Universidad Nacional del Centro del Perú
Facultad de Ingeniería Química
Evaluación de la dosis de Na(OH) y metanol en la producción de biodiésel a partir de los aceites usados de las pollerías
Gaspar Ñaña, Frank Joe Zorrilla Cavero, Paulo Cesar
Huancayo 2019
Esta obra está bajo licencia https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Repositorio Institucional - UNCP
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
“EVALUACIÓN DE LA DOSIS DE Na(OH) Y METANOL EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL A PARTIR DE LOS
ACEITES USADOS DE LAS POLLERIAS”
Tesis
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico del Gas Natural y Energía
Presentado por:
Gaspar Ñaña, Frank Joe Zorrilla Cavero, Paulo Cesar
HUANCAYO - PERU 2019
ii TITULO
“EVALUACIÓN DE LA DOSIS DE Na(OH) Y METANOL EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL A PARTIR DE LOS
ACEITES USADOS DE LAS POLLERIAS”
iii NOMBRE DEL ASESOR
Ms. Caty Ceras Cuadros
iv DEDICATORIA
A mi papá Leoncio Gaspar Quispe siempre presente en cada etapa de mi vida, a mi mamá Celestina Ñaña Soldevilla por todo su apoyo incondicional, ejemplo de disciplina y esfuerzo, por su amor y preocupación por brindarme una esmerada educación de calidad.
Frank Joe Gaspar Ñaña
A mi mamá Nilda Cavero y mi papá Pedro Zorrilla luchadores constantes, por sus palabras de aliento de seguir adelante que infundieron en mi fuerza de voluntad y tenacidad, a sus muestras de cariño, amor y apoyo incondicional, por brindarme la mejor educación.
Paulo Cesar Zorrilla Cavero
v AGRADECIMIENTO
Le damos gracias a Dios por iluminarnos y bendecirnos durante toda nuestra carrera y por este gran objetivo alcanzado. Muchas gracias a nuestros padres por su confianza, amor incondicional y la lucha constante que han tenido para sacarnos adelante, por brindarnos un hogar estable y ser siempre el mejor modelo a seguir, todo lo que somos se lo debemos a ellos, a sus esfuerzos, sacrificios y apoyo incondicional, nuestro triunfo no es más que el reflejo del trabajo y la formación que nos han dado a lo largo de una vida.
A la Universidad y a los docentes de nuestra gloriosa facultad de ingeniería química por la formación que nos brindaron, su interés constante por transmitirnos sus conocimientos y todo el apoyo brindado durante nuestra etapa universitaria.
A nuestra asesora de tesis ingeniera Caty Ceras Cuadros por todos sus consejos y correcciones y apoyo en el desarrollo de este proyecto.
vi RESUMEN
En el presente trabajo de investigación se dio una alternativa de solución a la problemática ambiental generada por los aceites usados de pollerías que generan impactos ambientales negativos en los recursos hídricos, para ello se planteó una alternativa de solución que es el aprovechamiento de la energía de este aceite usado para su conversión en biodiésel mediante un proceso de transesterificación alcalina, siendo el objetivo principal del estudio la evaluación del efecto de la dosis de Na(OH) y metanol en la producción de biodiésel a partir de los aceites usados en las pollerías; por lo cual se evaluó dos dosis de metanol (25 mL y 15 mL) y dos dosis de catalizador alcalino, NaOH (0,7 % en peso de aceite y 0,8 % en peso de aceite ); considerando estas dos variables independientes se realizó un pre tratamiento al aceite usado de pollerías recolectado en la ciudad universitaria El Tambo- Huancayo; seguidamente se le realizó una caracterización fisicoquímica al aceite, obteniendo una densidad de 0,893 g/mL, una viscosidad de 106,7393 mm2/s y con un índice de acidez de 1 mg NaOH/g.
Con estas características de aceite usado se realizó la producción de biodiésel mediante una transesterificación alcalina, para lo cual se usó 15 mL de metanol y una concentración de 0,7 % de NaOH en peso de aceite, se obtuvo un rendimiento de biodiésel del 78 %, cuyas características fisicoquímicas fueron 0,874 g/mL y 5,5366 mm2/s para la densidad y viscosidad del biodiésel respectivamente, dichos valores cumplieron con lo establecido en la norma ASTM, norma técnica peruana y la norma Europea EN 14214.
El biodiésel obtenido se analizó mediante Espectroscopia de transmisión de infrarrojos con trasformada de Fourier (FTIR), cuyo resultado mostro un pico de absorbancia de 1749,3 cm-1 característicos de los esteres metílicos.
vii ABSTRACT
In this research paper, there was an alternative solution to the environmental problema generated by used oils from pollerias that generate negative environmental impacts on water resources for its conversion into biodiesel through an alkaline transesterification process, the main objective of the study being the evaluation of the effect of doses of Na(OH) and methanol on the production of biodiesel from the oils used in the chicken shop; whereby two doses of methanol (25 mL and 15 mL) and two doses of alkaline catalyst, NaOH (0,7 % by weight of oil and 0,8 % by weight of oil) were evaluated;
considering these two independent variables, a pretreatment was carried out on the used oil from pollerias collected in the university city of El Tambo-Huancayo; next, a physicochemical characterization of the oil was performed, obtaining a density of 0,893 g/mL, a viscosity of 106,7393 mm2/s and an acid number of 1 mg NaOH/g.
With these characteristics of used oil, biodiesel production was carried out by means of an alkaline transesterification, for which 15 mL of methanol and a concentration of 0,7
% NaOH by weight of oil were used, a biodiesel yield of 78 % was obtained. , whose physicochemical characteristics were 0,874 g/mL and 5,5366 mm2/s for the density and viscosity of biodiesel respectively, these values complied with the provisions of the ASTM standard, Peruvian technical standard and the European standard EN 14214.
The biodiesel obtained was analyzed by infrared transmission spectroscopy with Fourier transform (FTIR), the result of which showed an absorbance peak of 1749,3 cm-1 characteristic of methyl esters.
viii INTRODUCCIÓN
El aumento de la producción de aceites usados para freír de fuentes domésticas e industriales es un problema creciente en todo el mundo. Este residuo se vierte regularmente por el desagüe, lo que resulta en problemas para plantas de tratamiento de aguas usados y la pérdida de energía, o se integra en la cadena alimentaria a través de alimentación animal, convirtiéndose así en una causa para problemas de salud en las personas. Hay varios usos finales para estos residuos, como la producción de jabones o de energía por digestión anaerobia y más recientemente la producción de biodiésel, un combustible que puede usarse como combustible sustituto de motores (Felizardo et al., 2006).
El aceite usado de pollería en una problemática ambiental presente en cada ciudad del país, al que no es ajeno la ciudad universitaria del Tambo, Huancayo; para no contaminar ni desperdiciar la energía que se podría generar con el aceite usado de pollería hoy en día se ha venido investigando el uso del aceite usado de pollerías para la obtención de biodiésel; la producción de biodiésel consiste en la transesterificación de las materias primas, aceites y grasas vegetales, utilizando una breve cadena de alcohol, la reacción produce un éster y un subproducto, glicerol, también conocido como glicerina. El combustible así obtenido funciona de manera similar al diésel, con la ventaja de reducir las emisiones de efecto invernadero porque es un recurso renovable (Meher, Vidya Sagar, y Naik, 2006)
En relación a lo expuesto anteriormente, el presente trabajo de investigación busca evaluar la dosis de metanol y de catalizador en la producción de biodiésel a partir de aceites usados de pollerías, por lo cual la hipótesis general de la investigación fue demostrar que la evaluación de la dosis de metanol y catalizador favorece al rendimiento del biodiésel en un 90 %.
