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http://slidepdf.com/reader/full/257-641-1-sm 1/632 Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen 1, No. 2 - Edición No. 2Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

Leandro Castaño Chiguachí.

Estudiante de Ingeniería QuímicaUniversidad Nacional de ColombiaSede Manizales-Colombia

J ulián Andrés Torres Montoya.Estudiante de Ingeniería QuímicaUniversidad Nacional de ColombiaSede Manizales-Colombia

Carlos Ariel Cardona Alzate, Ph.D.Profesor Departamento de Ingeniería Química.Universidad Nacional de ColombiaSede Manizales-Colombia

Carlos Eduardo Orrego, M.Sc.Profesor Departamento de Física y Química.Universidad Nacional de ColombiaSede Manizales-Colombia

Grupo de investigación de Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos

Universidad Nacional de Colombia sede Manizales

Producción de biodiesel a partirde aceites vegetales utilizando

enzimas libres:

Estudio Preliminar

* Recibido : Noviembre 2004 * Aceptado: Diciembre 2004

__________________________

RESUMEN

Se estudian las principales variables que afectan elrendimiento de la reacción de transesterificación deaceites vegetales con etanol utilizando enzimas(lipasas) libres de Cándida rugosa y Pseudomonasfluorescens como catalizador, y se analiza teórica-mente la viabilidad de adaptar al proceso un sistemahíbrido reacción-separación que contribuya a mejorar la rentabilidad del mismo. Para ello, inicialmente fuenecesario realizar ensayos utilizando un catalizador alcalino con el fin de comprender mejor la naturalezade la reacción. Los parámetros de operación emplea-dos fueron: temperatura (69.5 °C), tipo de catalizador (hidróxido de sodio y lipasas), concentración de cata-lizador alcalino (0.34 wt %), concentración de lipasa(12.5 wt %), relación molar aceite/etanol (1:7.4), masade aceite (8 g) y tiempo de reacción (5 h para elproceso químico y 24 h para el proceso enzimático).Se probaron diferentes aceites vegetales, entre ellos elde palma y el de higuerilla, ya que estos cultivosrepresentan un recurso abundante en nuestro país quepodría ser aprovechado en aras de contribuir a laeconomía, y se encontró que el aceite de palma

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Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen 1, No. 2 - Edición No. 2 33Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

Leandro Castaño Chiguachí, J ulián Andrés Torres Montoya, Carlos Ariel Cardona Alzate, Ph.D.,Carlos Eduardo Orrego, MS.c.

refinado era el más apropiado. De manera cualitativase verifica la formación de etil esteres (biodiesel) alfinal del proceso químico, empleando cromatografía degases y una técnica colorimétrica de identificación.

Además, por las características de la enzima, se logróestablecer las condiciones adecuadas en las quedebe ajustarse ésta para efectuar la reacción.

PALABRAS CLAVES

Biodiesel, transesterificación, lipasas, etil esteres,sistema hibrido reacción- separación.

ABSTRACT

The purpose of the research was to study the principalvariables that affect the transesterification reaction of vegetable oil with ethanol by using enzymes (lipases)free from Candida rugosa y Pseudomonas fluorescensas a catalyzer. It also includes the theoretical analysisof the viability to adapt a reaction-separation hybridsystem to the process that contributes to increase its

profitability; for this, it was first necessary to try usingan alkaline catalyzer with the purpose of understandingbetter the nature of the reaction. The operationparameters used were: temperature (69.5° C), type of catalyzer (sodium hydroxide and lipases), alkalinecatalyzer concentration (o.34 wt per cent), lipasesconcentration (12.5 wt percent), molar relation oil/ethanol (1:7.4), oil mass (8 g) and reaction time (5 hrs.for the chemical process and 24 hrs. for the enzymaticprocess). Different vegetable oils were tested such aspalm three and the castor-oil plant, because theseplantations represent a great resource in our country

and could be exploited to the advantage of our economy. The results showed that the refined palm tree oil wasthe most appropriate. In a qualitative manner the ethylesters formation was verified (biodiesel) at the end of the chemical process, using gas chromatography andan identification colorimetric technique. Besides this,due to the enzyme characteristics, it was possible toestablish the optimal conditions in which the enzymemust be adjusted to proceed with the reaction.

