Biodiesel

LABORATORIO DE HIDROCARBUROS “ BIODIESEL”

Elaboración de biodiesel a partir de aceite.

1. OBJETIVOS:

Obtener Biodiesel a partir de aceite.

2. MARCO TEÓRICO:

El proceso de transesterificación consiste en combinar, el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol, y deja como residuo de valor añadido glicerina que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras.La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, ya que es una especie con alto contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos. Sin embargo existen otras variedades con mayor rendimiento por hectárea, tales como la palma, la jatropha curcas etc. También se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso la materia prima es muy barata y, además, se reciclan lo que en otro caso serían residuos.Los aceites y grasas, desde el punto de vista químico, están formados mayoritariamente por triglicéridos, es decir, ésteres con tres cadenas moleculares de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerol. Cuando el glicerol se substituye por metanol obtenemos tres moléculas de metiléster y una molécula de glicerina. Esto es lo que ocurre en las reacciones de transesterificación, una molécula de triglicérido reacciona

Aceite vegetal + Metanol Ester Metílico de Ácidos Grasos + Glicerina

CH2-OCO-R1 CH3-OCO-R1 CH2-OH

CH-OCO-R2 + 3CH3OH CH3-OCO-R2 + CH-OH

CH2-OCO-R3 CH3-OCO-R3 CH2-OH

El biodiesel se hace a partir de grasas de origen animal y vegetal, que desde el punto de vista químico son triglicéridos. No puede hacerse con grasa de origen inorgánico, como el aceite lubricante.

Cada molécula de triglicérido está formada por tres moléculas de ácido graso unidas a una molécula de glicerina. La reacción de formación de biodiesel consiste en separar los ácidos grasos de la glicerina con ayuda de un catalizador (NaOH o KOH), y unir cada uno de ellos a una molécula de metanol o de etanol. Esta reacción se llama:

TRANSESTERIFICACIÓN CATALÍTICA: La alcohólisis (reacción de transesterificación) requiere


la presencia de un catalizador adecuado para que pueda transcurrir a una velocidad adecuada. Los catalizadores más habitualmente utilizados son los siguientes:Homogéneos Básicos (NaOH, KOH, NaCH3O). Son los más comunes pues proporcionan mejores rendimientos y el biodiesel presenta mejor calidad final. Sin embargo son más difíciles de recuperar o separar y provocan la aparición de jabón. También presentan el problema de su incompatibilidad con la presencia de ácidos libres. Una excesiva acidez libre da lugar a la 1. Introducción 29 inactivación del catalizador básico debido a la reacción de éstos con los ácidos libres.

El BIODIESEL es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiesel o gasóleo obtenido del petróleo.

En base a un listado de precios establecidos, resulta más caro producir Petrodiesel en comparación del petróleo, por sus buenas cualidades son una fuente importante de incentivos, sobre todo en la parte social para impulsar crecientemente su uso. Desde 2002 se ha estado empleando en proporciones bajas (20%), mezclado con el Petrodiesel, mejorando las propiedades de este. Para que la economía de producción del Biodiesel sea competitiva con el Petrodiesel, requiere de incentivos gubernamentales y fiscales, merecidos por las buenas características que presenta.


Figura 1 Crecimiento de la Producción de Biodiesel, 1992-2002

El Biodiesel tiene un poder calorífico ligeramente menor que el Petrodiesel siendo de aproximadamente 16,000 BTU/lb* (118,170 BTU/gal) comparado con 18,300 BTU/lb* (129,050) del Petrodiesel, es decir, su poder calorífico es 14% menor; por su comparación en peso o bien 9% menor si la comparación se hace con base en unidad de volumen.

En cuanto a las emisiones el Biodiesel tanto mezclado con Petrodiesel en proporción del 20%(B20) o 100% Biodiesel (B100) presenta importantes reducciones de todas las emisiones excepto por las emisiones de Óxido de Nitrógeno donde compite en desventaja con el Petrodiesel, como se indica en la tabla siguiente.

Tabla 1. Emisiones promedio del Biodiesel comparadas con las delPetrodiesel

El punto de inflamación o “flashpoint” también es sustancialmente mejor en el Biodiesel, que lo convierte en un combustible mucho más seguro de almacenar. El punto de inflamación del Biodiesel es de 128 ºC comparado con el punto de inflamación del Petrodiesel que es de 48 a 71 ºC, es más seguro de almacenar que el petróleo que tiene un punto de inflamación de 66 a 116 ºC.El Biodiesel puede emplearse en los motores a Diesel convencionales sin requerir modificación alguna, lo que facilita en gran proporción su introducción al mercado ya sea al 100% o mezclado con el Petrodiesel, siendo la proporción más frecuente al 20%.


