UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

ZONA XALAPA

PROGRAMA EDUCATIVO:

INGENIERÍA QUÍMICA

“OBTENCIÓN DE BIODIÉSEL UTILIZANDO COMO

MATERIA PRIMA LA BORRA DE CAFÉ”

MODALIDAD DEL TRABAJO RECEPCIONAL

TESIS

Que para acreditar la Experiencia Educativa:

Experiencia Recepcional

P r e s e n t a:

VINCENT ANDREY ROSSETTE AMARO

Asesor:

IQ. ALEJANDRO ORTÍZ VIDAL

ÍNDICE

1.1 DEMANDA ENERGÉTICA EN LA ACTUALIDAD ... 7

1.1.1 CONSUMO DE ENERGÍA EN EL MUNDO ... 7

1.1.2 CONSUMO DE PETRÓLEO ... 7

1.1.3 USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES ... 8

1.1.4 USO DE ENERGÍAS RENOVABLES ... 8

1.2 BIOCOMBUSTIBLES ... 9

1.2.1 ¿QUÉ SON LOS BIOCOMBUSTIBLES? ... 9

1.2.2 CONSUMO ACTUAL DE BIOCOMBUSTIBLES ... 10

1.2.3 PERSPECTIVAS FUTURAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES ... 11

1.2.4 BIOMASA ... 12

1.3 BIODIÉSEL ... 12

1.3.1 ¿QUÉ ES EL BIODIÉSEL? ... 12

1.3.2 COMPOSICIÓN DE LOS ACEITES UTILIZADOS PARA LA ELABORACIÓN DE BIODIÉSEL ………13

1.3.3 CARACTERÍSTICAS ADECUADAS DEL ACEITE PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL DE BUENA CALIDAD ... 14

1.3.4 BORRA DEL CAFÉ ... 14

1.3.5 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL ACEITE DEL CAFÉ ... 16

1.3.6 TRANSESTERIFICACIÓN... 17

1.3.7 REACCIÓN DE ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS... 21

1.4 TIPOS DE PROCESOS PARA LA ELABORACIÓN INDUSTRIAL DE BIODIÉSEL ... 21

1.4.1 PROCESO DISCONTINUO ... 22

1.4.2 PROCESO CONTINUO ... 22

1.4.3 APLICACIONES DE LA GLICERINA ... 23

1.4.4 ESPECIFICACIONES DEL BIODIÉSEL ... 23

1.4.5 BALANCE DE ENERGÍA DEL CICLO DE VIDA DEL BIODIÉSEL ... 25

1.4.6 VENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL ... 27

1.4.7 DESVENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL ... 29

1.4.8 ALMACENAMIENTO DEL BIODIÉSEL ... 30

1.4.9 USO DEL BIODIÉSEL EN MEZCLAS ... 31

2 METODOLOGÍA ... 34

2.1.1 RECOLECCIÓN DE LA BORRA DEL CAFÉ ... 34

2.1.2 SECADO DE LA BORRA DEL CAFÉ ... 34

2.1.3 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD DE LA BORRA DEL CAFÉ ... 34

2.1.4 EXTRACCIÓN DE ACEITES ... 35

2.1.5 DETERMINACIÓN DE ACIDEZ DEL ACEITE ... 35

2.1.6 TRANSESTERIFICACIÓN... 36

2.1.7 ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS LIBRES ... 38

2.1.8 IDENTIFICACIÓN DE BIODIÉSEL ... 38

2.1.9 LAVADO DE BIODIÉSEL ... 40

3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 41

3.1.1 GENERACIÓN, DESTINO Y POTENCIAL DE LA BORRA DEL CAFÉ EN XALAPA ... 41

3.1.2 SECADO DE LA BORRA DE CAFÉ ... 41

3.1.3 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD ... 42

3.1.4 EXTRACCIÓN DE ACEITES ... 43

3.1.5 ACIDEZ DEL ACEITE ... 45

3.1.6 TRANSESTERIFICACIÓN DEL ACEITE ... 45

3.1.7 ESTERIFICACIÓN ... 52

3.1.8 IDENTIFICACIÓN DE BIODIÉSEL MEDIANTE FTIR ... 53

3.1.9 LAVADO DE BIODIÉSEL ... 57

CONCLUSIONES ... 58

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-1. Emisión de CO2 durante la producción y utilización de diésel. ... 8

Tabla 1-2. Capacidad y potencial de generación de energía a través de fuentes renovables en México, estimado al año 2030. ... 9

Tabla 1-3. Características del aceite y sus implicaciones en la producción y calidad del biodiésel. ... 14

Tabla 1-4. Composición de los lípidos del café. ... 16

Tabla 1-5. Propiedades físicas del aceite del café. ... 17

Tabla 1-6. Propiedades químicas del aceite del café. ... 17

Tabla 1-7. Especificaciones ASTM D-6751-08 para el biodiésel. ... 24

Tabla 1-8. Requerimiento de energía fósil para el ciclo de biodiésel de soja. ... 26

Tabla 1-9. Emisiones de biodiésel respecto al diésel convencional. ... 28

Tabla 2-1. Ácidos grasos presentes en el aceite de café. ... 36

Tabla 3-1. Rendimiento promedio de la extracción de aceites del café. ... 44

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Consumo energético mundial por fuente de energía en el 2013. ... 7

Figura 1-2. Producción de biocombustibles por región en la última década. ... 10

Figura 1-3. Crecimiento esperado en el consumo de biocombustibles para el año 2030. ... 12

Figura 1-4. Reacción general de la transesterificación de triacilgliceroles. ... 13

Figura 1-5. Fuentes de generación de borra del café, destino y potencial. ... 15

Figura 1-6. Reacción química para la obtención de biodiésel. ... 18

Figura 1-7. Balance de masa de la reacción de transesterificación. ... 18

Figura 1-8. Proceso general de obtención de biodiésel. ... 20

Figura 1-9. Formación de jabón a partir de los ácidos grasos libres utilizando KOH como catalizador. ... 20

Figura 1-10. Reacción de esterificación. ... 21

Figura 1-11. Proceso discontinuo de obtención de biodiésel. ... 22

Figura 1-12. Proceso continuo de obtención de biodiésel utilizando dos reactores PFR. ... 23

Figura 1-13. Ciclo de CO2 durante el uso de biodiésel. ... 28

Figura 2-1. Espectro FTIR de biodiésel. ... 39

Figura 2-2. Comparación de espectros FTIR de diésel y biodiésel en distintas concentraciones. ... 40

Figura 3-1. Secado de la borra de café en la estufa. ... 42

Figura 3-2. Extracción y filtrado del aceite de la borra de café. ... 43

Figura 3-3. Eliminación de hexano por medio del rotovapor. ... 43

Figura 3-4. Recuperación de aceite en frascos por medio de pipetas Pasteur para evitar impurezas. ... 44

Figura 3-5. Reacción de transesterificación con NaOH. ... 46

Figura 3-6. Separación de fases después de eliminar humedad del aceite y realizar la transesterificación con NaOH ... 47

Figura 3-7. Formación de jabón por la transesterificación con NaOH. ... 47

Figura 3-8. Solidificación de jabones y glicerina. ... 48

Figura 3-10. Resultado de la transesterificación con KOH sin separación de fases.

... 49

Figura 3-11. Formación de la emulsión al agregar agua destilada al resultado de la transesterificación con KOH. ... 50

Figura 3-12. Separación de fases después de realizar la transesterificación al aceite seco utilizando KOH. ... 50

Figura 3-13. Lavado del biodiésel obtenido utilizando KOH. ... 51

Figura 3-14. Formación de pasta color azul durante la esterificación. ... 52

Figura 3-15. Lavado del aceite esterificado. ... 53

Figura 3-16. Espectro FTIR obtenido del análisis de la glicerina producida a partir del aceite de café. ... 54

Figura 3-17. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel sin lavar producido a partir del aceite de café. ... 55

Figura 3-18. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel lavado producido a partir del aceite de café. ... 56

1

INTRODUCCIÓN

El biodiésel es un combustible que se descubrió desde los estudios de Rudolf Diésel, en sus trabajos de creación del motor a Diésel en el año de 1893. El biodiésel se elaboraba a partir de aceite vegetal y se destinaba a la combustión de motores de ciclo diésel convencional (Castro et al, 2007).

