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“Biogradissel la alternativa del mañana” Generación de biodiesel a partir de grasa animal y su demostración en los motores de combustión. El uso de combustibles en nuestra vida diaria es fundamental para realizar cualquiera de nuestras actividades, como utilizar un aparato eléctrico o desplazarse de un lugar a otro por medio de un automóvil. A pesar de la existencia de varios combustibles los que más satisfacen nuestras necesidades y por ende los más utilizados son todos aquellos derivados del petróleo (gasolina, diesel, turbosina, etc.); desafortunadamente en la actualidad, éstos están presentando grandes problemas, entre los más importantes destaca el que éste sea una fuente de energía no renovable, el que se este agotando y los altos índices de contaminación provocado por los gases que emana su combustión, ya que la mayoría del crudo que se extrae de los yacimientos es destinado a la producción de combustibles. Así pues con la necesidad de solucionar éste problema, se ha retomado la utilización de la bioenergía. La bioenergía ha sido utilizada siempre por el hombre, el hombre de las cavernas utilizaba leña y paja para calentarse, calentar su comida y obtener y transformar metales, sin embargo, actualmente, parecen ser unos combustibles “nuevos”, cuando lo que realmente es nuevo son las tecnologías que los manejan y aprovechan.

Los biocombustibles, son aquellos combustibles de origen biológico que no se han fosilizado. Los más utilizados son el etanol y el biodiesel. El etanol puede ser utilizado en motores que utilizan nafta, mientras que el biodiesel puede ser utilizado en motores que utilizan gasoil.

Los biodiesel más comunes son los hechos a partir de aceites vegetales lo que representa un peligro en la producción de alimentos ya que en un futuro, si crece la demanda de éste producto como es de esperar, provocaría un aumento de costos en los alimentos, privando a cierto sector de la población.

El objetivo principal de nuestro trabajo es generar un biocombustible alterno, que no sustituya el uso del petróleo sino que represente una opción para cuidar el medio ambiente, sin tener que modificar los motores de combustión interna. A continuación, presentamos la generación de un biocombustible a partir de grasa animal (manteca) mediante un método sencillo y económico. Con las misma ventajas que nos generan los biocombustibles convencionales. Pero sin atentar contra los suministros alimenticios de la población.

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Planteamiento del problema: El hombre ha buscado la forma de satisfacer sus necesidades de una manera fácil, en éste afán ha inventado máquinas, claro ejemplo de esto fue en la Revolución Industrial (XVIII y XIX); en donde se utilizó el vapor como fuerza de propulsión. Pero ésta tenía varias desventajas como la contaminación de aire, la deforestación, además no era muy efectiva. Por lo que dio pie a la invención de nuevos combustibles. Se utilizó aceite, gas de carbón, etc. Hasta llegar al uso de la gasolina en 1870, en un automóvil de combustión interna. La gasolina era fácil de adquirir y por ende barata, además su octanaje permitió una mejor reacción. Por lo que se convirtió en poco tiempo en el combustible de mayor demanda y todos los vehículos posteriores funcionaban de ésta forma. La gasolina proviene del petróleo que es una sustancia orgánica de origen fósil que se encuentra en el subsuelo en casi todos los continentes, éste representa un importante papel en nuestra vida diaria, gracias a sus múltiples derivados (turbosina, diesel, queroseno, gasolina, asfaltos, bases lubricantes, aceites, plásticos, etc). Pero a pesar de los grandes beneficios que ésta materia nos ofrece existen también consecuencias negativas por su uso, una de ellas y muy grave es la contaminación del aire, que es provocada por la quema de combustibles fósiles, como los mencionados anteriormente. La contaminación producida por la emanación de gases como el dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), azufre (S), óxidos de nitrógeno (N2O, NO, N2O3); etc. Provoca graves consecuencias para el medio ambiente y para la salud del hombre; los gases mencionados anteriormente son la causa del “efecto invernadero”, el fenómeno conocido como la “lluvia acida”, entre otros. Lo más grave de éste es que no es un recurso renovable. Al considerar esto podemos pensar que la solución a estos problemas es dejar de utilizar combustibles de origen fósil, pero aun tiene muchas ventajas. Por lo que es necesario encontrar un producto que funcione como combustible, no que sustituya a la gasolina o diesel; sino que se pueda utilizar como una alternativa. Uno que sea renovable, orgánico, no contaminante, de fácil y económica producción. Para lo cual hemos considerado a los biocombustibles. El problema que enfrentamos al mencionar biocombustibles, es que la mayoría están hechos a base de aceites vegetales, o sea que hablamos de recurrir a alimentos necesarios para el ser humano, como el maíz o la soya. También existe el problema de los costos de producción, para países como el nuestro, en vías de desarrollo la implementación de nuevas tecnologías representa un gran obstáculo, ya que no podría existir una inversión significativa. Al realizar un biocombustible de origen animal (grasa), estamos evitando la utilización de semillas importantes en la alimentación; al igual que la innovación de un método de producción económico implica una representante mejora en la utilización de biocombustibles.

