SINTESIS DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE RESIDUAL

XXXIII Encuentro Nacional y II Congreso Internacional AMIDIQ
1 al 4 de Mayo de 2012, San José del Cabo, BCS, México
SINTESIS DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE RESIDUAL COMESTIBLE.
Alejandro Torres Aldaco 1a, Raúl Lugo Leyte 2a, Helen Lugo Méndez 3a, Judith
Cervantes Ruíz 4b, Martin Salazar Pereyra 5b
a
Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica. Universidad Autónoma
Metropolitana – Iztapalapa. Av. San Rafael Atlixco No. 186, Col. Vicentina, 09340,
Iztapalapa, México, D.F.
E-mail:[email protected]
b
División de Ingeniería Mecatrónica e Industrial. Tecnológico de Estudios Superiores de
Ecatepec. Av. Tecnológico. Esq. Av. Hank González. Col. Valle de Anáhuac, 55210, Ecatepec,
Estado de México,
Resumen
La búsqueda de alternativas para el manejo de aceites residuales de origen vegetal, evitando
contaminación de las aguas por el derrame de este a los drenajes, permite cambiar la connotación de
problema a una ventaja, convirtiendo este desecho en un combustible aprovechable y evitando el
consumo de combustibles fósiles. En este trabajo se presenta la síntesis y caracterización de biodiesel por
la ruta homogénea, con la variante de preparación empleando al metóxido de potasio como agente
catalizador, y evaluando los rendimientos de metil ester. Para la obtención del biodiesel, se utilizó aceite
de residual, metanol absoluto e hidróxido de potasio. La reacción se llevo a cabo en un reactor de 250 ml
con agitación. Las variables estudiadas fueron: temperatura de reacción, en un rango de 50 a 65°C;
relaciones molares, metanol-aceite de (3:1 a 6:1), tiempo de reacción de 3 a 12 horas. El rendimiento
máximo de biodiesel obtenido fue de 66% para una relación de 6:1 y 65°C. El biodiesel se probó en un
motor diesel de laboratorio, comparando éste con diesel comercial, se evaluó el torque y la potencia;
encontrando un desempeño similar al biodiesel con respecto al diesel comercial.
Introducción
El biodiesel es un combustible que se obtiene de la reacción de transesterificación de un
triglicérido de origen vegetal ó animal con un alcohol, éste puede ser metanol o etanol,
con hidróxido de potasio como catalizador. Presenta ventajas respecto al diesel como
son: contenido de azufre nulo, característica lubricante que extiende la vida útil del
motor Yamane (2001), no es tóxico, puede ser utilizado en motores diesel, el biodiesel,
tiene un 50% mayor en el número de cetanos, diferencias mínimas en torque y potencia,
mayor punto de ignición. Los ácidos grasos que se utilizan para su elaboración son de
origen vegetal ó animal, y su combustión no aumenta los niveles atmosféricos de CO2
en forma importante. El total de emisiones de CO2 para el biodiesel es 78.45% más bajo
que para el diesel, en mezclas con 20% de biodiesel reduce las emisiones netas de CO2
en 15.66%. Es importante resaltar que las características del biodiesel presenta una
dependencia con la fuente de los ácidos grasos utilizados
O
O
CH 3-O-C-R 1
CH 2-O-C-R 1
CH 2-OH
O
O
KOH
+
CH 3-O-C-R 2
3MeOH
CH 3-O-C-R 2
+
Catalizador
CH 2-OH
O
O
CH 3-O-C-R 3
CH 3-O-C-R 3
Triglicérido
CH-OH
+
Metanol
Biodiesel
+
Glicerol
Fig. 1 Reacción de transesterificación.
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KOH
Hidróxido de potasio
+
+
H-O-CH 3
Metanol
K
+
O-CH 3
Metóxido de Potasio
+
+
H2O
Agua
Fig. 2 Formación de metóxido de potasio. Agente catalizador de la reacción.
