transesterificacin ha crecido significativamente su inters comercial

en los ltimos aos, la base qumica de este proceso es bien conocido desde hace

varias dcadas. Por ejemplo, una patente belga concedida a G. Chavanne (de laUniversidad de Bruselas) en 1937 constituye el primer informe sobre lo que hoy se

conoce como biodiesel. En l se describe el uso de steres etlicos de aceite de palma

(aunque se mencionan otros steres metlicos procedentes de otros aceites) como

combustible para motores diesel. Estos steres se obtienen por transesterificacin

catalizada por cido a partir del aceite vegetal. Parece ser que el primer autobs que

circul con biodiesel es el que hizo la lnea comercial de pasajeros entre Bruselas y

Lovaina en 1938.


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Mientras que la base cientfica de la produccin de biodiesel se ha conocido desde

hace bastante tiempo (que se remonta a las obras de E. Duffy y J. Patrick en 1853), el

actual reto tecnolgico de hoy es llevar a cabo las reacciones qumicascorrespondientes de manera efectiva y ms eficiente, con costos ambientales y

econmicos lo ms bajos posible.

Adems, la tecnologa en la prctica, tiene que ser capaz de tratar con materia prima

de la vida real, que traen las impurezas y componentes qumicos diferentes de los

triglicridos (tales como los cidos grasos libres).

Figura 1. Ciclo biodiesel

El biodiesel se produce a partir de biomasa renovable mediante la transesterificacin

de los triglicridos, produciendo steres mono alqulicos de cadena larga de cidos

grasos con alcoholes de cadena corta. Contribuye a disminuir la tasa neta de dixido

de carbono o azufre a la atmsfera al emitir menos contaminantes gaseosos que el

diesel de origen mineral. En la figura 1 se representa el ciclo del Biodiesel donde se

refleja su contribucin a la reduccin del CO2atmosfrico y la huella del carbono.

En la produccin de biodiesel en todo el mundo, se han utilizados varios lpidos

renovables, incluyendo los aceites vegetales, las grasas y aceites animales y los aceites


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de frituras. Todas las plantas de biodiesel que utilices estas materias primas, requieren

de energa y de terrenos que aseguren la suficiente produccin de cultivos de semillas

oleaginosas, del mismo modo que, para obtener los aceites y grasas de animalesnecesitan alimentar a estos animales. Pese a los impactos favorables que podra

suponer su comercializacin, sta se ve restringida por el aspecto econmico, por el

costo de las materias primas necesarias para la produccin de biodiesel. En el caso de

utilizar como materia prima es el aceite de fritura, se reducen significativamente la

energa y el coste requeridos para su produccin. Adems, el reciclaje del aceite de

fritura elimina la necesidad de gestionarlo como residuo, lo que conllevara un gasto

energtico aadido, disminuyendo considerablemente las emisiones de gases de

efecto invernadero y el balance global de emisiones de CO2 a la atmsfera.

La UE a travs de la Directiva Marco Europea de Residuos (Directiva 2008/98/CE) y en

sus antecesoras jurdicas, oblig a los estados miembros a desarrollar planes sobre

residuos que sirviesen como instrumentos jurdicos y de planificacin. En la Ley

10/1998, de Residuos, se establece la obligacin de elaborar y aprobar Planes

Nacionales de Residuos, confeccionados por integracin de los respectivos PlanesAutonmicos. Asimismo, la citada Directiva abri la posibilidad a las Entidades locales

de elaborar sus propios Planes de Gestin de Residuos Urbanos, de acuerdo con los

planes nacionales o autonmicos correspondientes y la legislacin vigente en materia

de competencias municipales. En estos planes, la primera etapa y prioritaria, es la

prevencin, es decir, la reduccin de la cantidad del residuo generado y de su

toxicidad. Dentro de esta lnea se encuentra la consideracin de los aceites de fritura

como un subproducto ms que como un residuo, para lo que resulta imprescindible

disponer de una infraestructura o cadena de valor, generada a partir de dicho recurso,

que est adecuadamente desarrollada y operativa. En caso contrario, ya sea por

tecnologa, logstica, mercado de los productos resultantes, etc., si el sistema no es

capaz de tratar adecuadamente ese subproducto pasar a convertirse en un residuo,

que habr que tratar con los mecanismos habituales de gestin de residuos. En el

sector HORECA (Hoteles, Restaurantes y Catering) de Espaa se producen

aproximadamente 400.000 t/ao de aceites de fritura. Segn datos de la Agencia


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Andaluza de la Energa (Los Biocarburantes en Andaluca, 2011), el potencial de

produccin de aceites de fritura en Andaluca es de unas 58.000 t/ao y en la provincia

de Sevilla unas 13.000 t/ ao. La cantidad de aceites de fritura procedentes casiexclusivamente del sector HORECA recogidos por gestores autorizados en Andaluca

est en torno a 20.000 t/ao, lo que da una idea del potencial desarrollo que puede

existir en este mbito en el futuro y el problema medioambiental que supone el

tratamiento como residuo de las 38.000 t/ao no recogidas.

Por otro lado, la contaminacin atmosfrica de las ciudades, derivada

fundamentalmente del trfico de vehculos consumidores de combustibles derivados

del petrleo, tiene consecuencias muy negativas en trminos de salud pblica,

medioambiental, econmica y social. Adems, el uso creciente del diesel fsil en el

transporte genera en pases no productores de petrleo, como Espaa, una elevada

dependencia energtica exterior y la emisin a la atmsfera de grandes cantidades de

gases contaminantes y de efecto invernadero. Al igual que con la gestin de residuos,

la UE ha fijado un marco regulador de la calidad del aire en los estados miembros a

travs de Directivas de obligado cumplimiento. La Directiva 2008/50/CE para la calidaddel aire ambiente y una atmsfera ms limpia en Europa actualiz el anterior marco

regulatorio e introdujo nuevos requisitos de evaluacin y gestin de la calidad del aire,

as como regulaciones para nuevos contaminantes como las partculas de tamao

inferior a 2,5 micrmetros. Para el ao 2020, los objetivos de la UE respecto al nivel de

emisiones de 1990 son: un aumento del 20% en la eficiencia energtica, la reduccin

del 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2) y que el 20% de la

produccin proceda de fuentes renovables de energa.

Atendiendo al Informe 2010 de Medio Ambiente en Andaluca, publicado por la

Consejera de Medio Ambiente del gobierno andaluz, al igual que en aos anteriores,

las partculas menores de diez micras (PM10) y el ozono troposfrico son los

contaminantes que ofrecen peores resultados. A pesar de la mejora de los resultados

respecto a aos anteriores, en cuanto al ozono, se han registrado superaciones del

umbral de informacin a la poblacin en la zona industrial de Huelva y en Sevilla y reametropolitana. Desde 1990 se observa una tendencia positiva en la reduccin de las


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emisiones de gases precursores del ozono troposfrico, especialmente en la emisin

de xidos de nitrgeno (NOx) y monxido de carbono (CO), mantenindose constantes

los compuestos orgnicos voltiles no metlicos (COVNM) y observndose unaevolucin negativa en la emisin de metano (CH4). Los resultados obtenidos confirman

que an queda mucho trabajo por hacer para cumplir las prescripciones europeas en

materia de control de la contaminacin atmosfrica por ozono, tales como las

recogidas en la Estrategia temtica sobre Contaminacin Atmosfrica del Sexto

Programa de Accin en materia de Medio Ambiente, o la Directiva 2001/81/CE, del

Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de octubre de 2001, sobre techos nacionales

de emisin de determinados contaminantes atmosfricos.