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OBJETIVOS: ESPECÌFICOS: • Hacer reaccionar alcohol etílico y manteca, a través de una reacción de

esterificación. • Obtener a partir de la reacción de esterificación: una mezcla de ésteres,

glicerol, alcohol. • Utilizar como catalizador ácido sulfúrico (H2SO4). • Comparar las propiedades del combustible convencional con el

biocombustible obtenido. • Obtener un biocombustible a partir de grasa animal (manteca). • Obtener un biocombustible en el cual no se tenga que modificar el motor de

combustión interna. GENERALES: • Realizar un combustible accesible, para bajar el índice de dependencia al

los combustibles fósiles. • Que el combustible obtenido no contamine al igual que los combustibles

fósiles, sino en pequeñas cantidades. • Que nuestro biocombustible no dañe las reservas alimenticias de la

población; como es el caso de algunos combustibles hechos a base de aceites de origen vegetal.

• Comprobar la eficacia del biocombustible, en un motor de combustión interna.

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Hipótesis: Si mezclamos metanol, con manteca de cerdo, agregando un catalizador en este caso: hidróxido de potasio (KOH) efectuaremos así una reacción de esterificación cuyo objetivo consiste en la conversión de los triglicéridos (ésteres de ácidos grasos). Que conforman las grasas, efectuando previamente una purificación de ésta por medio de una centrifugación así obtendremos como resultado metilester y glicerina, el metilester será nuestro biodiesel; con las mismas características que el biodiesel a base de aceite de girasol, pero con las ventajas que al realizarlo con manteca no estaremos atentando contra los suministros alimenticios tanto, como la mayoría de los biocombustibles hechos a base de semillas o frutos ya que la manteca es uno de los principales desechos de la industria ganadera. Una vez que obtengamos el biodiesel si lo disolvemos en éter, lograremos que su viscosidad se reduzca hasta parecerse a la gasolina normal, y poder emplearlo a los motores de combustión interna normales. Así pues lo comprobaremos con un vehículo de combustión a escala. Además pretende alcanzar un alto potencial para sustituir cantidades significativas del combustible fósil en las aplicaciones de transporte. Contando con la misma eficacia que los combustibles fósiles en los motores de combustión interna, sin tener que modificarlos. Buscando también disminuir notablemente el humo de combustión en un 30% y reducir las emanaciones de CO2, CO.

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Marco teórico:

Las fuentes de bioenergía pueden ser biomasa tradicional quemada directamente, tecnologías a base de biomasa para generar electricidad, y biocombustibles líquidos para el sector de transporte.

Los biocombustibles que más se utilizan son el etanol y el biodiesel. El etanol puede ser utilizado en motores que utilizan nafta, mientras que el biodiesel puede ser utilizado en motores que utilizan gasoil.

El etanol es un biocombustible a base de alcohol, el cual se obtiene directamente del azúcar. Ciertos cultivos permiten la extracción directa de azúcar, como la caña azucarera (Brasil), la remolacha (Chile) o el maíz (Estados Unidos). Sin embargo, prácticamente cualquier residuo vegetal puede ser transformado en azúcar, lo que implica que otros cultivos también pueden ser utilizados para obtener alcohol. Aunque con la tecnología disponible actualmente éste último proceso es muy costoso, se pronostica que ocurran avances en éste sentido (las llamadas tecnologías de segunda generación).