El presente trabajo consta de dos capítulos; en el primer capítulo se realiza la revisión de la literatura, presentando los antecedentes el a investigación, el marco teórico y el marco conceptual, resaltando la revisión de la literatura principalmente de biodiésel, proceso de producción de biodiésel, reacción de transesterificación, catalizadores y aceite usado de pollerías.
En el segundo capítulo se presenta la metodología a seguir para la obtención del biodiésel, describiendo los proceso realizados desde la recolección de los aceites usados, su pre tratamiento y el proceso de transesterificación usando dos dosis de metanol( 15 mL y 25 mL ) y dos dosis distintas de hidróxido de sodio (0,7 % en peso de aceite y 0,8 % en peso
ix de aceite); una vez obtenido el biodiésel, se describe el procedimiento a realizar para caracterizarlo, con la finalidad de verificar si cumple o no con la norma técnica peruana y con la norma ASTM además de la norma European EN 14214.
Finalmente, en el capítulo tres se da la descripción de los resultados obtenidos, describiendo la caracterización del aceite usado de pollería, y el rendimiento del biodiésel obtenido mediante la reacción de transesterificación del aceite usado de pollerías con catalizador, se observa que el mejor rendimiento alcanza un valor de 78 %, valor que se obtienen cuando se utilizó 15 mL de metanol y una concentración de catalizador de 0,7
% en peso de aceite; además se presenta la densidad y viscosidad que presento el biodiésel de mayor rendimiento; y por ultimo para contrarrestar los resultados obtenidos se realiza la contrastación de hipótesis utilizando el análisis ANOVA para un diseño factorial.
x OBJETIVOS
Objetivo general:
Evaluar el efecto de la dosis de Na(OH) y metanol en la producción de biodiésel a partir de los aceites usados de las pollerías.
Objetivos específicos
Determinar el efecto de la dosis de Na(OH) en la producción de biodiésel a partir de los aceites usados de las pollerías.
Determinar el efecto de la dosis del metanol en la producción de biodiésel a partir de los aceites usados de las pollerías.
Determinar las características físicas y químicas del biodiésel obtenido a partir de aceites usados de las pollerías.
xi SIMBOLOGÍA UTILIZADA
Min. Minutos
NaOH Hidróxido de sodio
mL Mililitros
FTIR Espectroscopía de transmisión de infrarrojos con transformada de Fourier
h Horas
pH Potencial de hidrogeno
𝜌 Densidad
𝑚 Masa
𝑣 Volumen
𝑁 Concentración normal
𝑃𝑀 Peso molecular
𝜇 Viscosidad cinemática
𝑔 Gravedad específica
𝑟 Radio de una esfera
𝜌𝑠 Densidad del sólido
𝜌𝑙 Densidad del líquido
𝑝𝑎 Peso de aceite
𝑔 Gramos
𝑁𝑁𝑎𝑂𝐻 Normalidad del hidróxido de sodio
𝑃𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 Peso molecular del hidróxido de sodio
𝐷 Dosis de metanol
DC Dosis de catalizador
AGL Ácidos grasos libres
xii INDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA ... iv
AGRADECIMIENTO ... v
RESUMEN ... vi
INTRODUCCIÓN ... viii
OBJETIVOS ... x
SIMBOLOGÍA UTILIZADA ... xi
INDICE DE CONTENIDO ... xii
ÍNDICE DE TABLAS ... xiv
ÍNDICE DE FIGURAS ... xvi
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ... 17
1.1. Antecedentes de la investigación ... 17
1.2. Marco teórico... 23
1.2.1. Biodiésel ... 23
1.2.2. Técnicas de transesterificación ... 27
1.2.3. Tratamiento previo del aceite ... 28
1.2.4. Pasos de la transesterificación ... 30
1.2.5. Post tratamiento del biodiésel... 31
1.2.6. Variables que afectan la reacción de transesterificación ... 32
1.3. Marco conceptual:... 33
2. PARTE EXPERIMENTAL ... 34
2.1. Materiales, reactivos y equipos ... 34
2.1.1. Materiales ... 34
2.1.2. Reactivos ... 34
2.1.3. Equipos... 34
2.2. Metodología experimental... 35
2.2.1. Adecuación de la materia prima antes de la experimentación ... 35
xiii
2.2.2. Proceso de producción del biodiésel ... 39
2.2.1. Caracterización del biodiésel: ... 41
3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS... 43
3.1. Resultados ... 43
3.1.1. Caracterización del aceite usado de pollerías ... 43
3.1.2. Caracterización del biodiésel producido ... 45
3.2. Discusión de resultados ... 50
3.2.1. Evaluación del efecto de la dosis de NaOH en la producción de ………. biodiésel ... 50
3.2.2. Evaluación del efecto de la dosis de metanol en la producción de ……... biodiésel ... 53
3.2.3. Características físicas y químicas del biodiésel producido a partir de …. aceite usado de pollerías ... 55
3.2.4. Caracterización física del biodiésel producido ... 58
3.3. Contrastación de hipótesis ... 59
3.3.1. Análisis factorial para la obtención de biodiésel a partir de diferentes … dosis de metanol y NaOH ... 59
3.3.2. Comparaciones en parejas de Fisher ... 62
3.3.3. Contrastación de las hipótesis de la investigación... 64
4. CONCLUSIONES ... 69
5. RECOMENDACIONES ... 70
6. BIBLIOGRAFÍA ... 71
7. ANEXOS ... 74
xiv ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Composición del aceite de varios aceites comestibles. ... 244
Tabla 2: Propiedades físicas y químicas del biodiésel de diferentes fuentes de aceite ... en comparación con el diésel derivado del petróleo ... 255
Tabla 3: Técnicas actuales disponibles para convertir aceite comestible usado ... en biodiésel. ... 27
Tabla 4: Ventajas y desventajas de las técnicas para convertir aceite comestible usado ... en biodiésel ... 28
Tabla 5: Esquema experimental según la dosis de metanol ... 42
Tabla 6: Características fisicoquímicas del aceite usado de pollerías ... 43
Tabla 7: Grupos funcionales presentes en la muestra de aceite usado de pollerías ... 44
Tabla 8: Volumen de biodiésel obtenido a partir de aceite usado de pollerías ... 45
Tabla 9: Rendimiento de biodiésel obtenido a partir de aceite usado de pollerías ... 466
Tabla 10: Densidad del biodiésel obtenido a partir de aceite usado de pollerías ... 466
Tabla 11: Viscosidad del biodiésel obtenido a partir de aceite usado de pollerías ... 47
Tabla 12: Grupos funcionales presentes en la muestra de biodiésel producido de ... aceite usado de pollerías con NaOH a una concentración de 0,7% en peso de aceite .... 48
Tabla 13: Grupos funcionales presentes en la muestra de biodiésel obtenido de ... aceite usado de pollerías con NaOH a una concentración de 0,8 % en peso de aceite ... 50
Tabla 14: Viscosidad del biodiésel obtenido a partir de aceite usado de pollerías ... 58
Tabla 15: Análisis de varianza ANOVA para la obtención de biodiésel a partir de ... aceite usado ... 60
Tabla 16: Resumen del modelo para la obtención de biodiésel a partir de aceite ... usado ... 61
Tabla 17: Procedimiento para obtener biodiésel a partir de diferentes dosis de metanol .. y catalizador... 62
Tabla 18: Análisis de Varianza ... 63
Tabla 19: Agrupación de la información utilizando el método LSD de Fisher y ... una confianza de 95% ... 63
Tabla 20: Estadísticas descriptivas para contrastación de la hipótesis general ... 645
Tabla 21: Agrupación de la información utilizando el método de Tukey y una ... confianza de 95 % ... 65
Tabla 22: Agrupación de la información utilizando el método de Tukey y una ... confianza de 95 % ... 65
xv Tabla 23: Estadísticas descriptivas para la densidad comparada con la norma ...