En la actualidad, los combustibles que más se utilizan son los derivados del petróleo, esto se debe en gran medida a la facilidad de extracción y a las propiedades que tienen (Castro et al, 2007).

El uso de este tipo de combustibles ha causado un gran aumento de gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, entre otros), generando una mayor concentración en el medio ambiente contribuyendo a un aumento excesivo del calentamiento global (Maena, 2013). Por esta razón, en años recientes se ha intentado implementar el uso de energías renovables para disminuir este problema. Dentro de estas tecnologías encontramos el uso de los biocombustibles, los cuales se elaboran con materia orgánica cuyo fin es la generación de energía. Para la obtención de estos biocombustibles se pueden utilizar tanto especies de uso agrícola como forestal (Guerrero et al, 2010). Al utilizar este tipo de combustible se reduce considerablemente el CO2 que es enviado a la

atmósfera, ya que al generar la combustión se produce el dióxido de carbono que la planta absorbió a lo largo de su vida, logrando de esta manera un ciclo de absorción y generación de CO2 (Maena, 2013).

Los biocombustibles de primera generación se elaboran a partir de especies agrícolas, las cuales pueden ser destinadas para consumo humano, razón por la cual esta fuente de energía no ha tenido el auge esperado. Sin embargo, la segunda generación de biocombustibles se elabora con residuos orgánicos (Guerrero et al, 2010). Dentro de esta categoría encontramos el elaborado a partir del café, principalmente la borra, que es el residuo que se genera en las cafeteras durante la preparación de la bebida.

2 El propósito de este trabajo es demostrar que es posible elaborar biodiésel a partir de los aceites presentes en la borra del café, así como obtener un estimado preliminar de la cantidad de borra de café generada en la ciudad de Xalapa para su posterior transformación en biocombustible, logrando de esta manera disminuir el uso de combustibles fósiles así como proporcionar un valor agregado a este residuo.

3

JUSTIFICACIÓN

Vivimos en uno de los principales países productores de café en el mundo, con una producción anual de 4.3 millones de sacos de 60 kg, lo que equivale a 258 mil toneladas de café al año, y representa el 3% de la producción mundial de café (Informador, 2010).

Dentro del país, Veracruz y Chiapas son los estados con mayor producción de café, con 35% cada uno (ANACAFÉ, 2013). Tomando estos datos en cuenta se puede observar que la producción de biodiésel en esta región a partir de dicha materia prima representa una alternativa prometedora.

En los últimos años la producción de biodiésel ha tenido un aumento significativo en el mundo, teniendo como pioneros algunos países de Europa y América, como es el caso de España, Alemania, Estados Unidos y Brasil, los cuales han mejorado el proceso de producción (García y García, 2006). Sin embargo, pese a la cercanía de estos países y a la gran cantidad de materia prima con la que cuenta el país, no se ha implementado este tipo de tecnología, quedando rezagado en cuanto al uso de energías renovables.

El uso de biodiésel derivado de la borra del café tiene ventajas sobre los combustibles y biocombustibles actuales en varios aspectos, incluso sobre sus homólogos obtenidos a partir de productos agrícolas. Algunas de ellas son la disminución considerable de la contaminación y aprovechamiento de los residuos del café, por lo que no se requieren plantaciones destinadas exclusivamente al suministro de materia prima de las plantas de biodiésel, con lo cual no se afectan las plantaciones para el consumo humano y se evita la deforestación excesiva. En estudios recientes se ha creado biocombustible a partir de cada uno de los residuos del café, resultando más eficiente la borra, el cual es el residuo menos aprovechado y que se genera en gran cantidad (Rodríguez y Zambrano, 2010). La posibilidad de utilizar residuos para la elaboración de biocombustibles es muy importante para el cuidado del medio ambiente, ya que nos permitirá generar un sustituto o complemento para los combustibles fósiles sin causar problemas

4 sociales en cuanto a la materia prima se refiere. La generación de biodiésel a partir de los residuos del café en una zona como Veracruz tiene gran potencial por la cantidad de este producto que se genera al año, la cual puede ayudar a reducir la dependencia de diésel en el estado.

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OBJETIVO GENERAL

Demostrar que es posible la utilización de los residuos del café para la obtención de biocombustibles mediante la producción de biodiésel a partir de la borra del café.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Consultar bibliografía referente a los métodos actuales de producción de biodiésel.

 Investigar la demanda actual de biodiésel a nivel mundial y en el país.

 Recolectar la borra de café para realizar la extracción de aceites.

 Comparar el rendimiento de extracción de aceite de borra de café de diferentes marcas.

 Elaborar biodiésel a partir de la borra de café mediante la reacción de transesterificación utilizando catalizadores alcalinos.

 Identificar la presencia de biodiésel mediante un análisis FTIR.

 Obtener un estimado preliminar de la borra de café generada en cafeterías de la ciudad de Xalapa.

6

HIPÓTESIS

El contenido de aceites aún presentes en la borra del café puede ser utilizado para la elaboración de biodiésel mediante la reacción de transesterificación alcalina.

7

1

MARCO TEÓRICO

1.1 DEMANDA ENERGÉTICA EN LA ACTUALIDAD

El consumo global de energía primaria presentó en el año 2013 un aumento de 2.3%, siendo el petróleo el combustible más utilizado a pesar de perder mercado por décimo cuarto año consecutivo (BP, 2014).

En la Figura 1-1 se presenta la demanda energética a nivel mundial de acuerdo a la fuente de energía en el año 2013:

Figura 1-1. Consumo energético mundial por fuente de energía en el 2013 (Fuente: BP, 2014).

1.1.2 CONSUMO DE PETRÓLEO

El consumo global de petróleo aumentó en 1.4% o 1.4 millones de barriles por día (b/d) en el año de 2013, mientras que en cuanto a producción solo tuvo un aumento de 0.6% o 550,000 b/d (BP, 2014).

Actualmente, a nivel mundial se consumen cerca de 91 millones de barriles de petróleo por día. En primer lugar se encuentra Estados Unidos con casi 19 millones de b/d, seguido de China con cerca de 11 millones de b/d. En lo que respecta a México, tiene una producción diaria de 2 millones 875 mil barriles de petróleo y un consumo de 2 millones 20 mil barriles por día.

8 Con los datos recopilados se puede observar la gran dependencia que se tiene por este combustible, siendo la principal fuente de energía en el mundo. El petróleo y sus derivados son empleados en su mayoría como combustible de los diferentes medios de transporte, razón por la cual es difícil disminuir su consumo al no existir un sustituto conveniente.

1.1.3 USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES

El uso de combustibles fósiles genera un gran aumento en las emisiones de CO2 en

el planeta, contribuyendo en gran medida al incremento del calentamiento global, problema que afecta actualmente a todos los países por igual.

Las principales emisiones de CO2 provienen del sector transporte, el cual consume

la mayor parte de los combustibles fósiles. En la Tabla 1-1 se muestran las emisiones de dióxido de carbono por cada litro de diésel desde su extracción hasta su utilización:

Tabla 1-1. Emisión de CO2 durante la producción y utilización de diésel.

Fuente: Gonzales, 1998.

1.1.4 USO DE ENERGÍAS RENOVABLES

El consumo de energías renovables a nivel mundial presentó un récord en el año 2013 con un 2.7%, el cual representa un crecimiento de 0.8% en la última década. La energía eólica sigue siendo la principal fuente de energía renovable, con más del 50% de generación de energía, mientras que la energía solar tuvo un incremento de 33%. En cuanto a los biocombustibles, se tuvo un aumento de 6.1%, esto gracias a los principales productores en el mundo como Brasil y Estados Unidos (BP, 2014). Sumando todas las fuentes de energía renovables utilizadas en el mundo, se obtiene un consumo total de 279.3 millones de toneladas equivalentes de petróleo.

