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Determinación de la enzima óptima en la obtención de biodiesel a
partir del aceite de semillas de Jatropha curcas
Mg. Tania Elizabeth Guerrero Vejarano Dr. Luis Moncada Albitres RESUMEN
El aceite de Jatropha curcas proveniente de la Ciudad de Tarapoto fue empleado con éxito en la reacción de transesterificación como materia prima alternativa para la producción de biodiesel. Como primer paso se utilizó las semillas de Jatropha curcas (piñón), de la cual se extrajo el aceite, por prensado, previa cocción, posteriormente se filtró para eliminar las impurezas y se obtuvo un rendimiento de 34 %, luego se tomó 3 muestras del aceite para determinar el Índice de Yodo que fue de 98 mg de I2/g, el cual se determinó por el método 28.022-28.023 de AOAC (1984). Luego se tomó otras tres muestras para determinar el índice de acidez que fue de 9,5 mg de KOH/g, que nos da información del contenido de ácidos grasos libres (AGL) y se determinó por titulación alcalina de acuerdo al método Ca 5a-40 de la AOCS (1989) y su resultado es expresado como por ciento de ácido oleico. Las reacciones de transesterificación se realizaron por vía enzimática con dos lipasas comerciales N435 y RM IM. De las dos enzimas probadas, la enzima N435 fue la más eficiente tanto en el sistema libre de solvente que en el sistema con ter butanol como solvente. En ambos sistemas el exceso de etanol fue la mejor condición para la reacción alcanzando conversiones de 84% en 48 horas en el caso del sistema libre de solvente y 65% en 24 horas en el sistema con terbutanol,
PALABRAS CLAVE: Biodiesel - Etil esteres - Lipasa -Jatropha curcas - Solvente -
Transesterificación.
TESIS: Determinación de la enzima óptima (N435 y RM IM) en la obtención de
biodiesel a partir del aceite de semillas de Jatropha curcas, utilizando dos sistemas de solventes
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I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, debido al agotamiento progresivo de las reservas mundiales del petróleo y el impacto del medio ambiente la contaminación creciente de las emisiones de escape hay una urgente necesidad de desarrollar energías alternativas, tales como el combustible biodiesel. El aceite vegetal es una alternativa prometedora, ya que tiene varias ventajas, que es renovable y amigable con el ambiente y fáciles de producir en las zonas rurales, donde existe una aguda necesidad de que las formas modernas de energía. Por lo tanto, en los últimos años varias investigaciones han sido orientadas para utilizar los aceites vegetales como combustible en motores como el biodiesel. (Pramanik, 2003; Bozbas, 2005). Además, vegetales productos derivados del petróleo tienen un gran potencial para estimular el desarrollo económico rural ya los agricultores se beneficiarían de una mayor demanda de aceites vegetales. Varios aceites vegetales, incluyendo aceite de palma, aceite de soja, aceite de girasol, aceite de colza y aceite de canola se han utilizado para producir combustible biodiesel y lubricantes.
El biodiesel se define como una mezcla de monoacetilésteres de ácidos grasos de cadena larga de origen vegetal o animal, para su uso en combustión. Además este biocombustible constituye una alternativa viable para la obtención de energía limpia y renovable. (Knothe y Dunn, 1996). Adicionalmente, algunos estudios (Haas et al, 2006) han determinado que la materia prima representa aproximadamente entre 75% y 88% del costo total de producción de este biocombustible por lo que es imperativo reducir estos costos para obtener un producto competitivo en el mercado. Para ello, una opción prometedora es encontrar alternativas a las materias primas usadas tradicionalmente que actualmente son aceites vegetales vírgenes o refinados. Entre las materias primas alternativas, destacan los residuos grasos animales y vegetales, los cuales son una materia prima ideal a bajo costo. Además se ha demostrado que existe una buena disponibilidad, por ejemplo en USA se tiene una disponibilidad estimada de 470 millones de toneladas (Canakci, 2005). Estos residuos podrían ser utilizados como materia prima para biodiesel, evitando los debates éticos de utilizar cultivos y tierras que se destinan para fines alimenticios. Convencionalmente el biodiesel se produce utilizando catalizadores básicos (Meher tal., 2006), los cuales presentan problemas de
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recuperación del catalizador y corrosión. Por otra parte, la catálisis enzimática se ha explorado recientemente con buenos resultados (Al-Zuhair, 2005; Dizge y Keskinler, 2008; Du, 2005; Royon et al, 2007); demostrando ser un sistema que proporciona grandes ventajas en el proceso como: mayor seguridad, pueden ser usadas materias primas de menor calidad, el producto y subproducto se obtienen con mayor grado de pureza y los procesos enzimáticos son generalmente más limpios y ecológicos.