En el caso de los motores diesel, se pueden utilizar biocombustibles obtenidos a partir de aceites o grasas. Ciertas plantas como la soja o el girasol, son las que más eficientemente producen aceites que pueden ser utilizados como biocombustibles directamente, o pueden ser procesados para obtener un biocombustible refinado. La utilización directa de aceites vegetales es posible, pero requiere de modificaciones en el motor. El sistema más habitual es la transformación de los aceites mediante un proceso químico que permite la utilización del biocombustible en un motor diesel sin modificar.

Concepto de biocombustible: Se entiende por biocombustible a aquel combustible de origen biológico que no sea fosilizado, si no se añade “no se ha fosilizado” el petróleo, los carbones minerales (hulla, lignitos, turba y antracitas) y el gas natural serían considerados biocombustibles, ya que su origen también es biológico; pero han sido fosilizados hace cientos de millones de años. Por otro lado, la definición más sencilla de combustibles es: “cuerpo sólido, liquido o gaseoso capaz de arder”. A nivel popular, se entiende como combustible toda materia que, mezclado con el oxigeno produce una reacción (de combustión) que desprende energía calorífica. En el fondo científico de la cuestión, un combustible es un “almacén de energía química”. En última estancia, el origen de los biocombustibles es la energía solar que es almacenada en algunos seres vivos en forma de biocombustibles. Una de las grandes ventajas de los biocombustibles frente a los denominados combustibles fósiles, es que aquellos son renovables y se consideran como una energía renovable destinada a suplir las características futuras de combustibles fósiles.

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LIPIDOS

Los lípidos son ésteres de ácidos grasos y un alcohol o de un poliol. Constituyen estructuras celulares como fosfolípidos y glicolípidos, elementos de revestimiento como ceras y cutinas, también son sustancias de reserva, fuentes de energía celular. Generalmente se trata de compuestos insolubles en agua, solubles en S.O. no polares (éter de petróleo, hexano, benceno, éter.); no volátiles, lo que los diferencia de las esencias.

Se distinguen:

a) Los lípidos simples: pueden clasificarse según la naturaleza del alcohol que forma parte del éster en:

glicéridos: el alcohol es el glicerol. céridos: el alcohol es alifático de alto P.M. (Ej.: cirílica, cetílico, etc.). estéridos: el alcohol es un esterol.

b) Lípidos complejos, entre ellos los fosfolípidos y glicolípidos.

Estado natural

Los triglicéridos se encuentran repartidos en todo el R. vegetal, desde las bacterias a las plantas superiores y en todos los órganos, pero son generalmente las semillas las que contienen mayor cantidad de materia grasa; en algunos frutos, aunque menos frecuente, se encuentran triglicéridos en cantidades importantes en el pericarpio, ejemplo: oliva, cocos de palma, palta.

Purificación (refinación):

Cualquiera que sea el método empleado para extraer el aceite, éste deber ser purificado de sustancias acompañantes como: ácidos grasos libres, proteínas, resinas, ceras, gomas y mucílagos, H2O, pigmentos, esteroles, productos olorosos o sápidos. Para ello se trata con H2O a 100°C, centrífuga. Elimina fosfolípidos (lesitinas), proteínas, gomas y otros productos que en el aceite están como dispersión coloidal (los coloides forman geles densos). Luego viene una neutralización (mediante soda dil. o cal) de los ácidos grasos libres; a continuación viene una decoloración (con C activado u otros productos) y finalmente desodorización (aldehídos y cetonas comunican mal olor y sabor) por inyección de vapor de agua a alta temperatura (180°C) al aceite.

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Composición de ácidos grasos de varias grasas y aceites comestibles.

Porcentaje de peso total de ácidos grasos.

