El presente es un trabajo que hice con un compañero para la Maestría que estamos cursando.


BIODIESEL




Introducción.



Los biocombustibles son alcoholes, éteres, ésteres y otros compuestos químicos, producidos a partir de biomasa, como las plantas herbáceas y leñosas, residuos de la agricultura y actividad forestal, y una gran cantidad de desechos industriales, como los desperdicios de la industria alimenticia.
El término biomasa hace referencia a toda materia que puede obtenerse a través de fotosíntesis. La mayoría de las especies vegetales utilizan la energía solar para sintetizar azúcares, partiendo de sustancias simples como el agua y el dióxido de carbono, almacenando esta energía en forma de moléculas de glucosa, almidón, aceite, etc.
Entre los biocombustibles podemos incluir al bioetanol, biodiesel, biometanol, y muchos otros. Los dos productos más desarrollados y empleados de esta clase de combustibles son, el bioetanol y el biodiesel.
La sustitución de los combustibles denominados fósiles o tradicionales, derivados del petróleo, por otros de origen vegetal, cobra una gran importancia en nuestros días por varias razones fundamentales, como el hecho de provenir de una fuente renovable, ser un instrumento de lucha contra el deterioro medioambiental, la suba del precio internacional del petróleo, además de un factor de desarrollo de la agricultura e industrias derivadas.
El 19 de abril de 2006, en nuestro País, fue sancionada la ley 26.039-Régimen de regulación y promoción para la producción y uso sustentables de biocombustibles. En el artículo 7 se establece que para el 2010, el gasoil se deberá mezclar con biodiesel en un porcentaje no menor al 5%.


Biodiesel.


Definición.


La ASTM (American Society for Testing and Materials) define al biodiesel como “el éster monoalquílico de cadena larga de ácidos grasos derivados de recursos renovables, como por ejemplo aceites vegetales o grasas animales, para utilizarlos en motores Diesel”.
El biodiesel se puede usar puro (B100) o mezclado con gasoil en cualquier porcentaje, por ejemplo 20% de biodiesel con 80% de gasoil (B20).



Proceso de producción.


El proceso de producción del Biodiesel es bien conocido. Hay tres maneras de producir biodiesel a partir de aceites y grasas:
• Transesterificación del aceite catalizada por bases.
• Transesterificación del aceite catalizada por ácidos.
• Descomposición del aceite en sus ácidos grasos, y luego, obtención del biodiesel.

La mayoría del biodiesel se produce con la reacción catalizada por bases, por varias razones:
• Se utilizan presiones y temperaturas bajas.
• Tiene un alto porcentaje de conversión (98%), las reacciones secundarias son mínimas y el tiempo de reacción es muy corto.
• Es una conversión directa del aceite o grasa a biodiesel sin formación de compuestos intermedios.
• No se necesitan materiales de construcción especiales.

La reacción química para la producción de biodiesel catalizada por bases es la siguiente:

Biodiesel


Cien Kg de grasa o aceite reaccionan con 10 Kg de un alcohol de cadena corta (metanol o etanol), en presencia de un catalizador (KOH o NaOH), para producir 10 Kg de glicerina y 100 Kg de biodiesel. El alcohol se agrega en exceso para aumentar la velocidad de reacción. El catalizador es previamente mezclado con el alcohol. R', R'', y R''' indican las cadenas de ácidos grasos que componen el aceite o grasa.


Esquema del proceso de producción de biodiesel:


biodiesel




La producción de Biodiesel mediante catálisis básica consiste en los siguientes pasos:

