4-1

4 Materiales y Métodos

En esta sección se presentarán los materiales y métodos de las distintas

etapas del proceso, que van desde la extracción del aceite, la transesterificación,

la caracterización de los productos obtenidos por ésta reacción y la

comprobación de los productos (biodiesel y glicerol). El diagrama de bloques de

este procedimiento se presenta en la Figura 4-1.

Figura 4-1.- Diagrama de bloques del proceso.

4-2

4.1 Proceso de extracción del aceite de Higuerilla (Ricinus

communis L.)

Las plantas de Higuerilla se presentan en forma de arbustos con un tamaño

de 5-6 m. Se caracterizan por ser glabras (lampiñas), por tener tallos huecos que

se ponen duros y leñosos en la parte baja de la planta, por tener una corteza

suave, por vivir uno o varios años y por su savia que es clara y acuosa. También

cuentan con estípulas largas que se unen a la vaina y cubren a las yemas. Los

pecíolos son de 12-30 cm, las hojas de 20 a 35 cm o más de largo y ancho. Las

semillas tienen un tamaño de 2-3 cm con una cubierta espinosa firme pero

herbácea y son explosivamente dehiscentes (dícese cuando la parte exterior del

fruto de la planta se abre naturalmente para que salga la semilla). Cuentan con 3

almendras por semilla con tamaño de 1.5-2.5 cm, moteadas, oblongas, con una

carúncula sobresaliente (Figura 4-2). [19]

La composición de ácidos grasos en el aceite de Higuerilla es la siguiente

[21]:

Ácido Palmítico: 1 - 3 %

Ácido Esteárico: 1-3 %

Ácido Oléico: 2-8 %

Ácido Linolénico: 52-56 %

Ácido Linoléico conjugado: 30-33 %

La semilla de Higuerilla contiene aceite el cual no se puede extraer con

simplemente triturarlo, por lo que hay que llevar a cabo un proceso de extracción

el cual permita despojar a la semilla del aceite que se encuentra contenida en

ella. Se sabe que esta semilla contiene aceite por la literatura consultada y

porque al momento de comprimirla, ya sea con la palma de la mano o los dedos,

se experimenta una “sensación grasosa”.

4-3

Figura 4-2.- Planta de Higuerilla.

4-4

4.1.1 Expeler

El Expeler es un extrusor destinado a la compresión de semillas para

extracción de aceite. La extrusión debe realizarse con una combinación de

cáscara-almendra para que se forme una pasta dura que se pueda comprimir,

ésta pasta beneficia al hecho que se compacta más, a diferencia si fuera pura

almendra, y propicia a una extracción de aceite. El Expeler utilizado es un Komet

modelo CA 59G, IBG Monforts GmbH & Co., Mönchengladbach, Alemania

(Figura 4-3), el cual cuenta con un embudo donde se vierte la muestra, una

manija que hace girar un tornillo el cual a su vez comprime la muestra al ir

avanzando por el conducto, una serie de orificios por donde se drena el aceite, y

los dados (abertura del orificio de salida) por donde sale la pulpa o torta sin

aceite; los dados varían del 1 al 5, teniendo el 1 una abertura de 4 mm, el 2 de 5

mm, el 3 de 6 mm, el 4 de 8 mm y el 5 de 10 mm siendo la más grande. Este

modelo es manual, no cuenta con rotor eléctrico.

Figura 4-3.- Expeler de tornillo.

4-5

Una evaluación preliminar fue realizada en esta etapa del proceso de

investigación. La metodología consta de los siguientes pasos: obtención de la

materia prima, clasificación preliminar, pesaje, reducción de tamaño,

clasificación posterior y mezclas; los cuales se explicarán a continuación.

Obtención de la materia prima: Esta consistió en semilla que se recogió

del arbusto que lleva el nombre de Higuerilla (Ricinus communis), un 80

% del total de la materia prima utilizada se obtuvo en la zona de La Mora

en Banamichi, Sonora, y el 20% restante en la colonia Soleil Residencial

en Hermosillo, Sonora.

Clasificación preliminar: Una vez que se contaba con la materia prima se

realizó una separación de las semillas de la basura (piedras, ramas y

tierra), así como de la almendra que ya había salido de la cáscara de la

semilla. La semilla y la almendra separada se depositaron en bolsas, para

llevar un control y disponer de ellas.

