Tierra Tropical (2005) 1 (1): 51-59

METODOLOGÍA PARA LA FABRICACIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DEL ACEITE DE PALMA AFRICANA (Elais guineensis) Y ACEITE DE

SOYA USADO

G. Recinos, A. Rodríguez, C. Hernández1, J. Yeomans

Universidad EARTH Las Mercedes de Guácimo, Limón, Costa Rica

Recibido 16 de enero 2004. Aceptado 10 de junio 2005.

RESUMEN

El proyecto se fundamentó en desarrollar una metodología para la fabricación de biodiesel a partir del aceite refinado y crudo de palma africana, y adicionalmente del aceite de soya usado. El biodiesel es un combustible sintetizado del aceite vegetal que funciona como un sustituto de los carburantes de origen fósil y posee la ventaja de provenir de una fuente renovable. Se produce a partir de la reacción entre un aceite vegetal, un alcohol y un catalizador por un proceso químico llamado transesterificación. Se evaluaron 15 tratamientos con variables independientes de acuerdo al origen del aceite; y variables dependientes de acuerdo al tipo de alcohol y catalizador empleado en la reacción de síntesis. Se obtuvieron dos metodologías: la primera empleando metanol e hidróxido de sodio (Metodología A) y la segunda utilizando metanol, ácido sulfúrico e hidróxido de sodio (Metodología B), para la fabricación del biodiesel. En la Metodología B se sintetizó biodiesel en mayor proporción que en la Metodología A, debido a la conversión de los ácidos grasos del aceite en esteres en el proceso de esterificación, previo a la reacción de transesterificación. El análisis de calidad del biodiesel cumple con el 70 % de las normas exigidas por ASTM para dicho combustible. El biodiesel producido es de calidad aceptable para emplearlo en maquinaria agrícola.

Palabras clave: Aceite vegetal, ácidos grasos libres, alcohol, biodiesel, catalizador, esterificación, hidrocarburos, palma africana, saponificación, transesterificación.

ABSTRACT

The main objective of this study was to develop a methodology to synthesize biodiesel from refined and crude African palm oil, as well as from used soybean cooking oil. Biodiesel, a fuel synthesized from vegetable oil, can be used as a substitute for fossil fuel sources and has the advantage that it is derived from a renewable resource. Biodiesel is obtained by the reaction of the vegetable oil with an alcohol in the presence of a catalyst (hydroxyl compound) in the chemical process transesterification. A total of 15 trials evaluating different oils, alcohols and catalysts were conducted. Two possible methodologies were developed, one using methanol and sodium hydroxide (Method A) and the other using methanol, sulfuric acid and sodium hydroxide (Method B). It was possible to use either method to synthesize biodiesel from either refined African palm oil or used soybean cooking oil. However, more biodiesel was produced using Method B due to the fact that the fatty acids in the oils were first converted to esters in a process

1 Contacto: Carlos Hernández (chernand@earth.ac.cr)

ISSN: 1659-2751

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of esterfication, before subjecting the oils to the transesterfication process. The results showed that the biodiesel produced complied with 70 % of the standards for biofuels as required by American Society for Testing Materials (ASTM). This means that the biodiesel produced is of an adequate quality for use in agricultural machinery.

Key words: Vegetable oil, free fatty acids, alcohol, biodiesel, catalyst, esterification, hydrocarbons, African palm, soap formation, transesterification.

INTRODUCCIÓN

Al analizar el impacto ocasionado en el medio ambiente por el uso de hidrocarburos y combustibles fósiles, surge la necesidad de buscar alternativas energéticas sostenibles a largo plazo. La relevancia de emplear tecnologías y fuentes alternativas de recursos y energía radica en la contemplación de dos aspectos: minimización del impacto ambiental y capacidad de renovación (Diaz et al., 2003). La obtención de energía renovable o biocombustibles a partir de la biomasa vegetal es el origen del presente proyecto.

