ANÁLISIS DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
Ing. Christian Lenoir - Univ. Católica Argentina.
Fac. de Cs. Fisicomatemáticas e Ingeniería.
Juncal 189, Martínez (1640), Buenos Aires, Argentina.
Tel: (011) 4792-1094. Fax: (011) 4798-8377. Email: clenoir@iespana.es
RESUMEN
El presente trabajo pretende analizar sintéticamente
el proceso de producción del biodiesel, novedoso combustible alternativo
derivado de lípidos, y comprobar su funcionamiento en un motor diesel,
analizando a la vez su impacto sobre los humos de combustión y elaborando una síntesis
de sus ventajas y desventajas.
Si bien existe un gran cantidad de información
publicada sobre el tema, se tratará de realizar una aproximación que permita
conocer en detalle la naturaleza, producción, perspectivas, limitaciones y
ventajas de éste combustible. Así, se pretende dar al lector una introducción
al tema, para difundir el desarrollo y uso del biodiesel y promover la búsqueda
de una solución que permita su implementación definitiva en el mercado local.
INTRODUCCIÓN
El deterioro del medio ambiente, sumado a las poco
alentadoras perspectivas que presentan los combustibles fósiles y la creciente
conciencia ambiental, han llevado al desarrollo de diversos combustibles y
fuentes de energía (no necesariamente novedosas) denominadas renovables.
Una de los problemas más frecuentes en éste campo es la adaptabilidad de
dichas energías a la vida cotidiana, ya que la transición hacia éstas acarrea
costos frecuentemente insuperables. Sin embargo, el desarrollo de un combustible
en particular, denominado biodiesel, se presenta como una alternativa
alentadora. Dicho combustible, obtenido a partir de aceites y grasas animales y
vegetales, puede ser empleado sin mayores modificaciones en motores de ciclo
diesel. Más aún, permite aprovechar la red de expendio existente, y dada la
naturaleza de sus materias primas, presenta un perfil alentador para un país
agrícola como la Argentina.
En el país el tema ha sido abordado en profundidad por
diversas entidades, desde universidades como la U.T.N., hasta el gobierno y
diversos emprendimientos privados. Hoy día, la producción e iniciativa ha
mermado dados los precios relatívamente altos del aceite (principal materia
prima) que como commodity ha tendido a adoptar un precio "dolarizado".
Sin embargo, el desarrollo del biodiesel resulta de sumo interés por sus
implicancias económicas a futuro para un país agrícola como la Argentina, por
su favorable impacto sobre el medio ambiente y por su gran adaptabilidad al
mercado local de combustibles.
EL BIODIESEL COMO COMBUSTIBLE
El biodiesel no es sin embargo un desarrollo novedoso.
En Europa se ha utilizado por más de veinte años, y su uso se ha difundido
actualmente por todo el mundo a una velocidad increíble.
Entre sus muchas ventajas, podemos citar su impacto notorio en la reducción de
emisiones gaseosas nocivas producto de la combustión. Además, posee excelente
poder de lubricación, lo que permite su utilización como aditivo lubricante. A
esto debemos sumar la posibilidad de utilizarlo en mezclas con gasoil común en
cualquier proporción, así como su elevada biodegradabilidad, y su rendimiento
comparable al del gasoil derivado de petróleo.
Sin embargo, Rudolph Diesel (inventor del motor diesel), ya utilizaba aceite de
maní en sus motores (como demostró en la exposición de París de 1930), y
cabría preguntarse el porqué del uso de un éster, que implica un valor
agregado sobre el aceite.
La respuesta radica principalmente en la adaptabilidad del biodiesel, que no sólo
presenta una viscosidad mucho menor a la del aceite, sino también la
posibilidad de utilización directa en motores diesel (de inyección directa u
indirecta), sin más modificaciones que las que representan unos pocos recaudos.
NATURALEZA DEL COMBUSTIBLE
Cuando hablamos de biodiesel, nos referimos en general
a ésteres de alquilo menores (metilo y etilo) de ácidos grasos de cadena par,
que en general van del C4 al C24.
La razón de esto es la naturaleza de la materia prima: grasas y aceites de origen
animal y vegetal. La biosíntesis en animales y plantas produce cadenas
carbonadas de número par de carbonos con la mencionada longitud de cadena.
