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Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Proyecto de generación de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales usados

Informe 3 Taller de Proyecto: Diseño de Procesos de Producción de Combustibles a Partir de Biomasa

05/09/2011

Prepararon:Daniela Benítez G.Catalina Bravo I.Eduardo Cortés R.

05 Septiembre 2011

Distribución:

Documento:

Prof. Oriana SalazarProf. Mª Elena LienqueoInforme Taller Proyecto Nº3

SemestreOtoño 2011Rev. 1


Índice

1. Introducción

2. Resumen

3. Resultados

4. Discusión

5. Conclusiones

6. Referencias

Página 1 de 18Preparado por: BioMás S.A. Para: EI2001 - 39 05 Septiembre 2011


Introducción

A nivel mundial el crecimiento demográfico es un problema difícil de frenar, cada día que pasa se explotan con mayor fuerza las materias primas para suplir las necesidades de los seres humanos y el planeta con sus diversos ecosistemas se llevan la peor parte.

Sin duda alguna en estos tiempos nos enfrentamos a un problema no menor que es la escasez de materias primas, si hablamos de ella, los combustibles fósiles y el problema energético a nivel global vienen a la cabeza. Las energías renovables no convencionales llegan a tiempo a nuestras vidas y nos abren un sinfín de oportunidades nuevas para solucionar estos problemas.

La materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía es llamada biomasa. El presente informe busca proponer al lector la generación de biodiesel de segunda generación, mediante el proceso de transesterificación, utilizando como materia prima los aceites vegetales de fritura usado.

Para poder entender mejor el proceso de producción del biodiésel es necesario mencionar ciertas características de los compuestos utilizados en tal proceso. De esta manera, se presenta la Tabla 1.

Compuesto Fórmula Química

Estado Físico a

temperatura ambiente

Punto de

Fusión (°C)

Punto de Ebullición

(°C)

Temperatura de Auto -

ignición (°C)

Densidad (gr/cm3)

Aceite: - Líquido -3,5 300 - 0,83Agua H2O Líquido 0 100 - 1,00

Metanol CH3OH Líquido -97,2 64,7 385 0,79

Hidróxido de sodio

NaOH Sólido 323 1390 - 2,10

Alcohol Isopropílico

H3C-H C OH-CH3

Líquido -89,0 82,0 399 0,79

Fenolftaleína C20H14C4 Líquido 258 - - 0,89Biodiésel - Líquido - 190-340 >100 0,88

Glicerina C3H5(OH)3 Líquido 18,0 290 350 1,26

Tabla 1. Principales propiedades de los compuestos utilizados a lo largo del proceso de producción del biodiesel. Indicación: Los valores que no encuentran escritos es debido a que no se encontró dicha información.

Para la elaboración de biodiesel es necesaria una serie de procesos, detallados a continuación.

Filtración: Como el aceite utilizado es de fritura, es posible que contenga partículas de comida, las cuales contienen agua. Si existe agua en la reacción, se obtiene jabón (saponificación), lo que dificulta la separación del biodiesel de la glicerina (C3H8O3). Para evitar esto, el aceite es calentado a 35°C aproximadamente para otorgarle una mayor fluidez a través del filtro y luego es secado, calentándolo a 60°C con el fin de quitarle los restos de agua.


http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono


http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno


http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno


Valoración: Mientras más veces sea utilizado el aceite se descompone más rápidamente, comenzando formar ácidos grasos, los cuales interfieren en la obtención de biodiesel, bajando la eficiencia de la reacción. Es por esto, que al aceite sufre un proceso de desacidificación, mediante el cual se neutralizan los ácidos grasos, por medio del catalizador básico (soda caústica). Para saber la cantidad exacta de hidróxido de sodio (NaOH) necesario para agregar al aceite, hay que determinar la acidez de éste. Primero se calienta y se agita una pequeña muestra del aceite, paralelamente se diluye la soda caústica en agua destilada. Es importante que la soda caústica no se mantenga mucho tiempo en contacto con el aire, ya que puede absorber vapor de agua y/o dióxido de carbono (CO2), lo que perjudica la formación de biodiesel. Luego se mezcla la muestra de aceite con el alcohol isopropílico, y se le añade la fenolftaleína. Posteriormente se agrega con un cuentagotas el hidróxido de sodio (NaOH) a la solución previamente mencionada. Finalmente la fenolftaleína indicara la cantidad de catalizador necesario para neutralizar los ácidos grasos del aceite.

