Obtención de biodiesel a partir del aceite de cachaza, residuo de la industria azucarera

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(1)Facultad de Química y Farmacia Departamento de Ingeniería Química. “Obtención de biodiesel a partir del aceite de cachaza, residuo de la industria azucarera.” Autor: Rosania Martínez Torres. Tutores: Dra.Gretel Villanueva Ramos. Lic.Yurima Hernández Durán. Consultante: Dra.Neybis Casdelo Gutiérrez.. “Año de la Revolución Energética en Cuba”. 2006.

(2) El único camino abierto a la prosperidad constante y fácil, es el de conocer, cultivar y aprovechar los elementos inagotables e infatigables de la naturaleza. José Martí..

(3) A mi mamá y mi gran abuelita que son fuente de mi inspiración y parte inseparable de mis esfuerzos..

(4) Detrás de cada obra se esconden grandes héroes quienes con gran amor y dedicación hacen posible que sigamos adelante, por eso no puedo pasar por alto a aquellos que me llenaron el camino de flores para ver esta primavera hecha realidad por ello quisiera expresar mis más sinceros agradecimientos: A mi familia, en especial a mi madre y a mi abuelita que son el pilar de mi vida, las personas con las que siempre me sentiré segura, por la gratitud sin límites que me brindan. En especial a mis tutoras Yurima Hernández y Gretel Villanueva por su infatigable ayuda, y desmedida paciencia. A la desinteresada participación de la Dra. Neybis Casdelo. A Lilibet, quien ha estado siempre a mi lado en estos cinco años, por su amistad sincera y su tolerancia en mis peores momentos. Por ser mí hermana. A Pedro por brindarme amor y cariño cuando flaquearon mis fuerzas. A Maylen y Adelaida por enseñarme que la pobreza no es deshonra y nuestra mayor riqueza lo que obtenemos con sacrificio..

(5) A todos los profesores, de quienes tuve el privilegio de recibir sus conocimientos, experiencias y por haberme guiado por un camino adecuado. A los técnicos del laboratorio del CAP, en lo personal a Fela por su valioso apoyo en la realización de la Tesis. Al técnico Eduardo que también añadió su granito de arena.. A Fidelia y Yolepsy, por su entera disposición a ayudarme en momentos cruciales de la carrera.. No puedo olvidar ahora a mis compañeros que desde siempre me honraron con su amistad y ayuda en los momentos más difíciles. Por ultimo a mis seres queridos, aunque no los mencione, va dirigida una merecida gota de gratitud por sumarse al sacrificio cotidiano, a los desvelos y compartir lo más importante para mí: EL Amor..

(6) Resumen. Los aceites vegetales y sus derivados, especialmente los metilesteres, denominados biodiesel son los candidatos a convertirse en combustibles. Son competidores y brindan ventajas si se contrasta con los combustibles habituales. Al mismo tiempo proceden de fuentes renovables, reducen las emisiones de gases contaminantes, muestran un apropiado comportamiento en el funcionamiento de los motores diesel, economizan combustible y son un factor de desarrollo de la agricultura e industrias derivadas. En el presente trabajo se realizó una revisión bibliográfica del tema, tratando de conocer en detalles la naturaleza, producción, perspectivas, limitaciones, ventajas y desventajas del biodiesel, así como diferentes características de las materias primas a utilizar. Además, se llevó a cabo la adaptación de una metodología seleccionada en la literatura consultada a la obtención de biodiesel a partir del aceite extraído de la cachaza, residuo de la industria azucarera, el cual constituye un novedoso biocombustible alternativo que no tiene antecedentes en Cuba. Su producción y uso disminuye considerablemente los daños provocados al medio ambiente con respecto al empleo de combustibles convencionales. Finalmente se caracterizó preliminarmente el biocombustible obtenido, determinándose. su. punto. de. inflamación,. por. ser. este. determinante a la hora de definir una mezcla como combustible.. parámetro.

(7) Abstract.. The vegetal oils and their derivatives, especially metilester, denominated biodiesel are the candidates to become fuels. They are competing and they offer advantages if it is resisted with habitual fuels. At the same time they come from renewable sources, they reduce the polluting gas discharges, show an appropriate behavior in the operation of the diesel engines, they save fuel and they are a factor of development of agriculture and derived industries. In the present work a bibliographical revision of the subject was made, treating to know in details the nature, production, perspective, limitations, advantages and disadvantages of biodiesel, as well as different characteristic from the raw materials to use. In addition, the adaptation of a methodology selected in the Literature consulted to the obtaining of biodiesel from the extracted oil of the sluggishness was carried out, remainder of the sugar industry, which constitutes a novel alternative biofuels that does not have antecedents in Cuba. Its production and use considerably diminish the damages caused to the environment with respect to the conventional fuel use. Finally the obtained biofuels was characterized preliminarily, determining its flash point, being this determining parameter at the time of defining a mixture like fuel.. ].

(8) Índice.. Introducción.. 1. Capítulo I: Revisión Bibliográfica. 1.1. Los combustibles renovables existentes en el mundo.. 4. 1.2. Breve reseña histórica del surgimiento del biodiesel.. 4. 1.3 ¿Qué son los biocombustibles?. 5. 1.4. Diferencias entre el biodiesel y el gasoil convencional.. 7. Importancia del uso de los biocombustibles.. 9. 1.4.1. 1.5 Características del biodiesel. 1.5.1. Ventajas del Biodiesel.. 1.5.2 Desventajas del Biodiesel. 1.6 1.6.1. 10 11 13. Situación mundial de los biocombustibles.. 14. Sectores socio-económicos que son beneficiados con el uso de. 15. los biocombustibles. 1.6.2. Algunas experiencias en su empleo.. 16. 1.7 Implicación ambiental del uso de los biocombustibles.. 19. 1.8 Parámetros de control de la calidad del Biodiesel.. 20. 1.9 Tipos de materias primas empleadas en la obtención del. 23. biodiesel. 1.10 Características de la cachaza.. 24. 1.10.1 Factores agroindustriales que influyen en la composición de la 25 cachaza. 1.10.2 Usos de la cachaza.. 26. 1.11. Características del aceite de cachaza.. 29. 1.12. Extracción del aceite de cachaza.. 30. 1.13 Alternativas para la producción de biodiesel.. 31. 1.14 Transesterificación de los aceites.. 31. Capítulo 2: Parte Experimental y Discusión de los Resultados 2.1 Metodología Experimental.. 35.

(9) 2.1.1. Obtención del Aceite de Cachaza.. 35. 2.1.2. Metodología para la obtención del biodiesel.. 37. Determinación del Punto de Inflamación del biodiesel.. 41. 2.2. Conclusiones.. 43. Recomendaciones.. 44. Bibliografía.. 45.

(10) Introducción. La utilización de las fuentes fósiles para la producción de combustibles, desde el inicio de la industrialización ha provocado una alteración significativa del medio ambiente, cuyas consecuencias todavía no se pueden medir en su totalidad. Por otro lado, estudios cuidadosos de la producción de petróleo y gas natural en las diferentes regiones del mundo, así como de los nuevos hallazgos de reservas indican que dentro de poco tiempo la producción de estos combustibles fundamentales para la economía mundial pasará pronto por su máximo, con consecuencias graves para la misma. Nuevos análisis muestran que 23 de 44 naciones productoras de petróleo (que representan el 99 % de la producción global) ya pasaron por su punto de máxima producción; se estima que la producción en los países no pertenecientes a la OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo) hayan tenido su máximo en el 2003, mientras que el pico en los estados de la OPEP se espera para el año 2017. A partir del panorama anterior, queda claro que la búsqueda de fuentes y tecnologías alternativas de energía debe ser una de las prioridades mundiales en los próximos años y en la actualidad. Dos características de estas nuevas fuentes y tecnologías son esenciales: la minimización del impacto ambiental y la renovabilidad de los combustibles existentes. Uno de los problemas más frecuentes en éste campo es la adaptabilidad de dichas energías a la vida cotidiana, ya que la transición hacia éstas acarrea costos frecuentemente insuperables. Sin embargo, el desarrollo de un combustible en particular, denominado biodiesel, se presenta como una alternativa alentadora. Dicho combustible, obtenido a partir de aceites, grasas. animales. y. vegetales,. puede. modificaciones en motores de ciclo diesel.. ser. empleado. sin. grandes.

