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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO Y TALLER DE PROYECTOS 5º SEMESTRE: MANEJO DE MATERIALES PROYECTO: MICROPROCESOS APLICADOS A LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL GRUPO: 3512 ELABORADO POR: BASTIDA YAÑEZ OSWALDO CORNEJO RIVERA CARLOS ALBERTO CORTÉS CASTILLO ZEUS NERI DEL CASTILLO LIZBETH ASESOR: RAMOS OLMOS JOSÉ MARIANO SEMESTRE 2009-1
CAPÍTULO 1
Biodiesely su Producción Industrial
Capítulo 1. Biodiesel y su Producción Industrial1.1. Definición y especificaciones
1.2. Materias primas para la producción de Biodiesel1.2.1. Aceites vegetales convencionales1.2.2. Aceites vegetales alternativos1.2.3. Aceites vegetales modificados genéticamente1.2.4. Aceites de fritura gastados1.2.5. Grasas animales1.2.6. Aceites de otras fuentes1.2.7. Otras fuentes1.2.8. Extracción de aceites y grasas1.2.9. Caracterización de las grasas y aceites empleados en la producción de Biodiesel1.2.9.1. Composición de los aceites y grasas1.2.9.2. Pruebas para caracterizar aceites y grasas1.2.10. El aceite ideal para la producción de Biodiesel
1.3. Reacciones implicadas en la producción de Biodiesel1.3.1. Reacciones de transesterificación de triglicéridos1.3.2. Reacciones de esterificación de ácidos grasos1.3.3. Factores que afectan las reacciones implicadas en la producción de Biodiesel1.3.3.1. El alcohol1.3.3.2. Catalizadores1.3.3.3. Tipo de catalizador y concentración1.3.3.4. Relación molar de alcohol / aceite 1.3.3.5. Efecto del tiempo de reacción y temperatura
1.4. Procesos Industriales para la producción de Biodiesel1.4.1. Pretratamiento del aceite1.4.2. Proceso general de transesterificación1.4.2.1. Proceso Discontinuo1.4.2.2. Proceso Continuo1.4.3. Proceso de Esterificación1.4.4. Proceso Combinado Esterificación-Transesterificación1.4.5. Proceso en Condiciones Supercríticas1.4.6. Otros procesos1.4.6.1. Craqueamiento térmico o pirólisis de grasas1.4.6.2. Tecnologías biomasa a líquido1.4.6.3. Ultrasónico1.4.7. Tabla comparativa de algunos de los métodos discutidos1.4.8. Reactores para la producción de biodiesel1.4.9. Plantas clásicas para la producción de Biodiesel
1.5. Aplicaciones del Biodiesel1.5.1. Utilización del biodiesel1.5.2. Pros y contras
1.6. Ventajas y desventajas para la producción y uso de Biodiesel1.6.1. Oportunidades para la producción y uso de biodiesel1.6.1.1. Reducción de la mayoría de emisiones contaminantes1.6.1.2. Alta biodegradabilidad y baja toxicidad1.6.1.3. Reducción de la dependencia del petróleo importado1.6.1.4. Ventajas técnicas1.6.2. Posibles barreras al desarrollo del biodiesel1.6.2.1. Incremento de las emisiones de NOx1.6.2.2. Cambios en el uso del suelo: deforestación y pérdida de biodiversidad
1.7. El Biodiesel en el mundo 1.7.1. ¿Cuánto y Donde?1.7.2. ¿Por qué y Cómo?1.7.3. Políticas tributarias y de fomento1.7.3.1. En la Unión Europea1.7.3.2. En los Estados Unidos1.7.3.3. En Brasil1.7.4. ¿A cuánto?
Capítulo 1. Biodiesel y su Producción Industrial
Los albores del tercer milenio se encuentran abocados al emprendimiento de objetivos que se compatibilicen con las demandas de los nuevos paradigmas que se avecinan. En medio de una acelerada irrupción tecnológica en todos los frentes de acción, los cambios son cada vez más rápidos, por lo que requiere un marcado dinamismo en las respuestas y una preparación específica para afrontar adecuadamente las transformaciones que vertiginosamente se aproximan.
Hay consenso a nivel mundial respecto de la necesidad de trabajar en conjunto, fijando pautas para dar cumplimiento de manera eficaz al nuevo paradigma de estos tiempos, que no es otro que la sustentabilidad de los agroecosistemas, la conservación del aire, el agua y el suelo, resultan ser hoy los elementos primordiales a tomar en cuenta para la sobrevivencia de las especies en la tierra, incluida la del hombre.
Una de las necesidades en las que el hombre ha puesto especial atención es en el tema energético en donde ante su urgente búsqueda de fuentes alternativas de energía ha propuesto el desarrollo y la utilización de los llamados biocombustibles.
Los biocombustibles son aquellos combustibles producidos a partir de la biomasa y que son considerados, por tanto, una energía renovable. Se pueden presentar tanto en forma sólida (residuos vegetales, fracción biodegradable de los residuos urbanos o industriales) como líquida (bioalcoholes, biodiesel) y gaseosa (biogás, hidrógeno). Dentro de los biocombustibles, los biocarburantes abarcan al subgrupo caracterizado por la posibilidad de su aplicación a los actuales motores de combustión interna (motores diesel y Otto). Son, en general, de naturaleza líquida. Los biocarburantes en uso proceden de materias primas vegetales, a través de transformaciones biológicas y físico-químicas.
Actualmente se encuentran desarrollados principalmente dos tipos: el biodiesel, obtenido a partir de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales con un alcohol ligero, como metanol o etanol; y el bioetanol, obtenido fundamentalmente de semillas ricas en azúcares mediante fermentación. Con la caña de azúcar, la remolacha o el sorgo dulce, que contienen azúcares simples, se obtiene etanol por fermentación. Sin embargo, en otros cultivos, como los cereales, la energía está almacenada en forma de carbohidratos más complejos como el almidón, que tiene que ser hidrolizado antes de su fermentación a bioetanol. Por su parte, hay
Figura 1.1. El Biodiesel es un biocombustible que surge como una respuesta a las actuales necesidades energéticas así como a las políticas de los diversos gobiernos del mundo
que destacar el etil-terbutil éter (ETBE) producido a partir del bioetanol, ya que su utilización en motores presenta menos problemas que el propio bioetanol.
De todos estos biocombustibles el que es materia de nuestro estudio es el biodiesel, por lo cual a continuación se hará un estudio más detallado de este.
1.1. Definición y especificacionesEl biodiesel (véase figura 1.2.) es un biocarburante líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soya las
materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiesel son prácticamente las mismas que las del diesel de automoción en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse con el diesel para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente.
La definición de biodiesel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard, asociación internacional de normativa de calidad) lo describe como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. Sin embargo, los ésteres más utilizados, como veremos más adelante, son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos) debido a su bajo costo y sus ventajas químicas y físicas. A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea
preciso tener en cuenta las características de los mercados agrícolas, junto a la complejidad que ya de por sí presentan los mercados energéticos. En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente.
Al asegurar la existencia de una demanda de biocarburantes, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras políticas como la agrícola, favoreciendo la creación de empleo en el sector primario, la fijación de población en el ámbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrícolas y reduciendo a la vez los efectos de la desertización gracias a la plantación de cultivos energéticos. En cuanto a la utilización del biodiesel como combustible de automoción, ha de señalarse que las características de los ésteres son más parecidas a las del diesel que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del éster es dos veces superior a la del diesel frente a diez veces ó más de la del aceite crudo; además el índice de cetano de los ésteres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. La ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento. En la siguiente tabla 1.1, se enumeran las especificaciones establecidas para el biodiesel y el método de ensayo correspondiente.
Tabla 1.1. Especificaciones para el Biodiesel Límites
Propiedad Unidad Mínimo Máximo Método de ensayoContenido en
éster%(m/m) 96.5 EN 14103
Densidad a 15ºC Kg/m3 860 900 EN ISO 3675EN ISO 12185
Viscosidad a 40ºC mm2/g 3.50 5.00 EN ISO 3104Punto de
inflamaciónºC 120 - prEN ISO 3679
Contenido de mg/Kg - 10.0 prEN ISO 20846
Figura 1.2. En esta imagen se muestra el Biodiesel líquido (fase superior) junto con glicerol (fase inferior), obtenido por una reacción de transesterificación
azufre prEN ISO 20884Residuo de
carbón (en 10% de residuo destilado)
%(m/m) - 0.30 EN ISO 10370
Índice de cetano mg/Kg 51.0 EN ISO 5165Contenido de
cenizas sulfatadas%(m/m) - 0.02 ISO 3987
Contenido en agua
mg/Kg - 500 EN ISO 12937
Contaminación total
mg/Kg - 24 EN 12662
Corrosión de la tira de cobre (3h
a 50ºC)
Clasificación EN ISO 2160
Estabilidad a la oxidación 110ºC
Horas 6.0 - EN 14112
Índice de ácido mg KOH/g 0.50 EN 14104Índice de yodo g de yodo/100 g 120 EN 14111
Éster de metilo de ácido linoléico
%(m/m) 12.0 EN 14103
Ésteres de metilo poli-
insaturados(≥a 4 dobles enlaces)
%(m/m) 1
Contenido de metanol
%(m/m) 0.20 EN 14110
Contenido en monoglicéridos
%(m/m) 0.80 EN 14105
Contenido en diglicéridos
%(m/m) 0.20 EN 14105
Contenido en triglicéridos
%(m/m) 0.20 EN 14105
Glicerol libre %(m/m) 0.02 EN 14105EN 14106
Glicerol total %(m/m) 0.25 EN 14105Metales del grupo
I (Na+K)mg/Kg 5.0 EN 14108
EN 14109Metales del grupo
II (Ca+Mg)mg/Kg 5.0 prEN 14538
Contenido de fósforo
mg/Kg 10.0 EN 14107
El biodiesel necesita disponer de unas especificaciones que enumere sus propiedades y garantice la calidad del producto. Además, el biodiesel debe cumplir los requisitos para los combustibles minerales de automoción que se encuentran recogidas en la norma europea EN-590 [ED]. Los requerimientos específicos y los métodos de control para la comercialización y distribución de ésteres metílicos de ácidos grasos –FAME- para su utilización en motores diesel con 100% de concentración se encuentran en la norma EN 14214 y el RD 1728/1999 [RD1728, 1999] en concordancia con la Directiva Europea 98/70/CE.
En la tabla antes presentada se indican algunas pruebas a las que es sometido el biodiesel y con las cuales se caracteriza, por lo que a continuación se describirá que es lo que se investiga con algunas de ellas:
o Densidad
Esta propiedad depende de la materia prima utilizada para su producción. Un exceso de metanol hace disminuir la densidad, situación que causa problemas al motor.
o Viscosidad
La viscosidad es una medida de la fricción interna entre moléculas, o de la resistencia a fluir de los líquidos. La transesterificación disminuye la viscosidad de los aceites, que es hasta 15 veces superior a la del diesel. Una elevada viscosidad puede provocar problemas en inyectores y sistema de bombeo del motor.
o Número de cetano
El número de cetano, mide la disponibilidad de un combustible a la autoignición cuando es inyectado al motor. Un número alto de cetano implica un arranque más fácil, menor temperatura y unos gases más blancos.
o Punto de inflamación
Su elevado punto de inflamación en comparación con el de diesel (51°C) lo hace de más fácil manejo, transporte y almacenamiento. Una baja temperatura en esta propiedad está dada por un residuo elevado de metanol.
o Contenido de azufre
Un nivel alto de azufre en el biodiesel provoca emisiones de dióxido de azufre, disminuyendo lubricidad y por tanto la vida del motor.
o Contenido de cenizas
Formadas por restos de jabón y catalizador, conducen a la saturación del filtro y al desgaste en diversas partes del motor.
o Contaminación total
Son restos de jabón formados en la reacción, estos provocan abrasión en el motor.
o Efecto de corrosión al cobre
Los ácidos grasos libres guardan una relación con la acidez, pudiendo provocar problemas de corrosión en algunos materiales. El biodiesel es poco corrosivo.
o Contenido de metanol
El exceso de metanol puede provocar una baja temperatura de inflamación y corrosión en piezas de aluminio y zinc, también reduce el índice de cetano y la lubricidad.
o Contenido de glicerina total
Es la suma de la glicerina contenida en los triglicéridos y la formada en el proceso. Un nivel bajo indica una buena transformación del aceite en éster.
o Índice de Yodo
Indica el número de dobles enlaces en el biodiesel, cuantificando su grado de instauración, es decir está relacionado con su viscosidad y número de cetano.
o Contenido de agua
Puede estar disuelta o no, puede causar corrosión si no está disuelta, así como crecimiento bacteriológico dentro del motor.
1.2. Materias primas para la producción de biodiesel
Las materias primas más comunmente utilizadas en la fabricación de biodiesel son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol. También se están realizando pruebas con aceite de colza y con Brassica carinata. Se puede decir que la producción de biodiesel tiende a provenir mayoritariamente de los aceites extraídos de plantas oleaginosas, especialmente del girasol (en España e Italia) y de la colza (en países de Centroeuropa). Las oleaginosas se importan a Europa para obtener la proteína y luego los aceites son reexportados fuera de la Unión Europea. La utilización de los mismos en la fabricación de biodiesel daría salida interior a dicho producto, evitando la reexportación. Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiesel (girasol, colza, soya, aceites de fritura usado, sebo de vaca, etc.). (Véase figura 1.3.)
A continuación se detallan las principales materias primas para la elaboración de biodiesel:
Aceites vegetales convencionales
- Aceite de girasol- Aceite de colza- Aceite de soya- Aceite de coco- Aceite de palma- Aceite de ricino (Véase figura 1.4.)
Aceites vegetales alternativos
- Aceite de Brassica carinata- Aceite de Cynara curdunculus- Aceite de Camelina sativa- Aceite de Crambe abyssinica- Aceite de Pogianus- Aceite de Jatropha curcas
Aceites de semillas modificadas genéticamente
- Aceite de girasol de alto oleico
Grasas animales
- Sebo de vaca- Sebo de búfalo
Aceites de fritura usados
Aceites de otras fuentes
- Aceites de producciones microbianas- Aceites de microalgas- Algas productoras de aceites
Figura 1.3. El Biodiesel es obtenido tradicionalmente a partir de aceites vegetales convencionales
Figura 1.4. Para la obtención de Biodiesel se puede emplear el aceite obtenido de las semillas de ricino
- Grasas residuales provenientes, por ejemplo, de plantas de tratamiento de aguas o de trampas de separación de grasas.
A continuación se hace una descripción más detallada de las materias primas utilizadas en los procesos de producción de biodiesel.
1.2.1. Aceites vegetales convencionales
Las materias primas utilizadas convencionalmente en la producción de biodiesel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la soya (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). Por razones climatológicas, la colza (Brassica napus) se produce principalmente en el norte de Europa y el girasol (Helianthus annuus) en los países mediterráneos del sur, como España o Italia. La utilización de estos aceites para producir biodiesel en Europa ha estado asociada a las regulaciones de retirada obligatoria de tierras de la Política Agraria Común (PAC) que permite el cultivo de semillas oleaginosas a precios razonables. Sin embargo, la utilización sólo de las tierras de retirada para la producción de materias primas energéticas supone un riesgo, porque estas superficies varían con el tiempo, ya que el régimen de retirada de tierras depende de la oferta y la demanda de cereales alimentarios, lo que implica que este índice está sujeto a alteraciones. El uso de cultivos tradicionales como energéticos está condicionado además por la producción del aceite, ya que la producción media por hectárea de aceite de girasol resulta poco
atractivo, desde el punto de vista del agricultor, para elegir este cultivo como fuente de obtención de biocarburantes.
Recientes investigaciones muestran el potencial del aceite de ricino como materia prima producir biodiesel, por ser el único soluble en alcohol a temperatura ambiente, y no requerir el consecuente gasto de energía que exigen otros aceites vegetales en su transformación a combustible, así como facilidades implicadas en su cultivo y en la disponibilidad de sus semillas sin afectar otros cultivos de carácter alimentario.
En la siguiente tabla 1.2., se muestran los principales cultivos oleaginosos que se utilizan para la extracción de aceites vegetales y se indican algunos datos relativos al contenido de aceite de acuerdo al tipo de semilla, esta información es de interés para saber cual sería una posible fuente de aceite conveniente para el proceso, tomando en cuenta perspectivas técnicas y geográficas.
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Figura 1.5. Para la producción de Biodiesel se emplean aceites convencionales como el de ricino, de colza, de piñón, de girasol, de soya, de coco, de palma, etc.
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1.2.2. Aceites vegetales alternativos
Además de los aceites vegetales convencionales, existen otras especies más adaptadas a las condiciones del país donde se desarrollan y mejor posicionadas en el ámbito de los cultivos energéticos.
Figura 1.6. Cultivo de Jatropha curcas
En este sentido, destacan la utilización, como materias primas para la producción de biodiesel, los aceites de Camelina sativa, Crambe abyssinica y Jatropha curcas (Véase figura 1.6.). Hay otros cultivos que han resultado interesantes como los de Brassica carinata y Cynara cardunculus. La Brassica carinata es una alternativa real a las condiciones de sequía y de regadío extensivo, mientras que la Cynara cardunculus es un cultivo plurianual y permanente, de unos diez años de ocupación del terreno, y orientado fundamentalmente a la producción de biomasa, aunque también pueden aprovecharse sus semillas para la obtención de aceite. Se obtienen de 2,000 a 3,000 kilogramos de semillas, cuyo aceite sirve de materia prima para la fabricación de biodiesel.
1.2.3. Aceites vegetales modificados genéticamente
Los aceites y las grasas se diferencian principalmente en su contenido en ácidos grasos. Los aceites con proporciones altas de ácidos grasos insaturados, como el aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran la operatividad del biodiesel a bajas temperaturas, pero diminuyen su estabilidad a la oxidación, que se traduce en un índice de yodo elevado. Por este motivo, se pueden tener en consideración, como materias primas para producir biodiesel, los aceites con elevado contenido en insaturaciones, que han sido modificados genéticamente para reducir esta proporción, como el aceite de girasol de alto oleico.