Europea EN14214 ... 66 Tabla 24: Estadísticas descriptivas para la densidad comparada con la norma ASTM .. 67 Tabla 25: Estadísticas descriptivas para la viscosidad comparada con la norma ...
Europea EN14214 ... 67 Tabla 26: Estadísticas descriptivas para la densidad comparada con la norma ASTM ...
y la norma técnica peruana ... 68
xvi ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Reacción de transesterificación para producir biodiésel ... 31 Figura 2: Adecuación de la materia ... 36 Figura 3: Pasos para la producción de biodiésel ... 40 Figura 4: Esquema del proceso de producción de biodiésel a partir de aceite de ...
pollerías ... 40 Figura 5: Espectro del aceite usado de pollerías analizado por FTIR... 44 Figura 6: Espectro del biodiésel producido en la réplica I, II y III a partir de aceite ...
usado de pollerías analizado por FTIR, utilizando NaOH a una concentración de ...
0,7 % en peso de aceite ... 48 Figura 7: Espectro del biodiésel producido en la réplica I, II y III a partir de aceite ...
usado de pollerías analizado por FTIR, utilizando NaOH a una concentración de ...
0,8 % en peso de aceite ... 49 Figura 8: Rendimiento de biodiésel producido con 15 mL de metanol y diferentes ...
dosis de catalizador ... 51 Figura 9: Gráfica de dispersión de 3D para el rendimiento de biodiésel a diferentes ...
dosis de catalizador (NaOH) ... 52 Figura 10: Gráfica de efectos principales para el rendimiento de biodiésel a ...
diferentes dosis de metanol ... 53 Figura 11: Gráfica de superficie para el rendimiento de biodiésel a diferentes dosis ...
de metanol ... 54 Figura 12: Espectros de aceite usado y biodiésel producido utilizando NaOH a ...
una concentración de 0,7 % en peso ... 56 Figura 13: Espectros de aceite usado y biodiésel producido utilizando una ...
concentración de catalizador de 0,8% en peso de aceite ... 57 Figura 14: Gráfica de probabilidad normal para la obtención de biodiésel a partir ...
de diferentes dosis de metanol y catalizador ... 59 Figura 15: Gráfica de Pareto de efectos estandarizados para la obtención de ...
biodiésel ... 62
17 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1. Antecedentes de la investigación
Los autores (Ullah, Bustam, y Man, 2015) investigaron la producción de biodiésel a partir de aceite de cocina de palma de desecho utilizando un líquido iónico ácido como catalizador; realizaron un proceso de dos pasos, es decir, la esterificación y la transesterificación; encontraron que el hidrógeno sulfato de butil-metil imidazolio líquido iónico (BMIMHSO4) es efectivo debido a su cadena lateral más larga, obtuvieron un mayor rendimiento de biodiésel con 5 % en peso de BMIMHSO4, metanol: aceite de 15 L, tiempo de reacción de 60 minutos, a 160
°C, y velocidad de agitación de 600 rpm, que redujo el valor de ácido del aceite de cocina de desecho por debajo de 1,0 mg KOH/sol; el segundo paso de la transesterificación catalizado por KOH a 60 °C, 1,0 % en peso y 60 minutos de tiempo de reacción, el rendimiento final fue del 95,65 % en peso, el biodiésel sintetizado se analizó mediante La resonancia magnética nuclear(RMN), infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA) y cromatografía de gases (GC), y sus propiedades fisicoquímicas se determinaron mediante métodos estándar ASTM.
En el trabajo de investigación realizado por (Mahesh, Ramanathan, Begum, y Narayanan, 2015) sintetizaron un catalizador heterogéneo (KBr/CaO) a partir de óxido de calcio comercial y bromuro de potasio mediante el método de impregnación húmeda; este catalizador sólido se probó para la transesterificación del aceite de cocina de desecho (OMA), variaron los parámetros de reacción de transesterificación para obtener el máximo rendimiento de biodiésel; encontraron que las condiciones óptimas obtenidas usando modelos de regresión fueron 12:1 de metanol: aceite, 3 % en peso de carga de catalizador y 1,8 h de tiempo de reacción; los resultados indicaron que la eficiencia térmica de los frenos, las partículas, los hidrocarburos no quemados, las emisiones de monóxido de carbono se redujeron al aumentar la concentración de biodiésel en las mezclas de combustible, mientras que el consumo específico de combustible, las emisiones de NOx y la temperatura de los gases de escape aumentaron.
Los autores (Reyero, Arzamendi, Zabala, y Gandía, 2015) formularon un modelo cinético para la etanólisis catalizada por NaOH de aceite de girasol; las principales
18 novedades del modelo fueron la incorporación del equilibrio hidróxido/etóxido y las reacciones de saponificación; la relación molar de etanol a aceite y la concentración de catalizador tuvo una gran influencia en el rendimiento; a 50 °C y una concentración inicial de NaOH de 0,3 % en peso, necesitaron una relación molar de etanol a aceite de 24:1 para obtener una conversión de aceite de girasol por encima del 99 %; en estas condiciones, el 80 % del NaOH se convirtió finalmente en jabones; la reacción de etanólisis también se caracterizó por rendimientos relativamente altos de diglicéridos y especialmente monoglicéridos, que alcanzaron valores de hasta el 10 % incluso con una conversión de aceite casi completa, lo que es perjudicial para la calidad del biodiésel producido; las energías de activación de las reacciones de etanólisis variaron entre 48,7 kJ/mol para la conversión de triglicéridos en diglicéridos y 53,9 kJ/mol para la formación de glicerol a partir de monoglicéridos, estos valores fueron ligeramente más bajos que la energía de activación de las reacciones de saponificación (57,9 kJ/mol).
En la investigación realizada por (Wu et al., 2016) investigaron la influencia de la bentonita en la metanólisis catalizada con NaOH del aceite de soja y los mecanismos de reacción que lo acompañan, encontraron que una introducción adecuada de bentonita pudo promover la metanólisis, al eliminar rápidamente el agua del sistema, la bentonita mejoro la transformación de NaOH a las especies de metóxido catalíticamente activas, además, las principales reacciones secundarias fueron significativamente inhibidas; la metanólisis de los triglicéridos tuvo lugar en la fase líquida en lugar de en la fase sólida; la introducción de la bentonita también redujo la concentración de jabón en el biodiésel crudo, lo cual fue beneficioso para el tratamiento posterior para generar biodiésel refinado.
En la investigación de (Felizardo et al., 2006) estudiaron la transesterificación de los aceites de fritura de residuos con el fin de lograr las mejores condiciones para la producción de biodiésel, las reacciones de transesterificación se llevaron a cabo durante 1 h utilizando aceites de freír de desecho (WFO), metanol e hidróxido de sodio como catalizador; llevaron a cabo una serie de experimentos, utilizando metanol / WFO relaciones molares entre 3,6 y 5,4 y relaciones de peso catalizador / WFO entre 0,2 % y 1,0 %, para aceites con un índice de acidez de 0,42 mg KOH/g, los resultados mostraron que una relación metanol/WFO de 4,8 y una
19 relación catalizadora/WFO de 0,6 % proporciona el mayor rendimiento de ésteres metílicos.