Jatropha curcas es una especie multipropósito, con innumerables atributos y un potencial considerable. Es una planta de origen tropical, de la familia Euphorbiaceae, que puede crecer tanto en zonas de altas como de bajas precipitaciones anuales. Es altamente resistente a la sequía y se puede cultivar en áreas marginales, por lo que resulta excepcional para la recuperación de tierras degradadas, sin competir con la producción de cultivos para la alimentación humana y animal. Además, se usa como cercas y setos vivos, se le atribuyen propiedades medicinales e insecticidas, e incluso puede ser utilizado como cultivo comercial. Esta especie es de rápido crecimiento y la producción de semillas puede comenzar incluso en el primer año de establecida la plantación, lo que depende de muchos factores, como las precipitaciones y la forma de propagación que se utilice (por semillas o por estacas). Su establecimiento, manejo y productividad en diferentes condiciones climatológicas aún no está bien documentado, principalmente en lo que concierne a sus requerimientos de nutrientes o fertilizantes y, en el caso de Cuba, la mayoría de los estudios relacionados con su agrotecnia y producción están en ciernes. Esta planta aporta muchos productos beneficiosos, especialmente a partir de sus semillas, de las cuales se puede extraer aceite, con una calidad similar al de la palma aceitera. Este aceite puede reemplazar al keroseno, al petróleo y a la leña/carbón con relativo éxito, por lo que se promueve su uso internacionalmente para satisfacer las demandas de las zonas rurales en cuanto a la iluminación, cocina y fuerza motriz. Otros usos muy importantes lo constituyen la producción de biocombustible a partir del aceite, la fabricación de jabón y la extracción de glicerina con fines industriales. Su cultivo y expansión podría proporcionar nuevas fuentes de empleo, así como mejorar el medio ambiente y el nivel y la calidad de vida de la población rural, por lo que la potencialidad real de esta planta debe ser cuidadosamente investigada, tanto desde el punto de vista de su agronomía y manejo,
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como de su uso y comercialización en el futuro. (Odalys C. Toral. et.al., 2008). Ante esta situación surge la necesidad de buscar materias primas para biodiesel o para ser usado como aceite combustible, En este trabajo se estudia el efecto de la relación molar y el uso del terbutanol como solvente sobre la reacción de transesterificación sobre el aceite de Jatropha curcas. Para ello, se caracterizaron las materias primas y se llevaron a cabo los estudios de los efectos estadísticamente significativos de estos factores sobre la velocidad inicial de reacción y la conversión y nos planteamos la siguiente interrogante:
Problema: ¿Cual es la enzima óptima (N435 y RM IM) en la obtención de biodiesel a partir del aceite de semillas Jatropha curcas utilizando dos sistemas de solventes?