En cuanto al problema de la dependencia energtica de los combustibles fsiles y en

relacin con el fomento del uso de energas procedentes de fuentes renovables, la UE

dispone de una legislacin clara. As la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y

del Consejo establece para el sector transporte que la cuota de energa procedente de

fuentes renovables para el ao 2020 ser como mnimo equivalente al 10 % de su

consumo final de energa en el transporte, objetivo que previsiblemente se cumplircasi en un alto grado por el uso de Biocarburantes. Para ello los Biocarburantes

empleados debern cumplir criterios de sostenibilidad que garantizarn sus beneficios

medioambientales. La Directiva 2009/30/CE en relacin con las especificaciones de la

gasolina, el diesel y el gasleo, aumenta el contenido de etanol en las gasolinas hasta

el 10% en volumen y el contenido de biodiesel en gasleos de automocin hasta el 7%

en volumen. En el mbito del fomento de los biocombustibles existe legislacin

complementaria de carcter nacional y autonmico. Segn el Decreto 169/2011, de 31

de mayo, por el que se aprueba el Reglamento de Fomento de las Energas

Renovables, el Ahorro y la Eficiencia Energtica en Andaluca, se imponen obligaciones

de uso de Biocarburantes en el transporte para autobuses de transporte pblico

regular de viajeros y vehculos de titularidad de la Junta de Andaluca y sus entidades

instrumentales. El objetivo para 2020 es que el 20% del combustible total utilizado por

los autobuses de transporte pblico regular sea Biocarburantes, ascendiendo al 30%

para los autobuses que presten sus servicios en zonas de proteccin de los espacios


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naturales protegidos y vehculos de titularidad de la Junta de Andaluca y sus entidades

instrumentales.

El sector del transporte representa el 20% del consumo energtico mundial y es el de

mayor dependencia de los combustibles fsiles derivados del petrleo (International

Energy Outlook 2007. United States Department of Energy - Washington, DC). Adems,

el transporte por carretera es el mayor contribuyente de los xidos de nitrgeno

(NOx), los hidrocarburos inquemados (HC) y el monxido de carbono (CO) y tiene una

gran relevancia en la emisin de dixido de carbono (CO2). A nivel global

(transfronterizo y planetario) estos compuestos estn relacionados con el

calentamiento global de la tierra (Hansen et al., 2000) y a nivel local, compuestos como

los NOx, CO y HC (precursores del ozono troposfrico) junto con el dixido de azufre

(SO2) pueden causar graves afecciones pulmonares, problemas cardiovasculares y

alergias. En la actualidad, la alternativa que cuenta con mayor viabilidad para sustituir

los combustibles derivados del petrleo en el transporte son los biocombustibles.

Segn datos del estudio Anlisis de Ciclo de Vida de Combustibles alternativos para el

Transporte (CIEMAT, 2006) el biodiesel puro (B100) permite reducir entre un 57% (si elbiodiesel se produce a partir de aceites vegetales) y un 88% (si es biodiesel fabricado a

partir del aceite de fritura) las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2eq) por

cada kilmetro recorrido en comparacin con el gasleo fsil. Una mezcla de gasleo

con un 10 % de biodiesel (B10) permite ya una reduccin de emisiones de entre el 6% y

el 9%, respectivamente. Una mezcla de gasolina con un 85% de bioetanol (E85)

permite reducir en un 70% las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2eq),

medida utilizada para describir cuanto contribuye al calentamiento global y la cantidad

de gases de efecto invernadero que se produce por cada kilmetro recorrido en

comparacin con la gasolina. Una mezcla de gasolina con slo un 5% de bioetanol

permite ya una reduccin de emisiones del 3%.

Es necesario conocer el sector de los biocombustibles desde una perspectiva

internacional porque tiene la peculiaridad respecto a otras fuentes renovables de

energa de ser la que en mayor nmero de ocasiones no coincide el lugar de


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produccin con el de uso final, lo que tiene importantes consecuencias a nivel

econmico y de eficiencia energtica global del ciclo de vida de los biocombustibles.

A nivel mundial el biocombustible ms consumido es el bioetanol, principalmente

utilizado en Brasil y Estados Unidos, mientras que en la Unin Europea la produccin

de biodiesel asciende al 71% respecto al 29% de bioetanol. En Espaa el 95% de la

produccin es biodiesel y tan slo el 5% bioetanol, siendo Andaluca la comunidad

autnoma con mayor produccin y cuenta con 12 plantas de produccin de

biocombustibles (Agencia Andaluza de la Energa, 2011 los Biocarburantes en

Andaluca). Esto evidencia uno de los problemas a los que se enfrentan en la

actualidad los biocombustibles, que es su dependencia del mercado (tanto de materias

primas como de los consumidores) y su elevado coste de produccin que no lo hace

competitivo con el gasleo convencional, a pesar de estar exentos de algunos

impuestos sobre hidrocarburos.

A largo plazo, la expectativa es que los biocombustibles adquieran una cuota de

mercado cada vez mayor, debido a la volatilidad del precio del petrleo y las

preocupaciones de seguridad energtica. Esta tendencia se ver favorecida por las

mejoras en la produccin de los biocombustibles y, en particular, la tecnologa de

fabricacin de biodiesel.

Para completar el panorama prometedor, es importante mencionar que se estn

utilizando otras materias prima, es posible producir biodiesel a partir de aceite

extrado de las algas y las algas pueden eventualmente crecer en climas semi-desierto

que son zonas de escaso valor ecolgico. Algunos autores hablan incluso de la creacinde organismos modificados genitalmente, que sera capaz de generar un alto

contenido de lpidos (proyecto de Craig Venter, en colaboracin con Exxon). En

general, la tecnologa de biodiesel sigue siendo un campo prometedor, que puede

ayudar a reducir la dependencia de un petrleo cada vez ms caro, estimular el

empleo local y reducir el impacto medioambiental global.


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2.1VENTAJAS E INCONVENIENTES MEDIOAMBIENTALES Y OPERATIVAS

Ventajas:

Recurso autctono, ayuda a disminuir la dependencia energtica del petrleo.

Materia prima renovable y biodegradable.

Posibilidad de uso en motores diesel sin que se produzcan cambios

sustanciales.

Posibilidad de uso puro o bien en mezclas biodiesel-gasleo.

Balance neto de CO2 superior al del gasleo. Reduccin de emisiones de CO,

hidrocarburos voltiles, azufre, partculas por lo que contribuye a la reduccin

del efecto invernadero.

Sus propiedades fsico-qumicas le confieren un poder lubricante mayor que el

del gasleo, incrementando as la vida del motor y reduciendo los costes de

mantenimiento.

Carburante no inflamable ni txico lo que permite una seguridad de

almacenamiento superior a la de gasleos.

Dispone de un nmero de cetano superior al diesel. Se ha demostrado que elmayor nmero de cetano del biodiesel (generalmente entre 46 y 60,

dependiendo de la materia prima utilizada) puede reducir el retraso a la

ignicin. Este factor junto con la menor volatilidad del biodiesel, contribuyen a

mejorar las caractersticas de la combustin (comienzo ms gradual de la

combustin), con relacin al diesel del petrleo.

Sin embargo, la ventaja ms importante es que el biodiesel se produce, y puede

ser producido a partir de una gran serie de aceites vegetales, por lo tanto,

conduce a una reduccin de la huella de carbono mucho ms favorable que

cualquier otro combustible fsil lquido.


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Inconvenientes:

Recurso muy disperso lo que aumenta los costes de recoleccin y transporte.

Incapacidad de cubrir la demanda de combustible actual e incertidumbre de ladisponibilidad a corto y medio plazo.

