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El biodiésel
en la historia
E
l biodiésel se obtiene por medio del
proceso de transesterificación, también
llamada alcohólisis, que es la reacción
de una grasa o aceite con un alcohol
(metanol o etanol) para formar ésteres
y glicerol. Estos ésteres son conocidos como biodiésel. El proceso de transesterificación permite que el
biodiésel sea apto para su uso en motores diésel.
El biodiésel es un combustible limpio, biodegradable, no tóxico, renovable, que no contiene azufre
y no necesita que se hagan adaptaciones al motor
diésel convencional (Berrios y Skelton, 2008).
Rudolf Diesel presentó el prototipo
del motor diesel en 1900 en la
Exposición Mundial de París
¿Sabías que se puede
obtener bodiésel de la
higuerilla?.
La utilización de los biocombustibles líquidos
(combustibles que provienen de la biomasa), entre
ellos el biodiésel, es tan antigua como la de combustibles de origen fósil y de los motores de combustión.
Hace más de 100 años Rudolf Diesel diseñó el prototipo del motor que lleva su nombre y lo presentó
en la Exposición Mundial de París (1900); ya estaba
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previsto que funcionara con aceites vegetales. De hecho, las primeras pruebas se hicieron con aceite de
cacahuate.
Cuando el petróleo irrumpió en el mercado, éste
era barato y de fácil disponibilidad. Ello determinó
que uno de sus derivados, el gasóleo, rápidamente se
convirtiera en el combustible más utilizado en el
motor diésel (García Ongallo et al., 2008).
El uso de biocombustibles
es tan antiguo como el de
combustibles de origen fósil
La crisis de los recursos petrolíferos de los años
setenta, los ochenta y principios de los noventa, así
como la búsqueda de la seguridad energética, y más
recientemente los problemas ambientales —como la
necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto
invernadero que propician el calentamiento global—, han sido los motores principales de la producción y uso de los biocombustibles, y del biodiésel en
particular.
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El consumo de gasolina y
diésel es una de las
fuentes de emisiones de
CO2.
¿Quién fue
Christian Karl Diesel?
R
udolf Christian Karl Diesel (París,
1858-Canal de la Mancha, 1913)
fue un ingeniero alemán que vivió
en París hasta 1870, fecha en que,
tras el estallido de la guerra franco-prusiana, su familia fue deportada a Inglaterra.
Desde Londres fue enviado a Augsburgo, donde
continuó con su formación académica hasta ingresar
en la Technische Hochschule de Munich, donde estudió ingeniería bajo la tutela de Carl von Linde. En
1880 se unió a la empresa que Von Linde poseía en
París.
Rudolf Christian Karl Diesel
concibió una idea que revolucionaría
el mundo del transporte
Diesel fue visto por última
vez viajando a Londres,
Inglaterra.
Su primera preocupación en materia de motores
fue el desarrollo de un motor de combustión interna cuyo rendimiento energético se aproximara lo
máximo posible al rendimiento teórico de la máquina ideal propuesta por Carnot. En 1890, año en
que se trasladó a Berlín para ocupar un nuevo cargo
en la empresa de Von Linde, concibió la idea que a la
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postre se traduciría en el motor que lleva su nombre.
Obtuvo la patente alemana de su diseño en 1892, y
un año después publicó, con el título Theorie und
Konstruktion eines rationellen Wäremotors, una detallada
descripción de su motor.
Con el patrocinio de la Maschinenfabrik Augsburg y de las industrias Krupp, Diesel produjo una
serie de modelos cada vez más eficientes que culminó en 1897 con la presentación de un motor de
cuatro tiempos capaz de desarrollar una potencia de
25 caballos de vapor. La alta eficiencia de los motores Diesel, unida a un diseño relativamente sencillo,
se tradujo rápidamente en un gran éxito comercial.
Diesel se incorporó
a la empresa de Von Linde
en 1890
Diesel se distinguió también como sociólogo,
lingüista y experto en arte. Fue visto por última vez
en la cubierta del vapor Dresden en ruta hacia el
Reino Unido a través del Canal de la Mancha, por
lo que se asumió su fallecimiento en alta mar a causa de un accidente el 29 de septiembre de 1913.