ETAPA g CO₂/litro de diésel

Extracción 26

Transporte 11

Refinamiento 24

Utilización 2360

9 El consumo de energías renovables en México fue de 2.5 millones de toneladas equivalentes de petróleo, que equivale a un crecimiento de 10.3% respecto al año 2012 (BP, 2014). Hasta el año 2012 se generaron 63,195 Megawatts de energía eléctrica en México, de los cuales 14,501 provinieron de fuentes de energía renovables, lo que representa el 23% de la capacidad instalada (ProMéxico, 2013). En la Tabla 1-2 se observa la capacidad y el potencial de generación de energía eléctrica mediante el uso de energías renovables en el país:

Tabla 1-2. Capacidad y potencial de generación de energía a través de fuentes renovables en México, estimado al año 2030.

Fuente: ProMéxico, 2013.

En base a los datos encontrados podemos resumir que con el paso del tiempo el uso de energías renovables ha aumentado. Esto se debe en gran medida a los problemas ambientales que ocasiona el uso de combustibles fósiles, razón por la que cada vez más países han optado por la utilización de este tipo de energía para disminuir esta problemática. En México, el incremento en la utilización de este tipo de energías fue significativo, sin embargo, sigue estando muy por debajo respecto a otros países más avanzados en cuanto a reformas energéticas se trata.

1.2 BIOCOMBUSTIBLES

1.2.1 ¿QUÉ SON LOS BIOCOMBUSTIBLES?

Los biocombustibles son combustibles producidos a partir de biomasa y son utilizados en gran medida en el sector transporte. Pueden ser producidos a partir de productos agrícolas o forestales, así como de la porción biodegradable de los desperdicios industriales y municipales. Los biocombustibles más utilizados y desarrollados son el biodiésel y bioetanol. (Dufey, 2006). Se estima que la

ENERGÍA POTENCIAL (Megawatts) CAPACIDAD INSTALADA (Megawatts) Hidráulica 53,000 11,707 Eólica 40,268 1,289 Geotérmico 40,000 823 Biomasa 83,500 - 119,498 645 Solar 24,300 37 TOTAL 241,068 - 277,066 14,501

10 fotosíntesis fija 220 millones de toneladas de peso seco de biomasa, lo que equivale diez veces la demanda energética mundial (Ballesteros, 1998).

En la actualidad existe un gran problema en cuanto a la elaboración de biodiésel a nivel mundial debido a que la materia prima proviene de fuentes de alimento para las personas, por lo que hay un debate sobre la utilización de estos insumos para la fabricación de este biocombustible en lugar de destinarlo para consumo humano. Para solucionar este problema se han utilizado residuos agrícolas o desechos para su elaboración. Los biocombustibles generados a partir de esta materia prima se conocen como de Segunda Generación (2G).

1.2.2 CONSUMO ACTUAL DE BIOCOMBUSTIBLES

La producción de biocombustibles tuvo un incremento de 6.1% en el año 2013, dentro del cual se encuentra el biodiésel con un aumento de 6.2%, que representa una producción aproximada de 65 millones de toneladas equivalentes de petróleo (BP, 2014). La Figura 1-2 muestra el crecimiento que ha tenido la producción de biocombustibles en la última década:

11 México es uno de los países con mayor consumo de gasolina per cápita a nivel mundial, incluso por encima de algunas naciones industriales (Notimex, 2013). Hasta el año 2012 el consumo de diésel en México fue la tercera parte respecto a la gasolina, lo que equivale a 60 millones de litros diarios, por lo que la producción de biodiésel para reemplazar este combustible fósil tiene una gran oportunidad en el país (Notimex, 2012).

1.2.3 PERSPECTIVAS FUTURAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES

El uso de biocombustibles y energías renovables ha tenido un gran aumento en los últimos años, lo cual puede atribuirse a múltiples factores:

 La disminución de las reservas de petróleo a nivel mundial

 La creciente concientización social en cuanto al cambio climático

 La implementación de políticas que pretenden impulsar la utilización de este tipo de energías en un gran número de países.

Sin embargo, también hay barreras para la utilización de este tipo de energías en el país, como el poco apoyo a estas tecnologías y el precio elevado respecto a los combustibles fósiles.

Las expectativas de los biocombustibles son muy buenas, esperando un incremento importante en la cantidad consumida en los próximos 20 años, llegando a las 235.1 millones de toneladas equivalentes de petróleo o un aumento del 300% (Cittadini, 2011), el cual se presenta en la Figura 1-3:

12

Figura 1-3. Crecimiento esperado en el consumo de biocombustibles para el año 2030 (Fuente: BP, 2013).

1.2.4 BIOMASA

La biomasa es cualquier materia orgánica de origen reciente que haya derivado de animales y vegetales como resultado del proceso de conversión fotosintético. El valor energético de la biomasa de origen vegetal proviene de la energía solar mediante el proceso conocido como fotosíntesis. La energía química que se almacena en las plantas y animales se llama bioenergía. Durante procesos de conversión tales como la combustión, la biomasa libera su energía, a menudo en forma de calor, y el carbón se oxida nuevamente a dióxido de carbono para restituir el que fue absorbido (IICA y Arpel,2009).

La biomasa es la única fuente de energía renovable que puede competir contra los combustibles fósiles, ya que a partir de esta se pueden obtener biocombustibles líquidos como el biodiésel.

1.3 BIODIÉSEL

1.3.1 ¿QUÉ ES EL BIODIÉSEL?

El biodiésel es un biocombustible de mono-alquil ésteres de ácidos grasos, el cual se obtiene a partir de aceites vegetales o grasas animales y posee características semejantes a las del diésel convencional.

13 Un mono-alquil éster es el producto de la reacción de alcohol (etanol o metanol) con una grasa animal o aceite vegetal (triacilglicerol), lo que da como resultado glicerol (glicerina) y ésteres de ácidos grasos (Peña, 2013). En la Figura 1-4 se muestra la reacción que se lleva a cabo para la obtención de biodiésel:

Figura 1-4. Reacción general de la transesterificación de triacilgliceroles (Fuente: Medina y Greco, 2013).

Donde R representa cadenas de carbono y átomos de hidrógeno, llamadas ácidos grasos.

El biodiésel metílico, el cual se genera mediante la reacción del aceite con metanol, es conocido también como FAME (Fatty Acid Methyl Ester).

1.3.2 COMPOSICIÓN DE LOS ACEITES UTILIZADOS PARA LA

ELABORACIÓN DE BIODIÉSEL

Los aceites se componen principalmente por triacilgliceroles, que son ésteres de tres ácidos grasos y glicerol, el cual es un alcohol trivalente (Lawson, 1994).

Los ácidos grasos son compuestos carboxílicos terminales (terminan en un radical carboxilo – COOH) de cadena abierta alifática de 8 a 24 carbonos de longitud. Pueden ser saturados (cuando no contienen dobles o triples enlaces entre los átomos de carbono), o insaturados (cuando contienen dobles o triples enlaces) (Arango, 2002).

El glicerol o glicerina es un trioxialcohol, 1,2,3 – propanotriol, formado por una cadena de tres carbonos, cada uno unido a un grupo OH (Mortimer, 1983).

14 Los triacilgliceroles presentes en los aceites están compuestos generalmente por ácidos grasos diferentes, por lo que se conocen como triacilgliceroles mixtos (Lawson, 1994).

Cualquier ácido graso no unido a un glicerol o a otra molécula en un aceite se denomina ácido graso libre (AGL), en inglés Free Fatty Acid (FFA). Además de estos, el aceite puede contener otras sustancias como proteína, fosfolípidos, fosfátidos, ceras, resinas y pigmentos, los cuales están presentes en pequeñas cantidades y, en algunos casos, pueden desfavorecer la producción de biodiésel (Lawson, 1994).

1.3.3 CARACTERÍSTICAS ADECUADAS DEL ACEITE PARA LA

PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL DE BUENA CALIDAD

Existen un gran número de factores que afectan tanto el rendimiento como la calidad del biodiésel producido. El factor que se considera más importante es la materia prima, ya que de esta depende la calidad del biodiésel obtenido así como la cantidad de pasos necesarios para llevar a cabo la producción de este biocombustible. En la Tabla 1-3 se explica de manera general cómo algunas características del aceite utilizado afectan la producción y calidad del biodiésel obtenido:

Tabla 1-3. Características del aceite y sus implicaciones en la producción y calidad del biodiésel.

