grasas animales para la elaboración de biodiesel

GRASAS ANIMALES PARA LA ELABORACIÓN DE BIODIESEL
Incertis D.1P; Bolta A.1; Pascual A.2
1 Departamento de Proyectos de Ingeniería, Innovación, Desarrollo y Diseño
Industrial y Rural. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad
Politécnica de Valencia.
2 Departamento de Medio Ambiente de AINIA (Instituto Tecnológico
Agroalimentario), Valencia
RESUMEN
El presente documento muestra un estudio de la viabilidad del uso de las grasas
animales en la producción de biodiesel. Se exponen las dificultades fundamentales
que afectan a su aceptación como materia prima, así como los problemas que se
derivan de su procesado. Finalmente se propone una metodología para minimizar
éstos problemas, así como otras alternativas de uso como componente del biodiesel.
ABSTRACT
The present document describes a study about the viability of using animal fats in
biodiesel production. Main problems that affect to its acceptation as raw material are
exposed, as well as some problems derived from its processing. Finally, a method for
minimising these problems is proposed, as well as other alternatives of use as
biodiesel component.
1.- INTRODUCCIÓN
1.1.- Definición de biodiesel
Según ASTM International (American Society for Testing and Materials), biodiesel se
define como: “Ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados
de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasa de animales, y que se
emplea en los motores de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas de
calefacción”.
1338
1.2.- Problemática del uso de grasas animales
En la actualidad, la producción de biodiesel pasa por un uso prácticamente total de
aceites vegetales, tanto nuevos, como de cocina usados. Sin embargo el uso de las
grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, podría ser una forma viable
de revalorización y aprovechamiento de residuos procedentes de mataderos e
industrias de transformación animal, más aún cuando el mercado de la grasa de
peor calidad, destinada a alimentación animal, ha perdido terreno tras la aparición
del “mal de las vacas locas” desde 1996. Hasta ahora se han realizado muy pocos
estudios referentes al uso de grasas animales para la producción de biodiesel. Las
causas del bajo interés suscitado por el uso de esta materia prima son:
•
La masiva producción de aceites vegetales, que crea excedentes, aparte
del porcentaje de producción de oleaginosas no destinadas a consumo
humano según se reguló en la reforma de la Política Agraria Común
(PAC), en 1992, que básicamente consiste en dejar un % mínimo de la
tierra de cultivo en barbecho pudiéndose cultivar únicamente si los fines
son no alimentarios.
•
La existencia de aceites vegetales alternativos, plantas oleaginosas más
adaptadas y productivas aunque no destinadas a consumo humano,
además de oleaginosas modificadas genéticamente como el aceite de
girasol de alto oleico.
•
El mercado abierto recientemente de recogida de aceites usados en
restaurantes e industrias de fritura, además de la fuente potencial de
aceites provenientes del sector doméstico.
•
Mayor dificultad e incomodidad en el manipulado y transporte de las
grasas animales debido a su estado de agregación a temperatura
ambiente.
•
Un peor comportamiento de las grasas durante el procesado en biodiesel,
como se verá posteriormente.
1339
•
No se alcanzan todas las especificaciones exigidas por las distintas
normativas, dependiendo de las condiciones en las que se ha llevado a
cabo la reacción.
•
Comportamiento problemático en los motores tanto en la inyección como
en el encendido en frío.
2.- PROCESO DE ELABORACIÓN DEL BIODIESEL
2.1.- La reacción de transesterificación
El biodiesel se obtiene por transesterificación de los triglicéridos de aceites y grasas
con alcoholes ligeros, especialmente metanol, aunque también se puede usar
etanol, en presencia de catalizadores ácidos (ácido sulfúrico), o básicos (NaOH,
KOH), o en presencia de enzimas. El esquema general de la reacción es:
R-COO-CH2
H2C-OH
R-COO-CH + 3 CH3OH
NaOH
3 R-COO-CH3 + HC-OH
R-COO-CH2
Grasa
H2C-OH
Ester Metílico
Metanol
Glicerol
Fig. 1. Reacción de Transesterificación
Como se puede observar, los reactivos o materias primas son grasas (vegetales o
animales) y metanol y los productos de reacción son el biodiesel (éster metílico) y
glicerol (o glicerina), que se trata de un subproducto revalorizable.
