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2013
Tecnologías Para La Producción De
Biocombustible A Partir De Aceites
Vegetales
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 1
Contenido
Introducción ................................................................................................ 2
Producción de Biodiesel utilizando Reactor Batch ........................................ 5
Materias Primas ....................................................................................... 5
Equipo: Reactor tipo Batch ....................................................................... 5
Etapas del Proceso de Producción de Biodiesel ......................................... 8
Producción de Biodiesel utilizando microreactores ..................................... 11
Características y funcionamiento del microreactor Invención del Dr. Goran
Jovanovic ............................................................................................... 18
Características y funcionamiento del microreactor. Invención de Anthony J.
Garwood ................................................................................................ 19
Producción de Biodiesel Utilizando Tecnología de ultrasonidos .................. 26
Obtención del aceite de las algas ............................................................ 27
Ventajas De Los Reactores De Biodiesel De Ultrasonidos........................ 29
Producción de Biodiesel Utilizando Tecnología de Fluidos Supercríticos ..... 31
Transesterifìcación de triglicéridos en FSC ............................................. 33
Consideraciones de condiciones de proceso al usar FSC para producir
biodiesel................................................................................................. 34
Alcoholes usados .................................................................................... 36
Impurezas en la materia prima ................................................................ 36
Relación molar alcohol aceite ................................................................. 38
Impacto Ambiental .................................................................................... 39
Bibliografía ............................................................................................... 41
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 2
Introducción
En el siguiente escrito se detallara diferentes métodos de producción de
biocombustible a partir de aceites vegetales nos centraremos en la producción
de biodiesel ya que hemos visto una gran importancia en la utilización de este
como hidrocarburo ya que puede ser producido partiendo de materiales de 3ra
generación es decir aceites desechados de producción de alimentos entre otros.
El biodiesel es un combustible completamente natural y renovable que puede
ser utilizado en cualquier aplicación donde se use petrodiesel, aunque en su
nombre aparece el vocablo "Diesel", no existen combustibles fósiles o
petróleo en su composición, es fabricado 100% de aceite vegetal.
En la década anterior, el biodiesel ganó gran popularidad debido a sus
enormes ventajas frente al petrodiesel: no tóxico, biodegradable, no
inflamable, económico y más seguro de manejar y utilizar. Técnicamente, el
biodiesel es un metiléster de aceite vegetal, se forma mediante la remoción de
la glicerina del triglicérido (aceite), en un proceso similar a la saponificación,
las moléculas restantes (cadenas simples de hidrocarburos)f orman el
biodiesel, no contienen azufre, anillos o compuestos aromáticos; además al
contener cerca del 10% de oxígeno.
El biodiesel es una alternativa energética que ha ganado una especial atención
en el mercado global. Países como Alemania y EEUU lo han usado e
implementado con éxito en las dos últimas décadas en los vehículos. A pesar
de esto, muchas veces ha sido cuestionado y aún está sujeto a superar varios
problemas y muchos prejuicios. Es por eso que se hace necesario seguir
investigando lugares, insumos y procedimientos que hagan esta alternativa
más viable técnica, social y económicamente.
El presente trabajo, muestra cuatro diferentes tecnologías para la producción
de biodiesel.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 3
Tecnologías para la producción de biocombustible
a partir de aceites vegetales
Conceptos Básicos
Biocombustibles
Son combustibles de origen biológico obtenido de manera renovable a partir
de restos orgánicos. Estos restos orgánicos proceden habitualmente del azucar,
trigo, maiz o semillas oleaginosas. Todos ellos reducen el volumen total de
CO2 que se emite en la atmósfera, ya que lo absorben a medida que crecen y
emiten prácticamente la misma cantidad que los combustibles convencionales
cuando se queman, por lo que se produce un proceso de ciclo cerrado.
Los biocombustibles son a menudo mezclados con otros combustibles en
pequeñas proporciones, 5 o 10%, proporcionando una reducción útil pero
limitada de gases de efecto invernadero. En Europa y Estados Unidos, se ha
implantado una legislación que exige a los proveedores mezclar
biocombustibles hasta unos niveles determinados.
Esta legislación ha sido copiada luego por muchos otros paises que creen que
estos combustibles ayudarán al mejoramiento del planeta a través de la
reducción de gases que producen el denominado ‘Efecto Invernadero’.
Biodiésel
El biodiesel es un biocombustible que se fabrica a partir de cualquier grasa
animal o aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. Se suele
utilizar girasol, canola, soja o jatropha, los cuáles, en algunos casos, son
cultivados exclusivamente para producirlo. Se puede usar puro o mezclado
con gasoil en cualquier proporción en motores diésel.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 4
El principal productor de biodiésel en el mundo es Alemania, que concentra el
63% de la producción. Le sigue Francia con el 17%, Estados Unidos con el
10%, Italia con el 7% y Austria con el 3%.
Aceites Vegetales
Los aceites vegetales están compuestos de ácidos grasos de diferentes tipos.
La proporción de estos ácidos grasos y sus características son las que confieren las diferentes propiedades a los diferentes tipos de aceites vegetales
existentes.
El aceite vegetal como producto, es una sustancia que se obtiene a través de
frutos con un alto contenido en dichos ácidos grasos. También se extraen de semillas con las mismas características, denominadas semillas oleaginosas.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 5
Producción de Biodiesel utilizando Reactor Batch
El Biodiesel se produce gracias a una reacción química denominada
Transesterificación, lo que significa que el glicerol contenido en los aceites es
sustituido por un alcohol ante la presencia de un catalizador. En nuestro caso
utilizaremos Metanol y NaOH (soda cáustica) o KOH (hidróxido de potasio).
Equipo: Reactor tipo Batch
Características
El reactor es recargado mediante dos orificios de la parte superior del tanque.
Cuando la reacción se está llevando a cabo, ningún compuesto ingresa o sale
del reactor hasta que la reacción culmine. El calentamiento o enfriamiento se
lo realiza fácilmente con el uso de una chaqueta de enfriamiento o
calentamiento.
Ventajas
Elevada conversión por cada unidad de volumen en cada etapa.
Flexibilidad en las operaciones.
Un mismo reactor puede producir en un tiempo un determinado
compuesto y después otro.
Muy fácil de limpiar.
Desventajas
.costo de operación elevado.
La calidad del producto es más variable que un reactor continuo.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 6
Leyenda
1. Agitador con motor vertical
2. Tapa de suministro de etóxido
3. Tanque de etóxido
4. Visor de nivel de etóxido
5. Agitador con motor vertical
6. Tapa de suministro de aceite
7. Reactor
8. Visor de nivel de Biodiesel
9. Deposito de alivio para etóxido
10. Panel de control
11. Soporte Metálico
12. Resistencia de Calentamiento
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 7
Materias Primas
Aceite
El primer ingrediente es el aceite o la grasa. El aceite vegetal que puede
tratarse como desecho en la mayoría de los hogares. También se puede, por
supuesto, plantar girasol o soja y luego de cosecharlo, prensarlo para extraer el
aceite, como sucede en muchos lugares del mundo donde se produce el
biodiesel.
Generalmente para la producción de Biodiesel se utiliza aceite de palma
refinado, blanqueado y deodorizado, que es un aceite de origen vegetal
obtenido del mesocarpio de la fruta de la palma Elaeis (E. guineensis), el
aceite de palma es saturado solamente en un 50% y se encuentra conformado
básicamente por ácidos grasos, los cuales son largas cadenas hidrocarbonadas
de tipo lineal, con un número par de átomos de carbono y que tienen en un
extremo de la cadena un grupo carboxilo.