Fuente: Castro et al, 2007.

1.3.4 BORRA DEL CAFÉ

La borra del café no tiene un uso productivo en la actualidad, siendo utilizado generalmente como abono mediante su recolección como composta. No obstante, aún no se le ha dado el impulso necesario para evitar que se convierta en un residuo sin obtener algún beneficio de su generación.

EFECTOS SOBRE EL PROCESO DE PRODUCCIÓN

Indice de Acidez Alta acidez interfiere en la transesterificación alcalina, produciendo jabones Contenido de Fósforo Genera emulsiones durante la producción y purificación del biodiésel

Contenido de Agua Genera hidrólisis del aceite, producción de AGL y jabones al reaccionar con el catalizador

EFECTOS SOBRE LA CALIDAD DEL BIODIÉSEL

Indice de Peróxido Un alto nivel indica oxidación en marcha Contenido de Insolubles Pueden causar problemas en el motor

Indice de Yodo Alto IY puede indicar menor punto de fusión y mejores propiedades de flujo en frío Bajo IY indica mejor estabilidad a la oxidación y polimerización y mayor numero de cetano

15 En la Figura 1-5 se encuentran ejemplos de las fuentes de obtención de la borra del café y su posible forma de utilización:

Café tostado molido

Industria Cafeterías Hogar Borra de café Extracción de aceites Basura Quemar como combustible Composta Transesterificación Obtención biodiésel

Figura 1-5. Fuentes de generación de borra del café, destino y potencial.

El café molido contiene aproximadamente 15% de lípidos, de los cuales solo una pequeña cantidad pasa a formar parte de la bebida durante su preparación. Por lo tanto, la borra del café tiene un gran potencial para la elaboración de biodiésel, ya que con una posterior extracción de aceites mediante solventes orgánicos, como el hexano, se logra extraer entre 7 y 14% de lípidos que pueden utilizarse para la producción de biodiésel (Jenkins et al, 2014). El biodiésel producido a partir de la borra del café posee una capacidad calorífica de 38,4 MJ/kg, con lo cual se obtendría un poder calorífico de 5,76 MJ/kg de borra seca (Oliveira et al, 2008). Los ácidos grasos de los lípidos de la borra del café son en su mayoría linoleico (40 – 45%) y palmítico (25 – 35%), además de bajos niveles de esteárico y oleico (Jenkins et al, 2014). Estos ácidos grasos pueden ser convertidos en ésteres

16 metílicos mediante la reacción de transesterificación, obteniendo un biodiésel de alta calidad (51.4% de ésteres saturados y 48.6% de ésteres insaturados) y estabilidad (Moreira, 2011).

La utilización de este residuo para la elaboración de biodiésel forma parte de los biocombustibles de segunda generación, los cuales son el futuro cercano para la producción de este biocombustible, logrando de esta forma evitar los problemas sociales actuales que conlleva su elaboración.

Además, la borra de café sobrante después de la extracción de aceites puede ser utilizada como combustible directo en calderas. Para ello debe contener una humedad del 8 al 15% y tiene un poder calorífico de 24 a 29 MJ/kg (Dufour, 2008). La posibilidad de utilizar la borra de café como combustible directo permite un uso completo de este residuo en una planta de biodiésel, ahorrando de esta forma el uso de combustibles fósiles para la generación de energía en la planta.

1.3.5 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL ACEITE DEL CAFÉ

El aceite de café es una gran fuente de materia prima para la elaboración de biodiésel debido a su composición. En la Tabla 1-4 se observan los componentes de los lípidos del café:

Tabla 1-4. Composición de los lípidos del café.

Fuente: Echeverri et al, 2005.

Como podemos observar en la Tabla 1-4, el contenido de triacilgliceroles es alto, lo que lo convierte en un gran candidato para la producción de biodiésel. Sin embargo, el contenido de ácidos grasos libres es un poco mayor de lo deseado, por lo que

COMPONENTE PORCENTAJE

Triacilgliceroles (principalmente de ácido linoleico y palmítico) 70 - 80

Acidos grasos libres (AGL) 0.5 - 2

Ésteres diterpeno 15 - 18.5

Triterpenos, esteroles y ésteres de metilesterol 1.4 - 3.2

Diterpenos libres 0.1 - 1.2

Fosfolípidos 0.1

5-hidroxitriptamidas 0.3 - 1

17 resulta conveniente realizar la neutralización o esterificación de estos antes de llevar a cabo la transesterificación.

Algunas propiedades físicas del aceite de café se presentan en la Tabla 1-5:

Tabla 1-5. Propiedades físicas del aceite del café.

Fuente: Ovalle, 2008.

En la Tabla 1-6 se encuentran algunas propiedades químicas que se determinaron en el aceite de café, donde se comprueba que el índice de acidez se encuentra dentro del rango mencionado anteriormente:

Tabla 1-6. Propiedades químicas del aceite del café.

Fuente: Ovalle, 2008.

1.3.6 TRANSESTERIFICACIÓN

En la actualidad existen múltiples métodos para la elaboración de biodiésel, sin embargo, el que mejor resultado ha demostrado es la transesterificación (también llamada alcohólisis). Este método consiste en la reacción de un triacilglicerol (una molécula de glicerol esterificada por tres ácidos grasos) y un alcohol ligero (metanol o etanol), obteniendo como productos glicerina y ésteres derivados de los tres

PRUEBA RESULTADO Densidad (ρ) en g/cm3 a 23.2 °C 0.923 Índice de refracción a 22.6°C 1.478 Punto de fusión 15 °C Viscosidad (μ) en Pa/s a 26.2 °C 0.1 PRUEBA RESULTADO pH a 22°C 4.68

Índice de acidez (porcentaje de ácidos grasos libres) 3 - 5%

Índice de Yodo 95 - 100

Índice de peróxidos (miliequivalentes de oxígeno por

gramo de muestra) 0.749

Índice de saponificación (miligramos de hidróxido de

potasio (KOH) por gramo de muestra) 286 Material insaponificable en porcentaje 1.68% Valor de fósforo (ppm por gramo de muestra) 334.7 Valor de fosfátidos (ppm por gramo de muestra) 10,039,800 Ceras (ppm por gramo de muestra) 502.66 Jabón (ppm por gramo de muestra) 353.95

Porcentaje de gomas 72.84

18 ácidos grasos, es decir, biodiésel (IICA y ARPEL, 2009). Desde el punto de vista químico, la reacción de transesterificación consiste en tres reacciones consecutivas y reversibles. Cada triacilglicerol se convierte consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerol, liberándose un mol de éster alquílico en cada reacción (Maena, 2013). En la Figura 1-6 se muestra la manera en que se lleva a cabo la reacción química para la obtención de biodiésel:

Figura 1-6. Reacción química para la obtención de biodiésel (Fuente: Maena, 2013).

Estequiométricamente, el rendimiento másico de la reacción es igual a 1, es decir, se obtiene la misma masa de biodiésel que de aceite inicial. De la misma manera, la estequiometría entre el alcohol y la glicerina es similar en términos másicos, requiriéndose un 10% de alcohol respecto del aceite. En la Figura 1-7 se indica la relación estequiométrica de la reacción de transesterificación:

Figura 1-7. Balance de masa de la reacción de transesterificación (Fuente: ISF, 2007).

Triacilglicerol + 3 Alcohol → 3 Éster + Glicerina

◦ Grasas ◦ Etanol

19 Sin embargo, la transesterificación es una reacción reversible, por lo tanto en la práctica se requiere de una mayor cantidad de moles de alcohol, utilizándose generalmente una relación 1:6. El exceso de alcohol permite empujar la reacción hacia los productos con el fin de que la reacción se lleve a cabo correctamente (Freedman et al, 1984). Además, la formación de glicerina favorece este desplazamiento gracias a la inmiscibilidad de los ésteres alquílicos en esta, permitiendo alcanzar conversiones cercanas al 100% (Maena, 2013). No obstante, el exceso de metanol también afecta la reacción, dificultando la separación de la glicerina al aumentar su solubilidad.