(Refaat, 2010) estudió la producción de biodiésel a partir de aceite vegetal usado que ofrece una solución de triple faceta: económica, gestión ambiental y de residuos, los investigadores destacaron los principales cambios que ocurren en el aceite durante la fritura e identificó las características del aceite después de la fritura y los efectos anticipados de los productos formados en el proceso de fritura sobre la calidad del biodiésel además reviso las diferentes técnicas utilizadas en la producción de biodiésel a partir de materiales reciclados aceites, destacando las ventajas y limitaciones de cada técnica y las condiciones de optimización para cada proceso, asimismo investigó las tecnologías emergentes que pueden utilizarse en este campo, la calidad del biodiésel producido a partir del aceite vegetal usado, el rendimiento de los motores alimentados con este biodiésel y destacó las características de las emisiones de escape que resultan de él.
El investigador (Phan y Phan, 2008), realizó una transesterificación catalizada por álcalis de aceites de cocina de desecho, recolectados en la ciudad de Ho Chi Minh, Vietman, con metanol en un reactor a escala de laboratorio, investigó los efectos de la relación del metanol/residuos de aceites de cocina, la concentración de hidróxido de potasio y la temperatura en la conversión de biodiésel, obtuvo un rendimiento de biodiésel del 88 % – 90 % a las relaciones metanol/aceite de 7: 1–
8: 1, a temperaturas de 30 °C – 50 °C y 0,75 % en peso de KOH. Los resultados mostraron que el biodiésel experimentó un rango de ebullición más alto, pero mucho más estrecho que el diésel convencional, el contenido de residuos de carbono fue de hasta 4 % en peso; las mezclas con un porcentaje del biodiésel por debajo del 30 % en volumen tenían sus propiedades físicas dentro de Norma EN14214, que indicaba que estos podrían usarse en motores sin una modificación importante.
En la investigación de (Encinar, González, Rodríguez, y Tejedor, 2002) realizaron un estudio de la reacción de transesterificación del aceite de Cynara cardunculus L. mediante etanol usando hidróxido de sodio e hidróxido de potasio como catalizadores, posteriormente caracterizaron los ésteres etílicos para su uso como
20 biodiésel en motores de encendido por compresión, emplearon variables de operación como: temperatura (25 °C - 75 °C), tipo de catalizador (hidróxido de sodio e hidróxido de potasio), concentración de catalizador (0,25 % - 1,5 % en peso) y relación molar de etanol/aceite (3:1 - 15:1), además fijaron una masa de aceite (200 g), el tiempo de reacción (120 min) y el tipo de alcohol (etanol) como parámetros comunes en todos los experimentos. La evolución del proceso fue seguida por cromatografía de gases, determinando la concentración de los ésteres etílicos a diferentes tiempos de reacción, asimismo, determinaron la densidad, viscosidad, alto valor de calentamiento, índice de metano, características de destilación, y puntos de inflamación y combustión del biodiésel según las normas ISO; se obtuvo un biodiésel con mejores propiedades utilizando una relación molar etanol/aceite de 12: 1, hidróxido de sodio como catalizador (1 %) y temperatura de 75 °C.
En la investigación de (Nisar et al., 2017) investigaron los huesos de animales modificados con hidróxido de potasio (KOH) como catalizador de base sólida heterogénea para la transesterificación de aceite de Jatropha no comestible, caracterizaron el catalizador preparado por espectroscopía de rayos X dispersivos de energía (EDX), difracción de rayos X en polvo (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis termogravimétrico (TGA), el catalizador preparado presentó una excelente estabilidad, por eso que tiene un uso potencial como catalizador heterogéneo para la producción de biodiésel a partir de aceite de Jatropha con un alto rendimiento de ácido graso libre (FFA), las condiciones óptimas fueron una relación molar de metanol/aceite, 9: 1, temperatura de calcinación, 900 °C y concentración de catalizador, 6,0 % en peso de aceite correspondiente a un rendimiento máximo de ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) del 96,1 % a una temperatura de 70 ± 3 °C en tiempo de reacción de 3 h.
(Dang y Nguyen, 2018) investigaron la extracción, las caracterizaciones físicas y químicas del aceite de café Robusta (CO) y su aplicación para la producción de biodiésel, los análisis de siete muestras de café molido (CG) mostraron que el contenido de aceite en los CG dependía de la técnica del fabricante, mostraron los cambios morfológicos de la superficie de los CG se registraron mediante la técnica FESEM, observando que el tamaño de partícula aumentó significativamente con
21 la pérdida de aceite, las espectroscopias infrarrojas revelaron ausencia de aceite SCG en el SCG sin aceite, confirmó que el método soxhlet en hexano se usó eficientemente para la extracción de aceites de muestras de aceite SCG, café molido fresco (FCG), SCG y SCG sin aceite fueron investigadas por TG – DTA;
los datos obtenidos mostraron el contenido de aceite relacionado con los cambios térmicos de las muestras SCG; después del proceso de pretratamiento, la transesterificación de los aceites SCG se realizó con metanol (v/v, 30 %) y NaOH (w/v, 1 %) en rendimiento 89,2 %.
En la investigación de (Urribarrí et al., 2014), evaluaron el uso de borras de café para la producción de biodiésel, extrajeron el aceite de las borras de café utilizando un sistema de reflujo y utilizando el hexano como solvente, una vez obtenido el aceite realizaron la reacción de transesterificación con KOH como catalizador y en presencia de metanol; en el biodiésel producido analizaron su composición de ésteres metílicos de ácido palmítico, linoleico, oleico y esteárico; las condiciones para la obtención de una mayor conversión de aceite en biodiésel fue una relación molar de aceite: metanol de 1:6 concentración de KOH de 1,5 %, agitación de 400 rpm 70 °C de temperatura y una hora de reacción.
(Falcon Ramirez y Guerrero Vejarano, 2016) obtuvieron biodiésel a partir de aceite usado doméstico, primero caracterizaron el aceite el cual presentó un índice de acidez de 0,3976 mg de NaOH/g de aceite, éste parámetro les ayudó a determinar cuánto catalizador fue necesario para la transesterificación, utilizando 0,3861 g de NaOH por 100 mL de aceite usado doméstico, las variables que evaluaron fueron las cantidades de metanol(20 mL, 30 mL, 40 mL,50 mL y 60 mL), temperatura ( 45 °C, 55 °C y 65 °C), el proceso de transesterificación duro dos horas y posteriormente lavaron el biodiésel obtenido, identificando que las condiciones óptimas que lograron un rendimiento de 79,4 % fueron de 45 °C a 65
°C y 40 mL de metanol.
En la investigación de (Espitia Cubillos, Delgado Tobón, y Aperador Chaparro, 2018) analizaron el uso del aceite de copaiba para la producción de biodiésel;
caracterizaron el aceite de copaiba y el biodiésel obtenido, determinando su viscosidad, índice de acidez, humedad y punto de inflamación; el proceso de
22 transesterificación generó un a perdida de 10 % de aceite, sin embargo el refinado y la transesterificación influyeron positivamente en la estabilización oxidativa de la oleorresina, las características del biodiésel obtenido fueron punto de fluidez inferior a -39 °C y sus valores de viscosidad y densidad hacen que la oleorresina pueda utilizarse como un biocombustibles o en combinación con gasóleo.
23 1.2. Marco teórico
1.2.1. Biodiésel
El biodiésel es el monoalquil éster de los ácidos grasos de cadena larga derivados de materias primas renovables, como el aceite vegetal o las grasas animales, para uso en motores de encendido por compresión. El biodiésel, que se considera un posible sustituto del combustible diésel convencional, está compuesto de ácido metílico graso, estos ésteres pueden prepararse a partir de triglicéridos, aceites ingeribles mediante transesterificación con metanol. El biodiésel resultante es bastante similar al combustible diésel convencional en sus principales características (Meher et al., 2006).
