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Pre-Informe N°5

“Biodiesel”

Integrantes: M° José Faundes 2502020-0Camila Moscópulos 2551026-7Bárbara Zerené 2551014-3

Profesor: Sergio AlmonacidAyudante: Monserrat VásquezGrupo: 2 AFecha: Lunes 25 Octubre 2010

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INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................3

Antecedentes Generales............................................................................................................3

Normativas (medio ambiente, seguridad de trabajo, calidad)..............................................6

Objetivos.......................................................................................................................................7

MATERIALES Y MÉTODOS..........................................................................................................9

Descripción de materiales..........................................................................................................9

Utensilios y herramientas.........................................................................................................12

Balance de materia y energía..................................................................................................12

Balance de Materia:..................................................................................................................12

Balance Energético del biodiesel:...........................................................................................12

Método escalamiento................................................................................................................13

Nomenclatura.............................................................................................................................15

ANEXO...........................................................................................................................................15

BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................................23

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INTRODUCCIÓN

Antecedentes Generales

Las necesidades mundiales de energía siguen aumentando a un ritmo acelerado, estimándose que se elevarán en valor global un 60% en 30 años. Actualmente, con la intensa explotación de los pozos petrolíferos en todo el mundo, se estima que el petróleo se extinguirá entre los próximos 100 años en nuestro planeta. Este es un gran problema, ya que la gran mayoría de las máquinas, automóviles, etc. funcionan a partir de derivados del petróleo. Las estimaciones de las reservas de crudo en esta situación se estima que cubra la demanda, en los valores actuales, solamente los próximos 40 –50 años. Las alternativas posibles para paliar el déficit energético en combustible para el transporte pasa por la utilización de bioetanol y biodiesel.

El biodiesel es un biocombustible sintético que se obtiene por procesos de esterificación y transesterificación de trigliceridos (aceite). Se puede producir a partir de materias primas agrícolas (aceites vegetales y/o grasas animales), aceites usados y metanol o etanol. El producto se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiesel o gasóleo obtenido del petróleo. Como sustituto total se denomina B100, mientras que otras denominaciones como B5 o B30 hacen referencia a la proporción o % de biodiesel utilizado en la mezcla.

El biodiesel posee las mismas propiedades del combustible diesel (anexo) por lo cual se destina a la combustión en motores de ciclo diesel convencionales o adaptados, según el fabricante y por ello a principios del siglo XXI se impulsa su desarrollo como combustible para automóviles alternativo a los derivados del petróleo. El Biodiesel desde el el punto de vista de la inflamabilidad y toxicidad es mas seguro que el gas-oil proveniente del petróleo es completamente biodegradable (biodiesel puro), no tóxico a las plantas, a los animales y a los seres humanos, y esencialmente libera de sulfuro y de otros compuestos aromáticos, ósea huele a papas fritas.

Proceso

En el proceso de transesterificación (anexo 1) se combina el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol en exceso para que exista una reacción completa; deja como residuo glicerina que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras.

La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, pues es la planta con mayor rendimiento de aceite por hectárea, aunque también se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso, la materia prima es muy barata y además se reciclan lo que en otro caso serían residuos.

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La transesterificación es la sustitución de la glicerina por un alcohol en una reacción catalizada; consisten en tres reacciones reversibles y consecutivas (ver anexo), donde el triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Al hacer biodiésel se transforman los aceites en ésteres, separando la glicerina, que se hunde hasta el fondo. El biodiésel flota encima y puede aspirarse con un sifón. Este proceso es llevado a cabo en un reactor donde se producen las reacciones y en posteriores fases de separación, purificación y estabilización.

Plantas de menor capacidad y diferente calidad en la corriente de alimentación (utilización al mismo tiempo de aceites refinados y reutilizados) utilizan procesos de tipo Batch. Los procesos de tipo continuo son utilizados en plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme.