Formación de Metóxido de Sodio (CH3ONa): Luego del proceso de valoración o titulación, se procede a disolver el catalizador básico (soda cáustica) en el metanol, por medio de agitación.

Transesterificación: La transesterificación es el proceso más estudiado y que mejores resultados entrega, además que los compuestos y utensilios a usar (a nivel de laboratorio) son de bajo costo y de fácil adquisición. Esta reacción consiste en el desplazamiento de un alcohol de un éster por otro. Es un proceso reversible, en el cual se utiliza exceso de alcohol para desplazar el equilibrio hacia la formación de ésteres. El alcohol a utilizar es el metanol (CH3OH), debido a que a lo largo de la reacción se da la formación de emulsiones las que son disueltas fácilmente, formando una capa rica en glicerol y otra de ésteres metílicos. Sin embargo el metanol no es miscible en los triglicéridos, por lo que se hace necesaria una agitación mecánica para favorecer la transferencia de masa.

Químicamente, la transesterificación consiste en tres reacciones consecutivas, el triglicérido es convertido sucesivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerol. Obteniéndose como productos finales, alquilésteres de los ácidos grasos del aceite y glicerol. En la figura 1 se representa la ecuación general de la reacción de transesterificación.

Figura 1. Reacción de Transesterificación.

En la figura 2 se presentan las tres reacciones que tienen lugar en la transesterificación.



Figura 2. Reacciones consecutivas desde triglicérido hasta Glicerina.

En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar su velocidad y el rendimiento final. Los catalizadores escogidos para este proceso son los homogéneos básicos, (específicamente el hidróxido de sodio, por su bajo costo) debido a su velocidad de reacción elevada, condiciones moderadas de presión y temperatura y utilización de la mayoría de las moléculas del catalizador, alcanzándose un rendimiento de un 98%. Sin embargo, los catalizadores básicos poseen una desventaja: la formación de jabón, esto se debe a que el aceite posea una alta cantidad de ácidos grasos y/o agua, por lo que es necesario la cantidad justa de base para neutralizar los ácidos grasos libres, ya que un exceso o un déficit genera jabones. Debido a esto es la importancia de la valoración. En la figura 3 se muestra la reacción secundaria de neutralización de ácidos grasos.

Figura 3. Reacción secundaria de neutralización de los ácidos grasos del aceite.

Decantación: Al finalizar la reacción de transesterificación, se obtienen como productos glicerina y alquilésteres (biodiesel), las cuales se separan en dos capas (la glicerina



se deposita en el fondo debido a su densidad) por medio de la decantación, proceso que tarda varias horas.

Lavado: Este proceso tiene como objetivo eliminar todos los posibles compuestos que hayan quedado en el biocombustible, ya sea alcohol, glicerina, soda cáustica o jabones. Como todos estos compuestos presentan buena solubilidad en agua y mala en biodiesel, este proceso consiste en agregar agua al biocombustible y agitarlo por unos minutos, el agua con las impurezas se irá al fondo del tanque y el biodiesel se quedara en la parte superior. Cuando se vea el agua pura, es posible seguir con el proceso de secado.

Secado: Una vez lavado el biodiesel, es necesaria una etapa de secado para eliminar los remanentes de agua. Este proceso consiste en conectar un compresor de aire a un tubo de cobre con orificios. La idea es crear burbujas que se transmitan a través de todo el biodiesel, para dar lugar a una interface que separe fácilmente al biocombustible del agua, y que ésta se evapore de forma eficiente.