Alcohol
El segundo ingrediente es el alcohol. El Metanol se usa generalmente para la
elaboración con aceites vegetales reciclados. Cuando se utilizan aceites
nuevos, es posible la mezcla con etanol.
El alcohol utilizado en la Transesterificación debe ser absoluto ya que
cualquier cantidad de agua (a partir de un 2%) revierte la reacción llevándola
al equilibrio y deteniendo así la ruptura de los triglicéridos, sin embargo
cuando el catalizador es una lipasa (enzima), el alcohol puede llegar a tener
hasta un 5% de agua.
Catalizador
El último ingrediente es el catalizador. Se pueden utilizar tanto el KOH
(hidróxido de potasio) como el NaOH (hidróxido de sodio o soda caustica). La
ventaja del KOH es que la glicerina que queda del proceso es mucho menos
tóxica que cuando se utiliza NaOH. En este caso, es posible procesar la
glicerina para producir un fertilizante artificial.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 8
El KOH tiene también la ventaja de que se disuelve mucho mejor en metanol.
Sin embargo, la ventaja del NaOH es que es muy simple y barato de conseguir
porque se lo utiliza normalmente como destapador de cañerías y a su vez es
fácil de manipular.
Etapas del Proceso de Producción de Biodiesel
La conversión de los aceites vegetales en etil-éster para su utilización como
Biodiesel involucra la Transesterificación de los triglicéridos del aceite a
ésteres simples (mono-ésteres) de los ácidos grasos que los componen. Para
realizar esta conversión, el aceite vegetal se mezcla con alcohol etílico usando
hidróxido de potasio como catalizador.
Durante el proceso se produce glicerol, el cual es insoluble en el éster, y
siendo más pesado se decanta, llevando consigo la mayoría del catalizador
disuelto. A pesar del asentamiento inicial, algunos subproductos indeseables
pueden permanecer en el éster, causando problemas en la etapa de lavado.
• Primera Etapa: Formación del Etóxido
El primer paso es mezclar el etanol con el hidróxido de potasio para formar
etóxido de potasio, y se forma de acuerdo a la siguiente reacción.
• Segunda Etapa: Transesterificación
La mezcla Etanol-KOH es entonces vertida en el aceite dentro del reactor,
cada uno de los reactivos entra al reactor a presión atmosférica y a
temperatura ambiente, a excepción del aceite, el cual es precalentado hasta
alcanzar una temperatura superior a los 120°C, con el fin de evaporar
cualquier rastro de humedad, la cual pondría en riesgo el correcto desarrollo
de la reacción de Transesterificación.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 9
Transesterificación de Triglicéridos con alcohol
• Tercera Etapa: Separación
En una reacción completa y exitosa, el glicerol comienza a separarse
inmediatamente y la decantación se completa la mayoría de las veces en una
hora. Después del asentamiento inicial, el contenido es mezclado de nuevo y
agitado por 40 minutos.
Después de los primeros 20 minutos de agitación se añade agua en una
proporción igual a un 15% del volumen inicial del aceite usado en la reacción.
Esta mezcla se deja decantar de 24 a 48 horas (estos tiempos se pueden reducir
considerablemente si se usa centrifugación), entre mayor sea el tiempo de
separación más sencillo será el proceso de lavado. Después de la re-mezcla del
glicerol, la adición de agua y la culminación de la separación, se drena la capa
inferior, la cual contiene glicerol y agua.
• Cuarta Etapa: Lavado
Finalmente, para remover el alcohol remanente y los restos de potasio, glicerol
o jabón, el éster es lavado con agua en una proporción volumétrica del 30% de
agua.
Para este procedimiento existen diversos métodos, sin embargo el más
recomendable es el lavado de burbujas de aire, ya que reduce
significativamente el tiempo de lavado.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 10
Quinta Etapa: Secado
El secado se realizará una vez se haya terminado el lavado y se haya dejado
tiempo suficiente (mínimo 6 a 8 horas) para que el agua y el biodiesel se
separen completamente. En este momento se transferirá el biodiesel al tanque
de secado.
El biodiesel estará totalmente seco cuando:
No se vea formación de burbujas ni se oigan crujidos del agua
hirviendo.
El líquido esté totalmente translúcido (y se pueda ver el fondo). Si está
un poco turbio, es que aún tiene agua o jabón.
Sexta Etapa: Filtrado
Luego del secado, el biodiesel se filtra para evitar todo tipo de impurezas.
Asegurarse de que el biodiesel no esté demasiado caliente antes del filtrado (la
temperatura no debe superar los 50 ºC).
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 11
Producción de Biodiesel utilizando microreactores
En un microreactor, al disminuirse el tamaño de las dimensiones lineales se produce una disminución en los volúmenes que son capaces de manejar, lo
cual permite el uso de pequeños flujos de materias primas, aunque cabe resaltar que dependiendo del tipo de microreactor, de los diseños y de la
empresa que lo manufacture podrá seleccionarse entre microreactores capaces de emplear volúmenes que van desde los mL hasta los μL; por ejemplo, en el
caso del microreactor utilizado por Jovanovic se operaron flujos del orden de 0.107 hasta 0.002314 mL/min para el aceite y de 0.032 hasta 0.0006615
mL/min para la solución metanólica con catazalizador.
Cuando los reactivos, el aceite y el alcohol, fluyen por los microcanales lo hacen en forma de láminas, formándose una interfase entre ambos reactivos,
debido al contacto que hay entre los reactivos en esta área de contacto y a las pequeñísimas dimensiones de los microcanales, la reacción de transesterificación se lleva a cabo principalmente a través de la interfase y por
difusión, en la cual el tiempo que se toma una molécula de reactivo para difundirse a través de la interfase para reaccionar con otras especies
moleculares es reducido a segundos o minutos en lugar de horas como ocurre en la producción industrial. Por lo tanto, la velocidad de conversión es mucho
mayor y la reacción química alcanza una alta conversión en tiempos más cortos.
Por ello el proceso batch utilizado a nivel industrial para la producción de
Biodiesel es sustituido por un proceso continuo cuando se hace uso de los microequipos. En el caso del proceso por lotes o batch, el tiempo de reacción
es mucho más grande debido a la baja transferencia de masa y calor en el sistema; mientras que al desarrollarse el proceso en un microreactor, bajo un régimen de flujo continuo, trae como consecuencia una disminución del
tiempo de residencia, debido a que el transporte de los reactivos y de los productos se desarrolla en capas muy finas. Cabe resaltar que los
microreactores han sido diseñados para mejorar el transporte de masa, de calor y los patrones de flujo.
Lo anterior se debe a que al disminuirse el tamaño, la proporción superficie-
volumen aumenta notablemente alcanzado valores de 10000 a 50000 m2/m
3 en
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 12
los microcanales, mientras que un equipo de laboratorio convencional para
producir Biodiesel no se exceden los valores de 1000 m2/m
3 y 100 m
2/m
3.
Al desarrollarse la reacción de transesterificación en un microreactor, el
tiempo en el que se alcanzan altos porcentajes de conversión se reduce considerablemente, y esto también es como consecuencia de que al disminuir
las dimensiones, se aumentan los gradiente de temperatura, presión, densidad, etc., y por lo tanto se logra un aumento en la transferencia de masa, calor y
flujo por unidad de volumen o unidad de área al hacer uso de los microreactores.