KEY WORDS

Biodiesel. Transesterification. Ethyl esters. Lipases.

Hybrid system reaction-separation.

1. INTRODUCCION

Desde que en 1897 el ingeniero alemán Rudolf Dieselpresentó en la Asamblea General de Ingenieros de esepaís un motor de combustión interna que llevaba sunombre y el cual, según había demostrado, podíafuncionar con aceite vegetal, la idea de usar diferentesvariedades de aceites vegetales como sustitutos delcombustible diesel convencional ha sido reintroducida

periódicamente (Haas et al., 2002).En un principio, los combustibles fósiles se apodera-ron del mercado gracias a su bajo costo, a su eficientedesempeño y, sobre todo, a su gran disponibilidad. Noobstante, en los últimos años el panorama energéticomundial ha variado notablemente; la escasez de com-bustible de los años 70’s en los Estados Unidos y lasThe

crecientes preocupaciones sobre el inminente daño

que causan al planeta las emisiones producto delconsumo masivo de este tipo de combustibles en losmotores de automoción, han motivado el interés demuchos investigadores en el mundo por desarrollar nuevas fuentes de producción de energía. Producto deestas investigaciones surgió el biodiesel, para ser empleado como un sustituto del diesel de petróleo.Sin embargo uno de los principales problemas queenfrenta hoy por hoy el proceso de producción debiodiesel es su baja rentabilidad, debido al elevadocosto de sus materias primas, ya que se requiere queéstas posean un bajo contenido de humedad y un bajocontenido de acidez, lo que obliga al uso de aceitesrefinados y alcoholes y catalizadores de alta pureza.Por tal motivo, nuestra investigación se ha enfocado enel estudio de diversos aceites vegetales propios delpaís, así como en el uso de enzimas como agentecatalítico, y la adaptación de un sistema simultáneoreacción separación, con el fin de desarrollar unproceso más rentable, mediante el uso de materiasprimas que no requieran costosos tratamientos y lareducción del número de etapas de separación.

2. TRANSESTERIFICACION Y BIODIESEL

Transesterificación es el nombre con el que se conoceal tipo de reacción en la que los triglicéridos (TG)presentes en los aceites vegetales y grasas animalesse combinan con un alcohol (alcohólisis) en presenciade un catalizador, para formar una mezcla de ésteresgrasos (biodiesel), cuyos tamaños y propiedades sonsimilares a las del diesel de petróleo y glicerina(Encinar, 2002). La reacción global de transesterificaciónpuede ser representada por (Schuchardt, 1998):

La transesterificación consiste de una secuencia detres reacciones reversibles consecutivas. El primer paso es la conversión de triglicéridos a diglicéridos,seguido por la conversión de diglicéridos amonoglicéridos y, finalmente, monoglicéridos a glice-rina, produciéndose una molécula de éster por cadaglicérido en cada paso. Estequiométricamente serequieren tres moles de alcohol por mol de triglicérido,pero en la práctica se emplea un exceso de alcoholpara desplazar el equilibrio hacia una mayor formación


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Producción de biodiesel a partir de aceites vegetales utilizando enzimas libres: estudio preliminar

de éster.El biodiesel es un biocarburante oxigenado que puedeser utilizado como un aditivo del diesel de petróleo enmezclas del 10% (B10) y el 20% (B20), y en algunoscasos, dependiendo de su pureza, usado directamen-te en motores de ignición (Stratta, 2000). Entre lasprincipales ventajas que ofrece su uso, se encuentranla reducción de emisiones gaseosas contaminantes yde materia sólida, así como el mantenimiento de unequilibrio neto en el balance de CO

2 atmosférico, ya

que se considera que todo el CO2 emitido durante sucombustión, había sido tomado previamente por laplanta para su proceso fotosintético.

2.1Sistema HidricosRecientemente los procesos simultáneos se vienendesarrollando como alternativa a los procesos conven-cionales. La reacción puede ser combinada con técni-cas de separación como destilación, cristalización,extracción líquido – líquido, adsorción y separaciónpor membranas, para conseguir ciertas ventajas comoreducir la inversión de capital o sobrepasar las limita-ciones del equilibrio impuestas por las reaccionesreversibles, lo que no se puede conseguir con losprocesos convencionales.