La tendencia fluctuante del mercado de la palma africana (Elais guineensis), y la consecuente disminución en el precio del aceite, obliga al sector a la búsqueda de innovadoras y competitivas alternativas. El aceite de palma africana es potencialmente el producto más apto para la elaboración de biodiesel a escala industrial. Lo anterior debido a que la palma africana es naturalmente la planta que mayor cantidad de aceite genera, con un estimado de 5,000 kg de aceite ha año-1 (PORAM, 2002). El aceite de palma contiene una combinación de ácidos grasos: saturados, monoinsaturados y poliinsaturados (Bulgarelli y Sterling, 2000; MPOPC, 2003). Debido al alto porcentaje de ácidos grasos saturados presentes en el aceite crudo de palma, éste es el menos aconsejable para la obtención de biodiesel (Alsberg y Taylor, 2000). Sin embargo, la consideración del aceite crudo de palma africana para síntesis de biodiesel, representa una ventaja en términos económicos y energéticos, al evitar el proceso de refinación del aceite.

La síntesis de biodiesel puede ser efectuada a partir de tres metodologías. La primera opción es la transesterificación del aceite, empleando una base como catalizador. Ésta metodología es ampliamente usada debido a que tiene un alto porcentaje de rendimiento y representa un proceso de conversión directa. El segundo proceso es la transesterificación del aceite empleando un ácido como catalizador. La tercera opción es la conversión de los ácidos grasos del aceite en ésteres y posteriormente en biodiesel lo cual posee la ventaja de evitar la formación de jabón en la reacción. Sin embargo ésta opción presenta la desventaja de requerir mayor tiempo de proceso, debido a que involucra un proceso de esterificación seguido de un proceso de transesterificación (National Biodiesel Board, 2002).

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CH2

CH

CH2 O

O

O C

O

R

C

O

R

C

O

R

R OH

R O C

O

R

R O C

O

R

R O C

O

R

CH2

CH

CH2 OH

OH

OH

+ 3 +Catalizador

Aceite vegetal Alcohol Ésteres Glicerol

Figura 1. Reacción de transesterificación básica.

La estandarización de la metodología de fabricación del biodiesel se fundamentó en el empleo de dos sistemáticas. La primer metodología o Metodología A es una síntesis de la expuesta por Joshua Tickell (2000) en su libro “From the Fryer to the Fuel Tank”, fundamentada en un proceso de transesterificación con el empleo de un alcohol como reactivo y una base como catalizador (Figura 1). La segunda metodología o Metodología B desarrollada por Aleksander Kac (2001a) es recopilada de la Organización no Gubernamental “Journey to Forever”. Dicha metodología involucra dos fases: la primera un proceso de esterificación en condiciones ácidas (Figura 2) y la segunda un proceso de transesterificación en condiciones cáusticas.

RCOO + R´OH RCOOR´ + H2O

Figura 2. Reacción de esterificación.

Ambas metodologías catalogan como variable independiente el tipo u origen del aceite que, para efectos del presente proyecto, fueron el aceite refinado y el aceite crudo de palma africana como principal objetivo. Adicionalmente se realizaron pruebas con el aceite de cocina de soya desechado de la cafetería de la Universidad EARTH, considerando que representa una alternativa viable ante la contemplación a corto plazo de producir biodiesel para la flotilla agrícola de la institución. Los objetivos se enfocaron en justificar una serie de procedimientos químicos para la fabricación de biodiesel a partir de estos aceites, identificar el procedimiento más adecuado en eficiencia y rentabilidad para obtener biodiesel y comprobar las características del biodiesel al realizar un análisis de calidad, comparándolo con el diesel comercial de acuerdo a la norma D6751 American Society for Testing Materials (ASTM, 2003) para dicho combustible.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se evaluaron 15 tratamientos con variables independientes de acuerdo al origen del aceite, y variables dependientes de acuerdo al tipo de alcohol y catalizador empleado en la reacción de síntesis (Cuadro 1, 2 y 3). En el caso de la Metodología A, las variables independientes de cada uno de los tratamientos empleados lo constituyen: el tipo de reactante y el tipo de catalizador empleado para la reacción de tranesterificación. Los reactivos o alcoholes empleados fueron el etanol (CH3-CH2-OH) con un porcentaje de pureza del 95 % y el metanol (CH3-OH) al 99 % de pureza. Los catalizadores-base utilizados fueron el hidróxido de sodio (NaOH) al 98.5 % de pureza e hidróxido de potasio (KOH) al 87.1 % de pureza.