• Mezclado de alcohol y catalizador: los catalizadores más utilizados son hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. La base se disuelve en metanol usando un agitador o mezclador.
• Reacción. La mezcla alcohol/catalizador se carga en un reactor cerrado, y se agrega el aceite o grasa.
Desde este momento el sistema permanece cerrado para evitar la pérdida de alcohol. La mezcla se mantiene a una temperatura apenas superior al punto de ebullición del metanol (alrededor de 70ºC) para acelerar la reacción. El tiempo de reacción varía de 1 a 8 horas. Se usa un exceso de alcohol para asegurar la total conversión del aceite o grasa en sus ésteres.
Se debe controlar la cantidad de agua y ácidos grasos libres en el aceite o grasa utilizado. Si las cantidades de ácidos grasos libres o de agua son muy elevada se pueden producir dos problemas: formación de jabones y dificultades en la separación de la glicerina en la etapa siguiente.
• Separación. Una vez terminada la reacción, se obtienen dos productos principales: glicerina y biodiesel. La glicerina es mucho más densa que el biodiesel, por lo tanto las dos fases se separan por acción de la gravedad. Para acelerar la velocidad de separación de usan centrífugas. Si es necesario, la mezcla de reacción se neutraliza. Ambas fases contienen una cantidad importante de metanol, la cual es recuperada para poder ser usada nuevamente.
• Eliminación del alcohol de ambas fases y posterior recuperación. Una vez que la glicerina fue separada del biodiesel, el exceso de alcohol de cada fase es eliminado por evaporación rápida o por destilación. En otros sistemas, los procesos de eliminación del alcohol y de neutralización se realizan antes que la glicerina y el biodiesel se hayan separado en dos fases. En ambos casos el alcohol eliminado es recuperado y reutilizado. Hay que asegurarse que el alcohol recuperado no contenga agua.
• Neutralización de la glicerina. La glicerina obtenida contiene restos del catalizador sin usar y jabones, los cuales son neutralizados con ácido. Esta glicerina se almacena como glicerina cruda. En algunos casos las sales formadas se separan de la glicerina y se utilizan como fertilizantes. El agua y el alcohol se eliminan, obteniéndose así glicerina al 80-88%, la cual se vende como glicerina cruda. Usando procesos más sofisticados se puede obtener glicerina con un grado de pureza de 99% o superior, la cual es vendida a la industria farmacéutica o cosmética.
• Lavado del Biodiesel. Una vez separado de la glicerina, el biodiesel es purificado mediante un lavado cuidadoso con agua tibia para eliminar restos de catalizador y jabones, luego secado, y almacenado. En algunos procesos este paso es innecesario. Normalmente este es el fin del proceso de producción, obteniendo como producto un líquido claro, de color amarillo-ámbar con una viscosidad similar al gasoil. Algunos procesos incluyen una destilación adicional, para eliminar pequeñas cantidades de sustancias coloreadas, logrando un producto incoloro.

Los aspectos más importantes a tener en cuenta en la producción del biodiesel, para asegurar un correcto desempeño en el motor Diesel son:
• Reacción de transesterificación completa.
• Eliminación de la glicerina.
• Eliminación del catalizador.
• Eliminación del alcohol.
• Ausencia de ácidos grasos libres en el producto final.


Requisitos de calidad del biodiesel (B100).


La calidad del Biodiesel esta dada por varios factores especificados en la Norma IRAM 6515-1 Calidad de combustibles - Combustibles líquidos para uso en automotores BIODIESEL, la cual establece los requisitos para Biodiesel (B100).

biocombustibles
aceites
grasas



Estas especificaciones tienen como objetivo asegurar la calidad del biodiesel que será usado puro o mezclado en un porcentaje no menor al 5% con gasoil. Están basadas en las propiedades físicas y químicas necesarias para lograr un desempeño seguro y satisfactorio del motor diesel. No están basadas en las materias primas ni en los procesos de producción usados para la obtención del biodiesel.


Objetivos de cada requerimiento de calidad.

1. Contenido de éster:
El % (m/m) de éster depende:
• Del aceite o grasa de partida (materia insaponificable, agua y ácidos grasos libres).
• De la eficiencia del proceso de transesterificación
Valores inferiores a 96,5% indican:
• Reacción de transesterificación incompleta.
• Presencia de aceite.
Valores inferiores a 96,5% provocan:
• Alta viscosidad.
• Disminución del efecto spray.
• Mala combustión.
• Aumento de depósitos de carbonilla.

2. Densidad a 15ºC:
El valor de densidad depende:
• Del aceite o grasa de partida (materia insaponificable, agua y ácidos grasos libres).
• De la eficiencia del proceso de transesterificación
Un valor bajo de densidad indica:
• Residuo elevado de alcohol.

3. Viscosidad a 40ºC:
El valor de viscosidad depende:
• Del aceite o grasa de partida (materia insaponificable, agua y ácidos grasos libres).
• De la eficiencia del proceso de transesterificación
Valores bajos de viscosidad indican:
• Residuo elevado de alcohol
Valores altos de viscosidad indican:
• Degradación térmica y oxidativa.
• Polimerización.
Valores altos de viscosidad provocan:
• Problemas en los inyectores y sistema de bombeo.
• Mala combustión.
• Formación de depósitos.
• Acortamiento de la vida útil del motor.