Saturada Mono- insaturada

Poli- insaturada

Aceite o Grasa

Proporción Insat./Sat. Ácido

Cáprico C10:0

Ácido Láurico C12:0

Ácido MirísticoC14:0

Ácido PalmíticoC16:0

Ácido EsteáricoC18:0

Ácido Oleico C18:1

Ácido Linoleico (ω6) C18:2

Ácido Alfa- Linolénico (ω3) C18:3

Sebo vacuno 0.9 - - 3 24 19 43 3 1

Aceite de coco 0.1 6 47 18 9 3 6 2 -

Aceite de maíz 6.7 - - - 11 2 28 58 1

Manteca de cerdo 1.2 - - 2 26 14 44 10 -

Aceite de oliva 4.6 - - - 13 3 71 10 1

Aceite de palma 1.0 - - 1 45 4 40 10 -

Aceite de soja 5.7 - - - 11 4 24 54 7

Aceite de girasol*

7.3 - - - 7 5 19 68 1

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METANOL El metanol, también llamado alcohol metílico es el primero de los alcoholes. Su fórmula química es CH3OH. La estructura química del metanol es muy similar a la del agua, con la diferencia de que el ángulo del enlace C-O-H en el metanol (108.9°).

Las propiedades físicas más relevantes del metanol, en condiciones normales de presión y temperatura, son las siguientes:

Peso Molecular 32 g/mol Densidad 0.79 kg/l Punto de fusión -97 °C Punto de ebullición 65 °C

El metanol es considerado como un producto o material inflamable de primera categoría; ya que puede emitir vapores que mezclados en proporciones adecuadas con el aire, originan mezclas combustibles. El metanol es un combustible con un gran poder calorífico, que arde con llama incolora o transparente y cuyo punto de inflamación es de 12,2 ºC.

Esterificación

Es el proceso por el cual se sintetiza un éter. El cual se deriva formalmente de la reacción química entre un ácido carboxílico y un alcohol.

La reacción de la esterificación pasa por un ataque nucleofílico del oxígeno de una molécula del alcohol al carbono del grupo carboxílico. El protón migra al grupo hidroxilo del ácido que luego es eliminado como agua. El rol del catalizador es el de aumentar la actividad carboxílica (la carga parcial positiva sobre el átomo de carbono) por protonación de uno de los oxígenos del ácido. Lo mismo se puede conseguir utilizando derivados más activos del ácido como los haluros o los anhidruros.

Y es el método más sencillo para acercar las características de los aceites a la del gasoil, y el resultado es lo bastante bueno como para que se pueda hacer la sustitución sin que el sistema sufra deterioro alguno. Únicamente, es preciso tener cuidado en algunos aspectos puntuales, como puede ser el ataque del éster sobre algunas condiciones.

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Motores de combustión interna

Los motores de combustión interna son los que usan comúnmente. Los automóviles también Se les llaman motores de explosión.

Estos nombres les fueron asignados debido a que el combustible se quema en el interior del motor. Estos motores trabajan en cuatro tiempos: la admisión. La compresión, la explosión y el escape.

En el primer tiempo o admisión, el cigüeñal arrastra hacia abajo el émbolo, aspirando en el cilindro la mezcla carburante que está formada por gasolina y aire procedente del carburador.

En el segundo tiempo se efectúa la compresión, el cigüeñal hace subir la mezcla carburante al émbolo, el cual comprime fuertemente la mezcla carburante en la cámara de combustión.

En el tercer tiempo, se efectúa la explosión cuando la chispa que salta entre los electrodos de la bujía que inflama la mezcla. Produciéndose una violenta dilatación de los gases de combustión que se expanden y empujan el émbolo, el cual produce trabajo mecánico al mover el cigüeñal, que a su vez mueve las llantas del coche y lo hace avanzar.

Por último en el cuarto tiempo los gases de combustión se escapan cuando el émbolo vuelve a subir y los expulsa hacia el exterior, saliendo por el mofle del automóvil.

Naturalmente que la apertura de las válvulas de admisión y de escape, así como la producción de la chispa en la cámara de combustión, se obtiene mediante mecanismos sincronizados en el cigüeñal.

De acuerdo a la descripción anterior, comprendemos que si la explosión dentro del cilindro no es suave y genera un tiro irregular, la fuerza explosiva golpea al émbolo demasiado rápido, cuando aún está bajando en el cilindro.