(11) El empleo de combustibles procedentes de la biomasa en motores presenta un conjunto amplio de ventajas e inconvenientes. Como ventajas se destacan la utilización de especies agrícolas convencionales para su producción, la reducción del impacto ambiental con relación al provocado por la utilización de combustibles fósiles, y las posibilidades de autoabastecimiento energético al tratarse de un recurso energético local. Dentro de los inconvenientes se destaca, principalmente los elevados costos económicos que actualmente presenta esta alternativa frente a los costos asociados a los combustibles convencionales. Se trata, por tanto, de un problema. complejo que no. presenta fácil solución. El biodiesel es un combustible obtenido mediante un proceso sustentable a partir de materias primas vegetales renovables, como los aceites vegetales, (soja, girasol, colza y otros), alcohol de maíz y de caña de azúcar. En nuestro país existe un potencial de obtención de biocombustible a partir del aceite presente en la cachaza que proviene del proceso de fabricación del azúcar, que no ha sido explotado hasta el momento. Por todo lo anterior este trabajo va encaminado a dar solución al siguiente problema científico. Problema científico: En Cuba no se explota la posibilidad de obtener biodiesel a partir de residuales de la industria azucarera, como el aceite de cachaza. Hipótesis del trabajo: Es posible obtener biodiesel a partir del aceite presente en la cachaza, logrando así una disminución de los daños al medio ambiente y la sustitución de los combustibles fósiles..

(12) Objetivo Central del trabajo: •. Desarrollar una metodología a nivel de laboratorio que permita obtener biocombustibles a partir del aceite de cachaza procedente de la industria azucarera.. Objetivos Específicos: •. Búsqueda bibliográfica sobre las características, ventajas, desventajas y posibles variantes para la obtención de biodiesel a partir de fuentes renovables.. •. Adaptar la metodología empleada para la obtención de biodiesel de aceites vegetales al aceite de cachaza.. •. Caracterizar preliminarmente el biodiesel obtenido..

(13) Revisión Bibliográfica. 1.1 - Los combustibles renovables existentes en el mundo. En el mundo se han dado a conocer un sin número de dificultades en cuanto al empleo de los combustibles fósiles debido a su elevado índice de contaminación. Inducida por la necesidad de lograr un desarrollo sustentable y menos perjudicial para el medio ambiente, la comunidad internacional comenzó a desarrollar fuentes de energía alternativas. Estas no son nuevas, sino que ante las ventajas del petróleo y su menor precio relativo habían sido desplazadas. En la actualidad, el mundo por diferentes circunstancias, marcha hacia la obtención de nuevas fuentes de energía, por ejemplo: Energía Hidráulica, Eólica, Solar, Química, y a partir de derivados de la biomasa. Por esta razón, se entiende que estas “nuevas” formas de suministro energético proporcionan nuevas vías para la solución de los problemas de contaminación. (www.Biodiesel.de/biodiesel/2000.htm), (www.Biodiesel.org), (www.Biocombustibles Journey to Forever.htm) 1.2 - Breve reseña histórica del surgimiento del biodiesel. En 1897 el ingeniero alemán Rudolf Diesel presentó en la Asamblea General de Ingenieros de ese país un motor de combustión interna que llevaba su nombre y el cual, según había demostrado, podía funcionar con aceite vegetal. Se inicia de esta manera el uso de los aceites vegetales en la obtención de combustibles. En un principio, los combustibles fósiles se apoderaron del mercado gracias a su bajo costo, a su eficiente desempeño y, sobre todo, a su gran disponibilidad. No obstante, en los últimos años el panorama energético mundial ha variado notablemente; la escasez de combustible de los años 70’s en los Estados Unidos y las crecientes preocupaciones sobre el inminente daño que causan al planeta las emisiones producto del consumo.

(14) masivo de este tipo de combustibles han motivado el interés de muchos investigadores en el mundo por desarrollar nuevas fuentes de producción de energía. Producto de estas investigaciones surgió el biodiesel, para ser empleado. como. sustituto. del. diesel. de. petróleo.. (www.alihuen.org.ar/informacion/biodisel.htm) El biodiesel fue introducido en África antes de la II Guerra Mundial. Las recientes preocupaciones por el medio ambiente han provocado el resurgimiento de este combustible en todo el mundo. En la actualidad estos ya han pasado de la etapa experimental y forman parte de la canasta de combustibles habituales. Las plantas industriales de generación de biodiesel son construidas por varias compañías en Europa; cada una de estas plantas producirá más de 5,7 millones de litros de combustible cada año. (www.panoramaenergetico.com) 1.3 - ¿Qué son los biocombustibles? Los biocombustibles son alcoholes, éteres, ésteres y otros productos químicos elaborados a partir de biomasas celulósicas tales como plantas herbáceas y leñosas, residuos agrícolas y forestales y una gran parte de los residuos municipales e industriales. El término biocombustible puede referirse tanto a combustibles para generar electricidad así como, a combustibles para el transporte automotor. El uso de los biocombustibles ofrece beneficios desde el punto de vista medio ambiental, al disminuir las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera con respecto al uso de combustibles convencionales. Otro aspecto positivo del empleo de los biocombustibles es que utilizan desechos como materia prima. A diferencia del petróleo, que es un recurso natural no renovable, los biocombustibles son renovables y representan una fuente inagotable de combustible..

(15) Existen biocombustibles líquidos, que se denominan también biocarburantes, son productos que se usan como sustitutos de la gasolina y del gasóleo de los vehículos y que son obtenidos a partir de materias primas de origen agrícola. Como por ejemplo: 1. Bioetanol (o bioalcohol): Alcohol producido por fermentación de productos azucarados (remolacha y la caña de azúcar). También puede obtenerse de los granos de cereales (el trigo, la cebada y el maíz), previa hidrólisis o transformación en azúcares fermentables del almidón contenido en ellos. Pueden utilizarse en su obtención otras materias primas menos conocidas como el sorgo dulce y la pataca. El bioetanol se utiliza en vehículos como sustitutos de la gasolina, bien como único combustible o en mezclas que, por razones de miscibilidad entre ambos productos, no deben sobrepasar el 5-10 % en volumen de etanol en climas fríos y templados, pudiendo llegar a un 20 % en zonas más cálidas. El empleo del etanol como único combustible debe realizarse en motores específicamente diseñados para este biocombustible. Sin embargo, el uso de mezclas no requiere cambios significativos en los vehículos, si bien, en estos casos el alcohol debe ser deshidratado a fin de eliminar los efectos indeseables sobre las mezclas producidas por el agua. Un biocarburante derivado del bioetanol es el ETBE (etil ter-butil éter) que se obtiene por síntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilación del petróleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volátil y más miscible con la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se adiciona a la gasolina en proporciones del 10-15 %. La adición de ETBE o etanol sirve para aumentar el índice de octano de la gasolina, evitando la adición de sales de plomo. También se utilizan ambos productos como sustitutos del MTBE (metil ter-butil éter) de origen fósil, que en la actualidad se está empleando como aditivo de la gasolina sin plomo. (www.agronegocios.com.py/rural/agroindustria/agroindustria_biodiesel.html), (www.Biodiesel.org).

(16) 2. Biodiesel: También denominado biogasóleo o diéster, es un combustible diésel producido a partir de materias de base renovables, como los aceites vegetales, que se puede usar en los motores diésel. Químicamente se define como ésteres de alquilo, de metilo y de etilo. Se encuentra registrado como combustible y como aditivo para combustibles en la Agencia de Protección del Medio Ambiente (Enviroment Protection Agency - EPA - EEUU). Puede usarse como combustible puro al 100 % (B100), como una base de mezcla para el gasoil de petróleo (B20), o en una proporción baja como aditivo del 1 al 5 %. De esta forma el biodiesel se complementa, no compite con el petróleo. El biodiesel es 100 % biodegradable en menos de 21 días, su combustión genera un olor similar a la de las galletas dulces o a papas fritas según sea su origen. No enciende ni estalla espontáneamente porque tiene un alto punto de inflamación o temperatura de ignición a diferencia del etanol, las mezclas con biodiesel no modifican significativamente gran parte de las propiedades físicas y fisicoquímicas del gasóleo, tal como su poder calorífico. (www.enlazando.com/energia.),(www.ingenieroambiental.com.) (Expedito J, 2003, pág (9-45)). 1.4 - Diferencias entre el biodiesel y el gasoil convencional. El biodiesel es un combustible obtenido mediante un proceso sustentable a partir de materias primas vegetales renovables, con lo que difiere de los derivados del petróleo, que dependen de reservorios fósiles no renovables. Por ello se dice que el biodiesel tiene un efecto benéfico sobre el ciclo del carbono. En efecto, la combustión libera a la atmósfera dióxido de carbono (CO2), elemento que se asocia al "efecto invernadero". Pero ese CO2 es a su vez fijado por los vegetales, que lo utilizan como materia prima para construir sus tejidos. Por lo tanto, es posible cuantificar el "crédito" ambiental de un.