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Cuadro 1. Matriz de experimentación para la fabricación de un litro de biodiesel a partir del aceite refinado de palma africana.

Variables dependientes Tratamiento Metodología Reactivo Cantidad

(mL) Catalizador Cantidad (g)

T1 A CH3-CH2-OH 300 NaOH 4 T2 A CH3-CH2-OH 300 KOH 10 T3 A CH3-OH 200 NaOH 4 T4 A CH3-OH 200 KOH 10

B Fase 1 CH3-OH 80 H2SO4 1 mL T5 B Fase 2 CH3-OH 120 NaOH 3.5

La Metodología B es un proceso equilibrado que contempla dos fases. En este caso las variables independientes son el tipo de catalizador, que en la primera fase lo constituye el ácido sulfúrico (H2SO4) al 98 % de pureza y en la segunda fase el hidróxido de sodio (NaOH). El reactivo o alcohol empleado en ambas etapas fue el metanol, por su propiedad de rápida y fácil reacción. En los Cuadros 1, 2 y 3 se detalla la matriz de experimentación empleada con cada una de las variables independientes para la obtención de un litro de biodiesel.

Cuadro 2. Matriz de experimentación para la fabricación de un litro de biodiesel a partir del aceite crudo de palma africana.

Variables dependientes Tratamiento Metodología Reactivo Cantidad

(mL) Catalizador Cantidad (g)

T6 A CH3-CH2-OH 300 NaOH 9 T7 A CH3-CH2-OH 300 KOH 17 T8 A CH3-OH 200 NaOH 9 T9 A CH3-OH 200 KOH 17

B Fase 1 CH3-OH 80 H2SO4 1 mL T10 B Fase 2 CH3-OH 120 NaOH 3.5

Cuadro 3. Matriz de experimentación para la fabricación de un litro de biodiesel a partir del aceite de soya usado.

Variables dependientes Tratamiento Metodología Reactivo Cantidad

(mL) Catalizador Cantidad (g)

T11 A CH3-CH2-OH 300 NaOH 4 T12 A CH3-CH2-OH 300 KOH 11 T13 A CH3-OH 200 NaOH 4 T14 A CH3-OH 200 KOH 11

B Fase 1 CH3-OH 80 H2SO4 1 mL T15 B Fase 2 CH3-OH 120 NaOH 3.5

El rendimiento de la reacción de biodiesel para cada una de las metodologías se realizó cuantificando la cantidad de biodiesel y remanentes obtenidos en los tratamientos en los que se sintetizó biodiesel. De manera paralela se determinó el tiempo de fabricación de biodiesel para cada una de las metodologías procesadas. La determinación de la calidad del biodiesel producido

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se efectúa por medio de un análisis de cromatografía de gases, suministrado por las empresas RECOPE y CELEC (Centro de Electroquímica y Energía Química, de la Universidad de Costa Rica) con el objetivo de comparar el producto obtenido con la Norma ASTM D6751 desarrollada para el biodiesel por la American Society for Testing Materials (ASTM, 2003) en Estados Unidos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el proceso de desarrollo de una metodología para la fabricación de biodiesel, se desarrollaron 15 tratamientos. Los tratamientos T1, T6 y T11 no dieron resultado en la elaboración de biodiesel debido a que se empleó etanol con un 95 % de pureza y para lograr la reacción de esterificación sin que presente la reacción de saponificación de las grasas contenidas en los aceites, es necesario utilizar anhidro etanol, el cual contiene un porcentaje mayor al 99 % de pureza.

Los tratamientos T4, T9 y T14 no dieron resultado en la elaboración de biodiesel debido a que se utilizó hidróxido de sodio (KOH) con un 87 % de pureza. Según la metodología de Tickell (2000) para poder lograr que se de la reacción de tranesterificación con la ayuda de este catalizador, éste debe tener un mínimo de pureza del 99 %. En el caso de los tratamientos T2, T7 y T12, no se pudo lograr la reacción de tranesterificación debido a que se utilizo KOH y etanol, por lo que se presentaron las dos situaciones mencionadas anteriormente, y dio como resultado la saponificación de las grasas.