Durante los primeros minutos de la reacción se observa un sistema formado por dos fases, debido a que el metanol no es soluble en los triacilgliceroles, pero sí en los ésteres metílicos, formándose una fase homogénea cuando se obtengan los ésteres metílicos. Una vez que se forme glicerina se observa de nuevo un sistema de dos fases porque los ésteres metílicos no son solubles en esta.

En la reacción de transesterificación se necesita la presencia de un catalizador, cuyo propósito es mejorar la velocidad y el rendimiento de la reacción. Los catalizadores más comunes a nivel comercial son los básicos homogéneos, ya que actúan mucho más rápido y permiten operar en condiciones moderadas, además de obtener conversiones cercanas al 100%, siendo el NaOH y KOH los más comunes (Ma and Hanna, 1999). En la Figura 1-8 se muestra un diagrama con los pasos necesarios para la obtención de biodiésel:

20 Mezcla Metanol Catalizador Transesterificación Aceite Separación de fases Recuperación metanol Recuperación metanol Glicerina Biodiésel crudo Metanol Neutralización de glicerina Purificación de biodiésel Ácido Glicerina cruda Ácidos grasos Biodiésel Agua

Figura 1-8. Proceso general de obtención de biodiésel (Fuente: IAPUCO).

La utilización de catalizadores básicos homogéneos requiere un bajo contenido de ácidos grasos libres (menor al 3%) y humedad (menor a 0.06%), para evitar que se neutralicen con el catalizador formando jabones mediante saponificación (Ma et al, 1998). La saponificación no solo consume el catalizador necesario para un buen rendimiento de la reacción, además los jabones producidos promueven la formación de emulsiones que dificultan la purificación del biodiésel (Zhang et al, 2003). En la Figura 1-9 se presenta la reacción que provoca la formación de jabones al mezclar un ácido graso con un catalizador básico, en este caso hidróxido potásico:

Figura 1-9. Formación de jabón a partir de los ácidos grasos libres utilizando KOH como catalizador (Fuente: García y García, 2006).

Una forma común de eliminar los ácidos grasos libres es mediante una reacción previa de esterificación con un catalizador ácido, formando el éster metílico.

21

1.3.7 REACCIÓN DE ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS

La esterificación se utiliza en combinación con la transesterificación para aprovechar el subproducto de ácidos grasos. Consiste en el calentamiento de una mezcla de alcohol y del ácido graso correspondiente con ácido sulfúrico para obtener un éster metílico (Meher et al, 2006). En la Figura 1-10 se muestra la reacción que se lleva a cabo durante la esterificación de los AGL:

Figura 1-10. Reacción de esterificación (Fuente: García y García, 2006).

La esterificación es una forma de eliminar los ácidos grasos libres para evitar que causen problemas en la reacción. Al contrario del método de neutralización, donde solamente se eliminan y no pueden ser utilizados nuevamente, mediante la esterificación podemos aprovechar los ácidos grasos libres para producir biodiésel a través de la reacción posterior de transesterificación.

El problema que se enfrenta al realizar la esterificación de los ácidos grasos libres es la obtención de agua, la cual debe ser eliminada por completo, lo que equivale a más pasos en el proceso. Además, para el manejo de ácido sulfúrico se requieren tanques elaborados con materiales costosos y su utilización genera efluentes ácidos contaminantes, por lo que la esterificación solo se justifica con materia prima de contenido de AGL realmente alta (Castro et al, 2007).

1.4 TIPOS

DE

PROCESOS

PARA

LA

ELABORACIÓN

INDUSTRIAL DE BIODIÉSEL

Existen diferentes opciones de operación para la producción de biodiésel a nivel industrial. La elección de la tecnología depende de la capacidad de producción, la alimentación así como de la calidad de la materia prima.

22

1.4.1 PROCESO DISCONTINUO

Es el método más simple para la producción de biodiésel. Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65°C, pudiéndose utilizar rangos de 25 a 85°C (García y García, 2006).

El catalizador más común en este tipo de proceso es el NaOH en cantidades del 0.3 al 1.5% en peso. Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el final de la reacción la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase éster. El rendimiento obtenido varía de 84 a 94%. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación de glicerol entre ellas, con lo cual se ha llegado a obtener un rendimiento superior al 95%. Al utilizar temperaturas mayores y un mayor exceso del alcohol (relación 6:1) se puede incrementar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser de entre 20 minutos a una hora. En la Figura 1-11 se presenta el diagrama de un proceso de transesterificación discontinuo:

Figura 1-11. Proceso discontinuo de obtención de biodiésel (Fuente: García y García, 2006).

1.4.2 PROCESO CONTINUO

En este proceso se utilizan reactores continuos de tanque agitado (CSTR) con un volumen variado para permitir mayores tiempos de residencia y de esta manera obtener mayor rendimiento de la reacción. Así, tras la decantación del glicerol en el decantador, la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, obteniendo un rendimiento aproximado del 98% (García y García).

23 En la Figura 1-12 se muestra un ejemplo de proceso continuo mediante reactores de flujo pistón (PFR). En este proceso, se introducen los triacilgliceroles con el alcohol y el catalizador, los cuales se hacen pasar por dos reactores para producir el éster y la glicerina.

Figura 1-12. Proceso continuo de obtención de biodiésel utilizando dos reactores PFR (Fuente: García y García, 2006).

1.4.3 APLICACIONES DE LA GLICERINA

La glicerina es un subproducto que se genera a partir de la reacción de transesterificación, generándose un 10% de este en el producto final. La glicerina cruda que se obtiene del proceso de transesterificación tiene una pureza del 80 – 85%, por lo que se considera un subproducto muy valioso si se lleva a cabo su refinación a grado farmacológico (pureza de 100%), lo que cubriría los costos de una planta para su tratamiento.

La glicerina es empleada actualmente en la fabricación de un gran número de productos: resinas, celofán, tabacos, fármacos, cosméticos, entre otros. Con la gran utilidad que tiene este producto a nivel industrial, puede considerarse la venta del glicerol obtenido en la producción de biodiésel a una planta refinadora de glicerina, proporcionándole un uso a este subproducto.

1.4.4 ESPECIFICACIONES DEL BIODIÉSEL

El biodiésel debe de cumplir con ciertas especificaciones para su comercialización, las cuales están indicadas en las normas que rigen a cada país o región. En México aún no existe una norma propia que regule la producción de biodiésel, por lo que se puede tomar como base la norma ASTM D 6751 o la norma europea EN 14214. La

24 primera está más enfocada en la utilización del biodiésel en mezclas, mientras que la segunda sólo aplica para biodiésel B100 elaborado a partir de metanol y es un poco más estricta en cuanto a los límites permitidos. Esta diferencia da como resultado que la norma en la que se basen los análisis del biodiésel elaborado en esta tesis sea la ASTM D 6751, ya que el biodiésel producido se pretende utilizar en mezclas. En la Tabla 1-8 se encuentran las especificaciones del biodiésel de acuerdo a la norma ASTM D 6751:

Tabla 1-7. Especificaciones ASTM D-6751-08 para el biodiésel.

Fuente: IICA y ARPEL, 2009.

