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DATOS:

Proyecto: Los girasoles, ¿generadores de energía? Tutor/a: Mª Ángeles Setién García Alumnos/as: Manuel Castro Ortega Vicente Chaves Grande Ana Candelas Jiménez Martínez Mª del Mar López Fadrique Elena Morales Valencia Raquel Peces Muñoz Centro: C.C. Ntra. Sra. de las Mercedes Curso: 2005-2006 Localidad y Provincia: Tarancón (Cuenca)

Fotografía del equipo

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El hecho de que nos

encontremos en una zona de Castilla-La Mancha famosa por sus cultivos de girasol y que en nuestra localidad haya una fábrica de aceite, nos ha animado a investigar sobre los girasoles como fuente renovable y no contaminante de energía. Hemos basado nuestro estudio en las técnicas de transformación y explotación de sus semillas y en el uso del aceite extraído en la fabricación de biocarburantes (biodiésel).

El trabajo se ha realizado

mediante consultas en internet, prácticas en el laboratorio y visita a una fábrica de aceite. Hemos obtenido combustible a partir de la energía química almacenada en la biomasa. Hemos constatado que, gracias al biodiésel, no dependeremos tanto de países extranjeros, y que con su utilización podremos cumplir con los tratados internacionales, como el de Kyoto.

The fact that we are in a zone of Castilla-La Mancha famous for sunflowers growing and that in our locality there is an oil factory has decided to us to investigate about sunflowers like a renewable and non polluting source of energy. We have based our study in transformation and explosion techniques of her seeds and in the use of oil extracted in the manufacture of biocarburants (biodiesel).

The work has been made by consultations in Internet, practices in the laboratory and a visit to an oil factory. We have got fuel from the stored chemical energy in the biomass. We have stated that thanks to biodiesel we won’t depend as much on foreign countries and with his use we’ll be able to fulfil with the international treaties like Kyoto.

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El Sol es la fuente de toda energía. Prácticamente toda la energía existente en la tierra proviene del Sol, que es una

esfera incandescente de gases helio, hidrógeno y algo de carbono, con una masa de 330000 veces la de la Tierra. En el Sol se producen reacciones nucleares de fusión en las que el hidrógeno se transforma en helio, radiando unos 1020 Kwh. cada segundo, por lo que en menos de 15 min. recibe la energía que la humanidad necesita en un año. Sin embargo, solo podemos aprovechar una pequeña parte utilizando diversos dispositivos.

Las plantas verdes son los mejores colectores solares. Por medio de la

fotosíntesis, la energía solar se transforma en materia orgánica como madera, tejidos verdes o alimentos vegetales. La transformación de la madera a lo largo del tiempo ha originado el carbón, y de los restos de animales (que consumían plantas) se han originado el gas natural y el petróleo.

Toda la energía que consumimos en forma de alimentos o combustibles proviene

de una fuente original que es el Sol, y de él depende toda la vida en la Tierra.

El flujo de energía comienza a través de la reacción de la fotosíntesis, un conjunto de reacciones que realizan las plantas verdes, que poseen clorofila, las cianofíceas y algunas bacterias, y a través de las cuales se sintetizan glúcidos o hidratos de carbono, por acción de la luz en presencia de la citada clorofila, y otros pigmentos, y con el concurso del dióxido de carbono atmosférico y el agua.

En resumen, la fotosíntesis es la transformación de la energía luminosa en energía química. Su importancia no es de índole menor, pues prácticamente toda la energía consumida por la vida de la biosfera terrestre procede de la fotosíntesis.

La fotosíntesis se realiza en dos fases o etapas: la reacción lumínica, y la reacción en la oscuridad. La reacción lumínica actúa en presencia de luz con independencia de la temperatura reinante, siempre que ésta no sobrepase determinados límites. Por su parte, la reacción en la oscuridad tiene lugar con independencia de la luz, pero no de la temperatura, aunque ésta última debe mantenerse igualmente dentro de unos límites para que sea efectiva.

