Optimización de la síntesis de biodiesel a través de nanotecnología.

Optimización de la síntesis de
biodiesel a través de
nanotecnología.
Rocío Deza - Yusef Saife
Docente: Laura del Valle Pereyra
Instituto Ntra. Sra. de la Consolación
Tafi Viejo , Tucumán
Introducción
Estamos convencidos que la nanotecnología es la ciencia del futuro ya que permite transformar las propiedades de la materia de pequeña a gran escala, y esta posibilidad genera un rango de infinitas aplicaciones para
la humanidad. El desarrollo de la nanotecnología ha permitido descubrir los cambios revolucionarios que sufre
la materia a escala nanométrica (10-9m). La física y la química clásica estudiaron la materia y sus propiedades,
y a partir de este estudio se desarrolló la tecnología que hoy conocemos. El cambio radical de las propiedades
de la materia a escala nanométrica (ya sean ópticas, magnéticas, químicas, eléctricas, etc.) supondría una total
revolución tecnológica gracias a la obtención de nanomateriales que podrían ser utilizados en cualquier área y
con cualquier fin, como por ejemplo para mejorar el rendimiento en la producción de biocombustibles, ya que
consideramos que su optimización es crucial para el desarrollo de las energías limpias.
Desde mediados del siglo XX, con el incremento de la población, la extensión de la producción industrial y el
uso intensivo de tecnologías, comenzó a acrecentarse la preocupación por el empobrecimiento de las reservas
de petróleo y el desgaste ambiental. Desde entonces, se promovió el desarrollo de energías alternativas basadas en recursos naturales renovables y mucho menos contaminantes, como la luz solar, las mareas, el agua, y
finalmente la bioenergía proveniente de los biocombustibles, tema en que nos centraremos.
Al comenzar esta investigación, nos contactamos con personas íntimamente relacionadas con dicha área en
nuestra provincia (Tucumán) y surgió la inquietud de conocer más la posible relación entre la nanotecnología
y los beneficios que podría aportar al campo de las energías alternativas (biodiesel).
Somos conscientes de la crisis energética actual y como jóvenes nos sentimos en compromiso de participar de
forma activa para revertir esta situación, y en esta ocasión, observamos que la nanotecnología nos da nuevas
esperanzas para su mejor desarrollo.
Biocombustibles
Definición
Los biocombustibles o biocarburantes son aquellos combustibles producidos a partir de la biomasa (toda la
materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación
natural o artificial) y que son considerados, por tanto, una energía renovable. Se pueden presentar tanto en
forma sólida (residuos vegetales, fracción biodegradable de los residuos urbanos o industriales) como líquida
(bioalcoholes, biodiésel) y gaseosa (biogás, hidrógeno).
Historia
Los biocombustibles no son tan nuevos como se cree, sino que nacieron casi en paralelo con los combustibles
fósiles y los motores a combustión.
Hace más de 100 años Rudolf Diesel creó un prototipo de motor que utilizaba aceite de cacahuate o maní que
luego derivó en el gasóleo pero como el petróleo era más fácil y económico de obtener se comenzó a utilizar
este combustible fósil.
En 1908 Henry Ford en su modelo T usaba etanol en sus principios. Otro proyecto interesante para la época es
que la compañía Standard Oil en el periodo de 1920 a 1924 vendía una gasolina con un 25% de etanol, pero
los altos costos del maíz volvieron inviable económicamente este producto.
En la década del 30, Ford y otras personas trataron de reflotar la fabricación de biocombustibles por eso construyeron una planta de biocombustibles en Kansas que elaboraba alrededor de 38.000 litros diarios de etanol
en base al uso del maíz como materia prima. En esta época más de 2000 estaciones de servicio vendían este
producto.
En los años 40 se debió cerrar esta planta ya que no podía competir con los precios del petróleo.
En la década del 70 como consecuencia de la crisis del petróleo, EEUU comienza nuevamente a mezclar gasolina y etanol dando un importante auge a los biocombustibles, que no ha parado de crecer desde estos años
hasta la actualidad en este país pero también en Europa.
Hasta mediados de los 80 se trabajaba y experimentaba en biocombustibles de primera y segunda generación
basados en cultivos alimenticios, pero surgieron diversos sectores que advirtieron del peligro de utilizar alimentos para fabricar combustibles.
Ante esta situación se comenzó a buscar materias primas alternativas que no afecten la seguridad alimentaria
como algas y otras vegetales que no son comestibles dando origen a los biocombustibles de tercera generación.