Produccin estacional de la materia prima, lo que afecta a los costes de

almacenamiento.

Un cultivo no sostenible puede provocar problemas de deforestacin.

Algunas materias primas son a su vez productos alimentarios lo que puede

provocar un elevado aumento de su precio.

Bajo grado de madurez en algunas tecnologas.

Problemas de viscosidad, formacin de gomas y residuos carbonosos durante

su combustin.

Mal comportamiento en frio que hace necesario el uso de aditivos.

El poder calorfico del biodiesel depende de la composicin de cidos grasos en

el aceite vegetal de partida. Por ejemplo, el biodiesel procedente de aceite de

cacahuete tendra un valor de calorfico de 40 MJ / kg, mientras que el biodiesel

de colza tendra un valor mayor de unos 45 MJ / kg. En general, el poder

calorfico del biodiesel es un poco menor que el del diesel, que es de 48 MJ/kg.

2.2DEMANDA BIODISEL

Las ventajas medioambientales son una de las principales razones por las que muchos

pases del mundo (especialmente en Europa y los EE.UU.) han promulgado leyes para

exigir o apoyar el creciente uso de biodiesel en la mezcla de diesel para el transporte.

En los ltimos aos el sector de los biocarburantes ha experimentado un cambio

significativo debido en gran medida a la incertidumbre generada en torno a la industria

petrolera. Esto, unido a una mayor concienciacin social en relacin al medioambiente

y las emisiones de gases de efecto invernadero, ha provocado un renovado inters por

la bsqueda de alternativas sostenibles a los combustibles fsiles.


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Si hay un sector que se ha visto especialmente envuelto en estos cambios, este es el

sector de la automocin amparado desde el ao 2003 bajo un marco legal. En este ao

la Unin Europea adopt la Directiva 2003/30/EC sobre el uso de biocarburantes, cuyoobjetivo era crear un mercado europeo de biocarburantes, legislacin por la cual los

estados miembros deban asegurar la implantacin de una proporcin de

biocarburantes en sus mercados. Como objetivo global se estableci un 5,75%,

calculado sobre la base del contenido energtico de todas las gasolinas y gasleos para

el transporte, para el ao 2010. Al encontrarse cerca el fin de los plazos previstos en el

programa inicial, la Unin Europea decidi definir un nuevo panorama energtico, que

se encuentra resumida dentro de las Directivas 2009/28/EC y 2009/30/EC. Estas

directivas fijan los objetivos propuestos para el ao 2020, en un 20% el total de energa

consumida proveniente de recursos renovables y en particular un 10% para la energa

consumida en el transporte, adems de fijar unos estndares de calidad para los

combustibles.

En cuanto a la situacin particular de Espaa los objetivos propuestos a nivel

comunitario se recogen dentro del Plan de Energas Renovables 2005-2010, en el quese estima una produccin de 2.200.000 t de biocarburantes para el ao 2010, lo que

supondra un 5,83% del consumo de gasolina y gasleos previstos para ese ao

(Fuente IDAE). Sin embargo los ltimos datos de los que se disponen, correspondientes

al ao 2008, no son muy halageos ya que finalizado dicho periodo el porcentaje

alcanzado respecto del objetivo marcado para el ao 2010 es de slo un 19,3%.

La situacin del biodisel en Espaa no presenta un panorama mucho ms alentador,

como podemos observar en la figura 2 en la que se refleja la enorme diferencia

existente entre la produccin de biodisel durante el periodo comprendido entre 2005

y 2007 y la capacidad instalada durante el mismo periodo de tiempo, alcanzando un

pauprrimo 18% sobre el total de capacidad el ltimo ao. Este dato refleja un claro

sntoma de las graves y crecientes dificultades que experimenta la industria espaola

del biodisel, para utilizar su capacidad industrial y rentabilizar de esta manera las

inversiones realizadas, sin lo cual es difcil asegurar su sostenibilidad econmica.


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La satisfaccin del objetivo anterior y otros objetivos similares (Brasil tiene un objetivo

actual de 5% de biodiesel) a crear un mercado para los dos tipos muy distintos de los

biocombustibles: el etanol y el biodiesel. El etanol es el biocombustible producidopredominante hoy. Se represent en el 2010 para un 82% de la produccin mundial de

biocombustibles. Sin embargo, la produccin de biodiesel ya es bastante significativo y

creciente: la produccin mundial de biodiesel ascendi a casi 19.000 millones de litros

en 2010, un aumento del 12% respecto a 2009 (CEPAL, Comisin Econmica Para

Amrica Latina y el Caribe).

Figura 2. Evolucin productiva del biodisel frente a la capacidad de las plantas espaolas (Fuente APPA)

2.3 DESCRIPCIN QUMICA DEL PROCESO

El aceite vegetal est constituido principalmente por triglicridos. Estos se definen

normalmente como un ster formado a partir de glicerol y tres cidos grasos. La

transesterificacin es el proceso mediante el cual se rompen los triglicridos en glicerol

y una mezcla de steres de alquilo. La reaccin necesita un alcohol y un catalizador.

Hay varias razones, una de ellas es la econmica, que explica por qu se utiliza metanol

y no otro alcohol de cadena ms larga. El catalizador que se usa normalmente es una

base, hidrxido de sodio, aunque el proceso tambin puede llevarse a cabo utilizando un


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catalizador cido (normalmente a expensas de un tiempo de reaccin ms largo). La

reaccin de transesterificacin se representa en la figura 3.

Figura 3. Reaccin de transesterificacin

R1, R2 y R3 se refieren a cadenas de cidos grasos idnticos o diferentes, por ejemplo,

la cadena correspondiente al cido palmtico que est presente en los triglicridos de

aceite de palma es R = - (CH2) 14-CH3. Otras cadenas pueden ser de esterico, oleico,

linoleico, etc.

La reaccin representada en la figura 3, es una reaccin reversible, donde los reactivos

y de productos resultantes llegaran a unas condiciones de equilibrio. Sin embargo, en

la aplicacin prctica el inters es desplazar la reaccin hacia la derecha. Para ello, el

alcohol se echa en exceso logrndose desplazar el equilibrio, hacia la derecha hasta

llegar casi al 100%.

Existe una complicacin, y es que, los aceites vegetales y aceites de usados de fritura

(AUF) no slo contienen triglicridos, sino tambin cidos grasos libres (FFA) y agua(contenido de cidos grasos libres en la AUF puede ser de hasta el 7%). Los cidos

grasos libres estn constituidos por cadenas de carbono largas unidos a un grupo

carboxlico, que estn desconectados de la estructura del glicerol. Su estructura

qumica se representa en la Figura 4.


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Figura 4. Grupo carboxilo

Si un aceite o grasa que contiene cidos grasos libres se utiliza para producir biodiesel,

el catalizador alcalino usado tpicamente para acelerar la reaccin, reaccionar con

este cido para formar agua y jabn (reaccin de saponificacin). Debido a esta

reaccin, en la que el catalizador se une al cido (figura 5), se pierde parte de este en

la reaccin. El exceso de jabn en los productos puede inhibir el proceso posterior de

produccin de biodiesel, incluyendo la separacin de glicerol y lavado con agua.

Figura 5. Reaccin de esterificacin

Esta reaccin no es deseable, debido a que el jabn reduce el rendimiento del proceso

e inhibe la separacin de los steres de la glicerina. Adems, se une con el catalizador

lo que significa que es necesario ms catalizador del que se necesita y por lo tanto el

proceso implicar un mayor costo. Los jabones de cidos grasos saturados tienden a

solidificarse a temperatura ambiente para una mezcla de agua y jabn con excesiva

cantidad de agua pudiendo gelificar y formar una masa semi-slida que es muy difcil

de recuperar.