Las más pequeñas diferencias en dimensiones lineales de los microreactores
aumentan el gradiente respectivo para determinadas propiedades físicas en el microreactor como la temperatura, concentración, densidad y presión. En consecuencia, los microreactores intensifican significativamente la
transferencia de calor, el transporte de masa y la difusión de flujo por unidad de volumen o unidad de superficie.
Lo anterior nos lleva a considerar una de las ventajas más grandes que tienen
los microprocesos y esto es la intensificación, para ello es requerida la repetición de un múltiple número de unidades de microreacción, en la que
cada microdispositvo, usando una línea de alimentación común, produzca en apariencia pequeños flujos de producto por unidad de tiempo, pero que en
realidad lo hacen de forma rápida e ininterrumpida. Y de tal forma, que los productos requieren un menor postratamiento para lograr la pureza deseada de
estos. Es por ello que debido a los pequeños volúmenes de producto que se van recolectando progresivamente, su tratamiento es más sencillo y el número de operaciones para su purificación se reduce.
El diseño y utilización de microdispositivos permite un mejor control de las
condiciones de la reacción, ya que variables que resultan difíciles de manejar y de alcanzar en un proceso industrial se vuelven más adaptables a los
microprocesos, esto se debe principalmente al tamaño de los equipo y a las bajas cantidades de reactivos que se van utilizando progresivamente en el
microproceso, por ejemplo, a nivel industrial el manejo de las condiciones críticas y supercríticas resulta difícil sobre todo para lograr que grandes
cantidades de los reactivos se mantengan en estas y que los grandes equipos utilizados resistan y produzcan los ambientes apropiados para el desarrollo de
las mismas, mientras que en el caso de los microequipos es más fácil
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 13
manipular poco a poco pequeñas cantidades de reactivos a dichas condiciones
y lograr conservarlas en los pequeños equipos que por su tamaño son más resistentes. O bien en muchas ocasiones resulta difícil hacer que grandes
cantidades de sustancia sean sometidas de forma uniforme a radiaciones, microondas y ultrasonido, mientras que en los microequipos, es más fácil
mantener bajo el efecto de dichos efectos a los pequeños volúmenes empleados y que los dispositivos que los generen requieran de menos energía.
Ya que los dispositivos más pequeños necesitan menos espacio, menos materiales, menos energía y los tiempos de respuesta a menudo son más
cortos.
Además al comparar a un sistema convencional con un microsistema, los cálculos predicen que las cantidades de materias primas y de catalizador a usar
se pueden disminuir. Por ejemplo, en el proceso industrial se requiere utilizar en exceso el alcohol, mientras que en el caso del microproceso de Garwood la relación molar casi se ajusta a la relación estequiométrica de la reacción de
transesterificación.
El hacer uso de un microreactor permite diseñar un microproceso continuo, en el que los inconvenientes de la reacción reversible de transesterificación a
nivel industrial se disminuyan, por ejemplo en el caso del proceso continuo a nivel industrial es necesario ir extrayendo en dos etapas el glicerol, mientras
que en el microproceso continuo el glicerol se separa del biodiesel hasta el final.
Además con el empleo de microreactores se mejora selectividad, ya que si
bien en el caso industrial hay la formación de jabones a causa de las reacciones colaterales de saponificación y neutralización, en el caso de los microprocesos la reacción es más selectiva hacia la formación de biodiesel.
Al hacer uso de los microdispositivos, los costos de operación se reducen y el
proceso se puede automatizar debido al gran parecido que tienen con otros dispositivos electrónicos; además, el rendimiento del sistema se ve mejorado
por la disminución del tamaño de los componentes, lo que permite la integración de una multitud de microequipos.
El diseño de instalaciones que incluyan el funcionamiento de los
microdispositivos hace que sus dimensiones se reduzcan, llegando a ser posible la creación de microplantas en tamaños de pequeños portafolios,
mesas o estantes. Estos son tamaños, que aunque a simple vista parecieran que
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 14
no son suficientes para lograr altas producciones, los investigadores han
llegado ha calcular que un microreactor del tamaño de una pequeña maleta, con cientos de microplacas apiladas, es capaz de producir 1 millón de galones
de biodiesel al año, lo cual hace pensar, que posiblemente una microplanta del tamaño de dos recámaras ya podría competir con la producción de Biodiesel
de una planta industrial que requiere de un acre de área para sus instalaciones.
Dado que las dimensiones de las plantas se disminuyen con el uso de microdispositivos, también se reduce el número de operadores y gastos de
servicios eléctricos y de generación de energía. Ya que en las plantas industriales para producir biodiesel se requiere de la generación de vapor para
mantener grandes lotes de reacción a temperaturas entre los 50 y 80ºC por largos tiempos, mientras que en los microequipos el proceso puede llevarse a
cabo a temperatura ambiente o bien los microreactores se pueden mantener a altas temperaturas utilizando equipos de calentamiento a base de resistencias o electrodos que ya están disponibles en el mercado.
El diseño de instalaciones con microdispositivos permite el reducir los
departamentos de análisis de las industrias y llevar a cabo estos de una forma simultánea a la del microproceso, ya que los microdispositivos se pueden
vincular con equipos de análisis cromatográfico y de electroforesis, considerando que estos equipos requieren de pequeñas muestras para
desarrollar los análisis y que muchas de sus partes han sido desarrolladas gracias a los avances de la microfluídica, se puede hablar de que hay una
cierta compatibilidad entre estos equipos de análisis y los microdispositivos. De esta manera, el muestreo y su análisis se pueden llevar a cabo de forma
acelerada y automática con precisas y mínimas cantidades de material. Uno de los beneficios principales es el aumento en la seguridad de una
microplanta, ya que la disminución del tamaño de reactores y de conductos permite la reducción de riesgos.
Dentro de un proceso químico se pueden dar dos enfoques de seguridad: el
primero es el manejo de riesgos y otro es el manejo de controles. Si dentro de un proceso el riesgo no puede ser eliminado, entonces se puede reducir el
impacto que este podría causar de tal forma que no sea capaz de causar daños o lesiones.
Con respecto a la gestión de los controles, estos suelen ser muy eficaces en el
caso de reducir riesgos en los procesos de la industria química, pero ningún
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 15
sistema de control suele ser perfecto y existe el hecho de que si falla pueda
llevar a un accidente grave. Por ello la tecnología de fabricación de microdispositivos y sus controladores está orientada a eliminar los riesgos,
dando un resultado más rentable al diseñar una microplanta.
El desarrollo de los microprocesos pretende el cambio de las tecnologías empleadas en la producción de químicos, a fin de eliminar los riesgos y las
fallas de controles; ya que aun cuando hay peligros en la producción de biodiesel, por el tipo de materias primas que se emplean y los catalizadores, la
reducción de tamaños en una microplanta permite que los efectos al entorno se disminuyan en caso de un percance.
Por lo general un proceso seguro reduce el tamaño de sus equipos, modera las
condiciones del proceso y simplifica el proceso y el diseño de la planta, en el caso de los microprocesos, se puede observar que estos cumplen satisfactoriamente con los anteriores criterios.
En una microplanta se reducen los riesgos, lo que a su vez permite reducir el
equipo de seguridad, las alarmas de emergencia y otras maneras de protección necesarias para gestionar el riesgo. La instalación y operación de este equipo
de seguridad a menudo es muy cara por lo que una reducción en el, reduce también los costos. Por lo que en las microplantas la seguridad se relaciona
con la reducción de costos.