1.2.4. Aceites de fritura gastados
El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más barata, y con su utilización se evitan los costos de tratamiento como residuo. Por su parte, los aceites usados presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes alteraciones y muestran buenas características para su aprovechamiento como biocombustible. Además, como valor añadido, la utilización de aceites usados significa la buena gestión y uso del residuo. El informe sobre el marco regulatorio de los carburantes propone reciclar aceite de fritura en biodiesel. Esta alternativa es la que más ventajas tiene porque además de producir combustible elimina un residuo contaminante como es el aceite usado. Sin embargo, uno de los problemas a los que se enfrenta al tratar de usar este desecho como materia prima en la producción de biodiesel es el de la logística para su recolección. En Europa por ejemplo la Comisión Europea propone que el Ministerio de Medio Ambiente y los Ayuntamientos creen un sistema de acopio de aceite frito, oleinas y grasas en tres etapas: industrial, de establecimientos de comida y doméstica. La utilización de aceites usados presenta dificultades logísticas, no sólo por su acopio, como se ha dicho, sino también por su control y almacenamiento debido a su carácter de residuo.
1.2.5. Grasas animales
Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de la transesterificación para obtener biodiesel. El sebo tiene diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación, empleándose los de peor calidad en la formulación de los alimentos de animales. La aplicación de grasas animales surgió a la prohibición de su utilización en la producción de forrajes, como salida para los mismos como subproducto.
1.2.6. Aceites de otras fuentes
Por otra parte, es interesante señalar la producción de lípidos de composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a partir de algas (Véase figura 1.7.), bacterias y hongos, así como a partir de microalgas.
1.2.7. Otras fuentes
Por último, cabe destacar que está en estudio la utilización de bioetanol y biometanol en el proceso de esterificación de dichos aceites para la producción de biodiesel, al igual que el desarrollo de cultivos específicos para fines energéticos, no alimentarios.
Por tanto, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima y, por tanto hay que tener en cuenta las características de los mercados agrícolas, junto a la complejidad que ya de por sí presentan los mercados energéticos. En este sentido, tal como se comentó anteriormente, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente, que puede servir para potenciar otras políticas como la agrícola.
1.2.8. Extracción de aceites y grasas
Los aceites vegetales se obtienen a partir de las semillas o frutos que los contienen mediante extracción química con solventes (se utiliza principalmente hexano como solvente) o, en menor medida, por medios físicos como la aplicación de grandes presiones. El aceite de palma y el de oliva aún se obtienen por medios físicos utilizando prensas hidráulicas. El aceite de canela se extrae combinando el prensado con la extracción por solventes: las semillas de canela se separan en escamas, se cuecen, se laminan, se medio prensan y a continuación se extraen con solventes. La extracción por solventes es el medio más eficiente para obtener el aceite de soya o de la semilla de algodón, lográndose un 9% a 12% más de aceite y con menos impurezas que mediante la presión mecánica. Con la extracción por solventes se requiere menos calentamiento, obteniéndose un aceite de mejor calidad y ahorrando energía. La fracción oleosa de las semillas se solubiliza en el hexano durante la extracción, y a continuación el hexano se destila y se reutiliza. Dada su alta volatilidad, el residuo de solvente que queda en el aceite es mínimo o nulo. Sin embargo, este método es menos apropiado para aplicaciones rurales, ya que requiere equipo grande y sofisticado. Las grasas animales se obtienen de los tejidos animales durante el sacrificio, mediante su derretido con calor seco o con vapor. La manteca de cerdo y el sebo de vaca contienen generalmente agua y proteína que deben ser eliminadas y niveles relativamente altos de ácidos grasos libres que deben reducirse mucho antes de poder utilizar estas grasas.
1.2.9. Caracterización de las grasas y aceites empleados en la producción de Biodiesel
1.2.9.1. Composición de los aceites y grasas
Figura 1.7. Una fuente alternativa para la producción de biodiesel es a partir de algas. En esta imagen se muestra un reactor para la producción de Biodiesel utilizando como materia prima algas
Los aceites y grasas vegetales o animales están compuestos principalmente por moléculas denominadas triglicéridos, que son ésteres de tres ácidos grasos unidos a un glicerol. Se caracterizan por ser insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos no polares. Los ácidos grasos son compuestos carboxílicos terminales (terminan con un radical carboxilo – COOH) de cadena abierta alifática de C8 a C24 de longitud. Pueden ser saturados (cuando no contienen dobles ni triples enlaces entre los átomos de carbono) o insaturados (cuando contienen uno o más dobles o triples enlaces entre los átomos de carbono) Los dobles enlaces entre átomos de carbono son más reactivos que los enlaces simples y pueden, por ejemplo, reaccionar con hidrógeno para transformarse en enlaces simples. Un ácido graso con dos o más insaturaciones (poliinsaturado) es más inestable y reacciona con hidrógeno, oxígeno y otros elementos aún más fácilmente que los ácidos grasos monoinsaturados. El glicerol es un trioxialcohol, 1,2,3-propanotriol, es decir, está formado por una cadena de tres carbonos, cada uno unido a un grupo alcohólico (OH).
Cuando todos los ácidos grasos de un triglicérido son idénticos, éste se denomina triglicérido simple. Sin embargo, los más comunes son los triglicéridos mixtos, en los cuales se encuentran presentes dos o tres ácidos grasos diferentes. Cuando los triglicéridos han perdido uno o dos de sus ácidos grasos, se denominan di- y monoglicéridos, respectivamente, y éstos pueden estar presentes también en aceites no refinados o ya degradados. Los aceites y grasas animales y vegetales son mezclas de triglicéridos diferentes, los cuales a su vez están compuestos frecuentemente por ácidos grasos diferentes. Sus propiedades físicas y químicas están relacionadas directamente con el número y estructura química de los ácidos grasos unidos al glicerol, así como con el grado de saturación de los ácidos grasos y su longitud de cadena.
Comúnmente, las grasas se clasifican en aceites y mantecas. Los aceites son líquidos a temperatura ambiente y contienen una mayor proporción de ácidos grasos insaturados, mientras que las mantecas son sólidas a temperatura ambiente y contienen mayor proporción de ácidos grasos saturados.
Cualquier ácido graso no unido a glicerol o a alguna otra molécula en un aceite o grasa se denomina ácido graso libre (AGL). La mayoría de aceites no refinados contienen cantidades relativamente altas de AGL. El aceite de soya crudo, por ejemplo, contiene típicamente entre 0,5 y 1,5%. El aceite crudo de palma contiene entre 3% y 5% de ácidos grasos libres. Los aceites y grasas refinados para uso alimenticio deben tener un nivel de AGL inferior al 0,05%. Los aceites o grasas recién extraídos de los animales o semillas oleaginosas se denominan brutos o crudos. Además de los triglicéridos, contienen cantidades variables de otras sustancias presentes naturalmente, como ácidos grasos libres, proteína, fosfolípidos, fosfátidos, ceras, resinas y pigmentos. Aunque estén presentes en cantidades relativamente pequeñas, estas sustancias aportan colores, olores y sabores extraños, inestabilidad y formación de espuma y humo durante la fritura de alimentos. Por eso, para aceites de uso comestible todas estas sustancias deben ser retiradas. El caso es diferente cuando se produce biodiesel: algunas de estas sustancias son desfavorables para la producción de este combustible, pero otras pueden permanecer sin alterar su calidad o estabilidad.
Debido a que constituyen la parte predominante y químicamente activa de los triglicéridos, los ácidos grasos que los constituyen son los que determinan sus propiedades fisicoquímicas. Entre los principales ácidos grasos presentes en los aceites se encuentran:
- Ácidos grasos saturados: butírico, caproico, caprílico, capricho, láurico, mirístico, palmítico, esteárico, aráquico, behénico, lignocérico
- Ácidos grasos insaturados: Los ácidos grasos insaturados que se encuentran en los aceites y grasas, dada la relativa dificultad de su aislamiento y su caracterización, son conocidos con menos seguridad que los saturados. En general, los ácidos de un grado limitado de insaturación han sido más o menos identificados pero existe gran incertidumbre en lo que respecta a los miembros más insaturados. Los ácidos grasos intensamente insaturados, con cuatro o más enlaces dobles, que se encuentran en los aceites marinos, son particularmente difíciles de estudiar por la facilidad con que se isomerizan o polimerizan por acción del calor o de los agentes químicos. Entre estos encontramos a los ácidos: miristoleico, palmitoleico, oleico, linoleico, linolénico, araquidónico, erúcico.
1.2.9.2. Pruebas para caracterizar aceites y grasas
Los aceites y grasas utilizados en la producción de Biodiesel pueden caracterizarse, para determinar las características del aceite a emplear, con las siguientes pruebas:
o Viscosidad
En general, la viscosidad de los aceites desciende con un incremento en la insaturación y con un decrecimiento del peso molecular de sus ácidos grasos.
o Índice de acidez
El índice de acidez (IA) es el número de mg de KOH necesario para neutralizar los ácidos grasos libres (es decir, que no se encuentran unidos a un glicérido) de 1 g de aceite. Se determina mediante la titulación o valoración del aceite disuelto en alcohol con una solución estándar de KOH. Un valor elevado para este índice muestra que el aceite contiene una alta cantidad de ácidos grasos libres, ya que ha sufrido un alto grado de hidrólisis. Puede expresarse también como porcentaje de ácido oleico, palmítico o láurico, según el ácido graso que predomine en la grasa en cuestión.
Los aceites y grasas refinados deben tener un nivel de ácidos grasos libres inferior al 0,2% como ácido oleico para ser aptos para su uso en alimentación (NTP 209.001.1983). Sin embargo, los aceites crudos y los usados previamente en frituras, comúnmente tienen un contenido de ácidos grasos libres significativamente superior a éste (2% o más). Este índice es particularmente importante para el proceso de producción de biodiesel (transesterificación), ya que los ácidos grasos libres reaccionan con el catalizador de la transesterificación (NaOH ó KOH) formando jabones (saponificación), lo cual lleva a un menor rendimiento en la producción de biodiesel. La saponificación no sólo consume el catalizador necesario para la transesterificación, sino que además los jabones producidos promueven la formación de emulsiones que dificultan la purificación de biodiesel.
o Índice de peróxido
El índice de peróxido (IP) mide el grado de oxidación primaria que ha sufrido la grasa o aceite. Los peróxidos son los productos de descomposición primaria de la oxidación de las grasas, cualquiera que sea su composición. Se forman en los puntos de insaturación de las cadenas de carbonos de los ácidos grasos. Luego de la formación de peróxidos ocurren reacciones secundarias de oxidación, que dan lugar a otros productos como perácidos, aldehídos, cetonas, alcoholes, etc. y posteriormente a compuestos cíclicos, aromáticos y polímeros, los cuales no son detectados por este índice. Entonces, se debe utilizar el índice de anisidina, que indica el contenido de aldehídos y cetonas.
Por lo tanto, el IP sólo mide la primera fase de la oxidación de aceites y grasas. Un aceite apto para su consumo, deberá tener un índice de peróxido inferior a 5 meq O2/Kg. (NTP 209.001.1983). La oxidación de las grasas es una de las principales causas de su deterioro, y da lugar a la aparición de olores y sabores desagradables, conocidos como enranciamiento. La oxidación inducida por el aire a temperatura ambiente se denomina autooxidación. Generalmente es un proceso lento, y se necesita un tiempo considerable para producir una cantidad suficiente de peróxidos que generen enranciamiento.
Los aceites que contienen una proporción más elevada de ácidos grasos insaturados son más propensos a la oxidación que los que contienen cantidades más bajas, y los ácidos grasos con mayor cantidad de insaturaciones son aún más propensos. La velocidad de oxidación crece con un incremento en la temperatura, con la exposición al oxígeno del aire, presencia de luz y contacto con materiales pro-oxidantes (por ejemplo, el cobre metálico, latón, bronce u otras aleaciones que contengan cobre). La oxidación se acelera, por lo tanto, durante la fritura del aceite y también durante la estadía del biodiesel en el motor. Hay sustancias capaces de inhibir la oxidación en cierto grado. El alfa-tocoferol es el antioxidante natural más importante. La manteca de cerdo, sebo y otras mantecas frecuentemente se estabilizan mediante la adición de antioxidantes, ya que no contienen antioxidantes naturales. Dos de los antioxidantes más importantes comercialmente son el hidroxianisol butilado (BHA) y la butilhidroquinona terciaria (TBHQ). Estos antioxidantes son para bajas temperaturas, y no proporcionan protección a las grasas y aceites a temperaturas de fritura debido a su tendencia a destilar debido al calor.
o Índice de yodo
El índice de yodo (IY) es el número de miliequivalentes o partes de yodo absorbido por 100 partes de peso de sustancia. Este valor da una idea del número de insaturaciones de los ácidos grasos en el aceite. Un aceite totalmente saturado poseerá un IY = 0, mientras que a mayor cantidad de insaturaciones se fijará en ellos una cantidad proporcional de yodo, incrementándose este índice. El grado de insaturación del aceite es importante, en primer lugar, porque está relacionado con el punto de fusión del mismo. A mayor cantidad de insaturaciones, el punto de fusión del aceite será menor. Sin embargo, como los aceites naturales están compuestos por diversos ácidos grasos (saturados e insaturados) con distintos puntos de fusión, ellos solidifican en realidad en un rango amplio de
temperaturas. Dado que las insaturaciones de los ácidos grasos se mantienen luego de la transesterificación, el punto de fusión del biodiesel está relacionado al del aceite de procedencia. En segundo lugar, a mayor grado de insaturación (mayor índice de yodo) del aceite se obtendrá un biodiesel con menor índice de cetano, propiedad importante para la calidad de la combustión en el motor.
En tercer lugar, los aceites insaturados tienden a oxidarse más fácilmente debido a la escasez de átomos de hidrógeno en su composición. En los puntos donde se encuentran las insaturaciones, las cadenas son atacadas por el oxígeno, dando lugar a la formación de peróxidos y, a partir de éstos, de polímeros entre las distintas cadenas de ácidos grasos. Estos polímeros, en el biodiesel, llevan a la formación de depósitos sólidos en el motor o al deterioro del aceite lubricante. Este efecto se incrementa a mayor cantidad de insaturaciones presentes en el ácido graso, y por lo tanto a mayor índice de yodo. En la tabla 1.3., se observan los índices de yodo, números de cetano y puntos de fusión de algunos aceites y grasas comunes y sus metil-ésteres.
Tabla 1.3. Índices de yodo y características relacionadas de algunos aceites y grasasAceite o grasa Índice de yodo
promedioNúmero de
cetanoPunto de fusión
(ºC)Punto de fusión del metil-éster
(ºC)Aceite de linaza 183 34.6 -24Aceite de soya 150 37.9 -16 -10
Aceite de girasol 126 37.1 -17 -12Aceite de semilla
de algodón105 41.8 -1 -5
Aceite de colza 104 37.6 -10Aceite de cacahuate
93 41.8 3 85
Aceite de palma 54 65 35 14Sebo de vaca 42 75 37.5 16
o Índice de saponificación
El valor o índice de saponificación de un aceite es el número de miligramos de hidróxido de potasio (KOH) necesarios para saponificar 1g de aceite completamente. Dado que los aceites están formados por triglicéridos principalmente, y que cada triglicérido necesita 3 moléculas de KOH para saponificarse, el índice de saponificación puede ser usado para estimar aproximadamente el peso molecular promedio del aceite utilizado.
o Material insaponificable
El material insaponificable comprende todos los compuestos que contiene el aceite o grasa que no reaccionan con KOH para producir jabones, es decir, que no son ácidos grasos o glicéridos pero que son solubles en solventes orgánicos (y no en agua). Consiste principalmente en aceites minerales, pigmentos, esteroles, tocoferoles y fosfolípidos. Entre las materias insaponificables más comúnmente encontradas en aceites y grasas están diferentes compuestos que contienen fósforo, como fosfolípidos y fosfátidos. El fósforo frecuentemente forma parte de moléculas de lecitina, que es un muy buen emulsificante (sustancia que favorece la formación de mezclas estables entre grasas o aceites y agua).
Entonces, si el aceite tiene un alto contenido de fósforo, se formarán emulsiones durante el proceso de decantación (separación de la glicerina luego de la transesterificación) y durante el lavado del biodiesel, lo cual lleva finalmente a pérdidas en el rendimiento del proceso. En teoría, un contenido de hasta 20 ppm de fósforo es aceptable para la producción de biodiesel, sin embargo, la experiencia en diversas plantas en Europa muestra que niveles de 3 a 4 ppm son adecuados, y con 5 a 6 ppm ya se presentan problemas mayores de emulsión. Un control de este parámetro en cada lote de aceite recibido para la producción de biodiesel es altamente recomendable.
o Insolubles y agua
El contenido de insolubles del aceite debe mantenerse lo más bajo posible (menor a un 0,8% para que el biodiesel cumpla con las especificaciones europeas). Estas substancias no participan en el proceso de transesterificación, pero permanecen en el éster (el biodiesel), y representan impurezas en el combustible.
El contenido de agua en un aceite es importante porque el agua produce la hidrólisis de los triglicéridos: reacciona con las uniones entre el glicerol y los ácidos grasos y las rompe, produciendo ácidos grasos libres, mono- y diglicéridos y/o glicerol. La hidrólisis resulta acelerada por las altas temperaturas y presiones y una excesiva cantidad de agua. Esta reacción es especialmente importante en la preparación de alimentos fritos en profundidad, donde la grasa de fritura puede estar a una temperatura de 177ºC y el alimento que se fríe tiene un alto contenido de agua. Un buen ejemplo de esta situación es la fritura de las papas fritas. Las papas frescas tienen un contenido de agua elevado, sobre el 80% de su peso antes del cocinado, y durante la fritura pueden generarse ácidos grasos libres a una velocidad bastante rápida. Durante la transesterificación, la presencia de agua puede causar la saponificación de los ésteres y consumir el catalizador, reduciendo su eficiencia. La presencia de agua tiene un efecto aún más negativo que la de ácidos grasos libres, por lo que debe mantenerse por debajo de un 0,06%.
En la tabla 1.4., se muestran las principales características fisicoquímicas de algunos aceites y grasa.