Pesaje: Aquí básicamente se tomo la semilla clasificada anteriormente y

se hicieron 5 muestras de 500 g cada una, para después de ser trituradas

contabilizar la relación de cáscara a almendra con la que cuenta la

semilla.

Reducción de tamaño: En esta etapa se utilizó un molino manual para

triturar cada una de las 5 muestras por separado (Figura 4-4). El molino

contaba con una abertura de trituración de 4mm, por lo que toda semilla

quedaba triturada, mas no destruía la total integridad de la almendra, lo

que facilitaba la eliminación de la cáscara en la clasificación posterior.

4-6

Clasificación posterior: Similar a la clasificación preliminar, solo que en

esta etapa se separó la cáscara de la semilla de la almendra de cada

muestra de 500 g, lo cual facilitaría el siguiente paso. Se utilizaron

tamices con aberturas 7/16'', 5/16'', 1/4'' y malla 100 (sistema ASTM) con

el fin de facilitar el proceso de clasificación (Figura 4-5). Se contabilizan

los pesos de la almendra y cáscara de cada muestra y se promedian las 5

muestras. Se determinó el % de humedad de la semilla (AACC, 1990;

método 44-19).

Mezclas: Esta es la parte final del primer método utilizado. Una vez que

ya se obtuvo la cáscara separada de la almendra se prosiguió a extraer el

aceite en el Expeler. Se realizaron mezclas de estas dos en base al %

que contenía la semilla de cáscara y almendra, que para este caso fue

una relación de 1:1 de cáscara y almendra.

Figura 4-4.- Molino manual para nixtamal y granos.

4-7

Izquierda: malla 100 (ASTM). Derecha: abertura 1/4''

Figura 4-5.- Tamices.

4.1.2 Extracción por solventes

La extracción por solventes es una operación unitaria que consiste en

utilizar un solvente para extraer triacilgliceroles de la semilla. Se da una difusión

del solvente en la materia prima que contiene al aceite, dando una solución de

aceite en solvente, después se recupera el solvente por evaporación y

condensación del mismo, lo cual deja al aceite separado. Este último método se

escogió ya que el utilizado con el Expeler no proporcionó resultados

satisfactorios. En la Figura 4-6 se puede apreciar un equipo Soxhlet con 6

unidades (matraces, lixiviadores, enfriadores), en la cual todos los componentes

son Pyrex®, a nivel laboratorio para la extracción de aceites por medio de

solventes. Como solvente se utilizó hexano (3 lts) marca J. T. Baker, con una

pureza de 99.8%, y éter de petróleo (3 lts) marca Analit, con una pureza de

99.9%; además se utilizó hielo y 6 dedales.

4-8

Figura 4-6.- Equipo para extracción por solventes.

En este método al igual que el del Expeler se hizo una evaluación

preliminar de la metodología. Para poder empezar a hacer la extracción de

solventes se debe preparar la muestra como se realizó en los pasos 1-5 del

método con el Expeler, por ello se omitirán en este apartado. El procedimiento

consiste en lo siguiente:

1. Se introduce la muestra de almendra pura o con cáscara, esto dependía

de cuanto se mezcló (cáscara-almendra) en las pruebas del Expeler, en

los dedales hasta que el cupo fuera máximo. Para evitar que se

derramara la muestra se sellaba el dedal con grapas y se colocaba en el

lixiviador.

4-9

2. Posteriormente el solvente, hexano o éter de petróleo, se introduce en el

matraz y en el lixiviador manteniendo una relación de 2:1

aproximadamente, 200 ml en el matraz y 100 ml en el lixiviador.

3. Al momento de terminar de armar el Soxhlet se hace recircular agua

helada (para esto se utiliza el hielo) debido a que la temperatura que

alcanzaba el solvente al momento de evaporarse eran mayores a 60 ºC y

el agua a temperatura ambiente no alcanzaba a condensar todo el

solvente por lo que había pérdidas considerables de solvente.

4. Ya encendido, se dejaba recircular hasta que se extrajera el máximo

aceite posible en la mínima cantidad de tiempo, 5 horas promedio. Este

tiempo se estableció en 5 horas, debido a que en un tiempo mayor se

obtenía una cantidad considerablemente menor a la obtenida en las

primeras 5 horas.