1340
2.2.- Las etapas del proceso
GRASA
PRE
CALENTADO
+
AGITACIÓN
FILTRADO
48-54
ºC
DECANTACIÓN
48-50
ºC
TRANSESTERIFICACIÓN
PRETRATAMIENTO
A continuación se expone el diagrama de flujo del proceso en una planta piloto:
CONTROL
Tª
ADICIÓN
METÓXIDO
SÓDICO
CONTROL
Tª - pH
CONTROL
Tª
LAVADO
37 ºC
SEPARACIÓN
GLICERINA
LAVADO
(AIREACIÓN)
FILTRADO
BIODIESEL
110 ºC
CONTROL
Tª
Fig. 2. Diagrama de flujo de elaboración de biodiesel.
2.3.- Especificaciones
La siguiente tabla muestra las especificaciones que ha de cumplir el biodiesel según
diferentes normas europeas y la ASTM norteamericana.
Propiedades del Biodiesel
Método
UE
Italia
Austria
ASTM
Acidez total
mg KOH/g
ISO 660
< 0.5
< 0.5
< 0.8
< 0.8
Metanol
% m/m
DIN51413.
< 0.3
< 0.2
< 0.2
< 0.2
Monoglicéridos
% m/m
GCL
< 0.8
< 0.8
-
-
Glicerina libre
% m/m
GCL
< 0.03
-
< 0.02
< 0.02
Glicerina total
% m/m
HPLC
< 0.25
-
< 0.24
< 0.24
Índice de Yodo
Cálculo
119
< 115
-
< 120
-
Fósforo
mg/kg
DIN 53241
< 10
< 10
< 20
-
Agua
mg/kg
ISO 6296
< 500
< 700
-
< 500
Densidad 15 ºC
g/l
-
860 – 900
860 – 900
850 –890
-
Viscosidad
mm2/s
-
3.5 - 5.0
3.5 - 5.0
3.5 - 5.0
1.9 – 6.0
Azufre
% m/m
-
< 0.01
< 0.01
< 0.02
< 0.05
Tabla 1. Propiedades del Biodiesel según diferentes normativas
1341
3.- IDENTIFICACIÓN DE LOS PROBLEMAS DE PROCESADO
A continuación se describe de forma esquemática los principales problemas que se
observan en la cadena de procesado de biodiesel, desde su almacenamiento, hasta
su utilización en un motor.
PROBLEMA
CAUSA
Aumento del nivel de ácidos grasos en la materia prima.
Almacenamiento prolongado a temperaturas superiores a
la de fusión de la grasa.
Reacción incompleta, separación poco definida de los
CONSECUENCIA
productos de reacción y niveles altos de glicerol total y
triglicéridos.
PROBLEMA
CAUSA
Pequeño rango de Ta donde es viable efectuar la reacción.
Alto punto de fusión de la grasa y bajo punto de
evaporación del metanol.
Problemas de mezclado a temperaturas inferiores a la de
CONSECUENCIA
fusión de la grasa y paro de reacción y toxicidad a
temperaturas superiores a la de evaporación del metanol
PROBLEMA
Poca definición en la interfase de separación de los
productos (éster y glicerina).
Parece ser debido principalmente a la presencia de sólidos
CAUSA
suspendidos en la grasa, que se acumulan en la interfase
durante la separación.
CONSECUENCIA
PROBLEMA
CAUSA
CONSECUENCIA
PROBLEMA
Pérdidas de éster durante los procesos de eliminación de
glicerina y de lavado.
Alto valor de CFPP (Cold Filter Plug Point o Punto de
Obturación del Filtro en Frío).
Alto contenido en ácidos grasos saturados.
Problemas de encendido del motor a bajas temperaturas.
Problemas con la inyección del combustible.
Contenido en aldehídos, cetonas, óxidos y ácidos de bajo
1342
peso molecular.
CAUSA
CONSECUENCIA
Oxidación de las cadenas de ácidos grasos.
Generación
de
olores
desagradables
durante
la
combustión del éster.
4.- METODOLOGÍA DE MINIMIZACIÓN DE PROBLEMAS
Una vez identificados los problemas en el procesado, se plantean las siguientes
soluciones para minimizar en la medida de lo posible sus consecuencias. Se indica
así mismo el grado de consecución (verde: alto; rojo: bajo)
PROBLEMA
Aumento del nivel de ácidos grasos en la materia prima.
Almacenamiento inferior a un mes en estado líquido tan
SOLUCIÓN
cerca del punto de fusión como sea posible (>40 ºC).