Hipótesis: La enzima óptima es la N435 en ambos sistemas de solventes en la obtención de Biodiesel, a partir de semillas de Jatropha curcas
Algunas investigaciones reportan que (Martínez, 2005; Parsons, 2005); Jones y Miller (1992) y Hooda y Rawat (2005), los rangos de producción de semillas varían desde 0,4 t hasta 12 t/ha/año, después de cinco años de cultivo. Estos últimos autores señalan que una plantación adecuada rinde alrededor de 2,0 kg de semilla por planta, y en suelos relativamente más pobres de 0,75 a 1,0 kg por planta; una hectárea de plantación en un suelo de mediana calidad produce como promedio 1,6 t de aceite y el volumen de aceite es 35-40% en las semillas y 50-60% en el grano. (Cruz. et.al.; 2000) reporta que el contenido de aceite (lípidos) está dentro del orden de las semillas oleaginosas y su valor nutritivo es semejante al del aceite de maíz. El color es amarillo claro, inodoro y tiene un ligero sabor a nuez. El índice de saponificación fue de 196, el de yodo de 99,06, el de acidez de 13,86, el de ésteres de 182,1, el de hidroxilo 8,53, el de acetilo 8,48, la materia insaponificable de 0,82 %, el índice de refracción a 25°C fue de 1,4688 la gravedad específica a 25°C fue de 0,9100, la viscosidad a 25°C fue de 62 cp. El índice de yodo indica que contiene mayor cantidad de ácidos grasos insaturados que los aceites de oliva, palma y ricino e igual cantidad que el aceite de cacahuate y menor que el aceite de maíz. Los índices de hidroxilo y acetilo indican que el aceite de J. curcas contiene mono y/o diglicéridos. El aceite de la Jatropha curcas tiene propiedades fisicoquímicas semejantes a las de los aceites comestibles y no es tóxico (al menos el que se extrae de la semilla cultivada en México). Otros autores reportan que la
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semilla de Jatropha curcas contiene un 42 % de aceite el cual tiene propiedades fisicoquímicas semejantes a la de los aceites comestibles y no es tóxico, como otros aceites de esta planta cultivada en otros países (Cruz y Victoria, M.T, 2000)
También se reporta que un recurso vegetal renovable que ha llamado la atención a nivel mundial es la planta de Jatropha curcas L. que pertenece a la familia de la Euphorbiaceas, y que por su alto contenido de aceite (50-55%) (Martínez, 2006), es una fuente importante para la obtención de biodiesel. Los resultados del contenido de ácidos grasos libres (AGL%) fue de 22,6%; contenido de humedad del 0,2%, el valor de saponificación (mg KOH / g de aceite) 208,27%, índice de Yodo de 100,1, la gravedad específica 0,878, la viscosidad cinemática (mm2 / s) 41,51 % 8,27% Total de glicerol, glicerol% libres de 0,58%, combinada% de glicerol 7,60% (Kywe, Mya, 2009)
También se reporta el estudio del aceite de Jatropha curcas del condado de Luodian, provincia de Guizhou, al suroeste China. De acuerdo con la cromatografía de gases (GC) el análisis, los ácidos grasos del aceite de J. curcas consistía de: ácido palmítico (12,47%), ácido palmitoleico (2,10%), ácido esteárico (6,42%), ácido oleico (32,04%), y El ácido linoleico (42,47%). El índice de acidez del aceite se aproximadamente 2,63mg KOH/g, y el promedio del peso molecular es de 880g/mol. (Wei et.al., 2009). El índice de acidez encontrado en Jatropha curcas proveniente de Mato Grosso, Brasil, reportado por (Brossard-González, et.al.; 2010) es de 9 mg de KOH/g en la extracción del aceite por el método de prensado y de 12,5 en la extracción con el n-hexano