Rudolf Christian Karl
Diesel.
Con el tiempo los motores
de diésel se hicieron más
compactos.
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La química
y el biodiésel
H
H
C
Ácido graso
H
C
Ácido graso
H
C
Ácido graso
H
Triglicérido
Un triglicérido es una
molécula de aceite con
tres ácidos grasos
adheridos a un glicerol.
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
Glicerina
Los ácidos grasos son
reemplazados por
alcoholes formando una
molécula de glicerina.
L
o que sigue es un breve resumen de la
química detrás de la producción del
biodiésel. Entender bien las varias reacciones químicas nos dará una mejor idea
de los productos a obtener. Cada molécula de aceite, o cualquier forma de grasa, consiste
de una molécula de glicerina añadida a tres ácidos
grasos por medio de un grupo de esteres, llamado
triglicérido.
La palma africana contiene
ácido palmítico y el aceite de soya
tiene ácido oleico
Muchas veces se pueden encontrar moléculas de
glicerina pegadas a sólo uno o dos ácidos grasos;
éstos son llamados diglicéridos y monoglicéridos.
También existen ácidos grasos que no están pegados
a una molécula de glicerina, a éstos se les llama ácidos grasos libres (ffa, por sus siglas en ingles). Las
grasas están compuestas de varios tipos de ácidos
grasos. Por ejemplo, la palma africana contiene ácido palmítico, mientras que el aceite de soya tiene
ácido oleico.
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Nombre del ácido
Notación
Fórmula molecular
ácido láurico
C12:0
C12H24O2
ácido mirístico
C14:0
C14H28O2
ácido palmítico
C16:0
C16H32O2
ácido esteárico
C18:0
C18H36O2
ácido oleico
C18:1
C18H34O2
ácido linoleico
C18:2
C18H32O2
ácido arachídico
C20:0
C20H40O2
ácido behénico
C22:0
C22H44O2
ácido erueico
C22:1
C22H42O2
H H H H H H H H
H3C C C C C C C C C
H H H H H H H
H H H H H H H H
O
C C C C C C C C C
H H H H H H H OH
Fórmula desarrollada y
modelo molecular 3D del
ácido oleico.
ácido oleico
La reacción del biodiésel ocurre cuando el alcohol reemplaza a uno de los grupos de ésteres en la
glicerina, convirtiendo un triglicérido en un diglicérido y una molécula de biodiésel. Este tipo de
reacción, donde un alcohol sustituye a un ester, se
llama transesterificación. La reacción continúa al
reemplazar en cada uno de los grupos alcoholes cada
molécula de grasa en tres de biodiésel y una de glicerina. En condiciones normales, esta reacción ocurre muy despacio. Para dar paso a una reacción más
rápida, se necesita calor y un catalizador. La reacción
puede ser catalizada por un ácido o una base. El método más común usa el hidróxido de sodio (NaOH)
o el hidróxido de potasio (KOH).
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Puedes encontrar ácido
palmítico en la palma
africana.
O
R C O
O
CH2
R C O
O
CH
R C O
CH2
CH2OH
+
catalizador
O
3 R C O
3 CH3OH
METANOL
CH3
BIODIÉSEL
(éster metílico)
+
CH2OH
CH2OH
GLICEROL
(subproducto)
TRIGLICÉRIDO
R= depende del tipo de ácido graso
Reacciones secundarias
En conjunto con la deseada reacción del biodiésel,
hay muchas más reacciones que pueden ocurrir con
varios contaminantes en el aceite. Los contaminantes en el aceite, ya sea agua o ffa, pueden producir
efectos no deseados, siendo uno de éstos el jabón.
NaOH y KOH reaccionan con el agua y los ácidos
grasos libres para producir jabón. Dado que demasiado jabón en el biodiésel puede producir una
emulsión, un paso importante en la producción del
biodiésel es asegurarse de que la cantidad de agua es
lo suficientemente baja como para evitar la producción de jabones.