Resumen

El biodiesel es un biocombustible que se obtiene del aceite vegetal. En el presente informe se describe el proceso de generación de biodiesel proveniente del aceite vegetal de fritura usado como materia prima. Este biocombustible se obtiene mediante el proceso de transesterificación con metanol y empleando un catalizador básico, en este caso, hidróxido de sodio. El proceso de producción de este biocombustible comprende, a grandes rasgos, las siguientes etapas: filtración, valoración, reacción de transesterificación, decantación. Luego, el biodiesel es lavado y finalmente secado.

El porcentaje de rendimiento del producto final, biodiesel fue de un 89,8%.

Se describe además la economía potencial del proyecto,



Resultados

Filtración

Diagrama:

Figura 4: Diagrama entrada salida del proceso de Filtrado.

Entrada

Aceite: 1556 gr.

Impureza: 100 gr.

Parámetros del filtro

% Retención Aceite = 5%

% Remoción Impurezas = 98%

Aceite

% Retención Aceite = 5% = Ac. Rem.*100 /Ac. Alim.

5% = Ac. Rem. *100/1556

Aceite en el Remanente = 5*1556/100 = 77,8 gr

Impureza

% Retención Impureza = 98%=Im. Rem. *100 / Im. Alim.

98% = Im. Rem.*100 / Im. Alim

Impureza en el Remanente = 98*100/100 = 98 gr



Balance Aceite

Aceite entrada = Aceite producto + Aceite retención

1556 = X + 77,8 => Aceite producto = 1478,2 gr

Balance Impureza

Impureza entrada = Impureza producto + Impureza retención

100 = Y + 98 => Impureza producto = 2 gr/hr

Especie Entrada Producto Remanente

Aceite [gr.] 1556 1478,2 77,8Impurezas [gr.] 100 2 98Masa Total [gr.] 1656 1480,2 175,8

Tabla 2: Resumen balance de masa proceso de filtrado

Secado:

Como el aceite usado suele contener partículas o impurezas de comida, están traen consigo agua, es por esto que debemos secar en su mayor grado posible toda la que este en nuestro aceite, para que la reacción sea más rápida y no genere la producción de jabón.

El proceso elegido es calentar el aceite a 60°C y mantenerlo por 15 minutos en ese estado, luego vaciar el aceite en un frasco nuevo y dejarlo reposar durante 24 horas. Se estima que el 90% del fluido reposado en la parte de arriba del decantador es aceite que debe seguir en el proceso y el 10% restante, es decir la parte inferior del decantador es aceite con presencia de agua y no debe seguir en el proceso.

Diagrama:

Figura 5: Diagrama entrada salida proceso de secado



Balance de masa:

Entrada: 1478,2 gr. de aceite

Salida: 1478,2*0.9 = 1330.38 gr. de aceite

Remanente: 1478,2 *0.1= 147,82 gr.

Especie Entrada Producto Remanente

Aceite [gr.] 1478,2 1330.38Agua [gr.] << 1% 147,82

Masa Total [gr.] 1478,2 1330,38 147,82Tabla 3: Resumen balance de masa proceso de secado

Valoración:

Como no sabemos cuál es la acidez del aceite en el proceso es necesario hacer una valoración, esta acidimetría nos entregará la cantidad optima de base (soda caustica) que debemos agregar al aceite para volverlo neutro.

El proceso elegido es el siguiente: se mezclaran 10mL de alcohol isopropílico, un 1 mL de aceite ya secado y 6 gotas de fenolftaleína en un recipiente de vidrio, paralelo a esto se debe hacer una solución al 1% de soda caustica (0,1 gr de NaOH en 100 mL de agua destilada); finalmente en el recipiente de vidrio se irá depositando gota con una pipeta la solución al 1% hasta que la fenolftaleína reaccione y la mezcla se torne de un color rosado claro.