Por otra parte, el agua originada durante la reaccin de saponificacin, retarda la

reaccin de transesterificacin, por medio de la hidrlisis de los triglicridos. La

hidrolisis del triglicridos, diglicridos y monoglicridos formaran ms FFA. La reaccin

de hidrlisis tpica se muestra en la Figura 6.


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Figura 6. Hidrlisis triglicridos

Una manera de resolver este problema es llevar a cabo un proceso de esterificacin

antes de la transesterificacin reaccin. Una reaccin de esterificacin puede eliminar

una gran parte de los cidos grasos libres presentes en el materia prima

convirtindolas en steres metlicos utilizables. Una reaccin de esterificacin es

similar la reaccin de transesterificacin en la que se hace el cido graso libre para

reaccionar con alcohol para producir el ster metlico. La Figura 7 representa este tipo

de reaccin.

Figura 7. Reaccin de esterificacin


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Al igual que en el caso de la transesterificacin, la esterificacin tambin se lleva a

cabo en presencia de un catalizador. En este caso, se utiliza un catalizador cido, como

cido sulfrico. Adems, la reaccin puede ser desplazada hacia la derecha mediante laadicin de un exceso de alcohol y la eliminacin del agua producida (ya sea por un

agente deshidratante o por destilacin), que de otro modo desencadena la produccin

de nuevos FFA y los correspondientes jabones a lo largo del proceso si no se elimina.

2.4PROCESO DE PRODUCCIN DE BIODIESEL

El biodiesel se puede producir a partir de una gran variedad de grasas y aceites pero

slo algunos de ellas tienen sentido desde un punto de vista econmico y ambiental.

Estas grasas y aceites por ejemplo son el aceite usado, materia prima utilizada en este

proyecto. Para que sean atractivas hoy da han de ser aceites o grasas que no se

puedan destinar a la alimentacin, o como en el caso del aceite usado sea un desecho

y mediante este proceso se revalorice convirtindolo en un producto o materia prima.

Muchas de la materias primas prcticamente disponible para la produccin de

biodiesel contienen cantidades significativas de cidos grasos libres y otros elementosque necesitan ser tratadas con antes de iniciar el proceso de transesterificacin.

A continuacin se muestra en la figura 8 el proceso industrial de produccin de

biodiesel que se ir detallando punto por punto.


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Figura 8. Proceso de transesterificacin industrial


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2.4.1PRETRATAMIENTO

Como resultado, un primer paso en la produccin de biodiesel es el pre-tratamiento de

la materia prima. Este pre-tratamiento puede llegar a ser un refinamiento total, similar

a los procesos de refinado de aceite. En la prctica no es necesario llegar tan lejos para

producir un biodiesel aceptable ya que es un proceso costoso. El proceso de pre-

tratamiento es necesario tanto para el aceite vegetal crudo y de los aceites usados de

frituras y el que se realiza es la esterificacin.

Considerando que los aceites vegetales crudos tienen un bajo porcentaje de cidos

grasos libres, fosfolpidos y la materia slida, aceite usado de fritura, normalmente

tiene un alto contenido de agua y cido graso libre. El pre-tratamiento de estas

materias primas consta de las siguientes etapas:

1. Los fosfolpidos pueden ser eliminados mediante un proceso de desgomado. En

el aceite de soja crudo, el contenido de fosfolpidos puede estar comprendido

entre el 1,5 y el 2%. La razn principal para eliminar estos componentes es que

algunos de ellos son emulsionantes fuertes. Su presencia en las fases

posteriores del proceso complicara las diferentes etapas del proceso de pre-

tratamiento y posterior esterificacin.

2. Filtracin de los slidos.

3. Eliminacin de los cidos FFA por debajo de niveles aceptables. Hay varios

mtodos disponibles que se seleccionan en funcin de la concentracin de FFA.

Para bajas concentraciones de FFA, una opcin mediante una reaccin de

saponificacin, es decir, hacindolos reaccionar con una solucin alcalina paraformar jabn y separarlo por centrifugacin. Sin embargo, para una

alimentacin con alto nivel de FFA esta opcin dara lugar a un proceso muy

ineficiente, ya que se formara una gran cantidad de jabn, conllevando a

grandes prdidas de catalizador bajando la eficiencia de los procesos. La mejor

opcin es tratar de recuperar los FFA mediante la formacin de esteres. ste

proceso de esterificacin se puede realizar por: mtodos enzimticos,

glicerolisis y catlisis cida. El mtodo ms utilizado en la prctica es catlisis


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cida. Catlisis cida necesita eliminar el agua producida en la reaccin y

neutralizar el exceso de cido.

2.4.2PROCESO DE TRANSESTERIFICACIN

Si el pre-tratamiento se realiza correctamente, uno debe tener una mezcla de

triglicridos y steres con un mnimo contenido de cidos grasos libres y el agua. En

estas condiciones se puede realizar la reaccin de transesterificacin. Hay varias

formas en las que esta reaccin puede llevarse a cabo, utilizando tanto los procesos

discontinuos o por lote y los de flujo continuo. Tanto en uno como en otro, los

productos obtenidos hay que tratarlos para recuperar el metanol, el glicerol y obtener

un biodiesel lo ms puro posible. La Figura 8 representa un diagrama esquemtico del

proceso de transesterificacin industrial tradicional.

El alcohol ms comnmente utilizado en la produccin de biodiesel es metanol,

aunque se pueden utilizar otros alcoholes como etanol o isopropanol (el alcohol de

cadena ms larga producen steres de alquilo con mejores propiedades anti-

congelantes, pero metanol es el alcohol ms barato y tambin conduce a tiempos de

reaccin ms cortos). Un factor clave para la calidad del alcohol primario es el

contenido de agua. El agua interfiere con reacciones de transesterificacin y puede

ocasionar una disminucin del rendimiento del proceso, altos cantidades de jabn,

cidos grasos libres y triglicridos en el combustible final. Desafortunadamente, todos

los alcoholes de cadena corta son higroscpicos y son capaces de absorber agua del

aire.

Como se ha mencionado anteriormente, el alcohol se utiliza en exceso con objeto de

desplazar el equilibrio de la reaccin hacia la derecha (figura 3). El alcohol no utilizado

debe ser recuperado y reciclado de nuevo en el proceso para minimizar los costos de

operacin y los impactos ambientales. El metanol es considerablemente ms fcil de

recuperar que el etanol.

Reacciones de transesterificacin se realizan en un reactor con temperaturas en elrango de 40 a 65 C.


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Una vez que las reacciones de transesterificacin se consideran lo suficientemente

completa, el siguiente paso es separar el biodiesel del glicerol. Esto se puede hacer

fcilmente debido a que no son solubles y tienen muy diferentes densidades. Laseparacin se puede hacer a travs de dispositivos centrfugos o por medio de

decantacin por gravedad. Cuando se separan, ambas corrientes tienen que ser

tratados por separado. La corriente de biodiesel para producir un producto que

cumple con las normas aplicables, es decir, tiene un bajo contenido de agua y glicerol.

La corriente de glicerol para recuperar la mayor parte del metanol como sea posible y

producir glicerol.

2.4.3TRATAMIENTO DE LA GLICERINA

La corriente de glicerol que sale del separador contiene alrededor de 50% de glicerol.

Est constituida por el exceso de metanol y la mayor parte del catalizador y jabn. De

esta forma, el glicerol tiene poco valor y eliminacin puede ser difcil ya que debido a

su contenido en metanol tiene que ser tratado como residuo peligroso.

