Pruebas para caracterizar aceites y grasas




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CAPÍTULO 1


Biodiesel

y su Producción Industrial





Capítulo 1. Biodiesel y su Producción Industrial


    1. Definición y especificaciones




    1. Materias primas para la producción de Biodiesel

      1. Aceites vegetales convencionales

      2. Aceites vegetales alternativos

      3. Aceites vegetales modificados genéticamente

      4. Aceites de fritura gastados

      5. Grasas animales

      6. Aceites de otras fuentes

      7. Otras fuentes

      8. Extracción de aceites y grasas

      9. Caracterización de las grasas y aceites empleados en la producción de Biodiesel

        1. Composición de los aceites y grasas

        2. Pruebas para caracterizar aceites y grasas

      10. El aceite ideal para la producción de Biodiesel




    1. Reacciones implicadas en la producción de Biodiesel

      1. Reacciones de transesterificación de triglicéridos

      2. Reacciones de esterificación de ácidos grasos

      3. Factores que afectan las reacciones implicadas en la producción de Biodiesel

        1. El alcohol

        2. Catalizadores

        3. Tipo de catalizador y concentración

        4. Relación molar de alcohol / aceite

        5. Efecto del tiempo de reacción y temperatura




    1. Procesos Industriales para la producción de Biodiesel

      1. Pretratamiento del aceite

      2. Proceso general de transesterificación

        1. Proceso Discontinuo

        2. Proceso Continuo

      3. Proceso de Esterificación

      4. Proceso Combinado Esterificación-Transesterificación

      5. Proceso en Condiciones Supercríticas

      6. Otros procesos

        1. Craqueamiento térmico o pirólisis de grasas

        2. Tecnologías biomasa a líquido

        3. Ultrasónico

      7. Tabla comparativa de algunos de los métodos discutidos

      8. Reactores para la producción de biodiesel

      9. Plantas clásicas para la producción de Biodiesel




    1. Aplicaciones del Biodiesel

      1. Utilización del biodiesel

      2. Pros y contras




    1. Ventajas y desventajas para la producción y uso de Biodiesel

      1. Oportunidades para la producción y uso de biodiesel

        1. Reducción de la mayoría de emisiones contaminantes

        2. Alta biodegradabilidad y baja toxicidad

        3. Reducción de la dependencia del petróleo importado

        4. Ventajas técnicas

      2. Posibles barreras al desarrollo del biodiesel

        1. Incremento de las emisiones de NOx

        2. Cambios en el uso del suelo: deforestación y pérdida de biodiversidad




    1. El Biodiesel en el mundo

      1. ¿Cuánto y Donde?

      2. ¿Por qué y Cómo?

      3. Políticas tributarias y de fomento

        1. En la Unión Europea

        2. En los Estados Unidos

        3. En Brasil

      4. ¿A cuánto?


Capítulo 1. Biodiesel y su Producción Industrial


Los albores del tercer milenio se encuentran abocados al emprendimiento de objetivos que se compatibilicen con las demandas de los nuevos paradigmas que se avecinan. En medio de una acelerada irrupción tecnológica en todos los frentes de acción, los cambios son cada vez más rápidos, por lo que requiere un marcado dinamismo en las respuestas y una preparación específica para afrontar adecuadamente las transformaciones que vertiginosamente se aproximan.
Hay consenso a nivel mundial respecto de la necesidad de trabajar en conjunto, fijando pautas para dar cumplimiento de manera eficaz al nuevo paradigma de estos tiempos, que no es otro que la sustentabilidad de los agroecosistemas, la conservación del aire, el agua y el suelo, resultan ser hoy los elementos primordiales a tomar en cuenta para la sobrevivencia de las especies en la tierra, incluida la del hombre.

