Sintesis Refinacion Biodiesel
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Escuela de Bioquímica y Farmacia UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR · FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Síntesis y Refinación de biodiesel y glicerina obtenidos a partir de grasa vegetal
Quito DM, Marzo 2007
Análisis Orgánico Funcional
Química de Alimentos
William Calero Cáceres · Erika Chicaiza·Wilson Chicaiza·David Vizuete
2do Química de Alimentos A
Índice Páginas
Proceso para la producción de Biodiesel
1
Objetivos del Proyecto
1
Introducción
1
Mecanismo de Reacción
2
Producción de Biodiesel
3
Reactivos
3
Materiales
3
Procedimiento
3
Bibliografía de la técnica
10
Procedimiento experimental Primera Parte: Valoración de la acidez de la materia grasa
11
Segunda Parte: Purificación del metanol
12
Tercera Parte: Preparación del metóxido de sodio
13
Cuarta Parte: Transesterificación de los ésteres metílicos y glicerina
14
Quinta Parte: Separación del biodiesel y purificación de la glicerina
15
Sexta Parte: Lavado del biodiesel
15
Rendimiento Experimental Conclusiones del Rendimiento Análisis
17 17 18
Ensayo de estabilidad oxidativa
19
Ensayo de componentes del biodiesel luego del lavado
19
Ventajas del biodiesel
20
Discusiones y Recomendaciones
21
Conclusiones Generales
22
Comentario
22
Bibliografía
23
Anexos
24
Proceso para la producción de BIODIESEL (metilester o esteres metílicos de ácidos grasos) Refinación de glicerina
Objetivos del Proyecto
1. Transesterificar materias grasas vegetales para la obtención de biodiesel (metilester o esteres metílicos de ácidos grasos).
2. Refinar la glicerina obtenida como subproducto de la producción de biodiesel.
3. Comprobar analíticamente la pureza de los productos obtenidos mediante métodos cromatográficos e instrumentales.
BIODIESEL
Introducción:
El Biodiesel es un combustible sustituto del gas-oil para motores diesel, el cual puede ser producido partiendo de materias primas agrícolas (aceites vegetales y/o grasas animales), aceites o grasas de fritura usados 1 y metanol o etanol (estos también puede ser obtenidos a partir de productos agrícolas) 2 3 .
El biodiesel posee las mismas propiedades del combustible diesel empleado como combustible para automóviles, camiones, ómnibus y puede ser mezclado en cualquier proporción con el diesel obtenido de la refinación del petróleo.
No es necesario efectuar ninguna modificación en los motores para poder emplear este combustible. Importantes fabricantes de vehículos europeos efectuaron pruebas con resultados satisfactorios en automóviles, camiones y ómnibus.
1
Quimica Nova, Costa, Rossi 24(4) 2000
2
Chemical Engineering 100, 2, Feb 1993
3
La Chimica Verde ‒ Italo Pasquon ‒Luciano Zanderighi ‒ Hoepli ‒Milano 1987
1
Mecanismo de la reacción de transesterificación 4
4
Schuchardt, U., Sercheli, R. & Vargas, R.M.., (1998). Transesterification of Vegetable Oils. J. Braz.
Chem Soc. Vol. 9 N° 1
2
PRODUCCIÒN DE BIODIESEL:
Reactivos 1. Aceite de cocina usado o nuevo 2. Metanol 99% mínimo 3. Hidróxido de sodio p.a. 4. Alcohol isopropílico 99% mínimo 5. Agua destilada 6. Solución de fenolftaleína 7. Ácido acético o vinagre Materiales 1. 2 vasos de precipitación de 1000 mL 2. 3 matraces Erlenmeyer de 1000 mL 3. Embudos de separación 4. Equipo de destilación 5. Termómetro 6. Bureta 7. Probeta 8. Pipetas de varias escalas 9. Agitadores mecánicos o taladro con mezclador de pintura 10. 2 Frascos de polietileno de 1000 mL y 1 de 250 mL 11. Cocineta Procedimiento 1. Filtra el aceite para quitarle los restos sólidos. 2. Caliéntalo para quitarle el agua 3. Efectuar la valoración según la cantidad de biodiesel a obtener 4. Preparar el metóxido de sodio. 5. Calentar el aceite, y verter dentro el metóxido mientras se agita 6. Deja que sedimente, separar la glicerina. 7. Lavar y secar el producto final. 8. Comprobar su calidad.
Este proceso se llama transesterificación, y es similar a la saponificación. En esta reacción las cadenas de ester, también llamadas lípidos, se separan de la glicerina y se unen al sodio para
3
formar jabón. Uno de sus extremos es atraído por moléculas polares como el agua, y el otro es atraído por moléculas apolares como el aceite. Esa es la característica que hace útiles a los jabones.
En la transesterificación la hidróxido de sodio y el metanol se unen para formar metóxido de sodio (Na+ CH3O-). Cuando se mezcla el metóxido con aceite, rompe las uniones de la molécula de aceite, liberando glicerina y ácidos grasos. Estos últimos se unen al metanol formando biodiesel, y un poco de jabón a veces. Si se utiliza metanol el producto final se llama metiléster, y si se utiliza etanol se llama etiléster. 1. Filtrado Filtrar el aceite para quitarle los restos de comida. Pueda que tenga que calentarlo hasta 35º C (95º F), aproximadamente, para que esté más fluido y pase bien por el filtro. Puede usar un paño o un filtro de café. 2. Quitar el agua Mucha gente calienta el aceite para quitarle el agua. El aceite que ha sido utilizado para cocinar suele contener agua, que ralentiza la reacción y favorece la saponificación. Cuanta menos agua, mejor. Así es como lo hacen. Hay que calentar hasta 100º C (212º F) y mantener la temperatura mientras el agua se evapora. Agita constantemente para evitar que se formen burbujas de vapor, que luego explotan salpicando aceite caliente. También puedes drenar el agua según se va hundiendo hasta el fondo; después puedes recuperar el aceite que se haya ido con el agua.
Cuando empiece a salir menos vapor aumenta la temperatura hasta 130º C (265º F) y mantenla durante diez minutos. Luego deja de calentar y espera a que se enfríe. 3. Valoración Para saber cuanto hidróxido de sodio es necesaria, hay que medir la acidez del aceite con un método que se llama valoración. Es la parte más importante y más difícil del proceso. La valoración debe ser lo más exacta posible.
Preparar una disolución de un gramo de hidróxido de sodio en un litro de agua destilada asegurándote de que queda totalmente disuelta. Esta muestra sirve como valor de referencia en
4
la valoración. Es importante que esta disolución no se contamine porque será utilizada en muchas valoraciones.
Mezclar en un recipiente pequeño 10 ml de alcohol isopropílico con 1 ml del aceite (asegurar de que es exactamente 1 ml). Coger la muestra de aceite después de haberlo calentado y agitado.
Añade dos gotas de fenolftaleína, que es un indicador ácido-base incoloro en presencia de ácidos, y rojo en presencia de bases.
Con un cuentagotas graduado (que permita medir décimas de mililitro), o algún otro instrumento calibrado, poner en la disolución de aceite/isopropílico/fenolftaleína gotas de la solución de hidróxido de sodio. Cada gota debe tener dos décimas de ml, medidas con mucha exactitud.
Después de cada gota agita vigorosamente la disolución. En climas fríos puede que el aceite se espese y tengas que hacer la valoración dentro de casa. Si todo sale bien la disolución se volverá magenta (rosa) y mantendrá ese color durante diez segundos. El magenta indica un pH de entre 8 y 9 (mira la fotografía de la columna izquierda de esta página, "Color de la muestra cuando el pH es correcto"). Es importante que heches la cantidad exacta para alcanzar ese pH, ¡no pongas más gotas de las necesarias! El objetivo de la valoración es averiguar el número de ml de solución de hidróxido de sodio necesarios para alcanzar un pH de entre 8 y 9.
Es recomendable hacer la valoración más de una vez para comprobar que la medida sea correcta. Dependiendo del tipo de aceite, de la temperatura que alcanzó en la freidora, de los alimentos que fueron cocinados en él y del tiempo de uso, la cantidad de disolución de hidróxido de sodio necesaria en la valoración suele ser de entre 1,5 y 3 ml. También sirven el papel tornasol y los medidores de pH digitales en sustitución de la fenolftaleína. Si pruebas con aceite de cocina sin usar, necesitará mucha menos hidróxido de sodio para alcanzar el pH 8-9.
El cálculo El siguiente paso es calcular la cantidad de hidróxido de sodio necesaria para la reacción. Multiplica el número de ml medidos en la valoración por el número de litros de aceite que vas a convertir en biodiesel.
En el cálculo hay que incluir algo más. Cada litro de aceite que NO ha sido cocinado (aceite nuevo) necesita 3,5 gr de hidróxido de sodio para la reacción. Por eso hay que sumar 3,5 gr de hidróxido
5
de sodio por cada litro de aceite cocinado que se vaya a transesterificar.