El primer paso que hay que hacer para purificar la glicerina es, por lo general, para

aadir cido para romper los jabones en cidos grasos libres y sales. Los cidos grasos

libres no son solubles en el glicerol y al ser menos densos se separaran quedndose en

la fase superior donde pueden ser retirados y recirculados al proceso de esterificacin.

Las sales permanecen con el glicerol aunque dependiendo de los compuestos qumicos

presentes, algunos pueden precipitar.

2.4.4TRATAMIENTO BIODIESEL BRUTO

Despus de la separacin de la fase inferior de glicerol, biodiesel bruto est mezclado

con el catalizador residual, el agua, el alcohol que no ha reaccionado, glicerol libre, y

jabones que se generaron durante la reaccin de transesterificacin.

Normalmente, biodiesel bruto pasa por una etapa de neutralizacin. El cido se aade

al biodiesel para neutralizar cualquier resto de catalizador y para romper cualquierjabn que se pueda haber formado durante la reaccin. Los jabones al reaccionar con


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el cido forman sales solubles en agua y cidos grasos libres. Se eliminarn las sales

durante la etapa de lavado con agua, y los cidos grasos libres se quedarn en el

biodiesel.

A continuacin, el biodiesel se separa del alcohol mediante una etapa de destilacin,

antes de la etapa de lavado.

La etapa de lavado con agua se destina a eliminar cualquier catalizador, jabn, sales,

metanol, o glicerol libre del biodiesel que le quede. Cualquiera que sea la porcin de

glicerol que permanece en el biodiesel se puede quitar durante el proceso de lavado

con agua. La cantidad de glicerol en el biodiesel despus del lavado es muy baja,

especialmente si se emplea agua caliente durante el lavado.

Si se neutraliza antes del lavado reduce la cantidad de agua necesaria y las emulsiones

que se forman cuando se aade el agua para lavar el biodiesel. Tras el proceso de

lavado, el agua restante se elimina del biodiesel por un proceso de evaporacin a

vaco.

El metanol que se separa del biodiesel y del glicerol se recircula al depsito de

metanol al principio del proceso. Antes de su recirculacin se debe destilar el metanol

para eliminarle el agua.

El nivel de alcohol residual en el producto final debe ser muy bajo (la norma EN 14212

establece que sea


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En los sistemas que incorporan la etapa de esterificacin de cidos grasos libres

consiguen reducciones de stos por debajo de 1%, y consiguindose conversiones por

encima del 99% de los TG presentes en la materia prima. Siendo inevitable laformacin de jabones entre un 0,7% hasta 1,5%, debido a la reaccin del catalizador

bsico con los cidos grasos libres durante la transesterificacin. Por lo tanto, la mayor

parte de las tecnologas en el mercado hacen publicidad "conversin 99% w/w", pero

en realidad ofrecen un rendimiento entre el 97% -98% w / w, ambos a partir de aceites

vrgenes y aceite de frituras usados.

El estado de la tcnica es un rendimiento garantizado 99,6% para los aceites con un

ndice de saponificacin de 185, es el nmero de miligramos dehidrxido de

potasio requeridos parasaponificar 1 g degrasa bajo condiciones especficas. Es una

medida para calcular elpeso molecular promedio de todos loscidos grasos presentes.

y alrededor de 100,25% para los de ndice de saponificacin de 205; logrado mediante

la esterificacin de los cidos grasos libres a 80%

de pureza.

2.5PLANTA DE PRODUCCIN

Las plantas ms pequeas, a menudo, utilizan reactores en discontinuo o por lotes,

pero las plantas ms grandes (> 4 millones de litros / ao) utilizan procesos de flujo

continuo que implican reactores de tanque agitado continuo (CSTR) o reactores de

flujo pistn (el proceso propuesto en este proyecto implica un proceso de flujo

continuo usando un sistema flujo de tapn tal como se describir ms adelante). La

reaccin se realiza, a veces, en dos pasos. En estos sistemas, se aade

aproximadamente el 80% de alcohol y el catalizador en la primera etapa CSTR. Antesde entrar en un segundo CSTR, la corriente reaccionante pasa a travs de una etapa
http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_potasiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_potasiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Saponificaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Grasahttp://es.wikipedia.org/wiki/Peso_molecularhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_grasohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_grasohttp://es.wikipedia.org/wiki/Peso_molecularhttp://es.wikipedia.org/wiki/Grasahttp://es.wikipedia.org/wiki/Saponificaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_potasiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_potasio


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para la eliminacin de glicerol. Extraccin del glicerol hace que la reaccin de

transesterificacin pueda desplazarse ms derecha. El 20% del alcohol restante y el

catalizador se aaden en este segundo reactor. Este procedimiento proporciona mejorrendimiento y una menor cantidad de alcohol que los sistemas de un solo paso.

Una variacin del proceso por lotes es el uso de reactores de tanque agitado continuo

(CSTR) en serie. Los CSTR se pueden variar en volumen para permitir un tiempo de

residencia ms largo en el primer CSTR para conseguir un mayor grado de reaccin.

Despus de decantar el glicerol de la primera etapa, la reaccin en el segundo CSTR es

ms rpida, con lo que se pueden obtener rendimientos superiores al 98%.

Un elemento esencial en el diseo de un CSTR es los reactivos estn lo suficientemente

mezclados para asegurar que la composicin por todo el reactor sea constante. Esto

tiene un efecto contraproducente porque aumenta la dispersin del producto y del

glicerol. Como resultado se requiere de mayor tiempo para la separacin de fases.

Otro tipo de reactor continuo, es el reactor tubular. Este tipo de reactor, denominado

un reactor de flujo de pistn (PFR), se comporta como si se tratara de una serie de

pequeas de infinitos CSTR conectados en serie. En resultado es un sistema continuo

con menores tiempos de residencia para la misma conversin. A menudo, este tipo de

reactor puede operar a una temperatura y presin elevada para aumentar la

velocidad de reaccin.

Una variante de los reactores de flujo pistn es de reactores de flujo oscilatorio (RFO).

Son reactores tubulares que contienen placas perforadas a intervalos regulares. El

caudal se bombea de manera pulsante, lo cual mejora la transferencia de calor y masa,

sin requerir que el caudal neto sea excesivamente alto. Las conversiones son del orden

de un 90% en los tiempos de reaccin de 30 minutos.A diferencia de los reactores de

flujo de tapn convencionales, donde se debe mantener un nmero mnimo de

Reynolds, en este reactor se produce una mezcla completa entre placa y placa que es

independiente de la flujo neto.


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Adems, otra variante es el llamado reactor de flujo turbulento oscilatorio (OBR) y el

reactor continuo de flujo turbulento oscilatorio (COBR). Para estos tipos existe un

nmero de Reynolds modificado. La tecnologa COBR consiste generalmente en unacolumna cilndrica o tuvo que contiene deflectores con orificios espaciados a unas

distancias iguales que origina una superposicin de oscilacin de fluido. En que se

crean remolinos cuando el flujo de fluido pasa a travs de los deflectores como se

muestra en la Figura 9, lo que permite significativos movimientos radiales, de la misma

magnitud, en las zonas de la pared y en el centro. La generacin de los remolinos crea

una mezcla uniforme en cada celda, entre deflector y deflector a lo largo de la columna

o tubo. El flujo que circula por el interior de la columna est compuesto por un flujo

neto, caracterizado por una velocidad constante a lo largo del tiempo, sobre el que se

superpone un flujo oscilatorio, cuya velocidad sigue una ley sinusoidal con el tiempo.

En la prctica, la magnitud de la componente oscilatoria es muy superior a la magnitud

de la componente neta.