(17) combustible de base renovable calculando cuánto CO2 fija una plantación de oleaginosa determinada, y comparándolo con el CO2 que genera la combustión del biodiesel que se puede fabricar con esa misma plantación. Cualquiera sea este "crédito ambiental" (que dependerá del tipo de oleaginosa, del proceso de fabricación del biodiesel y de la eficiencia de combustión de los motores) siempre será mayor que el de un combustible fósil que, por su propia naturaleza, sólo genera gases de combustión sin que en su proceso de fabricación aparezca una fase agrícola de fijación de carbono. (www.panoramaenergetico.com), (www.sunfuel.org) El análisis de lo referido en el epígrafe anterior queda demostrado en los estudios realizados por la universidad de Idaho y la compañía alemana Mercedes Benz en 1994. Los ensayos efectuados fueron encaminados a desarrollar una comparación entre las emisiones del biodiesel y el aceite diesel (Fig 1.1), se tomaron mezclas al 20 % de RME (éster metílico de colza), PME (éster metílico de palma) y SBME (éster metílico de soya), mientras que el combustible utilizado por la Mercedes Benz fue una mezcla al 20% de RME.. De éstos estudios se concluyó lo siguiente: los niveles de hidrocarburos se pueden llegar a reducir con el biodiesel hasta en un 47 %, el monóxido de carbono en un 12 %, el dióxido de carbono en un 50 %, las partículas o smoke en un 72 % y los óxidos de azufre en un 99 %; el estudio demostró en cambio que los óxidos de nitrógeno aumentaron hasta en un 6 %, con el uso de biodiesel en comparación con el aceite diesel..

(18) Figura 1.1 Comparación Promediada de las Emisiones del biodiesel Mezclado y el Aceite Diesel. Emisiones Producidas por un auto Mercedes Benz cada 40.000 km recorridos, utilizándose como combustible RME al 20% y aceite diesel (las emisiones del aceite diesel equivalen al 100%). 1.4.1 - Importancia del uso de los biocombustibles. Hace alrededor de 30 años la comunidad científica mundial estaba preocupada porque parecía que se acercaba el agotamiento del petróleo, y comenzó a pensar en nuevas alternativas de combustibles. El paradigma de fin de siglo es que la atmósfera no admite más emisiones de dióxido de carbono y otros gases responsables del "efecto invernadero", lo que provoca el calentamiento global del planeta, amenazando la vida de todas las especies, y sobre todo la del hombre. En el siglo XX el proceso se aceleró y los meteorólogos están convencidos de que las catástrofes climáticas marcha al compás de este fenómeno..

(19) En La Primera Conferencia Internacional de Biocombustibles Líquidos se trataron temas centrales como biodiesel a partir de aceites vegetales (soja, girasol, colza y otros), alcohol. de. maíz. y. de. caña. de. azúcar.. (www.journeytoforever.org) En la cumbre ambiental de Kyoto (Japón) el mundo le puso la firma a un acuerdo fundamental: para el año 2010, las emisiones de dióxido de carbono, producto de la combustión de fuentes fósiles, tienen que reducirse hasta un nivel de un 10 % inferior al del año 1990. Otras de las razones por lo que se requiere utilizar los biocombustibles son que teniendo en cuenta el uso de los mismos se producirá una reducción de la dependencia del petróleo foráneo, un incremento en el empleo de los cultivos agrícolas con el fin de producir combustibles biológicos y prever el desarrollo de energías alternativas. (www.veggievan.org) 1.5 - Características del biodiesel •. Su producción es renovable.. •. En su proceso de producción primaria y elaboración industrial determina un balance de carbono, menos contaminante que los combustibles fósiles.. •. Cumple con los requisitos de la EPA, para los combustibles alternativos de emplearse puro o combinado con los combustibles fósiles.. •. No contiene azufre y por ende no genera emanaciones de esta base, las cuales son responsables de las lluvias ácidas.. •. Quema mejor, reduciendo el humo visible en el arranque en un 30 %.. •. Sus mezclas reducen, en proporción equivalente a su contenido, las emanaciones de CO2, CO, partículas e hidrocarburos aromáticos, estas reducciones están, en el orden del 15 % para los hidrocarburos, del 18 % para las partículas en suspensión, del 10 % para el óxido de carbono y.

(20) del 45 % para el dióxido de carbono, por lo que genera menos elementos nocivos que los combustibles tradicionales reduciendo las posibilidades de provocar cánceres.Estos indicadores se mejoran notablemente si se adiciona un catalizador. •. Los derrames de este combustible en las aguas de ríos y mares resultan menos contaminantes y letales para la flora y fauna marina que los combustibles fósiles.. •. Volcados al medioambiente se degradan más rápidamente que los petrocombustibles.. •. Es menos irritante para la epidermis humana.. •. Actúa como lubricante de los motores, prolongando su vida útil.. •. Su transporte y almacenamiento resulta más seguro que el de los petroderivados ya que posee un punto de ignición más elevado. (Expedito J, 2003 pág (9-45)).. 1.5.1 - Ventajas del biodiesel. Los motores diesel de hoy requieren un combustible que sea limpio al quemarlo, además de permanecer estable bajo las distintas condiciones en las que opera. Sus enumeradas ventajas hacen de él un combustible ideal para el uso en las áreas marinas, parques nacionales, bosques y sobre todo en las grandes ciudades. Por ejemplo: •. No requiere mayores modificaciones para su uso en motores diesel comunes.. •. Es obtenido a partir de aceites vegetales, totalmente renovables.. •. Permite al productor agropecuario autoabastecerse de combustible..

(21) •. Permite a países agrícolas independizarse de los países productores de petróleo.. •. Tiene un gran poder de lubricación y minimiza el desgaste del motor.. •. Presenta un menor nivel de emisiones gaseosas de combustión nocivas.. •. Su rendimiento en motores es similar al del gasoil derivado de petróleo.. •. Puede utilizarse en mezclas con gasoil común en cualquier proporción.. •. No requiere cambios de infraestructura para su adopción.. •. No altera sustancialmente el torque o el consumo.. •. Reduce en gran medida los humos visibles durante el arranque.. •. Posee una gran biodegradabilidad, comparable a la de la dextrosa.. •. Es aproximadamente diez veces menos tóxico que la sal común de mesa.. •. Su transporte y almacenamiento es más seguro dado su alto flash point.. •. Puede producirse a partir de cultivos abundantes en el país, como la soja.. •. No contiene azufre, y permite el uso de catalizadores.. •. El olor de combustión asemeja el olor a fritura, a diferencia del gasoil.. •. Competitivo frente a otras tecnologías que reducen la contaminación.. •. Complementa todas las nuevas tecnologías de diesel para reducción de gases contaminantes.. •. Rendimiento similar al del combustible diesel.. •. No altera el equipo de mantenimiento.. •. No altera el tiempo de recarga de combustibles..

(22) •. Mejora las condiciones de funcionamiento invernal.. •. Mejora las condiciones anti-explosión e incendio.. •. La mezcla se puede hacer en el momento de carga o previamente.. •. La mezcla es estable y no se separa en fases.. (www.Biodiesel.org),(www.enlazando.com/energia),(www.geocities.com),(ww w.ingenieroambiental.com),(www.mty.itesm.mx/die/ddre/transferencia/56/56III .03.html),(www.viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/combustible/ biofuels) 1.5.2 - Desventajas del Biodiésel. Al realizar el estudio de este combustible se hace de vital importancia no centrar su análisis solo en las ventajas del biodiésel, sino hacer a su vez referencias a sus limitaciones: •. Presenta elevados costos de materia prima.. •. Su combustión puede acarrear un aumento de óxidos de nitrógeno.. •. Presenta problemas de fluidez a bajas temperaturas (a 4ºC comienza a solidificarse.). •. Presenta escasa estabilidad oxidativa, y su almacenamiento no es aconsejable por períodos superiores a 6 meses.. •. Su poder solvente lo hace incompatible con una serie de plásticos y elementos derivados del caucho natural, y a veces obliga a sustituir mangueras en el motor.. •. Su carga en tanques ya sucios por depósitos provenientes del gasoil puede presentar problemas cuando por su poder solvente "limpia" dichos depósitos, acarreándolos por la línea de combustible. (www.Biodiesel.org).