A continuación se detallarán algunas de las propiedades que debe tener el biodiésel para estar dentro de los límites indicados en la norma ASTM D 6751 (Maena, 2013):

PROPIEDAD UNIDAD MÍNIMO MÁXIMO MÉTODO DE ENSAYO

Contenido de éster % m/m - -

-Densidad a 15 °C g/cm3 _{- -}

-Viscosidad a 40 °C cSt 1.90 6.00 ASTM D-445

Punto de Inflamación °C 93.00 - ASTM D-93

Azúfre %m/m 0.0015 0.05 ASTM D-5453

ASTM D-7039 (op)

Número de cetano 47.00 - ASTM D-613

ASTM D-6890 (op)

Contenido de agua mg/kg - -

-Agua y sedimentos %v/v - 0.05 ASTM D-2709

Corrosión en lámina de cobre - no. 3 ASTM D-130

Metanol %m/m - 0.2

(P.I. 130°C)

-Glicerina libre %m/m - 0.02 ASTM D-6584

Glicerina total %m/m - 0.24 ASTM D-6584

Índice/No. de yodo - -

-Índice de acidez mg KOH/g - 0.50 ASTM D-664

Cold soak filterability Segundos - 360.00 ASTM D-6751

ANEXO A1

Metales del grupo I, alcalinos (Na+K) mg/kg - 5.00 EN 14538

Metales del grupo II (Ca+Mg) mg/kg - 5.00 EN 14538

Contaminación total mg/kg - -

-Residuo carbonoso %m/m - 0.05 ASTM D-4530

Cenizas sulfatadas &m/m - 0.02 ASTM D-874

Estabilidad a la oxidación 110 °C Horas 3.00 -

-Éster metílico-ácido linoléico %m/m - -

-Contenido monoglicéridos %m/m - -

-Contenido diglicéridos %m/m - -

-Contenido triglicéridos %m/m - -

-Éster metílico polinsaturado

(≥ 4 dobles enlaces) %m/m - -

-Fósforo mg/kg - 10.00 ASTM D-4951

Temperatura equivalente atmosférica

(90%R) °c - 360.00 ASTM D-1160

Punto de enturbamiento °C Informar Informar ASTM D-2500

25

 Contenido de agua: Este parámetro depende del proceso de producción. Al utilizar en motores, el exceso de agua puede provocar corrosión, crecimientos bacteriológicos y obstrucción de filtros.

 Acidez: Altos índices provocan corrosión y aumento en la velocidad de degradación del biodiésel.

 Contenido de Metanol: Alto índice de metanol provocará baja temperatura de inflamación y corrosión de piezas fabricadas con Zinc y Aluminio.

 Contenido de mono y diglicéridos: Indica una reacción incompleta. Estos cristalizan fácilmente formando depósitos. Un alto contenido de triacilgliceroles provoca viscosidad.

 Contenido de glicerol: Provocan un aumento de emisión de aldehídos.

 Restos de K y Na: Indican presencia de catalizador y por lo tanto jabones, por lo que se forman depósitos.

 Estabilidad a la oxidación: Bajos niveles indican un aceite de partida degradado o biodiésel en degradación.

 Índice de Yodo: Altos valores favorecen procesos de polimerización e hidrólisis.

 Corrosión a la lámina de cobre: Es una medida de la tendencia del combustible a corroer las partes del motor o tanques de almacenamiento hechos de cobre.

Todas las propiedades del biodiésel especificadas en la norma ASTM D 6751, así como la manera en que afectan su calidad, se muestran a detalle en el Anexo 1.

1.4.5 BALANCE DE ENERGÍA DEL CICLO DE VIDA DEL BIODIÉSEL

El balance de energía sobre el biodiésel nos indica cuánta energía fósil se utiliza para generar 1 MJ de energía en el biodiésel y nos permite observar el aspecto renovable en la utilización de este tipo de combustible. Según cálculos del Departamento de Agricultura y Energía de EE.UU. (1998), el biodiésel de soja usa 0.311 MJ de energía fósil para producir 1 MJ de biocombustible, es decir, el ciclo de vida del biodiésel de soja produce tres veces de energía en el producto final respecto de la energía fósil utilizada para producirlo (IICA y ARPEL, 2009). En la

26 Tabla 1-9 se muestra el requerimiento de energía fósil para el ciclo de vida del biodiésel de soja:

Tabla 1-8. Requerimiento de energía fósil para el ciclo de biodiésel de soja.

Fuente: Departamento de Agricultura de EE.UU, 1998.

En contraste al biodiésel, el diésel convencional solo rinde 0.83 unidades de energía por cada unidad de energía fósil consumida. Utilizar biodiésel B20 tiene una relación de hasta 0.98, teniendo un mejor balance energético al mezclarlo de esta manera (IICA y ARPEL, 2009). Con esta comparación nos damos cuenta de la gran ventaja que posee energéticamente el uso de biodiésel.

Los balances de energía han sido elaborados de múltiples maneras tomando en cuenta diferentes factores, es por eso que en algunas fuentes se obtienen balances inferiores a la unidad incluso para el uso de biodiésel B100, mientras que en otros se obtienen balances muy altos. Esto se debe a que algunos factores son en base a la agricultura, tales como el tratamiento de suelos, el uso de fertilizantes y plaguicidas, la técnica de riego, entre otros. Por este motivo es que encontramos muchas diferencias en cuanto a la factibilidad energética en el empleo de biodiésel. En el ejemplo observamos que para la elaboración de biodiésel de soya se toma en cuenta la agricultura, mientras que en el caso del biodiésel elaborado a partir de borra de café se evita este paso al ser un residuo, por lo que se puede llegar a superar la unidad de energía generada por unidad de energía fósil consumida para su producción, haciendo aún más viable el uso de este biocombustible en mezclas B20. ETAPA ENERGÍA FÓSIL (MJ/MJ DE COMBUSTIBLE) PORCENTAJE Agricultura de la soja 0.0656 21.09% Transporte de la soja 0.0034 1.09% Molienda de la soja 0.0796 25.61%

Transporte del aceite de soja 0.0072 2.31%

Conversión del aceite de soja 0.1508 48.49%

Transporte del biodiésel 0.0044 1.41%

27

1.4.6 VENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL

Al provenir de aceites vegetales o animales, el biodiésel es un recurso renovable biodegradable y no tóxico, al contrario del diésel, que al no ser biodegradable ocasiona graves problemas ambientales. El biodiésel generado a partir de la borra de café tiene la ventaja de provenir de residuos de alimentos, evitando así problemas sociales y ambientales, tal como la deforestación, la cual ha crecido significativamente en los últimos años.

El biodiésel se degrada en agua 4 veces más rápido que el diésel convencional. Estudios de biodegrabilidad del biodiésel demuestra que a los 28 días fueron degradados en un 77 – 89% (Maena, 2013). De la misma manera, la mezcla de biodiésel con diésel convencional aumenta la biodegrabilidad del combustible. Por ejemplo, la mezcla B5 reduce de 28 a 22 días el tiempo para obtener una degradación del 50% (Pasqualino et al, 2006). Así mismo, el biodiésel es menos tóxico y más biodegradable en el suelo que el diésel convencional, no mostrando toxicidad en concentraciones de 12% en peso, a comparación del diésel que es tóxico con una concentración de 3% en peso (Castro et al, 2007).

El biodiésel tiene propiedades físicas y químicas semejantes a las del diésel convencional, por lo tanto puede usarse en los motores diésel actuales sin realizar modificaciones al motor, al sistema de inyección o al sistema de encendido. Sin embargo, los motores deben tener una antigüedad de 10 años como máximo, ya que los materiales de los motores más antiguos contienen caucho, material que el biodiésel puede disolver, mientras que los motores nuevos sustituyeron este material con plástico, el cual es más resistente y no presenta este problema.

El ciclo biológico en la producción y uso de biodiésel reduce aproximadamente en 100% las emisiones de dióxido de azufre. La combustión de biodiésel disminuye en 90% la cantidad de hidrocarburos totales no quemados, y entre 75-90% la de los hidrocarburos aromáticos. Además, proporciona significativas reducciones en la emanación de partículas y de monóxido de carbono. Sin embargo, su utilización genera un leve incremento en óxidos de nitrógeno dependiendo del tipo motor

28 (Medina y Greco, 2013). En la Tabla 1-10 se presentan las diferencias de emisiones del biodiésel respecto al diésel convencional:

Tabla 1-9. Emisiones de biodiésel respecto al diésel convencional.

Fuente: Maena, 2013.

Como se puede observar en la Figura 1-13, en el balance final no hay aumento de emisiones de dióxido de carbono, ya que las reducidas emisiones en comparación con el diésel se compensan con la absorción de CO2 por parte de los cultivos

oleaginosos (Institute for Plasma Physics Rijnhuizen, 2005):

Figura 1-13. Ciclo de CO2 durante el uso de biodiésel (Fuente: Maena, 2013).