Figura 9. Reactor de flujo oscilatorio y sistema de mezclado

Tener en cuenta que los estudios de literatura (Mazubert A. 2013) se han limitado a

slo transesterificacin. Los resultados muestran que en un OBR se puede llegar a un

99% de conversin en slo 10 min a 60 C, que es la mitad del tiempo requerido para

llevar a cabo la reaccin en reactores convencionales. Adems, el mismo estudio

muestra que la corriente de metanol se puede reciclar en la tecnologa OBR continua,

permitiendo de este modo una mezcla de metanol muy baja proporcin de aceite a


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utilizar. Reactores de flujo oscilatorio de mesoescala, que son particularmente

adaptados a los estudios de viabilidad y prueba de deteccin debido a su menor

capacidad, tambin se han demostrado para proporcionar altas conversiones yrendimientos en tiempos cortos en comparacin con lo que puede lograrse en tanques

por lotes convencionales.

Adems de las ventajas de Obrs para el rendimiento de reaccin, que se resumen en la

Tabla 11, este tipo de equipos es particularmente adecuado para la produccin a

escala industrial donde puede ser necesaria una cierta capacidad de flujo. De hecho,

existe equipamiento comercial como la desarrollada por NiTech solutions, que se ha

demostrado en la produccin de biodiesel con xito. Los reactores de flujo oscilatorio

tambin han demostrado proporcionar bueno manejo de slidos, ya sea de suspensin

de slidos o cristalizacin, lo cual es interesante si la catlisis heterognea se va a

utilizar. Aunque slo en reacciones de transesterificacin se han demostrado en la

literatura, los resultados de estos estudios y las caractersticas de este equipo de

proceso continuo sugieren que tambin podran proporcionar ventajas significativas

para las reacciones de esterificacin e hidrlisis (Mazurbert A., 2013).


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Tabla 1. Ventajas y desventajas OBRs en reacciones de transesterificacin

OBR Ventajas Desventajas

Transesterificacin

Tiempo de reaccinsignificativamente reducido

comparado con mezcla

completaNo integra unidad de

separacin para el producto

final

Compatible con catalizadores

heterogneos

Reduccin de relacin molar

alcohol acido graso

Gran flexibilidad en tiempos

de residencia

2.6PRINCIPALES FACTORES QUE AFECTAN A LA PRODUCCIN DE BIODIESEL

1.- Cantidad de alcohol. Uno de los principales factores que afectan el rendimiento de

biodiesel es la relacin molar de alcohol/triglicrido. Se utiliza alcohol en exceso en la

produccin de biodiesel para asegurarse de que las transesterificacin de los aceites y

grasas se realicen completamente. El rendimiento ptimo se encuentra para relaciones

molares entre 6 y 8, apare relaciones superiores disminuye en rendimiento, al mismo

tiempo que aumenta el coste para la recuperacin del alcohol.

2.- El tiempo de reaccin. La conversin a steres de cidos grasos aumenta con el

tiempo de reaccin. Al principio, la reaccin es lenta debido a que no hay buenamezcla y poca dispersin de alcohol en el aceite. Despus de un tiempo, la reaccin se

desarrolla muy rpido. Normalmente, el rendimiento alcanza un mximo en un tiempo

de reaccin de


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3.- La temperatura de reaccin. La temperatura influye claramente la reaccin y el

rendimiento de la reaccin. A mayor temperatura de reaccin puede disminuir las

viscosidades de los aceites y resultar en una velocidad de reaccin mayor, y un tiempode reaccin ms corto. Sin embargo, cuando la temperatura de reaccin aumenta ms

all del nivel ptimo, el rendimiento del producto de biodiesel disminuye debido a una

mayor temperatura de reaccin acelera la reaccin de saponificacin de los

triglicridos. La temperatura de reaccin debe ser menor que el punto de ebullicin

del alcohol con el fin de asegurar que el alcohol no se escape por evaporizacin.

Dependiendo del aceite usado, la temperatura ptima oscila entre 50 C a 60 C.

4.- Tipo y concentracin del catalizador. La concentracin de catalizador puede

afectar el rendimiento del producto de biodiesel. Como se ha mencionado antes, el

catalizador ms comnmente utilizado para la reaccin es el hidrxido de sodio. Sin

embargo, metxido de sodio se ha encontrado para ser ms eficaz que el hidrxido de

sodio, porque tras la mezcla de hidrxido de sodio con metanol se produce una

pequea cantidad de agua, lo que afectar el rendimiento del producto debido a la

reaccin de hidrlisis. Esta es la razn por la cual el catalizador se debe aadirmezclado con metanol y luego se mezcla con el aceite. A medida que la concentracin

de catalizador aumenta la conversin de triglicridos y el rendimiento de la reaccin

aumenta. Esto es debido a una cantidad insuficiente de catalizadores dan lugar a una

conversin incompleta de los triglicridos en los steres de cidos grasos. Por lo

general, el rendimiento alcanza un ptimo valor cuando la concentracin de

catalizador (NaOH) llega a 1,5% en peso y luego disminuye un poco con un incremento

adicional en la concentracin de catalizador. La reduccin del rendimiento del

biodiesel es debido a la adicin de exceso de catalizador alcalino causando ms

triglicridos de reaccionar con el catalizador alcalino y formar ms jabn.

5.- La humedad y el contenido de cidos grasos libres. Ya se han mencionado los

efectos perjudiciales de los cidos grasos libres en el material de alimentacin. Como

una gua, FFA por encima de 3% pondra en peligro severamente la eficacia de la

reaccin de transesterificacin. Cuanto mayor es la acidez de la materia prima deaceite menor es la eficiencia de la reaccin. Algo muy similar puede decirse del


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contenido de agua en el aceite. Incluso cantidades relativamente pequeas de

humedad dara lugar a una eficiencia de reaccin no son ptimas.

6.- Mezclado. Es muy importante para dispersar el alcohol en los triglicridos con el fin

de iniciar la reaccin. Una buena dispersin de los reactivos significa mayor superficie

de contacto y ms eficaz es la reaccin.

2.7NORMATIVA BIODIESEL

El proceso de fabricacin descrito anteriormente sugieren que es imposible obtener

una mezcla pura 100% de steres de alquilo. Lo normal es que tenga algo de glicerol,

as como monoglicridos y diglicridos.

Para garantizar un funcionamiento seguro en los motores diesel, los aspectos ms

importantes del producto de biodiesel son la finalizacin de la reaccin, la eliminacin

del glicerol libre, el catalizador residual y el alcohol, y la ausencia de cidos grasos

libres.

Como se ha mencionado antes, si la reaccin de transesterificacin no es completa, los

triglicridos, diglicridos, monoglicridos, pueden estar presentes en el producto final.

Qumicamente, cada uno de estos compuestos contiene una molcula de glicerol. Un

combustible con excesiva cantidad de glicerol libre puede obstruir los filtros de

combustible y causar problemas de combustin en el motor diesel. Para evitar esto se

han unificado los criterios de calidad mediante normas estandarizadas, las normas

ms importantes son la EN 14214 y los EE.UU. ASTM 6751 (hay otros pases con

normas nacionales, por ejemplo, de Brasil biodiesel estndar ANP 255). Como

resultado, estos estndares de biodiesel especifican el contenido mximo de steres

de alquilo en el producto final.