El término bio indica la fuente biológica de biodiésel, en contraste con el diésel convencional. El biodiésel es un líquido transparente con un color amarillo claro. Tiene un punto de ebullición a más de 200 °C, un punto de inflamación entre 145 °C – 175 °C y una presión de vapor (condiciones normales) inferior a 5 Pa. También es insoluble en agua, es biodegradable y tiene reactividad estable. Sin embargo, deben evitarse los agentes oxidantes fuertes (Yaakob, Mohammad, Alherbawi, Alam, y Sopian, 2013).
La transesterificación se ha utilizado en la producción de biodiésel a partir del aceite vegetal. El proceso más común en la producción de biodiésel es la transesterificación, que involucra el alcohol y aceite vegetal en presencia de un catalizador para producir biodiésel. Utilizando este método el biodiésel tiene una viscosidad baja, lo que evita daños graves al motor. El alcohol que se utiliza en este proceso es el metanol ya que es económico (Yaakob et al., 2013).
El biodiésel es superior al diésel a base de petróleo porque es renovable, biodegradable, no tóxico, relativamente amigable con el medio ambiente (Knothe, Sharp, y Ryan, 2006), tiene un bajo contenido de azufre y emisiones, alta lubricidad, contenido aromático y mejores propiedades de punto de inflamación e ignición (Phan y Phan, 2008).
Actualmente, el biodiésel está atrayendo la atención mundial como un componente de mezcla o reemplazo directo para el combustible diésel en motores de vehículos. Típicamente, el combustible biodiésel contiene
24 menos ácidos grasos de alquilo y ésteres de alcoholes de cadena corta, principalmente, metanol o etanol.
A. Fuentes de materias primas para la elaboración de biodiésel Se conocen dos fuentes comunes de grasa y aceite para elaborar biodiésel como los tejidos adiposos de animales, cultivos oleaginosos, además también se tiene a las algas, aceites usados de cocina y grasas usadas que se generan en las trampas de grasa (Breu, Guggenbichler, y Wollmann, 2008).
B. Composición del aceite
Un criterio importante para determinar la idoneidad del aceite como materia prima para la producción de biodiésel es la composición del propio aceite. La composición del aceite determinará posteriormente las propiedades del biodiésel obtenido. La composición para varios tipos de aceites comestibles se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1:Composición del aceite de varios aceites comestibles.
Composición de ácidos grasos (%)
Formula
molecular Aceite palma de
Aceite
de soya Aceite de colza
Oleico C18H34O2 40,0 23,0 64,1
Linoleico C18H32O2 10,0 51,0 22,3
Palmítico C16H32O2 45,0 10,0 3,5
Esteárico C18H36O2 5,0 4,0 0,9
Linolénico C18H30O2 - 7,0 -
Eicosenoico C20H38O2 - - -
Ricinoleico C18H34O3 - - -
Dihidroxiestearico C18H36O4 - - -
Palmitoleico C16H30O2 - - 0,1
otros - - - 9,1
Fuente: (Gui, Lee, y Bhatia, 2008)
Los ácidos grasos en los aceites se clasifican en ácidos grasos saturados e insaturados. Los primeros incluyen ácido esteárico, palmítico y dihidroxiesteárico, mientras que los últimos incluyen ácido oleico, linoleico, ricinoleico, palmitoleico, linolénico y eicosenoico. El aceite de ricino tiene la composición más exclusiva con aproximadamente 89,5 % de ácido ricinoleico. El ácido ricinoleico también se conoce como ácido de aceite de ricino, ácido graso insaturado que es soluble en la mayoría de los disolventes orgánicos (Gui et al., 2008).
25 C. Propiedades de biodiésel de diferentes materias primas
Aparte del costo de las materias primas, otro factor importante a considerar es las propiedades del biodiésel obtenido de varios tipos de aceite. Las propiedades del biodiésel varían de acuerdo con la composición de ácidos grasos en el aceite de alimentación que se usa para producir biodiésel. Las propiedades del biodiésel tienen que ser comparables o mejores que el aceite diésel derivado del petróleo para garantizar que se pueda utilizar en un motor diésel sin ninguna modificación. Las propiedades incluyen el punto de inflamación, la viscosidad, el número de cetan, el punto de nube, el punto de fluidez, el valor calorífico, el índice de acidez, las propiedades de contenido de cenizas y el flujo de frío (Gui et al., 2008).
La Tabla 2 muestra algunas de las propiedades físicas y químicas importantes del biodiésel producido.
Tabla 2: Propiedades físicas y químicas del biodiésel de diferentes fuentes de aceite en comparación con el diésel derivado del petróleo
Parámetros Aceite de colza
Aceite palma de
Aceite de soya
Diésel derivado del
petróleo
Viscosidad a 40 °C 4,50 4,42 4,08 2,60
Gravedad específica 0,882 0,860-
0,90 0,885 0,850
Valor calorífico
(MJ/kg) 37,00 - 39,76 42
Punto de
inflamabilidad (ºC) 170 182 69 68
Punto de congelación
(ºC) -4 15 -2 -
Punto de fluidez (°C) -12 15 -3 -20
Contenido de cenizas
(wt %) - 0,020 - 0,010
Valor de acidez (mg
KOH/g) - 0,08 - -
Fuente: (Gui et al., 2008)
D. Ventajas del uso de biodiésel
Proporciona un mercado para el exceso de producción de aceites vegetales y grasas animales (Gerpen, 2005).
El biodiésel es renovable y no contribuye al calentamiento global debido a su ciclo cerrado de carbono. Un análisis del ciclo de vida del biodiésel mostró que las emisiones totales de CO2 se redujeron en un
26 78 % en comparación con el combustible diésel basado en el petróleo (John Sheehan, Vince Camobreeo, James Duffieled, 1998).
Las emisiones de escape del monóxido de carbono, los hidrocarburos no quemados y las emisiones de partículas del biodiésel son menores que con el combustible diésel normal (Gerpen, 2005).
Cuando se agrega al combustible diésel regular en una cantidad igual al 1 % – 2 %, puede convertir combustible con malas propiedades lubricantes, como el combustible diésel moderno con muy bajo contenido de azufre, en un combustible aceptable (Gerpen, 2005).
E. Desventajas del uso de biodiésel
Los aceites vegetales ocupan una posición destacada en el desarrollo de combustibles alternativos, aunque ha habido muchos problemas asociados con su uso directo en motores diésel (especialmente en motores de inyección directa) (Meher et al., 2006). Estos incluyen:
La coquificación y la formación de trompeta en los inyectores en tal medida que la atomización del combustible no se produce correctamente o incluso se evita debido a orificios tapados.
Depósitos de carbono.
Anillo de aceite pegado.
Engrosamiento o elificación del aceite lubricante como resultado de la contaminación por los aceites vegetales.
Problemas de lubricación.
Alta viscosidad (alrededor de 11 a 17 veces más alta que el combustible diésel)
Las volatilidades más bajas que causan la formación de depósitos en los motores debido a la combustión incompleta.
Características de vaporización incorrectas.
Estos problemas están asociados con una gran molécula de triglicéridos y su mayor masa molecular y se evitan modificando el motor menos o más de acuerdo con las condiciones de uso y el aceite involucrado. Los motores modificados fabricados por Elsbett en Alemania y Malasia y Diésel Morten und Geraetebau GmbH (DMS) en Alemania y en Estados Unidos
27 muestran un buen rendimiento cuando se alimentan con aceites vegetales de diferente composición y clasificación (Meher et al., 2006).