6 II. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Materiales y Reactivos: 2.1.1 Reactivos
Las lipasas RM IM (lipasa de Rhizomucor miehei inmovilizada soporte hidrofílico) y N435 (lipasa B de Candida antárctica inmovilizada en soporte hidrofóbico), fueron una generosa donación de Novozymes,
El aceite de las semillas de Jatropha curcas es de la INIA de la Ciudad de Tarapoto, departamento de San Martin,
Todos los demás solventes utilizados fueron grado reactivo. 2.1.2 Equipos:
HPLC
Cromatografo de gases Agilent 6980, equipado con una columna HP 23 Balanza analítica
2.2. Caracterización de las grasas Perfil de ácidos grasos
Para la obtención del perfil de ácidos grasos se utilizando el método de trifloruro de boro y para el análisis cromatográfico se emplea un cromatógrafo de gases y cuyo método opera bajo las siguientes condiciones temperatura inicial del horno: 200 °C, gradiente: 25 °C/min hasta 180 °C y mantener por 30 min además 5 °C/min hasta 250°C durante 15 min., flujo de helio 2 ml/min., flujo de aire: 400 ml/min, flujo de H2 : 40 ml/min, volumen de inyección: 0,5 µ.L., makeup: 30 ml/min, relación split: 100/1. Para la derivatización se adicionan 300 mg de muestra a un matraz con perlas de ebullición desengrasadas y 4 mL de NaOH 0,5 N. Se conecta un refrigerante y se coloca en baño maría a 75 °C por 12 min. Pasado este tiempo se añade por la parte superior del refrigerante 5 mL de trifluoruro de boro y se deja en el baño otros 2 min. Posteriormente, adicionar 3 mL de n-heptano y se mantiene en el baño 1 min. El matraz se enfría con agua corriente. Se agregan 20 mL de solución saturada de NaCl para llevar la fase orgánica al cuello del matraz, ayudado de una perilla se recoge la fase heptánica tomando 1mililitro del extracto para inyectar la muestra en el cromatógrafo.
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La relación molar grasa: etanol fue calculada en base a la composición en ácidos grasos encontrada. La masa molecular de la mezcla fue en 277,56 g/mol.
Índice de yodo
El índice de peróxido o índice de yodo se determinó usando el método 28.022-28.023 de AOAC (1984).
Índice de acidez
El contenido de ácidos grasos libres (AGL) se determinó por titulación alcalina de acuerdo al método Ca 5a-40 de la AOCS (1989) y su resultado es expresado como por ciento de ácido oleico.
2.3. Reacciones de transesterificación
Las reacciones de transesterificación se llevaron a cabo en un volumen de 5 mL del aceite de las semillas de Jatropha curcas, la proporción correspondiente de etanol para alcanzar una relación molar 1:1 y 1:4 triglicérido: etanol y 100 mg de lipasa. Las condiciones de operación en las que se llevaron a cabo las reacciones fueron 50 °C y una agitación magnética de 300 rpm.
Las reacciones de transesterificación en ter butanol se llevaron a cabo en un volumen de 5 mL del aceite de Jatropha curcas la proporción correspondiente de etanol para alcanzar una relación molar 1:1 y 1:4 triglicérido: etanol y 100 mg de lipasa. Las condiciones de operación en las que se llevaron a cabo las reacciones fueron 50 °C y una agitación magnética de 300 rpm.