Tabla 1.4. Principales características fisicoquímicas de algunos aceites y grasasAceite o grasa Principales
ácidos grasos presentes
Viscosidad a 38ºC (mm2/s)
Índice de yodo (g/100g)
Índice de saponificación
(mg KOH/g)
Material insaponificable
(%)Soya 53% linoleico
23% oleico12% palmítico8% linolénico
32.6 125-140 190-194 1.00
Semilla de algodón
53% linoleico24% palmítico
18% oleico
33.5 110 192-200 1.50
Girasol 59% linoleico34% oleico
37.1 133 189-194 1.30
Palma 48% palmítico38% oleico9% linoleico
50 196-206 0.30
Coco 49% láurico18% mirístico8% caprílico8% palmítico
10 252-260 0.40
Canela 62% oleico22% linoleico
10% linolénico
37 100 170-180 1.00
Manteca de cerdo
45% oleico25% palmítico13% estéarico10% linoleico
Sebo de vaca 39% oleico26% palmítico22% esteárico
51.2 35-48
Ricino 88% ricinoleico8% oleico
297 85 177-187 0.50
1.2.10. El aceite ideal para la producción de Biodiesel
A modo de resumen para esta parte, en la tabla 1.5., se presenta una visión general de las principales características de los aceites y sus implicaciones en la producción de biodiesel y su calidad.
Tabla 1.5. Características de los aceites y producción de biodieselEfectos sobre el proceso de producción
Índice de acidez Alta acidez interfiere en la transesterificación alcalina, produciendo jabones
Definen tipo de pretratamiento
Contenido de fósforo Genera emulsiones durante la producción y purificación
del biodieselContenido de agua Genera hidrólisis del aceite,
producción de AGL y, en presencia del catalizador, producción de jabones
Efectos sobre la calidad del biodiesel mismoÍndice de peróxido Alto IP indica proceso de oxidación en marcha. Biodiesel ya en
proceso de degradación oxidativaÍndice de yodo Alto IY puede indicar menor punto de fusión y mejores propiedades
de flujo en frío. Bajo IY indica mejor estabilidad a la oxidación y polimerización (menor riesgo de formación de sólidos), y mayor número de cetano (mejor calidad de combustión).
Contenido de insolubles Insolubles en el aceite resultan en insolubles en el biodiesel, que pueden causar problemas en el motor
No es posible llegar a una generalización tal que se pueda indicar que un aceite sea el ideal para la producción de biodiesel. Hay muchos factores importantes, no solo de carácter técnico, sino también económico, social y ambiental. En el aspecto técnico, las características recomendables para el aceite serían:
o Bajo contenido de ácidos grasos libres, para simplificar el proceso (evitar tratamientos previos), maximizar su eficiencia y rendimiento y reducir las pérdidas en forma de jabones.
o Bajo contenido de insaponificables (especialmente gomas y fosfolípidos), que pueden dar lugar a menores rendimientos en la producción de biodiesel y a la formación de impurezas y depósitos durante su combustión en el motor.
o Bajo contenido de agua (problema que puede existir cuando se trabaja con aceites usados), ya que el agua favorece la formación de ácidos grasos libres y de jabones.
o Bajo contenido de fósforo, para evitar emulsiones durante el proceso de producción purificación del biodiesel, y de insolubles que constituyen impurezas en el combustible.
o Bajo índice de yodo, siempre y cuando el clima del lugar donde será utilizado el biodiesel lo permita. Cuanto menor sea el índice de yodo, mayor será la estabilidad del combustible, y éste podrá ser almacenado durante más tiempo tanto antes de su uso como en el mismo motor sin sufrir degradación. Pero a menor índice de yodo, el combustible empezará a cristalizar (solidificar) a mayores temperaturas, impidiendo su uso en climas fríos.
o A igual índice de yodo, dar preferencia a los aceites con ácidos grasos monoinsaturados que a aquéllos con ácidos poliinsaturados.
o No se requiere obligatoriamente utilizar un aceite totalmente refinado, ya que muchos de los pasos de la refinación del aceite para fines comestibles (como la desodorización o el blanqueado) son innecesarios al momento de producir biodiesel, y sólo añadirían a los costos del combustible. Los procesos de refinamiento que sí son necesarios son los de refinación química: neutralización y desgomado del aceite.
1.3. Reacciones implicadas en la producción de Biodiesel
1.3.1. Reacciones de transesterificación de triglicéridos
Aunque la esterificación es un proceso posible, el método utilizado comercialmente para la obtención de biodiesel es la transesterificación (también llamada alcohólisis). Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos (el número de átomos de las cadenas está comprendido entre 15 y 23, siendo el más habitual de 18) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir ésteres y glicerina (que puede ser utilizada en cosmética, alimentación, farmacia, etc.).
La reacción de transesterificación, que se presenta en la figura 1.8., se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1, reaccionando en la transesterificación 1 mol de triglicérido con 3 moles de alcohol (aunque se añade una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación de los ésteres). El triglicérido es el principal componente del aceite vegetal o la
grasa animal. Además, la formación de la base de la glicerina, inmiscible con los ésteres, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, alcanzándose conversiones cercanas al 100%.
En la figura 1.9., se presentan las diferentes reacciones que tienen lugar en la transesterificación, la cual consiste químicamente en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster es liberado.
En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, ya que sin él no sería posible esta reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H2SO4, HCl, H3PO4, RSO3), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos homogéneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas. En el caso de la reacción de transesterificación, cuando se utiliza un catalizador ácido se requieren condiciones de temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos, por ello es frecuente la utilización de derivados de ácidos más activos.
Sin embargo, la utilización de álcalis, que como se ha comentado es la opción más utilizada a escala industrial, implica que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros (<0,06 % v/v) para evitar que se produzca la saponificación. Además, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones. De esta manera las reacciones secundarias que se pueden dar son las siguientes:
o Reacción de saponificacióno Reacción de neutralización de Ácidos grasos libres
Figura 1.8. Reacción de transesterificación
El triglicérido reacciona con el catalizador básico, consumiendo éste, en presencia de agua dando lugar a la formación de jabones (reacción de saponificación), tal y como se puede ver en la figura 1.10.
La saponificación está favorecida cuando se utiliza el hidróxido potásico o sódico, ya que sus moléculas contienen los grupos OH responsables de esta reacción. Así que, cuando se utilizan estos catalizadores, se debe tener especial precaución con las condiciones de reacción, especialmente la temperatura y la cantidad de catalizador básico, para reducir al máximo la saponificación. Sin embargo, los metóxidos sólo contienen el grupo OH como impureza, por lo que su utilización no produce prácticamente jabones por saponificación. En cualquier caso, se deben utilizar aceites y alcoholes esencialmente anhídros, ya que el agua favorece la formación de jabones por saponificación.
Por este motivo, se debe eliminar el agua, mediante evaporación, de los aceites con altos contenidos en humedad antes de llevar a cabo la transesterificación. Por otra parte, hay dos maneras de eliminar los ácidos grasos libres presentes en el aceite. Así, se puede proceder a su neutralización, ya que los ácidos grasos presentes en el aceite vegetal pueden reaccionar con el catalizador básico (fundamentalmente NaOH) en presencia de agua, ocurriendo asimismo una reacción indeseable, produciendo como en el caso anterior jabón, tal y como se puede ver en la figura 1.11. Otra manera de eliminar los ácidos grasos libres es mediante una reacción de esterificación con un catalizador ácido con lo que se formaría el éster metílico.
Figura 1.9. La transesterificación en realidad se conduce por tres reacciones reversibles que son las mostradas en esta figura
Figura 1.10. Reacción de saponificación
1.3.2. Reacciones de esterificación de ácidos grasos
El proceso que se utiliza para la producción de biodiesel es la transesterificación, sin embargo la esterificación se viene aplicando combinándolo con la transesterificación con el fin de aprovechar el subproducto de ácidos grasos y producir asimismo biodiesel. Dada la importancia de los ésteres se han desarrollado numerosos procesos para obtenerlos. El más común es el calentamiento de una mezcla del alcohol y del ácido correspondiente con ácido sulfúrico, utilizando el reactivo más económico en exceso para aumentar el rendimiento y desplazar el equilibrio hacia la derecha (esterificación de Fischer). El ácido sulfúrico sirve en este caso tanto de catalizador como de sustancia higroscópica que absorbe el agua formada en la reacción. A veces es sustituido por ácido fosfórico concentrado. En la práctica este procedimiento tiene varios inconvenientes. El alcohol puede sufrir reacciones de eliminación formando olefinas, esterificación con el propio ácido sulfúrico o de formación de éter, y el ácido orgánico puede sufrir decarboxilación. La reacción de esterificación aparece desarrollada en la figura 1.12.
Los catalizadores que se utilizan en este tipo de reacción, al contrario que en el proceso de transesterificación que habitualmente son hidróxidos, son ácidos o enzimáticos. En el caso de la esterificación, al contrario que en la reacción de transesterificación, al utilizar catalizadores ácidos no es necesario recurrir a trabajar con temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos.
1.3.3. Factores que afectan las reacciones implicadas en la producción de Biodiesel
Entre los factores que afectan las reacciones antes descritas, además del tipo y las características del aceite a emplear, las cuales ya han sido analizadas, se encuentran otros factores como:
1.3.3.1. El alcohol
El alcohol es el principal insumo para la producción de biodiesel. En volumen, representa alrededor del 10-15% de los insumos consumidos. Los alcoholes que más comúnmente se utilizan para producir biodiesel son metanol y etanol. Se puede utilizar otros alcoholes, propanol, isopropanol, butanol y pentanol, pero estos son mucho más sensibles a la contaminación con agua (es decir, la presencia de agua en mínimas cantidades inhibe la reacción). El metanol es tóxico cuando se ingiere, se inhala o al contacto con la piel y además altamente inflamable, sus gases se encienden a una temperatura de 12°C. Por encima de esta temperatura las mezclas de aire y vapor de metanol (con al menos 6% de metanol) son explosivas. Existe riesgo de explosión e incendio cuando el metanol está expuesto al calor, chispas, llamas o descargas de energía estática. Además, el metanol arde con una llama incolora, de manera que no es fácil notar si se enciende. Medidas de seguridad contra incendios son necesarias al trabajar con metanol, así como adecuada ventilación y etiquetado, sistemas cerrados de
Figura 1.11. Reacción de Neutralización de ácidos grasos libres
Figura 1.12. Reacción de esterificación
manipulación y equipamiento de protección personal para evitar el contacto, inhalación o ingestión de este alcohol.
El etanol es menos tóxico – aunque puede tener efectos negativos (ebriedad, coma etílico) cuando se ingiere en grandes cantidades – pero también es altamente inflamable. Su uso requiere de menores medidas de seguridad ocupacional, pero sí de seguridad contra incendios. La desventaja de su uso para producir biodiesel es que es mucho menos reactivo que el metanol, y la transesterificación se ve afectada principalmente por cualquier cantidad de agua presente en los insumos. Se requiere entonces que el etanol utilizado tenga una pureza superior al 99%, y que los otros insumos (aceite y catalizador) sean igualmente de muy alta pureza. Es por esto que en la mayoría de plantas de producción de biodiesel aún se utiliza metanol pese a su toxicidad. Cabe mencionar además que el metanol se obtiene principalmente de fuentes fósiles no renovables: del gas natural o gas metano. También es posible obtenerlo mediante destilación seca de la madera, pero este proceso aún no se aplica a gran escala. El etanol, en cambio, proviene de materias primas renovables: caña de azúcar, remolacha azucarera, papa, otros vegetales celulósicos, etc.
Una de las variables más importantes que afectan el rendimiento de la transesterificación es la razón molar entre el alcohol y los triglicéridos. Por razón molar se entiende la cantidad de moléculas de alcohol necesarias para reaccionar con una molécula de triglicérido o aceite. Como vimos en la figura 1.8., se requieren 3 moléculas de alcohol y una de triglicérido para producir 3 moléculas de biodiesel y una de glicerol. Sin embargo, la transesterificación es una reacción de equilibrio reversible, es decir, se necesita un gran exceso de alcohol para forzar la reacción hacia la derecha (es decir, hacia los productos buscados, biodiesel y glicerol). Por esto, en la práctica, cuando se trabaja con metanol se recomienda una razón molar de 6:1 para asegurar una conversión máxima de los triglicéridos a ésteres. En el caso del etanol, algunos estudios indican que una razón molar de 9:1 sería la más apropiada. Si la cantidad de alcohol no es suficiente, el producto contendrá monoglicéridos y diglicéridos (productos intermedios de la transesterificación), los cuales cristalizan muy fácilmente en el biodiesel y pueden causar taponamiento de los filtros y otros problemas en el motor.
1.3.3.2. Catalizadores
Tal y como se comentó anteriormente es necesario contar con catalizadores para que ocurra la reacción y sea posible desde un punto de vista cinético. Estos catalizadores, para el caso de la transesterificación, pueden ser ácidos homogéneos, ácidos heterogéneos, básicos homogéneos o enzimáticos, siendo los catalizadores básicos los que se utilizan a nivel industrial en la transesterificación ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas. El único problema de estos catalizadores es que deben ser anhidros para evitar que se produzcan reacciones secundarias, como la de saponificación, que reducirían el rendimiento del proceso. Por otra parte, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralice con el catalizador y se formen también jabones. Se ha observado que la reacción es más rápida cuando se cataliza con un alquilo. En el primer paso de la reacción, un ion óxido alquilo ataca al grupo carbonilo de la molécula del triglicérido. La reacción de este producto intermedio con un alcohol produce un ion del grupo alcóxido en el segundo paso.
En la última etapa la redisposición del compuesto intermedio tetraédrico da lugar a un éster y a diglicerina. Asimismo, se pueden utilizar catalizadores ácidos de Brönsted, preferiblemente sulfúricos y sulfónicos. Estos catalizadores producen rendimientos muy altos en ésteres alquílicos pero las reacciones son lentas, necesitando temperaturas superiores a los 100 ºC y más de 3 horas para completar la conversión. La acidificación del grupo carbonilo del éster conduce a la carbonatación, y posteriormente, el ataque nucleófilo del alcohol produce el compuesto tetraédrico intermedio. Esto elimina el glicerol para formar un nuevo éster y regenerar el catalizador. Se ha probado la metanólisis del aceite de soya en presencia del 1% de H2SO4 con una relación molar alcohol/aceite de 30:1. A una temperatura de reacción de 65 ºC se completó la conversión en 20 horas, mientras la butanólisis a 177 ºC y la etanólisis a 78 ºC usando las mismas cantidades de alcohol, necesitaron 3 y 18 horas, respectivamente.
Los contenidos de ácidos grasos y de humedad son los parámetros determinantes en la viabilidad del proceso de transesterificación del aceite vegetal. Para que se realice la reacción completa se necesita un valor de ácidos grasos libres (AGL), menor al 3%. Cuanto más alta es la acidez del aceite, menor es la conversión. Además, tanto el exceso como la deficiencia de catalizador pueden producir la formación de jabón, que como se ha comentado, la presencia de humedad disminuye el rendimiento de la reacción, pues se incrementa la tendencia a la formación de jabones. Se ha estudiado la transesterificación del sebo de animales catalizado con NaOH en presencia de AGL y agua. Sin añadir ninguno de los dos componentes, AGL y agua, el rendimiento de los esteres metílicos era alto. Cuando
se añadía un 0.6% de AGL el rendimiento de la reacción disminuía a valores inferiores al 5%, para cualquier nivel de agua añadida. Cuando se incrementaba un 0.9% de agua, sin añadir AGL, el rendimiento se situaba en el 17%.
Si las grasas animales o los aceites vegetales, con valores altos de AGL, se quieren utilizar para producir biodiesel, es necesario refinarlos con una neutralización, utilizando una solución de NaOH para eliminar los ácidos grasos libres. Igualmente, el proceso de catálisis ácida también se puede usar para la esterificación de estos ácidos grasos. Las materias primas usadas como base para el proceso de alcoholisis deben cumplir ciertas especificaciones. Los triglicéridos deben tener un valor ácido bajo y los materiales deben contener baja humedad. La adición de catalizadores de hidróxido de sodio compensa la alta acidez, pero el jabón resultante provoca un aumento de viscosidad o de formación de geles que interfieren en la reacción y en la separación del glicerol. Cuando no se dan estas condiciones los rendimientos de la reacción se reducen sustancialmente. El hidróxido y metóxido de sodio o de potasio deben mantener un grado de humedad bajo. Su contacto con el aire disminuye la efectividad del catalizador por su interacción con el dióxido de carbono y la humedad.
Actualmente, la mayor parte del biodiesel producido, procede de aceites vegetales al que se le añade metanol y un catalizador alcalino. Sin embargo hay muchos aceites de bajo costo y grasas animales que pueden ser utilizados. Su problema radica en que suelen contener gran cantidad de ácidos grasos que no se pueden convertir en biodiesel usando catalizadores alcalinos. En estos casos es necesario hacer la esterificación en dos etapas: inicialmente debe realizarse un pretratamiento para convertir los AGL en esteres metílicos con un catalizador ácido, y en un segundo paso se realiza la transesterificación con un catalizador alcalino, para completar la reacción.
La transesterificación de los triglicéridos puede ser realizada mediante diferentes procesos catalíticos. Los catalizadores utilizados pueden ser clasificados de la siguiente manera:
o Catalizadores alcalinos – hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), metóxido de sodio (NaOMe).
o Catalizadores ácidos – ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido clorhídrico, ácido sulfónico.o Catalizadores enzimáticos – lipasaso Catalizadores heterogéneos – catalizadores en fase sólida.
El proceso más conocido, utilizado y hasta el momento más efectivo es el que emplea catalizadores alcalinos. Sin embargo, si el aceite tiene un alto contenido de ácidos grasos libres, la catálisis alcalina no es la apropiada debido a que los hidróxidos reaccionan con los ácidos grasos formando jabones, lo cual reduce el rendimiento de producción de biodiesel. En este caso, se requiere otro tipo de transesterificación, o un pretratamiento con catalizadores ácidos.
Catalizadores alcalinos
En el caso de la catálisis alcalina, es muy importante que los catalizadores se mantengan en un estado anhidro. Debe evitarse su contacto prolongado con el aire, pues éste disminuye su efectividad debido a la interacción con la humedad y con el dióxido de carbono. Los tres catalizadores cáusticos tienen ventajas y desventajas, que describiremos a continuación, y su elección depende de cada caso concreto.