3. VENTAJAS

Entre las ventajas de usar este combustible en vez del gasóleo están, por supuesto, la conservación de los recursos naturales del planeta, por tratarse de una fuente de energía de origen renovable. Por otro lado, reducimos la importación de combustibles si producimos aquí el biodiésel, de esta manera, nuestra dependencia energética de los combustibles fósiles, la cual es del 80% en España, disminuye también. Asimismo, favorece el desarrollo y fijación de las poblaciones rurales que se dediquen a la producción de este combustible.

ventajas que tiene son: ayudar a la disminución de las emisiones de CO₂ a la atmósfera; no contiene azufre, por lo que eliminará el problema de la lluvia ácida; reduce la contaminación de los suelos y riesgos de toxicidad, en caso de vertido accidental, al ser un producto biodegradable y no tóxico. En el aspecto técnico, tiene una lubricidad excelente y mayor punto de inflamación, lo que le aporta mayor seguridad.

4. INCONVENIENTES:

Uno de los mayores inconvenientes hoy en día es que su coste todavía no lo hace competitivo frente al diésel convencional. Respecto a las propiedades técnicas, tiene menor poder calorífico, si bien no supone una pérdida de potencia ni incremento significativo de consumo. Otra desventaja es que tiene menor estabilidad a la oxidación, siendo esto importante a la hora del almacenamiento, y tiene peores propiedades en frío, que lo hace incompatible a temperaturas muy bajas. Estas dos últimas propiedades se pueden rectificar añadiendo algún aditivo.Como vemos las ventajas superan a los inconvenientes y es por eso que, poco a poco, lo podrás ir viendo cada vez más en tu gasolinera habitual.

Costos

Combustible Costo

Diesel 2.20 Dólares/galónPetrodiesel 0.85 Dólares/galónPetróleo 50 Dólares por barril


5. DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES DEL BIODIESEL

5.1.Densidad

Para la determinación de la densidad se utilizan matraces de 5 mL. Por diferencia de pesada se calcula la masa de biodiesel contenida en el interior de dichos matraces lo que, junto con el volumen, proporciona la densidad. Por otra parte, conociendo la temperatura a la cual se ha efectuado la determinación, es posible conocer la densidad a 15 ºC (valor normalizado)

Siendo:

ρ15 la densidad a 15 ºC en kg·m-3

ρT la densidad a una temperatura T (ºC) en kg·m-3

Para poder utilizar la anterior correlación es necesario que la temperatura T, a que se hecho la medida de la densidad, esté comprendida entre 20 y 40 ºC.

5.2.Viscosidad:

La determinación de la viscosidad se ha realizado mediante dos métodos: utilizando el viscosímetro de Ostwald (de acuerdo con la norma UNE EN ISO 3104 [1]) para viscosidades de 7 a 35 cSt, y utilizando el viscosímetro de rotación de Brookfield para viscosidades superiores. El viscosímetro de Ostwald es un instrumento de vidrio cuyo fundamento consiste en medir el tiempo que tarda un volumen de un líquido, contenido entre dos enrases, en pasar por un capilar, sólo por la acción de la gravedad. La medida debe realizarse a 40 ºC, para eso se introduce el viscosímetro en un baño termostático a dicha temperatura. La viscosidad cinemática es directamente proporcional al tiempo que tarda en caer el líquido

Siendo:μ la viscosidad cinemática en cSt; t el tiempo en segundos;K la constante del viscosímetro

5.3.Índice de saponificación


El índice de saponificación see expresa como el peso, en mg, de KOH necesario para saponificar (hidrolizar un éster para dar el alcohol y la sal potásica del ácido graso correspondiente) 1 g de.

La determinación consiste en calentar un exceso de KOH con un peso conocido de la muestra hasta que la saponificación sea completa y valorar el exceso que no reacciona con HCl normalizado. El procedimiento consta de las siguientes etapas:

o Se pesan cerca de 2 g de muestra en un matraz Erlenmeyer de 250 mL.o Se agregan 25 mL exactos de KOH 0,5 N normalizado.o Se calienta durante 1 h a ebullición, adaptando un refrigerante por el cual circula agua.o Se retira de la fuente de calor y se agregan 4 o 5 gotas de fenolftaleína.o Se valora la solución, todavía caliente, con HCl 0,5 N normalizado.o Se repite el proceso con una muestra en blanco.