2.4. Análisis cromatográficos y estadísticos
100 µL de muestra fueron diluidos en 900 µL de hexano y analizadas por cromatografía de gases con una columna HP5 Todas las determinaciones fueron llevadas a cabo por duplicado. El cálculo del porcentaje de conversión en las reacciones de transesterificación se llevo a cabo mediante la siguiente ecuación:
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III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Caracterización de las grasas
Como primer paso se extrajo el aceite de Jatropha curcas por el método de prensado, y después de purificarlo se obtuvo un rendimiento de 34 % y posteriormente se hicieron los siguientes análisis al aceite obtenido: El Índice de Yodo, fue determinado por el método 28.022-28.023 de AOAC (1984). y e! contenido de ácidos grasos libres (AGL) índice de acidez se determino por titulación alcalina de acuerdo al método Ca 5a-40 de la AOCS (1989) y su resultado es expresado como por ciento de ácido oleico, se realizo de tres repeticiones y se obtuvo un promedio que se detalla a continuación:
Cuadro N° 1: Análisis del aceite de Jatropha curcas
Análisis Valores obtenidos
Rendimiento del aceite 34%
Índice de Yodo 98 mg de I2/g
Índice de Acidez 9,5 mg KOH/g ó 4,77% (ac. oleico)
Fuente: Datos obtenidos de los análisis
(Cruz et.al.; 2000) reporta que el índice de acidez del aceite de Jatropha proveniente de México es de 13,86 mg KOH/g, También se reporta (Wei et.al., 2009) el estudio del aceite de Jatropha curcas del condado de Luodian, provincia de Guizhou, al suroeste China, el índice de acidez del aceite se aproximadamente 2,63 mg KOH/g; y el índice de acidez del aceite de encontrado en Jatropha curcas proveniente de Mato Grosso, Brasil, reportado por (Brossard-González, et.al; 2010) es de 9 mg de KOH/g en la extracción del aceite por el método de prensado y de 12,5mg KOH/g en la extracción con el n-hexano; considerando los resultados obtenidos en la presente investigación que se obtuvo un índice de acidez de 9,5 mg KOH/g, podemos apreciar que la Jatropha
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curcas de San Martin tiene menos ácidos grasos libres que el proveniente de México y posee mayor contenido de ácidos grasos libres que el proveniente de China y se podría decir que contiene casi la misma cantidad de ácidos grasos del Jatropha de Brasil todas estas variaciones podrían ser debido a que los métodos de extracción del aceite no son los mismos, otros autores utilizaron solventes orgánicos y en el presente estudio se utilizo el método de prensado, además hay que considerar que a pesar de ser de la misma especie las condiciones ambientales donde se cultivo la especie son distintas, lo cual influye en la formación de los ácidos grasos libres del aceite.
(Cruz. et.al; 2000) reporta el de yodo de Jatropha curcas de México es de de 99,06, (Kywe, Mya, 2009) índice de Yodo de Jatropha curcas de Japón es de 100,1, comparándolo con los resultados obtenidos que fueron de 98 mg de I2 /g se aprecia que el grado de instauración del piñón de san Martin es similar a la de México y tiene menos instauraciones que el piñón de Japón, ya que el índice de yodo es una medida del grado de instauración de los componentes de una grasa y las variaciones pueden ser por el método de extracción del aceite y por la condiciones de almacenamiento del aceite.
3.2. Perfil de ácidos grasos:
Cuadro N°2: Perfil de Ácidos Grasos
Ácidos grasos Tipo Porcentaje
Ac. Palmítico Saturado 14,3%
Ac Esteárico Saturado 5,4%
Ac. Palmitoleico Insaturado 1,3%
Ac. Oleico Insaturado 41,1%
Ac. Linoleico Insaturado 38%
Ac. Linolénico Insaturado 0,2%
10 3.3 Efecto de los factores sobre la conversión
Enzima Relación Molar aceite /etanol
% de Conversion
Libre de solvente Terbutanol
N 435 1:1 9% 45 %
N 435 1:4 84% 68%
RM IM 1:1 7,8% 30%
RM IM 1:4 8,5% 38%