El encendido, rendimiento, desgaste, torque y potencia de los motores utilizando biodiésel B100 o mezclado es similar al que genera el diésel convencional. De acuerdo a estudios, se ha detectado un aumento de 4.11% en el consumo de combustible y una ligera disminución de potencia utilizando la mezcla B30, mientras que para B100 el consumo de combustible aumenta en 16% mientras que la potencia disminuye 7%. Además, por el contenido de oxígeno (11%) y la ausencia

TIPO DE EMISIÓN B100 (%) B20 (%)

Dióxido de Azúfre -100 -20

Hidrocarburos (HC) -90 -30

Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) -80 -13

Material particulado (MP) -30 -22

Monóxido de carbono (CO) -50 -20

29 de azufre, el biodiésel posee mejores cualidades lubricantes que el diésel, extendiendo la vida útil de los motores (Maena, 2013).

En cuanto a la seguridad del biodiésel B100, presenta un punto de inflamación cercano a los 130°C y no produce vapores explosivos. Mientras que para el B20 se tiene un punto de inflamación de 96°C (IICA y ARPEL, 2009). Estos valores hacen al biodiésel más seguro para su transporte y manejo en comparación con el diésel convencional, cuyo punto de inflamación es de aproximadamente 60°C.

La generación de aguas peligrosas y residuales durante el ciclo de producción del biodiésel son mínimas, llegando a ser hasta un 80% menor respecto al diésel convencional (IICA y ARPEL, 2009).

1.4.7 DESVENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL

El biodiésel tiene muy buenas propiedades solventes, por lo cual debe limpiarse el sistema de almacenamiento y conducción del automóvil antes de utilizarlo, de lo contrario podría soltar y disolver sedimentos dejados por el combustible previamente utilizado.

Una de las mayores desventajas ambientales que presenta es el incremento de emisiones de NOx, las cuales contribuyen al aumento del calentamiento global. Si

se pudiera reducir la emisión de NOx durante la combustión se podría hablar de un

biocombustible casi 100% limpio y amigable con el ambiente.

La viscosidad del biodiésel se encuentra por arriba de la del diésel convencional, lo que puede ocasionar problemas de pérdida en los filtros de los motores. Por esta razón es que el biodiésel presenta problemas para trabajar a bajas temperaturas. Los puntos de congelación (PC), puntos de nube (PN) y punto de obstrucción por filtros fríos (POFF) son más elevados que los del diésel convencional (Maena, 2013). Aunque estas propiedades afectan la calidad del biodiésel, pueden contrarrestarse agregando cierto tipo de aditivos para evitar estos inconvenientes, logrando un buen funcionamiento del biodiésel incluso a temperaturas bajas.

30 Cuando el biodiésel proviene de ácidos insaturados presenta problemas de estabilidad a la oxidación, causando inconvenientes cuando se almacena durante largos periodos de tiempo (García y García, 2006). En cuanto al biodiésel proveniente de la borra de café, este presenta una ventaja respecto a sus homólogos provenientes de otra materia prima, gracias a los antioxidantes que contienen los aceites de manera natural, lo que aumenta su estabilidad a la oxidación.

El biodiésel es higroscópico y puede absorber agua si es almacenado en contacto con el aire húmedo, razón por la cual se debe tener especial cuidado para evitar el contacto del biocombustible con el agua, lo que reduce su eficiencia.

Durante la producción de biodiésel B100 se utiliza una cantidad de agua tres veces mayor respecto al diésel (Castro et al, 2007). Sin embargo, nuevas tecnologías han surgido en el mercado, como las resinas, que permiten un lavado en seco con utilización mínima o nula de agua.

El precio es una de las principales barreras para la producción de este tipo de biocombustibles. Actualmente, el precio del biodiésel es de 1.5 a 3 veces mayor que el del diésel convencional, lo que provoca que los clientes sigan optando por comprar combustibles fósiles al ser más económico., a pesar de los problemas ambientales que esto conlleva.

1.4.8 ALMACENAMIENTO DEL BIODIÉSEL

El biodiésel puede ser bombeado, manipulado y almacenado con el mismo equipo e infraestructura que el diésel. Los tanques de almacenamiento más adecuados son los elaborados con acero inoxidable, aluminio, fibra de vidrio, entre otros. Deben evitarse tanques revestidos en concreto, o con aleaciones que contengan cobre, plomo, zinc y estaño, ya que estos pueden catalizar reacciones químicas que degraden el biodiésel (DOE, 2006). Además se debe evitar el contacto directo con el aire, el calor y luz solar, los cuales provocan la oxidación del biodiésel.

Dado que la mayoría del diésel convencional se utiliza en un periodo máximo de 6 a 9 meses desde su fecha de producción, el biodiésel almacenado durante este

31 periodo de tiempo no presenta cambios significativos que causen problemas durante su utilización, pudiéndose utilizar después de periodos de almacenamiento cortos. Si se desea almacenar el biodiésel por periodos de tiempo más largos, es recomendable utlizar aditivos estabilizantes, como NBB o TBHQ (Maena, 2013). Aún tomando en cuenta estos aditivos, lo más recomendable es utilizar el biodiésel en un periodo no mayor a un año desde su producción, para evitar su degradación así como la utilización de aditivos.

1.4.9 USO DEL BIODIÉSEL EN MEZCLAS

Como se ha mencionado antes, el uso del biodiésel B100 presenta problemas de rendimiento a temperaturas bajas, por lo que es recomendable su utilización en mezclas, siendo la más común la B20, 20% de biodiésel y 80% de diésel, obteniéndose las siguientes ventajas (Castro et al, 2007):

 Reduce los problemas de uso en frío.

 Se evitan los problemas con materiales como el caucho y otros plásticos de mangueras y empaquetadoras.

 Se reduce el efecto solvente.

 Se reducen las emisiones contaminantes sin reducir significativamente la potencia y el torque.

1.4.9.1 ELABORACIÓN DE MEZCLAS DE BIODIÉSEL

Para la elaboración de las mezclas se debe tener en cuenta el equipo, los gastos de operación, el requerimiento específico para la mezcla y su utilización.

El biodiésel puede ser mezclado con cualquier tipo de diésel existente en el mercado. Una vez que el biodiésel está completamente mezclado con el otro combustible, ambos componentes quedan juntos en una sola fase, sin separarse durante el transcurso del tiempo. Las mezclas con un contenido de 20% de biodiésel deben tratarse exactamente como si se tratara de diésel convencional (IICA y ARPEL, 2009).

32 Se debe tener en cuenta que el biodiésel es ligeramente más pesado que el diésel (peso específico de 0.88 contra 0.85 respectivamente), por lo que primero se debe incorporar la fase diésel para asegurar una mezcla completa, evitando que en el fondo del recipiente se tenga una mayor concentración de biodiésel (Castro et al, 2007).

Existen tres maneras de realizar las mezclas de biodiésel (DOE, 2006):

 Splash-Blending: El biodiésel es incorporado de manera dispersa en un recipiente, tanque o vehículo que ya contiene diésel. Al tener mayor densidad, el biodiésel tiende a caer a través del diésel mezclándose con este. La agitación posterior durante el transporte del recipiente o tanque suele ser suficiente para que la mezcla sea completa. Si el tanque o vehículo de transporte se carga por la parte inferior se debe cargar primero el biodiésel y luego el diésel, el cual ascenderá a través del biodiésel gracias a su menor densidad, garantizando una mezcla completa.

 In-tank blending (mezcla en el tanque): Se mezcla el diésel y el biodiésel en un tanque, de manera separada o al mismo tiempo por diferentes entradas. La velocidad de llenado debe ser suficientemente alta para que los combustibles se mezclen sin necesidad de recirculación o agitación adicionales. Si este no es el caso, se requiere agitación para homogeneizar la mezcla.

 In-line blending (mezcla en línea): Es cuando el biodiésel es añadido a un flujo de diésel que viaja por un ducto, tubería o manguera, de manera que ambos combustibles se mezclan de manera completa gracias al movimiento turbulento a lo largo del ducto. Una mezcla homogénea es garantizada gracias a la agitación que ocurre cuando esta tubería descarga en un tanque o depósito.

1.4.9.2 COMPROBACIÓN DE MEZCLAS DE BIODIÉSEL

Existen dos ensayos para comprobar una mezcla correcta. Para realizarlas, se toman tres muestras, una de la zona superior, otra del medio y otra de la parte

33 inferior. Posteriormente se lleva a cabo uno los métodos siguientes (IICA y ARPEL, 2009):

 Se analiza el porcentaje de mezcla de cada muestra por medio de espectroscopía infrarroja o por medida de la densidad. Si la variación de los resultados del peso es menor o igual a 0.006, la mezcla es correcta.