Materias primas para biocombustibles y sus derivados
Primera generación (tecnologías completamente comercializadas)
Materia prima
Derivado
Maíz, caña de azúcar, melazas y mijo
Etanol
Aceite de soja y otros vegetales, grasa reciclada, Biodiesel
sebo de res
Segunda generación (tecnologías incipientes para biocombustibles)
Materia prima
Residuo agrícola, incluyendo rastrojo de
maíz, paja de trigo y arroz, estiércol y bagazo
(residuo de la caña de azúcar y tallos de sorgo)
Biomasa forestal, incluyendo residuos de la explotación forestal, madera
Desechos de madera y terraplenes urbanos
Plantas herbáceas, caña de alpiste, sorgo azucarado, alfalfa
Cultivos forestales de corta duración, incluyendo sauce, álamo híbrido, pino álamo, pino
sicómoro, eucalipto
Derivado
Metano, etanol celulósico
Etanol celulósico
Metano, etanol celulósico
Etanol celulósico
Etanol celulósico
A continuación se desarrollará el tema del biodiesel ya que se encuentra con mayor potencial de desarrollo en
la provincia de Tucumán.
Biodiésel
Definición
El biodiesel es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites
vegetales o grasas animales, nuevos o usados, mediante procesos industriales de transesterificación. El producto obtenido es muy similar al gasóleo obtenido del petróleo (también llamado petrodiesel) y puede usarse
en motores de ciclo diesel, aunque algunos motores requieren modificaciones.
Propiedades
Límites
Propiedad
Unidad
Mínimo
Contenido en éster a
% (m/m)
96,5 b
Densidad a 15ºC c
kg/m2
860
Máximo
Método de ensayo
EN 14103
900
EN ISO 3675
EN ISO 12185
Viscosidad a 40ºC d
mm2/g
3,50
Punto de inflamación
ºC
120
Contenido de azufre
mg/kg
-
5,00
-
EN ISO 3104
prEN ISO 3679 e
10,0
prEN ISO 20846
prEN ISO 20884
Resíduo de carbón
% (m/m)
-
0,30
EN ISO 10370
(en 10% de residuo destilado) f
Índice de cetano g
51,0
EN ISO 5165
Contenido de cenizas sulfatadas
% (m/m)
-
0,02
Contenido en agua
mg/kg
-
500
EN ISO 12937
Contaminación total h
mg/kg
-
24
EN 12662
Corrosión de la tira de cobre
Clasificación
Clase 1
ISO 3987
EN ISO 2160
(3h a 50ºC)
Estabilidad a la oxidación 110ºC
Horas
6,0
-
EN 14112
Índice de ácido
mg KOH/g
Índice de yodo
g de yodo/100g
Éster de metilo de ácido linoléico
% (m/m)
12,0
Ésteres de metilo poli-insaturados i
% (m/m)
1
0,50
120
EN 14104
EN 14111
EN 14103
(> = a 4 dobles enlaces)
Contenido de metanol
% (m/m)
0,20
EN 14110
Contenido en monoglicéidos
% (m/m)
0,80
EN 14105
Contenido en diglicéridos
% (m/m)
0,20
EN 14105
Contenido en triglicéridos j
% (m/m)
0,20
EN 14105
Glicerol libre j
% (m/m)
0,02
EN 14105
EN 14106
Glicerol total
% (m/m)
0,25
EN 14105
Metales del grupo I (Na+K) K
mg/kg
5,0
EN 14108
EN 14109
Metales del grupo II (Ca+Mg) l
mg/kg
5,0
Contenido de fósforo
mg/kg
10,0
prEN 14538
EN 14107
Ventajas de su uso
El uso de biodiesel presenta ciertas ventajas:
No contiene azufre y, por ende, no genera emanaciones de este elemento, las cuales son responsables
de las lluvias ácidas.
Mejor combustión, que reduce el humo visible en el arranque en un 30%.
Reduce las emanaciones de CO2, CO, partículas e hidrocarburos aromáticos.
Los derrames de este combustible en las aguas de ríos y mares resultan menos contaminantes y letales
para la flora y fauna marina que los combustibles fósiles.
Volcados al medio ambiente se degradan más rápidamente que los petrocombustibles.
Su combustión genera menos elementos nocivos que los combustibles tradicionales.
Es menos irritante para la piel humana.
Actúa como lubricante de los motores prolongando su vida útil.
Su transporte y almacenamiento resulta más seguro que el de los petroderivados ya que posee un punto
de ignición más elevado. El biodiesel puro posee un punto de ignición de 148°C contra los escasos
51°C del gasoil.
Se destacan también las ventajas de producir biodiesel en la Argentina. Entre ellas:
La producción de oleaginosas en Argentina, principalmente soja, cubre la demanda que se necesita
para la producción del biocombustible.