La catálisis ácida y básica en fase homogénea son actualmente las más utilizadas, para
la producción de biodiesel, fig.(1), la transesterificación por ruta básica emplea
usualmente: NaOH, KOH, carbonatos, y alkóxidos, fig.(2) Dorado (2004); por esta vía
la reacción es aproximadamente 4000 veces más rápida que por vía ácida, por esta
razón, es más usada comercialmente, Fukuda (2001). Las condiciones de reacción con
los catalizadores básicos son más bajas en presión y temperatura, esto se ha
comprobado experimentalmente; en comparación con los catalizadores ácidos las
condiciones de reacción son más elevadas. Con la catálisis básica la formación de jabón
disminuye considerablemente con respecto a la catálisis ácida. La similitud del biodiesel
en su estructura química, propiedades físicas y termodinámicas, Encinar (2005). El
proceso de transesterificación en una unidad industrial se describe como: el aceite
vegetal, aceite de grasa animal o reciclado se almacena, después se corrige el pH de
ácido, se transfiere al reactor principal. En un reactor secundario, el catalizador (KOH
o NaOH) y el alcohol (metanol o etanol) se homogeneiza y se transfiere al reactor
principal. La reacción ocurre, a temperaturas entre 20 y 60° C. El biodiésel (capa
superior) se separa luego de la glicerina bruta (capa inferior) por decantación (en
proceso por lotes) o por centrifugación (en proceso continuo). La capa inferior, al lado
de glicerina cruda, contiene parte del alcohol que podría ser recuperado y reutilizado en
el proceso. La etapa de separación es una de las más importantes en la producción de
biodiesel, es esencial para la especificación del producto de acuerdo con la norma. El
combustible debe tener características similares al diesel fósil .Con el fin de evitar
daños en el motor y al medio ambiente, los niveles de ácido graso libre, alcohol, agua
y glicerina deben estar en un mínimo. El rendimiento de biodiesel a partir del proceso
puede variar de 30 a 90% dependiendo del tipo de material de partida, los reactivos y
las condiciones operativas. La transesterificación se ve afectada fuertemente por los
siguientes parámetros: alcohol, relación molar aceite, catalizador, temperatura,
tiempo de reacción y el contenido de agua y ácidos grasos libres.Una de las variables
más importantes que afectan el rendimiento del éster es la cantidad de alcohol:
relación molar aceite. La relación molar está asociada con el tipo de catalizador
utilizado. Una reacción catalizada por ácido necesita una relación de 30:1 de
Alcohol aceite, mientras que una reacción catalizada por álcali sólo requiere una
relación de 6:1. La similitud del biodiesel en su estructura química, propiedades
físicas y termodinámicas, (Tabla 1) con respecto al diesel; sumando a su vez el
carácter renovable hacen de este, una opción importante como combustible
sustituto del diesel.
Tabla 1. Características típicas del biodiesel y del diesel, Encinar, (2005).
Datos físico - químicos
Biodiesel
Diesel
Composición combustible
Ester metílico C12-C22
C10-C21
Poder calorífico inferior, kJ/kg
39.71
45.14
Viscosidad cinemática, cst (a 40°C)
3,5 - 5,0
3,0 - 4,5
Azufre, % peso
0
0,2
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Sección Experimental
Como reactivos se emplearon aceite vegetal residual, metanol anhídro, grado reactivo e
hidróxido de potasio, grado reactivo. El aceite residual se sometio a un proceso de
filtrado para la remoción de solidos. Las variables estudiadas en la reacción de
transesterificación fueron: relaciones molares MeOH-Aceite 3:1, 4:1, 5:1 y 6:1;
temperatura de reacción en el rango de 50 a 65°C, tiempos de reacción de 3 y 6 horas.
La cantidad de KOH empleada para la preparación del metóxido fue de 5.4 gr. El
volumen del reactor fue de 250 ml, (Fig. 3) con un sistema de recirculación de MeOH;
la velocidad de agitación se mantuvo constante a 650 RPM. El aceite se agregó por
goteo en la solución de metóxido de potasio; el calentamiento se llevo a cabo con una
resistencia eléctrica de calentamiento acoplada con un controlador de temperatura
(PID), con una variación de ± 1°C. Los productos de reacción se dejaron en reposo
durante 24 horas; para llevar a cabo la separación en un embudo y posteriormente se
caracterizo cada uno de los productos, midiendo: pH, densidad, viscosidad y volumen
de cada uno de ellos.
Tanque de
almacenamiento
de aceite
Filtro
Reactor
Decantador
Biodiesel
Glicerina
Fig. 3 Dispositivo experimental donde se lleva a cabo la reacción de transesterificación.
Método de Análisis.
Se utilizó un cromatógrafo de gases (CG) el Hp 6890, equipado con un sistema de
inyección automático.. La columna fue de 30m x 250 mm x 0.5 μm de Restek corp con
un detector selectivo de masas Hp 5973 y detector de ionización de flama. Las muestras
fueron disueltas en sulfoxido dimetil y 1-propanol como estándar interno. Se utilizaron
2  L de muestra para ser inyectada dentro de la columna. El horno se programo a 40°C
2min.
Resultados y Discusión
La figura 4 muestra el comportamiento de la conversión de biodiesel, glicerina,
aceite y conversión total en un tiempo de reacción de 3 horas, una temperatura de
reacción de 65°C, y una relación molar MeOH-Aceite de 3:1. Bajo estas condiciones,
se observa que las conversiones máximas se alcanzan a un tiempo de tres horas las
cuales fueron las siguientes: 36% para biodiesel, 64% para glicerina y en
consecuencia el 100% para la total. Por otra parte, la conversión de aceite presenta
un decaimiento del 80% a los 15 min. La figura 5 muestran el comportamiento de
las conversiones de biodiesel, glicerina, aceite y conversión total en un tiempo de
reacción de 3 horas, una temperatura de reacción de 65°C, y una relación molar
MeOH-Aceite de 4:1. Bajo estas condiciones, se observa que las conversiones
máximas se alcanzan a un tiempo de tres horas las cuales fueron las siguientes:
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20% para biodiesel, 80% para glicerina y 100% para la total. Bajo estas
condiciones se observa que la fracción de aceite no reaccionado es del 15% a los
15 min. La figura 6 muestra el comportamiento de la reacción para un tiempo de
reacción de 3 horas, una relación molar MeOH-Aceite de 6:1 y una temperatura de
reacción de 65°C la conversión máxima del biodiesel para estas condiciones fue de
32%; 68% para la glicerina. La figura 7 muestra la influencia de la relación molar
MeOH-Aceite sobre la conversión a biodiesel, no se encuentra una dependencia
directa de la relación molar MeOH-Aceite, debido a que la conversión máxima se
encontró para una relación 3:1, mientras que la conversión más baja encontrada
fue para la relación 4:1 y la conversión intermedia fue para la relación molar 6:1,
por estos resultados no es clara la dependencia de la relación molar sobre la
conversión a biodiesel. Las conversiones bajas obtenidas se relaciona con una gran
cantidad de agua contenida en el aceite, que es un inhibidor natural de la reacción.