Los microprocesos también se caracterizan por ser amigables con el medio ambiente, en el caso de la tradicional producción industrial de biodiesel se
producen efluentes alcalinos, a los cuales se les requiere dar un tratamiento para no ser desechados tal y como salen del proceso al entorno, en el caso de los microprocesos los efluentes se reducen y es más fácil tratarlos ya que la
cantidad de catalizador empleada en ellos se reduce y es más sencillo y económico neutralizar las corrientes alcalinas, en el caso del microproceso con
CO2 líquido no se producen efluentes considerables, ya que el gas al final del microproceso es recuperado y con ello se elimina de las corrientes a desechar.
La reducción de los desechos es una de las principales ventajas de los microprocesos tanto por razones ambientales, económicas y técnicas.
Al construir microplantas es posible aplicar el concepto de producción
distribuida, el cual consiste en localizar en diversos lugares, pequeñas unidades de producción capaces de producir las cantidades necesarias de
químicos. Las principales ventajas de un microproceso distribuido son: el fácil
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 16
acceso a las materias primas al ubicar las microplantas en los lugares donde se
encuentran localizados los proveedores de estas, la disminución de los costos de transporte, la reducción de residuos peligrosos, menores gastos de energía y
servicios, la seguridad del proceso y una respuesta más flexible a demandas del producto y del mercado, ya que también es posible localizar las
microplantas en aquellos lugares donde están los principales consumidores y gracias al uso de los microequipos es más fácil modificar las condiciones de
un proceso para adaptarlas a las variaciones requeridas en la producción, las cuales están en función de la demanda del producto. Además el instalar una
microplanta, expandirla o quitarla exige menos gastos que al tratar de hacer lo mismo con una planta convencional.
Entre las desventajas de los microprocesos ante los procesos industriales cabe
citar las siguientes. Para el desarrollo de microprocesos se requieren de microequipos, los cuales se diseñan y construyen en países extranjeros, por lo que si se desea construir una microplanta habrá que enfrentarse ante altos
costos de inversión inicial, derivados principalmente de altos precios inherentes que tienen los microequipos a causa de que son tecnología especial
y en desarrollo y a que estos deben ser importados.
Así mismo, para surtirse de microequipos se debe recurrir a empresas capaces de manufacturar microdispositivos en masa, sin embargo, esto será costoso, ya
que para ello deberán hacerse diseños especiales aptos para las necesidades del microproceso del cliente y se tendrán que comprar todas las conexiones y
aditamentos necesarios para la correcta instalación de los microequipos; además, será necesario que la instalación sea realizada por técnicos con
experiencia los cuales muy probablemente serán proporcionados por las empresas que fabrican los microequipos, ya que estos no son dispositivos tan convencionales y cuya tecnología se consiga en todas partes.
Una vez que la microplanta entre en funcionamiento deberá tenerse mucho
cuidado en el correcto funcionamiento y en el cuidado del microequipo, ya que si este por alguna razón deja de funcionar su reparación o cambio será
difícil de llevar a cabo, y lo más seguro es que nuevamente se recurra a la empresa fabricante para una reparación o reposición de las piezas. Estos
costos muy probablemente son el punto débil para el desarrollo de los microequipos, ya que a nivel industrial, por lo general el equipo está más
estandarizado y hay más técnicos que pueden llevar a cabo las reparaciones de este, o incluso si un equipo es de importación y no se quiere acudir al
fabricante por diversas razones, puede preferirse el ir a un taller y pedir que le
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 17
construyan un equipo parecido o alguna pieza en especial, mientras que en el
caso de la microtecnología, que como se dijo antes, hasta el momento es una tecnología especializada y de detalle, no será fácil encontrar quien repare el
equipo sobre todo por no contar con los instrumentos necesarios y las instalaciones adecuadas para realizarlo.
Por otra parte, el diseñar un microproceso requiere de mucha investigación de
laboratorio y el simulado del mismo, sin embargo, esto se dificulta, porque actualmente muchos de los microprocesos analizados son estudios que aún
permanecen a nivel experimental y solo aplicaciones muy específicas han sido llevadas realmente a una escala industrial, por lo que si se quiere construir una
planta que opere con un microproceso será necesario invertir en investigación.
A pesar de que los microsistemas han sido ampliamente usados desde ya hace
bastante tiempo, su aplicación para la obtención de biodiesel a partir de aceite es relativamente reciente, para darnos una idea de lo actual que es este tema,
podemos citar la invención más difundida que es la de Goran Jovanovic, doctor de la universidad del estado de Óregon, dicha invención fue patentada
en el año 2005, una mejora de dicho proyecto fue hecha por el investigador Anthony J. Garwood y patentada en el año 2007, a partir de estos avances
tecnológicos se han realizado diversas investigaciones en otras instituciones para determinar beneficios y mejoras de dichas invenciones. La mayor parte
de las investigaciones han sido realizadas a partir del aceite de soya, sin embargo también existen trabajos a partir del sebo animal, no olvidando que
se puede utilizar una gran variedad de aceites vegetales y de sebos animales con el fin de producir biodiesel, considerando claro está, las propiedades de
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 18
dichas materias primas para definir si requieren un pre tratamiento o no;
dichas consideraciones fueron descritas en el capítulo del presente proyecto.
Características y funcionamiento del microreactor Invención del
Dr. Goran Jovanovic
En la figura 3.1., se ilustra el sistema de microreacción 110 usado para producir biodiesel. El Sistema 110 incluye un sistema de entrega de fluido 112
y un microreactor 114. Algunas incorporaciones de la presente invención utilizan una doble bomba de jeringa 116 para la entrega del fluido al microreactor 114, como la bomba mecánica de jeringa modelo 975 de Harverd
Aparatos Company. Esta bomba tiene una caja de engranaje mecánica de 30 velocidades con un mecanismo de bloqueo. La bomba de jeringa titular puede
contener una o dos jeringas de cualquier tamaño a partir de 5 mililitros a 100 mililitros.
El sistema 110 ha sido usado para conferir el alcohol y el aceite de soya al
sistema microreactor 114. Para estas incorporaciones, una primera jeringa 118, normalmente una jeringa de 10 mililitros, se utilizan para entregar el alcohol,
y una segunda jeringa 120, normalmente una jeringa de 60 mililitros, se utilizan para entregar el aceite de soya. El alcohol fue introducido por jeringa
118 al sistema microreactor 114 por un conducto fluido 122 en línea con la válvula de retención 124.
Así mismo el aceite de soya fue entregado por la jeringuilla 120 al sistema microreactor 114 por un conducto fluido 126 en línea con la válvula de
retención 128. La ilustración del microreactor 110 tiene tres canales en una sección transversal rectangular, uno de 100 mm de ancho por 0.8 mm de
profundidad, otro de 100 mm de ancho por 1.7 mm de profundidad, y el tercero de 135 mm de ancho por 135 mm de profundidad. El alcohol y el
aceite de soya fueron mezclados en el microreactor para diferentes tiempos de residencia. La transesterificación produce biodiesel y glicerol, recogido en la
trampa fría 132, lo que permite la separación efectiva de las dos fases.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 19
Características y funcionamiento del microreactor. Invención de
Anthony J. Garwood
En la figura 3.14., se muestra las microestructuras que conforman al micro reactor incluyendo la entrada y salida de fluidos.