Selección de reactivos
El agua y los ácidos grasos
libres en el biodiésel
producen jabón.
Alcoholes. El metanol y el etanol pueden ser usados
para producir el biodiésel; aunque el etanol es mucho menos tóxico que el metanol, tiene que ser usado en su forma pura, totalmente deshidratada, la cual
es más cara de obtener. La reacción con el metanol
no requiere tanto secado; siempre es mejor usar el
aceite lo más seco posible, pero un poco de agua no
arruinará la reacción; tal vez resulte en una mayor
producción de jabón y posiblemente retarde la reacción un poco, pero aún es posible producir biodiésel
de buena calidad.
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Elementos cáusticos. El NaOH, también conocido como sosa cáustica, es más barato y generalmente más fácil de conseguir. El KOH, también conocido como potasa cáustica, tiene varias ventajas. Una
de ellas es que se disuelve más fácilmente en el metanol. Otra es que el producto secundario, el glicerol, es menos tóxico al desechar, dado que el potasio
es un nutriente para la tierra, mientras el sodio en su
forma cáustica es tóxico para la misma.
El biodiésel puede ser
producido a partir del etanol
y el metanol, de los cuales el etanol
es el menos tóxico
Imagen de una explosión de
sodio en contacto con agua.
La glicerina derivada de la potasa también se
mantiene líquida, aun en temperaturas frías, mientras que la glicerina derivada de la sosa se solidifica
muy pronto y es casi imposible de drenar. Finalmente, la potasa cáustica es más tolerante hacia el contenido de agua.
El metanol y etanol pueden ser
usados para producir el
biodiésel.
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Tiempos y temperaturas
de procesamiento
La reacción estándar del
biodiésel se lleva a cabo a
unos 55 ºC.
La reacción estándar del biodiésel se lleva a cabo a unos 55 ºC, y es mezclada
por lo menos durante una hora. El calor adicional ayuda a que la reacción
proceda más rápido. Sin embargo, es
importante no llevar la reacción a una
temperatura tan alta que cause que el
metanol se evapore, a menos que la reacción se lleve a cabo en un recipiente seguro.
La mayoría de los productores caseros dejan que
el proceso de reacción tome más tiempo para estar
seguros de tener una reacción completa.
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¡Hazlo tú!
E
n esta sección te enseñaremos un procedimiento sencillo para producir biodiésel a partir de aceite virgen.
Materiales
• Equipo de seguridad: bata, guantes, lentes
y máscara facial.
• Reactivos: aceite de cocina (virgen) y metanol.
• Catalizador: hidróxido de sodio (sosa).
• Termoagitador con un vaso de precipitado
y mezclador (puedes reemplazarlo por una
licuadora).
• Báscula.
• Matraz (equivalente a una jarra medidora).
Importante
Debes tener mucho cuidado porque el metanol es
tóxico y el hidróxido de sodio (sosa) es corrosivo.
Procedimiento
1. Vierte el aceite en el contenedor.
NOTA: Para un litro de aceite se utilizan 200 ml de
metanol y 3.5 g de sosa. En este caso se utilizaron
17
800 ml por el tamaño del contenedor. Si el contenedor es mayor a un litro o menor se pueden ajustar las
concentraciones con una simple regla de 3.
Para este ejemplo se utilizan 800 ml de aceite.
Entonces:
1 litro de aceite
200 ml de metanol
x
800 ml de aceite
x=
800 ml de aceite £ 200 ml de metanol
1 litro de aceite o 1000 ml de aceite
x = 160 ml de metanol
Primero, vierte el aceite en
el contenedor.
1 litro de aceite
3.5 g de sosa
x
800 ml de aceite
x=
800 ml de aceite £ 3.5 g de sosa
1 litro de aceite o 1000 ml de aceite
x = 2.8 g de sosa
2. El aceite se agita y se calienta entre 50 y 55 ºC.
3. Se mezclan el metanol y la sosa para formar el
metóxido. La sosa se pesa y el metanol se mide,
conforme a las cantidades necesarias.