Por ejemplo: en la valoración fueron necesarios 2,4 ml para alcanzar el pH 8-9 y vas a usar 150 litros de aceite.
2,4 g hidróxido de sodio x 150 L aceite = 360 g hidróxido de sodio 3,5 g hidróxido de sodio x 150 L aceite = 525 g hidróxido de sodio 360 g + 525 g = 885 gramos de hidróxido de sodio
Otro ejemplo: si el resultado de la valoración hubiera sido de 1,8 ml la cantidad final de hidróxido de sodio habría sido de 795 gramos.
Normalmente hacen falta entre seis y siete gramos de hidróxido de sodio por cada litro de aceite.
Lotes de prueba Las primeras veces que hagas esto, y también cuando vayas a procesar grandes cantidades de aceite, debes hacer pequeñas pruebas de un litro con una batidora de cocina. Es un método que funciona bien, y no hace falta calentar mucho el aceite, sólo lo suficiente para poder batirlo bien.
Empieza mezclando el hidróxido de sodio y el metanol con la batidora. La batidora y los demás utensilios deben estar secos. Cuando se forma el metóxido el recipiente se calienta un poco. Sigue batiendo hasta que la hidróxido de sodio esté totalmente disuelta.
Después de preparar el metóxido de sodio añade un litro de aceite. Asegúrate de que los pesos y los volúmenes son precisos. Si no estás seguro de que el resultado de la valoración sea correcto puedes poner 6 - 6,25 g de hidróxido de sodio por litro de aceite usado, ó 3,5 g/l para el aceite nuevo. En estas pruebas hay que batir durante 15 ó 20 minutos; para que se complete la separación hace falta más tiempo. Justo después de batir puede cambiarse la mezcla a otro recipiente.
Es bueno hacer varias pruebas con distintas cantidades de hidróxido de sodio para saber cuál es la cantidad más adecuada.
Cuando hay demasiada hidróxido de sodio a veces se forma una pasta inservible. Si no hay suficiente hidróxido de sodio la reacción no se completa y queda aceite mezclado con el biodiesel y la glicerina. Cuando eso ocurre se forman tres capas: el biodiesel arriba, el aceite en medio y la
6
glicerina en el fondo. Si había mucha agua mezclada con el aceite se forman jabones que luego forman una capa sobre la de glicerina. Es difícil separar los jabones del biodiesel y la glicerina.
4. Preparación del metóxido de sodio Generalmente la cantidad de metanol necesaria es del 20% en masa de la cantidad de aceite. Las densidades de los dos líquidos son bastante parecidas; también debería funcionar con el 20% en volumen. Para estar completamente seguro, mide medio litro de cada líquido, pesalos y calcula exactamente el 20% en masa. Distintos aceites pueden tener distintas densidades dependiendo de su procedencia y de cómo hayan sido cocinados.
Por ejemplo: para 100 litros de aceite hacen falta 20 litros de metanol.
Cuando se mezcla el metanol con el hidróxido de sodio (hidróxido de sodio) se produce una reacción exotérmica cuyo resultado es el metóxido de sodio.
5. Calentar y mezclar
Calienta el aceite hasta 48-54º C (120-130º F).
Para mezclar puedes usar una taladradora eléctrica, firmemente sujeta, que haga girar una hélice o un mezclador de pintura.
Un giro demasiado rápido produce salpicaduras y burbujas y perjudica al resultado final. Para conseguir un buen resultado ajusta la velocidad, la forma de la hélice o su tamaño.
Si quieres un reactor más silencioso sustituye el mezclador por una bomba eléctrica que coja el líquido de abajo y lo lleve hasta la superficie. La bomba no debe estar muy abajo para que no se estropee luego con la glicerina.
Vierte el metóxido en el aceite mientras se bate, y sigue agitando la mezcla durante 50 ó 60 minutos. La reacción suele completarse en media hora, pero es mejor batir durante más tiempo.
Durante la transesterificación los ácidos grasos se separan de la glicerina, y el metanol se une a ellos formando metilésteres (biodiesel). El hidróxido de sodio estabiliza la glicerina.
7
6. Reposo y separación Deja que la mezcla repose y se enfríe por lo menos durante ocho horas, preferiblemente más. La glicerina forma una masa gelatinosa en el fondo y los metilésteres (biodiesel) flotan encima. La bomba mezcladora debe estar por encima del nivel de la glicerina para que no se estropee. Otra alternativa consiste en dejar 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. Mira el tubo todo el tiempo, y cuando empiece a salir biodiesel cambia la salida del tubo de un recipiente a otro. Si cae algo de biodiesel en el recipiente de la glicerina es fácil recuperarlo cuando la glicerina se espesa.
Si la glicerina solidifica antes separarla del biodiesel, puedes calentar para volver a licuarla, ¡Pero no la agites!
7. Lavado y secado 1) Asegúrate muy bien de que nunca intentas lavarlo si no se ha completado la reacción, porque se formaría emulsión y no podrías reprocesarlo. Antes de lavar haz una prueba mezclándolo con agua en un bote de cristal bien cerrado.
2) Con una hélice movida por un motor, mezcla el agua y el biodiesel hasta que tengan un aspecto homogéneo (5 minutos).
3) Deja que repose durante una hora.
4) Saca el combustible con un sifón y repite los pasos 2, 3 y 4 otras dos veces.
5) Deja que se seque en un recipiente abierto bien ventilado. La poca agua que aún queda tiene que evaporarse. Puedes calentar hasta 48º C para que se seque con más facilidad.
8
8. Calidad La calidad del producto acabado puede comprobarse visualmente y midiendo su pH. El pH puede medirse con papel tornasol o con un medidor electrónico. Debe ser neutro (pH 7). Debe tener el aspecto del aceite vegetal, pero con un matiz marrón, parecido a la sidra.
Es malo que haya una película sobre la superficie, partículas o turbiedad. La película superficial puede ser de restos de jabón, y se quita lavándolo de nuevo o pasándolo por un filtro de cinco micrones (o más fino). La turbiedad puede ser agua y se quita calentando. Las partículas pueden ser cualquier cosa y aparecen cuando los filtros fallan.
Todos los aceites parecen cristalinos cuando están calientes, pero los que son realmente cristalinos siguen siéndolo cuando se enfrían. Si el biodiesel frío no está cristalino, deja que repose una o dos semanas más para que las impurezas se hundan.
Es importante saber que el biodiesel limpia muy bien los restos de diésel mineral del interior del motor. Por eso debes comprobar y cambiar los filtros del combustible cuando empieces a usar biodiesel. Yo prefiero poner un filtro de plástico transparente, pequeño y barato, justo antes del filtro original. El nuevo filtro limpia en parte el combustible antes de que llegue al filtro original, que es más caro. Así es más fácil ver cuándo pasa combustible y en qué condiciones se encuentra el filtro.
GLICERINA:
La glicerina bruta obtenida, que se produce en una cantidad del orden del 10% del biodiesel elaborado, debe ser refinada para obtener un producto con valor agregado, comercializable en los campos químico, farmacéutico y cosmético. Entre lo empleos de la glicerina merecen citarse: solvente, plastificante, edulcorante, suavizante, en la producciòn de nitroglicerina (ya sea para explosivos o para uso farmacéutico como vasodilatador), cosméticos, jabonerìa, licores, lubricante, tintas, anticongelante, producciòn de resinas, esteres par los màs variados empleos, humectante, emulsionantes (uso cosmético y alimentaciòn). La glicerina procedente de la transesterificación es un estupendo desengrasante industrial. Una manera de purificarla es calentarla hasta 65,5º C (150º F) para que se evapore el metanol, haciéndola segura para el contacto con la piel. Mucho cuidado con el vapor de metanol. Cuando se enfría, las impurezas se hunden hasta el fondo y queda de un color marrón oscuro más
9
uniforme. Añadiendo agua queda del color de la canela, más diluida, y es más fácil limpiarla de las manos.
Otra forma de aprovechar la glicerina es transformarla en gas metano en un digestor de metano, o mejor aún, mediante pirólisis. La pirólisis se empleó mucho durante la Segunda Guerra Mundial para que los coches funcionaran con leña. El reactor calienta la materia prima (madera o glicerina) en un recipiente hermético sin oxígeno. En estas condiciones la materia prima no arde, sino que desprende metano. El metano se almacena en una bolsa hinchable o comprimido en un depósito. Restos de jabón En el biodiesel también hay jabón. Cuando el metanol se une a los ácidos grasos se forma agua. El aceite también puede contener agua. El jabón se forma porque el ion Na+ del hidróxido de sodio (NaOH) reacciona con los ácidos grasos en presencia de agua.