Las placas que conforman al microreactor (véase figura 3.14.) están
construidas de acero inoxidable las cuales están diseñadas para soportar alta presión y además se encuentran moldeadas por inyección de polímetros
adecuados (características de diseño aptas para el proceso). Y los conductos son mecanizados de tal manera, que cuando las placas son apiladas se forma
una red de microconductos que atraviesan todos los platos (véase figura 3.14.) y así permitir la transferencia de microcantidades de material de alimentación
y que de esta forma se vaya desarrollando la reacción de transesterificacion. Después de ser completada la reacción, los materiales recién formados
(biodiesel y glicerina) son trasferidos a través de una serie de conductos formados entre las placas, los cuales están conectados a los colectores que
atraviesan las placas apiladas en forma similar a las previstas para el material de alimentación.
En la figura 3.14., se muestra el microreactor en tres dimensiones con los
detalles de los colectores y de los conductos de suministro.
Figura 3.1. Sistema de Microreacción
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 20
El área comprendida de una placa es de 1” X ¾” y el espesor es del orden de
1/16”. El diámetro del colector de entrada (entrada alcohol-L-CO2) es de aproximadamente 1/8” cada uno mientras que el colector de entrada (entrada
aceite de soya) es de 1/6”.
El tiempo durante el cual la reacción, de transesterificación se lleve a cabo en
un macroreactor es el orden de 4 a 7 horas, mientras que el tiempo de reacción para el presente microreactor es de 20 segundos. El sistema comprende el
apilamiento de varias secciones planas (platos o placas), en el que cada sección es plana y mecanizada para proporcionar canales, los barcos y los conductos de tal manera que puedan comunicarse directamente con las
secciones planas adyacentes.
PUERTO DE ENTRADA
(ALCOHOL + L-CO2)
D=1/8”
PUERTO DE ENTRADA
(ACEITE VEGETAL)
D=1/7”
PUERTOS DE
SALIDA (BIODIESEL
+ GLICERINA)
D=2/9” c/u
1/16”
¾”
1”
Figura 3.14. Disposición de las
placas que conforman el
microreactor.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 21
La entrada y salida de cada sección plana se encuentran en posiciones
comunes de tal manera que cuando se apilan juntos, la salida de un puerto de la primera sección plana se pueda comunicar directamente con el puerto de
entrada del segundo plano de la sección adyacente, estas están conectadas entre sí de tal manera que su entrada y salida de los puertos estén conectados
por una serie de canales y cámaras de reacción. (Véase figura 3.15.).
De esta manera las secciones planas están conectadas entre sí a través de la salida y entrada de los puertos y por la entrada y salida de cada sección plana,
la cual posee una serie de canales y cámaras diseñadas específicamente para facilitar la transesterificación. El apilado se forma a partir de láminas planas
(con ranuras, perforaciones, rebajes canales y vasos), las cuales se organizan cuidadosamente para proporcionar una serie de conductos de recirculación. El
mezclado se garantiza dentro de los microcanales y en las cámaras de reacción gracias a su estructura y a las condiciones supercríticas en las que se encuentra el microreactor.
CÁMARAS DE REACCIÓN
4 PLACAS
Figura 3.15. Vista tridimensional de una colección de cuatro láminas dispuestas a proporcionar una
serie de conductos conectados dentro de los cuales se desarrolla la reacción.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 22
Refiriéndose de nuevo a la figura 3.14., una vista tridimensional del
microreactor compuesto por una serie de placas organizadas en grupos simétricos de 4 láminas y una lámina superior y una lámina inferior. El
microreactor está comprendido por 5 grupos de cuatro laminas cada uno que al estar en posición cerrada se garantiza que todas las láminas entran en estrecho
contacto con la lámina adyacente de tal manera que unas abrazaderas adecuadas ejercen una presión suficiente para impedir cualquier filtración de
fluido que pudiera ser transferido a través de los puertos; en general, ofrece un sistema totalmente cerrado, excepto la entrada y salida de los puertos, los
cuales estarán conectados a los correspondientes tubos de alimentación o recolección de material.
En la figura 3.16., se muestra un complejo perfil de flujo, que se desarrolla
dentro del microreactor. Dicha figura comprende una agrupación de cuatro láminas y una serie de puertos de entrada (también conocidos como colectores). En la figura se muestra en forma tridimensional el proceso de
mezclado (sándwich) y la etapa de reacción.
Las condiciones de entrada de la mezcla L-CO2-metanol se mantienen a una presión adecuada tales como 1100-1500 psig y una temperatura de 90°F
(aproximadamente 32° C) o más (para garantizar el L-CO2 en fase crítica); mientras que la entrada de aceite de soya se transfiere a bajo control de
presión alrededor de 500-600 psig y una temperatura de 90°F o más.
En la figura 3.17., se muestra una sección transversal a través de una sección de 4 láminas, que proporciona una vista lateral ejemplar de las múltiples
láminas de los grupos que se muestran en la figura 9. Esta sección pasa a través de la lateral y vertical de los conductos, teniendo una dis tribución de flujo tal como se muestra.
En la figura 3.17., se puede observar que la anchura de los conductos de
reacción va sustancialmente aumentando, mientras que la profundidad se reduce importantemente. Esto provoca que los tres flujos transferidos
presenten los perfiles mostrados en la figura 3.18.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 23
Figura 3.16. Muestra el esquema de conductos cuando se apilan
un grupo de 4 láminas.
Figura 3.17. Las i lustraciones
muestran la sección transversal de
los conductos y espacios cerrados
dentro de las cuatro placas correspondientes.
SECCIÓN A-A
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 24
Refiriéndose a hora a las secciones “B-B” y “C-C” de la figura 3.18. En primer lugar se puede ver que en la sección “C-C”, el triglicérido liquido es
penetrado por bolas ovales (el perfil es debido a la inmiscibilidad del alcohol-aceite), mientras que en la sección “B-B” el perfil de los triglicéridos y el
metanol se ha dividido para permitir la máxima exposición de contacto y de esta forma asegurar que la reacción se lleve al máximo.
Hasta el momento el objetivo de este proceso es claro, el cual es proporcionar
un servicio eficaz y eficiente para la fabricación de biodiesel y glicerol con un equipo reducido en dimensiones; en donde hay una diferencia notoria de las dimensiones físicas del microequipo del microproceso en comparación con las
del equipo de una planta convencional para la producción de biodiesel.
La extracción del líquido resultante (biodiesel, glicerol, metanol, impurezas y L-CO2), después de que la reacción se lleva acabo, se realiza en los
recolectores de salida y así el fluido es mandado a la etapa de separación. Y por último es aislado en recipientes de almacenamiento separados.