Pueden además encontrarse aceites poliinsaturados, como el de lino, o más bien
saturados como el aceite de coco.
Por otro lado, el proceso de síntesis consta normalmente de una
transesterificación que sustituye el grupo glicerilo de los triglicéridos por
un grupo metilo u etilo, proveniente en general de un alcóxido como el metóxido
u etóxido de sodio.
La transesterificación no es más que una reacción de un alcohol "A"
y un éster "B" para dar un alcohol "C" y un éster
"D". En la síntesis del biodiesel, se forman entre el aceite y el
alcohol, normalmente metílico, ésteres en una proporción aproximada del 90% más
un 10% de glicerina. La glicerina representa un subproducto muy valioso que de
ser refinada a grado farmacológico (tarea no del todo sencilla a pequeña
escala) puede llegar a cubrir los costos operativos de una planta productora.
IMPLICANCIAS AMBIENTALES
Es interesante mencionar aquí el potencial que
representa el reuso de aceites vegetales de cocina usados para la elaboración
de biodiesel. El volumen de aceites de cocina usados de la ciudad entera no
bastaría para satisfacer ni siquiera un porcentaje ínfimo de la demanda local
de combustibles, pero la alternativa es interesante desde el punto de vista
ambiental
Si bien muchos locales de comidas venden sus aceites de cocina usados a precios
de hasta 17c el litro (normalmente para su utilización como aceites de cocina
de segunda categoría), existe un balance y un ciclo para éstos aceites, y en
algún punto los mismos son desechados, a menudo a la red colectora cloacal o a
rellenos sanitarios. En general, la flora bacteriana de un buen sistema de
tratamiento de efluentes en una ciudad organizada o un buen compostaje podrá
lidiar con dicha carga, pero a menudo éstos aceites llegan directamente a
cursos de agua, sin previo tratamiento, y representan un riesgo para la flora y
fauna acuática al formar una delgada capa superficial que impide procesos
fisicoquímicos fundamentales para la vida. Esto no solo representa un problema
ambiental, sino que es un desperdicio absoluto de materia prima valiosa, tanto
para la obtención de glicerina, ácidos grasos o ésteres como el biodiesel.
VENTAJAS
El biodiesel presenta una larga variedad de ventajas,
que será útil enumerar:
No
requiere mayores modificaciones para su uso en motores diesel comunes.
Es obtenido a partir de aceites vegetales,
totalmente renovables.
Permite al productor agropecuario
autoabastecerse de combustible.
Permite a países agrícolas independizarse
de los países productores de petróleo.
Tiene un gran poder de lubricación y
minimiza el desgaste del motor.
Presenta un menor nivel de emisiones gaseosas
de combustión nocivas.
Su rendimiento en motores es similar al del
gasoil derivado de petróleo.
Puede utilizarse en mezclas con gasoil común
en cualquier proporción.
No requiere cambios de infraestructura para
su adopción.
No altera sustancialmente el troqué o el
consumo.
Reduce en gran medida los humos visibles
durante el arranque.
Posee una gran biodegradabilidad, comparable
a la de la dextrosa.
Es aproximadamente diez veces menos tóxico
que la sal común de mesa.
Su transporte y almacenamiento es más
seguro dado su alto flash point.
Puede producirse a partir de cultivos
abundantes en el país, como la soja.
Ya ha sido probado satisfactoriamente por más
de 20 años en Europa.
No contiene azufre, y permite el uso de
catalizadores.
Los proyectos de inversión asociados son
una buena fuente de empleos.
Se encuentra exento en el país de varios
impuestos por el plazo de 10 años.
El olor de combustión asemeja el olor a
fritura, a diferencia del olor del gasoil.
LIMITACIONES
Siendo el presente un trabajo científico,
no sería justo abogar sólo por las virtudes del biodiesel, sin hacer mención
de sus desventajas.
Presenta elevados
costos de materia prima, más aun desde la devaluación del peso argentino.
Su combustión puede acarrear un aumento de
óxidos de nitrógeno (NOX).
Presenta problemas de fluidez a bajas
temperaturas (menores a 0ºC)
Presenta escasa estabilidad oxidativa, y su
almacenamiento no es aconsejable por períodos superiores a 6 meses.
