Jorge reyes fabregas – juan pablo lopez alba – carlos mejia san juan – carlos andres bohorquez




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fecha de publicación28.12.2015
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UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DE AQUINO

JORGE REYES FABREGAS – JUAN PABLO LOPEZ ALBA – CARLOS MEJIA SAN JUAN – CARLOS ANDRES BOHORQUEZ

Obtención de biodiesel eficiente y económicamente viable

Introducción

Los hidrocarburos como el gas, el petróleo y el carbón, que son los que actualmente se utilizan en grandes cantidades debido a su eficiencia energética en comparación a energías alternativas (Mekhilef, Siga, & Saidur, 2011), sin embargo, llegará a un punto en el cual no se va a dar abasto a la demanda de dichos hidrocarburos.

Cada día se hace necesaria la búsqueda e implementación de diferentes tipos de energías o combustibles alternativos, puesto que en algún momento los combustibles fósiles se agotarán y estos son los de mayor uso ,según el Índice del banco mundial aproximadamente el 77.2 % de energía generada en el planeta proviene de dichos combustibles (Woinaroschy, 2014), esto sin tener en cuenta los niveles de polución que presentan, que como es sabido, generan un gran impacto medioambiental generando cambios en los procesos biogeoquímicos perjudicando todos los ciclos naturales trayendo consigo todos los problemas que vemos diariamente como la contaminación atmosférica. Por ende, se han venido desarrollando e implementando diferentes tipos de generación de energía aprovechando su entorno por ejemplo la energía solar o la energía eólica por nombrar algunas, el único inconveniente de este tipo de energías radica en que la mayoría de estas no tienen el mismo rendimiento que los combustibles fósiles llegan a alcanzar , viendo esta problemática se crearon los biocombustibles, que son combustibles de origen biológico obtenido de manera renovable a partir de restos orgánicos (Conae, 2007). Estos restos orgánicos proceden habitualmente del azúcar, trigo, maíz o semillas oleaginosas.

Existen varios tipos de biocombustibles entre ellos, como el biodiesel que es el resultante de tratamientos de aceites vegetales usados o sin usar, así como el bioetanol que es el resultante de la fermentación alcohólica de azúcares de diversas plantas como la caña de azúcar, remolacha o cereales (Pardal, 2012). Se analizará el uso del bioetanol como reactivo en el proceso de transesterificación, del cual es menos toxico que el metanol y es proviene de fuentes renovables en la agricultura, siendo más sostenible que el tradicional metanol del proceso. Sin embargo al momento de extracción existen problemas que afectan el rendimiento de la producción del ester tilico (biodiesel), generados por temas de purificación y presencia de agua en el bioetanol, y es aquí donde radica el principal problema de optimización, el costo de purificación y presencia de agua. Para la primera la solución es la optimización de todos los parámetros (temperatura, tiempo, de fermentación, tiempo de la transesterificación, etc.) de la producción del bioetanol; para el tema de purificación se espera que se sigan desarrollando e investigando acerca de técnicas de destilación azeotrópica (romper un azeótropo en la destilación).

Mediante la reacción de Transesterificación de un aceite o grasa animal, los triglicéridos reaccionan con un alcohol, generalmente metanol o etanol, produciendo ésteres (biodiesel) y glicerina, tal como se muestra en la reacción (imagen.1) Para que la reacción transcurra a una velocidad adecuada, es necesaria la presencia de un catalizador en el medio.

Por otra parte el método de Los ácidos grasos libres (AGL) son los ácidos monocarboxílicos saturados o insaturados que están presentes en las grasas o aceites pero no están conectados a la estructura de la glicerina. Mayor cantidad de ácidos grasos libres conduce a mayor índice de acidez (Ho, Wong, & Chang, 2014). Los aceites vegetales deben contener ácidos grasos libres dentro de límites deseados para la Tansesterificación alcalina, caso contrario la reacción puede ocurrir o el rendimiento será muy bajo y además el producto formado será jabón en lugar de ésteres ,El proceso de Tansesterificación puede ser llevado a cabo en una sola etapa para los aceites con porcentajes de ácidos grasos libres inferiores al 3% y puede ser un proceso en dos etapas para los aceites con contenido en ácidos grasos libres más elevado. En un proceso en dos etapas, la esterificación de ácidos puede ser seguida por una Transesterificación alcalina. En ese orden de ideas, vale destacar un mecanismo de obtención de AGV que se ha planteado en los últimos años; el uso de lípidos microbianos a partir de cultivos de microorganismos oleaginosos. Resulta una buena alternativa ya que los AGL necesarios para el proceso de transesterificación serían más económicos y también provenientes de recursos no alimentarios. Cabe aclarar que Existe la necesidad de revisar y establecer métodos para hacer factible y competitivo el uso de dichos lípidos.

http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/wp-content/blogs.dir/46/files/220/o_esquema.png

Imagen 1. Reacción de transesterificación base de la producción de biodiesel. (tomada de L.Yang, A.Zhang, X. Zheng, “Shrimp Shell catalyst for biodiesel production”. Energy and Fuels (2009) en prensa (doi 10.1021/ef900273y)
Objetivo General



  • Optimizar el uso de bioetanol y lípidos microbianos como alternativa competitiva para la producción de biodiesel.