Figura 3.18. Se observa cómo se modifica el contacto entre las diferentes capas de
los reactivos conforme cambia la sección transversal del microcanal.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 25
Comparación entre el proceso industrial y el micro procesos para
la producción de biodiesel
Tabla comparativa entre el proceso industrial y los micro procesos para la producción de Biodiesel
Método Transesterificación
alcalina
Microproceso de
Goran Jovanovic
Microproceso de
Anthony Garwood
Alcohol Metanol Metanol Metanol
Catalizador NaOH, KOH ó metóxido de sodio
NaOH L-CO2 (Dióxido de Carbono Líquido)
Razón molar
Alcohol:Aceite
6:1 1:7.2 1:3.5
Temperatura 50ºC-80ºC 25ºC 250ºC
Presión 1 atm 1 atm 85 atm
Tiempo de reacción 240 minutos 10 minutos 20 segundos
Sensibilidad a la presencia de agua
Si No No
Sensibilidad a
ácidos grasos libres
Si No No
Pretratamiento requerido
Neutralización del aceite
Neutralización del aceite
Neutralización del aceite
Remoción de
catalizador
Neutralización y
lavado con agua
Es suficiente la
centrifugación
Se disminuye la
presión para recuperar el CO2
Remoción de
jabones
Lavado con agua No No
Rendimiento en Biodiesel
96% 91.1% 96%
Calidad del glicerol Baja Alta Alta
Efluentes Alcalinos-jabonosos Bajos volúmenes
alcalinos
Son despreciables
Otros Limitado a aceites de buena calidad, se
mejora en dos etapas
Equipo de enfriamiento
Equipos para producir y manejar
alta presión y
variaciones de esta
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 26
Producción de Biodiesel Utilizando Tecnología de
ultrasonidos
El ultrasonido
El ultrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima
del espectro auditivo del oído humano (aproximadamente 20 KHz).
Los ultrasonidos son utilizados habitualmente en aplicaciones industriales
(medición de distancias, caracterización interna de materiales, ensayos no
destructivos y otros). También se emplean equipos de ultrasonidos en
ingeniería.
Aceite de algas
El aceite de algas es una materia prima interesante sostenible para la
fabricación de biodiesel. Es una alternativa popular a las materias primas,
como soja, canola y palma.
En comparación con los cultivos tradicionales de semillas, la producción de
algas tiene un mejor rendimiento de aceite por acre. Mientras que la soja
produce típicamente menos de 50 galones de aceite por hectárea y la colza
genera menos de 130 galones por acre, las algas pueden producir hasta 10.000
galones por acre.
Al igual que otras plantas, las algas almacenan energía en forma de lípidos.
Hay varios métodos para la extracción de los aceites, como el prensado,
lavado con hexano y extracción por ultrasonidos. Los instrumentos de
Ultrasonidos mejoran la extracción del aceite de las células de las algas y la
conversión a biodiesel.
Proceso
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 27
Procesamiento de ultrasonidos de biodiesel comprende los siguientes pasos:
1. Obtención del aceite de las algas.
2. el aceite vegetal se mezcla con el metanol y metóxido de sodio o de
potasio.
3. la mezcla se calienta, por ejemplo, a temperaturas entre 45 y 65 oC.
4. la glicerina se retira o se separa utilizando centrífugas.
5. el biodiesel convertidos se lava con agua.
Obtención del aceite de las algas
La extracción por ultrasonidos de líquidos genera ondas sonoras que se
propagan en el medio líquido resultando en ciclos alternos de alta presión y
baja presión. Durante el ciclo de baja presión, se crean pequeñas burbujas de
vacío de alta intensidad en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un cierto
tamaño, se colapsan violentamente durante el ciclo de alta presión. Esto es
llamado cavitación. Durante la implosión se producen localmente chorros de
líquido de alta presión y velocidad. Las fuerzas de cizallamiento resultantes
rompen la estructura celular mecánicamente y mejoran la transferencia de
material. Este efecto permite la extracción de los lípidos a partir de algas. El
sistema ultrasónico es generalmente integrado en línea.
La aplicación de ultrasonidos a la producción de biodiesel a partir de algas no
se limita solamente a la extracción del aceite de las algas. El biodiesel se
fabrica a partir del aceite de algas por un proceso de conversión química
llamado transesterificación. A pesar del uso de calor, la agitación mecánica y
productos químicos catalíticos, esta conversión demora aprox. 4 a 6 horas. La
ultrasonificación mejora la mezcla y aumenta la reactividad química de los
reactivos. Esto reduce el tiempo necesario para la conversión química hasta en
un 90% lo que conduce a una perspectiva completamente nueva sobre la
fabricación de biodiesel. En lugar de bombear de lote a lote, los reactivos se
mezclan en forma continua y, posteriormente, se bombean a través de una
columna del reactor. Un tiempo de permanencia de aprox. Una hora es
suficiente.
El aceite vegetal se mezcla con el metanol y metóxido de sodio o de potasio
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 28
Hidróxido de potasio (0,2 a 0,4 kg, catalizador) se disolvió en aprox. 8.5L de
metanol en el pre-catalizador tanque de la mezcla. Esto requiere agitación de
la premezcla catalizador. El tanque de proceso se está llenando de 66L de
aceite vegetal. El aceite se calienta por el elemento de calentamiento de 45 a
65 oC.
La mezcla se calienta, por ejemplo, a temperaturas entre 45 y 65 oC
Cuando el catalizador está completamente disuelto en el metanol, la premezcla
catalizador se mezcla con el aceite caliente. La bomba alimenta la mezcla a la
celda de flujo. Por medio de la válvula de contrapresión, la presión se ajusta a
1 a 3barg (15 a 45psig). De recirculación a través del reactor de biodiese l de
ultrasonidos debe realizarse durante aprox. 20 minutos. Durante este tiempo,
el petróleo se está convirtiendo en biodiesel. Después de esto, la bomba y la
ecografía se apagan.
En el proceso va ocurriendo la reacción de transesterificación de las moléculas
de tri-glicéridos, por ultrasonido la reacción es más completa lo que significa
que más aceite es convertido en biodiesel. Además, requiere menos alcohol y
catalizador, reduciendo los costos de producción y mejorando el efecto
ambiental.
Tradicionalmente la esterificación ácida se realiza en reactores por lote, con
tiempos de reacción que se extienden por horas, alcanzando rendimientos
bajos.
Aceites vegetales, grasas animales son triglicéridos compuesto por tres
cadenas de ácidos grasos unidos por una molécula de glicerina. Los
triglicéridos son ésteres. Los ésteres son ácidos, como los ácidos grasos,
combinados con un alcohol. Glicerina (= glicerol) es un alcohol. En el proceso
de conversión de ésteres triglicéridos se convierten en ésteres de alquilo (=
biodiesel) utilizando un catalizador (soda cáustica) y un reactivo de alcohol,
por ejemplo, el metanol, que produce ésteres metílicos de biodiesel. El
metanol sustituye a la glicerina.
La glicerina se retira o se separa utilizando centrífugas
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 29
La separación de la glicerina y del biodiesel se realiza mediante una
centrífuga. La separación tiene aprox. 30 a 60 minutos. Cuando se termina la
separación, la glicerina puede ser drenado.
Lavado
Como el biodiesel convertido contiene impurezas, es necesario el lavado. Para
el lavado, el agua se mezcla con el biodiesel en una proporción volumétrica
del 30% de agua. Ultrasonidos puede beneficiar a la mezcla del biodiesel con
el agua. Esto aumenta la superficie activa como consecuencia de la reducción
de tamaño de la gota.
Esquema producción de biodiesel de extracción por ultrasonido
VENTAJAS DE LOS REACTORES DE BIODIESEL DE
ULTRASONIDOS
Bajo consumo de energia con un consumo total de alrededor de 2kW
por 1.000 litros de biodiesel.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 30
Sin partes móviles – los reactores ultrasónicos no tienen partes móviles,
lo que significa que prácticamente no requieren de ningún
mantenimiento, además de los servicios de limpieza periódicos;
Representan el ciclo del CO2, la mayoría de ellos tienen mejores
emisiones, son biodegradables y contribuyen a la sostenibilidad.