Su poder solvente lo hace incompatible con
una serie de plásticos y elementos derivados del caucho natural, y a veces
obliga a sustituir mangueras en el motor.
Su carga en tanques ya sucios por depósitos
provenientes del gasoil puede presentar problemas cuando por su poder solvente
"limpia" dichos depósitos, acarreándolos por la línea de
combustible.
BIOESTERAJE
Como hemos dicho, el biodiesel puede mezclarse en
cualquier proporción con el gasoil común, y dicha razón de mezcla se denomina
porcentaje de biomasicidad o simplemente bioesteraje. Así se utiliza la
denominación Bxx o BDxx para referirse a una mezcla de xx% de biodiesel en
gasoil.
CARACTERÍSTICAS
En el país, la Res. de la Secretaría de Energía y Minería
No. 129 (Julio 2001) regula los parámetros técnicos del biodiesel.
En los EE.UU., la norma ASTM correspondiente es la D6751,
de reciente publicación.
El biodiesel tiene en general un poder calórico inferior
algo menor al del gasoil (7.795 kcal/l vs. 8.74 kcla/l). Su viscosidad cinemática
en general está entre 1.9 y 6.0 cSt., aunque éste parámetro no difiere
sustancialmente en el gasoil (1.3-4.1 cSt). Su densidad es de aproximadamente
0.878 kg/l a 15ºC, y su flash point llega a sobrepasar los 130ºC, a diferencia
del gasoil, cuyo punto de inflamación es de apenas 60-80ºC. Posee además un número
cetano ligeramente mayor al del gasoil, y duplica el poder de lubricación del
mismo.
PRODUCCIÓN
La tecnología básica de producción consta de un reactor
en el cual se lleva a cabo la transesterificación. Por un lado, en un tanque
auxiliar, se prepara la solución de metóxido de sodio. Se prepara dicha solución
a partir de alcohol -usualmente metílico- de alta pureza (el agua interfiere en
la reacción) e hidróxido de sodio. No se utiliza alcóxido anhidro pues la
reacción de dicha sustancia en agua es muy violenta y tiende a la autoignición.
Ésta mezcla fuertemente cáustica es vertida en el reactor principal que
contiene los lípidos fundidos. La reacción a menudo se realiza a unos 50ºC
para agilizar la misma, y se mezcla vigorosamente para favorecer una reacción
completa. En los procesos industriales más complejos, se procede a separar el
biodiesel y la glicerina formados mediante el uso de centrífugas continuas que
permiten además remover constantemente los productos de reacción para
desplazar la reacción hacia el lado de los productos (logrando un mayor
rendimiento). Sin embrago, aún son comunes los procesos por lotes (batch), en
los que transcurridos unos 50 minutos, se procede a una decantación de la
glicerina. Luego de separar la misma, el éster es lavado para eliminar jabones
y otros subproductos de reacción indeseados.
Fig. 1: Reacción de transesterificación básica:
El agua, cabe agregar, favorece en presencia del
catalizador alcalino la formación de jabones. Además, la degradación misma de
un aceite produce ácidos grasos libres, y esa acidez debe ser tenida en cuenta
a la hora de calcular la masa de catalizador necesaria. Los jabones son
perjudiciales no sólo porque contaminan el producto final, sino porque tienden
a la formación de emulsiones muy estables. Por esto, debe asegurarse la menor
cantidad de agua posible durante el proceso, lo cual implica un secado del
aceite (si es aceite usado), y el uso de alcoholes de más del 98,5% de pureza.
Esto es principalmente lo que torna incompetitivo al uso del alcohol etílico,
ya que éste forma con agua una mezcla azeotrópica que impide una destilación
de más del 96% de pureza y requiere para su purificación total una destilación
con mezclas ternarias (lo que eleva el costo del alcohol etílico puro en relación
al alcohol metílico).
Fig. 2: Proceso de síntesis
PROCESO DE ELABORACIÓN CASERA
Con el fin de estudiar la aplicación del biodiesel en
motores, la factibilidad del reuso de aceites y el impacto asociado en las
emisiones de combustión, se procedió a sintetizar en forma casera un lote de
cuatro litros de biodiesel.