- Hidróxido de sodio (NaOH): el NaOH viene en forma de cristales que deben ser disueltos en el metanol antes de la transesterificación. Es un producto muy barato y fácil de conseguir, pero es cáustico e irritante, y debe evitarse su contacto con la piel así como su manipulación directa sin protección respiratoria. Al igual que en el caso del KOH, la manipulación de este insumo sólido puede ser complicada (especialmente en plantas de producción grandes, donde se prefiere evitar operaciones manuales). Además, el NaOH es muy higroscópico (absorbe humedad del ambiente), lo cual hace que los cristales se peguen entre sí y sean más difíciles de manipular, y además reduce su eficacia. Finalmente, la reacción con el metanol es exotérmica, genera calor, y el tanque donde se realiza esta disolución debe mantenerse refrigerado para evitar que se evapore el alcohol (causando pérdidas de este insumo y riesgos de incendio y para la salud de los trabajadores).
- Hidróxido de potasio (KOH): muy similar al hidróxido de sodio, el hidróxido de potasio viene también en forma de cristales que deben ser disueltos en el metanol antes de la transesterificación. Es un producto barato y disponible en la mayoría de lugares. Debido a su mayor peso molecular, se necesita mayor cantidad de KOH que de NaOH para hacer el mismo trabajo, lo cual puede elevar costos. Las dificultades de operación y riesgos son similares a los que existen con NaOH, sin embargo, algunos estudios han demostrado que utilizando KOH se obtienen mejores rendimientos de transformación que con NaOH. Además, el KOH se disuelve más fácilmente que el NaOH en el
metanol, lo cual facilita el primer paso previo a la transesterificación. Los jabones de potasio son líquidos, a diferencia de los de sodio que son sólidos. Esto hace que el glicerol crudo sea más fácil de drenar luego de la separación del biodiesel cuando se trabaja con KOH. Por otra parte, las sales de potasio obtenidas como subproducto de la purificación de la glicerina pueden ser utilizadas como fertilizante agrícola, lo cual no es el caso con las sales de sodio.
- Metóxido de sodio: El metóxido de sodio no está disponible en estado puro, debido a que es muy inflamable. Se presenta entonces comercialmente como una solución al 30% en metanol. Esta solución es un líquido, lo cual constituye la principal ventaja: su manipulación (pese a su alta inflamabilidad y toxicidad) es sencilla, puede ser adaptada a un proceso continuo y realizarse mecánicamente sin necesidad de intervención de los operarios. Algunos estudios arrojan que el metóxido es un catalizador más efectivo que los anteriores, pero otros indican que NaOH es mejor que el NaOMe. Igualmente, algunos autores indican que al utilizarse menor cantidad de metóxido, al final quedan menos sales de sodio disueltas en el glicerol, lo cual hace su purificación más sencilla. Otros, en cambio, mencionan que este catalizador causa la formación de diferentes subproductos, principalmente sales de sodio, que deben ser tratados como residuos, y que además requiere utilizar aceite de alta calidad. En conclusión, el metóxido de sodio parece ser un muy buen catalizador con materias primas adecuadas, pero su costo es alto y su disponibilidad limitada.
Catalizadores ácidos
Los catalizadores ácidos pueden ser utilizados tanto para la esterificación de ácidos grasos libres, con el fin de convertirlos directamente en ésteres, o para la transesterificación de los triglicéridos. Cuando la materia prima es un aceite con alto contenido de ácidos grasos libres (AGL), la esterificación ácida está recomendada como un primer proceso para tratar estos AGL, pero debe ser seguida por la transesterificación alcalina (con NaOH o KOH como catalizadores) para convertir los triglicéridos subsistentes. Los catalizadores ácidos también pueden ser utilizados directamente para la transesterificación, pero esta reacción es extremadamente lenta y requiere de un exceso aún mayor de alcohol, lo cual la hace poco económica.
Catalizadores enzimáticos
A pesar de que la transesterificación utilizando catalizadores alcalinos permite una alta tasa de conversión en tiempos de reacción lentos, este proceso tiene algunos inconvenientes:
o Consume alta energía (calor y agitación constantes durante todo el proceso).o La recuperación del glicerol es difícil, ya que es contaminado por las sales producidas por los
catalizadoreso El catalizador (ácido o básico) debe ser removido del combustible, requiriendo un proceso de
purificación y lavado posterior a la transesterificación.o Se producen efluentes (aguas residuales) alcalinos, que deben ser tratados antes de verterlos
a los desagües.o La presencia de ácidos grasos libres y/o agua interfiere con la reacción.
Los catalizadores enzimáticos como las lipasas (enzimas que en los seres vivientes están encargadas de descomponer las grasas para permitir su digestión y asimilación) son capaces de catalizar la transesterificación de los triglicéridos superando los problemas mencionados arriba. Especialmente, el glicerol puede ser removido fácilmente, los ácidos grasos libres pueden ser convertidos totalmente en ésteres, y la presencia de agua no es problemática. Sin embargo, los costos de producción de las lipasas aún son mucho más caros que los de los catalizadores alcalinos. Existen dos tipos de catalizadores enzimáticos:
o Enzimas extracelulares (es decir, que han sido extraídas de las células vivas que las producen y posteriormente purificadas)
o Enzimas intracelulares (es decir, que aún están dentro de las células que las producen. En este caso, son organismos vivos – ciertas bacterias – los que estarían realizando la catálisis).
Algunas ventajas de utilizar lipasas como catalizadores para la producción de biodiesel son:
o Se pueden regenerar y reutilizar luego de la reacción (simplemente el residuo sólido se deja en el reactor).
o Esto permite una alta concentración de la enzima, lo cual ayuda a una mejor reacción.
o La separación y purificación del biodiesel es más sencilla, ya que no tiene que eliminarse ningún componente alcalino o ácido.
Algunas desventajas son, en cambio:
o El mayor costo de este catalizador.o Algunos estudios han reportado que la reacción con lipasas no llega a ser lo suficientemente
completa como para cumplir con los estándares de calidad del biodiesel.o Sistemas de inmovilización de la enzima y/o el uso de múltiples enzimas en secuencia podrían
mejorar este aspecto. El riesgo de que el metanol inactive a las enzimas. Esto se supera añadiendo el alcohol por partes, o utilizando cosolventes que ayuden a disolver el metanol en el aceite.
o El riesgo de que el glicerol inactive a las enzimas al acumularse y cubrirlas. Las soluciones propuestas han sido añadir silica gel para absorber el glicerol, lavar las enzimas periódicamente con solventes orgánicos para remover el glicerol, o usar un cosolvente que ayude a diluir el glicerol.
Catalizadores heterogéneos
Los catalizadores heterogéneos son aquellos que se encuentran en una fase diferente a la de los reactantes. Es decir, que no se encuentran disueltos en el alcohol o aceite, sino que son sólidos, y por lo tanto fácilmente recuperables al final de la reacción. Este tipo de catalizadores permiten superar algunos de los principales problemas de los catalizadores homogéneos como el hidróxido de sodio o potasio, o el metóxido de sodio: los procesos de purificación del biodiesel para separar los restos de catalizador, y los de tratamiento de efluentes contaminados con los catalizadores.
Algunos de los primeros catalizadores sólidos probados fueron óxidos de estaño, magnesio y zinc, pero ellos actúan finalmente de forma similar a los catalizadores homogéneos, pues terminan convertidos en jabones metálicos o gliceratos metálicos. El uso de un óxido mixto de zinc y aluminio permite la transesterificación sin que haya pérdida del catalizador. Durante esta reacción, se requiere mayor temperatura y presión que en la transesterificación alcalina convencional, y además se realiza en dos etapas para alcanzar niveles de reacción máximos. El biodiesel obtenido cumple con las especificaciones de calidad de la norma europea.
Como ventajas del proceso, la purificación del biodiesel sólo requiere la evaporación del metanol sobrante y la adsorción del glicerol, sin necesidad de lavado con agua. Asimismo, el glicerol producido es incoloro, de una pureza del 98%, sin presencia de cenizas u otros componentes inorgánicos. Las principales impurezas en el glicerol son agua, metanol y ésteres orgánicos. Esta mayor calidad otorga un valor agregado a este subproducto, que puede ayudar a mejorar la rentabilidad de la producción de biodiesel.
En la figura 1.13., se resumen las ventajas y desventajas de utilización de los distintos catalizadores para el proceso de transesterificación:
1.3.3.3. Tipo de catalizador y concentración
Los catalizadores empleados para la transesterificación de los triglicéridos se pueden clasificar en alcalinos, ácidos, enzimáticos o catalizadores heterogéneos, siendo los básicos y en particular los hidróxidos los más utilizados. Si el aceite usado tiene un alto grado de ácidos grasos y elevada humedad los catalizadores ácidos son los más adecuados. Estos ácidos pueden ser sulfúrico, fosfórico o ácido sulfónico orgánico. La metanólisis del sebo de animal se ha estudiado con NaOH y NaOMe. Comparando los dos catalizadores, el NaOH ha producido mejores resultados que el NaOMe. El metóxido de sodio provoca la formación de muchos subproductos, principalmente sales de sodio, que deben eliminarse posteriormente. En los procesos de metanólisis alcalina los principales catalizadores usados han sido el hidróxido potásico y el hidróxido sódico, ambos en concentraciones de 0.4 a 2% v/v de aceite. Aceites, tanto refinados como crudos, con un 1% de catalizador (tanto hidróxido sódico o potásico) han tenido muy buenos resultados.
La metanólisis del aceite de soya ha producido sus mejores resultados de rendimiento y viscosidad con una concentración de 1% de hidróxido potásico. Se han probado catalizadores de metales alcalino-térreos en la transesterificación de aceites de colza. El proceso se lleva a cabo si aparecen iones de metóxido en la reacción intermedia. Los hidróxidos alcalino-térreos, alcóxidos y óxidos catalizan la reacción más lentamente.
La actividad catalítica del óxido de magnesio, hidróxido de calcio, óxido de calcio, metóxido de calcio, hidróxido de bario y, por comparación, hidróxido de sodio se ha evaluado en la transesterificación del aceite de colza. De ellos, el hidróxido sódico ha producido la mayor actividad catalítica. El grado de substratos que reaccionaron fue del 85% en 30 minutos y de 95% después de 1.5 horas, lo que representa un valor cercano al equilibrio. El hidróxido de bario tuvo un rendimiento ligeramente inferior con una valor del 75% después de 30 minutos, mientras que el metóxido de calcio reaccionó sólo en un 55%, en este mismo tiempo. Rendimientos menores se obtuvieron con CaO, mientras que el óxido de magnesio y el hidróxido cálcico no presentaron actividad catalítica.
La actividad catalítica ácida se ha estudiado también con aceites vegetales reutilizados. Se han utilizado cuatro concentraciones 0,5, 1, 1,5 y 2,25 M de HCl y los resultados se han comparado con una concentración de 2,25 M H2SO4, obteniendo una mejor actividad catalítica con el ácido sulfúrico en
Figura 1.13. Principales ventajas y desventajas de los diferentes tipos de catálisis empleados en la producción de Biodiesel
un rango de 1,5-2,25 M de concentración. Aunque el proceso de transesterificación, con catalizadores alcalinos, para transformar los triglicéridos en sus correspondientes esteres metílicos tiene una conversión muy alta en un periodo más corto de tiempo, tiene algunos inconvenientes: el catalizador debe ser separado del producto final, la recuperación del glicerol puede resultar difícil, el agua alcalina resultante del proceso debe ser tratada y los ácidos grasos y el agua afectan a la reacción. Los catalizadores enzimáticos pueden obtener resultados relevantes en sistemas tanto acuosos como no acuosos, lo que resuelve alguno de los problemas anteriores. En particular el glicerol se puede separar fácilmente y, también, los ácidos grasos contenidos en el aceite reutilizado se pueden convertir completamente en esteres alquílicos. En cambio el uso de estos catalizadores enzimáticos tiene un costo superior que el de los alcalinos.
1.3.3.4. Relación molar de alcohol / aceite
Una de las variables más importantes que afectan al rendimiento del proceso es la relación molar del alcohol y los triglicéridos. La relación estequiométrica requiere tres moles de alcohol y un mol de triglicérido para producir tres moles de esteres y un mol de glicerol. La transesterificación es una reacción de equilibrio que necesita un exceso de alcohol para conducir la reacción al lado derecho. Para una conversión máxima se debe utilizar una relación molar de 6:1. En cambio un valor alto de relación molar de alcohol afecta a la separación de glicerina debido al incremento de solubilidad. Cuando la glicerina se mantiene en la solución hace que la reacción se revierta hacia la izquierda, disminuyendo el rendimiento de los ésteres.
La formación de éster etílico comparativamente es más difícil que la de éster metílico, especialmente la formación de una emulsión estable durante la etanólisis es un problema. El etanol y el metanol no se disuelven con los triglicéridos a temperatura ambiente y la mezcla debe ser agitada mecánicamente para que haya transferencia de masa. Durante la reacción generalmente se forma una emulsión, en la metanólisis esta emulsión tiende a separarse en dos fases, una inferior rica en glicerol y otra en la parte superior rica en éster metílico. En cambio en la etanólisis esta emulsión no es estable y complica mucho la separación y purificación de los esteres etílicos. La emulsión está causada en parte por la formación de monoglicéricos y diglicéricos intermedios, que contienen tanto grupos hidróxidos polares como cadenas de hidrocarburos no polares.
1.3.3.5. Efecto del tiempo de reacción y temperatura
La conversión aumenta con el tiempo de reacción. Así, se ha transesterificado aceite de cacahuete, semilla de algodón, girasol y soya con una relación molar de 6:1 de metanol, con un catalizador de metóxido sódico al 0.5% y a 60ºC. Después de 1 minuto se observó un rendimiento de aproximadamente el 80% para la soya y el girasol, después de una hora la conversión era la misma para los cuatro, con un valor aproximado del 93%. La transesterificación se puede producir a diferentes temperaturas, dependiendo del tipo de aceite. En el caso de aceite refinado con metanol (6:1) al 1% NaOH, la reacción se estudió a tres temperaturas diferentes. Después de 6 minutos los rendimientos fueron 94%, 87% y 64% para temperaturas de 60, 45 y 32ºC, respectivamente. Después de una hora la formación del éster era idéntica para 60 y 45ºC y ligeramente menor para 32ºC.
1.4. Procesos Industriales para la producción de BiodieselTal y como se ha comentado en el apartado de reacciones dedicado a la producción de biodiesel, químicamente, la transesterificación –proceso industrial utilizado en su producción- consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Todo este proceso se lleva a cabo en un reactor donde se producen las reacciones y en posteriores fases de separación, purificación y estabilización.
En este punto se describirán los diferentes procesos para la producción de biodiesel entre los que se incluyen el proceso general de transesterificación y el proceso general de esterificación, aunque habitualmente este último proceso se utiliza en combinación con el de transesterificación para la producción de biodiesel. Además se comentarán estos procesos en discontinuo y en continuo, al igual que otros nuevos procesos que aun están en fase de experimentación. Sin embargo antes de iniciar con la descripción de cada uno hay una etapa fundamental para todos ellos es el pretratamiento del aceite, el cual se detallará a continuación.
1.4.1. Pretratamiento del aceite
La mayor parte del biodiesel se produce a partir de aceites comestibles semirefinados con buenas características de acidez y humedad. Sin embargo, existe gran cantidad de aceites y grasas de menor calidad y menor costo que también podrían ser convertidos en biodiesel (por ejemplo, aceites vegetales crudos, grasas animales y aceites usados o residuales). El problema para procesar estas materias primas baratas es que suelen tener grandes cantidades de ácidos grasos libres (ver tabla 1.6.), gomas, humedad y otras impurezas que afectan el proceso de transesterificación alcalina.
Tabla 1.6. Acidez aproximada de algunas materias primas baratasMateria prima Rango de acidez
Aceites de cocina usados 2-7%Grasas animales 5-30%
Grasa de trampas de grasa Cerca de 100%
Por eso, el aceite para producir biodiesel debe ser refinado parcialmente, con el objetivo de:
o Eliminar gomas, que podrían resultar en formación de emulsiones durante el proceso.o Eliminar fosfátidos, de manera que los efluentes del proceso no tengan fosfatos y se reduzcan
sus costos de tratamiento.o Eliminar ácidos grasos libres, para facilitar la transesterificación y posteriormente la
purificación de la glicerina.o Eliminar ceras, para mejorar el desempeño en frío del biodiesel.o Eliminar otros contaminantes, y obtener una mejor calidad de la glicerina.o Esta refinación parcial (pretratamiento) puede incluir los siguientes procesos: Desgomado (en
los aceites que tienen gomas, como el de soya y semilla de algodón); Neutralización (en los aceites con alta acidez, como el de palma); Lavado (para eliminar residuos de la neutralización); Secado (para eliminar el contenido de agua).
Si la acidez del aceite es muy alta, la neutralización no es conveniente porque implica la pérdida de los ácidos grasos libres en forma de jabones. Entonces, el proceso de refinación sugerido es:
o Desgomadoo Esterificación ácidao Secado.
Finalmente, para mejorar las propiedades de flujo en frío del biodiesel, se puede requerir un proceso de fraccionamiento o winterización, con el fin de separar las fracciones con mayores puntos de fusión del aceite.
o Desgomado
El desgomado con agua es la forma más simple de reducir la cantidad de fosfolípidos y fosfátidos en los aceites. El aceite se caliente a aproximadamente 90°C, se agrega pequeñas cantidades de agua para hidratar las gomas y hacerlas insolubles en el aceite. La cantidad de agua a usar debe ser similar al peso seco de las gomas a remover. Después de unos 5 minutos las gomas hidratadas pueden ser removidas por centrifugación. Las impurezas que se pueden eliminar por este método son fosfátidos hidratables, triglicéridos ocluidos y otros compuestos solubles en agua como azúcares.