Objetivos Específicos


  • Evaluar el uso de materiales no alimentarios como nutrientes en la producción de aceites vegetales.

  • Desarrollar nuevos métodos para implementar el uso de aceite microbiano a gran escala para la producción de biodiesel.

  • Implementar técnicas para mejorar la eficiencia en el proceso de Transesterificación.

  • Mejorar el rendimiento del proceso mediante la reducción del contenido de agua en el bioetanol

Pregunta de investigación



  • ¿Cómo podemos optimizar cada reactivo en la producción de biodiesel hasta hacerlo energética y económicamente viable a gran escala, y así, reducir el uso de combustibles fósiles?



  • Problema

Actualmente el planeta sufre una problemática ambiental que es generada principalmente por las actividades antrópicas que van alterando los ecosistemas y así mismo la biodiversidad de los diferentes organismos existentes, como consecuencia de esto se habla de fenómenos climáticos como el calentamiento global y efecto invernadero (Nigam & Singh, 2011). Una realidad que el mundo entero afronta es la búsqueda constante de una solución viable, energética, económica y ambientalmente a estos problemas, para esto existe la necesidad de establecer nuevos métodos para hacer factible y competitivo el uso de lípidos microbianos, los cuales pueden transformarse en aceites vegetales, ingrediente clave en el proceso de Tansesterificación (fase de producción). La obtención de estos reemplazaría el uso de aceites vegetales provenientes de la agricultura y residuos forestales. Su mayor ventaja sería que el costo de generación de lípidos es más económico que el utilizar aceites procedentes de cultivos energéticos no alimentarios, aunque aún se tienen inconvenientes con las proporciones de C/N asociada a la cantidad de alimento suministrado a los microorganismos (Brunschwig et al., 2012).Por otro lado El bioetanol ,como reactivo para la producción de biodiesel puede ser obtenido localmente, ya que se sintetiza por fermentación de alcohol renovable procedente fuentes agrícolas que son ricos en azúcar o almidón, Por lo tanto, el carbono de ésteres etílicos sintetizados es de origen 100 % vegetal (Rashedul et al., 2014), sin embargo los métodos de separación y purificación de ésteres etílicos (resultado final de la transesterificación) siguen siendo un factor limitante en el desarrollo de estas técnicas y la utilización de bioetanol en la producción de biodiesel, esto se debe en gran parte por el efecto negativo del agua contenida en el bioetanol (Can, 2014). Estas limitaciones se pueden superar, así como obtener altos rendimientos más de más del 90 % mediante la optimización de todos los parámetros de la reacción.

Uno de las mayores desventajas del uso de los biocombustibles es el alto costo de producción, casi el doble de la producción de gasolina, claro está sin tener en cuenta los impuestos, por esto no son competitivos, a eso se le suma que al destinar plantaciones, se necesitaría una gran cantidad puesto que solo se consigue una pequeña cantidad de combustible, pero las ventajas del uso de los biocombustible pueden llegar a ser muy altas si se logra solucionar los limitantes de el alto costo en su producción, estas ventajas no solo serían económicas sino también ambientales .

Justificación

Las necesidades de encontrar un sustituto de los combustibles fósiles son evidentes, por eso es muy importante entender la importancia, uso y facilidades que pueden llegar a tener los biocombustibles como energías alternativas, pero, a su misma ves se debe tener en cuenta su eficiencia y su viabilidad en términos económicos, por una parte está el etanol, que al ser incorporado en el proceso de transterificación eleva considerablemente los precios de producción del biodiesel, por otra parte el bioetanol por su alto contenido de agua no logra tener un buen desempeño en el mismo proceso , por eso para esto se buscó alternativas en el uso tanto el etanol como el bioetanol, para hacer más eficiente el proceso de obtención del biodiesel adicionalmente se pueden reducir aún más los costos y mejorar el desempeño implementando lipidos microbianos que son cultivados a partir de la hidrolisis de la lignocelulosa y otros subproductos derivados de la elaboración del biodiesel para así poder establecer un punto medio entre eficiencia y costo que es lo primordial de la investigación.

Metodología

Desestabilización de particulas

Coagulación

Producción de bioetanol

PRODUCCIÓN DE

BIODIESEL



Extracción de azucares simples para la fermentación

(hidrolisis del almidón)

Utilización de biomasa

(rica en almidon y azucar

Aglomeración de particulas

Floculación



Biocatalizadores a 20°c



Purificación

(optimización de parámetros)

Este proceso concentrará el etanol

Operaciones de destilación-separación

Fermentación de azucares simples

En mezcla etanol-agua



Reducción de agua y ácidos grasos libres en el ESTER ETILICO



Utilización de utilizando adsorbentes fuertes o co-disolventes polares



Reducción de agua



Producción de AGL a partir de lípidos microbianos



-uso de azúcares celulósicos (entre 5 y 6 C) como fuente de carbono (TAG)

Método de cultivo de microorganismos oleaginosos, limitando su alimento.