Finalmente solo queda hacer los cálculos considerando lo siguiente: 1 gr de NaOH por cada mL de solución al 1% más 3.5 gr de NaOH por cada Litro de aceite. Por ejemplo si deseo preparar 2 litros de solución y gaste 2.4 mL de solución al 1% los cálculos son los siguientes (se considerará la densidad del aceite utilizado como 0,898 gr/ml, para efectuar los cálculos de volumen respecto a los de masa obtenidos de los procesos de filtrado y secado):

i) 2,4 gr de NaOH x 1,481 L = 3,55 gr de NaOH

ii) 3.5 gr de NaOH x 1,481 L = 5,18 gr de NaOH

Sumando i y ii obtenemos: 3,55 gr + 5,18 gr = 8,73 gr de NaOH

Normalmente se deben agregar entre 6 a 7 gramos de NaOH por litro de aceite usado, en el caso del aceite de restaurant que es un poco más ácido que el aceite casero que usaremos para nuestra producción, se deben agregar entre 9 y 11 mL de solución de NaOH al 1%.



Preparación del Metóxido de Sodio (CH3ONa)

Para la preparación de CH3ONa, se utilizará, a modo de estimación, una cantidad de metanol (CH3OH) igual al 20% del volumen que se tiene de aceite. Esto porque en la reacción de generación de metóxido de sodio (CH3ONa) es el hidróxido de sodio (NaOH) el reactivo limitante, pues éste se encuentra en menor cantidad de la necesaria para que reaccionen ambos compuestos de forma ideal.

Figura 6: Diagrama entrada salida proceso de preparación de metóxido de sodio

La reacción de generación del CH3ONa es la siguiente:

Na + CH3OH CH3ONa +½H2

Se observa que en esta reacción, el Na y el CH3OH interaccionan en una relación de 1:1 moles, considerando los pesos atómicos del sodio y del metanol, se tiene que deberían reaccionar

22,997 gr de Na con 32,018 gr. de CH3OH, pero en nuestro caso reaccionarán 8,73 gr. de Na con (1330,38*0,20) = 266,08 gr. de CH3OH.

Balance de masa:

Entrada:

Tenemos 8,73 / 22,997 = 0.38 moles de Na, que es el reactivo limitanteComo cada mol de Na produce 1 mol de CH3ONa, luego, lo máximo que podemos producir de CH3ONa son 0,38 moles.

Salida:

0.38 moles de CH3ONa => 0.38* 54,031 = 20,53 gr. de CH3ONa.

32,018*0,5 gr. de H2 = 16,009 gr. de H2

252 gr. de CH3OH en exceso.Página 10 de 18

Preparado por: BioMás S.A. Para: EI2001 - 39 05 Septiembre 2011


Transesterificación

Para este proceso una vez que logramos tener nuestro aceite totalmente libre de impurezas, agua y neutro, procedemos a verter el metóxido de sodio, es ahora cuando los ácidos grasos se separan de la glicerina y el metanol se une a ellos para formar metilésteres (Biodiesel), el hidróxido de sodio estabiliza la glicerina. La reacción de este proceso ocurre en un reactor y el fluido debe estar agitándose constantemente durante unos 60 minutos (la reacción suele completarse en menos tiempo, pero es mejor asegurar la máxima cantidad de biodiesel), también un poco de calor ayuda a la reacción ya que ayuda a que la glicerina no se solidifique y estropee la separación. A continuación se presenta la ecuación de la transesterificación:

Figura 7: Reacción de transesterificación

Diagrama:

Figura 8: Diagrama entrada salida proceso de transesterificación.