Existen grandes superficies aptas para el desarrollo de cultivos oleaginosos siendo el producto de estos
(aceites) el principal insumo para la producción del biocombustible.
Con el desarrollo del biodiesel se podría originar mayor valor agregado al aceite, materia prima para
la producción del biocombustible.
Argentina es uno de los líderes mundiales en exportación de aceites vegetales.
Gran mercado interno de consumo de combustible diesel.
Posibilidad de emplear el biodiesel puro o combinado con el combustible fósil. Actualmente el gasoil
es el combustible que lidera el consumo, con el 50,6% del total de combustibles consumidos. Esto es
fundamental por la posibilidad que tiene el biodiesel de sustituir el gasoil o mezclarse con el mismo en
la proporción que desee sin alterar el normal funcionamiento del motor. Por ejemplo, 20% biodiesel,
80% gasoil.
Compromiso del Gobierno Nacional en apoyar todo proyecto para producir biodiesel.
Y más específicamente, se destacan las ventajas de producir biodiesel en Tucumán:
Tucumán se encuentra a una altitud sobre el nivel del mar desde 350 a 750m, donde el área cañera
abarca las latitudes 23*31’ a 27*40’. El cultivo de la caña de azúcar es uno de los más relevantes en
nuestra provincia debido a la gran extensión de superficie que se destina a su cultivo y a su determinante incidencia agroindustrial y socioeconómica. Se cultivan 250.000ha que corresponden al 62 por
ciento de la producción total del país, cifra que hace posible y rentable la producción de biodiesel por
caña de azúcar.
En cuanto a los cultivares de cañas de azúcar empleados en nuestra provincia, podemos decir que el
espectro varietal, actualmente disponible, permite
cubrir satisfactoriamente los ciclos madurativos
desde las variedades extratempranas, tempranas e
intermedias por unidad de área.
Además, al promoverse el desarrollo de este biocombustible en nuestra provincia, se generarían más
Localización de los ingenios tucumanos
puestos de trabajo y se mejoraría notablemente la condición ambiental permitiendo una mayor calidad
de vida.
Son también importantes los cultivos de soja tucumanos para la producción de biocombustibles.
Desventajas
Problemas en el arranque de los motores a temperaturas menores o cercanas a los 0 ºC para lo cual es
necesario del uso de aditivos.
Pueden presentarse inconvenientes de desecamiento de las conexiones o mangueras de caucho.
Presenta un menor poder calorífico que el diesel (9% menos de energía por similar unidad de volumen
Método de producción
Tradicionalmente el biodiesel se obtiene (junto con glicerina como subproducto) a partir del proceso de
transesterificación, esta reacción química se produce entre un aceite vegetal, un alcohol y un catalizador,
quien específicamente acelera la reacción entre triglicéridos presentes en el aceite que se combinan con alcoholes dando como producto ésteres y alcoholes de composición química diferente. Los catalizadores usados
generalmente son sustancias alcalinas fuertes (KOH, NaOH), y también pueden usarse enzimas (como la
lipasa) para acelerar el proceso.
*Proceso de transesterificación
Procesos industriales para la obtención de biodiesel
Los más importantes son los siguientes:
1. Proceso base-base (utiliza como catalizador un hidróxido)
2. Proceso ácido-base (utiliza como catalizador un hidróxido)
3. Proceso supercrítico (no es necesaria la presencia de un catalizador porque la reacción se produce a
presiones elevadas)
4. Método de reacción ultrasónica (ondas ultrasónicas ocasionan la reacción)
5. Procesos enzimáticos: se usan enzimas como catalizadores de la reacción aceite-alcohol. Este proceso no se usa en la actualidad de forma comercial debido a su alto costo.
La nanotecnología abriría una gran oportunidad para que los procesos enzimáticos puedan usarse a
escala industrial. Nuestra provincia cuenta con una línea de investigación que consiste en la inmovilización de una enzima lipasa sobre un soporte nanométrico.
Existen en la actualidad diferentes métodos de inmovilización de enzimas que en función al mecanismo de
acción se dividen en cuatro grupos:
• Método por adsorción
• Método de enlace covalente
• Método por enlaces cruzados y autoinmovilización
• Método de sistemas con membranas
Trabajar con enzimas inmovilizadas provee múltiples beneficios para los procesos industriales:
• Conveniencia: el proceso puede llevarse a cabo con pequeños aportes de enzimas, lo que facilita mucho el trabajo. Una vez terminado el proceso las mezclas de reacción contienen únicamente solvente
y los productos de la reacción.
• Economía: la enzima inmovilizada es fácilmente removida de la reacción facilitando su reciclaje.