La expresión que permite calcular el índice de saponificación es la siguiente:

Siendo:MKOH el peso molecular del KOH;NHCl la normalidad de la disolución de HCl; mB la masa de biodiesel en gramos;Vb el volumen en mL de disolución de HCl gastados en la valoración del blanco;Vm el volumen en mL de disolución de HCl gastados en la valoración de la muestra.

5.4. Punto de inflamación y combustión:

El punto de inflamación es la temperatura en la que una llama provoca la inflamación de los vapores emitidos por encima de la superficie de un combustible. El punto de combustión es la temperatura en la que una llama provoca la inflamación de un combustible, permaneciendo visible la inflamación durante al menos cinco segundos. Para la determinación de estas propiedades se emplea el método Cleveland en vaso abierto, que aparece en la norma UNE-EN ISO 2598 [6] y que consta de los siguientes pasos:o Se llevan 74 mL de biodiesel al vaso abierto, hasta cubrir el enrase del vaso.o Se enciende el mechero adosado.o Se conecta la calefacción. La velocidad de calentamiento varía en función de la cercanía a la

temperatura esperada de inflamación.o A intervalos de temperaturas de 1 ºC se realiza un barrido con la llama del mechero por la

superficie del combustible. Es muy importante la ausencia deo corrientes de aire.o Se anotan las temperaturas de inflamación y combustión y se corta la combustión por

asfixia.

6. DESARROLLO:

6.1.Material 500 ml de aceite vegetal comestible


100 mL de metanol con pureza del 99% 2.5 grs de hidróxido de sodio(NaOH) Reactor con chaqueta y agitador mecanico Balanza Cubre bocas industriales Termómetro 1 botella de litro de plástico PET para sedimentación 2 embudos, uno para el metanol y otro para el hidróxido de sodio 2 vasos de precipitados

6.2. Metodología

El proceso que se llevó a cabo es el siguiente:1. Preparación del metóxido.

1.1 Se miden 500 ml de metanol y se vierten con un embudo dentro del recipiente de HDPE de medio litro.

1.2 Con un segundo embudo en la mezcla anterior, se vierten 2.5 gramos de hidróxido de sodio (NaOH). Conocido como sosa cáustica.

1.3 Se agita la botella unas pocas veces, de lado a lado. La botella se calienta durante la reacción. Se agita bien durante un minuto, a intervalos de cinco o seis minutos, el hidróxido de sodio se disuelve en el metanol formando metóxido de sodio.

2. Reacción.2.1 Calentar el aceite a 55º C y se vierte dentro del reactor.2.2 Con la máquina aún parada, vierte el metóxido con mucho cuidado.2.3 Mezclar durante 60 o 90 minutos aproximadamente siempre en agitación constante

y evitando que la temperatura baje de 55 º C con ayuda de la resistencia del reactor.


Hay que medir rápidamente el hidróxido de sodio porque absorbe la humedad del aire y pierde efectividad.El metóxido de sodio es una substancia alcalina muy corrosiva. Hay que tener cerca un grifo de agua corriente y una botella de vinagre. Si llega a salpicar en la piel, hay que empapar la zona afectada en vinagre y enjuagarla bajo el grifo con mucha agua.Se mezclaron el metóxido con el aceite cuidadosamente. La reacción comenzó de inmediato, transformando la mezcla en un líquido dorado y cristalino. Se siguió agitando durante 30 minutos a temperatura constante, se dejo reposar 7 días. Así se pudo observar claramente las dos capas, la de glicerina y la de biodiesel respectivamente y así decantarlo. Se vació en las lámparas de alcohol y se probó, teniendo éxito.

3. Trasvase.3.1 Verter la mezcla en una de las botellas de dos litros y cerrarla.

4. Separación.4.1 Dejarlo reposar siete días aproximadamente.4.2 La glicerina formará una capa oscura en el fondo claramente separada de la capa

de biodiesel que flota encima, de color claro.4.3 Decanta el biodiesel cuidadosamente en un frasco limpio o en una botella de

plástico, evitando que entre glicerina en el nuevo recipiente.5. Probar el biodiesel hecho en un vaso precipitado.