Este efecto de fuerzas intempestivas sacude fuertemente la máquina y puede llegar a destruirla, cuando esto sucede se dice que el motor está detonado o cascabeleado efecto que se hace más notorio al subir alguna pendiente.

Los motores de dos tiempos trabajan de igual forma, pero lo efectúan separándolos de dos en dos.

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Procedimiento del biodiesel: A continuación se muestra un listado de los materiales y reactivos empleados para la obtención de nuestro biogradissel así como el método. MATERIALES:

1 Vaso de precipitado de 1000ml 2 Vasos de precipitados de 500ml 1 Probeta de 100ml 1 Pipeta 1 Espátula Mechero de Bunsen Soporte Universal 2 Matraces Herlenmeyer 1 Agitador 1 Termómetro Embudo Papel filtro centrifugadora

REACTIVOS:

Ácido sulfúrico (H2SO4) Hidróxido de potasio (KOH) Alcohol metìlico (CH3OH) Manteca

MÈTODO: Primero calentamos 280gr. de manteca de cerdo tratando de que alcanzara una temperatura alta y empezar el proceso para hacerla liquida, luego se filtra (se recomienda mantener la manteca a la temperatura señalada o a una aproximación para que la filtración no demore mucho tiempo) para eliminar las impurezas, es decir purificamos la manteca para eliminar las materias extrañas a los glicéridos neutros, tales como ácidos grasos libres o el exceso de algún otro componente que pueden estar en suspensión o dispersión.

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Posteriormente para hacer más eficaz la purificación de la manteca, la centrifugamos; éste método se emplea para separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una centrifugadora, la cual imprime a la mezcla un movimiento rotatorio con una fuerza de mayor intensidad que la gravedad, provocando la sedimentación del sólido o de las partículas de mayor densidad, así la manteca que obtuvimos se encontraba en estado líquido, era de color claro y notablemente limpio. Ya que se obtuvo el aceite de la manteca se prepara una mezcla de 120ml. De metanol y .5ml de solución de hidróxido de potasio (KOH). Una vez purificada la manteca, se vuelve a calentar por segunda vez, cuidando que no exceda los (60°C) ya que el punto de ebullición del metanol

el de (65°C). Al llegar a la temperatura mencionada se retira del fuego y se le agrega la mezcla de metanol con hidróxido el cual funcionara como catalizador.

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Una vez mezclado todo se procede a revolver por una hora, después se le agrega ácido sulfúrico (H2SO4) para parar la reacción, se deja reposar por setenta y dos horas. Al transcurrir dicho tiempo de reacción se formará el producto una capa no muy gruesa en la parte superior de la solución con un color claro entre amarillento y café que será nuestro biogradissel o el metilèster y en el sedimento se formará glicerina como residuo de la reacción. Una vez realizado todo lo anterior se disuelve en éter, que ayuda a que éste no sea tan viscoso y pueda introducirse en los motores normales.

H2C – O – CO– ácido graso

HC – O – CO– ácido graso + CH3OH Ácido graso–COOCH3 + glicerol

H2C – O – CO– ácido graso

Aceite animal

metanol

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Prototipo: Como solo lo empleamos para comprobar y demostrar la eficacia de nuestro biocombustible no nos detendremos a explicar profundamente paso por paso el procedimiento que se empleo para hacerlo, ni el material simplemente daremos una descripción rápida del vehículo. Este vehículo consta de: Un motor de combustión interna monocilíndrico, dos tiempos. Una altura de un metro. Y dos aproximadamente de ancho. 80 centímetros cúbicos. Cloche centrifugo. Transmisión con diferencial por banda.