Calienta el aceite.
Pesa la sosa.
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4. El metóxido se vierte en el aceite caliente; es
necesario revisar que la temperatura no suba
de 65 ºC porque el metanol se evapora, y que
no baje de 50 ºC porque la reacción se suspende.
Revisa la temperatura, que
no suba de 65 ºC y que no
baje de 50 ºC.
5. Se deja reaccionar la mezcla por una hora.
La sosa y el metanol
mezclados forman el
metóxido.
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6. Después de la hora se detiene el mezclado para que la mezcla repose y se separe
en biodiésel (fase ligera) y glicerina (fase
pesada).
7. Se separa la glicerina del biodiésel.
8.Es necesario retirar el metanol del biodiésel,
ya que afecta su calidad. Para esto se calienta el
biodiésel arriba de 65 ºC hasta que se evapore.
Déjalo calentar hasta que deje de burbujear.
Separa la glicerina
del biodiésel.
Calienta.
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9.Para finalizar, el biodiésel se tiene que lavar
para retirarle los restos de impurezas como jabones, triglicéridos que no reaccionaron, glicerina, etc. Para el lavado, el biodiésel se mezcla
con la mitad de su volumen de agua. Se agita y
se deja que se separen. Un biodiésel de calidad
no tiene problemas para separarse del agua. Se
lava de dos a tres veces.
10. Se retira el agua del biodiésel y lo que queda,
gracias a la magia de la química, está listo para
ser usado en motores diésel únicamente.
NOTA: Este procedimiento funciona sólo con aceites vírgenes (es decir, aquellos con una acidez menor
al 3%). Sin embargo, no se asegura que el biodiésel
producido cumpla con los estándares de calidad para
motores a diésel.
Mezcla el biodiésel
con agua.
¡Listo! Haz hecho biodiésel
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¿Pará qué sirve
el biodiésel?
E
n México el diésel se utiliza tanto en el
sector transporte como en el agropecuario. De toda la energía que consumimos en México, casi la mitad tiene
que ver con el transporte (48%) (Sener,
2011). Se sabe que el petróleo ya se usaba desde hace
unos 6000 años, aunque para fines muy diferentes a
los actuales. En el pasado se usaba para pegar ladrillos
y piedras o para engrasar pieles. Actualmente lo usamos como energético para satisfacer necesidades básicas (por ejemplo alimentación, salud) y no básicas
(ver televisión). Desde que se descubrió que era posible obtener una variedad muy grande de productos
con el petróleo, el ser humano pensó que éste, además de barato, era inagotable.
En el pasado el petróleo se
usaba para pegar ladrillos y piedras
o para engrasar pieles
El diésel se utiliza tanto en
el sector transporte como
en el agropecuario.
La dependencia hacia los hidrocarburos es tal
que, por ejemplo en México, un poco más del 90%
de toda la energía que consumimos se produce con
petróleo o derivados del mismo, siendo el sector
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transporte el que más consume energía, con casi
50% del total. Dentro de este sector, los combustibles que prácticamente abarcan todo el consumo
son la gasolina y el diésel. Según el balance energético de la Sener (2011), en 2010 el diésel ocupó el
tercer lugar en el consumo energético del país, lo
que representa una demanda aproximada de 22 318
millones l/año. En México también se usa en el sector comercial, doméstico, industrial y en la agricultura para la generación de energía mecánica.
Un poco más del 90%
de la energía que consumimos
se produce con petróleo
Es en este contexto donde el biodiésel cobra importancia, ya que su principal aplicación es como
sustituto total o parcial del diésel como combustible.
El biodiésel puede usarse puro o mezclado en diferentes proporciones con el diésel, puesto que sus
propiedades son muy similares; como ejemplo están
las mezclas denominadas B2 (98% diésel, 2% biodiésel) y B5 (95% diésel, 5% biodiésel), y el B100 (biodiésel puro). Para la producción industrial del bio-
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El petróleo se ha usado
desde hace más de
6 000 años.