1.2.2. Técnicas de transesterificación
Las técnicas actuales disponibles para convertir el aceite comestible usado en biodiésel. A pesar de los cambios en las propiedades físicas y químicas del aceite comestible usado en comparación con el aceite comestible fresco, ambas materias primas del petróleo aún pueden convertirse en biodiésel utilizando un método similar; es decir, mediante una reacción catalítica usando un catalizador alcalino, un catalizador ácido y una enzima o por una reacción no catalítica en la reacción de transesterificación supercrítica. Sin embargo, el alto contenido de ácido graso libre y agua en el aceite comestible usado ha provocado una transesterificación catalizada por alcalinos, que no produce ninguna reacción. Un método más adecuado sería a través de una reacción supercrítica no catalítica o el método de transesterificación de dos etapas que consiste en una reacción catalizada por ácido seguida de una reacción catalizada por álcali. La tabla 3 resume las técnicas de transesterificación recientemente introducidas para convertir aceite comestible usado en biodiésel.
Tabla 3: Técnicas actuales disponibles para convertir aceite comestible usado en biodiésel.
Técnica Descripción Eficiencia
de biodiésel (%) Transesterificación
catalizada por ácido
Aceite comestible usado transesterificado con metanol catalizado por ácido sulfúrico
99 % a 4 h de reacción Transesterificación
catalizada de base sólida.
Transesterificación de aceite comestible usado con metanol catalizado por óxido de calcio como catalizador de base sólida
99 % a 2 h de reacción
Transesterificación catalizada por ácido alcalino
Paso 1: el ácido graso libre esterificado con metanol catalizado por sulfato férrico como catalizador ácido.
Paso 2: Transesterificación con metanol catalizado por hidróxido de potasio.
En general:
97,02 % a las 5 h de reacción.
Tratamiento previo con gel de sílice
seguido de
Paso 1: el aceite comestible usado fue tratada previamente
con silica gel como absorbente 99 %
28 transesterificación
catalizada por alcalinos.
para eliminar el contenido de ácidos grasos libres
Paso 2: Transesterificación de aceite comestibles usado con metanol utilizando NaOH como catalizador alcalino
Transesterificación catalizada por lipasa
La lipasa se inmovilizó en una reacción de transesterificación hidrotalcita y catalizada a temperatura ambiente
95 % a 105 h de reacción
Fuente: (Gui et al., 2008)
A. Ventajas y desventajas de las técnicas de transesterificación La tabla 4 resume presenta las ventajas y desventajas de las técnicas de transesterificación para convertir aceite comestible usado en biodiésel.
Tabla 4: Ventajas y desventajas de las técnicas para convertir aceite comestible usado en biodiésel
Técnica Ventajas Desventajas
Transesterificación
catalizada por ácido Alto rendimiento en biodiésel.
Catalizador ácido causa corrosión en equipos.
Transesterificación catalizada de base sólida.
Alto rendimiento de biodiésel en el tiempo de reacción
Alto rendimiento de biodiésel en el tiempo de reacción
Transesterificación catalizada por ácido alcalino
Alto rendimiento en biodiésel.
Fácil recuperación de catálogos.
Involucra procesos de dos pasos.
Podría requerirse un mayor costo de producción
Tratamiento previo con gel de sílice
seguido de
transesterificación catalizada por alcalinos.
Alto rendimiento en biodiésel.
Característica del biodiésel obtenido similar al biodiésel de aceite fresco comestible
Involucra procesos de dos pasos.
Por lo tanto, un mayor costo de producción puede ser requerido
Transesterificación catalizada por lipasa
Habilitar la
transesterificación a temperatura ambiente.
Largo tiempo de reacción
Podría no ser factible para la producción a gran escala
Fuente: (Gui et al., 2008)
1.2.3. Tratamiento previo del aceite
Es un proceso que se aplica para producir biodiésel. Una de las ventajas que posee será la procedencia natural del alcohol ya que se elaboran de materias renovables que son la remolacha de maíz, caña de azúcar, etc.
29 Generalmente el biodiésel es producido utilizando aceites comestibles semirrefinados con buenas características de humedad y acidez. Un gran problema para procesar las materias primas baratas es que poseen muchos ácidos grasos libre, gomas u otro proceso de transesterificación alcalina (Gerpen, 2005).
A. Desgomado
Este proceso sirve para disminuir la cantidad de fosfátidos y fosfolípidos en los aceites. La cantidad de agua que se utiliza para eliminar las gomas debe ser directamente al peso seco de las gomas, pero si se realiza el proceso de desgomado con un ácido se debe de calentar con cierta agitación.
B. Neutralización, lavado y secado
Para neutralizar se debe hacer reaccionar el aceite con una solución alcalina como es el 𝑁𝑎𝑂𝐻 con el fin de eliminar los ácidos grasos libres.
Primero, se debe calentar el aceite hasta aproximadamente a 85 °C y enseguida se debe aplicar el 𝑁𝑎𝑂𝐻 con una cantidad suficiente que neutralice los ácidos grasos (Gerpen, 2005).
A continuación, se muestra la reacción álcali con los ácidos grasos libres, resulta un jabón
𝑅 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝑁𝑎𝑂𝐻 → 𝑅 − 𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎 + 𝐻2𝑂
Se puede observar la formación del jabón (𝑅 − 𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎) siendo la finalidad de este proceso es la eliminación de los ácidos grasos libres y la disminución de los fosfolípidos y materia coloreada (Gerpen, 2005).
C. Esterificación ácida de los ácidos grasos libres
Este proceso permite la eliminación de los ácidos grasos libres en el aceite, pero también nos permite aprovecharlos para generar biodiésel (Meher et al., 2006).
A continuación, se muestra la reacción:
á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑔𝑟𝑎𝑠𝑜 + 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 á𝑐𝑖𝑑𝑜 ↔ 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑎𝑔𝑢𝑎 Cuando el aceite se encuentra caliente se agrega metanol para que reaccionen los ácidos grasos libres, usando ácido sulfúrico como catalizador. Posteriormente, se separa el agua a través de la centrifugación
30 o decantación y lo que resta es la mezcla del aceite y biodiésel con menos de 1 % de ácidos grasos libre (Meher et al., 2006)
D. Filtrado y secado
Se sabe que, si la materia prima son aceites utilizados, pues estos contienen impurezas sólidas y humedad. Para eliminar la humedad se requiere del proceso de evaporación al vacío o utilizando sales absorbentes. Por último, el proceso de filtrado se debe realizar en caliente antes del proceso de transesterificación (Meher et al., 2006).
E. Winterización
El proceso de winterización es utilizado para eliminar algunos constituyentes, esta técnica se utiliza para enfriar y filtrar la muestra (filtro- prensa), por otro lado, separa los glicéridos del punto fusión provocando el enturbamiento y aumenta la viscosidad de los aceites (Meher et al., 2006).
1.2.4. Pasos de la transesterificación
La primera operación consiste en disolver el catalizador sólido (hidróxido de sodio o potasio – NaOH o KOH) en el alcohol (metanol o etanol). La cantidad de catalizador a utilizar depende de la acidez del aceite, pero suele variar entre un 0,5 % y 1 %. Se necesita aproximadamente media hora de agitación constante para lograr una disolución completa. Si se trabaja con un catalizador líquido (metiláto de sodio no se requiere este paso), a continuación, se realiza la transesterificación propiamente dicha. En plantas de producción pequeñas este proceso se realiza por lotes, pero en plantas de gran escala se realiza en reactores de flujo continuo. Para que la reacción sea completa se requiere un tiempo de reacción de 1 hora a 60 °C de temperatura, o de 4 horas a 32 °C de temperatura, por último, la transesterificación resulta en la separación de dos fases: una fase más viscosa y densa, que consiste en una mezcla de glicerol, jabones, catalizador, metanol y agua, y una fase más liviana, que consiste en los metil-ésteres, también con metanol, una menor proporción de catalizador y jabones, y mono- y di glicéridos. Se requiere de un tanque decantador donde ambas fases se puedan separar por gravedad, o de una centrífuga para separarlas más rápidamente. Asimismo, se puede añadir agua luego
31 de la transesterificación para mejorar la separación del glicerol (Meher et al., 2006).
