“2009. Año de José María Morelos y Pavón, Siervo de la Nación”

ESCUELA PREPARATORIA OF. NO. 14 DE TEZOYUCA, MÉXICO

XVII CONCURSO UNIVERSITARIO “FERIA DE LAS CIENCIAS”

“BIOCOMBUSTIBLE A TRAVES DE RICINUS

COMUNNIS”

AUTORES:

VELÁZQUEZ ROLDÁN YANELI BEATRIZ RÍOS ALMANZA ALICIA

ALVARADO PEREZ MARIA LUISA ASESOR

PROFRA. SANCHEZ CURIEL FLOR MARINA

SECRETARÍA DE EDUCACIÓNSUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR Y SUPERIOR

DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIORDEPARTAMENTO DE BACHILLERATO GENERAL

SUPERVISIÓN ESCOLAR NO. 19PREPARATORIA OFICIAL NO.14

CAMINO A LA PREPA S/N, COLONIA CENTRO TEZOYUCA, ESTADO DE MÉXICO CÓDIGO POSTAL 56000 TEL. FAX.:(01) 594 95 6 40 48 CORREO ELECTRÓNICO :prepa_14@yahoo.com.mx

1

TÍTULO

“BIOCOMBUSTIBLE A TRAVÉS DE Ricinus comunnis” RESUMEN

A partir del desarrollo económico y mundial, la sociedad generó una nueva necesidad que

ha sido el combustible, desgraciadamente el hombre mismo es quien ha venido agotando este

recurso, y ahora está en búsqueda de nuevas alternativas, ya que es indispensable para la vida

cotidiana.

La estructura del proyecto permite conocer la metodología seguida para lograr la obtención

de un biodiesel a partir de un arbusto llamado Ricinus comunnis, (Higuerilla), la cual se realiza en 2

procesos, en el primero se extrae el aceite de higuerilla y en el segundo se realiza una

transesterificación del primero para obtener el biodiesel.

MARCO TEORICO

HIGUERILLA (Ricinus comunnis)

CLASIFICACIÓN

ORDEN: Euphorbiales

FAMILIA: Euphorbiaceae

GENERO: Ricinus

ESPECIE: communis

2

CARACTERÍSTICAS

Arbusto perenne diclino monoico muy ramificado que alcanza entre 2 y 4 metros de altura, de raíz superficial y tallo erecto, cilíndrico, hueco, color rojo-vinoso, recubierto por una tenue capa de cera.

Fig. 1 Planta de Ricinos comunnis

Hojas grandes, alternas, glabras, pecioladas, palmilobadas y palminervadas, con lóbulos aserrados, pigmentación rosada; en la base del pecíolo aparecen glándulas nectíferas, las que se hallan también en la parte inferior de la hoja, en su inserción con el pecíolo.

Flores reunidas en inflorescencias terminales, con las flores masculinas en la parte inferior y las femeninas en la superior. Las flores masculinas están compuestas por 5 sépalos y numerosos estambres ramificados de color amarillo claro casi blanco, sobre todo en su extremidad, confiriéndole a las flores un aspecto espumoso (Fig 1).

NOMBRES POPULARES

Argentina: Tártago, higuerilla, castor.

Brasil Mamona, mamoneira, tártago, ricino, ricino mamona, carrapateiro, palma christi.

Paraguay: Mbai-sivó, ambaí-sivó, palma christi, higuerilla infernal.

Colombia: Catapucia mayor, ricino, higuerilla.

Cuba: Degha, higuereta, koch, palma christi, ricino.

Puerto Rico: Higuereta.

3

Venezuela: Tártago

Alemania: Rizinussamen

Fracia: Semences de ricin

Inglaterra: Castor bean, castor seed, castor-oil plant, palma christi.

México: Higuerilla, higuerilla infernal, tlapatl.

ORIGEN

Originario de África tropical (Abisinia) y posiblemente de la India; extensamente introducido en las regiones cálidas y templado cálidas de todo el mundo.

SEMILLA

La semilla o pepita es la estructura mediante la cual se realiza la propagación de la planta, por ello se llaman espermatófitas (plantas con semilla). La semilla se produce por la maduración de un óvulo de una gimnosperma o de una angiosperma. Una semilla contiene un embrión del que puede desarrollarse una nueva planta bajo condiciones apropiadas. Pero también contiene una fuente de alimento almacenado y está envuelto en una cubierta protectora (Fig. 2).

UTILIDAD

El aceite extraído de las semillas.