4. Punto de Inflamación:
Es la temperatura a la cual los vapores desprendidos por el combustible se inflaman al aplicar una llama.
El valor del punto de inflamación depende:
• Del aceite o grasa de partida (materia insaponificable, agua y ácidos grasos libres).
• De la eficiencia del proceso de transesterificación
Un valor bajo del punto de inflamación indica:
• Residuo elevado de alcohol.
Un valor bajo del punto de inflamación provoca:
• Problemas de seguridad en el manejo.
• Problemas de seguridad en el transporte.
• Problemas de seguridad en el almacenamiento.

5. Contenido de Azufre:
La cantidad de azufre en el biodiesel depende:
• Del azufre presente en el aceite o grasa de partida.
Un valor alto de azufre indica:
• Contaminación del Biodiesel.
Un valor alto de azufre provoca:
• Emisiones de dióxido de azufre.

6. Residuo Carbonoso:
Este parámetro se usa como medida de la tendencia que tiene un combustible a formar depósitos de carbón en un motor.
El valor de residuo carbonoso depende
• Exclusivamente del proceso de transesterificación
Un valor de residuo carbonoso indica:
• Alto contenido de glicéridos.
• Presencia de diversas impurezas (metales, jabones, restos de catalizador).

Un valor alto de residuo carbonoso provoca:
• Depósitos en los inyectores
• Acortamiento de la vida útil del motor.


7. Número de Cetano:
Se requiere de un número de cetano adecuado para un buen desempeño del motor. Valores más altos de número de cetano mejoran el arranque en frío y minimizan la formación de humo blanco.
El valor de índice de cetano depende de:
• Materia prima (distribución de ácidos grasos).
• Nivel de oxidación del biodiesel.
Un valor bajo de índice de cetano indica:
• Poca tendencia a la ignición.
Un valor bajo de índice de cetano provoca:
• Mayor cantidad de depósitos en el motor.
• Mayor desgaste de los pistones.

8. Cenizas Sulfatadas:
Este parámetro se usa para medir la cantidad de residuo de catalizador presente en el biodiesel, y de otros compuestos formadores de cenizas que contribuyen a la formación de depósitos en los inyectores.
El valor cenizas sulfatadas depende:
• Exclusivamente del proceso de transesterificación.
Un valor alto de cenizas sulfatadas indica:
• Presencia de sólidos abrasivos.
• Presencia de metales.
Un valor alto de cenizas sulfatadas provoca:
• Depósitos de cenizas en el motor que saturan filtros.
• Desgaste de diversas partes del motor.

9. Contenido de Agua:
El valor del contenido de agua depende:
• Del proceso de producción.
Un exceso de agua en el Biodiesel indica:
• Falla en el proceso de secado durante la producción.
• Exposición a alta humedad durante el transporte y/o almacenamiento.
Un exceso de agua en el Biodiesel provoca:
• Reacciones de hidrólisis que dan lugar a la aparición de ácidos grasos libres.
• Problemas de corrosión en el motor.
• Crecimiento microbiano que provoca obstrucción de filtros.

10. Impurezas Insolubles:
El valor de impurezas insolubles depende de:
• Insaponificables en la materia prima.
• Proceso de producción del biodiesel.
Un valor alto de impurezas insolubles indica:
• Presencia de impurezas en el Biodiesel (insaponificables, jabones, impurezas mecánicas).
Efectos de la presencia de impurezas insolubles en el biodiesel:
• Los insaponificables dejan residuos en el motor porque tienen un mayor punto de evaporación.
• Los jabones dan lugar a la formación de cenizas sulfatadas.
• Las impurezas mecánicas obstruyen filtros.

11. Corrosión a la lámina de cobre:
Este parámetro se usa para determinar las dificultades potenciales con los componentes del sistema de combustible que están construidos en cobre y bronce. Mientras que el cobre y el bronce pueden no sufrir corrosión en presencia del biodiesel, el contacto prolongado con estos catalizadores puede producir la degradación del combustible y la formación de sedimento.

12. Estabilidad a la Oxidación a 110ºC:
El valor de estabilidad a la oxidación depende de:
• Materia prima.
• Proceso de producción.
Un valor bajo de estabilidad a la oxidación indica:
• Aceite de partida degradado.
• Degradación del biodiesel en el proceso.
Un tiempo inferior de estabilidad a la oxidación no aseguraría la estabilidad del biodiesel durante su almacenaje y distribución.
Se permite el uso de aditivos para mejorar este parámetro.