El resultado de T6, T7, T8, T9 y T10 donde se utilizó aceite crudo de palma africana, fue un producto saponificado debido a que el aceite crudo contiene de un 4 % a un 10 % de ácidos grasos. Adicionalmente se suponen datos erróneos en la titulación, y posterior cuantificación del catalizador capaz de neutralizar los ácidos grasos libres presentes en el aceite crudo de palma. De esta manera, la cantidad estimada de catalizador a emplearse en la reacción debe considerar otras metodologías como el empleo de fenoftaleína.

Los tratamientos a partir de los cuáles se sintetizó biodiesel fueron los de Metodología A con metanol y NaOH, T3 y T13 (Figura 3), y los de la Metodología B, T5 y T15 (Figura 4). Durante la elaboración del biodiesel con la Metodología A, en la fase de mezclado del metóxido de sodio y el aceite, es decir, durante la reacción de transesterificación, se observó un cambio de color notable tanto para T3, con aceite refinado de palma africana; como para T13, con aceite usado de cocina. En los primeros minutos de agitación, se aprecia un color café cremoso.

Figura 3. Biodiesel obtenido del aceite refinado de palma africana (izquierda) (T3) y aceite de

soya usado (derecha) (T5), con la Metodología A.

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Conforme transcurre un período de 10 minutos de agitación en la licuadora, la mezcla se torna a un color café translúcido, apariencia final del biodiesel. En este punto, la velocidad de agitación en la reacción juega un papel imprescindible ya que propicia el contacto íntimo de los reactivos. Este contacto provoca la reacción de transesterificación y, con ello, una alta eficiencia. Paralelamente al cambio de color, se evidencia un aumento en la temperatura de la mezcla, lo cual es inherente a la reacción de transesterificación y resultado de la ruptura de los enlaces del aceite provocado por el alcóxido, el cual es una base sumamente fuerte.

Figura 4. Biodiesel obtenido del aceite refinado de palma africana (izquierda) (T13) y aceite de

soya usado (derecha) (T15), con la Metodología B.

En la Metodología B de Kac (2001a), se propicia, durante la primera etapa, la esterificación de los ácidos grasos libres al tiempo que algunos triglicéridos son transesterificados. La segunda etapa solo cumple la etapa de transesterificación, para la obtención de los metil-ésteres (biodiesel). Sin embargo, es más rápida y completa. En la primera etapa de esterificación, la reacción entre el metanol y el ácido sulfúrico es sumamente violenta. Por ésta razón, la mezcla de ambos se realiza en presencia del aceite vegetal. Asimismo, la mezcla de un alcohol con H2SO4 provoca la formación de dimetil-éter un gas altamente explosivo.

En ambas metodologías los remanentes encontrados, posteriormente al proceso de asentamiento, en el fondo del recipiente son una mezcla de glicerina, jabones, y el exceso de alcohol y catalizador empleados en la reacción. Las proporciones de cada una de las sustancias remanentes dependen de la naturaleza del aceite y de la metodología empleada en la reacción.

El metanol que se encuentra asociado con la glicerina puede ser recuperado. Se considera que al menos un cuarto del metanol empleado en la fabricación de biodiesel puede ser nuevamente empleado, por medio de dos métodos: extracción de calor y extracción del calor al vacío (Kac, 2001b). La importancia de ello radica en que el metanol constituye cerca del 70 % de los costos de producción del biodiesel. La glicerina, principal suproducto generado en la reacción de tranesterificación, puede ser neutralizada y comercializada para la fabricación de jabones u otros subproductos.