Los usuarios deBiodiesel,tanto sea los constructores de motores como de las dems

partes intervinientes, necesitan del desarrollo de normas confiables que den seguridad

para facilitar su comercializacin. Los pases donde residen estos usuarios, exigen otros

beneficios adems de los econmicos como medio ambientales y de salud. Naciones
http://biodiesel.com.ar/category/biodieselhttp://biodiesel.com.ar/category/biodieselhttp://biodiesel.com.ar/category/biodiesel


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desarrolladas como Austria (ORORM C 1190), Alemania (DIN V51606) y EE.UU. (ASTM

D6751) han establecido normas similares para el Biodiesel con especificaciones

particulares como por ejemplo, la cuantificacin de glicerol, que no estn dadas en lasnormas para DF.

La normativa europea tiene la particularidad de incluir el nmero de Yodo (Iodine

Value, IV) ya que generalmente, en dicho continente se utiliza aceite de colza en la

fabricacin de Biodiesel.

El valor mximo aceptable es IV = 115 que excluira al aceite de soja y sus steres,

Se encuentran distintos tipos de biodiesel:

Por un lado existen los derivado de aceites vegetales con un alto contenido de

compuestos saturados, (bajos IVs) estos poseen un CN (Centane number) mayor,

mientras que sus propiedades a bajas temperaturas son peores.

Por otro lado se conocen Biodiesel procedentes de aceites vegetales con un alto

contenido de compuestos insaturados, (alto IVs) que poseen un menor CN, mientras

que sus propiedades a bajas temperaturas son mejores.

Consiguientemente, los CN y los IVs son inversamente proporcionales. Al agregar a las

normas un mximo de IVs, se estara restringiendo el mnimo CN.

Considerando que la mayora de los steres tienen un CN mayor que los aceites

vegetales y los combustiblesDiesel convencionales, los mismos superan sin ningn

tipo de inconvenientes el mnimo impuesto por ASTM (CN mn = 40). Un argumentocontrario a la inclusin del IV en las normas de Biodiesel, es que distintas

composiciones de cidos grasos dan un mismo IV. Por ejemplo, metil oleato puro tiene

un mismo IV que la mezcla 1 a 1 de metilesteareato y metillinoleato. El IV desconoce

factores estructurales en los compuestos grasos donde el CN depende de la posicin

del doble enlace, longitud de la cadena, etc. Aumentar el CN de los aceites de algunas

plantas mediante el desarrollo de nuevos aditivos que son ms efectivos a pesar de su

alto grado de insaturacin, es una alternativa posible.
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Estndares delBiodiesel

La American SocietyforTesting and Materials (ASTM) ha especificado para asegurar el

correcto funcionamiento de loscombustibles, distintas pruebas como las que se

detallan a continuacin:

Flash Point

Resulta importantsimo por los requerimientos legales en lo que respecta a la

seguridad en el manejo y almacenamiento del mismo.

Punto de enturbiamiento (Cloud Point)

Se define as el comportamiento del combustible en condiciones climticas a baja

temperatura reconocindose los grados a partir de los cuales comienzan a formarse

dentro del combustible, pequeos cristales.

Viscosidad

Para algunos motores la especificacin de un mnimo de viscosidad que puede

generarse debido a la prdida de potencia por parte de la bomba inyectora y prdidas

de combustible en el inyector, puede llegar a ser un gran beneficio.

Por cuestiones de diseo y tamao de los motores, y las caractersticas propias del

sistema de inyeccin resulta necesario un lmite admisible mximo que el del gas oil,

por lo que las mezclas de este ltimo con Biodiesel, reducen la viscosidad del mismo.

Sulfuros

Afectan principalmente a la performance de los sistemas de control de emisiones. Los

efectos de la presencia de sulfuros pueden variar considerablemente dependiendo en

gran medida de las condiciones de operacin.

Cenizas Sulfatadas

La formacin de cenizas puede presentarse en tres formas diferentes:
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Slidos abrasivos

Jabones metlicos solubles

Catalizador remanente

Es importante destacar que los slidos abrasivos y el catalizador remanente pueden

provocar un desgaste prematuro del inyector, la bomba inyectora, pistones y aros y la

formacin de depsitos en el motor

Corrosin al Cobre

Es importante ya que indica la presencia de cidos o contenido de sulfuros que puedan

provocar corrosin en el motor.

Residuo Carbonoso

Es un indicador de la tendencia del combustible a formar depsitos de carbono.

Nmero cido

Determina el nivel de cidos grasos libres que se encuentran en el combustible. Los

depsitos y la corrosin son evitables con la eliminacin de los mismos.

Nmero de Cetano

Para evaluar la calidad de ignicin del combustible y la presencia de humos negros y

rudeza de marcha, es imprescindible observar el nmero de cetano.

Que se requiera mayor o menor nmero de cetano depende por un lado del diseo,

tamao, variacin de carga y velocidad y por otro lado de las condiciones atmosfricas.

Glicerina libre
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Un alto contenido de la misma dentro del combustible bloquea los inyectores y

obstruye los conductos del mismo combustible.

Glicerina Total

Es una seal del total de glicerina en el combustible, tanto libre como no libre.

Si su nivel es bajo, asegura que ha habido una alta conversin de aceites o grasas en

esteres monoalquilicos.

Si su nivel de mono (VWER)-, di- y triglicridos es alto, puede bloquear los inyectores y

afectar la performance en climas fros.

Normativa Internacional

En pases del primer mundo como EEUU y las naciones europeas, la legislacin regula

el contenido de azufre en gasoil llevndolo a niveles cercanos a cero para un futuro no

muy lejano.

Una medida muy importante ya tomada en Europa fue establecer el uso obligatorio del

5% de Biodiesel como aditivo del gasoil mineral, el cual llevara al 10 % para el ao

2010.

Esta decisin se fundamenta en la comprensin de queel Biodiesel es menos

contaminante ya que no contiene aromticos polinucleares, el contenido de

combustible no quemado presente en los gases de escape es menor como as tambin

el material particulado y los aldehdos.

Es importante indicar que motor que funciona con Biodiesel, no emana humo negro de

su cao escape.

Normativa Argentina

Segn fuentes autorizadas del Subcomit de Calidad deCombustibles coordinado por

la Lic. Mara Beatriz Villafae publicadas en septiembre de 2004 a travs del boletn

IRAM, se acord estudiar por razones econmicas de produccin de dichas materiasprimas en nuestro pas, prioritariamente, la norma del producto puro Biodiesel,
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correspondiente a la mezcla de steres metlicos provenientes de la transesterificin

del aceite de soja.

Dicho subcomit, estudi y aprob durante los aos 2001 y 2002, la norma sobre los

requisitos de calidad de este combustible: Norma IRAM 6515-1. Calidad de

Combustibles de la siguiente manera:

Combustibles lquidos para uso automotor.

Parte 1: Puro (B100). Los antecedentes utilizados para la elaboracin de este

documento son:

Resolucin N 129/2001 de la Secretara de Energa.

Norma ASTM PS 121/1999 Provisional Specification for Biodiesel Fuel (B 100) Blend

Stock for Distillate Fuels

Norma ASTM D 6751:2002 Standard Specification for Biodiesel Fuel (B-100) Blend

Stock for Distillate Fuels.

Norma pr ENN 14214/May 2001 Automotive fuels Fatty acid methyl esters (FAME)

for diesel engines Requirements and test methods.

Los requisitos que se tuvieron en cuenta para la obtencin de un producto de buena

calidad son:

Pureza mnima por cromatografa gaseosa.

Rango de densidad y viscosidad para bombeabilidad del producto.

Punto de inflamacin.


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Contenido mximo de:

Azufre.

Agua por Karl Fischer

Impurezas insolubles.

Cenizas sulfatadas (para evitar contaminantes inorgnicos)

steres de cido linoleico.

steres metlicos de cidos poli -insaturados con 4 o ms de dobles ligaduras.

Metanol libre (que indica una buena purificacin del producto final).