Si hay un exceso de agua en la mezcla durante la reacción, se forman más jabones de lo normal. El aceite que ha sido cocinado puede contener agua y hay que quitársela. El segundo paso, "Quitar el agua", explica cómo hacerlo.
Es muy importante evitar la presencia de agua durante la preparación del metóxido. Todos los objetos que entren en contacto con la hidróxido de sodio deben estar totalmente secos. El biodiesel sale mucho mejor en días secos que en días húmedos.
Planificación del Proyecto
Tiempo de realización estimado: 2 semanas
Bibliografía
1. Larosa, Rodolfo, Proceso para la producción de biodiesel, Glaris Spa Co. Milán, Italia. 2. http://journeytoforever.org/es/biodiesel_mike.html
3. http://www.biodiesel.org
10
1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1.1.
Primera Parte VALORACIÓN DE LA ACIDEZ DE LA MATERIA GRASA
MATERIALES Y REACTIVOS 1. Bureta con llave de teflón 50 mL 2. Pipeta volumétrica 1 mL y de 10 mL 3. 4 Matraces Erlenmeyer 250 mL 4. Pipeta graduada 20 mL 5. Balón aforado 1000 mL 6. Perilla de succión 7. Balanza analítica ±0.001 g 8. NaOH grado técnico 9. Agua destilada 10. Alcohol isopropílico 11. Fenolftaleína
PROCEDIMIENTO 1. Se prepara una solución 0.02 N de hidróxido de sodio, con 1 g de NaOH aforándolo a 1 litro de agua. 2. En los erlenmeyers colocar 10 mL de alcohol isopropílico más 1 mL del aceite, homogenizando bien hasta que se pueda apreciar la presencia de una sola fase. 3. Agregar una gota de Fenolftaleína. 4. Proceder a valorar cada uno de los erlenmeyers con NaOH 0.02 N, agitando vigorosamente ya que se titulaba una muestra viscosa y por lo tanto difícil de observar el viraje de color en el punto de equilibrio. 5. Repetir el procedimiento 4 veces Resultados Determinación
NaOH 0.02 N (mL)
1
3.4
2
3.6
3
3.5
4
3.5
x
3.5
11
Conclusión Para cada litro de aceite serán necesarios 3.5 g de NaOH como catalizador de reacción, el NaOH irá en forma de metóxido de sodio junto al metanol.
1.2.
Segunda Parte
PURIFICACIÓN DEL METANOL
Para prepara el metóxido de sodio, que es el agente transesterificador en la preparación del biodiesel, es necesario contar con un metanol de una pureza mínima del 99%, ya que la presencia de agua en el metóxido de sodio en el momento de efectuar la reacción puede originar un jabón de sodio al reaccionar con la materia grasa.
MATERIALES Y REACTIVOS 1. Equipo de destilación fraccionada 2. Frasco 1 L color ámbar 3. Termómetro 0-150 ºC 4. Cámara de seguridad 5. Cocineta 6. Metanol 96% 7. Sulfato de Sodio anhidro 8. Wrap Paper
OBSERVACIONES: 1. Colocar 250 mL de metanol 96% en el balón de destilación, cerrar el sistema y colocar el wrap paper alrededor de la boca del frasco y del tubo de refrigeración, para evitar la hidratación del metanol con la humedad del ambiente. activar al flujo de agua del refrigerante. 2. Prender la cocineta y calentar el sistema, controlar la temperatura 3. El líquido comienza a destilar a la temperatura de 65.5 ºC, destilar hasta obtener un volumen de 200 mL. 4. Al líquido que queda en el balón de destilación se lo desecha, ya que en su mayoría se trata de agua. 5. Al metanol destilado se le coloca un poco de sulfato de sodio anhidro, con la finalidad de que las moléculas del mismo atrapen al agua que pueda estar presente.
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1.3. Tercera parte
PREPARACIÓN DEL METÓXIDO DE SODIO
Por cada litro de aceite se utilizan 200 mL de metanol absoluto.
MATERIALES Y REACTIVOS
1. Agitador magnético 2. Magneto recubierto de teflón 3. Erlenmeyer 1000 mL 4. Metanol Absoluto 5. Hidróxido de sodio grado técnico
OBSERVACIONES:
1. Con cuidado se procedió a colocar 3.5 g de hidróxido de sodio en un Erlenmeyer totalmente seco junto con el magneto. 2. Posteriormente se colocó 200 mL de metanol. 3. Se activó el agitador magnético hasta que se disuelva totalmente el hidróxido de sodio. 4. Cubrir el Erlenmeyer donde se encuentra el metóxido de sodio para evitar su hidratación con la humedad ambiental.
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1.4. Cuarta parte
TRANSESTERIFICACIÓN DEL ACEITE VEGETAL EN ÉSTERES METÍLICOS Y GLICERINA
Se realizarán 2 lotes de 500 mL de aceite cada uno
MATERIALES Y REACTIVOS
1. Agitador magnético 2. Magneto recubierto de teflón 3. Erlenmeyer 1000 mL 4. Termómetro 0-100 ºC 5. Embudos de separación 500 mL 6. Cocineta 7. Aceite vegetal de palma 8. Metóxido de Sodio
OBSERVACIONES:
1. Se calientan 500 mL de aceite en el Erlenmeyer sobre una cocineta hasta que se encuentre a 54ºC. 2. Se añade el metóxido de sodio 3. Se procede a agitar magnéticamente durante 1 hora, procurando que el medio de reacción se encuentre en un intervalo de temperatura de 48-54 ºC, esto se puede controlar calentando esporádicamente en la cocineta, ya que el calentador del agitador magnético proporciona temperaturas muy altas. 4. Se deja enfriar a temperatura ambiente, posteriormente se coloca la mezcla en un embudo de separación. 5. Se repite el mismo procedimiento para el segundo lote.
14
1.5. Quinta Parte
SEPARACIÓN DEL BIODIESEL Y PURIFICACIÓN DE LA GLICERINA
MATERIALES Y REACTIVOS 1. Embudos de separación 500 mL 2. Estufa 3. Cocineta 4. Frasco color ámbar 1 L 5. Frasco pequeño
OBSERVACIONES: 1. El biodiesel obtenido se encuentra en la parte superior del embudo de separación, de un color amarillo claro con una tonalidad más cristalina que el aceite normal, y la glicerina con otras impurezas se encuentra en la segunda capa de un color marrón. 2. Se separan las dos fases, la glicerina está solidificada por lo que se calienta en una estufa hasta 64ºC, temperatura a la cual la glicerina está líquida. 3. A la glicerina en un frasco se la calienta hasta 64ºC, temperatura a la cual el metanol se evaporará dejando la glicerina en un estado puro, de un color ámbar.
1.6. Sexta parte
LAVADO DEL BIODIESEL
El biodiesel contiene una pequeña cantidad de impurezas las cuales pueden ser retiradas mediante lavados con agua destilada, cada lavado será de 30 minutos y se debe dejar reposar la mezcla durante 12 a 24 horas.
MATERIALES Y REACTIVOS
1. Agitador magnético 2. Magneto recubierto de teflón 3. Embudos de separación 500 mL 4. Biodiesel impuro 5. Agua destilada
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OBSERVACIONES:
1. En un embudo de separación se colocaron 300 mL de biodiesel impuro, y 200 mL de agua destilada, se agita magnéticamente durante 30 minutos. 2. A la mezcla se la coloca un embudo de separación, se deja reposar durante un día. 3. Trascurrido un día se puede observar que la fase acuosa contiene una gran cantidad de impurezas, es de color blanco. 4. Se repite el mismo procedimiento hasta obtener un agua de lavado incolora.
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2. RENDIMIENTO EXPERIMENTAL
Según Mike Pelly de Journey to Forever por cada litro de aceite se obtiene una cantidad de 900 mL de Biodiesel y cerca de 100 mL de glicerina pura, el resto corresponde a metanol sin 1
reaccionar, jabón y algunos ácidos grasos, lo cual corresponde a cerca de 200 mL .
Producto
Journey to Forever
Proyecto 2º “A"
Rendimiento
Biodiesel (mL)
900
887
98.5%
Glicerina (mL)
100
135
135%
Impurezas (mL)
200
178
89%
2.1 CONCLUSIONES DEL RENDIMIENTO
Mike Pelly utilizó aceite de cocina estadounidense, mercado en el cual está ampliamente distribuido el aceite de girasol y es posiblemente el aceite utilizado en la fabricación de su biodiesel, dicho aceite no contiene ácido linolénico, que es un ácido graso de 18 carbonos con 3 insaturaciones, es un aceite de tipo secante que no participa en la transesterificación, nuestro grupo trabajó con aceite de palma el cual contiene una cantidad de 8% de ácido linolénico, para que la reacción sea positiva el aceite no debe 2
contener más del 12% de dicho ácido .
Por dicha razón, el rendimiento es distinto para cada tipo de aceite, aún así comparando ambos rendimientos son muy parecidos, obteniendo experimentalmente un rendimiento del 98.5% de biodiesel, 135% de glicerina y un 11% menos de impurezas.