Figura 1.1. El Biodiesel es un biocombustible que surge como una respuesta a las actuales necesidades energéticas así como a las políticas de los diversos gobiernos del mundo



Una de las necesidades en las que el hombre ha puesto especial atención es en el tema energético en donde ante su urgente búsqueda de fuentes alternativas de energía ha propuesto el desarrollo y la utilización de los llamados biocombustibles.
Los biocombustibles son aquellos combustibles producidos a partir de la biomasa y que son considerados, por tanto, una energía renovable. Se pueden presentar tanto en forma sólida (residuos vegetales, fracción biodegradable de los residuos urbanos o industriales) como líquida (bioalcoholes, biodiesel) y gaseosa (biogás, hidrógeno). Dentro de los biocombustibles, los biocarburantes abarcan al subgrupo caracterizado por la posibilidad de su aplicación a los actuales motores de combustión interna (motores diesel y Otto). Son, en general, de naturaleza líquida. Los biocarburantes en uso proceden de materias primas vegetales, a través de transformaciones biológicas y físico-químicas.
Actualmente se encuentran desarrollados principalmente dos tipos: el biodiesel, obtenido a partir de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales con un alcohol ligero, como metanol o etanol; y el bioetanol, obtenido fundamentalmente de semillas ricas en azúcares mediante fermentación. Con la caña de azúcar, la remolacha o el sorgo dulce, que contienen azúcares simples, se obtiene etanol por fermentación. Sin embargo, en otros cultivos, como los cereales, la energía está almacenada en forma de carbohidratos más complejos como el almidón, que tiene que ser hidrolizado antes de su fermentación a bioetanol. Por su parte, hay que destacar el etil-terbutil éter (ETBE) producido a partir del bioetanol, ya que su utilización en motores presenta menos problemas que el propio bioetanol.
De todos estos biocombustibles el que es materia de nuestro estudio es el biodiesel, por lo cual a continuación se hará un estudio más detallado de este.

1.1. Definición y especificaciones




El biodiesel (véase figura 1.2.) es un biocarburante líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soya las materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiesel son prácticamente las mismas que las del diesel de automoción en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse con el diesel para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente.
L
Figura 1.2. En esta imagen se muestra el Biodiesel líquido (fase superior) junto con glicerol (fase inferior), obtenido por una reacción de transesterificación
a definición de biodiesel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard, asociación internacional de normativa de calidad) lo describe como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. Sin embargo, los ésteres más utilizados, como veremos más adelante, son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos) debido a su bajo costo y sus ventajas químicas y físicas. A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea preciso tener en cuenta las características de los mercados agrícolas, junto a la complejidad que ya de por sí presentan los mercados energéticos. En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente.
Al asegurar la existencia de una demanda de biocarburantes, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras políticas como la agrícola, favoreciendo la creación de empleo en el sector primario, la fijación de población en el ámbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrícolas y reduciendo a la vez los efectos de la desertización gracias a la plantación de cultivos energéticos. En cuanto a la utilización del biodiesel como combustible de automoción, ha de señalarse que las características de los ésteres son más parecidas a las del diesel que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del éster es dos veces superior a la del diesel frente a diez veces ó más de la del aceite crudo; además el índice de cetano de los ésteres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. La ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento. En la siguiente tabla 1.1, se enumeran las especificaciones establecidas para el biodiesel y el método de ensayo correspondiente.


Tabla 1.1. Especificaciones para el Biodiesel







Límites

Propiedad

Unidad

Mínimo

Máximo

Método de ensayo

Contenido en éster

%(m/m)

96.5





EN 14103

Densidad a 15ºC

Kg/m3

860

900

EN ISO 3675

EN ISO 12185

Viscosidad a 40ºC

mm2/g

3.50

5.00

EN ISO 3104

Punto de inflamación

ºC

120

-

prEN ISO 3679

Contenido de azufre

mg/Kg

-

10.0

prEN ISO 20846

prEN ISO 20884

Residuo de carbón (en 10% de residuo destilado)

%(m/m)

-

0.30

EN ISO 10370

Índice de cetano

mg/Kg

51.0




EN ISO 5165

Contenido de cenizas sulfatadas

%(m/m)

-

0.02

ISO 3987

Contenido en agua

mg/Kg

-

500

EN ISO 12937

Contaminación total

mg/Kg

-

24

EN 12662

Corrosión de la tira de cobre (3h a 50ºC)