Son “amigables” al ambiente, no contaminan y captan grandes
cantidades de CO2, pero su mayor ventaja es que se producen
diariamente grandes cantidades.
La producción de aceites a partir de algas es 200 veces mayor que en
plantas. Por lo que también es mayor la producción de biodiésel
Posee un alto rendimiento y por lo tanto un bajo costo.
La producción de biodiésel de algas tiene las características de reducir
las emisiones de CO2 y compuestos nitrogenados de la atmósfera.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 31
Producción de Biodiesel Utilizando Tecnología de Fluidos
Supercríticos
Fluidos supercríticos
Un fluido supercrítico (FSC) es una sustancia que se encuentra en unas
condiciones operativas de presión y temperatura superiores a las de su punto
crítico. Un diagrama de fases de una sustancia pura presenta un
comportamiento particular en la región supercrítica, la lineal de separación de
fases líquido-gas se interrumpe no quedando definida por líneas continuas,
hay una transición continua desde estado líquido a FSC por aumento de la
temperatura a presión constante, o desde estado gaseoso a FSC por incremento
de la presión a temperatura constante. Cuando además de encontrarse en su
temperatura crítica el fluido adquiere valores de densidad y presión también
llamados críticos, característicos de cada fluido, este se encuentra en el
llamado punto crítico. En el punto crítico las propiedades de la fase líquida y
gaseosa se hacen tan similares como para ser indistinguibles, gran difusividad
(propia de los gases) alta densidad (cercana a la de los líquidos, de 100 a 1000
veces mayores que la de los gases), en estas condiciones los FSC tienen
propiedades de transferencia de materia similares a las de los gases y
características de solvatación similares a las de los líquidos. Además la alta
difusividad les permite penetrar en los materiales sólidos, y sus densidades los
hacen capaces de disolver solutos.
Son compresibles y por tanto pequeños cambios de presión pueden originar
importantes cambios de densidad y poder disolvente. Se dice que un fluido es casi crítico cuando se encuentra en cercanías de su punto crítico, donde se
empiezan a producir grandes variaciones de las propiedades físicas y de transporte. La tabla 4.1 presenta un resumen de algunas de las aplicaciones
que utilizan fluidos supercríticos enumerando los aspectos más destacados y los principales usos industriales en los que se utiliza esta tecnología. La
principal desventaja de trabajar con cualquier proceso que involucra condiciones supercríticas es que debido al empleo de presiones elevadas, se
incrementa el costo de compresión y de inversión en equipamiento de alta presión.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 32
Tabla 4.1. Algunas aplicaciones de los Fluidos Supercríticos
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 33
Transesterifìcación de triglicéridos en FSC
La homogeneidad de fase elimina los problemas difusivos. La
transesterificación de triglicéridos (moléculas no polares) con un alcohol
(molécula polar) es una reacción heterogénea de dos fases líquidas a
temperaturas convencionales debido a la miscibilidad incompleta de los
componentes polares y no polares. Pero en condiciones supercríticas la mezcla
se convierte en una fase homogénea, como resultado de los bajos valores de
las constantes dieléctricas del alcohol, lo cual acelera la reacción debido a la
inexistencia de la interfase de transferencia de masa limitante de la velocidad
de reacción. Tabla 4.1. Algunas aplicaciones de los Fluidos Supercríticos.
La presión y la temperatura son parámetros importantes para las reacciones
Supercríticas debido a que permiten ajustar las propiedades de la mezcla o del
solvente describió como a mayores presiones y temperaturas (90 MPa y
513,15 K) se pueden transesterificar las grasas sin una remoción previa de los
ácidos grasos libres. Sin embargo, la mayoría de las plantas de biodiesel usan
bajas temperaturas, presiones cercanas a la atmosférica y tiempos más largos
de reacción para reducir los costos de equipos, lo cual, además, hace
indispensable el uso de catalizadores para asegurar una apropiada velocidad de
reacción.
Se eliminan etapas de proceso para remover el catalizador. Cuando además
de condiciones supercríticas se elimina el uso del catalizador, se presentan
ventajas ambientales debido a la omisión de costos y tiempo consumido en
generación del tratamiento y separación del catalizado del biodiesel y el
subproducto glicerina (no miscibles a temperatura ambiente), así como
consideraciones especiales de equipo para el manejo de catalizadores fuertes.
Adicionalmente no hay saponificación, la cual puede ocurrir en el proceso con
catalizadores alcalinos como resultado de la reacción de los ácidos grasos
libres con las bases. Los primeros investigadores que publicaron trabajos
usando condiciones supercríticas para la producción de biodiesel, proponiendo
que este biocombustible podía ser preparado utilizando aceites vegetales sin el
empleo de catalizadores, con metanol en condiciones subcríticas y
supercríticas.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 34
Comparado con el proceso catalítico en condiciones de presión barométrica, el
proceso de metanol supercrítico involucra una purificación mucho más
sencilla de los productos, con menor tiempo de reacción, es ambientalmente
más amigable y requiere menores usos de energía. Sin embargo, la reacción
requiere de temperaturas de 525 a 675 K y presiones (35 a 60 MPa) con
rendimientos de conversión entre el 50 y el 95 % en los primero 10 minutos.
Desventajas. Como cualquier proceso que involucra fluidos supercríticos, los
principales problemas se presentan en el manejo de altas presiones (20-60
MPa) que implican el uso de equipos especiales, altas temperaturas involucran
altos costos de calentamiento y enfriamiento. Y las grandes relaciones
alcohol-aceite involucran altos costos de evaporación del alcohol no
reaccionado.
Consideraciones de condiciones de proceso al usar FSC para
producir biodiesel
La reacción de transesterificación con metanol supercrítico no catalizada se
desarrolla por lo general en un reactor de acero inoxidable cilíndrico
(autoclave a 529 K). En una corriente normal por lotes el autoclave se carga
con una cantidad de aceite vegetal y metanol líquido con una determinada
relación molar. Después de cada corrida, el gas se ventila y el contenido es
vertido en un recipiente colector. Los residuos son removidos utilizando
lavados con metanol. Una posible configuración de la transesterificación
continua supercrítica de aceite con etanol, donde una mezcla con una relación
molar etanol aceite se alimenta a un reactor de flujo pistón que opera a 597 K
y 20 MPa, después de la reacción los productos se enfrían y despresurizan, en
una columna se recupera el exceso de etanol, que es recirculado a la
alimentación, quedando una mezcla de dos fases líquidas que entran a un
decantador, donde la fase superior son los etil ésteres y la inferior la glicerina,
si se desea pueden realizarse operaciones adicionales en cada corriente para
purificar aún más los productos y sub productos.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 35
También se ha estudiado una alternativa de proceso de dos etapas para la
síntesis de biodiesel, en este proceso se realiza primero la hidrólisis de los
triglicéridos en agua subcrítica para producir ácidos grasos libres que luego en
la segunda etapa se esterifican en alcohol supercrítico para producir el
biodiesel. Este proceso de dos etapas presenta las mismas ventajas que la
transesterificación supercrítica en alcohol, pero puede realizarse a
temperaturas y presión menores, lo cual puede reducir los costos de
producción.
Además, la relación alcohol-aceite requerida es de 5:1 para obtener más del
90% de rendimiento de metil a 543 K y 20 MPa. La experimentación fue
desarrollada en un reactor por lotes precalentado a 623 K y 673 K y una
presión de entre 45 y 65 MPa, y con una relación molar de 1:42 de aceite
metanol. Un precalentamiento de 623 K durante 450 s de tratamiento
supercrítico fue suficiente para convertir el aceite de canola en metil ésteres.