2.1.1 Procesos de reacción-extracciónLa reacción extractiva es un método híbrido queinvolucra simultáneamente la reacción y la separaciónde fases líquido – líquido (Rivera, 2003). La inmiscibilidadde estas fases se puede dar naturalmente dentro delsistema de reacción (p.e. por la formación de unproducto parcialmente miscible con los reactivos) o lasegunda fase puede ser introducida con la adición desolventes, logrando la separación selectiva de com-

puestos intermedios o productos, previniendo su pos-terior reacción o la inhibición de biomasa en sistemasbiológicos, consiguiendo así un mayor rendimiento.La reacción extractiva se ha venido implementando demanera exitosa en el campo biotecnológico, aplicán-dose en la síntesis de productos químicos. En estecampo se agrupan procesos de fermentación extractivay reacción enzimática extractiva.

2.1.2 Reactores de membranaUn reactor de membrana es una combinación de unreactor y una membrana en línea, para la separación(Agar, 1999). La membrana obstaculiza el paso de uno

o varios de los componentes, a la vez que esselectivamente permeable a otros, siendo útil enreacciones que se encuentran limitadas por el equili-brio, desplazando éste hacia la derecha, lográndoseasí altas conversiones.Estos reactores pueden ser utilizados en reaccionesde hidrólisis catalizadas por lipasas. Una de lasposibles configuraciones es aquella en la que la lipasaes inmovilizada por la membrana en la interfase aceite/agua y éstos pasan a cualquiera de los lados de lamembrana, mientras los productos son retenidos alotro lado para ser posteriormente extraídos del reac-tor.

Esta alternativa puede ser muy efectiva; sin embargo,tiene diferentes desventajas, entre las que se encuen-tran las bajas velocidades de permeabilización, loselevados costos debido a los materiales de la membra-na, la baja estabilidad mecánica y una complejaconstrucción del reactor, necesario para proporcionar un área suficiente para un volumen de catalizador dado.

2.1.3 Destilación Reactiva

La destilación reactiva es un proceso combinado, enel cual la reacción química y la destilación sonllevadas a cabo en una sola unidad de proceso. Eldesarrollo de la reacción con separación en una solaunidad ofrece distintas ventajas sobre la configuraciónconvencional, ya que ésta reduce costos de capital yoperación, además de aumentar la conversión de losreactantes, selectividad y transferencia de masa (Car-dona, 2001).La destilación reactiva es utilizada principalmente enreacciones limitadas por el equilibrio, tales como,esterificación, alquilación y reacciones de hidrólisisde ésteres, donde la conversión puede ser incrementada más allá de la conversión de equilibriodebido a la continua remoción de los productos en lazona de reacción. Esto permite, entonces, unaenorme reducción de capital y costos de inversión, por lo que en los últimos años algunos trabajos se hanenfocado en el empleo de esta técnica en las reaccio-nes de esterificación de ácidos grasos (Omota et al.,2003).

3. MATERIALES

El aceite de palma crudo y refinado fue suministradopor la ALIANZA TEAM S.A. (Bogotá). El aceite dehiguerilla fue adquirido en una farmacia local. Lasenzimas de Cándida rugosa (lipasa AY) yPseudomonas fluorescens (lipasa AK) fuerongentilmente proporcionadas por Amano Enzyme Inc.(Nagoya, Japón). El etanol y el NaOH utilizados fueronde grado analítico (Sigma Chemical Co.). Todos losdemás reactivos empleados fueron de grado analíticoy fueron suministrados por un proveedor local.

4. METODOS

4.1 Caracterización de los aceitesCada uno de los aceites se caracterizó siguiendo losmétodos del Instituto Colombiano de Normas Técni-cas ICONTEC (Gaviria).

Se estableció el contenido deácidos grasos libres mediante el índice de acidez(Norma 218), el grado de saturación mediante el índicede yodo (Norma 283), el contenido de materiasaponificable mediante el índice de saponificación(Norma 335), y el contenido de humedad mediante elmétodo Karl Fischer. Además se determinaron propie-dades como la densidad (Norma 336) y el índice derefracción (Norma 289).