Ventajas y Desventajas

La utilización del biodiesel puede ofrecer gran número de ventajas tanto al medio ambiente como al vehículo que lo utiliza. Es un combustible 100% ecológico que no daña al medio ambiente ya que está compuesto totalmente por productos vegetales. No posee azufre, que es una de las partículas más contaminantes del resto de los combustibles. Aporta mejoras en los automóviles como por ejemplo un mayor rendimiento del motor y duplicación de su vida útil debido que posee mayor cantidad de lubricantes que el gas oil fosil. Posee un mayor punto de inflamación que el gasoil con lo que en caso de accidente su combustión es más tardía. Es un carburante biodegradable por los que es compatible con la naturaleza y en caso de accidente no se produce ninguna contaminación y es el único combustible alternativo a la utilización de gasóleo.

El biodiesel también presenta algunas desventajas en el vehículo que lo utiliza. A bajas temperaturas puede llegar a solidificarse y producir obstrucciones en los conductos. Es incompatible con algunos materiales ya que en estado puro puede llegar a dañar por ejemplo el caucho y algunas pinturas. Su utilización produce la pérdida de potencia del vehículo. Produce un mayor consumo en los vehículos debido a que tiene menos poder calorífico y tarda más tiempo en combustionar.

Los principales peligros de la producción de biodiesel son los gases venenosos e inflamables, los productos químicos y los incendios.

Mercado

La producción de biodiésel pasó de 959 millones de litros en 2001 a 15.760 millones en 2009, con un ritmo de crecimiento anual del 41,9%. El mercado del biodiésel espera producir 45.291 millones de litros en 2020, lo que representa una tasa acumulativa de crecimiento anual del 10,1% entre 2009 y 2020, notablemente inferior a la de la pasada década. Europa fue el principal mercado de biodiésel en

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2009, con una cuota de producción del 49,8%, seguida por el continente americano (32,8%) y la región Asia-Pacífico (4,4%). Los cinco principales productores son Alemania, EE.UU., Francia, Argentina y Brasil, que juntos producen el 68,4% del total del biodiésel del mundo. Australia es el mayor productor en la región Asia-Pacífico, seguido de China y la India.

La producción comercial de biodiesel en Chile es en la actualidad muy baja, según las informaciones disponibles esta no supera los 150 mil litros mensuales. La capacidad instalada de producción de las plantas en operación es inferior a 3 millones de litros por año.

Existen 8 a 10 proyectos de producción industrial de biodiesel con fines comerciales, de los cuales se han materializado en algunas plantas como la Planta FAME de Pullman Bus de Quilicura, Planta de INGRAS de San Bernardo, Planta del Matadero de Concepción, Tres Plantas de Biodiesel-Chile de Cerrillos, Padre Hurtado y Osorno y Planta de Bioengine de Puente Alto. Con excepción de las plantas de Pullman Bus y de Ingras, el resto de estas plantas son mas bien de tipo artesanal y de baja capacidad de producción. Existen ademas en fase de estudio algunos proyectos de producción de biodiesel como el del Molino Gorbea en una alianza con la Universidad de la Frontera (UFRO) de Temuco, BioEiberger de Los Angeles y de Oleotop de Gorbea.

La única planta de producción comercial de biodiesel que esta funcionando es la Planta de FAME de Pullman Bus de Quilicura, ya que esta autorizada legalmente para operar y tiene una producción aproximada de 100 mil litros mensuales y deberá aumentar durante este año a 500.000 litros mensuales. Este combustible es para uso exclusivo de la la flota de buses y camiones de esta empresa en una mezcla inicial de 5 % (B5) con diesel. La Planta de Ingras, tiene una capacidad de producción de 100 mil litros mensual operando con un 10% de esta. Es interesante señalar que el destino de este combustible es para generación de energía eléctrica (2 MW) y en motores diesel. La materia prima es a partir de aceite usado y grasas.

Costos y Demanda

La materia prima tiene la mayor incidencia en los costos finales y de allí que es esencial establecer mecanismos que amortigüen los cambios en los precios así como buscar fuentes alternativas de suministro más económico que no compitan en los precios internacionales.

Costo biodiesel consumidor 0,855 pesos argentinos por litros incluye iva costo de distribución impuesto a la transferencia de combustibles. 70% mas caro que el gas oil.

Por su parte, una mezcla B20, en estas condiciones, tendría un precio formado por el 80% del correspondiente al gasoil y el 20% del correspondiente al biodiesel, es

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decir 0,57 $/l, un 14% por encima del precio promedio actual de un combustible de prestación equivalente.