Balance de masa:

A pesar de que tenemos la ecuación de la reacción y que sabemos las proporciones de la misma, es de gran dificultad calcular con exactitud los gramos finales de metilésteres después de la transesterificación, esto es debido a que no se tiene en específico un tipo de triglicérido reaccionando sino un gran número de distintos triglicéridos, nuestro grupo no cuenta aún con la experiencia en el laboratorio de la producción de biodiesel con el catalizador que nosotros usamos para poder estimar un porcentaje de rendimiento o gramos finales, es por esto que el



rendimiento se estimará en base a estudios ya realizados referentes a la producción de biodiesel con aceites usados mediante el mismo catalizador.

Leung y col. realizan el estudio del efecto de la concentración de NaOH en la obtención de biodiésel a partir del aceite de colza y de aceite reciclado. Los resultados muestran que el valor óptimo de concentración de NaOH para el aceites de canola es de 1,0 Wt%(porcentaje peso, es decir en 100 gr de solución hay 1 gr de soluto) y para el aceite usado 1,1 Wt%. Puede concluirse que la concentración del catalizador tiene gran dependencia con el tipo de aceite usado (Leung et al., 2006). “Utilizando 1,0 Wt% de NaOH se ha obtenido también un 89,8% de rendimientos para aceites utilizados” (“Biodiesel: una alternativa ecosostenible”, Dr. Rolando Zanzi Vigouroux, Dra. Leila R. Carballo Abreu, MSc. Yasiel Arteaga Crespo).

Balance de masa:

20.53 gr de (CH3ONa) + 1330.38 gr = 1350.91

Ocupando el porcentaje de rendimiento citado anteriormente:

1350.91 x 0.898 = 1213.12 gr de metilésteres.

1350.91 x 0.102 = 123.78 gr de glicerina y subproductos (jabón, metanol y agua principalmente)

Masa inicial % de rendimiento Masa final1350.91 (gr) 89.8 1213.12 (gr) de biodiesel

10.2 123.78 (gr) subproductosTabla 4: Resumen balance de masa proceso de transesterificación

Sedimentación

Se dejará que la mezcla repose al menos durante una hora después de la reacción, manteniendo la temperatura por encima de 38º C (100º F). De esta forma la glicerina se mantiene semilíquida (solidifica por debajo de 38º C) y se hunde antes. Después hay que decantar el biodiesel con cuidado. Se pueden separar sacándolos por un agujero del fondo a través de un tubo transparente. La glicerina semilíquida es de color marrón oscuro; el biodiesel es del color de la miel.

Para este proceso el balance de masa es igual al expuesto en la transesterificación, ya que no hay reacciones químicas nuevas y solo se está separando el producto.

Lavado y Secado

En la introducción se explicaron los procesos de lavado y secado forma cualitativa. No se ahondará en las medidas cuantitativas dado que no involucran grandes reacciones químicas, a excepción de la mezcla en agua de las impurezas en el proceso de lavado. Por esto, se incluirán ambos diagramas de entrada y salida pero no sus balances de masa



Figura 9: Diagrama entrada salida del proceso de lavado del biodiesel

Figura 10: Diagrama entrada salida del proceso de secado del biodiesel



Diagrama Entrada – Salida del proceso general

Figura 11: Diagrama entrada salida del proceso total

Leyenda:

A: Aceite

AF: Aceite filtrado

AS: Aceite seco

Bd + G: Biodiesel + glicerina

Bd: Biodiesel

Bd. L: Biodiesel Lavado

CH3ONa: Metóxido de Sodio

CH3OH: Metanol

NaOH: Hidróxido de sodio

F: Filtración

S: Secado

T: Transesterificación

D: Decantación

L: Lavado

Sec: Secado del biodiesel

PM: Preparación del Metóxido.



Discusión

Como primer punto a abordar queremos referirnos al método que utilizamos para la producción de biodiesel. Consideramos que como primer acercamiento a lo práctico en este trabajo (que aun sigue siendo teórico) escogimos un proceso no muy complejo de tal manera que los datos experimentales no fueran una barrera en la visión a futuro de una real producción, caso particular fue el rendimiento de la transesterificación, ya que escogimos un valor de rendimiento expuesto en un trabajo realizado por expertos con características similares de aceite, catalizador y condiciones de la reacción, es por esto que creemos que nuestra estimación en los balances de masas siguen siendo válidos tomando en cuenta que si se realiza la producción se deben tomar las mismas consideraciones.