Otra configuración presentada propone que el reactor del proceso supercrítico
clásico se reemplace por dos reactores supercríticos en serie y se elimine la
glicerina entre los dos pasos de reacción para permitir que la misma proceda
hasta completa se con relaciones de metanol-aceite razonablemente bajas
(6:10), a bajas temperaturas (523 -573 K) y bajas presiones (P < 2.5-5.0 MPa),
disminuyendo así costos de bombeo y robustez de equipos.
El esquema de recuperación de calor está compuesto por un intercambiado de
calor de doble tubo antes del reactor supercrítico para precalentar los reactivos
y un tanque flash adiabático después del reactor para evaporar el metanol que
no reacciona.
Lo mismos autores propusieron un esquema alternativo de eliminación de
glicerina basado en la adsorción sobre lechos empacados con adsorbentes
sólidos ácidos, lo cual permite que proceso puede mantenerse en condiciones
anhidras debido a la eliminación de las etapas de lavado, disminuyendo así la
producción de efluentes
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 36
Alcoholes usados
En general los alcoholes metílico y etílico son los más usados, sin embargo, se
han estudiado diversos alcoholes para la producción de biodiesel utilizando
condiciones supercríticas, en general varias publicaciones concuerdan que los
alcoholes de cadena más corta dan mayores velocidades de reacción. Así, son
requeridos 573 K y 15 minutos para la transesterificación de aceite de canola
con metanol mientras que se necesitan 45 minutos con etanol y propanol, en
otro trabajo se reportan rendimientos menores con etanol que con metanol en
transesterificación de aceites de ricino, canola y algodón en condiciones
similares.
Las mayores conversiones fueron obtenidas con etanol comparado con
metanol bajo las mismas condiciones de reacción dieron dos razones por las
que los alcoholes de cadena más larga son menos reactivos, la primera es que
la acidez del alcohol decrece con la longitud de la cadena mientras que el
alcohol también actúa como un catalizador bajo condiciones supercríticas la
reactividad puede ser menor para una cadena alcalina más larga. La segunda
razón son los efectos esteáricos, los alcoholes más pequeños pueden atacar las
cadenas de los triglicéridos más fácilmente que una cadena de alcohol larga.
Impurezas en la materia prima
En los procesos de transesterificación convencional, los aceites vegetales
deben tener un valor de acidez menor a 1% y todos los materiales deben ser
substancialmente anhidros. Si el valor de acidez es alto se producen efectos
negativos debido a que la mayoría de NaOH o KOH se consumen en
neutralizar los ácidos grasos libres. El agua también causa formación de
jabones, espumado y reduce la efectividad del catalizador. Todos los
problemas antes enumerados producen una baja conversión y dificultades para
las etapas posteriores de purificación.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 37
Los aceites de cocina usados e insaturados son las materias primas de menor
costo debido que contienen agua y/o ácidos grasos libres, por lo que no se
recomienda su uso en sistemas con reacciones de transesterificación
catalizados, sin previo tratamiento. Estas materias primas pueden presentar
muchos problemas debido a los tres tipos de reacciones simultáneas que
ocurren en la transesterificación, hidrólisis de los triglicéridos para formar
ácidos grasos libres y esterificación alcalina de los ácidos grasos. Sin
embargo, las impurezas no presentan problema en procesos de
transesterificación supercrítica sin catalizador, de hecho, la conversión tiende
a incrementarse ligeramente con el contenido de ácidos grasos libres en el
aceite, además la esterificación de los ácidos grasos libres ocurre a una
velocidad mayor que la transesterificación de los triglicéridos, por lo tanto
todos los ácidos grasos libres son convertidos a sus correspondientes ésteres.
En general a mayor instauración de ácidos grasos, mayor velocidad de
reacción de esterificación.
Se han reportado que contenidos de agua mayores al 50% en el aceite no
afectan el rendimiento a (m)etil ésteres [18]. Esto fue deducido por la
habilidad del agua a elevadas temperaturas de disolver solutos tanto polares
como no polares. El agua a temperaturas superiores a 523 K puede solubilizar
la mayoría de los compuestos orgánicos no polares, incluyendo hidrocarburos.
Cuando el agua y el metanol se mezclan a altas temperaturas, la mezcla tendrá
propiedades tanto hidrofílicas como hidrofóbicas.
Finalmente, el agua facilita la separación al final del proceso supercrítico. Se
han logrado conversiones completas de ácidos grasos saturados a (m)etil
ésteres a temperaturas por encima de 673 K, mientras que para ácidos grasos
no saturados son apropiadas temperaturas menores a 623 K se ha demostrado
que la estabilidad térmica del biodiesel puede comprometerse en la síntesis
con temperaturas superiores a 673 K, por lo cual debe asegurarse que los
rangos de temperatura en los que se trabajen se ajusten por debajo de este
valor. Consecuentemente una conversión de ácidos grasos libres a (m)etil
ésteres es mayor al 95% cuando son tratados a 623 K afortunadamente este
tratamiento de temperatura es más que apropiado para la transesterificación de
triglicéridos.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 38
Relación molar alcohol aceite
Es una de las variables más importantes que afectan el rendimiento a (m)etil
ésteres durante la reacción de transesterificación. La relación estequiometria
para la reacción de transesterificación requiere de tres moles de alcohol y una
de triglicérido para obtener tres moles de ésteres de ácido graso y un mol de
glicerina. Por lo que un incremento de la relación mola de aceite - alcohol
tiene una influencia favorable en la conversión a ésteres, con mayores
relaciones molares se logran más altas conversiones a ésteres en un menor
tiempo y también reducen la temperatura crítica de la mezcla, lo cual permite
condiciones de reacción homogéneas al trabajar con temperaturas moderadas
para el proceso supercrítico. Por lo tanto, entre más alcohol se use, mayores
conversiones pueden obtenerse, aunque eventualmente se alcanza un punto
donde más alcohol no parece favorecer la aceleración de la reacción.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 39
Impacto Ambiental
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 40
Conclusión
La información proporcionada en este trabajo resalta las alternativas de
materias primas que existen y la variedad de tecnologías disponibles para
producir biodiesel a partir de aceite vegetal. Este trabajo Debe estimular a que
se implemente la mejor tecnología para que en un futuro cercano en el país se
satisfaga la demanda actual de combustibles de origen fósil e importado.
El biodiesel es una de las alternativas más prominentes para la sustitución de
los combustible fósiles ya que usando este biocombustible se podrán reducir
considerablemente las emisiones de CO2 producto de la combustión interna de
los vehículos de motor , debido a esta y otra ventajas el biodiesel es un
combustible más limpio que los combustibles convencionales.
Uno de los inconvenientes de la producción de biodiesel es el subproducto
(Glicerina), el cual actualmente no tiene un mercado asegurado aunque
actualmente se están desarrollando tecnologías con bacterias para degradarla y
así obtener bioetanol.
Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales 41
Bibliografía
http://www.biodisol.com/biocombustibles/biodiesel-de-algas-proceso-
de-produccion-de-biodiesel-utilizando-algas-energias-renovables-
biocombustibles-cultivos-energeticos/
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http://www.tecnologiaparatodos.com.ar/bajar/algas1-2008.pdf