(23) •. Para algunos de estos problemas se han encontrado formas de solucionarlos, por ejemplo la dificultad que presenta en su fluidez a temperaturas menores de 5°C, se resuelve mezclándolo con mayores concentraciones de diesel fósil o, en casos extremos, añadir con cuidado cantidades diminuta de gasolina para hacerlo más volátil. Los garajes calientes son muy buenos también. (www.enlazando.com/energia). •. Además las emisiones bajan significativamente, pero los Óxidos Nítricos (NOx), suben un poco. Estos Óxidos aparecen en los motores debido al oxígeno que arde bajo compresión (un motor diesel no es nada más que compresión); añada a esto la cuenta creciente de oxígeno del combustible y verá por qué aumenta el NOx. (www.ingenieroambiental.com). 1.6 - Situación mundial de los biocombustibles. En principio se plantea que se avanza en el tema de los biocombustibles a toda velocidad y no sólo en el Primer Mundo. A continuación se hace un recuento de lo anterior. En 1983, en la Universidad de Braunschweig en Alemania, comenzaron los ensayos para la producción de biocombustibles con el aceite de colza transesterificado y metanol. El proceso genera un biocombustible que se puede utilizar puro o en mezclas. Los líderes en desarrollos de tecnologías eficientes para la obtención de biocombustibles son Alemania y Francia, pero también hay producción en Italia, España, Gran Bretaña y el resto de Europa. En Dakota del Sur (EE.UU) un grupo de productores instaló en el año 2003 una planta de biodiesel a partir de aceite de soja, el producto se vende a un dólar el litro (el doble del precio del gasoil), (www.journeytoforever.org), (www.veggievan.org) En Idaho (EE.UU), un estado productor de papa, desarrolló un proceso que genera alcohol de los residuos de las fábricas de papas pre-fritas..

(24) Este alcohol se hace reaccionar con el aceite viejo de la fritura, para obtener un biodiesel de bajo costo., evitando la contaminación que produce la exposición de esos residuos al medio ambiente. (Boletín Mensual sobre Lubricación y Mantenimiento, Sep-2004). Un proceso similar está en marcha en Austria, donde la recogida y esterificación del aceite viejo domiciliario y de la restauración permite un ahorro de 1,5 % de gasoil. En diciembre del 2002, la American Soybean Asociación (ASA), la organización de los sojeros estadounidense que aporta fondos a la United Soybean Board y la Biodiesel, comenzaron a apoyar el desarrollo de biodiesel en la Argentina. Es importante desarrollar los biocombustibles ya que generan un impacto positivo para la humanidad. (www.webconx.com/biodiesel.htm), (Expedito J, 2003 pág (9-45)). A través del estudio de este epígrafe se reafirma una vez más la importancia que se le ha dado en el mundo al desarrollo de nuevas vías energéticas, para alcanzar una mejor conservación del medio ambiente e impedir el agotamiento de los combustibles fósiles. 1.6.1 - Sectores socio-económicos que son beneficiados con el uso de los biocombustibles. En el mundo existen grandes intereses en cuanto a producir combustibles a partir de materias renovables, pues los mismos brindan beneficios a diferentes sectores socio-económicos, dentro de ellos encontramos: •. Sector Agrícola: siembra y recogida del grano.. •. Industrias aceiteras: producción de aceite.. •. Ganadero e industrias de producción de grasas: elaboración de grasa animal..

(25) •. Hostelero: salida a la producción de residuos compuestos por aceites y grasas usadas.. •. Industria química: transesterificación.. •. Compañías petroleras: mezcla con gasóleo y distribución del biodiesel.. •. Cooperativas agrícolas: uso de biodiesel en tractores y maquinaria agrícola.. •. Administraciones locales y autonómicas: flotas de autobuses, taxis, calefacciones. etc.(www.Biocombustibles.Journey. to. Forever.htm),. (Expedito J, 2003 pág (9-45) ) 1.6.2 - Algunas experiencias en el empleo del biodiesel. Las experiencias extranjeras son numerosas y convincentes acerca del empleo de biocombustibles, en especial el biodiesel en diferentes actividades y equipos como por ejemplo: En motores marinos se llevaron a cabo ensayos y análisis desarrollados por Cytoculture (1997) basados fundamentalmente en veleros cuyo motor auxiliar, de 8 marcas comerciales diferentes, era propulsado por biodiesel, correspondiendo el 40 % de ellos a la década del 70, un 44 % a la década del 80 y un 17 % fueron adquiridos durante la década del 90; su escala de potencia va desde menos de 20 HP (26 %), a más de 60 HP (5 %) siendo los tres primeros estadios de esta escala los que acumulaban el 73 % de las embarcaciones (potencias menores a 20 HP y hasta 39 HP), de ellos solo el 1 % empleaba menos del 20 % de biodiesel en su combustible y el 24 % de los mismos operaba con el 100 % de biodiesel, 87 % de ellos no causaron problema alguno en el empleo de este combustible, mientras que el: •. 6 % mostró inconvenientes en su línea de abastecimiento de combustibles.. •. 4 % presentó sedimentos en su filtro de combustible..

(26) •. 6 % detectaron sedimentos en el tanque de combustible.. •. 2 % detectaron incrustaciones en el tanque o filtro de combustible.. •. 5 % manifestaron diferentes inconvenientes.. •. Entre las razones por las cuales estos marinos empleaban biodiesel cabe destacar que el 37 % lo eligió fundamentalmente por motivos ambientales, el 33 % por razones mecánicas (mejoras en la lubricación de sus motores) y el 30% restante se basó en razones estéticas tales como el menor nivel de humo, seguridad y/o mejor cualidad para el contacto con la piel. (www.Biocombustibles Journey to Forever.htm.). Von Wedel (1999) señala que en el caso de las actividades náuticas, el biodiésel presenta dos características adicionales muy importantes: •. La insolubilidad y velocidad de degradación en contacto con el agua, el biodiésel se solubiliza poco en el agua fresca y/o en el agua de mar, llegando solo a las 7 ppm en el agua marina y a las 14 ppm en aguas frescas (17°C), mientras que los derivados del petróleo solubilizan mas de 100 ppm de sus componentes aromáticos generando, por consiguiente, un mayor nivel de contaminación, además el metil éster de los biodiesel, en contacto con el agua, se degrada en no más de 4 días, mientras que la degradación rápida de los derivados del petróleo requiere como mínimo el doble de ese tiempo.. •. Baja toxicidad para la vegetación acuífera y los peces, así este combustible resulta mucho menos tóxico que los derivados del petróleo, la dosis letal 50 (LD50), es decir la concentración del elemento “tóxico” requerida para eliminar al 50% de la población es sustancialmente mayor que la que presentan los petroderivados, así, por ejemplo, mientras que se necesitan 129 partes por millón (ppm) de biodiésel para eliminar al.

(27) 50% de las larvas de langostino, solo se requieren 2,9 ppm de fuel oil para lograr idéntico resultado. En motores terrestres las experiencias involucran desde ómnibus urbanos (10 unidades) hasta locomotoras (GM), pasando por pick up (Dodge), tractores agrícolas (Mitsubishi, John Deere, Case y Ford) Camiones y taxis (20 equipos Mercedes Benz). Esta experiencia permitió demostrar: •. La reducción en la emisión de residuos de azufre.. •. Dificultades en el arranque a bajas temperaturas.. •. Mejoras en el nivel de lubricación.. •. Disminución de las emisiones de CO, CO2 y partículas.. •. Mantenimiento o incremento de las emisiones de óxidos de nitrógeno.. •. Depósitos en los filtros de combustible.. •. Daños en las líneas de aprovisionamiento de combustible de caucho.. •. Un leve incremento en la emisión de humo. (Expedito J, 2003 pág (9-45) ). En Francia. Mezclan 5 % de aceite vegetal con el diesel directamente en los centros de producción de petróleo y aunque el consumidor no nota las ventajas del nuevo producto, esta estrategia evita la construcción separada de infraestructuras costosas y así grandes volúmenes pueden introducirse en el mercado. Las compañías líderes son Elf y Shell. En Estados Unidos. Mezclan el 20 % de metilester de soya con diesel fósil, principalmente por razones de precio. La mezcla 80/20, junto con el uso de convertidores.