1 2
http://journeytoforever.org/es/biodiesel_mike.html Grompone, María, Mesa Redonda de difusión de la Norma UNIT 1100, UDELAR, 2006.
17
Palma
Girasol
Soya
Lino
3. ANÁLISIS
Para el biodiesel según la norma UNIT 1100 se debe realizar pruebas de estabilidad oxidativa en un equipo OSI o RANCIMAT, el cual mide la capacidad de estabilidad de oxidación, dicho equipo no está disponible en la facultad.
Según la misma norma se deben realizar pruebas de contenido de ésteres, de contenido de mono, di y triglicéridos, glicerol total, contenido de alcohol, punto de inflamación, glicerol libre, contenido de agua y sedimentos, y la prueba de Karl Fisher. Dichas técnicas nos fueron negadas por el laboratorio de análisis de petróleos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Central, Escuela de Ingeniería Química, en el laboratorio de Química Analítica de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador el análisis del punto de inflamación tenía un costo de 50 dólares, precio alto para un presupuesto estudiantil, y poco ético ya que se está poniendo a menos la capacidad técnica y científica de un estudiante de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Central, de haber contado con el equipo y con conocimiento estamos seguros que hubiéramos realizado las pruebas exigidas por la norma UNIT 1100. De todos modos, nos hemos permitido informar un extracto del análisis a la norma UNIT 1100 realizado por la Dra.
18
María Grompone de la Universidad Argentina de La Rioja, ya que siguió un procedimiento para la fabricación de biodiesel similar al utilizado por nuestro grupo y por lo que su análisis debe estar dentro de lo que hubiéramos estimado determinar.
Ensayo de estabilidad oxidativa
La medida se realiza bajo condiciones diferentes a las del almacenamiento normal. Se mide en un equipo OSI o RANCIMAT que mantiene al biodiesel a 110ºC, mientras se le burbujea aire.
Estabilidad a la oxidación (Norma UNIT): 6 horas (mínimo)
El biodiesel no es estable (se oxida en contacto con el aire) por lo que tiene una vida útil limitada. En cada caso hay que establecer cuánto tiempo se puede almacenar, sin que su tiempo de oxidación se haga menor a 6 horas.
Compuestos presentes en el biodiesel por su deterioro espontáneo: polímeros y ácidos grasos libres
Ensayo de componentes en el biodiesel luego del lavado
3
Norma UNIT
3
PROPIEDAD
LÍMITES
Contenido de ésteres
96.5% (mínimo)
Contenido de monoglicéridos
0.80% (máximo)
Contenido de diglicéridos
0.20% (máximo)
Contenido de triglicéridos
0.20% (máximo)
Glicerol total
0.25% (máximo)
Contenido de alcohol
0.20% (máximo)
Punto de inflamación
100ºC (mínimo)
Glicerol libre
0.02% (máximo)
Contenido de agua y sedimentos
0.05% (máximo)
Contenido de agua (Karl Fisher)
500 mg/kg (máximo)
Grompone, María, Mesa Redonda de difusión de la Norma UNIT 1100, UDELAR, 2006.
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4. VENTAJAS DEL BIODIESEL
a) Lubricidad
El biodiesel posee características de lubricidad superiores a las del diesel, conclusión realizada en ensayos.
Se producen menos partículas de desgaste.
b) Número de cetano
En el proceso de precombustión en el motor se forman difernentes compuestos, entre ellos los aromáticos, que poseen un número de cetano menor, el biodiesel tiene un número de cetanos altos por lo que no produce compuestos aromáticos que son contaminantes y tóxicos.
c) Menor número de emisiones
El biodiesel produce menor cantidad de emisiones contaminantes y produce combustiones más eficaces debido a la presencia de oxígeno de las moléculas de éster en el núcleo del spray del motor, por lo que afecta a una mejora en el rendimiento de la combustión, disminución en la cantidad de partículas emitidas y un balance de CO2 nulo debido a su origen biológico.
20
5. DISCUSIONES Y RECOMENDACIONES
1) En la valoración de la acidez del aceite se debe tener mucho cuidado y paciencia, ya que el viraje de color en la titulación se da por pocas gotas y como el líquido es muy denso es difícil homogenizar todo el medio.
2) El factor más importante a tomarse en cuenta es que la reacción debe darse en el intervalo de temperatura de 48-54 ºC, caso contrario no se produce biodiesel.
3) No se debe realizar una agitación muy fuerte ya que puede producir burbujas y se forma una pequeña cantidad de jabón de sodio presente como una capa pequeña en la parte superior del vaso de reacción.
4) Es importante considerar que luego de efectuada la reacción durante una hora se debe dejar reposar la mezcla durante 24 horas, para que se decante totalmente la glicerina.
5) Los lavados con agua deben ser realizados con agua destilada, ya que el agua corriente contiene sales de sodio y potasio, que pueden producir jabones ya que en el biodiesel impuro todavía hay pequeñas cantidades de metanol sin reaccionar.
6) La corrección a la técnica de Mike Pelly puede ser que se agregó una menor cantidad de hidróxido de sodio de la que él recomendaba, ya que la acidez del aceite de palma nuevo es menor a la utilizada por dicho ambientalisma norteamericano.
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6. CONCLUSIONES GENERALES
1) Se obtuvo un biocombustible a partir de aceite vegetal de palma, dando así una alternativa renovable de energía.
2) Se obtuvo glicerina como subproducto de la reacción de transesterificación, la cual es de mucha utilidad en el laboratorio como disolvente y como materia prima para la elaboración de muchos productos de importancia industrial.
3) Las pruebas analíticas no pudieron ser realizadas debido a las causas expuestas en el análisis.
COMENTARIO
Como futuros Químicos de Alimentos y observando la problemática mundial acerca del calentamiento global fue útil realizar un proyecto enfocado a dar una solución alternativa a la utilización de carburantes. Fue por esta razón que escogimos realizar un proyecto utilizando materias primas vinculadas al área de alimentos, como fue el aceite vegetal de palma y el metanol, el cual puede ser obtenido naturalmente. Nos sentimos muy complacidos de realizar un proyecto en el cual dimos lo mejor de nuestras capacidades técnicas y científicas impartidas durante estos años en la universidad, por lo cual agradecemos al Dr. Fernando Novillo el cual ha sido el único profesor en la facultad que nos ha despertado el afán de aplicar los conocimientos recibidos en proyectos que nos engrandecerán como profesionales y como personas.
22
BIBLIOGRAFÍA
1) Grompone, María, Mesa Redonda de difusión de la Norma UNIT 1100, UDELAR, 2006.
2) García Laborda Biocarburantes Líquidos: Biodiesel Y Bioetanol, CEIM Dirección General de Universidades e Investigación, Universidad de Alcalá y Universidad Rey Juan Carlos, España.
3) Larosa, Rodolfo, Proceso para la producción de biodiesel, Glaris Spa Co. Milán, Italia.
4) http://journeytoforever.org/es/biodiesel_mike.html
5) http://www.biodiesel.org
6) http://www.wearcheckiberica.es
7) http://www.biodiesel-uruguay.com
8) http://209.85.165.104/search?q=cache:8Q6QMQ156aQJ:waste.ideal.es/biodiesel.htm+ca racteristicas+fisicas+BIODIESEL&hl=es&ct=clnk&cd=1&gl=ec
9) http://209.85.165.104/search?q=cache:8Q6QMQ156aQJ:waste.ideal.es/biodiesel.htm+ca racteristicas+fisicas+BIODIESEL&hl=es&ct=clnk&cd=1&gl=ec
10) http://www.corpodib.com/estudios2.htm
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ANEXOS
Figura 1. Equipo de destilación fraccionada. Destilación de metanol.
Figura 2. Se colocó wrap paper para evitar la hidratación del metanol con la humedad ambiental.
24
Figura 3. Preparación del metóxido de sodio.
Figura 4. Transesterificación del aceite vegetal con metóxido de sodio.
25
Figura 5. Luego de 1 hora de reacción, se observa una mezcla homogénea.
Figura 6. Separación del biodiesel de la glicerina, se puede apreciar claramente la primera fase de color amarillo (biodiesel) de la fase parda (glicerina impura)
26
Figura 7. Purificación de la glicerina, se comprueba la temperatura de fusión del metanol
Figura 8. Lavado del biodiesel. El vaso de precipitación de la derecha es una mezcla de biodiesel impuro y agua, el embudo de separación de la izquierda es un lote de biodiesel separándose de su agua de lavado.
27
Figura 9. El embudo de separación que se entra al lado derecho tiene 3 lavados mientras el embudo de separación que se encuentra al lado izquierdo posee solo 2, de esta manera gráfica se puede observar como influyen los lavados en la muestra.