La obtención de biodiesel de calidad está sujeta a una serie de parámetros, entre los que Ballesteros (2003) cita el exceso de alcohol y contenido de agua en él, la agitación y la temperatura, como variables del proceso. El biodiesel, una vez que ha sido separado de la glicerina y los residuos y asentado por una semana, tiende a ser alcalino. El lavado es una práctica que estandariza su calidad, debido a que los remanentes del catalizador son eliminados del biodiesel. Se justifica la importancia del lavado por cuanto los residuos de la reacción de transesterificación en el biodiesel pueden ocasionar daños en el motor, en los inyectores y el

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filtro de combustible. La operación de lavado se debe realizar agitando suavemente el agua y el biodesel. De lo contrario se forma una emulsión por la interacción del agua con los residuos del catalizador suspendidos en el biodiesel. La unificación de ambas fases constituye un proceso de saponificación, evidenciado en una mezcla color blanca cremosa.

Los análisis de calidad del biodiesel elaborado a partir de aceite refinado de palma africana, T3, efectuado por CELEQ (Universidad de Costa Rica) (Cuadro 4) y de aceite refinado de palma africana, T3 y T5, y aceite de soya usado, T13 y T15, efectuado por Laboratorio Moín (RECOPE) (Cuadros 5 y 6), cumplen con el 70 % de las normas exigidas por American Society for Testing Materials (ASTM, 2003) para dicho combustible. Se infiere, por lo tanto, que el biodiesel producido es de calidad para emplearlo en maquinaria agrícola.

Cuadro 4. Análisis elaborado por CELEQ de la calidad de T3 (NaOH y metanol): biodiesel elaborado a partir de aceite refinado de palma africana.

Prueba Aceite de palma, refinado (T3) Especificación Densidad a 15°C (kg/m3) 878 900 Agua y sedimento (% v/v) 0.05 0.05 máximo Temperatura de inflamación (°C) >160 130 mínimo Viscosidad a 40°C (cSt) 2.8 1.9 a 6.0 Contenido de azufre (% m/m) 0.17 0.5 máximo Punto inicial (°C) 67 300 Índice de Cetano * 47 mínimo Residuo Carbón Conradson (% m/m) 0.143 0.05 máximo

* no determinable por impurezas

Cuadro 5. Análisis elaborado por Laboratorio Moín (RECOPE) de la calidad del biodiesel obtenido con Metodología A para el aceite refinado de palma africana y el aceite de soya usado.

Prueba Aceite de palma, refinado (T3)

Aceite de soya, usado (T13) Especificación

Densidad a 15°C (kg/m3) 877.3 881.1 900 Color ASTM 1.0 2.5 3.0 máximo Aparencia (visual) Turbio Turbio N.A. Agua y sedimento (% v/v) 0.1 0.1 0.05 máximo Temperatura de inflamación (°C) 141.0 >150 130 mínimo Corrasión de cobre (50°C, 3 h) 1a 1a Std. 2 máximo Porcentaje de ceniza (% m/m) 0.003 0.006 0.01 máximo Viscosidad a 40°C (cSt) 4.97 5.61 1.9 a 5.3 Contenido de azufre (% m/m) <0.0004 <0.0004 0.45 máximo Punto de fluidez (°C) 10.0 9.0 5 máximo

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Cuadro 6. Análisis elaborado por Laboratorio Moín (RECOPE) de la calidad del biodiesel obtenido con Metodología B para el aceite refinado de palma africana y el aceite de soya usado.

Prueba Aceite de palma, refinado (T5)

Aceite de soya, usado (T15) Especificación

Densidad a 15°C (kg/m3) 887.8 891.7 900 Color ASTM 1.0 3.0 3.0 máximo Aparencia (visual) C-S C-S N.A. Agua y sedimento (% v/v) 0.05 0.05 0.05 máximo Temperatura de inflamación (°C) >150 >150 130 mínimo Corrasión de cobre (50°C, 3 h) 1a 1a Std. 2 máximo Porcentaje de ceniza (% m/m) 0.0002 0.0004 0.01 máximo Viscosidad a 40°C (cSt) 8.19 10.76 1.9 a 5.3 Contenido de azufre (% m/m) <0.0004 <0.0004 0.45 máximo Punto de fluidez (°C) 6.0 7.0 5 máximo

Al comparar los costos de la fabricación del biodiesel, se infiere que el aceite de cocina como materia prima en el esquema de trabajo de la Metodología B, implica un menor costo. Sin embargo, la disponibilidad del aceite usado es un factor limitante para la producción de biodiesel a escala industrial, donde un cultivo oleaginoso, como la palma africana, posee mayor potencial.