Partiendo de aceite de girasol cocinado, se procedió al filtrado del mismo para
la eliminación de las impurezas. Esto se realizó con la ayuda de un colador y
papel tisú, que aún con la reducida viscosidad del aceite caliente conlleva un
tiempo de filtrado razonablemente largo. Se procedió luego a calentar el aceite
para obtener una materia prima libre de agua.
A continuación se efectuó una titulación con alcohol isopropílico y solución
de hidróxido de sodio para determinar el nivel de acidez del aceite. La soda cáustica
interviene simplemente como catalizador, pero en presencia de ácidos grasos
libres, tenderá a neutralizar los mismos formando jabones. En tal sentido, debe
asegurarse una cantidad suficiente de hidróxido de sodio que permita no sólo
neutralizar los ácidos sino también actuar como catalizador. Un nivel
demasiado alto de ácidos grasos libres puede incluso ser prohibitivo para la
reacción, si éste deriva en una excesiva formación de jabones. Por otro lado,
una cantidad insuficiente de catalizador no permitirá una reacción de
rendimiento satisfactorio.
El proceso comienza en definitiva con la mezcla del alcóxido
de sodio y el aceite, tal y como fue detallado en el subtítulo "producción".
En nuestro caso, se utilizó un recipiente de acero inoxidable y un agitador eléctrico
de 12V.
El acero inoxidable es un material muy noble que soporta fácilmente las
condiciones altamente cáusticas de la reacción. La agitación, por su parte,
es necesaria para promover el contacto íntimo de los reactivos y lograr una
buena eficiencia de reacción .
El paso siguiente lo constituye la decantación de la
mezcla, que por sí sóla se separará por completo en dos fases (glicerina y éster)
al cabo de unas horas.
El rendimiento del proceso suele estar cercano al 98-99%. Del porcentaje que ha
reaccionado, se forma aproximadamente un 90% de éster y un 10% de glicerina.
Una vez realizada la decantación, el éster es "sifoneado", o la
glicerina es purgada. En el presente trabajo no analizaremos el tema de la
glicerina. Sin embargo, cabe aclarar que a nivel industrial su refinación y
venta puede significar grandes ingresos. Sin embargo, a escala casera, su
purificación resulta casi imposible, con la problemática adicional que
representa su alta alcalinidad (hasta pH11) y elevado contenido de metanol (un tóxico
del nervio óptico que puede producir intoxicación, ceguera y muerte hasta por
inhalación o contacto dérmico).
Además, recordaremos que la destilación a temperatura de la glicerina no es
aconsejable dado que esto puede resultar en la descomposición térmica de la
glicerina, lo que puede liberar acroleína (propenal), un gas cancerígeno. Por
esto, la purificación de la glicerina se realiza en general mediante una
destilación al vacío, método impráctico y no económico a pequeña escala.
Terminada la reacción, el metanol remanente queda
retenido aproximadamente en un 50% en la fase de la glicerina, y otro 50% en el
éster. Sin embargo, el lavado del éster con agua (proceso solo aplicable a
escala piloto por las implicancias ambientales respecto al volumen de agua
necesario) remueve el contenido de metanol, dado que el agua, compuesto
altamente polar, tiene gran afinidad por éste alcohol. Cualquier remanente de
alcohol en el éster sería en el peor de los casos quemado en la cámara de
combustión sin mayores inconvenientes, y presenta en última instancia un mero
problema de costos (ya que su recupero presenta un ahorro valioso).
El lavado con agua, (a escala casera) se realizó con la
ayuda de una piedra aireadora. Éste método desarrollado por la Universidad de
Idaho (EE.UU.), se basa en el hecho que las pequeñas burbujas desprendidas de
la piedra aireadora están rodeadas por una fina película de agua (que por su
densidad y polaridad se separa del éster y yace bajo el mismo). La película de
agua disuelve y lava las impurezas en su viaje a la superficie. Al emerger y
explotar, las pequeñas gotas de agua provenientes de la película de la burbuja
comienzan a descender hacia la fase acuosa, continuando el proceso de lavado.
El agua se vuelve turbia y lechosa por la disolución de los jabones (producto
de las reacciones secundarias indeseadas, mas siempre presentes).
Finalmente, tras un filtrado con un filtro de papel de poro grande (filtro de
café) se eliminaron los vestigios de agua emulsionada (el papel es un excelente
absorbente de agua), y se obtuvo un producto totalmente transparente.
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