5. Al finalizar las 5 horas había que retirar el dedal con la muestra y obtener

la mayor cantidad de solvente para reutilizarlo. Lo que ya no se podía

recuperar, debido a que los vapores no lograban ascender hasta el

enfriador, había que evaporarlo, por lo que se desarmaba el Soxhlet y se

dejaba solo el matraz en la placa de calentamiento para terminar de

despojar al aceite del poco solvente que restaba.

6. Una vez el solvente evaporado de los 6 matraces se procedía a juntarlo

en un vaso de precipitado. La materia prima una vez despojada de la

mayoría del aceite, se guardaba por si posteriormente se requería mas

aceite, el cual se tendría que someter a un tiempo de extracción mayor.

4-10

4.2 Transesterificación

Esta etapa es fundamental en el proceso para obtener biodiesel. Consiste en

sustituir un alcohol de cadena larga (glicerol), por uno de cadena corta, como

metanol, mediante el uso de un catalizador, como hidróxido de sodio, para

obtener los ésteres deseados. El catalizador no se recupera sino que produce

jabón, debido a una reacción de saponificación. El equipo utilizado consistió de

un regulador de temperatura PolyScience® modelo 210, un reactor de 600 ml

con chaqueta de calentamiento Schott Duran® conectado a este regulador, un

condensador el cual impide que escapen los vapores de metanol, un termómetro

para monitorear la temperatura deseada, un agitador, una placa de agitación y

un matraz Pyrex® de 125 ml de capacidad (Figura 4-7).

Figura 4-7.- Equipo para llevar a cabo la reacción de transesterificación.

4-11

Antes de iniciar la transesterificación se realizaron ciertos cálculos para

obtener algunos datos, todos ellos para facilitar cualquier operación que los

implicara. A continuación se presentan cada uno de estos.

La densidad del aceite de Higuerilla obtenida en esta investigación es de

0.97678 g/cm3 a temperatura ambiente, comparada a la de la literatura (0.9707

g/cm3) es similar. El cálculo de la densidad se llevó a cabo con un picnómetro de

30 ml y una balanza analítica Mettler Toledo® modelo AB204-S. Además se

determinó que 8.339x10-5 moles de ácidos grasos libres son los que contiene 1 g

de este aceite, es decir se requirieron de 3.33573x10-3 g de NaOH por cada

gramo de aceite para despojar a los ácidos grasos libres. Esta última medición

se realizó al agregar agua y unas gotas de fenolftaleína a un matraz con una

muestra de aceite en constante agitación, la cual se tituló con hidróxido de sodio.

El hidróxido de sodio utilizado es la cantidad de ácidos grasos libres con los que

cuenta el aceite debido a una reacción de neutralización entre el ácido y la base.

Las cantidades de metanol (marca Fermont, con una pureza de 99.9%) e

hidróxido de sodio (marca PQF, en forma de lentejas, con una pureza de 97%)

utilizadas para hacer la mezcla eran de 75 ml y de 0.1-0.5 g respectivamente. De

esta mezcla se tomaba una cantidad que oscilaba entre 4 y 60 ml, y se incluía

en el reactor donde se llevaba a cabo la transesterificación con una cantidad de

aceite de 25-60 ml. La temperatura utilizada fue de 61 ºC aproximadamente

dado que se quería evitar que el metanol se evaporara en gran medida, su punto

de ebullición es 64.7 ºC, aunque el sistema estuviera cerrado porque el tiempo

contacto de esta mezcla metanol-hidróxido de sodio debe ser el mayor posible

para obtener mejores resultados, también se utilizó un agitador para favorecer el

contacto de esta mezcla con el aceite. El tiempo de transesterificación fue de 4

horas. El tiempo de evaporación de remanente de metanol fue de 1 hora o hasta

que todo se evaporara, esto dependía de la cantidad de metanol que se utilizó,

entre más cantidad mayor el tiempo. El remanente se evaporaba dentro de una

campana de extracción para impedir la inhalación y/o contacto con estos gases.

4-12

4.3 Caracterización del biodiesel

A través de la caracterización se pueden conocer las propiedades físicas y

químicas de los compuestos, como el biodiesel. En este apartado se analizarán

densidades y viscosidades a diferentes temperaturas, así como el poder

calorífico del biodiesel. También se analizarán las viscosidades y densidades del

agua destilada, diesel de petróleo y aceite de higuerilla sin procesar, con el fin

de analizar todas las muestras bajo el mismo procedimiento. Las densidades y

viscosidad del agua destilada se utilizaran como referencia para calcular la

viscosidad relativa de las demás sustancias.