La reacción que se da para la producción del biodiésel mediante el proceso de transesterificación, se da a continuación (Gerpen, 2005).
Figura 1: Reacción de transesterificación para producir biodiésel Fuente: (Gerpen, 2005)
En la figura 1 se observa que la reacción de una molécula de triglicérido con tres moléculas de metanol y mediante un catalizador producen una mezcla de esteres grasos y 1 molécula de glicerina, además R1, R2 y R3 representan cadenas largas de hidrocarburos, a veces llamadas cadenas de ácidos grasos. Solo hay cinco cadenas que son más comunes en el aceite de soja y las grasas animales (otras están presentes en pequeñas cantidades) (Gerpen, 2005).
1.2.5. Post tratamiento del biodiésel
Luego de la transesterificación y la separación de las dos fases – biodiésel y glicerol – se requiere de un pos tratamiento para asegurar que el biodiésel cumpla con los estándares de calidad exigidos, pues éste aún contiene impurezas derivadas del proceso: parte del metanol en exceso, posiblemente jabones, y trazas de catalizador, el lavado se realiza con agua acidulada que se mezcla con el biodiésel. Los jabones se convierten en ácidos grasos libres y en sales solubles en agua. El lavado se hace por lo menos 2 veces, hasta eliminar el usado de catalizador alcalino y efluente sea claro; finalmente, los metil-ésteres lavados se secan (con calor y vacío) para separar toda el agua restante y se filtran. El producto de este proceso es el biodiésel terminado, (Gerpen, 2005).
32 1.2.6. Variables que afectan la reacción de transesterificación
El proceso de transesterificación se ve afectado por diversos factores que dependen de la condición de reacción utilizada. Los efectos de estos factores se describen a continuación.
A. Efecto del ácido graso libre y la humedad
El contenido de ácido graso libre y la humedad son parámetros clave para determinar la viabilidad del proceso de transesterificación de aceite vegetal. Llevar a la base la reacción catalizada hasta su finalización; se necesita un valor de ácido graso libre inferior al 3 %. Cuanto mayor sea la acidez del aceite, menor será la eficiencia de conversión. Tanto el exceso como la cantidad insuficiente de catalizador pueden causar la formación de jabón (Meher et al., 2006).
B. Tipo de catalizador y concentración
Los catalizadores utilizados para la transesterificación de triglicéridos se clasifican como alcalinos, ácidos, enzimas o catalizadores heterogéneos, entre los cuales los catalizadores alcalinos como el hidróxido de sodio, el metóxido de sodio, el hidróxido de potasio y el metóxido de potasio son más efectivos(Ma y Hanna, 1999).
C. Relación molar de alcohol a aceite y tipo de alcohol
Una de las variables más importantes que afectan el rendimiento del éster es la relación molar de alcohol a triglicérido. La relación estequiométrica para la transesterificación requiere tres moles de alcohol y una mol de triglicérido para producir tres moles de ésteres alquílicos de ácidos grasos y una mol de glicerol. Sin embargo, la transesterificación es una reacción de equilibrio en la que se requiere un gran exceso de alcohol para conducir la reacción hacia la derecha. Para la conversión máxima al éster, se debe usar una relación molar de 6:1. Sin embargo, la alta relación molar de alcohol a aceite vegetal interfiere con la separación de la glicerina porque hay un aumento en la solubilidad (Meher et al., 2006).
D. Efecto del tiempo de reacción y la temperatura
La tasa de conversión aumenta con el tiempo de reacción, la transesterificación puede ocurrir a diferentes temperaturas, dependiendo del aceite utilizado (Meher et al., 2006).
33 E. Intensidad de la mezcla
La mezcla es muy importante en la reacción de transesterificación, ya que los aceites o las grasas son inmiscibles con la solución de hidróxido de sodio y metanol. Una vez que se mezclan las dos fases y se inicia la reacción, ya no es necesario agitar (Meher et al., 2006).
1.3. Marco conceptual:
Aceite vegetal usado: Se denomina aceite vegetal usado cuando estos han sido desnaturalizados a través de un tratamiento térmico, variando las características fisicoquímicas del producto antes de ser utilizado. Los desechos de aceites usados son generados en forma continua (Gui et al., 2008).
Biocombustibles. Son considerados a los combustibles que se producen utilizando como materia prima restos orgánicos. Normalmente esto restos orgánicos son semillas, maíz, trigo o azúcar (Greenwell, Lloyd-evans, Wenner, y Greenwell, 2013).
Biodiésel: El biodiésel se define como los ésteres alquílicos simples de ácidos grasos producidos a partir de aceites vegetales y grasas animales (Lou, Zong, y Duan, 2008).
Combustible. Se denomina combustible a todo material que libere energía cuando se halle oxidado de forma violenta y desprendiendo calor. Dicho de otra forma, los combustibles son toda sustancia que es susceptible a ser quemada (Greenwell et al., 2013).
Glicerina. La glicerina es un lípido que se encuentra formado por una molécula de propanotriol que se unen por enlaces lipídicos; los grupos hidróxidos OH- serán responsables para la solubilidad en el agua (Meher et al., 2006).
Hidróxido de sodio. Es un compuesto químico inorgánico y es considerado como una fuerte base común, se pueden utilizar en distintas industrias. La mayoría de las aplicaciones explotan la reactividad con ácidos y la corrosividad natural (Ma y Hanna, 1999).
Transesterificación. Se conoce como proceso de transesterificación al intercambio del grupo alcoxi de un éster por un alcohol. Y se utilizan como catalizador a un ácido o una base (Meher et al., 2006).
34 2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Materiales, reactivos y equipos 2.1.1. Materiales
2 vasos precipitados de 1 L
5 vasos precipitados de 250 mL
8 vasos precipitados de 200 mL
4 vasos precipitados de 500 mL
4 vasos de 100 mL
4 Varillas de vidrio
Termómetro
4 Barra magnética
4 Embudos de decantación de 500 mL
10 tubos de ensayo con rosca
4 lunas de reloj
Espátula
Picnómetro
2 probetas graduadas de 50 mL
Pipeta de 5 mL
Propipeta
3 buretas
Goteros
3 soportes universales 2.1.2. Reactivos
Metanol 99 %
Hidróxido de sodio (NaOH)
Alcohol isopropílico
fenolftaleína 2.1.3. Equipos
Balanza analítica
pH metro
agitador magnético
35 2.2. Metodología experimental
El tipo de investigación que se aplicó fue experimental (experimento en el laboratorio), debido a que se manipularon las variables en las condiciones exactas que se deseó creando situaciones (Campbell y Stanley, 1982).
La investigación dividió el procedimiento experimental en tres partes la primera fue la adecuación de la materia prima (aceite de pollerías), generación del biodiésel y, por último, la caracterización del biodiésel. Las corridas experimentales se realizaron en el laboratorio de la Universidad Nacional del Centro del Perú
2.2.1. Adecuación de la materia prima antes de la experimentación A. Recolección del aceite usado
Los aceites usados que se utilizaron como materia prima se recolectaron de las pollerías que se encuentran ubicadas en ciudad universitaria en el distrito de El Tambo-Huancayo.
Las muestras se recolectaron en frascos de color ámbar y se transportaron en un cooler para mantener su temperatura constante y reducir la velocidad de los procesos químicos que representan algún deterioro en la materia prima (Ortiz Rojas, 2012).
B. Filtración del aceite usado
Se calentó el aceite hasta 80 °C con el propósito de que la muestra se encuentre más fluida (Lopéz, Bocanegra, y Malagón romero, 2015).
Se utilizó telas para eliminar las impurezas del aceite.