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Análisis e interpretación de resultados: Se generó el biodiesel esperado a través de los anteriores procesos. Tras realizar la experimentación requerida, logramos comprobar su eficacia en un motor de combustión interna, y a su vez, comparamos sus cualidades con las de otros combustibles (biodiesel de origen vegetal y diesel de origen fósil). Características Ester metílico

de girasol Gasoil de origen fósil

Gradissel

Densidad a 20° C , kg/l 0.88 0.835 0.86 a 0.9

Viscosidad a 20°C 3.5 4.2 3.5 a 5.5

Azufre % peso 0.01 0.29 0.01

Número de cetano 45 – 51

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De acuerdo a la tabla anterior, la viscosidad del Gradissel se asemeja a la del gasoil fósil, por lo cual se considera benéfico durante la inyección y combustión de éste. También es importante considerar en número de cetano que indica la facilidad de inflamación del combustible en el motor, que al acercarse más al valor del gasoil (50), como es el caso del Gradissel, garantiza una marcha más suave del motor. De igual manera, comparamos algunos aspectos importantes que son considerados a continuación: La combustión de un metiléster emana el 30% de las partículas en suspensión y compuestos tóxicos, a comparación del diesel fósil. Contaminantes como: óxido de nitrógeno (NO), ozono (O3), hidrocarburos no quemados, monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y dióxido de azufre (SO2) entre otros.

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Desechos producidos

10%

80%

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

Gradiesel Diesel

Refiriéndonos a los desechos producidos durante la generación de Gradissel y diesel fosilizado; los desechos de la producción de Gradissel son prácticamente nulos, ya que como productos resultantes obtenemos metiléster (diesel) y glicerina, ésta última puede ser utilizada para fabricar jabones. En cambio, durante la refinación del petróleo para realizar el diesel, muchas sustancias son desechadas sin darle uso alguno. También consideraremos los biocombustibles a base de aceite vegetal, que como lo hemos mencionado presentan grandes desventajas, como el uso de alimentos para su producción. Y que en comparación con nuestro Gradissel, atenta con los suministros de alimentación de la población, pero en cambio, la utilización de grasa animal (manteca de cerdo) no afecta, ya que mayormente ésta grasa es desechada. Además, al utilizar un aceite de origen vegetal se tiene que realizar una producción previa de éste, y en ese proceso se desechan muchas sustancias. En cambio, con el Gradissel sólo se tiene que calentar y filtrar la manteca obtenida directamente del animal, por lo cual no hay una elaboración previa que contamina y retrasa la generación de diesel.

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Conclusión: Para concluir con nuestro trabajo sólo nos resta decir que con la generación de este biocombustible (gradissel) cumplimos con las expectativas ya mencionadas: hacer un combustible orgánico, renovable, no contaminante, similar al diesel y que no atentará con los productos alimenticios. Además, de la implementación de nuevas formas de producción, para evitar los gastos innecesarios en nueva tecnología y disminuir el costo del nuevo biodiesel. Para que signifique una competencia al uso de diesel fosilizado, de ésta manera colocarlo como un diesel alternativo al diesel convencional. Por otra parte, se logró eliminar esa desconfianza a los biocombustibles, ya que algunos utilizan semillas como base para su elaboración; en cambio con el Gradissel se podrá utilizar grasa de animal, que ya no sea utilizada para generar un combustible, con las ventajas antes mencionadas

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Referencias: PETROQUIMICA Y SOCIEDAD. Susana Chow Pangtoy. “la ciencia para todos” fondo de cultura económica. QUIMICA ORGANICA. G. Devore. Traducción: E. Muñoz Mena. Publicaciones cultura. LOS BIOCOMBUSTIBLES. Manuel Camps Michelena, Francisco Marcos Martín. Ediciones Mundi-prensa. QUIMICA CONCEPTOS Y APLICACIONES. John S. Phillips, Victor S. Strozak. Ed. McGRAW-HILL. Determinación de la Influencia de los Contaminantes en las Propiedades del Biodiesel, Jon H. Van Gerpen et al., Iowa http://www.biodiesel.org/resources/reportsdatabase/reports/gen/gen014.pdf. Index http://www.quimicaorganica.net/quimica-organica/esteres/transesterificacion/transesterificacion.htm

BIODIGESTORES http://www.yobiogas.com/index3.htm

Aplicación de la Biotecnología moderna al mejoramiento de los aceites ActividadesMaterial de consulta http://www.textoscientificos.com/energia/biogas http://foros.emagister.com/tema-convertir_suero_en_biogas_o_etanol_proceso_patentado-13005-253898-1.htm