El equipo utilizado para medir densidad y viscosidad consistió de

picnómetros de diferente volumen (10, 25, 30 ml) en función de la disponibilidad

de muestra, un viscosímetro de Cannon-Fenske, una balanza Sartorius® modelo

PT-120, un baño a temperatura constante CANNON Instrument Company®

modelo CT-1000 y un termómetro. El equipo ya montado se puede apreciar en la

Figura 4-8.

Figura 4-8.- Equipo para medición de densidades y viscosidades.

4-13

La viscosidad y densidad del biodiesel se creía que podrían variar

dependiendo de si cuenta o no con ácidos grasos libres, por lo que para saber si

afectan o no dichos ácidos se hicieron las mediciones de estas propiedades. La

forma de remover los ácidos grasos libres consistió en hacer un lavado del

biodiesel con agua destilada en una proporción de 1:1. El proceso inicia agitando

las fases de agua destilada y biodiesel por 3 minutos (tiempo suficiente para

mezclar las fases), después se remueve el exceso de agua y se centrifuga; una

vez centrifugado, utilizando una pipeta se succiona el biodiesel sin ácidos grasos

libres del jabón. La centrifugación se llevó a cabo utilizando una centrífuga

Baxter® modelo Biofuge 17 R, a una velocidad de 7900 rpm durante 10 min por

cada muestra analizada (Figura 4-9).

Figura 4-9.- Centrífuga Baxter®, modelo Biofuge 17 R.

Por otra parte se midió el poder calorífico del biodiesel con y sin ácidos

grasos libres para compararlos entre sí, y con el diesel de petróleo. El equipo

utilizado fue un calorímetro que consiste de un matraz de bola con fondo plano,

200 ml de agua destilada, papel aluminio, una mecha, un picnómetro

4-14

(contenedor de biodiesel) y un termómetro (Figura 4-10). El experimento se

realizó de manera sencilla, solo había que notar el cambio de temperatura en el

agua, el cambio de masa en el biodiesel y utilizar la fórmula siguiente:

(1) donde Q es el calor ganado, Cp es la capacidad calorífica, m la masa y ∆T es el

cambio de temperatura. Se utilizó un tiempo de 4 minutos para todas las

pruebas realizadas, con el fin de apreciar un cambio de temperatura notorio en

el agua; además se realizaron pruebas con etanol para conocer la pérdida de

calor aproximado en el sistema utilizado. Con estas pérdidas se puede calcular

el total de energía liberada por el biodiesel.

Figura 4-10.- Calorímetro.

4-15

4.3.1 Análisis estadístico

Los valores obtenidos del estudio de viscosidad se analizaron mediante la

prueba t de Student para comprobar si existen o no diferencias estadísticamente

significativas entre las medias de los datos para las muestras de biodiesel con y

sin ácidos grasos libres. Para distinguir esta diferencia entre medias, fue

seleccionando un nivel de significancia de 0.05 (p<0.05). La determinación de

este resultado se hizo por triplicado. Todos los análisis fueron realizados con el

paquete estadístico G-Stat Student versión 2.0. [20]

4-16

4.4 Comprobación de productos

Un paso importante en el desarrollo de esta investigación es el hecho de

saber si ocurrió algún cambio del aceite a productos en el proceso de

transesterificación, por lo que para comprobarlo se recurrió, para el caso del

glicerol, al método de cromatografía líquida (HPLC, high performance liquid

chromatography) utilizando un detector de índice de refracción de un equipo

HPLC marca Varian© (Figura 4-11) con una columna Aminex® modelo HPX-87P

y un integrador marca Shimadzu® modelo C-R3A. Para el caso del biodiesel se

utilizó el método de espectroscopía infrarroja, mediante un espectrómetro marca

Perkin Elmer modelo Spectrum GX, con la característica que es un sistema FT-

IR (infrarrojo-transformada de Fourier).

Figura 4-11.- Equipo de cromatografía liquida (HPLC).