Figura 10. Biodiesel luego del tercer lavado, nótese que el agua de lavado se encuentra incolora
28
Síntesis y Refinación de biodiesel y glicerina obtenidos a partir de grasa vegetal
Quito DM, Marzo 2007
Análisis Orgánico Funcional
Química de Alimentos
William Calero Cáceres · Erika Chicaiza·Wilson Chicaiza·David Vizuete
2do Química de Alimentos A
Índice Páginas
Proceso para la producción de Biodiesel
1
Objetivos del Proyecto
1
Introducción
1
Mecanismo de Reacción
2
Producción de Biodiesel
3
Reactivos
3
Materiales
3
Procedimiento
3
Bibliografía de la técnica
10
Procedimiento experimental Primera Parte: Valoración de la acidez de la materia grasa
11
Segunda Parte: Purificación del metanol
12
Tercera Parte: Preparación del metóxido de sodio
13
Cuarta Parte: Transesterificación de los ésteres metílicos y glicerina
14
Quinta Parte: Separación del biodiesel y purificación de la glicerina
15
Sexta Parte: Lavado del biodiesel
15
Rendimiento Experimental Conclusiones del Rendimiento Análisis
17 17 18
Ensayo de estabilidad oxidativa
19
Ensayo de componentes del biodiesel luego del lavado
19
Ventajas del biodiesel
20
Discusiones y Recomendaciones
21
Conclusiones Generales
22
Comentario
22
Bibliografía
23
Anexos
24
Proceso para la producción de BIODIESEL (metilester o esteres metílicos de ácidos grasos) Refinación de glicerina
Objetivos del Proyecto
1. Transesterificar materias grasas vegetales para la obtención de biodiesel (metilester o esteres metílicos de ácidos grasos).
2. Refinar la glicerina obtenida como subproducto de la producción de biodiesel.
3. Comprobar analíticamente la pureza de los productos obtenidos mediante métodos cromatográficos e instrumentales.
BIODIESEL
Introducción:
El Biodiesel es un combustible sustituto del gas-oil para motores diesel, el cual puede ser producido partiendo de materias primas agrícolas (aceites vegetales y/o grasas animales), aceites o grasas de fritura usados 1 y metanol o etanol (estos también puede ser obtenidos a partir de productos agrícolas) 2 3 .
El biodiesel posee las mismas propiedades del combustible diesel empleado como combustible para automóviles, camiones, ómnibus y puede ser mezclado en cualquier proporción con el diesel obtenido de la refinación del petróleo.
No es necesario efectuar ninguna modificación en los motores para poder emplear este combustible. Importantes fabricantes de vehículos europeos efectuaron pruebas con resultados satisfactorios en automóviles, camiones y ómnibus.
1
Quimica Nova, Costa, Rossi 24(4) 2000
2
Chemical Engineering 100, 2, Feb 1993
3
La Chimica Verde ‒ Italo Pasquon ‒Luciano Zanderighi ‒ Hoepli ‒Milano 1987
1
Mecanismo de la reacción de transesterificación 4
4
Schuchardt, U., Sercheli, R. & Vargas, R.M.., (1998). Transesterification of Vegetable Oils. J. Braz.
Chem Soc. Vol. 9 N° 1
2
PRODUCCIÒN DE BIODIESEL:
Reactivos 1. Aceite de cocina usado o nuevo 2. Metanol 99% mínimo 3. Hidróxido de sodio p.a. 4. Alcohol isopropílico 99% mínimo 5. Agua destilada 6. Solución de fenolftaleína 7. Ácido acético o vinagre Materiales 1. 2 vasos de precipitación de 1000 mL 2. 3 matraces Erlenmeyer de 1000 mL 3. Embudos de separación 4. Equipo de destilación 5. Termómetro 6. Bureta 7. Probeta 8. Pipetas de varias escalas 9. Agitadores mecánicos o taladro con mezclador de pintura 10. 2 Frascos de polietileno de 1000 mL y 1 de 250 mL 11. Cocineta Procedimiento 1. Filtra el aceite para quitarle los restos sólidos. 2. Caliéntalo para quitarle el agua 3. Efectuar la valoración según la cantidad de biodiesel a obtener 4. Preparar el metóxido de sodio. 5. Calentar el aceite, y verter dentro el metóxido mientras se agita 6. Deja que sedimente, separar la glicerina. 7. Lavar y secar el producto final. 8. Comprobar su calidad.
Este proceso se llama transesterificación, y es similar a la saponificación. En esta reacción las cadenas de ester, también llamadas lípidos, se separan de la glicerina y se unen al sodio para
3
formar jabón. Uno de sus extremos es atraído por moléculas polares como el agua, y el otro es atraído por moléculas apolares como el aceite. Esa es la característica que hace útiles a los jabones.
En la transesterificación la hidróxido de sodio y el metanol se unen para formar metóxido de sodio (Na+ CH3O-). Cuando se mezcla el metóxido con aceite, rompe las uniones de la molécula de aceite, liberando glicerina y ácidos grasos. Estos últimos se unen al metanol formando biodiesel, y un poco de jabón a veces. Si se utiliza metanol el producto final se llama metiléster, y si se utiliza etanol se llama etiléster. 1. Filtrado Filtrar el aceite para quitarle los restos de comida. Pueda que tenga que calentarlo hasta 35º C (95º F), aproximadamente, para que esté más fluido y pase bien por el filtro. Puede usar un paño o un filtro de café. 2. Quitar el agua Mucha gente calienta el aceite para quitarle el agua. El aceite que ha sido utilizado para cocinar suele contener agua, que ralentiza la reacción y favorece la saponificación. Cuanta menos agua, mejor. Así es como lo hacen. Hay que calentar hasta 100º C (212º F) y mantener la temperatura mientras el agua se evapora. Agita constantemente para evitar que se formen burbujas de vapor, que luego explotan salpicando aceite caliente. También puedes drenar el agua según se va hundiendo hasta el fondo; después puedes recuperar el aceite que se haya ido con el agua.
Cuando empiece a salir menos vapor aumenta la temperatura hasta 130º C (265º F) y mantenla durante diez minutos. Luego deja de calentar y espera a que se enfríe. 3. Valoración Para saber cuanto hidróxido de sodio es necesaria, hay que medir la acidez del aceite con un método que se llama valoración. Es la parte más importante y más difícil del proceso. La valoración debe ser lo más exacta posible.
Preparar una disolución de un gramo de hidróxido de sodio en un litro de agua destilada asegurándote de que queda totalmente disuelta. Esta muestra sirve como valor de referencia en
4
la valoración. Es importante que esta disolución no se contamine porque será utilizada en muchas valoraciones.
Mezclar en un recipiente pequeño 10 ml de alcohol isopropílico con 1 ml del aceite (asegurar de que es exactamente 1 ml). Coger la muestra de aceite después de haberlo calentado y agitado.
Añade dos gotas de fenolftaleína, que es un indicador ácido-base incoloro en presencia de ácidos, y rojo en presencia de bases.
Con un cuentagotas graduado (que permita medir décimas de mililitro), o algún otro instrumento calibrado, poner en la disolución de aceite/isopropílico/fenolftaleína gotas de la solución de hidróxido de sodio. Cada gota debe tener dos décimas de ml, medidas con mucha exactitud.
Después de cada gota agita vigorosamente la disolución. En climas fríos puede que el aceite se espese y tengas que hacer la valoración dentro de casa. Si todo sale bien la disolución se volverá magenta (rosa) y mantendrá ese color durante diez segundos. El magenta indica un pH de entre 8 y 9 (mira la fotografía de la columna izquierda de esta página, "Color de la muestra cuando el pH es correcto"). Es importante que heches la cantidad exacta para alcanzar ese pH, ¡no pongas más gotas de las necesarias! El objetivo de la valoración es averiguar el número de ml de solución de hidróxido de sodio necesarios para alcanzar un pH de entre 8 y 9.
Es recomendable hacer la valoración más de una vez para comprobar que la medida sea correcta. Dependiendo del tipo de aceite, de la temperatura que alcanzó en la freidora, de los alimentos que fueron cocinados en él y del tiempo de uso, la cantidad de disolución de hidróxido de sodio necesaria en la valoración suele ser de entre 1,5 y 3 ml. También sirven el papel tornasol y los medidores de pH digitales en sustitución de la fenolftaleína. Si pruebas con aceite de cocina sin usar, necesitará mucha menos hidróxido de sodio para alcanzar el pH 8-9.
El cálculo El siguiente paso es calcular la cantidad de hidróxido de sodio necesaria para la reacción. Multiplica el número de ml medidos en la valoración por el número de litros de aceite que vas a convertir en biodiesel.
En el cálculo hay que incluir algo más. Cada litro de aceite que NO ha sido cocinado (aceite nuevo) necesita 3,5 gr de hidróxido de sodio para la reacción. Por eso hay que sumar 3,5 gr de hidróxido
5
de sodio por cada litro de aceite cocinado que se vaya a transesterificar.