El aceite de ricino ha sido usado medicinalmente desde tiempos muy remotos, pero actualmente la mayor parte del aceite que se produce tiene como destino el uso industrial.

Se ha empleado en la fabricación de cuero artificial, pinturas, barnices, linóleos, lubricante de motores de altos regimenes de trabajo, etc.

Fig. 2 Semilla de Ricinus comunnis

4

COMPOSICION DE LA SEMILLA DE HIGUERILLA

Está compuesta por una resina que es altamente tóxica para el hombre y los animales, debiendo tener cuidado con los residuos de este compuesto en la extracción del aceite.

COMPOSICION PORCENTAJE

Aceite 46.19

Almidón 20.00

Albúmina 0.50

Goma 4.31

Resina Bruta Y

Principios Amargos

1.91

Fibra Leñosa 20.00

Agua 7.09

TOTAL 100.00

ANATOMÍA DE LAS SEMILLAS

5

LÍPIDOS O ACEITE

Son compuestos orgánicos que se encuentran formando parte de los tejidos animales y vegetales, son insolubles en agua, pero solubles en solventes orgánicos como el tetracloruro de carbono, hexano y éter.

Los lípidos comprenden a los glicéridos contenidos en las grasas naturales.

La palabra aceite (del árabe az-zait, el jugo de la aceituna, y éste del arameo zayta) es un término genérico para designar numerosos líquidos grasos de orígenes diversos que no se disuelven en el agua y que tienen menos densidad que ésta. Es sinónimo de óleo, del latín oleum, pero este término se emplea sólo para los sacramentos de la Iglesia Católica y en el arte de la pintura.

CLASIFICACIÓN DE LOS LÍPIDOS

Lípidos simples:

Glicéridos.- Ésteres cuyo alcohol es la glicerina, como las grasas de origen Vegetal y animal.

Céridos.- Ésteres con alcoholes superiores como la cera de abeja.

Estéridos.- Ésteres cuyo alcohol es un esterol, como el colesterol.

Etólidos.- Ésteres de ácido-alcohol, como algunas ceras de confieras.

Lípidos complejos:

Fosfolípidos.- Contienen un radical fosfórico.

Fosfoaminolípidos.- Contienen alcohol polivalente, como las lecitinas.

Cerebrósidos.- Contienen nitrógeno, como las lípidos de los ganglios.

Las propiedades físicas y químicas de las grasas dependen de la estructura molecular

6

COMPOSICION QUIMICA DE LAS GRASAS

Desde un punto de vista químico, las grasas son ésteres carboxílicos derivados de un solo alcohol, el glicerol HOCH2CHOHCH2OH, y se le conoce como glicéridos.

Las grasas líquidas a temperatura ambiente se conocen como aceites; las pastosas, mantecas y la sólidas sebos.

Como las grasas están formadas por glicérido, es razonable comprender que las diferencias entre grasas se debe a los ácidos grasos que las forman.

CH O C R

O

CH O C R’ un triacilglicerol

O (un glicérido)

CH O C R’’

O

Los ácidos grasos son compuestos de cadena recta de tres a dieciocho carbonos.

Las grasas de origen animal se encuentran formando parte del tejido adiposo, mientras que la grasa de origen vegetal se encuentra principalmente en frutos y semillas, para realizar la extracción de éstas, se emplean disolventes.

Los ácidos que más abundan en las grasas son, por este orden:

Palmítico C16H33CO2H

Láurico C12H25CO2H

Mirístico C14H29CO2H

Esteárico C18H37CO2H

7

Aparte de los ácidos saturados, también hay ácidos no saturados con uno o más enlaces dobles por molécula, siendo los más importantes:

CH3-(CH2)7-CH=CH2-(CH2)7-CO OH

ACIDO OLEICO

(Isómeros cis)

CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2CH=CH (CH2)7CO OH

ACIDO LINOLEICO

(Isómero cis cis)

CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH= CH-(CH2)7CO OH

ACIDO LINOLENICO

(Isómero cis cis cis)

La insaturación de una grasa tiende a rebajar su punto de fusión, con lo que tiende a convertirla en un líquido a temperatura ambiente.

La hidrogenación no sólo cambia las propiedades físicas de una grasa, si no también, lo que es más importante, las químicas: una grasa hidrogenada es menos propensa a ponerse rancia que una no hidrogenada. La rancidez se debe a la presencia de ácidos y aldehídos volátiles de mal olor.