C. Evaporación del agua presente en el aceite usado
Para eliminar el agua que presentaba el aceite se realizó los siguientes pasos:
Se calentó el aceite hasta 90 °C - 100 °C (Asbún y Amurrio Derpic, 2010a) y se mantuvo la temperatura mientras se fue evaporando el agua, este proceso se mantuvo en agitación constante para evitar que la formación de burbujas de vapor
Todo este el proceso de evaporación se realizó durante un periodo de tiempo de 15 minutos (Asbún y Amurrio Derpic, 2010b).
Por último, se dejó enfriar a temperatura ambiente.
36
Figura 2: Adecuación de la materia Fuente: Elaboración propia
D. Caracterización del aceite
Una alícuota de 10 mL se mandó al laboratorio de análisis por instrumentos de la Universidad Nacional del Centro del Perú en donde se realizó un ensayo de espectroscopia de transmisión de infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR), que determinó la presencia de ácidos grasos libres y de ésteres metílicos (Lopéz et al., 2015).
Además del análisis FTIR se analizó parámetros físicos del aceite como densidad y viscosidad y parámetros químicos como el índice de acidez e índice de saponificación, que se describen a continuación.
a. Procedimiento experimental para hallar la densidad del aceite de pollerías
Se pesó una probeta vacía en la balanza analítica y se taro.
Se vertió el aceite hasta marcar un volumen exacto en la probeta y se anotó el peso marcado por la balanza
Con los datos obtenidos en los pasos anteriores se reemplazan en la siguiente ecuación
𝜌 = 𝑚
𝑣 ……… (1)
37 Donde:
𝜌= densidad del aceite (g/mL) 𝑚= masa del aceite (g)
𝑣 =Volumen del aceite (mL)
b. Procedimiento experimental para hallar la viscosidad del aceite de pollerías
Para hallar la viscosidad del aceite de pollerías se utilizó la ecuación de Stokes descrito en (Espinoza Gerrero y Palmay Paredes, 2009).
𝜇 =2∗𝑔∗𝑟2∗(𝜌𝑠−𝜌𝑙)
9∗𝑣 … … … …(2) Donde
𝜇= viscosidad del aceite (m2/s) 𝑔 =gravedad (9,81 m/s2) 𝑟 =radio de la esfera (m)
𝜌𝑠=densidad de la esfera (g/mL) 𝜌𝑙=densidad del aceite (g/mL)
𝑣=velocidad de la esfera en el fluido (m/s)
c. Procedimiento experimental para hallar el índice de acidez del aceite usado de pollerías
Antes de hallar el índice de acidez del aceite se preparó 1 L de NaOH a una concentración de 0.1N.
Para determinar la masa de NaOH a diluir en un 1 L de agua destilada se aplicó la siguiente fórmula (Falcon Ramirez y Guerrero Vejarano, 2016)
𝑚𝑎𝑠𝑎 = 𝑀 × 𝑉 × 𝑃𝑀 …………(3) Dónde:
V= volumen en L de agua destilada PM= peso molecular del NaOH M = concentración molar del NaOH
Considerando que la relación de normalidad y molaridad presentan un factor (𝜃) de 1 para el NaOH
𝑁 = 𝜃 × 𝑀……….. (4) Se deduce que 𝑁 = 1 = 𝑀
38 Reemplazando valores se obtuvo:
𝑚𝑎𝑠𝑎 =0.1 𝑚𝑜𝑙
𝐿 × 1 L × 40 𝑔 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑎 = 4 𝑔 de NaOH
Para hallar el índice de acidez se valoró una muestra de aceite con NaOH a 0.1N.
o Se llenó una bureta con la sustancia titulante hidróxido de sodio (NaOH) y se anotó su volumen inicial.
o En un vaso precipitado de 50 mL se depositó 1 g de aceite usado de pollerías, seguidamente, se añadió 20 mL de alcohol isopropílico, además de tres gotas de fenolftaleína, esta solución se agitó constantemente.
o Se añadió gota a gota el NaOH hasta que la solución se tornó color rosado y permaneció así durante aproximadamente 30 segundos, una vez realizado esto se detuvo la titulación y se anotó el volumen final del NaOH.
o Se halló el volumen del gasto del titulante restando su volumen inicial con su volumen final.
o Con los datos obtenidos en la titulación se aplicó la fórmula (5) 𝐼𝐴 =𝑉∗𝑁𝑁𝑎𝑂𝐻∗𝑃𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻
𝑝𝑎 (5) Donde
V= Volumen gastado del titulante, hidróxido de sodio (NaOH) 𝑁𝑁𝑎𝑂𝐻= Normalidad del hidróxido de sodio (NaOH)
𝑃𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻= Peso molecular del hidróxido de sodio (NaOH) 𝑝𝑎= Peso del aceite de pollería utilizado
d. Procedimiento experimental para hallar el contenido de ácidos grasos libres (AGL) en el aceite de pollerías
Según (Mueanmas, Nikhom, Petchkaew, Iewkittayakorn, y Prasertsit, 2019)
Se aplicó el procedimiento anterior, pero la fórmula fue la siguiente:
%𝐴𝐺𝐿 =𝑉∗𝑁𝑁𝑎𝑂𝐻∗26,75
𝑝𝑎 …………(6)
El 26,75 representa al peso molecular promedio del ácido graso libre en (% en peso) presente en al aceite usado.
39 2.2.2. Proceso de producción del biodiésel
A. Preparación del metóxido:
El volumen de metanol utilizado fue de 15 mL y 25 mL mientras que la cantidad del catalizador osciló entre 0,7 % en peso de aceite y 0,8 % en peso de aceite según (Phan y Phan, 2008).
Para preparar el metóxido se disolvió el catalizador (NaOH) en un volumen de metanol, posteriormente se dejó reposar por 8 horas (Calderón, Isaías, Monterrosas Santamaría, y Arroyo Tapia, 2013).
e. Transesterificación
Se ingresaron 50 mL en un balón de 250 mL con el metóxido preparado con las diferentes dosis de metanol y NaOH que permitió determinar el efecto que produce la variación de estas dosis en la producción de biodiésel a partir de los aceites usados en las pollerías (Refaat, 2010).
Para que la reacción sucediera se elevó la temperatura del proceso hasta 60 °C, temperatura menor a la temperatura de evaporación del metanol (Lopéz et al., 2015).
El tiempo de reacción fue de 90 minutos y la agitación fue de 300 rpm, ambos constantes.
f. Sedimentación de la glicerina
Una vez terminado el proceso de transesterificación, se apagó el agitador magnético se depositó el biodiésel generado a un embudo de decantación de 250 mL y se dejó decantar por un tiempo de 24 h (Lopéz et al., 2015), este proceso permitió la separación de dos fases la que presentaba una gran densidad, la glicerina por lo que se encontraba en la parte inferior del decantador y el biodiésel que se encontraba en la parte superior.
g. Lavado y secado del biodiésel
Se midió el pH del biodiésel obtenido después de la decantación siendo un valor de 7 en todos los casos por lo cual no necesito realizar el lavado a ninguna muestra.
40
Figura 3: Pasos para la producción de biodiésel Fuente: Elaboración propia
Figura 4: Esquema del proceso de producción de biodiésel a partir de aceite de pollerías Fuente: Elaboración Propia
41 2.2.1. Caracterización del biodiésel:
Para la caracterización del biodiésel obtenido, se tomó una alícuota de 5 mL y fue enviado al laboratorio de análisis por instrumentación de la UNCP donde analizaron el contenido de ácidos grasos libres y de metiléster presentes en la muestra.
Además, se determinó la densidad, la viscosidad del biodiésel obtenido, siguiendo el procedimiento de la caracterización del aceite mostrado en el apartado D (pág. 36 al 38)