• Estabilidad: por lo general tienen más resistencia térmica y estabilidad operacional que las formas
solubles de la enzima.
Proceso de investigación en la provincia de Tucumán: inmovilización de
una actividad lipasa sobre nanohilos de óxido de zinc (ZnO) para aumentar la rentabilidad en la producción de biodiesel
Como introducción al trabajo debemos mencionar que los nanomateriales se clasifican, dependiendo del confinamiento de las dimensiones en: nanocristales, película o lámina delgada, y nanohilos.
Los nanohilos se consideran alambres con un diámetro del orden de los nanómetros, son piezas claves en los
diseños de nuevos dispositivos, sensores y soportes.
Los nanohilos de ZnO ofrecen interesantes propiedades electrónicas, electromecánicas y ópticas tal como
una alta reactividad superficial (catálisis, foto catálisis, celdas solares electrolíticas) que los hacen excelentes
soportes para reacciones enzimáticas.
Existen diferentes métodos para hacer nanohilos, el que se utiliza en este proyecto es el de crecimiento vapor
líquido-sólido (método bottom-up).
La formación de nanohilos de ZnO se produce a partir de una reacción en fase gaseosa, su crecimiento se
facilita por la presencia de una interface líquido/sólida. El diámetro de los nanohilos está determinado por el
de la partícula catalizadora, que asegura la obtención de Formación de nanohilos por método vapor-líquido-sólido
nanohilos con tamaño uniforme. Las nanopartículas de oro
presentes en un soporte inducen el crecimiento en una dimensión.
Una vez obtenido este soporte (nanohilos de ZnO) se procede a la inmovilización de la lipasa. Esta enzima es
la encargada de catalizar la reacción de transesterificación y para ello es aislada de un hongo, el Aspergillus
niger.
A continuación, la lipasa se inmoviliza sobre el nanohilo por el método de adsorción o de enlace covalente.
Adsorción: la enzima se une a través de interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals y/o puentes de hidrógeno. Los factores a controlar son a) el pH del medio, ya que controla en número y la naturaleza de las
cargas presentes en la superficie de la proteínas y la del soporte, b) la fuerza iónica, c) la rugosidad de la superficie, el tipo y tamaño de sus poros que deben ser aproximadamente dos veces el tamaño del eje mayor de
la enzima. Este método se caracteriza por su bajo costo y preparación sencilla pero la unión entre el soporte y
la enzima es débil, lo que lleva a uniones poco estables y poco eficaces.
Unión covalente: este método se basa en la activación de grupos químicos del soporte para que reaccionen
con grupos funcionales de las enzimas. Este método presenta una serie de ventajas que lo hacen muy interesante desde el punto de vista industrial: los derivados son sencillos de manipular, la carga de enzimas sobre
el soporte permanece constante después de la inmovilización, los derivados pueden utilizarse en diferentes
tipos de reactores y una mayor resistencia a la desactivación por el efecto de la temperatura, de los disolventes
orgánicos o del pH, al tener estabilizada su estructura terciaria. Como inconvenientes de este método se podría
mencionar la necesidad de conocer la densidad de grupos activos por unidad de superficies, ya que condiciona
el número de uniones enzima-soporte. Un número elevado de uniones puede afectar la estructura terciaria de
la enzima (su sitio activo) pudiendo perder parte de su actividad.
Una vez inmovilizada la enzima sobre el nanohilo, ésta puede reutilizarse hasta diez veces, lo que aportaría una
mayor optimización y rentabilidad en la reacción enzimática de transesterificación de biodiesel en Tucumán.
Fuentes y bibliografías citadas
J. M. G. Camús; J. A. G. Laborda. Biocarburantes líquidos: biodiesel y bioetanol. VT CEIM.
CUBERO SALMERON, José Ignacio; YANGUELA MORENO, María Teresa. La agricultura del siglo XXI.
DATTA, Sumitra; CHRISTENA, L. Rene; RANI, Yamuna; RAJARAM, Sriramulu. Enzyme immobilization:
an overview on techniques and support materials.
PEREZLINDO, Luis Daniel. Inmovilización de una actividad amilasa producido por Aspergillus niger
MYA135 sobre nanohilos de oxido de Zinc.
MEDINA, Alfonsina; TAGLIAPIETRA, Giuliana; EL GANDUR, Milagros; FUNICELLO, Solana. Biocombustibles: una alternativa limpia para Tucumán. Año 2010.
www.equipoaponewen2.blogspot.com
www.wikipedia.com
www.todo-argentina.net
www.porquebiotecnologia.com.ar
http://www.madrimasd.org/