Conclusiones
La reacción de transesterificación de aceite residual con metanol presentó una
conversión máxima (32 % mol) a metilester en condiciones molares de 3:1
(metanol/aceite), 65°C y a 6 horas de reacción.
Las conversiones bajas obtenidas a un exceso de agua contenida en el aceite, por esta
razón se debe una etapa de eliminación de agua del aceite
Las características de pH, viscosidad, densidad son similares a las del diesel establecido
por las normas ASTM, y éstas varían en función de la relación molar (alcohol/aceite), la
temperatura y el tiempo de reacción.
Los parámetros de reacción utilizados redujeron los productos de la mezcla de reacción
a dos componentes (biodiesel- glicerina), se observó una selectividad del 56%.
Agradecimientos
Se agradece al ICYTDF por apoyar el desarrollo del proyecto PICSO11-49, Impacto del
biodiesel obtenido a partir de aceites vegetales residuales y de mezclas enriquecidas en
las emisiones y desempeño de los motores diesel y equipos de calentamiento para una
sustentable ciudad de México.
Referencias
1) M. Pilar Dorado, Evaristo Ballesteros, Martín Mittelbach, and Francisco J.
López. (2004). Kinetic Parameters Affecting the Alkali-Catalyzed
Transesterification Process of Used Olive Oil. Energy & Fuels, 18, 14571462.
2) José M. Encinar, Juan F. González, and Antonio Rodríguez-Reinares.
(2005). Biodiesel from Used Frying Oil. Variables Affecting the Yields and
Characteristics of the Biodiesel. Ind. Eng. Chem. Res. 44, 5491-5499.
3) Hideki Fukuda, Akihiko Kondo, and Hideo Noda. (2001). Review Biodiesel
Fuel Production by Transesterification of Oils. Journal of Biosciencie and
Bioengineering. 92, 405-416.
4) Rodolfo J. Larosa. Proceso para la producción de biodiesel (metilester o
esteres metílicos de ácidos grasos). Refinaciòn de glicerina.
5) Fangrui Ma, L. Davis Clements, and Milford A. Hanna, (1998). Biodiesel
Fuel from Animal Fat. Ancillary Studies on Transesterification of Beef
Tallow. 3768 Ind. Eng. Chem. Res. 37, 3768-3771.
6) J. Van Gerpen, B. Shanks, and R. Proszk D. Clements G. Knothe (2004)
“Biodiesel analytical Methods” National Renewable energy laboratory.
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Yamane, Veta a, and Shimamoto Y.(2001) “ Influence of physical and
chemical propierties of biodiesel fuel on injection combustion and exhaust
emission characteristics in a DI-CI engine. Nagoya, p 402-409.
7)
Conversión de biodiesel
Conversión de glicerina
Conversión total
Conversión de aceite
1.2
1
Conversión
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
15
30
45
60
75
90
105
120
150
150
180
Tiempo (min.)
Figura 4. Conversiones de biodiesel, glicerina, aceite y conversión total para una relación molar
MeOH/Aceite = 3:1 a T = 65°C y tiempo de reacción de 3 hrs.
1.2
Biodiesel
Glicerina
Total
Aceite
1
Conversión
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
180
Tiempo (min)
Fig. 5 Conversiones de biodiesel, glicerina, aceite y conversión total para una relación
molar MeOH/Aceite = 4:1 a T = 65°C y tiempo de reacción de 3 hrs.
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1.2
Conversión de biodiesel
Conversión de glicerina
Conversión total
Conversión de aceite
1
Conversión
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
180
Tiempo (min.)
Fig. 6. Conversiones de biodiesel, glicerina, aceite y conversión total para una relación
molar metanol/aceite = 6:1 a T = 65°C y tiempo de reacción de 3 hrs.
0.4
Relación molar 3:1
Relación molar 6:1
Relación molar 4:1
0.35
0.3
Conversión
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
180
Tiempo (min.)
Fig. 7. Efecto de la relación molar MeOH-Aceite sobre la conversión a biodiesel en un tiempo de
reacción de 3 horas y una temperatura de reacción de 65°C.
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