Por lo tanto, el ingreso del biodiesel al mercado no puede sustentarse en una ventaja de precio al consumidor, al menos en un esquema que no incluya desgravaciones impositivas o subsidios a los consumidores.

Materias Para Síntesis de Biodiesel.

Materia para Síntesis Metanol EtanolProducción De petróleo o madera. De Plantas y petróleo.

Precio US$ 27.01ImportaciónExportación

Demanda Mundial 85,29[barril/día]

Principales Productores Estados Unidos, Alemania y Brasil.

UsosIndustrias de: plástico, farmacéuticas y fibras

sintéticas.Beneficio Aumenta Octanaje de las

gasolinas

El etanol equivale al 38,5% de la demanda global por fuentes de energía primaria.

Normativas (medio ambiente, seguridad de trabajo, calidad)

Decreto Nº 11/2008, Ministerio de Economía. Define las especificaciones de calidad para biodiesel y bioetanol, autoriza las mezcla de 2% y 5% con petróleo diesel y gasolina respectivamente y anuncia el registro de personas e instituciones en la SEC.

Ley Nº 20.339/2009 modifica el DFL Nº1/1979 del Ministerio de Minería, incorpora los biocombustibles como combustibles líquidos y otorga facultades a la SEC para su fiscalización.

Articulo N°7 Especificaciones de calidad que debe cumplir el biodiesel. (Anexo 3).

Emisiones

Monóxido de carbono (CO): la emisión durante la combustión del biodiesel en motores diesel es del orden del 50% inferior comparada con aquella que produce el mismo motor con combustible diesel. Es conocida la toxicidad del monóxido de carbono sobre todo en las ciudades.

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Dióxido de azufre (SO2): no se produce emisión de SO2 ya que el biodiesel no contiene azufre. El SO2 es nocivo para la salud humana y vegetación.

Material particulado: con el uso del biodiesel se reduce del 65% respecto del combustible diesel. Las partículas finas son nocivas para la salud.

Productos orgánicos aromáticos: el biodiesel no los contiene (benceno y derivados) siendo conocida la elevada toxicidad para la salud.

Dióxido de carbono (CO2): el CO2 emitido durante la combustión del biodiesel es totalmente reabsorbido por los vegetales. Genera un 78% menos de CO2 que el diesel.

Objetivos

Comparar la eficiencia en la producción de biodiesel, al utilizar Metanol o Etanol para el proceso de síntesis.

Considerar el diseño del reactor respectivo en la comparación.

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MATERIALES Y MÉTODOS

Descripción de materiales

Materia Prima

Se usará aceite usado el cual se debe filtrar para quitarle los restos de comida. Es mejor calentarlo hasta 35º C, aproximadamente, para que esté más fluido y pase bien por el filtro. Para realizar el filtrado se puede utilizar un paño o un filtro de café. Se suele calentar el aceite, previo al proceso, para quitarle el agua. El aceite que ha sido utilizado para cocinar es el más propenso a contener agua, que hace más lenta la reacción y favorece la saponificación. En la transesterificación, es mejor cuanta menos agua está presente en cualquiera de los componentes del proceso. Se calienta el aceite hasta los 100º C (212º F) y se mantiene la temperatura mientras el agua se va evaporando. Se agita el aceite constantemente para evitar que se formen burbujas de vapor , que luego explotan salpicando aceite caliente. Cuando empiece a salir menos vapor, se aumenta la temperatura hasta 130º y se mantiene durante 10 min. Luego se deja de calentar y se espera que se enfrie.

Catalizador:

Hidróxido de sodio (NaOH): Necesita 3,5[g] por cada litro de aceite nuevo, se necesita más si el aceite es usado.

Hidróxido de potasio (KOH): es más débil y por ende siempre se necesita 1,4025 veces más de KOH que de NaOH.