13. Índice de Acidez:
El índice de acidez depende de:
• Materia prima.
• Proceso de producción.
Un valor alto de acidez indica:
• Presencia de ácidos grasos libres (fallas en proceso de producción o degradación oxidativa del biodiesel).
• Presencia de ácidos inorgánicos.
Valores altos de acidez provocan:
• Corrosión en diversas partes del motor.
• Aumento de la velocidad de degradación del biodiesel.

14. Índice de yodo:
Este parámetro se usa para cuantificar el grado de instauración de los ácidos grasos de la materia prima.
El índice de yodo depende:
• Exclusivamente de materia prima.
Valores altos de índice de yodo indican:
• Presencia de grandes cantidades de dobles enlaces.
Valores altos de índice de yodo favorecen:
• Procesos de polimerización.
• Procesos de hidrólisis.



15. Ésteres metílicos del ácido linolénico:
El contenido de ésteres metílicos del ácido linolénico depende:
• Exclusivamente de la materia prima (contenido en C18:3).
Valores altos de ésteres metílicos del ácido linolénico provocan:
• Bajo valor de punto de obturación de filtros en frío (POFF)
• Bajo número de cetano.
• Alto índice de yodo.

16. Contenido de metanol libre:
El contenido de metanol libre depende:
• Exclusivamente del proceso de producción del biodiesel.
Valores altos del contenido de metanol libre indican:
• Eliminación incompleta del metanol durante el proceso.
Restos de metanol en el biodiesel provocan:
• Disminución del punto de inflamación.
• Disminución de la viscosidad.
• Disminución de la densidad.
• Corrosión en piezas de aluminio y cinc.
• Degradaciones de sellos, juntas y elastómeros.

17. Contenido de mono y diglicéridos:
El contenido de mono y diglicéridos depende de:
• Eficiencia del proceso de transesterificación.
Valores altos del contenido de mono y diglicéridos indican:
• Reacción de transesterificación incompleta ya que son restos de aceite que no han terminado de reaccionar.
Valores altos del contenido de mono y diglicéridos provocan:
• Depósitos en inyectores y cilindros.
• Cristalización (los monoglicéridos tienen un punto de fusión alto y una solubilidad baja por lo que cristalizan si no se mantiene el biodiesel a alta temperatura).

18. Contenido de triglicéridos:
El contenido de triglicéridos depende:
• Exclusivamente del proceso de transesterificación
Valores altos del contenido de triglicéridos indica:
• Presencia de aceite o grasa sin reaccionar.
Valores altos del contenido de triglicéridos provocan:
• Aumento de la viscosidad del biodiesel.
• Depósitos en cilindros y válvulas.

19. Glicerina libre:
El contenido de glicerina libre depende:
• Exclusivamente del proceso de producción del biodiesel.
Valores altos de glicerina indican:
• Mala decantación y lavado del biodiesel.
Valores altos de glicerina provocan:
• Incrementos en las emisiones de aldehídos y acroleína.


20. Contenido total de glicerina:
Valores altos del contenido total de glicerina indican:
• Reacción de transesterificación incompleta.

21. Metales alcalinos (Na + K):
La presencia de estos metales depende:
• Exclusivamente del proceso de producción.
La presencia de estos metales indica:
• Restos de catalizador.
La presencia de estos metales provoca:
• Formación de depósitos.
• Catalización de reacciones de polimerización.

22. POFF:
El valor de POFF es un indicador de los límites de operabilidad y tiene mucha importancia para el transporte y almacenaje del combustible.
El valor de POFF depende de:
• Materia prima (distribución de ácidos grasos del aceite o grasa).
• Proceso de producción (presencia de impurezas mecánicas).

Materias primas utilizables.


El Biodiesel puede producirse a partir de una gran variedad de aceites o grasas:
 Grasas animales: sebo, tocino, grasa blanca, amarilla, grasa de aves y aceites de pescados.
 Aceites vegetales: soja, maíz, canola, girasol, cártamo, semillas de algodón.
 Grasas y aceites reciclados: aceite de cocina o frituras usados.