Las grasas son los constituyentes principales de las células almacenadoras de éstas en animales y plantas, y constituyen una de las reservas alimenticias importantes del organismo.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL ACEITE DE RICINO

8

Acido Ricinoleico 70%

Acido Ricinico 12%

Acido Oleico 12%

Índice De Saponificación 181%

Índice De Refracción 1,47

Densidad 0.964

BIOETANOL

El bioetanol es un alcohol producido a partir de la fermentación de los azucares que se encuentran en la remolacha, maíz, cebada, trigo, caña de azúcar, sorgo u otros cultivos energéticos, que mezclado con la Gasolina produce un biocom- bustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión.

BIOCOMBUSTIBLES Y PRODUCTOS OBTENIDOS A PARTIR DEL BIOETANOL:

EL Bioetanol ofrece diversas posibilidades de mezclas para la obtención de biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades:

E5: El Biocombustible E5 significa una mezcla del 5% de Bioetanol y el 95% de Gasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla máxima autorizada en la actualidad por la regulación europea, sin embargo, es previsible una modificación de la normativa europea que aumentará este limite al 10% ( E10 ) ya que diferentes estudios constatan que los vehículos actuales toleran sin problemas mezclas hasta el 10% de Bioetanol y los beneficios para el medioambiente son significativos.

E10: El Biocombustible E10 significa una mezcla del 10% de Bioetanol y el 90% de Gasolina normal. Esta mezcla es la más utilizada en EEUU ya que hasta esta proporción de mezcla los motores de los vehículos no requieren ninguna modificación y e incluso produce la elevación del un octano en la gasolina mejorando su resultado y obteniendo una notable reducción en la emisión de gases contaminantes.

9

E85: Mezcla de 85% de Bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehículos con motores especiales. En EEUU las marcas más conocidas ofrecen vehículos adaptados a estas mezclas. También se comercializan, en algunos países (EEUU, Brasil, Suecia,...) los llamados vehículos FFV (Flexible Fuel Vehicles) o Vehículos de Combustibles Flexibles con motores adaptados que permiten una variedad de mezclas.

E95 y E100: Mezclas hasta el 95% y 100% de Bioetanol son utilizados en algunos países como Brasil con motores especiales.

E-DIESEL: El Bioetanol permite su mezcla con gasoil utilizando un aditivo solvente y produciendo un biocombustible diesel el E-Diesel, con muy buenas características en cuanto a combustión y reducción de contaminación ofreciendo así otras alternativas al bioetanol en el campo de los vehículos Diesel. El E-Diesel ya se comercializa con éxito en EEUU y Brasil y pronto hará su aparición en España y Europa.

ETBE: No se comercializa como un biocombustible, sino que se utiliza como un aditivo de la gasolina. El ETBE (etil ter-butil eter) se obtiene por síntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilación del petróleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volátil y más miscible con la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a la gasolina en proporciones del 10-15%. La adición de ETBE o etanol sirve para aumentar el índice de octano de la gasolina, evitando la adición de sales de plomo.

BIODIESEL

El Biodiesel, se obtiene a partir del procesamiento de aceites vegetales tanto usados y reciclados como aceites obtenidos de semillas oleaginosas de cultivos energéticos como girasol, colza, soja… El Biodiesel mezclado con diesel normal genera unas mezclas que se pueden utilizar en todos los motores diesel sin ninguna modificación de los motores, obteniendo rendimientos muy similares con una menor contaminación.

BIOCOMBUSTIBLES OBTENIDOS A PARTIR DEL BIODIESEL:

EL Biodiesel ofrece diversas posibilidades de mezclas para la obtención de biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades:

B20: El biocombustible B20 significa una mezcla del 20% de Biodiesel y el 80% de diesel normal. El B20 es la mezcla de biocombustible de Biodiesel mas utilizada en EEUU y en otros paises se comercializa con amplia aceptación tanto el B20 como el B100 .

B100: El biocombustible B100 significa biodiesel al 100% sin mezcla alguna con diesel normal. Es un producto 100% ecológico con altas reducciones de emisiones nocivas a la

10

atmósfera. Su única pega es que los motores de vehículos antiguos (al parecer anteriores a 1994) es preciso reemplazar los conductos de goma del circuito del combustible por otros de materiales, debido a que el biodiesel ataca a la goma, aunque hay varios estudios que indican que no es necesaria ninguna modificación en los motores.

Otras Mezclas: En España en la actualidad hay ya diversas marca y distribuidores que ofrecen Biodiesel con mezclas que se acercan a los estandares internacionales de B20 y B100. En la actualidad se espera una nueva regulación que marque la proporción de las mezclas y que se supone se adapte a los estandares internacionales de B20 y B100 para que el consumidor conozca exactamente que biodiesel esta utilizando en su motor.