-síntesis de triglicéridos de ácidos grasos poliinsaturados por parte de levaduras oleaginosas



Reducción de la proporción C/N mediante la fuente adecuada:

-hidrolizado lignocelulósico y glicerol crudo



Purificación



Fase final de producción:

Obtención del ester etílico mediante etanol y acidos grasos producto del cultivo con lípidos microbianos

TRANSESTERIFICACIÓN



FIN


Antes de comenzar la transesterificación y obtener el biodiesel (ester etílico) se establecerán los procesos para la obtención los reactivos y sustratos que son objeto de este trabajo el bioetanol y los ácidos grasos libres.

Para la obtención del bioetanol eficiente y económico se utilizaran fuentes renovables de biomasa rica en azucares y almidones, luego iniciaran los procesos de extracción de azucares simples, fermentación de los mismos y fase de separación-destilación, teniendo en cuenta desde un comienzo la optimización de parámetros:

-Extracción adecuada de los azucares simples (hidrolisis efectiva)

-Tiempo de fermentación

-Temperatura en la fermentación (20°c)

-Tiempo de reacción

-Catalizador (NaOH generalmente)

Según la bibliografía consultada sobre la efectividad y viabilidad se considera un etanol eficiente para la producción cuando este se encuentra sobre el 95% , es decir que solo el 5% sea agua.

Por otro lado para conseguir ácidos grasos efectivos y económicamente viables se propone obtenerlos mediante el cultivo de microorganismos oleaginosos, como las levaduras de este tipo, las cuales con un nutriente limitado sintetizan triglicéridos de ácidos grasos poliinsaturados (TAG) bastante similares a los aceites vegetales usados tradicionalmente en la producción de biodiesel. Para reducir la proporción C/N que afecta la productividad de los ácidos grasos necesarios, se debe tener en cuenta que se cumpla el objetivo de limitar el sustrato e inhibir el crecimiento de los microbios.

Diseño de investigación

Esta investigación se torna de laboratorio o experimental, y básicamente se basa en optimizar el uso del etanol y los lípidos microbianos en la elaboración de biodiesel para hacerlo más eficiente y viable, para lograr esto , se busca evaluar el uso de materia prima no alimentaria como nutriente en la producción de aceites vegetales, logrando así una reducción en los costos del proceso, por otra parte se quiere mejorar el proceso por el cual se reduce el contenido de agua en el bioetanol , logrando con esto mejores técnicas que aumenten a efectividad los procesos de transesterificacion obteniendo con esto un biodiesel eficiente y económicamente viable

Definición de variables

Se identificaron y establecieron diferentes variables

  • Dependientes



  • Costos de producción del biocombustible

  • Desempeño del biocombustible



  • Independientes



  • Producción de biocombustible

  • Efecto del tiempo de reacción y temperatura

  • Acidez y humedad del etanol y bioetanol


REFERENCIAS

Brunschwig, C., Moussavou, W., & Blin, J. (2012). Use of bioethanol for biodiesel production. Progress in Energy and Combustion Science, 38(2), 283–301. doi:10.1016/j.pecs.2011.11.001

Can, Ö. (2014). Combustion characteristics, performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with a waste cooking oil biodiesel mixture. Energy Conversion and Management, 87, 676–686. doi:10.1016/j.enconman.2014.07.066

Conae, D. de A. de E. en el T. |. (2007). Biodiésel.

Ho, S.-H., Wong, Y.-D., & Chang, V. W.-C. (2014). Evaluating the potential of biodiesel (via recycled cooking oil) use in Singapore, an urban city. Resources, Conservation and Recycling, 91, 117–124. doi:10.1016/j.resconrec.2014.08.003

Mekhilef, S., Siga, S., & Saidur, R. (2011). A review on palm oil biodiesel as a source of renewable fuel. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(4), 1937–1949. doi:10.1016/j.rser.2010.12.012

Nigam, P. S., & Singh, A. (2011). Production of liquid biofuels from renewable resources. Progress in Energy and Combustion Science, 37(1), 52–68. doi:10.1016/j.pecs.2010.01.003

Pardal, A. C. D. V. (2012). Obtención de biodiesel por transesterificación de aceites vegetales : nuevos métodos de síntesis. Universidad de Extremadura Facultad de Ciencias Departamento de Ingeniería Química Y Química Física.

Rashedul, H. K., Masjuki, H. H., Kalam, M. a., Ashraful, a. M., Ashrafur Rahman, S. M., & Shahir, S. a. (2014). The effect of additives on properties, performance and emission of biodiesel fuelled compression ignition engine. Energy Conversion and Management, 88, 348–364. doi:10.1016/j.enconman.2014.08.034

Woinaroschy, A. (2014). Multiobjective optimal design for biodiesel sustainable production. Fuel, 135, 393–405. doi:10.1016/j.fuel.2014.07.020

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