CONCLUSIONES

La presencia de agua en la reacción de transesterificación induce un proceso de saponificación de las grasas de los aceites, por efecto de la reacción entre los iones OH- del catalizador alcalino con las moléculas de agua. Por lo tanto, el porcentaje de pureza de los reactivos y los catalizadores es un factor determinante en la obtención de biodiesel.

En la Metodología B se logró sintetizar ésteres metílicos en mayor proporción debido a la conversión de ácidos grasos del aceite en esteres como resultado de un proceso de esterificación, previo a la reacción de transesterificación. Por eso, la Metodología B resultó más eficiente en el rendimiento de obtención de biodiesel, tanto en la reacción como en el consumo en el tractor.

La Metodología B involucra menor costo que la Metodología A, como resultado del empleo de metanol en menor proporción. También, el empleo de aceite de soya usado resulta en menor costo que el empleo de aceite refinado de palma. Sin embargo, el uso de este aceite constituye únicamente una alternativa de diversificación, debido a que la oferta no puede suplir la demanda.

LITERATURA CITADA

Alsberg, C.; Taylor, E. 2000. The Fats and Oils: a General View (en línea). Consultado 2 de agosto 2003. Disponible en http://journeytoforever.org/biofuel_library/fatsoils/fatsoils1.html

ASTM (American Society for Testing Materials, US). 2003. Standards (en línea). Consultado 6 de marzo 2003. Disponible en http://www.astm.org

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Ballesteros, M. 2003. Un compromiso contra los hidrocarburos. The Ecologist para España y Latinoamérica (en línea). Disponible en http://www.theecologist.net/files/docshtm/articulo.asp?cod=216091

Bulgarelli, J.; Sterling, F. 2000. Kernel content and income in oil palm (en línea) ASD Oil Palm Papers, N°21, 13-15. 2000. Consultado 5 de febrero de 2003. Disponible en http://www.asd-cr.com/ASD-Pub/Bol21/b21-2ing.htm

Diaz, J.; Parejo, C.; Pozuelo, I. 2003. El sector transporte. In Parte III. Balance de los Recursos Naturales desde la Perspectiva del Sistema Económico, Recursos Naturales de Andalucía. Educación Ambiental. Junta de Andalucía, Consejería de Medio Ambiente (en línea). Disponible en http://www.juntadeandalucia.es/medioambiente/educacion_ambiental/EducamII/publicaciones/recursos_naturales_3_3.pdf

Kac, A. 2001a. Free fatty acid to ester conversion. In The Foolproof Way to Make Biodiesel. Journey to Forever (en línea). Consultado 5 de marzo de 2003. Disponible en http://www.journeytoforever.org/biodiesel_aleksnew.html

Kac, A. 2001b. Methanol Recovery. In The Foolproof Way to Make Biodiesel. Journey to Forever (en línea). Consultado 5 de marzo de 2003. Disponible en http://www.journeytoforever.org/biodiesel_aleksnew.html

MPOPC (Malaysia Palm Oil Promotion Council, MY). 2003. Basic Background Information on Palm Oil (en línea). Consultado 24 de junio de 2003. Disponible en http://www.mpopc.org.my/abtned.htm

National Biodiesel Board. 2002. Biodiesel: On The Road to Fueling the Future. Fuel Fact Sheets. Biodiesel Organization (en línea). Consultado 24 de junio de 2003. Disponible en http://www.biodiesel.org/pdf_files/bdreport.pdf

PORAM. 2002. The network for Palm Oil Refiners Association of Malaysia (en línea). Consultado 3 de marzo de 2003. Disponible en http://www.poram.org.my/main.html

Tickell, J. 2000. From the Fryer to the Fuel Tank: The Complete Guide to Using Vegetable Oil as an Alternative Fuel. Tickell Energy Consulting, Tallahassee, USA. 162 p.