(28) catalíticos, ha recibido recientemente certificación de la EPA para el programa de buses urbanos. En Alemania y Austria. Dado los grandes beneficios del diesel, este se comercializa puro, destacándose. su. sensibilidad. ambiental. protegiendo. lagos,. aguas. subterráneas, bosques y minimizando la contaminación por smog de taxis y buses en ciudades. En Canadá. Las materias primas mas utilizadas son soya, colza y canola o rapeseed (una planta forrajera cuyas semillas proporcionan 45 % de aceite.) 1.7 - Implicación ambiental del uso de los biocombustibles. El aumento del contenido de ciertos gases en la atmósfera produce el fenómeno conocido como “calentamiento global”. Los gases responsables de dicho fenómeno son el dióxido de carbono y el metano. El primero deriva de la explotación del petróleo y carbón. A raíz del reciclaje que se produce en su ciclo de carbono, el biodiesel reduce las emisiones de dióxido de carbono. Luego de la combustión, los vegetales en proceso de fotosíntesis absorben el carbono, pudiendo convertirse nuevamente en combustible. Por ello, las emisiones totales se neutralizan y no afectan a la atmósfera ni al medio ambiente. Sobre todo, el uso de biodiesel reduce hasta en un 90 % las emisiones de gases cancerígenos, lo que lleva a una elevación de la calidad de vida en la ciudad. El biodiesel reduce la contaminación. Las emisiones netas de dióxido de carbono (CO2) y de dióxido sulfuroso (SO2) se reducen un 100 %. La emisión de hollín se reduce un 40-60 %, y las de hidrocarburos (HC) un 10-50 %. La emisión de monóxido de carbono (CO) se reduce un 10-50 %..

(29) Se reduce igualmente la emisión de hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs), y en particular de los siguientes derivados, de comprobada acción cancerígena: Fenantrén, 97 %; Benzoflúorantren, 56 %; Benzopirenos, 71%. Finalmente, la emisión de compuestos aromáticos y aldehídos se reduce un 13 %, y las de óxidos nitrosos (NOx) se reducen, o aumentan, 5-10 % de acuerdo con el desgaste del motor, y la calibración de la bomba inyectora. El biodiesel no es nocivo para la salud humana, para la vegetación, los animales vivos y no daña monumentos y/o edificios. Por tal motivo su empleo es ventajoso frente al combustible diesel sobre todo para el transporte público en las grandes ciudades. (www.ingenieroambiental.com) 1.8 - Parámetros de control de la calidad del biodiesel. Existen varios parámetros que debe tener el combustible para asegurar su correcto funcionamiento, entre los que se encuentran:. Punto de inflamación (Flash Point): Es de vital importancia por los requerimientos legales en lo que respecta a la seguridad en el manejo y almacenamiento del mismo. Este parámetro generalmente se determina para satisfacer técnicas legales de seguridad. También es útil para conocer si existe una cantidad excesiva de alcohol no reaccionado en el proceso de obtención del combustible. Viscosidad: Para algunos motores, puede llegar a ser ventajoso especificar un mínimo de viscosidad debido a la pérdida de potencia por parte de la bomba inyectora y pérdidas de combustible en el inyector. Un límite admisible máximo, por otro lado, es necesario por cuestiones de diseño y tamaño de los motores, y las características propias del sistema de inyección. Este límite es mayor que el del gas oil, por lo que las mezclas de este último con biodiesel, reducen la viscosidad del mismo..

(30) Cenizas Sulfatadas: La formación de cenizas puede estar presente en tres formas distintas: •. Sólidos abrasivos.. •. Jabones metálicos solubles.. •. Catalizador remanente.. Los sólidos abrasivos y el catalizador remanente pueden provocar un desgaste prematuro del inyector, la bomba inyectora, pistones y aros y formación de depósitos en el motor. Sulfuros: El efecto que puede ocasionar la presencia de sulfuros puede variar considerablemente dependiendo en gran medida de las condiciones de operación. Afecta principalmente a la acción de los sistemas de control de emisiones. Corrosión al Cobre: Es importante ya que se puede determinar la presencia de ácidos o contenido de sulfuros que puede provocar corrosión en el motor. Número de Cetanos: El número de cetanos es una medida de las calidades de ignición del combustible y la presencia de humos negros y rudeza de marcha. Los requerimientos del número de cetanos dependen del diseño, tamaño, variación de carga, velocidad y las condiciones atmosféricas del motor. Punto de enturbiamiento (Cloud Point): Define la temperatura a la cual comienzan a formarse pequeños cristales dentro del combustible. Es importante ya que define el comportamiento del combustible en condiciones climáticas a baja temperatura..

(31) Residuo Carbonoso: Da una medida de la tendencia del combustible a formar depósitos de carbono. Número ácido: Determina el nivel de ácidos grasos libres presentes en el combustible. La presencia de los mismos puede incrementar los depósitos y la corrosión. Glicerina libre: Determina la cantidad de glicerina libre dentro del combustible. Un alto contenido de la misma puede bloquear los inyectores y obstruir los conductos de combustible. Glicerina Total: Determina el total de glicerina en el combustible, tanto libre como no libre. Un bajo nivel de la misma asegura que ha habido una alta conversión de aceites o grasas en ésteres monoalquílicos. Un alto contenido de mono-, di- y triglicéridos, puede bloquear los inyectores y afectar el comportamiento en climas. a. temperaturas. muy. bajas.(www.webconx.com/biodiesel.htm),. (www.ambiental.uvigo.es/agroforestal/cátedra/biomasa/biodiesel,(www.Biodie sel.com.ar),(www.cipres.cec.uchile.cl/~rwulliam/h6.html),(www.veggievan.org) (www.eureka.ya.com/energiaweb/biodiesel.htm). 1.9 - Tipos de materias primas empleadas en la obtención del biodiesel. A pesar de las numerosas ventajas que presenta el uso de los biocombustibles, su producción está basado fundamentalmente en su baja rentabilidad, debido al elevado costo de sus materias primas, ya que se requiere que éstas posean un bajo contenido de humedad y un bajo índice de acidez, lo que obliga al uso de aceites refinados, alcoholes y catalizadores de alta pureza. Por tal motivo, esta investigación se ha enfocado en el análisis de diversos aceites vegetales propios del país, seleccionando el.

(32) aceite presente en la cachaza (residuo de la industria azucarera), mediante el uso de materias primas que no requieran costosos tratamientos y la reducción del número de etapas de separación.(www.lagranja.com.uy), (www.afdc.doe.govl), (www.Biodiesel-intl.com), (www.dieselnet.com) Los. biocombustibles. se. derivan. de. un. sinnúmero. de. productos. agropecuarios, ya que su elaboración puede partir tanto desde las heces animales, que en su fermentación controlada generan metano, como también de los productos forestales. Aunque las investigaciones se centran en el análisis de los productos sustitutos del diesel - oil tales como: •. Aceites de semillas oleaginosas: girasol, colza, soja y coco.. •. Aceites de frutos oleaginosos: palma.. •. Aceites de semillas oleaginosas alternativas: Brassica carinata, Camelina sativa, Pogianus. •. Aceites de semillas oleaginosas modificadas genéticamente: Aceite de girasol.. •. Aceites vegetales de final de campaña: Aceite de oliva de alta acidez.. •. Maní y nabo.. •. Aceites usados, grasas animales tales como la manteca de cerdo, sebos, grasas amarillas, y otros vegetales que en su semilla pueden generar aceites (algodón y maíz).. •. Los aceites vegetales y las grasas de origen animal son recursos renovables que en nuestra sociedad juegan un papel importante en la producción de combustibles alternativos, como por ejemplo el biodiésel. (www.enlazando.com/energia),(www.econosur.com/notas/biodiesel2.htm) (www.eVoyage.org),(www.veggievan.org), (www.Biocombustibles Journey to Forever.htm).

(33) En el presente trabajo se propone la utilización del aceite de. cachaza,. residuo de la industria azucarera para la formulación del biodiésel. 1.10 - Características de la cachaza La cachaza o torta de filtro, es un residuo sólido, de aspecto fibroso y color oscuro, bastante seco y que se extrae del proceso final de fabricación de azúcar. Existen dos tipos de cachaza: la denominada cachaza primaria que se obtiene por sedimentación del jugo suspendido, seguida de una filtración y la cachaza final a la que se descarga de los filtros para ser desechada. La misma es otro subproducto de la agroindustria cañera. Tiene generalmente un alto porcentaje de agua, estimándose que el promedio oscila entre el 75 y el 77 %, es decir que el material seco es de aproximadamente 23-25 %. Considerándola en términos de materia seca, su composición aproximada es la siguiente: 12 a 16 % de proteína cruda; 10 a 14 % de cera, aceite y resina; 8 a 12 % de cenizas; 3 a 5 % de P2O5; 2.5 % de CaO; 10 a 14 % de sacarosa y azúcares reductores; 18 a 25 % de meollo de caña y 25 a 35 % de otras materias. (Coronado C, 1986.) 1.10.1 - Factores agroindustriales que influyen en la composición de la cachaza. La cachaza es el conjunto de los no azucares extraídos en forma de desechos en el proceso de fabricación de azúcar. Su constitución depende de varios factores, dentro de ellos podemos mencionar tipo de suelos, variedad de la caña, tipo de cosecha (mecánica o manual), clima, grado de extracción del jugo, cantidad de cal y otros productos usados en la clarificación, método de filtración empleado y tamaño de los orificios de los coladores.(www.ucm.es/info/otri/complutecno/fichas/tec_jaracil3.htm),(Coron ado C, 1986) Variedad de la caña:.