El análisis estadístico demostró que todos los factores (radio molar de sustratos, biocatalizador y la presencia de solvente) son significativos sobre la conversión final. Además la interacción entre el biocatalizador y el radio molar de sustratos es igualmente importante en el desempeño de la reacción. Esto implicaría que todos los factores y la interacción que resulto significativa se deben optimizar. En el sistema libre de solvente, las condiciones bajo las cuales se obtuvieron mayores conversiones fueron un radio molar 1:4 con la enzima N435, alcanzando una conversión del 84% en 48 horas. No obstante, en las otras condiciones de reacción analizadas se obtuvieron conversiones menores al 10%. Algunos de los esfuerzos realizados para alcanzar las mejores condiciones de reacción como los de Dizge y Keskinler (2008) y Yagiz et al. (2007), utilizando aceites de desecho y aceite de cocina con la enzima TL IM de Thermomyces lanuginosa y los de Hsu et.al., (2003), con grasas de restaurantes y la lipasa inmovilizada de Pseudomonas cepacia, han identificado, al igual que en el presente trabajo, que el radio molar es un parámetro importante en este tipo de reacciones, sobre todo el caso del sistema libre de solvente (Sandoval et.al.,2002). Además el exceso moderado de alcohol ayuda a alcanzar mayores conversiones de reacción, probablemente debido a que permite que baje la viscosidad y los sustratos sean más accesibles al sitio activo de la enzima. Sin embargo también es conocido que el exceso de etanol o metanol es un inhibidor de las lipasas (Sandoval et.al., 2001). Como se puede observar en la cuadro 3, al igual que en el sistema libre de solvente en presencia del solvente terbutanol, las mejores condiciones de reacción fueron con un radio molar 1:4 y la enzima N435. Sin embargo, a diferencia del sistema sin solvente, las
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conversiones obtenidas con terbutanol para la enzima RM IM fueron mayores alcanzando conversiones de 30% y 38% con relación molar 1:1 y 1:4 respectivamente. Sin embargo, en el caso de la enzima N435 las conversiones fueron menores en terbutanol, 45% y 68% con las mismas relaciones anteriores. Además en terbutanol el equilibrio se alcanza en un menor tiempo, por lo que las cinéticas sólo se siguieron durante 24 horas.
En la mayoría de estudios similares donde se llevan a cabo reacciones de esterificación-transesterificación con solventes, se utiliza hexano debido a la estabilidad de las lipasas en este solvente (Chulalaksananukul et.al., 1990; Guncheva y Zhiryakova, 2008; Sandoval et.al., 2002). A diferencia de estos trabajos, en nuestro caso se eligió el terbutanol, ya que es más seguro que el hexano, pues es menos tóxico y menos volátil. Además, en estudios preliminares de transesterificación de aceite de oliva con etanol, se observó mayor velocidad de reacción y conversión en terbutanol que en hexano (los datos no se presentan). Los mejores resultados de la transesterificación en terbutanol comparado con hexano pueden explicarse debido a que en este tipo de solventes más polares, el coeficiente de actividad termodinámica del alcohol, que además de ser sustrato es también inhibidor competitivo de la lipasa, disminuye; disminuyendo su disponibilidad real y volviéndose así menos inhibidor, además de tener una actividad termodinámica menor en el denominador de la constante de equilibrio (Sandoval et al., 2002).
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IV.-CONCLUSIONES
Se determinó que el aceite de Jatropha curcas tiene un índice de acidez de 9,5 mg KOH/g y su equivalente en % de acido oleico es de 4,77 %.
El índice de yodo del aceite de Jatropha curcas es de 98 mg de I2/ g
El aceite de Jatropha curcas en una buena materia prima para la producción de biodiesel.
La enzima N435 fue la mejor opción en el sistema libre de solvente y en el sistema utilizando terbutanol como solvente, demostrando su versatilidad, la cual es debida en parte a su capacidad para modificar las tres cadenas del triglicérido de forma indistinta, así como al tipo de soporte en el que se encuentra inmovilizada la lipasa.
Para llevar a cabo con éxito la síntesis de biodiesel, es determinante la selección de los parámetros adecuados como son: el catalizador, el radio molar y el tipo de solvente a utilizar. Estos tres parámetros demostraron ser claves para llevar a cabo la transesterificación.
El sistema libre de solvente a pesar de que se obtiene mayor conversión, es necesario mayor tiempo de reacción, lo cual se debe en gran medida a las limitaciones difusionales propias del sistema. Sin embargo a nivel industrial tiene la ventaja de que se eliminarían los costos de recuperación del solvente.
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