Por ejemplo: en la valoración fueron necesarios 2,4 ml para alcanzar el pH 8-9 y vas a usar 150 litros de aceite.
2,4 g hidróxido de sodio x 150 L aceite = 360 g hidróxido de sodio 3,5 g hidróxido de sodio x 150 L aceite = 525 g hidróxido de sodio 360 g + 525 g = 885 gramos de hidróxido de sodio
Otro ejemplo: si el resultado de la valoración hubiera sido de 1,8 ml la cantidad final de hidróxido de sodio habría sido de 795 gramos.
Normalmente hacen falta entre seis y siete gramos de hidróxido de sodio por cada litro de aceite.
Lotes de prueba Las primeras veces que hagas esto, y también cuando vayas a procesar grandes cantidades de aceite, debes hacer pequeñas pruebas de un litro con una batidora de cocina. Es un método que funciona bien, y no hace falta calentar mucho el aceite, sólo lo suficiente para poder batirlo bien.
Empieza mezclando el hidróxido de sodio y el metanol con la batidora. La batidora y los demás utensilios deben estar secos. Cuando se forma el metóxido el recipiente se calienta un poco. Sigue batiendo hasta que la hidróxido de sodio esté totalmente disuelta.
Después de preparar el metóxido de sodio añade un litro de aceite. Asegúrate de que los pesos y los volúmenes son precisos. Si no estás seguro de que el resultado de la valoración sea correcto puedes poner 6 - 6,25 g de hidróxido de sodio por litro de aceite usado, ó 3,5 g/l para el aceite nuevo. En estas pruebas hay que batir durante 15 ó 20 minutos; para que se complete la separación hace falta más tiempo. Justo después de batir puede cambiarse la mezcla a otro recipiente.
Es bueno hacer varias pruebas con distintas cantidades de hidróxido de sodio para saber cuál es la cantidad más adecuada.
Cuando hay demasiada hidróxido de sodio a veces se forma una pasta inservible. Si no hay suficiente hidróxido de sodio la reacción no se completa y queda aceite mezclado con el biodiesel y la glicerina. Cuando eso ocurre se forman tres capas: el biodiesel arriba, el aceite en medio y la
6
glicerina en el fondo. Si había mucha agua mezclada con el aceite se forman jabones que luego forman una capa sobre la de glicerina. Es difícil separar los jabones del biodiesel y la glicerina.
4. Preparación del metóxido de sodio Generalmente la cantidad de metanol necesaria es del 20% en masa de la cantidad de aceite. Las densidades de los dos líquidos son bastante parecidas; también debería funcionar con el 20% en volumen. Para estar completamente seguro, mide medio litro de cada líquido, pesalos y calcula exactamente el 20% en masa. Distintos aceites pueden tener distintas densidades dependiendo de su procedencia y de cómo hayan sido cocinados.
Por ejemplo: para 100 litros de aceite hacen falta 20 litros de metanol.
Cuando se mezcla el metanol con el hidróxido de sodio (hidróxido de sodio) se produce una reacción exotérmica cuyo resultado es el metóxido de sodio.
5. Calentar y mezclar
Calienta el aceite hasta 48-54º C (120-130º F).
Para mezclar puedes usar una taladradora eléctrica, firmemente sujeta, que haga girar una hélice o un mezclador de pintura.
Un giro demasiado rápido produce salpicaduras y burbujas y perjudica al resultado final. Para conseguir un buen resultado ajusta la velocidad, la forma de la hélice o su tamaño.
Si quieres un reactor más silencioso sustituye el mezclador por una bomba eléctrica que coja el líquido de abajo y lo lleve hasta la superficie. La bomba no debe estar muy abajo para que no se estropee luego con la glicerina.
Vierte el metóxido en el aceite mientras se bate, y sigue agitando la mezcla durante 50 ó 60 minutos. La reacción suele completarse en media hora, pero es mejor batir durante más tiempo.
Durante la transesterificación los ácidos grasos se separan de la glicerina, y el metanol se une a ellos formando metilésteres (biodiesel). El hidróxido de sodio estabiliza la glicerina.
7
6. Reposo y separación Deja que la mezcla repose y se enfríe por lo menos durante ocho horas, preferiblemente más. La glicerina forma una masa gelatinosa en el fondo y los metilésteres (biodiesel) flotan encima. La bomba mezcladora debe estar por encima del nivel de la glicerina para que no se estropee. Otra alternativa consiste en dejar 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. Mira el tubo todo el tiempo, y cuando empiece a salir biodiesel cambia la salida del tubo de un recipiente a otro. Si cae algo de biodiesel en el recipiente de la glicerina es fácil recuperarlo cuando la glicerina se espesa.
Si la glicerina solidifica antes separarla del biodiesel, puedes calentar para volver a licuarla, ¡Pero no la agites!
7. Lavado y secado 1) Asegúrate muy bien de que nunca intentas lavarlo si no se ha completado la reacción, porque se formaría emulsión y no podrías reprocesarlo. Antes de lavar haz una prueba mezclándolo con agua en un bote de cristal bien cerrado.
2) Con una hélice movida por un motor, mezcla el agua y el biodiesel hasta que tengan un aspecto homogéneo (5 minutos).
3) Deja que repose durante una hora.
4) Saca el combustible con un sifón y repite los pasos 2, 3 y 4 otras dos veces.
5) Deja que se seque en un recipiente abierto bien ventilado. La poca agua que aún queda tiene que evaporarse. Puedes calentar hasta 48º C para que se seque con más facilidad.
8
8. Calidad La calidad del producto acabado puede comprobarse visualmente y midiendo su pH. El pH puede medirse con papel tornasol o con un medidor electrónico. Debe ser neutro (pH 7). Debe tener el aspecto del aceite vegetal, pero con un matiz marrón, parecido a la sidra.
Es malo que haya una película sobre la superficie, partículas o turbiedad. La película superficial puede ser de restos de jabón, y se quita lavándolo de nuevo o pasándolo por un filtro de cinco micrones (o más fino). La turbiedad puede ser agua y se quita calentando. Las partículas pueden ser cualquier cosa y aparecen cuando los filtros fallan.
Todos los aceites parecen cristalinos cuando están calientes, pero los que son realmente cristalinos siguen siéndolo cuando se enfrían. Si el biodiesel frío no está cristalino, deja que repose una o dos semanas más para que las impurezas se hundan.
Es importante saber que el biodiesel limpia muy bien los restos de diésel mineral del interior del motor. Por eso debes comprobar y cambiar los filtros del combustible cuando empieces a usar biodiesel. Yo prefiero poner un filtro de plástico transparente, pequeño y barato, justo antes del filtro original. El nuevo filtro limpia en parte el combustible antes de que llegue al filtro original, que es más caro. Así es más fácil ver cuándo pasa combustible y en qué condiciones se encuentra el filtro.
GLICERINA:
La glicerina bruta obtenida, que se produce en una cantidad del orden del 10% del biodiesel elaborado, debe ser refinada para obtener un producto con valor agregado, comercializable en los campos químico, farmacéutico y cosmético. Entre lo empleos de la glicerina merecen citarse: solvente, plastificante, edulcorante, suavizante, en la producciòn de nitroglicerina (ya sea para explosivos o para uso farmacéutico como vasodilatador), cosméticos, jabonerìa, licores, lubricante, tintas, anticongelante, producciòn de resinas, esteres par los màs variados empleos, humectante, emulsionantes (uso cosmético y alimentaciòn). La glicerina procedente de la transesterificación es un estupendo desengrasante industrial. Una manera de purificarla es calentarla hasta 65,5º C (150º F) para que se evapore el metanol, haciéndola segura para el contacto con la piel. Mucho cuidado con el vapor de metanol. Cuando se enfría, las impurezas se hunden hasta el fondo y queda de un color marrón oscuro más
9
uniforme. Añadiendo agua queda del color de la canela, más diluida, y es más fácil limpiarla de las manos.
Otra forma de aprovechar la glicerina es transformarla en gas metano en un digestor de metano, o mejor aún, mediante pirólisis. La pirólisis se empleó mucho durante la Segunda Guerra Mundial para que los coches funcionaran con leña. El reactor calienta la materia prima (madera o glicerina) en un recipiente hermético sin oxígeno. En estas condiciones la materia prima no arde, sino que desprende metano. El metano se almacena en una bolsa hinchable o comprimido en un depósito. Restos de jabón En el biodiesel también hay jabón. Cuando el metanol se une a los ácidos grasos se forma agua. El aceite también puede contener agua. El jabón se forma porque el ion Na+ del hidróxido de sodio (NaOH) reacciona con los ácidos grasos en presencia de agua.
Si hay un exceso de agua en la mezcla durante la reacción, se forman más jabones de lo normal. El aceite que ha sido cocinado puede contener agua y hay que quitársela. El segundo paso, "Quitar el agua", explica cómo hacerlo.