4-17

Previo a la determinación de la presencia de glicerol, se hizo una curva de

calibración a partir de la preparación de 5 muestras, con concentraciones de

21.676, 17.3408, 13.0056, 8.6704 y 4.3352 g/L de glicerina marca Racel®,

químicamente pura. Una vez preparadas las muestras se procedió a inyectarlas

al HPLC en orden creciente de concentración en intervalos de 5 minutos

aproximadamente con una cantidad de 20 µL por muestra. El flujo de la fase

móvil se estableció en 0.45 ml/min, la temperatura de la columna fue de 55 ºC, la

presión de 80 atm, el detector de índice de refracción trabajó a 35 ºC; la

impresión se hizo con un factor de atenuación de 10, una velocidad de impresión

de datos de 2 mm/min y un tiempo de espera de 1 hora para obtener resultados.

El cromatograma para la realización de la curva de calibración se

presenta en la Figura 4-12. Cada uno de los picos indica una muestra,

presentadas de arriba a abajo es de menor a mayor concentración, y el número

representa el tiempo en minutos de cuando se detectó después de haber sido

inyectada la muestra. Para elaborar la curva de calibración también se tomó en

cuenta el área bajo cada curva presentadas en el cromatograma, la información

se encuentra en la Tabla 4-I. Con estos datos y las concentraciones se hizo una

gráfica (Figura 4-13) donde se presenta la curva de calibración, la ecuación de la

línea de tendencia y el coeficiente de correlación lineal. Cuando el coeficiente

cuenta con una proximidad a 1, refleja resultados precisos debido a que la

relación de las dos variables sigue un comportamiento lineal.

4-18

Figura 4-12.- Cromatograma de glicerol para curva de calibración.

Tabla 4-I.- Área de glicerol bajo la curva presentada en el cromatograma.

Muestra Glicerol Tiempo (min) Concentración (g/L) Área (ua)

1 27.018 4.3352 4162567

2 34.652 8.6704 8162679

3 40.135 13.0056 11982062

4 45.238 17.3408 12907212

5 49.602 21.676 20178520

ua = unidades arbitrarias

4-19

ua = unidades arbitrarias

Figura 4-13.- Curva de calibración del glicerol.

Se descartaron los valores de la muestra con concentración 17.3408 g/L

ya que hubo un error al momento de crear la mezcla y no se llegó a esta

concentración sino una cercana a 13.0056 g/L. La finalidad de realizar esta

curva de calibración es que sirve para encontrar la concentración de glicerol que

contienen las muestras que resultaron de la transesterificación, utilizando solo el

área bajo la curva que reporta la impresión del HPLC junto con el integrador.

4-20

Se prepararon 3 muestras para determinar la concentración de glicerol,

agregando una masa de 1.0452 g, 0.8054 g y 1.8738 g de la fase más densa de

la transesterificación (Figura 5-3) obtenida de las corridas 3T, 4T y 5T (T de

transesterificación) respectivamente a un volumen de 100 ml de agua destilada,

cuyas concentraciones eran de 10.452, 8.054, 18.738 g/L respectivamente. Para

poder utilizarlas en el HPLC necesitan tener un pH de 6-7 para que no afecte al

equipo. Estas muestras tenían un pH alrededor de 9.0 debido a que aún tenía

NaOH en esa fase, para reducirlo se utilizó HCl 4 M en pequeñas cantidades. Al

momento de analizarlas se utilizaron los mismos parámetros que para la

elaboración de la curva de calibración, la diferencia fue el tiempo, ahora solo era

de 35 min dado que se espera que los picos se obtengan a los 27 min después

de haber sido ingresada la muestra.

Para el caso de los metilésteres (biodiesel), se utilizó el método de

espectroscopía infrarroja que consiste en generar un haz de luz infrarroja y

dividirlo en 2. Uno pasa a través de la muestra y el otro por una referencia que

puede ser una sustancia en la que esta disuelta la muestra, o las 2 placas

prensadas sin muestra de referencia; ambos haces se devuelven al detector,

pero antes pasan por un separador que alterna cual de los dos haces pasa por

el detector. Las señales se comparan y se registra la cantidad de energía

absorbida en cada longitud de onda. Esto puede lograrse usando una

transformada de Fourier para medir todas las longitudes de onda a la vez. A

partir de esto, se puede trazar un espectro de transmitancia o absorbancia, el

cual muestra a cuales longitudes de onda la muestra absorbe el haz de luz

infrarroja, y permite una interpretación de cuales enlaces están presentes.

.