(34) El contenido de nitrógeno, fósforo y otros elementos depende de la variedad de caña, así como de la cantidad de materia cerosa. La cual varía de una especie a otra. Tipo de cosecha (mecánica o manual): El incremento en la mecanización aumenta la materia extraña que entra en la fábrica y por tanto incrementa el contenido de cenizas, materia orgánica y otros sedimentos que hacen variar la composición de la cachaza. Clima: La cera contenida en la caña aumenta en épocas de sequía, por ser su función la de proteger la evaporación de agua en la planta. En periodos de lluvia es arrastrada una mayor cantidad de tierra, lo que aumenta la materia orgánica. Temperatura del agua de imbibición en la etapa de molienda: El agua utilizada en proceso de extracción de azucares del bagazo generalmente se calienta, esto implica que el arrastre de materias solubles se efectúe con mayor facilidad. Proceso de clarificación: En dependencia de las sustancias químicas utilizadas en la clarificación de los jugos, así será la composición de los precipitados formados. Al utilizar cal, hay un mayor arrastre de los precipitados y se forman diferentes compuestos. Bagacillos añadidos: Como la cantidad de bagacillo añadido para ayudar a la filtración de la cachaza, no es fija, trae como consecuencia que el contenido de materia orgánica varíe con la variación de la cantidad de bagacillo incluida en esta operación. (www.ucm.es/info/otri/complutecno/fichas/tec_jaracil3.htm).

(35) 1.10.2 - Usos de la cachaza Por razones económicas, no existe actualmente un uso generalizado de la cachaza, por lo cual casi todo el volumen obtenido se envía como efluente contaminante, la otra parte se utiliza para la fertirrigación y en menor escala para la alimentación animal. Lograr una buena caracterización de la cachaza ha sido motivo de muchos autores. para lograr determinar la forma de empleo más adecuada tanto. desde el punto de vista de su composición, como económico. (Torres O, 1986), (Almazán O, 1977) También podemos decir que este producto de desecho presente en la industria azucarera representa del 3 al 4 % de la caña que se procesa. El mismo. no tiene uso significativo, en vista de que es un efluente. contaminante de la industria; en algunos países, especialmente Brasil, se están desarrollando tecnologías exitosas para la fertirrigación. Su uso como fertilizante orgánico directo aporta por cada tonelada 4.1 Kg de Nitrógeno, 4.7 Kg de Fósforo, 1.2 Kg de Potasio y 200 Kg de materia orgánica. Para su uso se recomienda una aplicación de 35 ton / ha, lo que significa una sustitución de 312 Kg de urea, 282 Kg de Superfosfato y 70 Kg de Cloruro de Potasio. Ello significa que por cada tonelada de caña se aportan 0.37 Kg de minerales (N, P, K), 6 Kg de materia orgánica y que unas 1200 toneladas de caña molida aportan fertilizantes para una hectárea de caña. (Bell A. y otros, 1971), (Hamilton W, 1983) Por su parte en Cuba y Colombia se le concentra para utilizarla en la alimentación del ganado bovino. El contenido total de nutrientes que tiene la cachaza y que pueden ser asimilados por las plantas en su uso como fertilizante y como alimento animal se pueden apreciar en la Tabla 1.1.

(36) Tabla 1.1: Composición química de la cachaza en distintos países. Valores promedios referentes a muestras secas.. Países. Cenizas (%). Mat-org (%). Lípido (%). Proteína s (%). CaO (%). MgO (%). N (%). Argentina. 29.1. 73.36. 6-13.7. 8.4-14.6. 6.2-7.7. ----. 1.3-2.3. Brasil. 14.9-22. 77.7-85. ----. 6.9-8.8. 4.8-5.5. 0.2-0.6. 1.1-1.4. Filipinas. 16.2. 83.7. 11.2. 7.0. 4.6. ---. 3.1. Los compuestos químicos de la cachaza muestran variaciones de acuerdo al lugar y a las condiciones de obtención aunque en general se observan que contienen gran cantidad de nitrógeno y fosfato entre los elementos. El nitrógeno se presenta como proteínas y otras formas amoniacales más simples o en forma nítrica. El fósforo aparece en combinaciones orgánicas complejas como fosfolípidos y nucleoproteínas y algunas veces en forma de fosfato de calcio provenientes del proceso de clarificación; sin embargo el contenido de potasio (0.4 %) es muy bajo. La cachaza al degradarse microbiológicamente, varía en la concentración de nitrógeno, mientras que los cambios en el calcio y el fósforo no son apreciables. Otra de las aplicaciones de la cachaza es la extracción de cera refinada, tanto por el proceso de aislamiento y purificación como por medio de solventes orgánicos, con el objetivo de sustituir diferentes tipos de ceras naturales y derivados del petróleo. Para estos fines se han instalado plantas pilotos en Filipinas, Taiwan, Cuba e India, entre otros países. (Torres O, 1986), (Almazán O, 1977).

(37) Este producto ofrece buenas perspectivas debido a la diversidad de usos como: adhesivos, recubrimiento de alimentos, frutas y artesanías finas, emulsiones de cera en agua en sustitución de la emulsión de parafina para la fabricación de tableros de bagazo, de la cera además, se extraen ácidos grasos que se pueden utilizar en la fabricación de betunes, cosméticos, pulimentos, entre otros. (Kale S.P and O.P. Vilmal, 1983), (Hernández Y, 2003.) También se han realizado estudios para determinar las posibilidades de obtener de la cachaza: resinas, productos estereoidales y aceite. Esta investigación pretende. el empleo de la fracción grasa presente en la. cachaza como materia prima para la producción de biodiesel. En Cuba se realizaron estudios a la cachaza obtenida como residual en la fabricación de azúcar, con el objetivo de investigar acerca de los posibles usos de la misma, a partir de algunas de sus propiedades. •. Agua (% de humedad).. •. Cera cruda y aceites (extractables).. •. Sólido inerte (% de lodo más % de bagacillo).. 1.11- Características del aceite de cachaza. De la cachaza se extrae la cera, una fracción grasa también llamada aceite y resina. La fracción grasa aún no ha sido suficientemente aprovechada a pesar de lo valioso de sus componentes. (Casdelo N, 2003), (Balch R.T, 1977.) Es importante que el aceite que se va utilizar para transesterificar esté en lo posible exento de ácidos grasos libres ya que estos en el proceso de transesterificación tienden a saponificarse y formar jabones de ácidos grasos lo que compite con el proceso de transesterificación de los esteres de.

(38) alcoholes superiores también presentes en el aceite. (Revista Cuba Azúcar, 1976). La presencia de agua es también inconveniente, aunque generalmente no está en los aceites sino en el alcohol, sobre todo si se utiliza etanol. El agua tiende a diluir el catalizador y a formar emulsiones con los jabones, difíciles de separar. (Revista ICIDCA, 1978). Por otra parte la presencia de humedad, la temperatura y el tiempo de almacenaje y la acción enzimática tienden a deteriorar el aceite incrementando la acidez libre. (Hepburn P A, Homer S A and Smith M (1999).) 1.12 - Extracción del aceite de cachaza. El aceite se puede extraer mecánicamente (compresión o simple trituración) o químicamente (solventes). La selección del solvente para la extracción a escala comercial, se basa en primer lugar en su disponibilidad y costo así como considerar las operaciones a realizar después de la extracción; especialmente si el producto crudo se va a fraccionar posteriormente. (Eckey E. W, 1954), (Villanueva G, 1996). Se han sugerido varios tipos, hidrocarburos aromáticos y solventes de petróleo acetona, metilo, éter, dióxido líquido de azufre, naftas. etc. (Guerrero L, 1996.) sólo se reporta el empleo a escala comercial de gasolina extractiva, n-heptano y nafta. (Royal T.Balch, 1994) El empleo del n-heptano ha brindado los mejores resultados en los que a consumo y poder extractivo se refiere en la tecnología empleada en Cuba. (Jones P J, Ntanios F Y, RaeiniSarjaz M, Vanstone C A (1999)). Esta investigación estará centrada en la extracción del aceite presente en los residuos de la industria azucarera mediante la utilización de n-heptano o nafta. como. solvente.. Investigaciones. recientes. (Brizuela. E,. 1987). demostraron que durante la extracción a bajas temperaturas 28°C es mayor.

