1.4 TIPOS DE PROCESOS PARA LA ELABORACIÓN INDUSTRIAL DE
3.1.8 IDENTIFICACIÓN DE BIODIÉSEL MEDIANTE FTIR
Se realizaron análisis FTIR a tres muestras diferentes: a la glicerina, al biodiésel sin lavar y al biodiésel lavado, esto con el fin de ver si se encontraban diferencias en los espectros y comprobar la presencia de biodiésel en cada una de ellas. Para realizar las comparaciones se tomó como base el espectro de la Figura 2-1.
En la Figura 3-16 se observa el espectro realizado a la muestra de lo que se creía era glicerina. El resultado es similar al que se esperaba para comprobar la presencia de biodiésel, obteniendo el pico de ésteres metílicos en la longitud de onda de 1742 cm-1, sin embargo, se observan ligeros cambios en los picos por debajo de 1500
cm-1. Esto se puede deber a que existen muchos compuestos en la mezcla, lo que
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Figura 3-16. Espectro FTIR obtenido del análisis de la glicerina producida a partir del aceite de café.
En la Figura 3-17 se muestra el análisis FTIR del biodiésel sin lavar, el cual presentó un resultado semejante al de la muestra anterior, con la presencia del pico en 1744 cm-1 que demuestra la existencia de ésteres metílicos y la diferencia de que los
picos debajo de los 1500 cm-1 se distinguen un poco mejor. La diferencia entre
ambos espectros puede deberse a una menor presencia de compuestos diferentes, lo que genera unos picos más claros que en el espectro de la muestra anterior.
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Figura 3-17. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel sin lavar producido a partir del aceite de café.
En la Figura 3-18 se presenta el espectro del biodiésel que se recuperó después del lavado, donde se observan que los picos de 1171, 1243, 1742, 2854, 2924 cm-1 son
iguales a los del espectro de la Figura 2-1. Los picos más importantes son los que se observan de 1200 a 1300 cm-1, y el de 1742 cm-1, los cuales aseguran la
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Figura 3-18. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel lavado producido a partir del aceite de café.
Como se puede observar, el resultado de los espectros fue semejante para las tres muestras, por lo que se pudo corroborar que la reacción de transesterificación se llevó a cabo correctamente y se obtuvo biodiésel a partir del aceite de café. Sin embargo, en la muestra lavada se puede observar que se obtuvieron los picos en las mismas longitudes que el de la Figura 2-1, posiblemente por llevar menos impurezas que las otras dos muestras.
Con este análisis de identificación de biodiésel se comprobó que es posible la elaboración de biodiésel a partir de los aceites presentes en la borra de café, dando como resultado la conversión de estos aceites en ésteres metílicos mediante la reacción de transesterificación alcalina. Una vez obtenido el biodiésel se debe caracterizar para determinar si sus propiedades se encuentran dentro del rango establecido en la norma ASTM D 6751 para su utilización en motores.
El análisis FTIR de las muestras se realizó en el Instituto de Energías Renovables de la UNAM.
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3.1.9 LAVADO DE BIODIÉSEL
El lavado del biodiésel se intentó en múltiples ocasiones, pero como se mencionó anteriormente, la mezcla generó una emulsión. Por este motivo sólo se llegó al primer lavado sin la posibilidad de eliminar el agua para obtener el biodiésel seco.
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CONCLUSIONES
Como se puede observar el consumo actual de energía es cada vez mayor a nivel mundial, por lo que se requiere más combustible para satisfacer dicha demanda. El uso de biodiésel ha crecido considerablemente en los últimos años gracias a las reformas ambientales que se han propuesto en muchos países. La ventaja de este biocombustible es que al utilizarse en mezclas no requiere modificaciones en el motor, convirtiéndolo en un gran sustituto o complemento del diésel convencional El rendimiento de extracción de aceite a partir de la borra de café se considera alto tomando en cuenta que es un residuo, al cual se le da un valor agregado. Mediante la determinación de acidez y AGL se observa que es necesaria una esterificación previa para asegurar un buen rendimiento de conversión de aceite de café a biodiésel, lo cual requerirá mayor gasto de energía. De la misma manera se presentó la generación de gomas, lo que indica que el contenido de fósforo es muy alto y provoca la formación de emulsiones, requiriendo un desgomado del aceite previo a la esterificación.