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AceitesParámetrosRefinado Crudo Higuerilla

Índice saponificación 200.56 197.66 180.97Índice yodo 37.8 52.61 20.74Índice acidez 1.52 8.98 5.55Índice refracción 22 °C 1.47 1.47 1.48Densidad 22 °C 0.91 0.91 0.96

Figura 1. Cromatograma del aceite de palma refinado.Pico 1: isooctano.

Figura 2.

Composición de los etil ésteres del aceite depalma refinado. Pico 1: isooctano. Picos 2-5: etil

esteres de acido palmítico, esteárico, oleico, y linoléico.


Tabla 1. Resultados de la caracterización de aceitesvegetales.

4.2 TransesterificaciónLa reacción de transesterificación fue llevada a caboen un reactor de vidrio enchaquetado de 25 ml, equipa-do con un baño termostatado y un agitador magnético.El procedimiento seguido se describe a continuación.El sistema se calentó hasta 70 ºC para eliminar lahumedad, y luego se adicionaron 8 g de aceite.Cuando el sistema alcanzó de nuevo los 70 ºC, seadicionó una cantidad previamente establecida de una

solución de etóxido de sodio. Se conectó el sistemade agitación y se dio inicio a la reacción. Cadaexperimento se prolongó durante 5 h, al cabo de lascuales se asumió que la conversión a ésteres fuecompleta. Se enfrió el sistema y la mezcla reaccionantese transfirió a un embudo de separación, donde luegode 2 h, se observó la formación de dos capas, unasuperior formada principalmente por etil ésteres, y otraque contenía la mayor parte del glicerol producidodurante la reacción. Cuando se desarrolló el procesoenzimático se preparó inicialmente una solución deaceite-hexano 0.34M; esta solución se llevó al reactor,donde se mezcló con etanol y agua, en unas propor-ciones definidas y se calentó el sistema hasta 40 ºC.Una vez alcanzada esta temperatura se adicionó laenzima y se fi jó una velocidad de agitación tal queasegurara que ésta se mantuviera suspendida en lamezcla reaccionante. En este caso la reacción seprolongó durante 24 h.

4.3 Análisis de ésteresEl contenido de la capa superior extraída del embudode separación fue analizado por cromatografía degases y por un método colorimétrico cualitativo deidentificación de ésteres. El cromatógrafo empleado

fue un Perkin Elmer equipado con un detector deionización de llama. La columna capilar utilizada fueuna Perkin Elmer de polietilenglicol ácido modificada(PE-FFAP) de 30 m con un diámetro interno de 0.32mm y un espesor de película de 0.25 µm. Se usónitrógeno como gas de arrastre. La temperatura delhorno fue programada en un intervalo de 150 a 240 ºCa una velocidad de calentamiento de 10 ºC/min., y lastemperaturas del inyector y el detector fueron 240 ºCy 250 ºC, respectivamente.

5. RESULTADOS

Los índices de saponificación, de yodo, de acidez y derefracción, así como la densidad del aceite de palma

crudo y refinado y del aceite de higuerilla, se muestranen la Tabla 1. Estos resultados muestran que, de lastres variedades de aceite analizadas, el aceite depalma refinado y el aceite de higuerilla poseen elmayor grado de insatauración; por otra parte, losíndices de acidez del aceite de palma crudo y delaceite de higuerilla fueron 8.98 y 5.55, respectivamen-te, los cuales son valores relativamente altos compa-rados con el valor del índice de acidez para el aceite depalma refinado el cual fue 1.52.

5.1 Efecto del catalizadorPara el proceso químico se emplearon diferentesconcentraciones de catalizador y se encontró quevalores muy altos de éstas conducían a la formaciónde un gel en la mezcla reaccionante; en tanto conconcentraciones muy pequeñas de catalizador, no sepresentaba formación de ésteres. Por lo tanto sedeterminó que existe una concentración óptima decatalizador para la cual éste no interviene en elproceso, generando reacciones de saponificación.Esta concentración corresponde, para los ensayosrealizados, al 0.34% respecto a la cantidad total deaceite utilizada. En el proceso enzimático se observóque el uso directo de la enzima sin ningún tratamientoprevio no favorece la formación de ésteres.