Es muy importante evitar la presencia de agua durante la preparación del metóxido. Todos los objetos que entren en contacto con la hidróxido de sodio deben estar totalmente secos. El biodiesel sale mucho mejor en días secos que en días húmedos.
Planificación del Proyecto
Tiempo de realización estimado: 2 semanas
Bibliografía
1. Larosa, Rodolfo, Proceso para la producción de biodiesel, Glaris Spa Co. Milán, Italia. 2. http://journeytoforever.org/es/biodiesel_mike.html
3. http://www.biodiesel.org
10
1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1.1.
Primera Parte VALORACIÓN DE LA ACIDEZ DE LA MATERIA GRASA
MATERIALES Y REACTIVOS 1. Bureta con llave de teflón 50 mL 2. Pipeta volumétrica 1 mL y de 10 mL 3. 4 Matraces Erlenmeyer 250 mL 4. Pipeta graduada 20 mL 5. Balón aforado 1000 mL 6. Perilla de succión 7. Balanza analítica ±0.001 g 8. NaOH grado técnico 9. Agua destilada 10. Alcohol isopropílico 11. Fenolftaleína
PROCEDIMIENTO 1. Se prepara una solución 0.02 N de hidróxido de sodio, con 1 g de NaOH aforándolo a 1 litro de agua. 2. En los erlenmeyers colocar 10 mL de alcohol isopropílico más 1 mL del aceite, homogenizando bien hasta que se pueda apreciar la presencia de una sola fase. 3. Agregar una gota de Fenolftaleína. 4. Proceder a valorar cada uno de los erlenmeyers con NaOH 0.02 N, agitando vigorosamente ya que se titulaba una muestra viscosa y por lo tanto difícil de observar el viraje de color en el punto de equilibrio. 5. Repetir el procedimiento 4 veces Resultados Determinación
NaOH 0.02 N (mL)
1
3.4
2
3.6
3
3.5
4
3.5
x
3.5
11
Conclusión Para cada litro de aceite serán necesarios 3.5 g de NaOH como catalizador de reacción, el NaOH irá en forma de metóxido de sodio junto al metanol.
1.2.
Segunda Parte
PURIFICACIÓN DEL METANOL
Para prepara el metóxido de sodio, que es el agente transesterificador en la preparación del biodiesel, es necesario contar con un metanol de una pureza mínima del 99%, ya que la presencia de agua en el metóxido de sodio en el momento de efectuar la reacción puede originar un jabón de sodio al reaccionar con la materia grasa.
MATERIALES Y REACTIVOS 1. Equipo de destilación fraccionada 2. Frasco 1 L color ámbar 3. Termómetro 0-150 ºC 4. Cámara de seguridad 5. Cocineta 6. Metanol 96% 7. Sulfato de Sodio anhidro 8. Wrap Paper
OBSERVACIONES: 1. Colocar 250 mL de metanol 96% en el balón de destilación, cerrar el sistema y colocar el wrap paper alrededor de la boca del frasco y del tubo de refrigeración, para evitar la hidratación del metanol con la humedad del ambiente. activar al flujo de agua del refrigerante. 2. Prender la cocineta y calentar el sistema, controlar la temperatura 3. El líquido comienza a destilar a la temperatura de 65.5 ºC, destilar hasta obtener un volumen de 200 mL. 4. Al líquido que queda en el balón de destilación se lo desecha, ya que en su mayoría se trata de agua. 5. Al metanol destilado se le coloca un poco de sulfato de sodio anhidro, con la finalidad de que las moléculas del mismo atrapen al agua que pueda estar presente.
12
1.3. Tercera parte
PREPARACIÓN DEL METÓXIDO DE SODIO
Por cada litro de aceite se utilizan 200 mL de metanol absoluto.
MATERIALES Y REACTIVOS
1. Agitador magnético 2. Magneto recubierto de teflón 3. Erlenmeyer 1000 mL 4. Metanol Absoluto 5. Hidróxido de sodio grado técnico
OBSERVACIONES:
1. Con cuidado se procedió a colocar 3.5 g de hidróxido de sodio en un Erlenmeyer totalmente seco junto con el magneto. 2. Posteriormente se colocó 200 mL de metanol. 3. Se activó el agitador magnético hasta que se disuelva totalmente el hidróxido de sodio. 4. Cubrir el Erlenmeyer donde se encuentra el metóxido de sodio para evitar su hidratación con la humedad ambiental.
13
1.4. Cuarta parte
TRANSESTERIFICACIÓN DEL ACEITE VEGETAL EN ÉSTERES METÍLICOS Y GLICERINA
Se realizarán 2 lotes de 500 mL de aceite cada uno
MATERIALES Y REACTIVOS
1. Agitador magnético 2. Magneto recubierto de teflón 3. Erlenmeyer 1000 mL 4. Termómetro 0-100 ºC 5. Embudos de separación 500 mL 6. Cocineta 7. Aceite vegetal de palma 8. Metóxido de Sodio
OBSERVACIONES:
1. Se calientan 500 mL de aceite en el Erlenmeyer sobre una cocineta hasta que se encuentre a 54ºC. 2. Se añade el metóxido de sodio 3. Se procede a agitar magnéticamente durante 1 hora, procurando que el medio de reacción se encuentre en un intervalo de temperatura de 48-54 ºC, esto se puede controlar calentando esporádicamente en la cocineta, ya que el calentador del agitador magnético proporciona temperaturas muy altas. 4. Se deja enfriar a temperatura ambiente, posteriormente se coloca la mezcla en un embudo de separación. 5. Se repite el mismo procedimiento para el segundo lote.
14
1.5. Quinta Parte
SEPARACIÓN DEL BIODIESEL Y PURIFICACIÓN DE LA GLICERINA
MATERIALES Y REACTIVOS 1. Embudos de separación 500 mL 2. Estufa 3. Cocineta 4. Frasco color ámbar 1 L 5. Frasco pequeño
OBSERVACIONES: 1. El biodiesel obtenido se encuentra en la parte superior del embudo de separación, de un color amarillo claro con una tonalidad más cristalina que el aceite normal, y la glicerina con otras impurezas se encuentra en la segunda capa de un color marrón. 2. Se separan las dos fases, la glicerina está solidificada por lo que se calienta en una estufa hasta 64ºC, temperatura a la cual la glicerina está líquida. 3. A la glicerina en un frasco se la calienta hasta 64ºC, temperatura a la cual el metanol se evaporará dejando la glicerina en un estado puro, de un color ámbar.
1.6. Sexta parte
LAVADO DEL BIODIESEL
El biodiesel contiene una pequeña cantidad de impurezas las cuales pueden ser retiradas mediante lavados con agua destilada, cada lavado será de 30 minutos y se debe dejar reposar la mezcla durante 12 a 24 horas.
MATERIALES Y REACTIVOS
1. Agitador magnético 2. Magneto recubierto de teflón 3. Embudos de separación 500 mL 4. Biodiesel impuro 5. Agua destilada
15
OBSERVACIONES:
1. En un embudo de separación se colocaron 300 mL de biodiesel impuro, y 200 mL de agua destilada, se agita magnéticamente durante 30 minutos. 2. A la mezcla se la coloca un embudo de separación, se deja reposar durante un día. 3. Trascurrido un día se puede observar que la fase acuosa contiene una gran cantidad de impurezas, es de color blanco. 4. Se repite el mismo procedimiento hasta obtener un agua de lavado incolora.
16
2. RENDIMIENTO EXPERIMENTAL
Según Mike Pelly de Journey to Forever por cada litro de aceite se obtiene una cantidad de 900 mL de Biodiesel y cerca de 100 mL de glicerina pura, el resto corresponde a metanol sin 1
reaccionar, jabón y algunos ácidos grasos, lo cual corresponde a cerca de 200 mL .
Producto
Journey to Forever
Proyecto 2º “A"
Rendimiento
Biodiesel (mL)
900
887
98.5%
Glicerina (mL)
100
135
135%
Impurezas (mL)
200
178
89%
2.1 CONCLUSIONES DEL RENDIMIENTO
Mike Pelly utilizó aceite de cocina estadounidense, mercado en el cual está ampliamente distribuido el aceite de girasol y es posiblemente el aceite utilizado en la fabricación de su biodiesel, dicho aceite no contiene ácido linolénico, que es un ácido graso de 18 carbonos con 3 insaturaciones, es un aceite de tipo secante que no participa en la transesterificación, nuestro grupo trabajó con aceite de palma el cual contiene una cantidad de 8% de ácido linolénico, para que la reacción sea positiva el aceite no debe 2
contener más del 12% de dicho ácido .
Por dicha razón, el rendimiento es distinto para cada tipo de aceite, aún así comparando ambos rendimientos son muy parecidos, obteniendo experimentalmente un rendimiento del 98.5% de biodiesel, 135% de glicerina y un 11% menos de impurezas.