BIOGASOLINERA

El concepto de Biogasolinera es reciente, define a la estación de servicio que dispensa algún tipo de Biocombustible como complemento o sustitución de los combustibles fósiles tradicionales, ya sea Biodiesel, Bioetanol o cualquiera de sus variaciones y mezclas.

En España todavía no se alcanza un gran número de Biogasolineras pero éste se ve incrementado mes a mes con una gran progresión.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

¿Se podrá obtener un biocombustible a través de la transesterificación del aceite de

Ricinus communis (higuerilla), con la finalidad de disminuir la contaminación ambiental generada

por los combustibles comunes?

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Elaborar un biocombustible mediante la transesterificación del aceite extraído de la planta Ricinus communis.

OBJETIVO ESPECÍFICO

11

Extraer el aceite de higuerilla para someterlo a una reacción de transesterificación.

Determinar la cantidad adecuada de alcohol metílico para realizar la transesterificación.

Dar una utilidad adecuada al producto de la transesterificación ( biodiesel ) .

HIPOTESIS

Logrando una transesterificación adecuada del aceite extraído de Ricinus communis

(Higuerilla) podremos elaborar un biodiesel.

DESARROLLO PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL COLECTA DE MATERIAL VEGETAL. UBICACIÓN DE LA ZONA. La higuerilla se colecta en el municipio de Tezoyuca que presenta las siguientes condiciones climáticas.

CONDICIONES CLIMÁTICAS DEL MUNICIPIO DE TEZOYUCA

ZONA ALTURA LATITUD

NORTE LATITUDOESTE

TEMPERATURAMEDIA ANUAL

CLIMA PRECIPITACION MADIA ANUAL

E

2353

19º 31´

98º 53´

15.9oC

Cb (W1) (W)(I’) g

691.5 mm

COLECTA La higuerilla se colecta en el municipio de Tezoyuca, obteniéndose directamente de un terreno baldío (Fig. 3).

12

Fig. 3 Colecta de Ricinus comunnis

SELECCIÓN El material vegetal (Ricinus comunis) se selecciona bajo los siguientes criterios (Fig. 4): 1.- No presenta madurez 2.- No presenta humedad 3.- No presenta ningún tipo de plaga

Fig. 4 Arbusto de Ricinus comunnis

13

LIMPIEZA Y SECADO DE LAS SEMILLAS *LIMPIEZA DEL ENDOSPERMO Se procede a la limpieza de los frutos, retirando la cáscara y dejando libres las semillas. (Obteniendo tres semillas de cada uno), se procede a secar y a la molienda EXTRACCIÓN DEL ACEITE DE Ricinus comunnis HIGUERILLA.

1) Pesar 130 g de semilla seca y molida 2) Colocarla en un cilindro de papel poroso (filtro) 3) Agregar 300 el de hexano en el matraz del soxlett 4) Poner a reflujo durante 48 hrs. 5) Destilar el solvente hexano 6) Determinar la cantidad y densidad del aceite extraído.

REACCIONES DE TRANSESTERIFICACACION 1.-Separar el aceite extraído en seis porciones de 20 ml c/u y rotularlos con números del uno al seis. 2.-Preparar mezclas a diferentes concentraciones de alcohol metílico, como se muestra en la tabla inferior. 3.-Disolver 0.2 g. de Hidróxido de sodio (catalizador) en cada alícuota alcohólicas y agregar a las muestras rotuladas. 4.-Agitar constantemente durante 30 min. cada muestra.

Testigo Blanco 1 2 3 4 5 6 Diesel Aceite

extraído 20 ml de Aceite Extraído

20 ml de Aceite Extraído

20 ml de Aceite Extraído

20 ml de Aceite Extraído

20 ml de Aceite Extraído

20 ml de Aceite Extraído

10 ml de

Metanol

20 ml de

Metanol

30 ml de

Metanol

40 ml de

Metanol

50 ml de

Metanol

60 ml de

Metanol

0.2g de NaOH

0.2g de NaOH

0.2g de NaOH

0.2g de NaOH

0.2g de NaOH

0.2g de NaOH

14

PRUEBAS DE SOLUBILIDAD EN ETANOL

Colocar en 10 vasos de precipitado 2 ml de aceite transesterificado (biodiesel) y agregar diferentes cantidades de alcohol etílico(CH3-CH2-OH) como se indica en la siguiente tabla:

Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Biodiesel 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml

Alcohol Etílico

2ml 4ml 6ml 8ml 10ml 12ml 14ml 16ml 18ml 20ml

PRUEBAS DE SOLUBILIDAD EN GASOLINA Colocar 2ml de aceite transesterificado (biodiesel) en 8 recipientes e identificarlos con números, posteriormente agregar las siguientes cantidades de gasolina:

Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 Biodiesel 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml 2ml Gasolina 6ml 8ml 10ml 12ml 14ml 16ml 18ml 20ml

RESULTADOS (ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS)

Se realizó la limpieza de las semillas (Fig. 6) con esmero y sin dificultad alguna y la molienda utilizando un mortero (Fig. 7).

Fig. 6 Limpieza de las semillas

15

EXTRACCIÓN DEL ACEITE DE HIGUERILLA

A partir de 130g de endosperma molido se obtuvieron 145ml (124.7g) de aceite de higuerilla, extraídos con solvente Hexano (Fig. 8).

Fig. 7 Molienda de las semillas

Fig. 8 Extracción del aceite

16

Lo que equivale al 92 % tomando como referencia la densidad obtenida del aceite extraído de la

higuerilla.

La densidad obtenida del aceite extraído de la higuerilla fue de 0.86 g/ml, comparado con el reportado que es de 0.96 g/ml. REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN Se realizó la transesterificación del aceite extraído de las semillas de Ricinos communis mediante el alcohol metílico e hidróxido de sodio como catalizador (Fig. 9) La muestra rotulada con el número 1, presentó consistencia semisólida. Las muestras rotuladas con los números 2 y 3 resultaron espesas. Las muestras rotuladas con los números 4, 5 y 6 presentaron consistencia manejable. Fig. 9 En la grafica observamos que las muestras 5 y 6 resultaron adecuadas y de igual consistencia.

PRUEBAS DE SOLUBILIDAD EN ETANOL

De las 10 muestras tratada con alcohol etílico, e observó la mayor solubilidad en las muestras 5 y 6 que consistió en 10 y 12 ml. de Etanol respectivamente (Fig. 10 )

ML DE METANOL

CONSISTENCIA

17

0

2

4

6

8

10

1 2 3 4 5 6 7 8

Solubilidad

No. de Prueba

SOLUBILIDAD EN GASOLINA

S…

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Solubilidad

No. de Prueba

PRUEBAS DE SOLUBILIDAD EN ETANOL

Fig. 10 Resultados de las pruebas de solubilidad

PRUEBAS DE SOLUBILIDAD EN GASOLINA

De las 8 muestras tratadas con diferentes cantidades de gasolina, se obtuvo la mejor solubilidad en las pruebas 6, 7 y 8 que contienen 16, 18 y 20 ml de gasolina (Fig. 11).

18

Fig. 10 Resultados de las pruebas de solubilidad

CONCLUSIÓNES

La cantidad de aceite extraído de las semillas de Ricinus communis es óptimo, ya que

generó el 92% de rendimiento en peso.

Para realizar la transesterificación del aceite extraído, la cantidad de alcohol metílico que se utilizó fue en una relación de 1: 5 respectivamente.

El producto de la transesterificación del aceite de higuerilla (biodiesel) se solubilizó adecuadamente en alcohol etílico en la proporción 1:5 y 1:6 respectivamente. El biodesel obtenido del aceite de higuerilla se solubulizo perfectamente en gasolina en la proporción 1:8, 1:9 y 1:10

Concluimos que la pllanta de higuerilla Ricinos Comunnis se convierte en una fuente de

gran productividad para la obtención de combustibles, de origen vegetal, sin agresiones al ambiente, con inverciones de muy bajo costo y con una gran comercialización.

REFERENCIAS

DEVORE, G., E. Muños Mena. 1983. Química Orgánica Ed. Publicaciones Cultural. Decima tercera edición. México. pp 493-494

Gispert C. Jose Gay 1998 Gran Enciclopedia de la ciencia y la técnica editorial océano Barcelona 340-349 PELAYA-GROSS, García Ramón. Enciclopedia de la ciencias , Ed. Larousse. México pp. 125-130. THORNTON, Morrison Robret, NEILSON, Boyd Robert. 1996. Química Orgánica. 5ta. Edición. Ed. Addisson- Wesley Iberoamericana. Estados Unidos. Pp. 1270-1273

19

es.wikipedia.org/wiki/Biodiésel www.biodiesel.com.ar/?page_id=3 - 17k