1. RESULTADOS

1.1. TOMA DE DATOS EN EL REACTOR:

NUMERO DE DATOS TIEMPO(min) TEMPERATURA(°C)

1 0 22

2 3 24

3 6 55

4 9 64

5 12 55

6 15 55

7 18 53

8 21 57

9 24 59

10 27 59

11 30 61

12 33 57

13 36 55

14 39 57

15 42 60

16 45 55

1.2. Prueba de flama:

Luego de dejar por varios días que el biodiesel se separe en dos fases y sedimente.


Al haber concluido el procedimiento para comprobar que se puede crear biodiesel a partir de aceite comestible nuevo o usado y que pueda ser útil en una lámpara de alcohol, se cumple con la hipótesis planteada desde el primer momento. Los resultados obtenidos sirvieron para que funcionara una lámpara de alcohol, ya que los componentes químicos que se generaron durante el proceso de la transformación del aceite comestible a biodiesel, hicieron que se estableciera una reacción química (transesterificación), que permite a la mecha humedecida con el biodiesel creado que pueda generar una flama.


Comparación de la duración de la flama

Gráfica del precio comercial por litro de aceite utilizado

Gráfica del precio comercial de sosa caustica por litro de biodiesel


Gráfica de comparación de costos de materiales utilizados

Gráfica de comparación de costos por material contra el total


1.3.Propiedades Finales del Biodiesel:

2. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

A través de esta investigación, se produce un combustible alterno que ayuda al medio ambiente, basándonos en un producto doméstico común en los hogares mexicanos, además el método para producir éste biodiesel es práctico, sencillo y barato. Por lo que el aceite de Vegetal, presenta una mejor alternativa al problema planteado; a cerca de la sustentabilidad de la investigación, se arrojan resultados muy favorables respecto al cuidado de la biósfera, pues cabe mencionar que el biodiesel al hacer combustión no genera gases tóxicos o de efecto invernadero ya que sus componentes son al 100% orgánicos.

3. CONCLUSIONES

A través de esta investigación, se produce un combustible alterno que ayuda al medio ambiente, basándose en un producto doméstico sumamente común en los hogares mexicanos, además el proceso para producir el biodiesel es práctico, sencillo y económico.

Al termino del proyecto se pudo cumplir con los objetivos planteados y corroborar la hipótesis dado que se logró obtener a partir de aceites comestibles un combustible ecológico que logra sustituir a los generados de fuentes de energía no renovables, logrando un gran impacto positivo en el medio ambiente, pues la combustión del biodiesel generado no emite gases tóxicos para el ser humano, ni nocivos para el medio ambiente, ya que sus componentes son 100% orgánicos, evitando así favorecer el efecto invernadero.El incremento en la demanda de combustibles eleva el precio al público, origina mayor extracción para la producción, mayor daño ecológico al acabar con las fuentes de energía no renovables para equiparar la oferta con la demanda.

La viabilidad del biodiesel es mayor que la del petróleo, dado que el primero se obtiene de materiales reutilizables y el segundo de fuentes de energía no renovables, aunque actualmente el costo de producción de éste y el precio al público es más bajo, en cuanto se instale la infraestructura adecuada para la producción de biodiesel, los costos disminuirán.Los resultados obtenidos en esta investigación demuestran la factibilidad, viabilidad y sustentabilidad en el proceso, obtención y utilización del biodiesel Un punto fundamental de esta investigación es lograr despertar la conciencia en las personas ya que reutilizando el aceite de casas o negocios, se contribuiría a bajar los índices de contaminación en sus ciudades y de esta manera ver favorecido su salud y su entorno natural.


4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

Adame Romero, Aurora. (2010) Contaminación ambiental y calentamiento global. Trillas. México. 124-134 p.p.

Chang, Raymond. (2006). Química General para Bachillerato. Mc Graw Hill. México. 168-172 p.p.

Zarza Meza, Eduardo, (1990) Introducción a la bioquímica, TRILLAS, México D.F., 27–37 p.p.

Müller – Eslert, Weiner, (2008) Bioquímica, REVERTÉ, España, 35– 38p.p.

http://www.biodiesel.org/resources/reportsdatabase/reports/gen/ gen014. pdf (Consultado el 27 de agosto del 2011)

http://www.jtbaker.com/msds/englishhtml/M2015.htm (en inglés) (Consultado el 27 de agosto del 2011)

http://ptcl.chem.ox.ac.uk/MSDS/ME/methyl_alcohol.html (en inglés) (Consultado el 8 de octubre del 2011)

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