Biodiesel: producción y control de calidad.

BIODIESEL: PRODUCCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD
Carlos A. Querini
Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica (INCAPE) – (Fac. Ing. QuímicaUNL, CONICET) – Santiago del Estero 2654 - (3000) Santa Fe
Introducción
El biodiesel es un combustible obtenido por reacción entre un aceite o una grasa y un
alcohol. La reacción es catalizada por un álcali, típicamente hidróxido de sodio o de
potasio. Este combustible es adecuado para ser utilizado en motores diesel, ya sea puro
o en mezclas con gas oil.
Este combustible se ha estado usando en diferentes partes del mundo desde hace
varios años. La necesidad de no depender fuertemente de los derivados del petróleo,
motivó que se considerara el uso de los combustibles obtenidos por recursos renovables
como una alternativa. Los vaivenes en la producción, distribución, y costos del petróleo, y
por lo tanto sus derivados, motivan el creciente interés en los biocombustibles, como el
bioetanol y el biodiesel. Adicionalmente, estos últimos presentan una enorme ventaja
respecto de los combustibles derivados del petróleo, cual es el notablemente inferior
impacto ambiental, debido a la prácticamente nula producción neta de los gases de efecto
invernadero (dióxido de carbono).
La legislación de la Unión Europea establece que para el año 2010, todo el gasoil que
se consuma en Europa, debe contener 10% de biodiesel. La producción y consumo de
biodiesel ha crecido notablemente en el mundo en los últimos años. En Argentina se
encuentra en análisis un proyecto de ley, que otorga beneficios a los proyectos de
producción de biocombustibles, y tiene el objetivo de reemplazar el 5 % del gasoil con
biodiesel.
Procesos de producción
El uso de materias primas tradicionales, de baja acidez, como los aceites de soja,
girasol, colza, maíz, etc, conducen a la producción de un combustible de mayor precio que
el gasoil derivado del petróleo. No obstante, razones ambientales y estratégicas han dado
a este combustible creciente importancia, y debido a su gran disponibilidad y la presencia
de incentivos fiscales, estas materias primas han sido las más mas usadas para producir
el biodiesel en gran escala.
Oleina
A=60
MeOH
Recuperación
MeOH
Fase MeOH
Reacción
(SO4H2)
Decantac
Fase MeOH
A=20
Reacción
MeOH (SO4H2)
Decantac
A=2
Reacción
NaOH
MeOH
Recuperación
Metanol
Biodiesel
Evap
Lavado
Esquema 1: diagrama de flujo, para la producción de biodiesel a partir de materiales de
alta acidez.
No obstante, existen opciones para producir el biodiesel con costos competitivos, en
unidades de producción de baja escala, a partir de materias primas alternativas de menor
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Workshops
valor, y en general de mayor acidez. Estos materiales de menor valor económico son por
ejemplo aceite usado de cocina, grasas ácidas, grasas marrones, grasa de pollo, etc.
Debido a su alta acidez, no pueden ser usados en el proceso de catálisis alcalina. En
nuestros laboratorios, hemos desarrollado metodologías para usar este tipo de materias
primas para la producción de biodiesel. Estos procesos involucran la combinación de
catálisis ácida y catálisis alcalina. En la primera etapa, la materia prima, compuesta de
ácidos grasos y triglicéridos (aceite o grasa), se reacciona con metanol y ácido sulfúrico
como catalizador. Esta etapa, puede requerir mas de un paso de reacción, dependiendo
de la acidez inicial del material. Una vez que se logra reducir la acidez a valores inferiores
a 2, se puede proceder con la catálisis alcalina convencional. En la primera etapa, se
transforman los ácidos grasos en biodiesel, y en la segunda los triglicéridos en biodiesel.
En el esquema 1 se muestra la secuencia operativa.
De hecho que el proceso es mas costoso que el convencional, por requerir mayor
tiempo de reacción, y equipamiento adicional. Pero este costo se compensa con el hecho
de aprovechar materiales de muy bajo costo, en muchos caso residuales de diferentes
industrias (frigoríficas, procesamiento de aceites, etc).
Experiencias en Argentina
En Argentina la producción de biodiesel comenzó alrededor del año 2000, cuando los
precios relativos del aceite y del gasoil permitían producir el biodiesel con márgenes de
ganancias atractivos. Así surgieron varios emprendimientos, que se presentan en la tabla
siguiente.
Tabla 1: emprendimientos para fabricación biodiesel, con producción esporádica.