(39) la cantidad de aceite extraído, sin embargo a 55 °C la extracción de cera y aceite es prácticamente igual, aumentando ambas con el aumento de la temperatura, las resinas se mantienen siempre en niveles más bajos que los otros dos constituyentes, pero aún a la más baja temperatura se apreció un nivel de resina. (Janoz H, 1990), (Verdecia F, 1989). 1.13 - Alternativas para la producción de biodiesel. Las alternativas a implementar en el estudio de la fabricación de biocombustibles se basan fundamentalmente en las materias primas a utilizar. La producción de biodiesel se lleva a cabo fundamentalmente aplicando la transesterificación de un aceite con etanol o metanol deshidratado, de ahí el análisis. de. la. alternativa. a. desarrollar. en. esta. investigación.. (www.ambiental.uvigo.es) El uso de etanol para la reacción de transesterificación es de interés no solo por la utilización de otro recurso renovable, sino por las diferentes propiedades que le confiere al biodiesel. Así, el producto obtenido a partir de grasas, presenta un menor punto de escurrimiento cuando se usa etanol respecto al metanol. Por otro lado, la reactividad del etanol es muy diferente a la del metanol, tanto por una diferencia en la polaridad de la molécula, como por una mayor miscibilidad mutua que se tiene en presencia de etanol. Una mayor miscibilidad implica mayor velocidad de reacción, dado que disminuyen los problemas fundamentales en la transferencia de masa. (SwensonO.J:PaísUSA.Patente2508002),(www.venezuelainnovadora.gov.ve) 1.14 - Transesterificación de los aceites Transesterificación o alcohólisis es el nombre con el que se conoce al tipo de reacción en la que un ester superior intercambia su grupo alcoxi por otro, es decir el aceite de cachaza está compuesto fundamentalmente por ésteres de alcoholes superiores y ácidos grasos libres los cuales tienden a formar.

(40) jabones durante la reacción de transesterificación. La reacción global de transesterificación puede ser representada de la siguiente manera:. Donde el mecanismo de la reacción ocurre según las siguientes etapas:. En el proceso de transesterificación del aceite de cachaza se obtiene como producto principal el biodiesel y como subproducto los alcoholes de alto peso molecular, este último presenta diferentes usos,. dentro de los cuales. podemos citar como significativo la formulación de cremas cosméticos, para uso dermatológico. (Doutrelean J.C. 1994, Merz V.1996, Ridge 1993, Reichel W. 1981). Los alcoholes de alto peso molecular están constituidos por la parte insaponificable de la fracción grasa de la cera cruda dentro de los que se encuentran los esteroles y los alcoholes grasos o policosanoles (Hepburn P A, Homer S A and Smith M (1999))..

(41) Los alcoholes grasos presentes son de 24 a 34 átomos de carbono, entre los que se encuentran, 1-octacosanol, 1-tetracosanol, 1-hexacosanol, 1pentacosanol, 1-nona- cosanol, 1- triacontanol, 1- dotriacontanol y 1tetratriacontanol.. Los esteroles son alcoholes sólidos cristalinos cuyo esqueleto fundamental corresponde al ciclo pentano perhidro fenantreno, común a todos los esteroides y una cadena lateral en la que pueden insertarse radicales metilo (serie ergostano) o etilo (serie estigmastano) particularmente en C-24. Todos los esteroles tienen un grupo hidroxilo en C-3.. Los esteroles están ampliamente distribuidos encontrándose libres o combinados con los ácidos grasos en forma de ésteres y pueden clasificarse según su origen como zoosteroles, fitosteroles y micosteroles (Domínguez X.A, 1998, Navia M, 1991; Rivas E, 1989). La fracción grasa tiene un contenido que se reporta entre un 4-6 % de fitoesteroles, lo cual representa un potencial que pudiera ofrecer importantes beneficios económicos para el país, pues se pueden emplear en la elaboración de medicamentos de alto valor comercial como son en la obtención de: progesterona, hormonas sexuales, anticonceptivos, diuréticos, cosméticos y vitamina D a partir de la irradiación ultravioleta del esterol para la producción de cuerpos antirraquíticos (Bonner A.W.1977, Cuellar 1993, Janoz H, 1990).. Además puede ser la base de la obtención de precursores esteroidales Andostediona/Androstandiendiona (AD/ADD) mediante transformaciones bioquímicas. También han sido utilizados para enriquecer las comidas como margarinas, con el objetivo de disminuir el colesterol (Doutrelean J.C. 1994, Merz V.1996, Ridge 1993, Reichel W. 1981), (Zayas O, 1992)..

(42) Parte experimental y discusión de los resultados.. En este capítulo se pretende describir la metodología empleada para la obtención de biodiesel a partir de aceite de cachaza y analizar los resultados obtenidos en cada etapa del proceso de obtención. Estas etapas fueron: la extracción de aceite y la posterior obtención del biodiesel como producto principal y los alcoholes de alto peso molecular. Reactivos: Hidróxido de potasio (KOH), Marca Merck.. Materiales: Cachaza de caña de azúcar. Agua común. Nafta Comercial. Papel de filtro Whatman 389.. Equipos: Termostato alemán VED modelo MLW, tipo EBR. Agitador mecánico alemán, VED modelo MLW, tipo Pröfgerate - werk. Balanza analítica alemana, marca Sartorius. Baño de María, marca alemana MLW. Bomba de vacío, marca española Telstar, tipo AC-0204. Reactor enchaquetado de vidrio de 10L. Equipo de destilación. Termómetro. Cristalería de uso frecuente en el laboratorio..

(43) 2.1 Metodología Experimental. El presente trabajo experimental fue desarrollado en el laboratorio del Centro de Análisis de Procesos de la Facultad de Química y Farmacia en la Universidad Central de Las Villas. El mismo tiene como aspecto novedoso, la obtención de un biocombustible a partir de residuos sólidos de la industria azucarera cubana. 2.1.1. - Obtención del Aceite de Cachaza. Para la elaboración del biodiesel a partir de aceite de cachaza se partió de la técnica desarrollada en trabajos anteriores (Canoira L, 2005) para el proceso de extracción de aceite de cachaza de caña, la cual se describe a continuación: Se pesó 1.2 kg de cachaza, mezclándolo con 3.6 L de nafta en un reactor de vidrio enchaquetado, con capacidad de 10 L. La extracción comienza una vez puestos en contacto la cachaza y el solvente, y con. el equipo cerrado. herméticamente. La temperatura de extracción es de 65 ºC y el tiempo de duración es de 1h; este tiempo es el tomado en caso que la reacción proceda con agitación, pero en esta investigación el tiempo se prolongó hasta 3h debido a que el experimento no se realizó con agitación por insuficiencia de instrumental en el laboratorio. Después de pasadas las 3h del proceso de extracción, la mezcla de cachaza con la nafta se recolectó fuera del reactor. Esta se filtró a vacío, y se destila para recuperar todo el solvente y obtener el aceite libre de nafta. procedimiento se repitió 6 veces.. Este.

(44) En la Tabla 2.1. Se muestran los volúmenes de aceite extraídos en cada corrida experimental, los cuales fueron empleados posteriormente para la obtención del biodiesel. Tabla 2.1. Volúmenes de aceite extraídos a partir de la cachaza. Corridas. Volumen de Aceite (mL). 1. 150.3. 2. 150.5. 3. 150.4. 4. 149.8. 5. 150.2. 6. 150.3. En la Figura 2.1. Se muestra el reactor de vidrio enchaquetado de 10 L de capacidad, acoplado a un termostato utilizado en la extracción del aceite a partir de la cachaza.. Figura 2.1. Reactor de vidrio enchaquetado con capacidad de 10 L, utilizado en la extracción del aceite..