El proceso arriba descrito sólo permite la remoción de las gomas hidratables. Por eso, a veces se utiliza ácido cítrico y/o ácido fosfórico para mejorar la velocidad y la eficacia del proceso y permitir la separación de las gomas no hidratables. El ácido puede estar disuelto en agua para facilitar la separación y luego el aceite es lavado con agua.
o Neutralización, lavado y secado
Aceites con un contenido de hasta 5% de ácidos grasos libres pueden ser procesados con catálisis alcalina añadiendo mayor cantidad de catalizador para compensar las pérdidas en el jabón. El jabón que se produce es eliminado en el glicerol y/o durante el proceso de lavado con agua, y la única desventaja de este proceso es la pérdida de materia prima en jabones en lugar de biodiesel. Aceites con más del 5% de AGL no pueden ser transesterificados por catálisis alcalina, porque los jabones inhibirían la separación del biodiesel de la glicerina y además llevarían a la formación de emulsiones
durante el lavado. Para superar este problema existen dos alternativas: la neutralización del aceite o la esterificación ácida de los ácidos grasos libres.
La neutralización consiste en hacer reaccionar el aceite con una sustancia alcalina como el hidróxido de sodio para eliminar los ácidos grasos libres, responsables de su acidez. El aceite se calienta a 85°C (en caso de aceites muy ácidos a 65°C) y se aplica hidróxido de sodio diluido en una cantidad tal que neutralice los ácidos en el aceite y con un exceso que favorezca la separación de los jabones y evite la formación de emulsiones. Este exceso puede variar entre 10% y 30% para aceites de baja acidez (hasta 1%) y entre 30% y 50% para aceites de alta acidez.
Cuando el álcali reacciona con los ácidos grasos libres (AGL), el resultado es un jabón. Este jabón se separa luego centrifugando la mezcla de grasa y jabón. Después, el aceite o grasa se lava con agua una o dos veces para eliminar las últimas trazas de jabón y se centrifuga nuevamente. Finalmente, el material refinado se seca en un secador de vacío para eliminar el agua residual. Aunque la finalidad del tratamiento con álcalis es la eliminación de los ácidos grasos libres, este proceso puede dar lugar también a una reducción significativa del contenido de fosfolípidos y de la materia coloreada. Existen asimismo procesos de neutralización en frío, con los que los aceites que contienen ceras (como el de girasol) pueden ser al mismo tiempo neutralizados y winterizados. Este proceso previene la formación de sólidos en el biodiesel a bajas temperaturas.
o Esterificación ácida de los ácidos grasos libres (AGL)
La esterificación ácida es otra manera de «deshacerse» de los ácidos grasos libres en el aceite, pero permite, al contrario de la neutralización, reaprovecharlos para producir biodiesel también a partir de ellos.
Al aceite caliente se agrega metanol en cantidad adecuada para reaccionar con los AGL, utilizando ácido sulfúrico como catalizador. Luego de la reacción, se separa el agua mediante decantación o centrifugación, y lo que queda es una mezcla de aceite (triglicéridos) y biodiesel con menos de 1% de ácidos grasos libres. Con esta mezcla ya se puede realizar una transesterificación alcalina tal como se describirá en la siguiente sección. Una de las dificultades de este proceso es la presencia de agua. La acumulación de agua que se va produciendo durante la esterificación puede llegar a detener la reacción antes de que sea completa. Para solucionar este problema es necesario trabajar en dos o más etapas para ir separando el agua antes de continuar la esterificación.
Otra desventaja es la gran cantidad de metanol necesaria: mientras que con la catálisis alcalina se requiere una cantidad de 6 moles de alcohol por cada mol de triglicérido (razón molar de 6:1), algunos autores han encontrado que con la catálisis ácida se necesita entre 30:1 y 50:1.
Finalmente, otro problema es el uso de ácido sulfúrico: este insumo, por su alta corrosividad requiere de tanques con materiales costosos (acero inoxidable de muy alta calidad), y además su utilización produce efluentes ácidos contaminantes. Es por esto que la esterificación ácida se justifica sólo si las materias primas a utilizar tienen un contenido de AGL realmente alto, proponiéndose el uso de sulfato férrico como catalizador para la esterificación ácida. En experimentos, se ha encontrado que este catalizador es ventajoso porque es sólido (catalizador heterogéneo), de manera que es fácilmente separable de los productos, es reutilizable y no contamina los efluentes (por la misma razón). También es más eficiente que el ácido sulfúrico: con una cantidad de catalizador de 2% en peso, una razón molar de 10:1 de metanol a triglicéridos (mucho menor a la necesaria cuando se trabaja con ácido sulfúrico) y una temperatura de reacción de 95°C, se alcanza una conversión de 97% de los ácidos grasos libres de un aceite usado en biodiesel. Además, el sulfato férrico no requiere de equipamiento tan costoso porque es menos corrosivo.
o Filtrado y secado
Si la materia prima es algún aceite crudo, o aceite usado previamente en frituras, es posible que contenga humedad e impurezas sólidas. Para el caso de la humedad, es necesario secar el aceite mediante evaporación al vacío o mediante el uso de sales absorbentes. Para separar las impurezas sólidas, basta un proceso de filtrado en caliente antes de la transesterificación.
o Winterización
La winterización es un método para la eliminación de ciertos constituyentes (ceras, o triglicéridos mismos), que aunque solubles a temperaturas media y alta, cristalizan y enturbian el aceite en climas fríos. El proceso consiste en enfriar el aceite por cierto periodo y filtrarlo en un filtro-prensa o con
filtros de baja presión a temperaturas que estén un par de grados por debajo de aquellas a las que el aceite se enturbia. El aceite se enfría con agua fría o salmuera, o enfriando el aire del edificio donde esté almacenado. El enfriamiento debe ser muy lento para lograr que se formen cristales grandes y facilitar la filtración. En la producción de biodiesel, este proceso puede ser aplicado al aceite, o directamente al mismo biocombustible.
1.4.2. Proceso general de transesterificación
Aunque todos los procesos para la producción de biodiesel tienen en común algunos aspectos, existen múltiples opciones de operación viables para la fabricación de biodiesel. Muchas de estas tecnologías pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las condiciones del proceso y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de la capacidad deseada de producción, alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del catalizador. En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación suelen utilizar procesos Batch o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme.
1.4.2.1. Proceso Discontinuo
Es el método más simple para la producción de biodiesel donde se han reportado relaciones 4:1 (alcohol:triglicérido). Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25ºC a 85ºC también han sido publicados. La agitación empleada va desde las 120 hasta las 200 rpm. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3% al 1,5% (dependiendo de que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase ester. Se han publicado en la bibliografía resultados entre el 85% y el 94% de rendimiento del proceso. En la transesterificación, tal y como se comentó anteriormente, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requiere temperaturas elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%. Temperaturas mayores y relaciones superiores de alcohol:aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora.
Volviendo a la reacción química de la transesterificación, hemos visto que químicamente ésta equivale a:
1 mol de triglicérido + 3 moles de alcohol <catalizador alcalino > → 3 moles de biodiesel + 1 mol de glicerol
Sin embargo, en la práctica se necesita más de 3 moles de alcohol por cada mol de triglicérido para que la reacción ocurra completamente. Si no se usa este exceso de alcohol, el producto obtenido no será biodiesel puro: consistirá en una mezcla de biodiesel, triglicéridos sin reaccionar, y productos intermedios como los monoglicéridos y diglicéridos. Estas impurezas pueden afectar las características del combustible, de manera que no cumpla con las normas técnicas de calidad, además de tener efectos indeseados como producir depósitos carbonosos en el motor, taponeo de los filtros, combustión incompleta, etc. Igualmente, para que la reacción se lleve a cabo, también se ha visto que se necesita la presencia de un catalizador y de ciertas condiciones de reacción (tiempo, temperatura, agitación). Asimismo, se ha determinado que la calidad del aceite es uno de los condicionantes más importantes para que la transesterificación se lleve a cabo adecuadamente y que debe asegurarse con un análisis químico previo y, si es necesario, con un pretratamiento adecuado.
Los pasos de la transesterificación alcalina, tal y como se aprecian en la figura 1.14., son:
La primera operación consiste en disolver el catalizador sólido (hidróxido de sodio o potasio) en el alcohol (metanol o etanol). La cantidad de catalizador a utilizar depende de la acidez del aceite, pero suele variar entre un 0,5 y 1%. Se necesita aproximadamente media hora de agitación constante para lograr una disolución completa. Si se trabaja con un catalizador líquido (metóxido de sodio) no se requiere este paso. Luego se realiza la transesterificación propiamente dicha. Para ello, se necesita un reactor cerrado herméticamente, con agitación constante y calor. En plantas de producción pequeñas este proceso se realiza por lotes, pero en plantas de gran escala se realiza en reactores de flujo continuo. En este reactor se mezclan el aceite y el metanol con el catalizador disuelto y se agita
durante una hora. Para que la reacción sea completa se requiere un tiempo de reacción de 1 hora a 60°C de temperatura, o de 4 horas a 32°C de temperatura. La transesterificación resulta en la separación de dos fases: una fase más viscosa y densa, que consiste en una mezcla de glicerol, jabones, catalizador, metanol y agua (denominada glicerol crudo en la figura 1.14.), y una fase más liviana, que consiste en los metil-ésteres (el biodiesel), también con metanol, una menor proporción de catalizador y jabones, y mono- y diglicéridos (en caso que la reacción no haya sido completa). Se requiere de un tanque decantador donde ambas fases se puedan separar por gravedad, o de una centrífuga para separarlas más rápidamente. Asimismo, se puede añadir agua luego de la transesterificación para mejorar la separación del glicerol. A partir de este punto, se separan dos líneas de proceso: una para purificar los metil-ésteres, y otra para purificar y recuperar el glicerol.
- Postratamiento del biodiesel
Luego de la transesterificación y la separación de las dos fases – biodiesel y glicerol – se requiere de un postratamiento para asegurar que el biodiesel cumpla con los estándares de calidad exigidos, pues éste aún contiene impurezas derivadas del proceso: parte del metanol en exceso, posiblemente jabones, y trazas de catalizador. Tal como se muestra en la figura 1.14., los metil-ésteres se someten a temperatura y vacío para evaporar el metanol y recuperarlo, y luego son llevados a un proceso de lavado para separar todas las impurezas. El lavado se realiza con agua acidulada (con ácido fosfórico o ácido cítrico) que se mezcla con el biodiesel. El ácido neutraliza el catalizador residual presente y separa los jabones que se puedan haber formado en la reacción. Los jabones se convierten en ácidos grasos libres (que se quedan en el biodiesel) y en sales solubles en agua. Así, los restos de catalizador, jabón, sales, glicerina y metanol se quedan en el agua de lavado. Este lavado se realiza al menos dos veces con agua nueva cada vez, hasta que se halla eliminado todo el residual de catalizador alcalino y el efluente tenga un color claro. Finalmente, los metil-ésteres lavados se secan (con calor y vacío) para separar toda el agua restante y se filtran. El producto de este proceso es el biodiesel terminado.
- Postratamiento de la glicerina
El glicerol crudo, que en realidad contiene solamente un 50% de glicerol, es un subproducto de poco valor en esta forma (ya que contiene gran cantidad de jabones, catalizador alcalino y metanol), y además peligroso debido al metanol. Para poder aprovecharlo, debe ser purificado de la siguiente manera: Primero es llevado a un proceso de acidulación (se añade ácido sulfúrico o fosfórico) para separar 3 fases: el glicerol propiamente dicho (con metanol aún disuelto), ácidos grasos libres (provenientes del aceite), y una fase sólida que consiste en sales formadas entre el catalizador alcalino y el ácido agregado en esta etapa. Si se utiliza hidróxido de potasio como catalizador de la transesterificación y ácido fosfórico para la neutralización del glicerol, la sal que se forma es fosfato de potasio, producto que puede ser utilizado como fertilizante. El glicerol resultante sólo necesita ser separado del metanol (mediante evaporación – temperatura y vacío – y condensación del metanol) y así tendrá una pureza de aproximadamente 85%. En esta forma ya está listo para su venta a otros procesos industriales que lo refinen aún más, o que requieran este insumo en este estado. El metanol recuperado tanto de los metil-ésteres como del glicerol suele contener agua derivada del proceso y por lo tanto debe ser rectificado (es decir, destilado para separarlo del agua) antes de volver a utilizarlo en el proceso. Si se está trabajando con etanol, este paso es más complejo ya que el etanol forma mezclas estables con el agua, y se requiere además de la destilación un filtro molecular para separarlos completamente.
Figura 1.14. Proceso discontinuo para la producción de Biodiesel
1.4.2.2. Proceso Continuo
Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado, los llamados CSTR del inglés, Continuous Stirred Tank Reactor. Este tipo de reactores puede ser variado en volumen para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje del 98% de producto de reacción. Un elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente constante. Esto tiene el efecto de aumentar la dispersión del glicerol en la fase éster. El resultado es que el tiempo requerido para la separación de fases se incrementa.
Existen diversos procesos que utilizan la mezcla intensa para favorecer la reacción de esterificación. El reactor que se utiliza en este caso es de tipo tubular. La mezcla de reacción se mueve longitudinalmente por este tipo de reactores, con poca mezcla en la dirección axial. Este tipo de reactor de flujo pistón, Plug Flow Reactor (PFR), se comporta como si fueran pequeños reactores CSTR en serie. El resultado es un sistema en continuo que requiere tiempos de residencia menores (del orden de 6 a 10 minutos) –con el consiguiente ahorro, al ser los reactores menores para la realización de la reacción. Este tipo de reactor puede operar a elevada temperatura y presión para aumentar el porcentaje de conversión.
En la figura 1.15., se presenta un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación mediante reactores de flujo pistón. En este proceso, se introducen los triglicéridos con el alcohol y el catalizador y se somete a diferentes operaciones (se utilizan dos reactores) para dar lugar al éster y la glicerina.
Dentro de la catálisis heterogénea los catalizadores básicos se desactivan fácilmente por la presencia de ácidos grasos libres (AGL) y de agua que favorece la formación de los mismos. Para tratar alimentaciones con cierto grado de acidez, se prefiere la esterificación de los ácidos grasos libres con superácidos que a su vez presenten una elevada velocidad de reacción de transesterificación si bien se necesitan dos reactores con una fase intermedia de eliminación de agua. De este modo, alimentaciones con hasta un 30% en AGL se pueden esterificar con metanol, reduciendo la presencia de AGL por debajo del 1%. Esta etapa previa de esterificación se puede llevar a cabo con alcoholes superiores o glicerina que resulta atractiva en la producción de biodiesel puesto que es un subproducto del proceso.
Este proceso también es conocido como transesterificación en dos etapas y muchas plantas de producción de biodiesel lo utilizan, sobre todo en Europa donde los estándares de calidad para el biodiesel son más exigentes. El objetivo de este método es reducir la cantidad de metanol que interviene en la transesterificación, y mejorar la eficiencia de la reacción, consiguiendo altas tasas de transformación del aceite en biodiesel y una mayor pureza del producto. Este proceso consiste en agregar sólo una parte de la mezcla de alcohol y catalizador en cada etapa y separar el glicerol después de cada etapa. Usualmente, se agrega primero un 80% del alcohol y catalizador al aceite, se realiza la transesterificación, se separa el glicerol, y el producto se lleva a una segunda reacción con el 20% de alcohol y catalizador restante. Su fundamento reside en una característica importante de la reacción química de transesterificación: que es una reacción de equilibrio. Las reacciones de equilibrio pueden ocurrir en los dos sentidos.
En el caso de la transesterificación, el aceite y el alcohol reaccionan para producir ésteres metílicos y glicerol, pero igualmente los ésteres metílicos pueden reaccionar con el glicerol para producir triglicéridos y alcohol nuevamente. Cuando se mezclan el aceite, alcohol y catalizador, la reacción transcurre hasta que alcanza un punto de equilibrio en el que ya no se generan más productos. La reacción ocurre en ambos sentidos al mismo tiempo y está en un equilibrio dinámico. Como el objetivo del proceso es obtener la mayor cantidad de ésteres, lo ideal es desplazar lo más posible este equilibrio hacia la derecha de la reacción (es decir, hacia los productos). Hay dos maneras de hacerlo: agregar más insumos (es por esto que se utiliza una razón molar alcohol: aceite de 6:1 en lugar de 3:1), o quitar parte de los productos. Al realizar la reacción en dos etapas estamos justamente quitando uno de los productos (el glicerol) y forzando a la reacción a avanzar aún más para producir ese glicerol faltante para reestablecer el equilibrio.
En muchos países se está experimentando con la transesterificación utilizando etanol en lugar de metanol. Las ventajas de este proceso serían la procedencia renovable del alcohol (caña de azúcar, remolacha, maíz, etc.) y su mucha menor toxicidad. Sin embargo, la producción de ésteres etílicos es difícil en comparación con la de ésteres metílicos, debido principalmente a la fácil formación de emulsiones estables que dificultan severamente la separación del biodiesel y el glicerol y la purificación del biodiesel. Se requiere mucho mayor cuidado con la pureza de los insumos así como
con los parámetros de reacción – tiempo, temperatura, agitación – para asegurar el éxito. En Brasil, se ha experimentado con un método que usa dos catalizadores para permitir la transesterificación con etanol, con un tiempo de reacción de sólo 30 minutos.
1.4.3. Proceso de Esterificación
El más común consiste en el calentamiento de una mezcla del alcohol y del ácido correspondiente, en los procesos de esterificación se suelen utilizar catalizadores ácidos como ácido sulfúrico, utilizando el reactivo más económico en exceso para aumentar el rendimiento y desplazar el equilibrio hacia la derecha (esterificación de Fischer). El ácido sulfúrico sirve en este caso tanto de catalizador como de sustancia higroscópica que absorbe el agua formada en la reacción. A veces es sustituido por ácido fosfórico concentrado. En la práctica este procedimiento tiene varios inconvenientes. El alcohol puede sufrir reacciones de eliminación formando olefinas, esterificación con el propio ácido sulfúrico o de formación del éter y el ácido orgánico puede sufrir decarboxilación
1.4.4. Proceso Combinado Esterificación-Transesterificación
Figura 1.15. Proceso continuo para la producción de Biodiesel
Figura 1.16. Proceso de esterificación para la producción de Biodiesel
Este tipo de procesos refina los ácidos grasos aparte del sistema de alimentación o mediante un tratamiento diferenciado en la unidad de esterificación. Se añaden los catalizadores cáusticos y el producto de reacción se separa mediante centrifugación (proceso llamado Caustic Stripping). Los aceites refinados son secados y enviados a la unidad de transesterificación para un proceso posterior. De esta manera, los ácidos grasos pueden ser transformados en ésteres metílicos mediante un proceso ácido de esterificación. Los procesos de catálisis ácida pueden ser usados para la esterificación directa de los ácidos libres (AGL). Una alternativa a esto sería utilizar un catalizador básico para formar deliberadamente jabón en el AGL. El jabón es recuperado, el aceite secado y posteriormente utilizado en un sistema convencional mediante catalizadores básicos.