Empresa-Institución
Ubicación
Capacidad Aproximada
Escuela Agropecuaria
Tres Arroyos (Bs As)
300 ton/año
Grutasol SA
Villa Astolfi (Bs As)
10000 ton/año
Nameco SRL
Villa Bosch (Bs As)
120 ton/año
Quimica Nova SRL
Caimancito (Jujuy)
10000 ton/año
Biofe
Esperanza (Sta Fe)
10000 ton/año
Ricedal SA-Oilfox SA
Chabas (Sta Fe)
10000 ton/año
Dirección Vialidad
Paraná (Entre Ríos)
300 ton/año
En general en estas plantas, se procesaba aceite de soja, con procesos discontínuos,
excepto la empresa Biofe, que instaló una planta de procesamiento contínua. Esta
empresa también procesó grasa proveniente de una industria de cueros, durante un año
aproximadamente.
La producción de biodiesel con materiales de alta acidez, ha sido implementada
utilizando el esquema mostrado arriba, en varias empresas. En la tabla 2 se muestran
algunas de las materias primas que se transformaron en biodiesel, y la acidez inicial de las
mismas.
Tabla 2: materias primas usadas en la producción de biodiesel
Materia Prima
Aceite de coco
Grasa vacuna
Ac. soja usado
Oleínas
Grasa Pollo
Desgomado Ac. soja
Desgomado Girasol
Aceite Algodón
Aceite Maní
Acidez inicial
12
17
15
55
65
65
65
16
10
Control de Calidad
En la empresa Bosch se realizó un detallado estudio sobre los problemas causados por
el biodiesel en Alemania en los últimos años, donde el consumo pasó de 550.000
toneladas en 2002, a 900.000 toneladas en 2003 (1). Las fallas reportadas en motores
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Workshops
adecuados para el uso de biodiesel, estuvieron relacionadas con la falta de calidad del
combustible, lo que destaca la importancia del control de calidad del biodiesel y la
observación de las normas que especifican los parámetros del mismo. Este es un aspecto
clave que determina el funcionamiento y vida útil de los equipos de inyección de
combustibles en motores diesel (1).
Cada falla de motores producida por el biodiesel contribuye a una insatisfacción de los
consumidores, que ayuda a destruir la positiva imagen pública del biodiesel, por lo que se
debe asegurar que la calidad del producto sea adecuada.
Estándares de calidad
Todos los motores han sido diseñados y fabricados para un combustible que tenga
determinadas características. En Argentina, el organismo que define estas características
es el Instituto de Racionalización Argentino de Materiales (IRAM). El IRAM, en la norma
6515-1 (Octubre 2001) establece los requisitos y métodos de ensayos para el biodiesel,
para ser comercializado y suministrado en nuestro país como combustible para vehículos
automotores equipados con motores diesel, al 100% de concentración, o como aditivo del
gasoil para uso automotor, cumpliendo con la norma IRAM de dicho combustible.
Los países que utilizan el biodiesel, han dictado sus propias normas. En la Tabla 3 se
comparan los estándares de diferentes países. Por motivo de espacio no se incluyen
otras normas ya en vigencia, como la Suiza (SS155436, del 27-11-96) o la Checoslovaca
(CSN 656507, del año 1998, modificatoria de la versión 1994). La Europea, junto con la
norma IRAM son las únicas que establecen un parámetro específico para medir la
estabilidad a la oxidación, fijando en ambos casos el valor de 6 h a 110�C. Ambas fijan
también el contenido máximo de esteres de ácido linoleico y de mayor grado de
insaturación. La norma europea sustituye las otras normas en vigencia de los países de la
unión, imponiendo restricciones más fuertes en la calidad del biodiesel.