(45) 2.1.2. - Metodología para la obtención del biodiesel.. Existen reportadas en la literatura, técnicas de obtención de biodiesel a partir de materias primas renovables, las cuales fueron consultadas. Como resultado de este análisis se llegó a la conclusión de que la metodología más adaptable a la obtención del biodiesel a partir del aceite de cachaza es la reportada con el empleo del aceite de jojoba (Canoira L, 2005). La razón fundamental para esta selección fue que debido a la similitud de la materia prima, como producto de la reacción de transesterificación se obtiene, en lugar de la glicerina una mezcla de alcoholes superiores (Alto peso molecular). Por lo tanto, en este trabajo se realizó una adaptación de esta técnica a la obtención de biocombustible a partir del aceite presente en la cachaza. Lo anterior constituye una novedad y el principal aporte del mismo, ya que no se reporta ninguna metodología en la literatura consultada para hacer biodiesel de aceite de cachaza en Cuba. En la técnica seleccionada se reporta el empleo del metanol. En este trabajo se decidió probar, además de este alcohol, con el etanol, por la mayor disponibilidad de esta materia prima y con la intención de vincularlo a otros trabajos colaterales donde se persigue la obtención de bioetanol a partir de residuos sólidos. Experimentalmente, se hicieron 3 corridas para cada una de las variantes propuestas. Las variantes solo se diferencian en el tipo de alcohol utilizado (metanol o etanol), para la preparación del catalizador con la sal básica..

(46) El procedimiento se describe a continuación: Se disolvió 0.55 g de KOH en 38 mL de alcohol, luego se mezcló con 150 mL de aceite de cachaza y se adicionó un exceso de 75 mL de alcohol. La reacción se llevó a cabo a una temperatura de 65 ºC, 600 rpm y durante 4 h. Luego de transcurrido el tiempo de la reacción, el producto se dejó refrescar y se le añadió 100 mL nafta y se enfrió durante 1 h a una temperatura de -10 ºC con el objetivo de precipitar los Alcoholes de Alto Peso Molecular. Se filtró a vacío en frío y se destila la mezcla de nafta y biodiesel. Las condiciones de destilación fueron: temperatura del baño de 80 ºC, durante 1 h. En la Figura 2.2. Se muestra el equipo de destilación utilizado en la recuperación de solvente.. Figura 2.2. Equipo de destilación..

(47) Por ambas variantes se obtuvo aproximadamente 50 mL de Ésteres Metílicos (EM) y Ésteres Etílicos (EE), a los cuales se les hicieron posteriores pruebas para poder afirmar que realmente cumplen con las normas cubanas. En la Tabla 2.2 se reportan los volúmenes de biodiesel obtenidos en cada corrida, por ambas variantes.. Tabla 2.2. Volúmenes de Biodiesel obtenidos.. Corridas. Volúmenes de Biodiesel obtenidos (mL) Con Metanol. Con Etanol. 1. 50.5. 50.4. 2. 50.4. 51.0. 3. 51.0. 50.8. Es importante señalar que al aplicar la técnica anteriormente descrita para obtener el biodiesel se obtiene una mezcla de alcoholes de alto peso molecular (AAPM), presentes inicialmente en la cachaza, es decir, que esta metodología además de originar un biocombustible de gran utilidad, proporciona de una manera novedosa la separación de los AAPM. En la Tabla 2.3 se muestran las cantidades de AAPM obtenidas como producto colateral de la reacción de transesterificación..

(48) Tabla 2.3. Cantidades de AAPM, obtenidas al aplicar la técnica de transesterificación.. Corridas. En la Figura 2.3. Cantidades de AAPM. 1. 13.95. 2. 13.43. 3. 12.86. 4. 12.72. 5. 13.63. 6. 12.91. se muestra una vista de los AAPM obtenidos en el. laboratorio, en el proceso de obtención del biodiesel.. Figura 2.3 Alcoholes de Alto Peso Molecular..

(49) 2.2. - Determinación del Punto de Inflamación del biodiesel. Para la realización de los ensayos experimentales se tomaron en consideración las diferentes normas y procedimientos establecidos para evaluar las propiedades de los combustibles y sus derivados en nuestro país. Estas pruebas fueron realizadas en los laboratorios de CUPET. Es bueno señalar que dado los pequeños volúmenes de biodiesel que se obtuvieron no se pudieron medir todas sus propiedades. Se priorizó la determinación del punto de inflamación que se define como: la temperatura mínima a la que una sustancia puede formar mezclas explosivas con el aire, es decir, la temperatura más baja a la cual los vapores de un líquido calentado, al mezclarse con el aire, pueden encenderse (o destellar) por una llama, chispa u otra fuente de ignición. Cuanto menor sea la temperatura de inflamación mayor será el riesgo de incendio, por lo que es muy importante la determinación de este parámetro en un combustible. En la Tabla 2.4 se muestran los valores obtenidos en los laboratorios de CUPET, de los Puntos de Inflamación de cada corrida para cada biodiesel, es decir los EM (éster metílico) y EE (éster etílico). Tabla 2.4: Valores de los puntos de inflamación para cada tipo de biodiesel elaborado.. Número de. Punto de Inflamación (ºC) Biodiesel preparado. Biodiesel preparado. con metanol. con etanol. 1. 65.5. 54.3. 2. 65.9. 54.7. 3. 65.6. 54.8. corridas.

(50) Como se muestra en la tabla anterior, los resultados del punto de inflamación del biodiesel elaborado con metanol de forma general, son más altos que los del biodiesel elaborado con etanol y esto se debe a la presencia de nafta mezclada con el biodiesel. Estas últimas corridas con etanol no se le dieron el tiempo suficiente para la evaporación del solvente, en este caso la nafta. Es por eso que se tendrá en consideración este aspecto para trabajos posteriores. Estos datos fueron comparados con los requeridos por las normas internacionales de control de calidad de combustibles terminados (ASTM) donde el valor mínimo de temperatura de inflamación reportada es de 52 ºC. En el Anexo 1 se muestra una fotocopia del documento de la Unión Cubapetróleo, donde se encuentran las especificaciones del diesel regular utilizado como referencia para la comparación del biodiesel propuesto en esta investigación. Como resultado importante de este trabajo podemos mencionar que los valores medidos de esta propiedad están dentro del rango establecido por la ASTM, pero muy bajos comparados con los valores reportados por otros autores, estos datos se refieren en el Anexo 2 y 3. Es importante decir que los bajos valores de punto de inflamación obtenidos, trae inconvenientes desde el punto de vista de almacenamiento y transportación ya que estos valores clasifican al biodiesel como un producto altamente inflamable..

(51) Conclusiones. Después de haber dado cumplimiento a los objetivos trazados en este trabajo, se pudo concluir que:. 1. El biodiesel da la oportunidad a la industria azucarera cubana a ser la protagonista de la nueva forma de obtención de biocombustibles a partir de recursos renovables.. 2. Se obtiene una metodología para la obtención de biodiesel a partir de aceite de cachaza.. 3. Se obtiene una mezcla de alcoholes de alto peso molecular, como producto colateral de la reacción de transesterificación.. 4. Se obtiene para el biodiesel obtenido tanto con metanol como con etanol, puntos de inflamación mayor que el mínimo exigido por la norma internacional ASTM..

(52) Recomendaciones. 1. Optimización a nivel de laboratorio de los parámetros de operación del proceso de obtención del biodiesel. 2. A partir de la realización de las pruebas de laboratorio obtener la cantidad necesaria de biodiesel que permita realizar otras pruebas de calidad según la norma ASTM y comparar estas con las del diesel regular..

(53) ANEXOS.. El ANEXO 1 ES UNA FOTOCOPIA. ANEXO 2.. Datos físico - químicos. Biodiesel. Diesel. Ester metílico ac. Grasos C12-C22 9500. Hidrocarburo C10-C21. 3,5 - 5,0. 3,0 - 4,5. 0,875 - 0,900 0. 0,850 0,2. Punto ebullición, °C. 190 - 340. 180 - 335. Punto inflamación, °C. 120 - 170. 60- 80. Punto escurrimiento, °C. -15 / +16. -35 / -15. 48 - 60. 46. 13,8. 15. Composición combustible. Poder calorífico inferior, kcal/kg (aprox.) Viscosidad cinemática, cst (a 40°C) Peso específico, g/cm3 Azufre, % P. Número cetanos Relación estequiométrica Aire/comb. p/p. 10800. Resumen de las características típicas del biodiesel y del diesel, según el Ing. Rodolfo José Larosa, Sociedad Agro-Industrial Italiana, 2003..

(54) ANEXO 3.. Datos utilizados por la Universidad Complutense de Madrid..

(55)