Mono di y triglicridos (que indica una completatransesterificacin).

Glicerina libre y total (que indica la pureza e impide el dao del motor).

Metales de sodio y potasio (que indica ausencia de jabones lo que daara el motor).

Residuo carbonoso (fundamental para distinguir un buen producto).

Acidez.

Yodo (para impedir que se usen aceites que producen lacas en el motor y parapermitir el uso del aceite de soja).

Contenido mnimo de:

Nmero de cetano (para asegurar las propiedades de ignicin del combustible).

Grado de lubricidad.

Tambin se tuvo en consideracin la corrosin a la lmina de cobre, la estabilidad a la

oxidacin que corresponde a un envejecimiento acelerado que da idea del tiempo de
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almacenaje y fundamentalmente el requisito relativo al clima y a la poca del ao para

la extensin y variedad de nuestro pas, como es la temperatura de punto de

obturacin de filtro fro, cuando los filtros del motor se tapan por solidificacin delproducto, debido a la baja de temperatura, factor importante a tener en cuenta para

ser comercializado en determinadas regiones o estaciones.

Participaron en la elaboracin de estas normas, las empresas petroleras de plaza

Repsol YPF, Shell, Esso, Petrobras, Dapsa, Rhasa; la Cmara de representantes de

fbricas de automotores: ADEFA; los fabricantes de Biodiesel de todo el pas: Pcias. de

Bs. As., Santa Fe, San Luis, Crdoba, Jujuy, entre otros; los representantes de los

Gobiernos Provinciales; usuarios como Ferrocarriles, Maquinaria agrcola;

Universidades Nacionales como la U.T.N. y de Ro Cuarto; el INTI; el INTA; la Direccin

de Aduanas; Laboratorios privados; representantes de Instrumental analtico; AES-

Asociacin de Estaciones de Servicio; la Secretara de Energa; la Bolsa de Cereales; la

Secretara de Agricultura; la Cmara de Aceites; la Asociacin de Grasas y Aceites;

Institutos privados, Consultores; proveedores de aditivos, e Invitados especiales, entre

otros

Calidad

Dado que las expectativas sobre este producto son muy grandes en la

RepblicaArgentina, se han sentado las bases para establecer una calidad

internacional en el mercado, mediante la norma IRAM.

La calidad delBiodiesel depende de dos factores importantes a saber:

Uno es el aceite de origen, que debe ser altamente refinado, superdesgomado, seco y

neutralizado, y otro es el grado de correcta fabricacin.

De ah surgi la necesidad de contar con una Norma Argentina, que respondiera a

parmetros de calidad internacionales. Estebiocombustible, para ser utilizado en

reemplazo del gasoil o como aditivo del mismo, debe asegurar un buen

comportamiento en los motores.
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El motor en que se vaya a utilizar no requiere ninguna modificacin, salvo en modelos

anteriores a 1998 en los cuales se les cambian los conductos de goma por un material

ms resistente, debido al alto poder solvente del metil ster que diluye esas gomas(aqu es conveniente consultar al fabricante).

Tambin tiene un alto poder detergente que puede afectar a filtros y tanques de

almacenamiento con pintura interna.

Tabla 2. Biodiesel Standars EN 14214

Parmetro Test Tcnica analtica

Contenido en ter EN 14103 CG

Densidad, 15C EN ISO 3675, EN ISO 12185 Picnometra

Viscosidad, 40C EN ISO 3104, ISO 3105 Viscosimetra

Punto de inflamacin EN ISO 3679 Equipo normalizado

Contenido en azufre EN ISO 20846, EN ISO 20884 Fluorescencia

UV/WDXRF

Residuo carbonoso EN ISO 10370 Equipo normalizado

Numero de cetano EN ISO 5165 Equipo normalizado

Cenizas sulfatadas ISO 3987 Gravimetra

Contenido en agua EN ISO 12937 Karl Fischer

Contaminacin total EN 12662 Filtracin-Gravimetra

Corrosin en lmina de cobre EN ISO 2160 Equipo normalizado

Estabilidad oxidacin 110C EN 14112 Equipo normalizado

ndice de acidez EN 14104 Valoracin cido-base

ndice de yodo EN 14111 Valoracin redox

Esteres metlicos ac Linolnico EN 14103 CG

Contenido en metanol EN 14110 CG

Contenido monoglicridos EN 14105 CG

Contenido digliceridos EN 14105 CG

Contenido triglicridos EN 14105 CG

Glicerol libre EN 14105 CG

Glicerol total EN 14105 CG

Metales del grupo I (Na+K) EN 14108,EN 14109, EN 14538 AAS, ICO-OES

Metales del grupo II (Ca+Mg) EN 14538 ICP-OES

Contenido en fosforo EN 14107 ICP-OES

Punto obstruccin filtros en frio EN 116 Equipo normalizado


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Captulo 3-OBJETIVOS DEL TRABAJO


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Es un proyecto muy innovador tecnolgicamente y con gran vocacin integradora en el

que los diversos agentes implicados (productores de aceite de frituras, productor del

biodiesel y consumidores finales) constituyen un ciclo completo dentro de las ciudadesandaluzas lo que hace del proyecto una propuesta singular y con gran futuro.

Los objetivos del proyecto son:

1. Obtencin de Biodiesel a parir de aceite usado de fritura.

2. Estudio comparativo de dos procesos de produccin de biodiesel, el tradicional

reactor mezcla completa y el innovador reactor de flujo oscilatorio para

comprobar cual da mejores rendimientos.

3. Una vez demostrado el mejor rendimiento del reactor de flujo oscilatorio el

estudio de las mejores condiciones de funcionamiento de este.


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Captulo 4

-MATERIALES Y MTODOS


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4.1PLAN DE TRABAJO

Primero comparacin de dos tipos de reactores, un reactor tipo tanque agitado

(habitualmente utilizado en las plantas de biodiesel) y el reactor tipo flujo pistn

(reactor de flujo oscilatorio) para produccin de biodiesel usando como materia prima

aceite de fritura. Las experiencias realizadas para obtener los balances globales de

materia en cada uno de los procesos son las siguientes, tabla 3 y 4. Se eligieron estas

condiciones en base a trabajos de investigacin previos (Pereda, J., 2009; Lama-Muoz

A. 2014; Alvarez P., 2003). Las condiciones optimas de estos trabajos fueron 6/1

MeOH/aceite y 1% (p/p) de catalizador.

Tabla 3. Proceso experimental reactor mezcla completa

Esterificacin Transesterificacin

Experiencia Temp. Tiemp./reac

cin

Aceite MeOH/ac.

Graso libre

H2SO4 MeOH/aceite NaOH

1 60C 60 min 1 kg 6/1 1%(p/p) del

aceite

6/1 1%(p/p) del

aceite

2 60C 60 min 1 kg 6/1 1%(p/p) del

aceite

6/1 1%(p/p) del

aceite

3 60C 60 min 1 kg 6/1 1%(p/p) del

aceite

6/1 1%(p/p) del

aceite

Tabla 4. Proceso experimental reactor flujo oscilatorio

Esterificacin Transesterificacin

Experiencia Temp. Tiempo/re

accin

Aceite MeOH/ac. graso

libre

H2SO4 MeOH/aceite NaOH

160C

30 min 1 kg 6/1 1%(p/p)

del aceite

6/1 1%(p/p) del aceite

2 60C 30 min 1 kg 6/1 1%(p/p)

del aceite

6/1 1%(p/p) del aceite

3 60C 30 min 1 kg 6/1 1%(p/p)

del aceite

6/1 1

Trabajo Fin de Master Biodiesel

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