1.4.5. Proceso en Condiciones Supercríticas
Como hemos visto anteriormente, la presencia de agua y ácidos grasos libres afecta la eficiencia de la transesterificación alcalina. Asimismo, el uso de catalizadores dificulta la purificación del biodiesel y el glicerol. Una de las propuestas para superar estas dificultades en la transesterificación es el uso de metanol en condiciones supercríticas. Las principales ventajas de este método son: no requerir del catalizador, la no sensibilidad ante la presencia de agua o ácidos grasos libres, los ácidos grasos libres son esterificados al mismo tiempo que el resto del aceite. Todo esto convierte a este método en una alternativa interesante para la transesterificación de aceites usados que usualmente contienen AGL y agua. El proceso supercrítico implica el uso de determinadas condiciones de temperatura y presión que afectan las condiciones termofísicas del metanol, tales como su constante dieléctrica, viscosidad, peso específico y polaridad, todo lo cual facilita la reacción de transesterificación.
De esta manera, bajo condiciones de alta temperatura y presión se logra una conversión casi completa del aceite en biodiesel en muy poco tiempo (5-10 minutos), sin necesidad de catalizador. A pesar de que algunos autores critican los altos costos operativos de este proceso, debido a los altos requerimientos de temperatura y presión (mayor consumo energético) y también altos costos de inversión para contar con equipamiento que resista estas condiciones de operación, se ha propuesto que este proceso sería competitivo, ya que: permite aprovechar aceites comestibles usados (de bajo costo), sin necesidad de pretratamiento ácido (que también aumentaría los costos de operación e inversión), a pesar de los altos consumos energéticos, el tiempo de reacción es menor, lo cual compensa en cierta manera este aspecto, el glicerol, subproducto de la transesterificación, resulta casi puro (96,4%), lo cual le da un mayor valor de mercado que en el proceso de transesterificación alcalina (pureza de sólo un 85%), el biodiesel obtenido de la transesterificación solo requiere la destilación del metanol para tener una alta pureza (99,8%). Esto también reduce los costos de inversión y operación necesarios para purificar el biodiesel en la transesterificación alcalina.
Cuando un fluido o gas es sometido a temperaturas y presiones que exceden su punto crítico, aparecen una serie de propiedades inusuales. Desaparece la diferencia entre la fase líquida y vapor, existiendo sólo una fase de fluido presente. Además, los disolventes que contienen grupos OH, como el agua o alcoholes primarios, toman las propiedades de superácidos. Un ejemplo de sistema sin catalizadores es el que utiliza un elevada relación de alcohol:aceite (42:1). Bajo condiciones supercríticas (350 a 400ºC y P>80 atm) la reacción se completa en 4 minutos. Los costos de instalación y los costos de operación son más altos y la energía consumida mayor, por lo que aunque los resultados mediante este proceso son muy interesantes, el escalado de estas instalaciones a nivel industrial puede ser difícil.
Figura 1.17. Proceso combinado esterificación-transesterificación para la producción de Biodiesel
1.4.6. Otros procesos
Los siguientes procesos para la producción de biodiesel aun se encuentran en fase experimental o bien algunos no se han adaptado aun debido a que no son fácilmente costeables.
1.4.6.1. Craqueamiento térmico o pirólisis de las grasas
El craqueamiento térmico o pirólisis es la conversión de una sustancia en otra por medio de su calentamiento a altas temperaturas (superiores a 450°C) en ausencia de oxígeno. En algunas situaciones se utilizan, además, catalizadores que ayudan a romper los enlaces químicos de las moléculas, de manera que se forman moléculas de menor tamaño. La pirólisis de las grasas, con ayuda de óxido de silicio o de aluminio como catalizador, es una manera de obtener combustibles químicamente similares al diesel de petróleo. Sin embargo, es un proceso caro. Además, al remover el oxígeno del proceso se pierden los beneficios ambientales de ser un combustible oxigenado (como la mejor combustión y menores emisiones contaminantes). Este combustible obtenido del craqueamiento térmico de las grasas no es biodiesel (no está compuesto por ésteres de ácidos grasos), pero es también un combustible renovable semejante al diesel de petróleo.
1.4.6.2. Tecnologías biomasa a líquido
Estas tecnologías implican la síntesis de combustibles líquidos a partir de biomasa sólida mediante un proceso termoquímico. Su objetivo es producir combustibles similares a la gasolina y el diesel, que puedan ser utilizados con los sistemas de distribución y los motores actuales. Son procesos denominados de segunda generación, pues su aplicación a la biomasa se encuentra actualmente en fase de investigación y demostración. Hasta el momento han sido aplicados a gran escala utilizando materias primas fósiles (carbón o gas natural). Su ventaja es que permitirían obtener combustibles a partir de casi cualquier tipo de biomasa con bajo contenido de humedad, tal como residuos orgánicos, paja, residuos de la producción de papel, bagazo, madera de desecho, papel de desecho, etc. Es decir, con estas tecnologías no se necesitará partir de un aceite para obtener combustibles, sino de cualquier materia prima orgánica.
1.4.6.3. Ultrasónico
El uso del ultrasonido permite que el proceso de obtención de biodiesel sea continuo, el uso del ultrasonido permite lograr una eficiencia en el proceso de hasta un 99%, así mismo se reduce el tiempo del proceso de 1 o 4 horas a solo 30 segundos, además de que permite reducir el tiempo de separación de la glicerina de 5 a 10 horas (usando una agitación convencional) a menos de 60 minutos. El uso del ultrasonido ayuda a reducir la cantidad de catalizador en un 50% gracias a la cavitación que se logra con su empleo, a su vez el exceso de alcohol usado en el proceso se reduce también (Véase figura 1.19). Otro beneficio de este proceso es que la glicerina incrementa su pureza. El proceso ultrasónico reúne los siguientes pasos:
o Los aceites vegetales o las grasas animales se mezclan con el metanol o etanol y con el hidróxido de sodio o de potasio.
o La mezcla es calentada a temperaturas entre 45ºC y 65ºC.o La mezcla calentada pasa por la línea de ultrasonido.o La glicerina es separada del biodiesel.o El biodiesel es lavado con agua.
Figura 1.18. Proceso en condiciones supercríticas para la producción de Biodiesel
Este proceso se lleva a cabo a presiones manométricas de 1 a 30 bares. Y los dispositivos comerciales para producir el ultrasonido son de 16kW, con lo cual se considera suficiente para un proceso con un flujo de 12m3. Los principales costos de este proceso (sin considerar los que tiene en común con el proceso batch) son la inversión en el equipo y su mantenimiento, lo cual hace que el precio por litro de biodiesel se incremente de 0.1ct a 1ct (en comparación con los 0.4 ct a 1.9 ct por galón del proceso batch)
1.4.7. Tabla comparativa de algunos de los métodos discutidos
En la tabla 1.7., se presenta, a modo de resumen para esta parte, una comparación de los requerimientos técnicos, ventajas y desventajas de algunos de los métodos discutidos anteriormente. La transesterificación alcalina, a pesar de sus limitaciones, es la única utilizada comercialmente hasta el momento. Un mayor desarrollo de las otras tecnologías es necesario para confirmar su viabilidad técnica y económica a gran escala, pero su potencial es interesante.
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Figura 1.19. Proceso ultrasónico para la producción de Biodiesel, se distingue de otros porque el rector donde se lleva a cabo la transesterificación está provisto de equipo ultrasónico para llevar a cabo la reacción
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1.4.8. Reactores para la producción de biodiesel
El reactor es el único lugar del proceso donde ocurre la reacción, los reactores pueden ubicarse en dos grandes categorías. Los reactores batch y los reactores continuos. Dos reactores que entran en la categoría de los continuos es el “continuos stirred tank” (CSTRs) y el “plug flow reactor” (PFRs). En el reactor batch los reactivos se alimentan al reactor en determinadas cantidades, después es cerrado y se lleva a las condiciones de reacción deseadas, la composición dentro del reactor cambia con el
tiempo y una vez que se completa un determinado tiempo de reacción el contenido del reactor es removido de este. En contraste, los reactores continuos tienen un flujo continuo de reactivos hacia el reactor y un flujo continuo de salida de los productos del reactor. Una vez que el flujo continuo del reactor alcanza condiciones uniformes, la composición del producto que sale del reactor se vuelve constante. Para un CSTRs los reactivos son alimentados a un reactor con un buen mezclado en donde la corriente de los productos es idéntica a la composición dentro del reactor. Para un PFRs, los reactivos son alimentados por un lado del reactor y la composición química cambia mientras las sustancias fluyen por el reactor. Dos importantes consideraciones a tomar en cuenta al elegir un determinado reactor es el grado de conversión de los reactivos y la selectividad, ambos aspectos son afectados por variables como la temperatura, la presión y el tiempo de reacción. Por lo general al incrementarse la temperatura se incremente la velocidad de la reacción, sin embargo si más de una reacción se está llevando a cabo los cambios en la temperatura pueden afectar la selectividad. En el caso de la transesterificación, el cambio en la temperatura no afecta la selectividad, sin embargo afecta la presión del sistema. Como la reacción se lleva a cabo en una fase líquida, la presión en el reactor debe mantenerse en un nivel adecuado, de tal forma que el metanol se conserve en la fase líquida. Por lo que es necesario controlar adecuadamente la temperatura durante el proceso para evitar cambios de fase o la variación de la presión. Otro aspecto a tomar en cuenta al seleccionar un reactor es el tiempo de reacción. Otro parámetro muy importante en un reactor es el grado de mezclado o de transferencia de masa. Para los reactores batch y CSTRs el grado de mezclado está directamente relacionado con la cantidad de energía introducida a través del agitador. Incrementando la velocidad del agitador se incrementa la entrada de energía al reactor. Para un PFRs, el grado de mezclado es dictado por el diseño del reactor y por el catalizador utilizado dentro del reactor, este tipo de reactores no cuentan con dispositivos de mezclado. Los reactores batch tienen varias características positivas como la de un buen mezclado y fácil manejo de catalizadores homogéneos, como los usados en las reacciones de transesterificación. Sin embargo los reactores batch no son empleados para producir grandes cantidades de sustancias ya que es más eficiente operar de manera continua. Es por ello que los reactores PFRs o reactores tubulares son de los más usados en la industria química.
1.4.9. Plantas clásicas para la producción de Biodiesel
El equipo para llevar a cabo este proceso varía dependiendo de la capacidad que se desea producir, a una escala doméstica se pueden emplear equipos como el mostrado en la figura.
El reactor de la figura 1.20., es un reactor semiprofesional llamado Biodys-R50 que rinde 40 litros por lote y puede producir 300 litros de biodiesel por día. Requiere de aceite de soya refinado, potasa cáustica como catalizador y alcohol (etanol-98%), o bien puede usarse aceite de soya, metanol e hidróxido de Sodio, cuenta con un sistema anti-explosivo y tiene apagado automático. Ocupa 1 m 2. Utiliza 220 V y tiene un consumo de 2000 W por hora. Es un reactor de 40 litros por lote de producción, con reacción activa a 49ºC, cuenta con un sedimentador pasivo de glicerina cruda, drenaje manual, purificación con agua y secado a temperatura ambiente o calentado. El tiempo de calentado de la mezcla antes de la reacción es de 1 a 2 horas dependiendo del ambiente. El tiempo de reacción
es de 2-3 horas de mezcla activa. El tiempo de sedimentado es de 24 horas, en forma pasiva. Se hacen 5 lavados con agua en forma de lluvia. El secado se hace de forma pasiva al aire o calentado. Permite obtener una producción de 2920 litros por año basado en un ciclo de producción de 5 días. Este equipo incluye un tanque de 14 litros de HDPE para la mezcla de métoxido.
Conforme se incrementa la producción de Biodiesel las instalaciones de la planta se incrementan de tamaño, ya que en lugar de llevarse las operaciones y procesos unitarios en un solo equipo se hace necesario emplear varios en donde se lleve a cabo una función en específico. En la figura 1.21., se muestra una planta para una producción de 1000 toneladas por año, junto con algunos equipos que forman parte de su instalación.
En la figura 1.23., se muestra una planta para una producción de 7000 toneladas de biodiesel por año en la que se puede usar como materia prima aceite virgen o aceite usado.
En la figura 1.24., se muestra una planta para una producción de 20000 toneladas de biodiesel por año.
Figura 1.20. Reactor de 40 litros por lote
Figura 1.21. Instalación para producir 1000 Toneladas/año de Biodiesel
Figura 1.22. Equipos que forman parte de la instalación de la figura 1.21. a) Reactor de transesterificación, b) Centrifugadora de Biodiesel, c) Sistema de lavado y secado, d) Sistema de destilación y de separación de metanol, glicerina y agua
a b
c d
Figura 1.23. Planta para 7000 toneladas/año de Biodiesel
Figura 1.24. Planta para 20000 toneladas/año de Biodiesel
En la figura 1.25., se muestra una distribución común de las instalaciones en una planta de Biodiesel.
1.5. Aplicaciones del Biodiesel
1.5.1. Utilización del biodiesel
Los carburantes obtenidos a partir de cultivos y de otras materias orgánicas, los llamados biocarburantes, presentan una serie de ventajas para el sector del transporte. En primer lugar, los biocarburantes pueden contribuir a reducir el crecimiento en las emisiones de dióxido de carbono (CO2) haciendo posible el cumplir con los compromisos adquiridos en el Protocolo de Kyoto. Por otra parte, reduciendo la dependencia que el sector del transporte tiene del petróleo (actualmente del 98%), también pueden contribuir a diversificar y mejorar la seguridad en el suministro de carburante. Asimismo, estos carburantes pueden ser fuentes alternativas de ingresos para las áreas rurales.
El biodiesel es una mezcla de ésteres metílicos derivados de los ácidos grasos presentes en los aceites vegetales obtenidos en su mayor parte por reacción de transesterificación de los mismos con metanol. Se trata, por tanto, de un combustible renovable con emisiones de CO2 bajo. La reducción de emisiones de CO2 al usar biocarburantes no es del 100% puesto que hay que tener en cuenta la energía consumida en el proceso de producción de los mismos, debido a lo cual el balance no es nulo y se emite CO2. Los ésteres metílicos derivados de los aceites vegetales poseen unas características físicas y fisicoquímicas parecidas a las del diesel, lo que permite mezclarlos en cualquier proporción y usarlos en los vehículos diesel convencionales, sin realizar importantes modificaciones en el diseño básico del motor. Sin embargo, en proporciones superiores al 5% es necesario reemplazar el material empleado en el circuito de alimentación de combustible por otro más resistente, ya que se puede deteriorar por el mayor poder disolvente del biodiesel.
Para evitar introducir las modificaciones en los motores que se requieren para la utilización de aceites vegetales sin modificar, y mejorar sustancialmente sus características como carburantes, se recurre a transformarlos en sus derivados ésteres metílicos o etílicos (biodiesel). Los aceites procedentes de plantas generalmente contienen ácidos grasos, fosfolípidos y otras impurezas, lo que dificulta la utilización de los aceites como combustible directamente. Pero su gran inconveniente es la elevada viscosidad que tienen. Para superar este problema el aceite necesita modificarse químicamente, principalmente por transesterificación, pirolisis o emulsificación. De todos ellos, como ya se ha mencionado, la transesterificación es el proceso que produce combustibles de forma más limpia y respetuosa con el medio ambiente.
Figura 1.25.Distribución de las instalaciones en una planta de Biodiesel
Para evitar introducir las modificaciones en motores que se requieren para la utilización de aceites vegetales sin modificar y mejorar sus características como carburantes, se recurre a transformarlos en sus derivados ésteres metílicos o etílicos. De esta manera se consigue que las largas cadenas ramificadas iniciales, de elevada viscosidad y alta proporción de carbono se transformen en otras de cadena lineal, de menor viscosidad y porcentaje de carbono y de características físico-químicas y energéticas más similares a las del diesel de automoción el cual está formado por compuestos parafínicos, naftalénicos y aromáticos. Este biodiesel se puede utilizar puro o mezclado en distintas proporciones junto con el diesel de automoción, que es la forma más habitual de utilización. En cuanto a sus propiedades como combustible de automoción, las características de los ésteres son más parecidas a las del diesel que las del aceite vegetal sin modificar. Así, la viscosidad del éster es ligeramente mayor que la del diesel, frente a las 10-20 veces superior de la del aceite vegetal crudo. El biodiesel necesita contar con una especificación que incluya estas propiedades y garantice la calidad del producto. La especificación vigente para estos combustibles se basa en la norma europea EN-590.
El uso de biodiesel en automoción está totalmente extendido en Europa desde finales de la década de los noventa. En países como Alemania y Austria hay más de 1,800 gasolineras que incorporan un surtidor de biodiesel (ya sea 100% o mediante una mezcla del 2% al 30% de biodiesel y el resto de diesel). La razón de realizar una mezcla con diesel convencional (EN590), radica en que los aceites vegetales tienen, entre otras cosas, la particularidad de disolver la goma y el caucho. Debido a que estos aceites vegetales son la materia prima para la fabricación del biodiesel, dicho producto también disuelve la goma y el caucho, materiales empleados en la fabricación de los conductos y las juntas del sistema de alimentación de los vehículos por lo que con el uso prolongado de biodiesel 100%, se podrían llegar a degradar dichos conductos, produciendo algún poro o pérdida de combustible. Desde mediados de los años 90, casi todos los fabricantes de vehículos (principalmente marcas alemanas), ya han substituido dichos conductos por conductos fabricados con materiales plásticos o derivados, con lo que el biodiesel no los disuelve.