 Se colocan las muestras en un congelador con termómetro y se controlan cada 5 minutos hasta que alguna de las muestras comience a cristalizar. Se registra dicha temperatura y se controlan las muestras cada dos minutos hasta que todas comiencen a cristalizarse. Se comparan las temperaturas de cristalización de las 3 muestras y el resultado debe de estar en un rango de 3°C, de lo contrario se requerirá más agitación para una mezcla correcta.

34

2

METODOLOGÍA

El método que se empleó para la elaboración de biodiésel es el de transesterificación alcalina, debido a que es el más eficiente en la actualidad a nivel industrial. En este método se utiliza metanol para la reacción, además de KOH o NaOH como catalizador.

Sin embargo, debido a la naturaleza de los ácidos grasos del café, se recomienda realizar previamente la reacción de esterificación, la cual tiene como finalidad disminuir la acidez del aceite.

2.1.1 RECOLECCIÓN DE LA BORRA DEL CAFÉ

La borra de café fue recolectada en casas, en la Facultad de Ciencias Químicas de Xalapa y en cafeterías de la ciudad de Xalapa, tratando de que el café fuera de orígenes distintos para comparar los rendimientos de cada uno.

2.1.2 SECADO DE LA BORRA DEL CAFÉ

El secado de la materia prima es un paso muy importante para la obtención del biodiésel, ya que entre menos humedad contenga antes de la extracción mayor será la calidad de los aceites.

Se colocó el café en moldes de hornear para obtener un secado más rápido y uniforme, colocando 500 gramos de café en cada molde. El secado se llevó a cabo en una estufa a una temperatura de 70°C durante 24 horas para eliminar toda la humedad.

2.1.3 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD DE LA BORRA DEL CAFÉ

Para determinar la humedad que contiene la borra del café se realizó la prueba de acuerdo a la norma NMX-F-173-1999. La prueba consiste en colocar 5 gramos de café molido en una cápsula de porcelana, la cual se introduce en una mufla durante dos horas a una temperatura de 103°C. Transcurridas las dos horas se pesa la muestra y se calcula la cantidad de agua eliminada, lo que da como resultado el porcentaje de humedad contenida en la borra.

35

2.1.4 EXTRACCIÓN DE ACEITES

La extracción de aceites se llevó a cabo mediante el uso de un solvente, en este caso hexano. Esta extracción es más efectiva que la extracción por prensado, ya que requiere menos temperatura y el resultado es un aceite con un menor contenido de impurezas, es decir, un aceite de mejor calidad con un consumo menor de energía. La fracción aceite se solubiliza en el hexano, el cual se destila posteriormente para su reutilización. Dada su alta volatilidad, el residuo de solvente que queda en el aceite es mínimo o nulo (Lawson, 1994). El problema de este método de extracción es que a nivel industrial requiere equipo sofisticado, aunque en este caso, por la materia prima que se ocupa, es la única manera de obtener los aceites.

La extracción de aceites de la borra del café se llevó a cabo de la siguiente manera:

 Se colocó la borra del café en frascos de 3 litros junto con el hexano durante dos días para la extracción del aceite.

 Se filtró la borra del café con hexano y aceite a través de un embudo con papel filtro. De esta manera obtuvimos en un matraz el aceite con hexano, con una cantidad pequeña de impurezas.

 Se separó el hexano del aceite en un rotovapor a una temperatura de 80°C hasta que no se observó condensación del solvente. El hexano se recuperó para posteriores extracciones.

 El aceite se almacenó en frascos ámbar para evitar la degradación de los aceites por contacto con humedad y luz.

El rendimiento de extracción de aceite se calculó mediante la siguiente ecuación: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = _{𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑟𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑓é}𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 ∗ 100 (Ec. 1)

2.1.5 DETERMINACIÓN DE ACIDEZ DEL ACEITE

El índice de acidez es el número de miligramos de KOH que se requieren para neutralizar los ácidos grasos libres en un gramo de aceite (Van Gerpen, 2004).

36 Para determinar el índice de acidez y la cantidad de ácidos grasos libres (AGL) presentes en el aceite se llevó a cabo una titulación, para lo cual se utilizó una solución de KOH con una concentración al 0.1 N. La mezcla a titular se preparó con 37.5 ml de alcohol isobutílico y 37.5 ml de tolueno, al cual se le agregaron 10 gotas de fenolftaleína al 1%. Para realizar el cálculo se llevó a cabo la titulación dos veces, primero sin aceite y luego con 5 gramos de aceite de café. La diferencia entre estas dos medidas da como resultado el índice de acidez, tal como se muestra en la siguiente ecuación (Van Gerpen, 2004):

𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒𝑧 =𝑇𝑖𝑡𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 − 𝑇𝑖𝑡𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝐾𝑂𝐻 ∗ 𝑃𝑀 𝐾𝑂𝐻_{𝐺𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒} (Ec. 2)

Para determinar el porcentaje de ácidos grasos libres (AGL) en cada gramo de aceite se utilizó la siguiente ecuación (Van Gerpen, 2004):

% 𝐴𝐺𝐿 = 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒𝑧₂ (Ec. 3)

2.1.6 TRANSESTERIFICACIÓN

Para realizar la reacción de transesterificación se utilizaron catalizadores alcalinos, realizando pruebas tanto con NaOH como KOH en una concentración de aproximadamente 1% en peso respecto al aceite, mientras que la relación molar de metanol fue de 6:1, es decir, un excedente del 100% para asegurar que la reacción se lleve a cabo correctamente.

La cantidad de aceite, el ácido graso más abundante y el porcentaje de AGL determinó la cantidad de catalizador y metanol a utilizar, en base a las relaciones anteriores. En la Tabla 2-1 se encuentra la fórmula y peso molecular de los 4 ácidos grasos presentes en el aceite de café:

Tabla 2-1. Ácidos grasos presentes en el aceite de café.

Fuente: Van Gerpen, 2004.

ÁCIDO GRASO FÓRMULA ACRÓNIMO COMÚN

PESO MOLECULAR

Ácido linoleico C18H32O2 C18:2 280 Ácido palmítico C16H32O2 C16:0 256 Ácido esteárico C18H36O2 C18:0 284 Ácido oleico C18H34O2 C18:1 282

37 Para el cálculo de la cantidad de metanol necesaria se tomó en cuenta el peso molecular del triacilglicerol, el cual contiene en su mayoría ácido linoleico con un peso molecular de 280 g/mol, por lo que un mol del triacilglicerol tendrá un peso de 840 g/mol. El peso molecular del metanol es 32 g/mol, pero se requiere en una relación de 6:1. Con una regla de tres obtenemos que por cada gramo de aceite se requerirán 0.23 gramos de metanol.

En cuanto al catalizador, las cantidades necesarias para realizar la transesterificación se determinan de la siguiente manera (Van Gerpen, 2004):

 Si la cantidad de AGL es menor o igual a 0.5%, se utilizará NaOH o KOH en una concentración de 1% en peso respecto al aceite.

 Si la cantidad de AGL es mayor a 0.5% se requerirá añadir un excedente de catalizador para neutralizar los AGL, el cual se determina usando la siguiente fórmula en el caso del NaOH: (%AGL) (0.144) + 1 % y la siguiente en caso del KOH (%AGL)(0.197)/0.86 + 1 %. El resultado será el porcentaje en peso respecto al aceite que será agregado de catalizador.

Los valores en las fórmulas fueron obtenidos de la bibliografía, en el caso del KOH el 0.86 se refiere a su pureza, por lo que puede variar en la práctica.

Las condiciones de operación para llevar a cabo la reacción fueron de:

 Temperatura: 60°C

 Agitación: 800 rpm

 Tiempo: 1 hora

Para asegurar que la reacción se llevara a cabo correctamente se conectó a reflujo o se tapó para evitar que el metanol se evaporara y escapara.

Una vez concluida la reacción se colocó la mezcla en un embudo de decantación o se llevó a la centrifuga para separar las fases que se obtuvieron.