También es posible obtener biodiesel a partir de otros tipos de materia prima, tales como aceite de palma, nueces, coco, oliva, sésamo e incluso con aceites producidos por algas, hongos y bacterias.
A diferencia de la composición química del diesel, que contiene cientos de compuestos diferentes, la composición química de las diferentes grasas y aceites utilizados para fabricar biodiesel, no varía mucho entre si. Cada molécula de grasa o aceite contiene un esqueleto de tres carbonos, y cada uno de esos carbonos tiene acoplada una cadena de ácidos grasos. Estas cadenas son las que reaccionan con el metanol, para obtener el biodiesel.
Las grasas y aceites listados más arriba contienen diez tipos de ácidos grasos, los cuales tienen entre 12 y 22 carbonos, siendo más del 90% de ellos cadenas de entre 16 y 18 carbonos. Algunos de estos ácidos grasos son saturados, monoinsaturados y poliinsaturados, como puede verse en el gráfico I.
Dentro de los límites de las especificaciones, los diferentes niveles de saturación pueden afectar algunas propiedades del biodiesel como combustible. Estas características deben ser tenidas en cuenta al elegir la materia prima a utilizar.
Un biodiesel “perfecto” se obtendría sólo a partir de ácidos grasos monoinsaturados.

combustibles alternativos
Gráfico I



En la siguiente tabla se muestran los distintos ácidos grasos y su impacto sobre las propiedades del biodiesel y sobre la emisión de NOx.
Estas son tendencias generales que pueden ser modificadas por otros factores, tales como el agregado de aditivos.

Biodiesel
[/IMG]


Rendimiento obtenido con distintas materias primas.


Los litros de Biodiesel que se obtienen por hectárea, en un proceso completo de molienda con su respectivo proceso químico, dependerán del cultivo que da origen al aceite vegetal como se puede observar en la siguiente tabla:

biodiesel
biocombustibles



Ventajas y desventajas del uso de biodiesel.


Ventajas:

• Es el único combustible alternativo en cumplir con los requisitos de la Agencia de
Protección Ambiental (EPA), bajo la sección 211(b) del “Clean Air Act”. En la siguiente tabla se hace una comparación entre las emisiones del biodiesel (B100 y B20) y las del gasoil.

aceites



• Es el único combustible alternativo que funciona en cualquier motor diesel convencional, sin ser necesaria ninguna modificación.
• Puede usarse puro o mezclarse en cualquier proporción con el gasoil.
• En el balance final no hay aumento de emisiones de dióxido de carbono, ya que lasreducidas emisiones en comparación con el gasoil, se compensan con la absorción de CO2 por parte de los cultivos oleaginosos.
• Contiene 11% de oxígeno en peso y no tiene azufre. El biodiesel puede extender la
vida útil de los motores porque posee mejores cualidades lubricantes que el
combustible tradicional.
• Es seguro de manipular y transportar (tiene un punto de inflamación de aproximadamente 150C, mientras que el gasoil alcanza los 50C).
• Puede producirse a partir de cultivos que abundan en nuestro país, como lo es la soja.


Desventajas:

• Reducción de las prestaciones del motor, entre el 3% y el 5% promedio en la potencia máxima.
• Incremento del consumo específico.
• Incompatibilidad de algunos componentes de caucho y elastómeros (retenes, mangueras) del motor.
• Tendencia a aflojar cierto tipo de pinturas.
• Dilución del aceite del cárter por presencia de combustible, debiendo acortarse los períodos de cambio de aceite.
• Formación de mayores depósitos carbonosos en válvulas de admisión.
• Su producción causa potenciación de los monocultivos intensivos, con el consiguiente uso de pesticidas y herbicidas y la posible pérdida de biodiversidad.
• Causan mayores emisiones de óxidos de nitrógeno.


Bibliografía:

Blanco. Química Biológica. Sexta edición.

Páginas Web consultadas:

http://www.bcr.com.ar/pagcentrales/publicaciones/images/pdf/BIOCOMBUSTIBLES.PDF
http://www.iram.com.ar/Boletin/Boletin%20archivos/Septiembre-04/6.htm
http://www.biodiesel.com.ar/?page_id=3
http://www.biodiesel.org/pdf_files/fuelfactsheets/prod_quality.pdf
http://www.biodieseldelplata.com.ar/bdp.norma.iram6515-1.php
http://www.biodieselspain.com/articulos/caracterizacion.pdf
http://www.biodieselspain.com/2006/10/14/rendimiento-de-cultivos-oleaginosos-por-hectarea-aptos-para-biodiesel/
http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/npbf/pdfs/40555.pdf
http://www.fao.org/sd/dim_en2/docs/working1_es.doc
http://209.85.173.104/search?q=cache:nNxsgQKZFBUJ:www.ingenieroambiental.com/%3Fpagina%3D1105+ventajas+y+desventajas+biodiesel+frente+a+gasoil&hl=es&ct=clnk&cd=3&gl=ar
http://www.biodiesel.org/pdf_files/fuelfactsheets/emissions.pdf
http://www.epa.gov/otaq/models/analysis/biodsl/p02001.pdf

Espero que sea de utilidad para alguien.
¡Saludos!