En algunos países, ante la imposibilidad de controlar si los vehículos que utilizan las estaciones de servicio están o no preparados para la utilización de biodiesel 100%, se emplea la mezcla BDP-10 (10% biodiesel + 90% diesel), y así cualquier vehículo lo puede utilizar sin ningún tipo de problema. Otros productores de la Unión Europea, debido a su política comercial, venden toda su producción a una empresa petrolera, la cual opta por la mezcla del biodiesel en un 5% máximo en todos sus combustibles diesel. De esta forma se considera al biocombustible como un aditivo porque no altera las características técnicas del gasóleo mineral según la norma EN 590.
Si se incorpora más de un 5%, la mezcla final no cumple la norma EN590, por lo que tendrían que informar y “etiquetar” dicho producto con un nombre diferente al de “Diesel”. En los motores de los automóviles, los problemas asociados por utilizar biodiesel como combustible de motores de inyección directa, son los que a continuación se presentan:
o La potencia del motor disminuye, porque el poder calorífico inferior (P.C.I.). del biodiesel es menor
o El consumo de combustible aumenta, ya que el biodiesel contiene menos poder calorífico que el gasóleo.
Figura 1.26. Algunas empresas automotrices han desarrollado automóviles ya adaptados para el uso de Biodiesel, mientras que en autos diseñados para Diesel puede reemplazarse el uso de este por el del biocombustible
o Las emisiones de óxidos de nitrógeno generalmente aumentan, consecuencia de las mayores presiones y temperaturas que se alcanzan en la cámara de combustión, que a su vez se deben a un tiempo de retraso de la misma.
o Cuando se utiliza 100% de biodiesel, el aceite lubricante se contamina, debido a la menor viscosidad del éster en comparación a éste.
o Algunos materiales se deterioran con el biodiesel: pinturas, plásticos, gomas, etc. cuando se utiliza 100% de biodiesel.
Si se compara el diesel con el biodiesel se encontrarán las siguientes ventajas de este sobre aquel:
o Lubricación.
El biodiesel posee unas características de lubricación superiores a las del diesel, se obtienen unos resultados marcadamente mejores en los ensayos de lubricidad realizados y se producen menos partículas de desgaste que con el diesel.
o Número de Cetano (NC).
Por lo general los ésteres derivados de ácidos grasos tienen un NC mayor que el diesel. Se ha comprobado que los compuestos aromáticos poseen un número de cetano menor (por eso el diesel tiene un NC inferior al del biodiesel).
o Emisiones Contaminantes.
Se producen combustiones mas eficaces debido a la presencia de oxigeno de las moléculas del éster, hay una mejora en el rendimiento de la combustión, hay una importante disminución en la cantidad de partículas emitidas (menor opacidad en los humos), esto es como consecuencia de un mayor número de cetano, hay una menor emisión de CO y de hidrocarburos sin quemar y además se reduce la emisión de compuestos aromáticos al ambiente. Los derrames de este combustible (biodiesel) en ríos y mares resultan mucho menos contaminantes ya que es fácilmente biodegradable, se degrada biológicamente el 85% en solo 4 semanas, debido a lo anterior el biodiesel es ideal para emplearse en motores de barcos, lanchas, transportes en parques nacionales, bosques y sobre todo en grandes ciudades.
1.5.2. Pros y contras
El uso de BDP 10, mezcla de Biodiesel, ofrece las siguientes ventajas e inconvenientes en comparación con el diesel convencional.
Ventajas medioambientales frente al diesel, al reducirse las emisiones de:
o Monóxido de carbonoo Partículaso Hidrocarburoso Dióxido de carbonoo Óxidos de azufreo Es biodegradable (98,3% en 21 días)o No es tóxico
Ventajas técnicas frente al diesel:
o Mayor lubricación, con lo cual se alarga la vida del motor y reduce su ruido.o Mayor poder disolvente, que hace que no se produzca carbonilla ni se obstruyan los conductos
y mantiene limpio el motor.
Inconvenientes técnicos:
o El Biodiesel tiene un punto de congelación entre 0ºC y -5ºCo Con la mezcla BDP 10, la temperatura de congelación baja.o La primera vez que se empieza a consumir Biodiesel BDP 10, y debido a su poder disolvente,
puede que se deba realizar el primer cambio de filtros antes de lo normal, dependiendo del nivel de “suciedad” que haya en el motor y en el depósito de combustible.
El biodiesel más experimentado en motores ha sido el éster metílico obtenido a partir de aceite de colza habiéndose realizado estudios en pruebas de demostración de vehículos con la finalidad de valorar el comportamiento energético y medioambiental del mismo. Se han realizado importantes trabajos de caracterización del éster metílico de girasol, que incluyen las determinación de las propiedades como combustible, la caracterización en pruebas de motor (potencias, consumos, emisiones), ensayos de ensuciamiento de inyectores y en ensayos de duración. Analizando el comportamiento del biodiesel en vehículos, se desprende lo siguiente:
o Prestaciones: Leve incremento del consumo y ligera disminución de potencia con mezclas de hasta el 30%. Variaciones mayores con éster al 100% (-7% en potencia y +16% en consumo).
o Emisiones: Disminución importante de CO e hidrocarburos con 100% de éster. En el resto de los casos, similares al diesel. Eliminación de SOx e importante disminución de CO2.
o Comportamiento en frío: problemas con porcentajes de mezcla superiores al 30%.o Ensuciamiento de inyectores: mejor comportamiento que el diesel. A mayor proporción de
éster mejores resultados.
De este modo, como conclusiones a las pruebas realizadas se puede decir que:
o Las mezclas diesel-éster metílico de girasol, y en especial las inferiores al 20% de éster, presentan unas propiedades perfectamente válidas para su utilización en motores diesel.
o Las mezclas diesel-éster tienen un excelente comportamiento en los inyectores: el éster actúa como un aditivo antiensuciamiento.
o No se ha detectado ningún tipo de anomalía relevante en ensayos de duración con mezclas entre 10% y 30% de éster con diesel.
1.6. Ventajas y desventajas para la producción y uso de Biodiesel
1.6.1. Oportunidades para la producción y uso de biodiesel
1.6.1.1. Reducción de la mayoría de emisiones contaminantes
Diferentes estudios han demostrado que el biodiesel reduce substancialmente la emisión de la mayoría de gases y partículas contaminantes de la atmósfera (ver tabla 1.8.). Al ser un combustible oxigenado, el biodiesel tiene una combustión más completa que el diesel.
Tabla 1.8. Variaciones de las emisiones contaminantes el biodiesel respecto al diesel convencional
Agentes contaminantes de la atmósfera
Variación de emisionesDurante la combustión (%) Total (%)
CO -46 -35CH4 0 -3N2O 0 -66Hidrocarburos (sin incluir CH4) -37 238Hidrocarburos (no especificados) 0 -39Hidrocarburos policíclicos aromáticos -80Hidrocarburos policíclicos aromáticos nitrogenados
-90
Benceno 0 -96Formaldehído 0 -96PM10 -68 -45Partículas no especificadas 0 -25SOx -100 -8NOx 9 13HCl 0 14HF 0 -16
Como se observa de la anterior tabla, el biodiesel reduce las emisiones de partículas sólidas menores a 10 micrones (PM10), monóxido de carbono (CO) y óxidos de azufre (SOx), peligrosos agentes contaminantes. La Environmental Protection Agency (EPA, 2002) en un estudio compilatorio de diversas investigaciones sobre emisiones vehiculares con biodiesel, concluyó que las emisiones vehiculares de material particulado se reducían en un 47% cuando se usaba biodiesel, y las de monóxido de carbono en un 48%. En estudios de biodiesel de soya en autobuses de transporte urbano, se han observado que las emisiones a lo largo del ciclo de vida del biodiesel se reducen en un 44%, 35% y 8% para PM10, CO y SOx, respectivamente.
En el caso de las emisiones durante la combustión, las reducciones son más significativas: 68% para las PM10, 46% el CO y 100% los SOx, ya que el biodiesel no contiene azufre. Estudios realizados para el National Renewable Energy Laboratory de los Estados Unidos encontraron que las emisiones de material particulado dependen del contenido de oxígeno del combustible. Analizando las emisiones de biodiesel proveniente de diferentes materias primas, ellos hallaron que todos reducen la emisión de partículas en comparación con el diesel. Para biodiesel con un índice de cetano mayor a 45 aproximadamente, la reducción en PM fue proporcional al contenido de oxígeno. Para biodiesel con número de cetano menor a 45, la reducción fue menor. Asimismo, comparando ésteres metílicos y etílicos, no encontraron diferencias consistentes en sus emisiones. Los índices de peróxido y de acidez, así como el contenido de glicerina del biodiesel tampoco tuvieron ningún efecto sobre las emisiones de CO, NOx, SO2, HCs totales y PM.
En el caso de los hidrocarburos (HC), si bien el biodiesel produce mayor cantidad en su ciclo de vida, durante la combustión, las emisiones disminuyen en un 37%. El estudio de la EPA (2002) encontró que las emisiones de HC durante la combustión disminuyen un 67%. Las emisiones del biodiesel también tienen niveles menores de hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA, posibles cancerígenos), debido a que el biodiesel no contiene compuestos aromáticos de ningún tipo. También se pueden observar significativas reducciones en los compuestos aldehídicos, especialmente el formaldehído y el acetaldehído. En lo que respecta al benceno, las emisiones se reducen prácticamente en un 95% en todo el ciclo de vida del biodiesel, con una combustión totalmente libre de este compuesto cancerígeno.
La combustión del biodiesel produce menos humo visible y menos olores nocivos que el diesel derivado del petróleo. Un nicho específico para el uso de biodiesel es el de las minas y las construcciones subterráneas, como el trabajo en túneles y socavones. Países como Estados Unidos y Austria han promovido el biodiesel en este tipo de trabajos, ya que al ser sus emisiones más limpias que las del diesel, contribuyen a reducir los riesgos a la salud ocupacional de los trabajadores.
1.6.1.2. Alta biodegradabilidad y baja toxicidad
El biodiesel prácticamente no es tóxico en caso de ingestión, tanto para los peces como para los mamíferos. La concentración de biodiesel para que llegue a ser letal por ingestión oral es muy elevada, alrededor de 17,4 g/Kg de peso corporal, lo cual significa que una persona de 80 kg tendría que tomar alrededor de 1.6 L de biodiesel para que tenga efectos mortales. La sal común (NaCl) es aproximadamente diez veces más tóxica. El impacto en la salud humana es un criterio importante cuando se considera la idoneidad de un combustible para aplicaciones comerciales.
En cuanto a la toxicidad acuática, según el National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) de los Estados Unidos, ésta es muy baja. Se requieren concentraciones altísimas en el agua, mayores a 1.000 mg/L, para llegar a niveles letales. Por ello el biodiesel es bastante inofensivo para la fauna acuática. Además el biodiesel es altamente biodegradable en el agua. En estudios de la Universidad de Idaho se encontró que el biodiesel se degrada a un ritmo muy superior al del diesel convencional e incluso tan rápido como la dextrosa (azúcar). En una prueba en solución acuosa, a los 28 días se había degradado el 95% del biodiesel, mientras que el diesel convencional se había degradado en un 40%. En una segunda prueba, esta vez en ambientes acuáticos, el 87% del biodiesel se degradó en 28 días, mientras que la degradación del diesel sólo fue del orden del 26%.
La mezcla de biodiesel con diesel o con gasolina incrementa la biodegradabilidad del combustible, debido a efectos sinérgicos de «cometabolismo». Así, el tiempo necesario para alcanzar un 50% de biodegradación se reduce de 28 a 22 días en el caso del B5 (mezcla de 5% de biodiesel y 95% de diesel) y de 28 a 16 días en el caso del B20. Estos efectos sinérgicos son importantes por dos razones:
- El biodiesel se comercializa actualmente de manera principal mezclado con diesel, y los riesgos de derrame son los mismos que para el diesel puro.
- El biodiesel podría ser utilizado como un «acelerador» de la biodegradación en caso de derrames de hidrocarburos en medios acuáticos.
Estas características convierten al biodiesel en el combustible ideal para embarcaciones fluviales, especialmente en zonas acuáticas sensibles y/o protegidas. Los combustibles fósiles están muy relacionados con el tema de la contaminación del agua; desde los derrames petroleros en océanos, pasando por la contaminación del agua del subsuelo debido a los tanques subterráneos hasta llegar a la contaminación de los lagos y ríos debido a las fugas de combustible de los motores de las embarcaciones. El uso del biodiesel puede ayudar a proteger y mejorar la calidad del agua en diversos ambientes. Asimismo, el biodiesel es menos tóxico y más biodegradable que el diesel en el suelo. En un estudio realizado recientemente, se encontró que el combustible diesel es tóxico a una concentración de 3% en peso en el suelo, mientras que el biodiesel no muestra toxicidad hasta concentraciones de 12% en peso (esta fue la máxima concentración probada en el estudio). Igualmente, se observó que el biodiesel es más fácilmente degradado por los microorganismos del suelo: mientras que 80% del biodiesel fue completamente biodegradado, sólo 61% del diesel lo fue. Estas características también señalan al biodiesel como combustible apropiado en zonas agrícolas o rurales donde la contaminación del suelo por derrames es más frecuente.
1.6.1.3. Reducción de la dependencia del petróleo importado
El biodiesel puede reducir la dependencia del petróleo importado y contribuir al ahorro de divisas y a la seguridad energética. Como puede ser empleado directamente en motores diesel, el biodiesel tiene un potencial inmediato para reducir la demanda de petróleo.
1.6.1.4. Ventajas técnicas
El biodiesel tiene propiedades físicas y químicas similares a las del diesel convencional lo que permite su empleo directo en cualquier motor diesel sin necesidad de realizar modificaciones en el motor, el sistema de encendido, o los inyectores de combustible. El biodiesel es, por lo tanto, el único combustible alternativo que puede aprovecharse de manera directa en los equipos existentes, evitando así la necesidad de hacer inversiones en modificaciones o de introducir tecnologías nuevas para su aprovechamiento. Los usuarios pueden consumir el biodiesel utilizando los mismos equipos que normalmente emplean, tales como motores, motobombas, grupos electrógenos u otros. Asimismo, el biodiesel puede ser bombeado, almacenado, y manipulado usando la misma infraestructura, los mismos equipos, y los mismos procedimientos que normalmente se emplean con el diesel convencional. Para el caso específico del almacenamiento, los tanques más adecuados son los de acero inoxidable, aluminio, polipropileno fluorado, polietileno fluorado, teflón y fibra de vidrio. Se deben evitar los tanques revestidos en concreto, o aleaciones que contengan cobre, plomo, zinc y estaño, pues estos metales pueden catalizar reacciones químicas de degradación del combustible.
El biodiesel también se puede utilizar como aditivo del diesel, mezclado en cualquier proporción, dependiendo del costo del combustible y del efecto deseado. La proporción más utilizada (principalmente en los Estados Unidos) es del 20% de biodiesel en 80% de diesel, mezcla a la que se denomina B20; en países como Brasil, se están empleando proporciones que emplean 2% y 5% de biodiesel (denominadas B2 y B5, respectivamente). El encendido, rendimiento, desgaste, torque y potencia de los motores utilizando biodiesel puro o mezclado es similar al que genera el diesel convencional. El consumo de combustible, en el caso del biodiesel puro, se ve levemente afectado debido a que el biodiesel tiene ligeramente menos poder calorífico que el diesel: 1 litro de diesel derivado del petróleo equivale energéticamente a 1,05 – 1,10 litros de biodiesel. Una de las ventajas importantes del biodiesel es que prácticamente no contiene sulfuros. Reducir los niveles de sulfuro en los combustibles es necesario para reducir la contaminación atmosférica. Sin embargo, el diesel de petróleo bajo en azufre tiene una muy baja lubricidad. Dado que el biodiesel tiene poco azufre y alta lubricidad, su uso en mezclas puede mejorar notablemente la lubricidad del diesel, alargando la vida del motor y mejorando las emisiones.
El uso del biodiesel ayuda a extender la vida de los motores; utilizándolo en mezclas, mejora notablemente la lubricidad del diesel convencional. Por otra parte, el punto de inflamación del biodiesel se encuentra cercano a los 130°C. Al tener un punto de inflamación elevado, y además al no producir vapores explosivos, el biodiesel es mucho más seguro de operar, transportar y almacenar que el diesel convencional, aún utilizando la misma infraestructura y los mismos procedimientos para la manipulación y almacenaje.
1.6.2. Posibles barreras al desarrollo del biodiesel
1.6.2.1. Incremento de las emisiones de NOx
A diferencia de la mayoría de contaminantes atmosféricos, la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) se incrementa con el uso del biodiesel: en un 13% en todo su ciclo de vida y un 9% durante la combustión. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en un estudio que compila datos de diversas investigaciones (EPA, 2002) encontró que las emisiones vehiculares de NOx se incrementan en un 10% con el biodiesel respecto del diesel. Otros estudios con diferentes motores han encontrado incrementos en la emisión de NOx de entre 9,9% y 19,6%. Estudios recientes en los Estados Unidos mostraron que las emisiones de NOx varían considerablemente según la materia prima del biodiesel, pero en todos los casos ellas fueron mayores que con diesel. Se encontró que a mayor grado de instauración de las materias primas para biodiesel (por ejemplo, colza canola y soya), se producían mayores emisiones de NOx.
Mediante un análisis de regresión, se encontró que las emisiones de NOx podían ser correlacionadas con el número de cetano o con la densidad del biodiesel (asimismo, el número de cetano y la densidad están altamente relacionados, pues ambos dependen del grado de saturación de los ácidos grasos en el combustible). Los resultados sugieren que cualquier biodiesel con un número de cetano mayor a 68 podría producir emisiones de NOx iguales o menores que las del diesel. Asimismo, mostraron que el biodiesel con ésteres de cadena más corta produce mayores emisiones de NOx que biodiesel con ésteres de cadena más larga. Este es uno de los puntos a solucionar, tanto en el diseño de motores como en la formulación del biodiesel.