1 2
http://journeytoforever.org/es/biodiesel_mike.html Grompone, María, Mesa Redonda de difusión de la Norma UNIT 1100, UDELAR, 2006.
17
Palma
Girasol
Soya
Lino
3. ANÁLISIS
Para el biodiesel según la norma UNIT 1100 se debe realizar pruebas de estabilidad oxidativa en un equipo OSI o RANCIMAT, el cual mide la capacidad de estabilidad de oxidación, dicho equipo no está disponible en la facultad.
Según la misma norma se deben realizar pruebas de contenido de ésteres, de contenido de mono, di y triglicéridos, glicerol total, contenido de alcohol, punto de inflamación, glicerol libre, contenido de agua y sedimentos, y la prueba de Karl Fisher. Dichas técnicas nos fueron negadas por el laboratorio de análisis de petróleos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Central, Escuela de Ingeniería Química, en el laboratorio de Química Analítica de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador el análisis del punto de inflamación tenía un costo de 50 dólares, precio alto para un presupuesto estudiantil, y poco ético ya que se está poniendo a menos la capacidad técnica y científica de un estudiante de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Central, de haber contado con el equipo y con conocimiento estamos seguros que hubiéramos realizado las pruebas exigidas por la norma UNIT 1100. De todos modos, nos hemos permitido informar un extracto del análisis a la norma UNIT 1100 realizado por la Dra.
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María Grompone de la Universidad Argentina de La Rioja, ya que siguió un procedimiento para la fabricación de biodiesel similar al utilizado por nuestro grupo y por lo que su análisis debe estar dentro de lo que hubiéramos estimado determinar.
Ensayo de estabilidad oxidativa
La medida se realiza bajo condiciones diferentes a las del almacenamiento normal. Se mide en un equipo OSI o RANCIMAT que mantiene al biodiesel a 110ºC, mientras se le burbujea aire.
Estabilidad a la oxidación (Norma UNIT): 6 horas (mínimo)
El biodiesel no es estable (se oxida en contacto con el aire) por lo que tiene una vida útil limitada. En cada caso hay que establecer cuánto tiempo se puede almacenar, sin que su tiempo de oxidación se haga menor a 6 horas.
Compuestos presentes en el biodiesel por su deterioro espontáneo: polímeros y ácidos grasos libres
Ensayo de componentes en el biodiesel luego del lavado
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Norma UNIT
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PROPIEDAD
LÍMITES
Contenido de ésteres
96.5% (mínimo)
Contenido de monoglicéridos
0.80% (máximo)
Contenido de diglicéridos
0.20% (máximo)
Contenido de triglicéridos
0.20% (máximo)
Glicerol total
0.25% (máximo)
Contenido de alcohol
0.20% (máximo)
Punto de inflamación
100ºC (mínimo)
Glicerol libre
0.02% (máximo)
Contenido de agua y sedimentos
0.05% (máximo)
Contenido de agua (Karl Fisher)
500 mg/kg (máximo)
Grompone, María, Mesa Redonda de difusión de la Norma UNIT 1100, UDELAR, 2006.
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4. VENTAJAS DEL BIODIESEL
a) Lubricidad
El biodiesel posee características de lubricidad superiores a las del diesel, conclusión realizada en ensayos.
Se producen menos partículas de desgaste.
b) Número de cetano
En el proceso de precombustión en el motor se forman difernentes compuestos, entre ellos los aromáticos, que poseen un número de cetano menor, el biodiesel tiene un número de cetanos altos por lo que no produce compuestos aromáticos que son contaminantes y tóxicos.
c) Menor número de emisiones
El biodiesel produce menor cantidad de emisiones contaminantes y produce combustiones más eficaces debido a la presencia de oxígeno de las moléculas de éster en el núcleo del spray del motor, por lo que afecta a una mejora en el rendimiento de la combustión, disminución en la cantidad de partículas emitidas y un balance de CO2 nulo debido a su origen biológico.
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5. DISCUSIONES Y RECOMENDACIONES
1) En la valoración de la acidez del aceite se debe tener mucho cuidado y paciencia, ya que el viraje de color en la titulación se da por pocas gotas y como el líquido es muy denso es difícil homogenizar todo el medio.
2) El factor más importante a tomarse en cuenta es que la reacción debe darse en el intervalo de temperatura de 48-54 ºC, caso contrario no se produce biodiesel.
3) No se debe realizar una agitación muy fuerte ya que puede producir burbujas y se forma una pequeña cantidad de jabón de sodio presente como una capa pequeña en la parte superior del vaso de reacción.
4) Es importante considerar que luego de efectuada la reacción durante una hora se debe dejar reposar la mezcla durante 24 horas, para que se decante totalmente la glicerina.
5) Los lavados con agua deben ser realizados con agua destilada, ya que el agua corriente contiene sales de sodio y potasio, que pueden producir jabones ya que en el biodiesel impuro todavía hay pequeñas cantidades de metanol sin reaccionar.
6) La corrección a la técnica de Mike Pelly puede ser que se agregó una menor cantidad de hidróxido de sodio de la que él recomendaba, ya que la acidez del aceite de palma nuevo es menor a la utilizada por dicho ambientalisma norteamericano.
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6. CONCLUSIONES GENERALES
1) Se obtuvo un biocombustible a partir de aceite vegetal de palma, dando así una alternativa renovable de energía.
2) Se obtuvo glicerina como subproducto de la reacción de transesterificación, la cual es de mucha utilidad en el laboratorio como disolvente y como materia prima para la elaboración de muchos productos de importancia industrial.
3) Las pruebas analíticas no pudieron ser realizadas debido a las causas expuestas en el análisis.
COMENTARIO
Como futuros Químicos de Alimentos y observando la problemática mundial acerca del calentamiento global fue útil realizar un proyecto enfocado a dar una solución alternativa a la utilización de carburantes. Fue por esta razón que escogimos realizar un proyecto utilizando materias primas vinculadas al área de alimentos, como fue el aceite vegetal de palma y el metanol, el cual puede ser obtenido naturalmente. Nos sentimos muy complacidos de realizar un proyecto en el cual dimos lo mejor de nuestras capacidades técnicas y científicas impartidas durante estos años en la universidad, por lo cual agradecemos al Dr. Fernando Novillo el cual ha sido el único profesor en la facultad que nos ha despertado el afán de aplicar los conocimientos recibidos en proyectos que nos engrandecerán como profesionales y como personas.
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BIBLIOGRAFÍA
1) Grompone, María, Mesa Redonda de difusión de la Norma UNIT 1100, UDELAR, 2006.
2) García Laborda Biocarburantes Líquidos: Biodiesel Y Bioetanol, CEIM Dirección General de Universidades e Investigación, Universidad de Alcalá y Universidad Rey Juan Carlos, España.
3) Larosa, Rodolfo, Proceso para la producción de biodiesel, Glaris Spa Co. Milán, Italia.
4) http://journeytoforever.org/es/biodiesel_mike.html
5) http://www.biodiesel.org
6) http://www.wearcheckiberica.es
7) http://www.biodiesel-uruguay.com
8) http://209.85.165.104/search?q=cache:8Q6QMQ156aQJ:waste.ideal.es/biodiesel.htm+ca racteristicas+fisicas+BIODIESEL&hl=es&ct=clnk&cd=1&gl=ec
9) http://209.85.165.104/search?q=cache:8Q6QMQ156aQJ:waste.ideal.es/biodiesel.htm+ca racteristicas+fisicas+BIODIESEL&hl=es&ct=clnk&cd=1&gl=ec
10) http://www.corpodib.com/estudios2.htm
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ANEXOS
Figura 1. Equipo de destilación fraccionada. Destilación de metanol.
Figura 2. Se colocó wrap paper para evitar la hidratación del metanol con la humedad ambiental.
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Figura 3. Preparación del metóxido de sodio.
Figura 4. Transesterificación del aceite vegetal con metóxido de sodio.
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Figura 5. Luego de 1 hora de reacción, se observa una mezcla homogénea.
Figura 6. Separación del biodiesel de la glicerina, se puede apreciar claramente la primera fase de color amarillo (biodiesel) de la fase parda (glicerina impura)
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Figura 7. Purificación de la glicerina, se comprueba la temperatura de fusión del metanol
Figura 8. Lavado del biodiesel. El vaso de precipitación de la derecha es una mezcla de biodiesel impuro y agua, el embudo de separación de la izquierda es un lote de biodiesel separándose de su agua de lavado.
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Figura 9. El embudo de separación que se entra al lado derecho tiene 3 lavados mientras el embudo de separación que se encuentra al lado izquierdo posee solo 2, de esta manera gráfica se puede observar como influyen los lavados en la muestra.
Figura 10. Biodiesel luego del tercer lavado, nótese que el agua de lavado se encuentra incolora
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