Materiales a utilizar en el laboratorio

1 [L] de aceite usado 200 [ml] de metanol (se calcula un 20% del volumen del aceite a procesar) 200 [ml] de etanol (se calcula un 20% del volumen del aceite a procesar) 7 [g] de NaOH o KOH Probeta graduada de 1[L] Equipo termoregulador con agitación magnética Equipo de filtración y decantación 2 vasos precipitados de 500 [L]

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Matraz Erlenmeyer de 200 [ml] Medidor de pH 2 termómetros Tela delgada (panty) Agua destilada Guantes y gafas de protección

Procedimiento Experimental

1. Mezclado de los reactivos

Se mezcla el litro de aceite usado con los 200 [ml] de metanol, se agrega el catalizador y comienza la reacción lentamente, se podrá distinguir 2 colores correspondiente a las 2 fases liquidas.

2. Agitación Previa

Comienza la reacción y con ello se empieza a obtener biodiesel, glicerina y jabon. Las rpm del agitador deben ser altas para que el catalizador agilice la reacción lo más rápido posible. Se debe consumir todo el catalizador.

3. Decantación

Una vez finalizada la reacción, se vierte el contenido en un decantador. Se podrán distinguir dos fases claramente diferenciadas, en la parte de abajo se obtendrá la glicerina y en la parte superior el biodiesel.

4. Tratamiento Biodiesel

Se introduce el biodiesel en el agitador magnetico con calentador para conseguir temperatura de 100ºC, el objetivo es neutralizar el catalizador que aun pueda quedar en el biodiesel hasta tener un pH 7. Se separan las fases mediante purga en la adicion de agua destilada + 5 gotas de acido fosfórico (usar guantes y gafas de protección). El biodiesel obtenido se puede caracterizar por el método de cromatografía liquida de alta resolución(HPLC).

5. Tratamiento Glicerina ( opcional )

Se puede tratar la glicerina usando acido fosfórico se comprueba el Ph. Una vez que aparezca una tonalidad verdosa, la solución ya es acida. Luego se agrega a un agitador magnetico con calentador para elevar su temperatura hasta 65ºC, para poder eliminar el metanol que pueda contener.

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6. Se repite el mismo procedimiento pero usando etanol en vez de metanol.

Diagrama de flujo del proceso 

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Balance de materia y energía

Sistema: Tipo BATCH (experiencia práctica).

Balance de Materia:

Por cada 100[Kg] de biodiesel, se produce 1[Kg] de glicerina.

(Entra) - (Sale) + (Genera) - (Transfiere) = (Acumulación)

(E)=0

(S)=0

(G)=R*V

(T)=0

(A)=V* dC/dƟ

θ=∫0

θdCR

Balance Energético del biodiesel:

Considerando la diferencia entre la energía que produce 1[kg] de biodiésel y la energía necesaria para la producción del mismo, desde la fase agrícola hasta la fase industrial es positiva al menos en un 30%. Por lo tanto se considera una actividad sostenible.

(Entra) - (Sale) + (Genera) - (Transfiere) = (Acumulación)

(E)=0

(S)=0

(G )=V∗CMP∗∆ H r∗X

(T )=U∗A∗∆T

( A )=V∗ρ∗Cp∗dT

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Luego:

∆ H R→0

Método escalamiento

Reactores de biodiesel:

Deben estar cerrados herméticamente para aislarlos de la atmósfera cosa de que no escapen gases tóxicos.

Más sencillos y baratos para lotes de 50-70[L] pueden estar formados por dos bidones de acero, uno para tratar el aceite y otro para la vasija de reacción, con drenaje para la glicerina, con motores y tubos para trasvasar y agitar. El metóxido se mezcla bien en un recipiente de HDPE de veinte litros (consulta Metóxido, el método sencillo). Para el lavado sirve un recipiente de 200 litros.

La reacción química de la transesterificación puede ser afectada por las variables como: acidez y la humedad, el tipo de catalizador y concentración, la relación molar de alcohol/aceite y tipo de alcohol, el efecto del tiempo de reacción y la temperatura.

Acidez y humedad

Los contenidos de ácidos grasos y de humedad son los parámetros determinantes de la viabilidad del proceso de transesterificación del aceite vegetal; para una reacción completa se necesita un valor de ácidos grasos libres menor al 3%. Mientras más alta es la acidez del aceite, menor es la conversión; un exceso o deficiencia de catalizador puede producir la formación de jabón.