Clasificación







EN ISO 2160

Estabilidad a la oxidación 110ºC

Horas

6.0

-

EN 14112

Índice de ácido

mg KOH/g




0.50

EN 14104

Índice de yodo

g de yodo/100 g




120

EN 14111

Éster de metilo de ácido linoléico

%(m/m)




12.0

EN 14103

Ésteres de metilo poli-insaturados(≥a 4 dobles enlaces)

%(m/m)




1




Contenido de metanol

%(m/m)




0.20

EN 14110

Contenido en monoglicéridos

%(m/m)




0.80

EN 14105

Contenido en diglicéridos

%(m/m)




0.20

EN 14105

Contenido en triglicéridos

%(m/m)




0.20

EN 14105

Glicerol libre

%(m/m)




0.02

EN 14105

EN 14106

Glicerol total

%(m/m)




0.25

EN 14105

Metales del grupo I (Na+K)

mg/Kg




5.0

EN 14108

EN 14109

Metales del grupo II (Ca+Mg)

mg/Kg




5.0

prEN 14538

Contenido de fósforo

mg/Kg




10.0

EN 14107



El biodiesel necesita disponer de unas especificaciones que enumere sus propiedades y garantice la calidad del producto. Además, el biodiesel debe cumplir los requisitos para los combustibles minerales de automoción que se encuentran recogidas en la norma europea EN-590 [ED]. Los requerimientos específicos y los métodos de control para la comercialización y distribución de ésteres metílicos de ácidos grasos –FAME- para su utilización en motores diesel con 100% de concentración se encuentran en la norma EN 14214 y el RD 1728/1999 [RD1728, 1999] en concordancia con la Directiva Europea 98/70/CE.
En la tabla antes presentada se indican algunas pruebas a las que es sometido el biodiesel y con las cuales se caracteriza, por lo que a continuación se describirá que es lo que se investiga con algunas de ellas:


  • Densidad


Esta propiedad depende de la materia prima utilizada para su producción. Un exceso de metanol hace disminuir la densidad, situación que causa problemas al motor.



  • Viscosidad


La viscosidad es una medida de la fricción interna entre moléculas, o de la resistencia a fluir de los líquidos. La transesterificación disminuye la viscosidad de los aceites, que es hasta 15 veces superior a la del diesel. Una elevada viscosidad puede provocar problemas en inyectores y sistema de bombeo del motor.


  • Número de cetano


El número de cetano, mide la disponibilidad de un combustible a la autoignición cuando es inyectado al motor. Un número alto de cetano implica un arranque más fácil, menor temperatura y unos gases más blancos.


  • Punto de inflamación


Su elevado punto de inflamación en comparación con el de diesel (51°C) lo hace de más fácil manejo, transporte y almacenamiento. Una baja temperatura en esta propiedad está dada por un residuo elevado de metanol.


  • Contenido de azufre


Un nivel alto de azufre en el biodiesel provoca emisiones de dióxido de azufre, disminuyendo lubricidad y por tanto la vida del motor.


  • Contenido de cenizas


Formadas por restos de jabón y catalizador, conducen a la saturación del filtro y al desgaste en diversas partes del motor.


  • Contaminación total


Son restos de jabón formados en la reacción, estos provocan abrasión en el motor.


  • Efecto de corrosión al cobre


Los ácidos grasos libres guardan una relación con la acidez, pudiendo provocar problemas de corrosión en algunos materiales. El biodiesel es poco corrosivo.


  • Contenido de metanol


El exceso de metanol puede provocar una baja temperatura de inflamación y corrosión en piezas de aluminio y zinc, también reduce el índice de cetano y la lubricidad.


  • Contenido de glicerina total


Es la suma de la glicerina contenida en los triglicéridos y la formada en el proceso. Un nivel bajo indica una buena transformación del aceite en éster.


  • Índice de Yodo


Indica el número de dobles enlaces en el biodiesel, cuantificando su grado de instauración, es decir está relacionado con su viscosidad y número de cetano.


  • Contenido de agua


Puede estar disuelta o no, puede causar corrosión si no está disuelta, así como crecimiento bacteriológico dentro del motor.

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