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Producción de biodiesel a partir de aceites vegetales utilizando enzimas libres: estudio preliminar

5.2Análisis de la transesterificaciónLa formación de etil ésteres en el proceso químico, fueverificada mediante cromatografía de gases. La Figura1 muestra el cromatograma correspondiente al aceitede palma refinado diluido en isooctano. Como sepuede apreciar, hasta un tiempo de retención de 20minutos solo se observa el pico correspondiente alisooctano, pero no los correspondientes a los ácidosgrasos del aceite de palma. La Figura 2 correspondeal cromatograma de los etil ésteres obtenidos durante

la reacción química, diluidos en isooctano; en ella seobserva la formación de 4 picos (picos 2-5) quecorresponden a los etil ésteres de los ácidos grasosdel aceite de palma; además se presenta una super-posición de los picos correspondientes al etanol y alisooctano (pico 1), debido a que poseen los mismostiempos de retención. Por lo tanto, puesto que amboscromatogramas fueron obtenidos operando elcromatógrafo bajo las mismas condiciones, se com-prueba la formación de etil ésteres; resultados quecoinciden bastante bien con los reportados en laliteratura (Gupta, 2004).

6. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos de la caracterización de losaceites sugieren que el aceite de palma refinado es elmás apropiado para emplearse como materia prima enla reacción de transesterificación utilizandocatalizadores alcalinos, debido a que posee una can-tidad importante de ácidos grasos insaturados, lo cualpermite obtener un biocombustible con buenas propie-dades a bajas temperaturas; además, su bajo conte-nido de ácidos grasos libres no representa una condi-ción limitante para el uso de catalizadores alcalinos.

La concentración de catalizador alcalino es un factor importante a tener en cuenta en reacciones detransesterificación con aceites vegetales, especial-mente cuando su contenido de ácidos grasos libres esconsiderable, ya que valores elevados de éste contri-buyen a la aparición de reacciones indeseadas quereducen el rendimiento global de la reacción.Cuando se emplea la enzima como agente catalítico,es necesario el uso de un solvente que ayude a lahidrólisis de ésta. También se deben ajustar lascondiciones de pH y actividad del agua debido a queconstituyen factores importantes en la reacción.Dado que para las condiciones empleadas en lacromatografía, el solvente (isooctano) y el etanoleluyen al mismo tiempo, es necesario, con el fin decuantificar la cantidad de etanol presente al final de lareacción, utilizar un solvente diferente que garanticeque no ocurra una superposición de los picos.

7. AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Nacional de Colombia sede Manizalesa través de la Dirección de Investigación DIMA y aCOLCIENCIAS por el apoyo financiero a través de la

investigación “Obtención de biodiesel a partir de acei-tes de palma y de higuerilla por un proceso de reacciónseparación catalizado por enzimas inmovilizadas”

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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http://slidepdf.com/reader/full/257-641-1-sm 6/6Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente Volumen 1 No 2 Edición No 2 37Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

Carlos Eduardo Orrego. Ingenie-ro Químico, Especialista en Física,

Especialista en AlimentosProfesor Departamento de Física y Química.Universidad Nacional de Colombiasede [email protected].

Leandro Castaño Chiguachí.Estudiante de Ingeniería Química.Universidad Nacional de Colombiasede [email protected]

Carlos Ariel Cardona Alzate. Inge-niero Químico de la Academia Esta-tal de Ingeniería Química Fina deMoscú. M.Sc. en Ingeniería Químicade Síntesis Orgánica de la citadaacademia, 1995. Ph.D. en IngenieríaQuímica de la citada academia, 2001.Director Grupo de investigación enProcesos Químicos Catalíticos y Biotecnológicos.Trabaja como profesor asistente en la Universidad

Nacional de Colombia sede Manizales. Carrera 27 No.64-60, Of. F-505. Tel.: 8810000 Ext. 417. Manizales,Colombia. E-mail: [email protected].


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