Existen nuevas tecnologías, como los sistemas de recirculación de gases de escape, que son efectivas para reducir la emisión de NOx, pero que incrementan la emisión de material particulado e hidrocarburos no quemados en sistemas diesel. En el caso del biodiesel, como el material particulado y los hidrocarburos emitidos se reducen, el uso de estos sistemas de recirculación de gases permitiría reducir las emisiones de NOx manteniendo también menores emisiones de PM y HC sin afectar la eficiencia de combustión. El principal problema de los NOx es que no sólo aumentan la contaminación atmosférica a nivel de la tropósfera (generando smog en las ciudades, contribuyendo a la lluvia ácida y causando problemas de salud pública), sino que además el óxido nitroso (N2O) emitido en la etapa agrícola de la producción de biodiesel debido al uso de fertilizantes nitrogenados, destruye la capa de ozono y también es un gas de efecto invernadero con un efecto 310 veces mayor que el del CO2.
1.6.2.2. Cambios en el uso del suelo: deforestación y pérdida de biodiversidad
La producción de biodiesel también tiene – o puede tener – otros impactos ambientales negativos que cuestionen su naturaleza renovable, limpia y sostenible. Las materias primas vegetales más viables económicamente son aquellas que tienen grandes contenidos de energía, altos rendimientos por hectárea y requieren poco procesamiento, tales como la caña de azúcar (para el caso del etanol) y la palma aceitera para el biodiesel. Dado que estos cultivos son de áreas tropicales, los países en desarrollo están siendo favorecidos como áreas de producción de estas materias primas para biocombustibles.
Sin embargo, inmensas cantidades de materia prima son necesarias para reemplazar incluso una pequeña fracción del combustible utilizado para el transporte en el mundo. Por esto, se requieren vastas áreas de terreno para satisfacer la creciente demanda por biocombustibles, y la controvertida elección está entre reemplazar tierra agrícola para producir biocombustibles, o transformar áreas naturales para instalar cultivos energéticos. El reemplazo de la tierra agrícola reduce el terreno disponible para producción de alimentos, y la conversión de áreas naturales – principalmente bosques – afecta recursos naturales tales como madera, agua, suelo y biodiversidad. Ya se ha generado una fuerte presión sobre las selvas tropicales por la instalación de cultivos oleaginosos para biodiesel. Este problema se ha sentido de manera más crítica hasta el momento en Malasia e Indonesia, donde se han devastado amplias zonas de bosque para la instalación de plantaciones de palma aceitera africana.
Además, vastas extensiones han sido afectadas por incendios forestales causados durante el clareo de tierras para la agricultura. Entre 46 y 80% de estos incendios se iniciaron en concesiones de plantaciones, principalmente de palma, y muy probablemente fueron causadas accidental o intencionalmente por las compañías concesionarias. En este caso, no sólo la biodiversidad y los recursos del bosque se ven afectados, sino también el clima mundial, ya que durante estos incendios forestales se emiten inmensas cantidades de CO2 a la atmósfera. Entonces, lo que se pudiera haber
reducido en emisiones de CO2 al reemplazar el diesel por biodiesel, se emite con creces con la destrucción de los bosques.
Como peligro adicional, el mercado favorece la expansión de estos cultivos oleaginosos para la producción de biodiesel en zonas tropicales. Los cultivos de zonas tropicales rinden más por hectárea, y la tierra y mano de obra son más baratas, por lo que el aceite resultante es también más barato que el producido en zonas templadas. Además, la regulación sobre protección de bosques o zonas frágiles es débil o no suficientemente aplicada en estos países, debido a deficiencias de personal, presupuestales, o ambas. Finalmente, los países desarrollados, que son los que están estableciendo metas de consumo de biocombustibles con fines ambientales, principalmente de reducción de emisiones de efecto invernadero, no podrían frenar de manera efectiva el ingreso de este tipo de biodiesel destructor de bosques a sus mercados: una prohibición del ingreso de biocombustibles debido a criterios ambientales estaría infringiendo las normas internacionales de comercio.
1.7. El Biodiesel en el mundo
1.7.1. ¿Cuánto y Donde?
Según el Licht’s World Ethanol & Biofuels Report, la producción de biodiesel en el mundo en el 2005 habría superado los 3 mil 500 millones de litros, siendo Alemania el principal productor con 1.920 millones de litros, seguido de Francia (511 millones), Estados Unidos (290 millones), Italia (227 millones) y Austria (83 millones) (ver tabla 1.9.).
Tabla 1.9. Principales productores de biodiesel en el mundoPaís Año Producción
(millones litros/año)
Insumos utilizados Tipo de uso
Alemania 2005 1920 Colza, girasol, y/o aceite de cocina reciclado
Uso puro en todo tipo de vehículos
Francia 2005 511 Colza, girasol, y/o aceite de cocina reciclado
Mezcla en el diesel: sin etiquetado para uso general (B2) y en flotas cautivas (B30). 10 a 15 millones de automóviles usan B2 en Francia
Estados Unidos 2005 290 Más del 90% proviene de soya, el resto de grasa amarilla, otros aceites o grasas animales.
B100, B20 y B2 en flotas cautivas, pero también venta al público y uso en minas subterráneas
Italia 2005 227 Girasol y/o aceite de cocina reciclado
90% del biodiesel se usa puro o mezclado con 20% de diesel fósil, para usos térmicos como calefacción. Inicios en uso para transporte, especialmente flotas cautivas.
China 2004 138 Colza, semilla de algodón, aceite de cocina reciclado
Exportado a Hong Kong, uso principal en flotas cautivas
Republica Checa 2002 63 Colza, girasol y/o aceite de cocina reciclado
Mezcla de diesel con 30% a 40% de biodiesel
Australia 2004 36 Aceite de cocina reciclado, grasas animales
Austria 2005 30 Colza y/o aceite de cocina reciclado
Mezcla de biodiesel de colza con diesel o biodiesel puro de aceite de frituras
España 2002 7 Girasol, aceite de cocina reciclado
Flotas cautivas
Dinamarca 2002 5 Colza, girasol, y/o aceite de cocina reciclado
Reino Unido 2002 5 Principalmente aceite de cocina reciclado, también colza
Venta directa a flotas en algunas estaciones de servicio. Promoción del B5
Suecia 2002 3 Colza Flotas cautivasSuiza 2002 1 Colza Uso en cooperativas
agrícolas y como B100 en pocas estaciones de servicio
Eslovaquia 2002 1 Colza, girasol, y/o aceite de cocina reciclado
Mezcla de diesel con 30% a 40% biodiesel
La producción de biodiesel ha tenido un crecimiento espectacular en los últimos años (ver figura 1.27.). Entre el 2000 y el 2005, ésta se ha cuadruplicado, mientras que la producción de bioetanol sólo creció al doble y la de petróleo sólo creció un 7%. Sin embargo, aún se está lejos de los niveles de producción mundial de bioetanol, que ya superó los 35 mil millones de litros por año. Varios gobiernos, no obstante, han anunciado metas ambiciosas de producción de biodiesel en sus países, entre los que destacan Malasia (450 millones de litros/año de biodiesel de palma hacia el 2007), Brasil (2.000 millones de litros/año de biodiesel, principalmente de palma, ricino y soya, hacia el 2012), India (4.500 millones de litros/año de biodiesel de piñón) e Indonesia (4.700 millones de litros/año de biodiesel de palma hasta el 2025).
1.7.2. ¿Por qué y Cómo?
Los principales motivos que llevaron a los diferentes países a impulsar la producción de biodiesel han sido:
o Una mayor seguridad en el abastecimiento energético.o La reducción de la dependencia de fuentes de energía fósiles.o La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.o La reducción de emisiones dañinas de efecto local.o La protección del suelo mediante el uso de productos biodegradables.o La reducción de peligros a la salud mediante el uso de productos no tóxicos.o La minimización de los excedentes de la producción agraria.
1.7.3. Políticas tributarias y de fomento
El biodiesel se ha estado produciendo en Europa y Estados Unidos aún cuando el precio del diesel es significativamente inferior al del biodiesel. Diversos instrumentos económicos y legales han sido utilizados en estos países para fomentar su uso. En los próximos párrafos vamos a ver algunos de ellos.
1.7.3.1. En la Unión Europea
La Unión Europea (UE) está fomentando el uso de biocombustibles como una medida para promover la agricultura sostenible, proteger las áreas campestres, crear valor agregado y empleo en zonas rurales, incrementar los ingresos de los agricultores, reducir los costos de las políticas de apoyo al sector rural y diversificar sus fuentes de energía. La reducción de emisiones de gases de efecto invernadero es sólo una meta secundaria, ya que la eficiencia energética neta de los cultivos de biocombustibles producidos en Europa es baja, y por lo tanto la industria de biocombustibles tiene mucho mayores costos de reducción de emisiones de carbono que otros campos del uso energético (como las mejoras en eficiencia energética o el uso de la energía eólica).
Los combustibles para el transporte representan cerca de un cuarto de las emisiones de efecto invernadero de la UE, y la demanda por diesel y petróleo sigue creciendo. La Directiva sobre Biocombustibles actual (2003) de la UE estableció como meta voluntaria que el 2% de la energía para el transporte provenga de fuentes renovables, incluyendo biodiesel y bioetanol, subiendo a 5,75% a partir del 2010 y 20% en 2020. Una ayuda especial para cultivos energéticos fue introducida durante la reforma de la Política Agraria Comunitaria del 2003. Esta ayuda paga un extra de 45 euros por hectárea de cultivo, con un límite máximo presupuestado de 1,5 millones de hectáreas. Sin embargo, de acuerdo con cálculos, los biocombustibles producidos localmente en Europa no serían viables sin subsidios de algún tipo, a menos que los precios del petróleo sean consistentemente superiores a los US$ 80 por barril.
Dado que estos precios aún no se alcanzan, la industria de los biocombustibles en Europa es aún fuertemente dependiente del apoyo político. 11 países miembros han implementado exenciones tributarias, 9 aplican incentivos para la investigación y desarrollo, 5 tienen requerimientos obligatorios de mezcla y 2 utilizan subsidios a la inversión, todo esto para impulsar el mercado del biodiesel:
En Francia e Italia las mezclas de biodiesel están exentas de impuestos dentro de una cuota.
Figura 1.27. Producción mundial de Biodiesel (1999-2005). Como puede observarse en los últimos años se ha incrementado la producción del biocombustible
En Alemania hasta el 2006 no se admitían mezclas y el biodiesel puro no era considerado un combustible, y por lo tanto estaba libre del impuesto a los combustibles. A partir del 1 de agosto del 2006, la nueva Ley de Impuestos a la Energía, que sustituye a la antigua Ley de Impuestos al Petróleo, considera un impuesto al biodiesel que crecerá poco a poco hasta igualarse con el diesel en el 2012. Igualmente el aceite vegetal usado directamente como combustible empezará a pagar impuestos desde el 2008, y se igualará con el diesel en el 2012. Solamente los biocombustibles usados en la agricultura y silvicultura seguirán exentos de impuestos, así como los biocombustibles obtenidos de la biomasa sólida. Asimismo, se han fijado niveles de mezcla obligatorios para el biodiesel en el diesel.
Noruega tiene un sistema similar al alemán antes del 2006, pero sus niveles de producción son aún mínimos.
En el Reino Unido hay una reducción de impuestos en el biodiesel de 20 peniques por litro desde julio del 2002, lo cual ha promovido las inversiones en este sector, pero sin embargo el consumo de este biocombustible es aún limitado comparado con otros países europeos.
Muchos otros países de la Unión Europea aún no tienen sistemas de reducción de impuestos (España, Portugal, Grecia, Eslovaquia, Polonia, Hungría), pero están interesados en ampliar su capacidad de producción de biodiesel.
Al igual que Alemania, varios otros países de la Unión Europea están considerando reemplazar las exenciones tributarias por sistemas de mezclas obligatorias de combustibles. Sin embargo, este enfoque estaría abriendo las puertas para que las compañías de combustibles sean libres de importar biocombustibles de productores baratos alrededor del mundo, como Brasil. Esto afectaría el programa europeo de producción de biocombustibles y sus ventajas socioeconómicas para la región, además de posiblemente afectar la producción alimentaria y/o los ecosistemas naturales (principalmente bosques) de países tropicales.
1.7.3.2. En los Estados Unidos
En los Estados Unidos, el biodiesel no está exento de los impuestos federales a los combustibles, y tampoco de la mayoría de impuestos estatales o locales. Esto significa que el biodiesel y las mezclas de biodiesel son vendidos con las mismas tasas de impuestos que el diesel convencional. Incluso las personas que producen biodiesel para su autoconsumo en vehículos que circulan por vías públicas están obligadas de remitir ellas mismas los impuestos federales, estatales y locales sobre el combustible que utilizan (incluyendo el biodiesel) a las autoridades competentes.
Solamente algunos Estados ya han aprobado leyes que reducen el impuesto al combustible para el biodiesel o proveen otros incentivos. Otros incentivos que el gobierno federal ofrece para el biodiesel son programas de financiamiento y donaciones, especialmente para el desarrollo y fabricación de vehículos adaptados a combustibles alternativos; para flotas escolares y flotas de tránsito que cambian a este tipo de vehículos; para productores agropecuarios, puertos, contratistas de construcción que invierten en equipamiento que utiliza combustibles más limpios; etc. También, desde el 2005, se ofrecen créditos de impuestos a productores y proveedores de biodiesel. Hay un Programa de Ciudades Limpias que promueve y difunde leyes e incentivos locales y estatales para los combustibles alternativos. La Ley de Política Energética de 1992 (EPAct, por sus siglas en inglés), aprobada con la finalidad de reducir la dependencia de los Estados Unidos sobre petróleo importado, establece que ciertas flotas de vehículos (reguladas estatalmente) deben adquirir vehículos que utilicen combustibles alternativos no derivados del petróleo. Mediante el uso de estos vehículos, las flotas adquieren créditos, con los cuales satisfacen la cuota impuesta sobre ellas por la EPAct. Desde el 2001, estas flotas también han sido autorizadas a cumplir hasta la mitad de los requerimientos de la EPAct mediante la compra y uso de biodiesel en mezclas de al menos 20%.
1.7.3.3. En Brasil
El Brasil tiene una larga experiencia en producción de etanol a partir de caña de azúcar para su uso como combustible, incluyendo el desarrollo de motores adaptados para el uso de etanol puro. En el campo del biodiesel, en el 2004 fue lanzado el Programa Nacional de Producción y Uso del Biodiesel, que busca impulsar a este combustible como una opción para el desarrollo del campo en las zonas más pobres del país. Este programa consta de un marco regulatorio y de metas físicas para el uso de biodiesel, y de una planificación de cultivos oleaginosos en todo el país.
Así, en el 2004 fue autorizada la mezcla de 2% de biodiesel en el diesel convencional, y, según la Ley del Biodiesel (Ley 11.097/05), a partir del 2008 este porcentaje de mezcla será obligatorio. Asimismo, a partir del 2013, la mezcla de 5% de biodiesel en el diesel (B5) será obligatoria. La reglamentación
también fomenta el uso de biodiesel proveniente de la agricultura familiar, especialmente de la zona semiárida del país (la más pobre), mediante un sistema diferenciado de impuestos federales, determinados en la Ley 11.116/2005 y el Decreto No. 5.297. Sin embargo, críticos señalan que este sistema no beneficiará a los pobres, pues estas exenciones tributarias son otorgadas a los productores de biodiesel – es decir, a los industriales que transforman el aceite en el combustible – en lugar de directamente a los agricultores. Así, el beneficio será obtenido por los transformadores, en lugar de los agricultores pequeños y pobres. Además, las fuerzas del mercado terminarían beneficiando a los grandes empresarios agrícolas que compran tierras para instalar agricultura en gran escala (debido a temas de acceso a créditos, mejores posibilidades de negociar con los transformadores del biodiesel, el bajo costo de los terrenos en la zona semiárida, la poca capacidad de negociación de los actuales dueños de la tierra), lo cual llevaría a un nuevo éxodo rural, aumentos de los trabajos temporales y formación de poblaciones marginales en áreas urbanas, como sucedió en la época en que los cultivos de etanol se promovieron. Con el programa de etanol, en muchos casos la frontera agrícola fue desplazada, lo cual creó costos adicionales de transporte para los alimentos, que se tradujeron en costos sociales: mayor precio de los alimentos, menor seguridad alimentaria para los más pobres. Estos temas deberán ser evitados en el actual programa de biodiesel.
1.7.4. ¿A cuánto?
En la figura 1.28., se compara una serie de estimaciones de los rangos de costos para la producción de biodiesel en Europa, Estados Unidos, Argentina y Perú. Tal como se puede apreciar, el costo del biodiesel varía significativamente dependiendo de la materia prima utilizada y el lugar de producción, y su competitividad dependerá del precio del crudo de petróleo, que determinará el precio del diesel. Según estimaciones del Worldwatch Institute (2006), el biodiesel es competitivo en escenarios con precios del petróleo superiores a los US$ 50 por barril, pero según Henniges y Zeddies (2006), el biodiesel producido en Europa sólo sería competitivo con un precio del petróleo superior a los US$ 80 por barril.
Los principales factores que influyen en la rentabilidad del biodiesel son:
El factor más importante es el precio mismo del biodiesel, el cual estará en relación directa con el precio del diesel, su competidor directo.
El segundo factor es el rendimiento en la producción del biodiesel, es decir la eficiencia del proceso de transformación del aceite en biodiesel.
El tercer factor, también muy importante, es el precio de los aceites, materia prima para producir el biocombustible.
Menor importancia tienen el precio de la glicerina subproducto del proceso; los costos de inversión en la planta de producción; el precio del metanol, insumo del proceso; el costo de operación (mano de obra); el costo del catalizador, otro insumo menor; y el costo de la energía requerida para el proceso de transformación.
Finalmente, como se puede observar en la figura 1.29., en los últimos diez años la tendencia es al igualamiento de los precios del diesel y de los aceites vegetales y grasas animales (las grasas usadas – «grasa amarilla» tienen un precio aún más bajo), lo cual está permitiendo una mayor rentabilidad del biodiesel con una menor dependencia de subsidios u otras medidas de promoción.
Figura 1.28. Rangos de costos para la producción de Diesel y Biodiesel. El costo del biodiesel varía significativamente dependiendo de la materia prima utilizada y el lugar de producción, y su competitividad dependerá del precio del crudo de petróleo, que determinará el precio del diesel.
Figura 1.29. Evolución de los precios del aceite vegetal, grasa animal y diesel (1994-2005). En los últimos diez años la tendencia es al igualamiento de los precios del diesel y de los aceites vegetales y grasas animales.