La presencia de humedad disminuye el rendimiento de la reacción; ya que el agua reacciona con los catalizadores formando jabones.

Las materias primas usadas como base para el proceso de alcoholisis deben cumplir ciertas especificaciones: Triglicéridos deben tener un valor ácido bajo y los materiales deben contener baja humedad. La adición de catalizadores de hidróxido de sodio compensa la alta acidez, pero el jabón resultante provoca un aumento de viscosidad o de formación de geles que interfieren en la reacción y en la separación del glicerol. Cuando no se dan estas condiciones los rendimientos de la reacción se reducen sustancialmente.

Relación molar de alcohol / aceite y tipo de alcohol

Variable mas importante que afecta al rendimiento del proceso es la relación molar del alcohol y los triglicéridos. La relación estequiométrica requiere tres moles de alcohol y un mol de triglicérido para producir tres moles de ésteres y un

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mol  de glicerol. La transesterificación es una reacción de equilibrio que necesita un exceso de alcohol para conducir la reacción al lado derecho (producción ésteres). Para una conversión máxima se debe utilizar una relación molar de 6:1. En cambio un valor alto de relación molar de alcohol afecta a la separación de glicerina debido al incremento de solubilidad. Cuando la glicerina se mantiene en la solución hace que la reacción revierta hacia la izquierda (reacción reversible), disminuyendo el rendimiento de los ésteres.

El etanol y el metanol no se disuelven con los triglicéridos a temperatura  ambiente y la mezcla debe ser agitada mecánicamente para que haya transferencia de masa. Durante la reacción generalmente se forma una emulsión, en la metanólosis esta emulsión desciende rápidamente formándose una capa rica en glicerol quedándose en la parte superior otra zona rica en éster metílico (biodiésel). En cambio en la etanólisis esta emulsión no es estable y complica mucho la separación y purificación de los ésteres etílicos. La emulsión está causada en parte por la formación de monoglicéricos y diglicéricos intermedios, que contienen tanto grupos hidróxidos polares como cadenas de hidrocarburos no polares.

 Efecto del tiempo de reacción y temperatura

La conversión aumenta con el tiempo de reacción; la transesterificación del aceite de cacahuete, semilla de algodón, girasol y soja con una relación molar de 6:1 de metanol, con un catalizador de metóxido sódico al 0.5% a 60ºC; después de 1 minuto el rendimiento~80% para la soja y el girasol, después de una hora la conversión es la misma para los cuatro~93%.

La transesterificación se puede producir a diferentes temperaturas, dependiendo del tipo de aceite.

Nomenclatura

R: Velocidad de reacción.

V: Volumen reactor.

dCdθ:deriavadade concentraciónenel tiempo .

θ=tiempo de……… . .

∫0

θdCR

CMP :

∆ H r :Diferenciade entalpíade reacción.

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X :

U :Coeficiente globalde transferencia decalor .

A : Áreade transferencia de calor .

∆T :Diferenciade temperaturas .

ρ :Densidad .

C p:Capacidad calorífica .

dTdθ:

ANEXO

1) Transesterificación:

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2) Diagrama proceso:

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3) Articulo N°7: Especificaciones de calidad que debe cumplir el biodiesel.

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Reactor Discontínuo:

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

En la transesterificación, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requiere temperaturas elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%.

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Temperaturas mayores y ratios superiores de alcohol:aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora. En el gráfico 1 se reproduce un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación en discontinuo.

Proceso Continuo:

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

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

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

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

Balance energético de la producción de biodiésel

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

Además de las condiciones favorables desde el punto de vista ecológica y energético merece destacarse la posibilidad del empleo inmediato en los motores. El biodiésel quema perfectamente sin requerir ningún tipo de modificación en motores existentes pudiendo alimentarse alternativamente con el combustible diesel o en mezcla de ambos. Esta es la diferencia importantes respecto de otras experiencias de sustitución de combustibles como la del bioetanol, donde es necesario efectuar en los motores modificaciones irreversibles. El empleo de biodiésel aumenta la vida de los motores debido a que posee un poder lubricante mayor, mientras que el consumo de combustible, la autoignición, la potencia y el torque del motor permanecen inalterados.    

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Reducción de emisiones

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