La saponificación o producción de jabón en la transesterificación es un proceso crucial, pues este afecta los rendimientos de la reacción y además la calidad del producto final, pero debemos tomar en cuenta que en diferentes referencias bibliográficas se utilizan distintos formas de evitar esta reacción ocupando catalizadores de mejor calidad como el hidróxido de potasio (KOH), nosotros consideramos la soda caustica (NaOH) porque es más barata y fácil de conseguir en alta pureza, también es válido mencionar que nuestro biodiesel está pensado para ser miscible con gasoil en distintas concentraciones por ende quizás tanta pureza no sea requerida para el fin que buscamos.

Finalmente queremos referirnos a una proyección de mayor escala, tomamos en cuenta que el proceso que elegimos sea totalmente factible en gran cantidad para la etapa 3 y final del proyecto, es por esto que queremos agregar que la elaboración de un reactor y de una cadena de producción para los pasos que decidimos seguir es posible y sus costos debido a los compuestos químicos que estamos utilizando y la infraestructura es totalmente realizable, gran plus en un proyecto que está a punto de pasar de una etapa teórica a la practica con aspiraciones económicas.



Conclusiones

Un gran paso a seguir en este proyecto es una experiencia experimental y la sesión de laboratorio nos ayudará de forma considerable a entender de una manera más tangible el proceso para poder plantear soluciones en relación al tiempo en las reacciones, la calidad del producto final y la sustracción o adición de algún proceso que mejore la cadena de producción.

El porcentaje de rendimiento estimado y utilizado nos permite saber que la cantidad de masa final es considerable en la relación a la masa inicial de aceite, es decir la producción se puede lograr a gran escala y su comercialización es posible. Además aunque no consideramos el uso de la glicerina como un sub producto económico no descartamos darle un uso final para mejorar una economía potencial futura; aun así debemos proponernos lograr un rendimiento mejor y determinar la cadena productiva que nos entregue el mayor beneficio posible con las condiciones que tengamos a nuestro alcance, ya sean económicas y de conocimiento, se ve difícil pero están los caminos a seguir para obtener buenos resultados.

Finalmente este trabajo nos ayudo a pensar más prácticamente y alejarnos del mundo teórico que generalmente tenemos en la universidad, dándonos una perspectiva de llevar lo aprendido en distintos ramos a lo práctico de formar una solución.



Referencias

ARBELÁEZ A., RIVERA M. (2007). Diseño conceptual de un proceso para la obtención de biodiesel a partir de algunos aceites vegetales colombianos. http://bdigital.eafit.edu.co/bdigital/PROYECTO/P660.2844CDA664/fulltext.pdf

HERRERA J., VELEZ J. (2008). Caracterización y aprovechamiento del aceite residual de frituras para la obtención de un combustible (biodiesel). http://recursosbiblioteca.utp.edu.co/tesisdigitales/texto/6626H565.pdf

PASQUALE G., RUIZ D. (2010). Biodiesel casero. Todo lo que hay que saber para fabricar un buen biodiesel. http://www.cedesu.org/attachments/article/69/Pasquale-Ruiz_Biodiesel%20Casero_STD%202_Cedesu.pdf

CASTRO P., CASTILLO L., NAZARIO M. Producción de biodiesel a pequeña escala a partir de aceites usados en la ciudad de lima. http://www.itdg.org.p/pubicaciones/pdf/aceitesusados.pdf

CHIAPELLA J. Reciclado de aceites vegetales usados. De la cocina al motor. http://www.inta.gov.ar/concepcion/informacion/documentos/mecaniza/Reciclado-De-Aceites-Vegetales_usado.pdf


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