En cuanto a la reacción de transesterificación, en las pruebas se presentó que la humedad contenida en el aceite causó la generación de jabones, lo que disminuyó considerablemente el rendimiento de obtención de biodiésel. La solución es un mejor secado de la borra de café para evitar el contenido de humedad en el aceite, así como un calentamiento previo del mismo para asegurar que esté completamente seco.
El uso de diferentes catalizadores nos permitió ver la diferencia entre ellos. El resultado utilizando KOH fue más satisfactorio al no presentar jabones solidos como el NaOH, lo cual dificulta tanto la reacción como la separación de fases. Por esta razón se determina que el KOH es más efectivo que el NaOH para llevar a cabo la transesterificación.
Mediante la investigación del tema se encontró que el lavado del biodiésel es uno de los mayores problemas ambientales que presenta la producción de biodiésel a nivel industrial, debido a las grandes cantidades de agua que requiere para llevarse
59 a cabo. Para evitar este inconveniente se puede realizar un lavado en seco con resinas de silicato de magnesio, las cuales evitan el uso del agua, disminuyendo el impacto ambiental.
El análisis FTIR que se realizó a las muestras obtenidas permitió corroborar la presencia de biodiésel gracias a los picos que se observaron en los espectros. La transesterificación de los triacilgliceroles presentes en el café dio como resultado ésteres metílicos o biodiésel, por lo que sólo se requiere mejorar o adaptar la manera de llevar a cabo la reacción para obtener un resultado óptimo, así como un biodiésel de buena calidad.
Para llevar a cabo un proyecto de elaboración de biodiésel a partir de borra de café a nivel industrial se debe considerar la dificultad de la recolección de esta, así como la manera de llevar a cabo la extracción de aceites mediante hexano en grandes cantidades. Sumado a esto, se tiene que evaluar si es conveniente la instalación de una planta en base a la cantidad de biodiésel obtenido respecto a la cantidad de energía utilizada para su producción.
La producción de biodiésel a partir de la borra de café en el estado de Veracruz parece tener un enorme potencial debido a la gran cantidad de este residuo que se genera. El proceso de producción parece ser viable de acuerdo a las pruebas realizadas, sólo se requiere encontrar el método perfecto para eliminar los inconvenientes que se presentaron y así obtener un rendimiento de conversión óptimo de biodiésel.
Para realizar un análisis de viabilidad de un proyecto de este tipo se podría:
Implementar un programa de recolección de borra de café para realizar un mayor número de pruebas.
Tener un control más estricto de la humedad contenida en el aceite.
Obtener un mejor rendimiento de conversión de aceite a biodiésel mediante un método de producción óptimo.
Comprobar la calidad del biodiésel producido de acuerdo a los métodos de ensayo indicados en la norma.
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Realizar las pruebas necesarias al biodiésel para ver en qué porcentaje puede utilizarse para estar dentro de la norma para su comercialización.
Utilizar métodos alternativos para el secado del biodiésel que no requieran agua.
Caracterizar la borra del café después de la extracción de aceites para ver su posible utilización como combustible.
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ANEXOS
En la tabla siguiente se describen el propósito e importancia de las propiedades del biodiésel, así como los efectos que se producen al estar fuera del límite establecido.
Anexo 1. Límites de especificación en el biodiésel: propósito, importancia y efectos de su desviación.
PROPIEDAD PROPÓSITO / IMPORTANCIA / EFECTOS POSIBLES DE LA DESVIACIÓN DE LA ESPECIFICACIÓN Contenidos de éster (min.) Valores inferiores a los de la especificación indican reacción incompleta/presencia de aceite.
Provocará alta viscosidad, disminución del efecto spray, aumento de carbonilla, combustión deficiente. Densidad (15°C) Depende del aceite de partida y proceso de transesterificación. Un valor bajo representa excesivo resto
de alcohol.
Viscosidad (40°C)
Satisfactoria combustión del combustible. El valor de la viscosidad debe de ser del mismo nivel del diésel convencional.
Bajos valores indican exceso de metanol. Altos valores indican degradación térmica y oxidativa, presencia de aceite sin reaccionar y pueden provocar problemas en los inyectores y sistemas de bombeo. Acorta la vida del motor.
Punto de inflamación (min.)