Tabla 3: Estándares y especificaciones de biodiesel
Norma
Fecha
3
Densidad 15�C g/cm
20�C
Viscosity 20�C cSt
40�C
Punto Ignición �C
POFF verano �C
invierno
PE verano �C
invierno
Azufre total %P
CC 100% %P
10% res. destilado
Ceniza sulfat %P
Cenizas %P
Agua mg/Kg
Impureza total mg/Kg
Corrosión-Cu
3h/50�C
Número Cetano
N�
Neutralización
mgKOH/g
Estabilidad Oxidación
110�C h
Metanol %P
N� Saponificación mg
KOH/g
Contenido
Esteres
%P
Triglicérido %P
Diglicérido %P
Monoglicérido %P
Glicerina combinada
%P
Austria
ONORM
C1191
Enero/96
0.85-0.89
3.5-5.0
� 100
�0
� -15
-� 0.02
� 0.05
� 0.02
(2)
-
Alemania
DIN V 51606
-
Sept 97
0.875-0.9
3.5-5.0
� 100
�0
� -20
� 0.01
� 0.3
� 0.03
� 0.01
� 300
� 20
1
Abril/93
0.86-0.90
3.5-5.0
� 100
�0
� -15
� 0.01
� 0.5
� 700
-
Francia
Journal
Officiel
(5)
Sep 97
� 200
-
� 48
� 0.80
� 49
� 0.50
� 0.50
-
-
� 0.20
-
(7)
Italia
CUNA
Europea
EN 14214
USA
ASTM
(1)
6751
Dic./01
-
Argentina
D- IRAM 6515
3.5-5.0
� 120
1.9-6.0
� 100
-
3.5-5.0
10 mg/kg
� 0.05
� 0.05
10 mg/kg
2003
0.86-0.90
� 0.3
� 0.02
Oct/01
0.86-0.9
� 0.3
� 0.02
� 500
� 24
1
� 0.02
� 0.05%
< N� 3
� 500
� 24
1
� 49
� 1
� 51
� 0.50
� 40
� 0.80
� 50
� 0.50
-
-
6
� 0.30
-
� 0.20
� 170
� 0.10
-
� 0.20
-
-
� 98
� 96.5
� 96.5
-
� 0.1
� 0.1
� 0.8
-
� 0.1
� 0.2
� 0.8
-
� 0.8
-
� 0.2
� 0.2
� 0.8
(3)
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Workshops
6
(8)
-
� 0.20
-
� 96.5
-
� 0.2
� 0.2
� 0.8
(8)
Glicerina libre %P
Glicerina Total %P
Número Iodo
Fósforo mg/Kg
Metales
alcalinos
mg/Kg
�
�
�
�
-
0.02
0.24
(4)
120
20
� 0.02
� 0.25
� 115
� 10
<5
� 0.05
� 10
-
�
�
�
�
(1)
0.25
115
10
5
� 0.02
� 0.25
� 120
� 10
�
5
(Na+K)
�5(Ca+Mg
� 0.02
� 0.24
-
� 0.02
� 0.25
� 10
� 5(Na+K)
basado en la norma provisional PS121-99, de julio de 1999.
libre de agua separada
libre de sólidos
(4)
contenido de ácido linoleico (C18:3) y otros de 3 o mas insaturaciones � 15%P
(5)
previamente norma de Dic. 93
(6)
versión anterior de Nov./94
(7)
versión anterior Junio/94
(8)
esteres de ácido linoleico � 12%P, esteres de poliinsaturados (>= 4 dobles ligaduras) � 1%P
POFF: punto obturación filtro en frío, PE: punto escurrimiento, CC: carbón conradson
(2)
(3)
Se puede observar que no existen grandes diferencias entre los estándares, en aquellos
parámetros que han sido especificados. La mayor diferencia, se da entre las normas al no
fijarse los valores de algunas de las propiedades del combustible. Por ejemplo la norma
ASTM no establece valores de referencia para la estabilidad a la oxidación, el número de
yodo, y el contenido de metales alcalinos. Argentina ha adoptado en general los valores
más estrictos, ya sea dado por la norma ASTM o la EN.
Proceso de producción y calidad del combustible
Los aspectos más importantes en la producción de biodiesel para asegurar una
operación libre de problemas de los motores diesel son: reacción completa; remoción de
glicerina; remoción de catalizador; remoción de alcohol; ausencia de ácidos grasos libres
Si alguno de estos aspectos no se logra adecuadamente cumpliendo las
especificaciones, se presentan diferentes tipos de problemas en el motor, tales como
formación excesiva de jabones, formación de depósitos en la boquillas de inyección,
corrosión, etc. Otros aspectos, tales como la remoción del metanol, son de importancia
desde el punto de vista del manipuleo seguro del combustible.
Comentarios finales
La producción de biodiesel a partir de materias primas diversas es factible técnica y
económicamente, incluyendo emprendimientos en baja escala. Esto abre una oportunidad
para un gran número de pequeñas y medianas empresas, así como para productores
agropecuarios que deseen producir su propio combustible disponiendo de una amplia
gama de posibles materias primas.
El control de calidad es necesario a fin de lograr un funcionamiento adecuado de los
motores, fundamentalmente a largo plazo.
Referencias
1- C.A. Boldo, Jorg Ullmann, Seminario Internacional de Biodiesel, Curitiba 24-26, Octubre 2002.
2- British Association of Biofuels and Oils (BABFO)
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