Almacenamiento prolongado en estado sólido.
PROBLEMA
Pequeño rango de temperatura donde es viable efectuar la
reacción.
Control exhaustivo de la temperatura en todo el proceso
SOLUCIÓN
mediante sensores y reguladores automáticos. Sistema de
vacío para disminuir la temperatura de reacción.
PROBLEMA
Poca definición en la interfase de separación de los
productos (éster y glicerina).
Filtrado previo y posterior a la reacción. No se obtienen los
SOLUCIÓN
resultados esperados. Se recomienda investigación de
otros métodos alternativos para la eliminación de éstos
sólidos.
PROBLEMA
Alto valor de CFPP (Cold Filter Plug Point o Punto de
Obturación del Filtro en Frío).
1343
SOLUCIÓN
PROBLEMA
SOLUCIÓN
Uso de lubricantes y anticongelantes. Disminuye el CFPP
pero sigue siendo demasiado elevado.
Contenido en aldehídos, cetonas, óxidos y ácidos de bajo
peso molecular.
Eliminación mediante arrastre de vapor durante el lavado.
Como se puede observar, los mayores problemas que impiden un uso óptimo de las
grasas animales tienen que ver con la presencia de partículas sólidas no
sedimentables y con el contenido elevado en ácidos grasos saturados. Las
soluciones planteadas disminuyen de forma parcial las consecuencias, aunque
actualmente no se consiguen resultados óptimos.
5.- ALTERNATIVAS
La mejor alternativa que se propone para la inclusión de las grasas animales en la
elaboración de biodiesel es la realización de la reacción de transesterificación
mezclando las grasas con aceites vegetales, tanto nuevos como usados, en
proporciones no superiores al 25 %. Con esto se asegura el cumplimiento de las
especificaciones que dictan las diferentes normativas, aunque dependiendo de qué
proporción de mezcla y del origen y naturaleza de los aceites vegetales empleados,
se obtendrá una mayor o menor eficiencia en el rendimiento del motor.
Otra alternativa que se propone es el uso de las grasas animales como aditivo del
biodiesel. Por razones que todavía se desconocen, cuando el contenido en agua de
un biodiesel se encuentra entre 600 y 1000 ppm, se ha demostrado que se reducen
las emisiones de NOx tras la combustión (1996, D. Bradin). La adición de cierta
cantidad de grasa a un biodiesel aporta la cantidad de agua necesaria para que se
ajuste a las concentraciones reseñadas.
1344
6.- CONCLUSIONES
Por todo lo visto anteriormente, se concluye que realmente es viable el uso de
grasas animales como materia prima para la elaboración de biodiesel y que su
inclusión en el incipiente mercado de este biocombustible puede ser inmediata
debido a la situación generada por la encefalopatía espongiforme bovina, siempre y
cuando se use como aditivo o en mezclas. No obstante, se aconseja la investigación
de los procesos de reacción de las grasas en su comportamiento a nivel molecular y
la búsqueda de aditivos que mejoren las propiedades del biodiesel.
7.- REFERENCIAS
B. Rice, A. Frohlich, R. Leonard, W. Korbitz. 1997, Bio-diesel Production based on
Waste Cooking Oil: Promotion of the Establishment of an Industry in Ireland. Alterner
Contract No. XVII/4.1030/AL/77/95/IRL, Teagasc (Agriculture and Food Development
Authority), Final Report.
M. Camps, F. Marcos. 2002, Los Biocombustibles, Ed. MundiPrensa. pág. 243-271;
301-334.
Mittelbach, M. 2000, Five key Success Factors for the Modern Multi-FeedstockBiodiesel Production Plant. Procedings of the 1 st World Conference and Exhibition on
Biomass for Energy and Industry, Sevilla.
G. Vicente, M. Martínez, J. Aracil. 2001, Biodiesel: Una alternativa real al gasóleo
mineral. Ingeniería Química, Marzo 2001, pág. 139-142.
CORRESPONDENCIA
Dª Adelina Bolta Escolano.
Departamento de Proyectos de Ingeniería, Innovación, Desarrollo y Diseño Industrial
y Rural. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales.
Universidad Politécnica de Valencia.
Camino de Vera s/n. 46071 Valencia (España).
Tfno. 96 3879863 EXT.75684
FAX. 963877179
e-mail: [email protected]
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