Seguridad contra incendios. Se utiliza como mecanismo para limitar el nivel de alcohol sin reaccionar que permanece en el biodiésel terminado. Un bajo valor puede provocar problemas en el manipuleo, transporte y almacenamiento.
Azufre Proteger el sistema catalítico del escape. Un valor alto indicaría contaminación del biodiésel y provocaría mayores emisiones de SO2.
Número de cetano (min.)
Buen desempeño del motor, es una medida de la calidad de ignición del combustible y del proceso de combustión. Depende de la materia prima y nivel de oxidación del biodiésel. Un bajo valor indica poca tendencia a la auto-ignición y provocaría mayor cantidad de depósitos en el motor y mayor desgaste en los pistones.
Contenido de agua Un exceso de agua en el biodiésel puede ocasionar problemas de hidrólisis (aparición de ácidos grasos libres).
Agua y sedimentos
Un exceso de agua puede causar corrosión y proveer un ambiente propicio para la proliferación de microorganismos. La oxidación puede incrementar el nivel de sedimentos: por lo tanto este análisis debe ser usado con el de acidez y viscosidad para determinar que tanto se oxidó el combustible durante su almacenamiento. Un exceso de agua puede ocasionar problemas de hidrólisis. La presencia de sedimentos/contaminación depende de insaponificables en la materia prima y proceso de producción. Un alto valor indica presencia de insaponificables, jabones e impurezas mecánicas. Los primeros dejan residuos en el motor al tener mayor punto de evaporación, los jabones dan lugar a cenizas sulfatadas, y las impurezas mecánicas obstruyen filtros.
Corrosión a la lámina de cobre
Indica dificultades con los componentes de bronce, latón o cobre de los vehículos. La presencia de ácidos o de compuestos con azufre puede deteriorar la lámina de cobre, indicando así la posibilidad de ataque corrosivo. Altos valores provocarían problemas de corrosión durante el almacenamiento y en el motor.
Metanol Depende exclusivamente del proceso de producción. Restos de metanol provocan baja temperatura de inflamación, viscosidad y densidad, y corrosión en piezas de aluminio y Zinc.
Glicerina Libre
Glicerina total
Buen desempeño a bajas temperaturas. La glicerina total comprende la glicerina libre y la porción de glicerina de aceite o de grasa sin reaccionar o que ha reaccionado parcialmente. Niveles bajos aseguran una alta conversión del aceite hacia sus mono-alquil-ésteres. La cantidad de glicerina libre depende del proceso de producción. Un valor alto indica una mala decantación y lavado del biodiésel, lo que provoca un incremento en las emisiones de aldehídos y acroleína. Altos niveles de glicerina libre pueden causar depósitos en los inyectores y afectar adversamente la operación en climas fríos causando taponamiento de filtros.
Índice/No. De Yodo Depende exclusivamente de la materia prima y cuantifica el grado de insaturación. Altos valores indican la presencia de dobles enlaces que favorecen los procesos de polimerización e hidrólisis. Índice de acidez
Protege el motor. Se utiliza para determinar el nivel de ácidos grasos libres o ácidos de proceso que puedan estar presentes en el biodiésel. Un alto número ácido puede ocasionar aumento en la degradación del biodiésel, aumentar la formación de depósitos en los sistemas de inyección y la probabilidad de corrosión.
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Fuente: IICA y ARPEL, 2009.
PROPIEDAD PROPÓSITO / IMPORTANCIA / EFECTOS POSIBLES DE LA DESVIACIÓN DE LA ESPECIFICACIÓN Metales alcalinos (Na+K) y
del grupo II (Ca+Mg)
Su presencia depende del proceso de producción. Los metales provocan depósitos y catalizan reacciones de polimerización. Valores altos de (Na+K) indican restos de catalizador. Valores altos de (Ca+Mg) indican presencia de jabones insolubles.
Cold soak filterability
Algunas sustancias que son solubles o aparentemente solubles en biodiésel a temperatura ambiente, bajo enfriamiento o estadía o estadía prolongada a temperatura ambiente, se separan de la solución. Estas sustancias pueden causar taponamiento de filtros. Este método de ensayo proporciona un medio acelerado para medir la tendencia de estas sustancias a taponar los filtros. A elevados valores de tiempo de filtración, mayor probabilidad de taponamiento de filtros y problemas de operabilidad a bajas