Se inicia la fotosíntesis con la absorción de fotones (energía luminosa) en los pigmentos activos. Éstos trasladan a las clorofilas la energía que se suma a la absorbida por las mismas. Aquí la clorofila realiza su labor más importante y esencial en todo el proceso, capturando la energía de las diferentes longitudes de onda, principalmente del espectro rojo y violeta, que corresponden a las clorofilas de tipo A. Estas reacciones ocurren en los cloroplastos que se encuentran dentro de las células, y donde están contenidas las citadas clorofilas y otra serie de compuestos, todos ellos parte activa en la función clorofílica en mayor o menor medida.

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La reacción en la oscuridad, por su parte, permite que la energía capturada en presencia de luz, y por tanto temporal, siga capturándose permanentemente en forma de glucosa.

En resumen, el balance total o efecto neto de la fotosíntesis queda establecido como glucosa, a través de un gasto energético de luz solar, es decir, el dióxido de carbono más agua proporcionan oxígeno y glucosa.

La historia del girasol comienza en América, cuando los amerindios descubrieron que las semillas de girasol eran muy nutritivas. A raíz del descubrimiento de América, esta planta viajó a Europa y despertó mucha curiosidad, debido a su gran tamaño.

El nombre científico del girasol, Helianthus annuus, proviene del griego Helios, Sol, y Anthos, flor. Es una de las 67 especies del genero Helianthus. Linneo la bautizó con annuus, es decir, anual, porque en su época sólo se conocía esta especie anual de Helianthus.

Actualmente, además de la alimentación, el girasol juega un papel relevante en los cultivos energéticos.

Respecto a su valor nutricional, las pepitas de girasol tienen una gran reputación entre sus consumidores, ya que es fuente de varios nutrientes, tales como Calcio, Hierro, Magnesio, Fósforo, Potasio, Cinc, Cobre, Manganeso, Tiamina, Riboflavina, Niacina, Vitamina A, Vitamina E …, lo que agrega a nuestra alimentación un agradable refuerzo alimenticio. La cantidad de nutrientes que contiene es muy importante para el crecimiento de los niños y para la dieta de los adultos.

Todos estos datos sobre el girasol los hemos obtenido de la fábrica OLCESA.

Los girasoles, como todos los vegetales, contienen energía química almacenada mediante el proceso de fotosíntesis; son, por tanto, una fuente de energía útil, muy interesante por ser renovable y no contaminante.

Queremos hacer un estudio de cómo se extrae esa energía para su utilización en diversos campos; técnicas de transformación y explotación de sus semillas, las pipas, y su posible uso en la fabricación de biocarburantes, concretamente biodiésel.

Hace cien años, Rudolf Diesel diseñó su prototipo de motor y lo hizo funcionar con aceite de cacahuete pero, como el diesel extraído del petróleo resultaba barato y fácil de conseguir, se utilizó éste de forma masiva. A mediados de los 70, la escasez de combustible en los Estados Unidos estimuló el interés en diversificar sus fuentes y con ello el interés en desarrollar biodiésel, carburante extraído de aceites, como una alternativa al fabricado con petróleo. Estos ésteres metílicos o etílicos (biodiésel) se mezclan con el combustible convencional en cualquier proporción, o se utilizan como combustible puro, biodiesel 100%, en cualquier motor diésel.

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“PRODUCCIÓN DE ACEITE DE GIRASOL”

VISITA A LA FÁBRICA OLCESA

Para saber cómo se extrae el aceite de las semillas de girasol en la propia fábrica, hemos realizado una visita a la misma con un recorrido de más de dos horas. Hemos seguido el mismo itinerario de las pipas, desde que llegan a la fábrica, a través de trenes o camiones, hasta que salen convertidas en aceite y otros subproductos útiles para la industria.

Después de tomar notas, los miembros del equipo, contrastando nuestros datos, realizamos un esquema, que resume todo el proceso de transformación y presentamos seguidamente.

Al finalizar el recorrido, el gerente de la misma explicó las fases que seguir para la construcción de una planta de biodiésel y su zona de ubicación, así como unas características generales de dicho producto.

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El biodiésel es, químicamente hablando, un éster de ácidos grasos.

Este combustible se obtiene por “transesterificación”, proceso que combina aceites vegetales, grasa de animales y/o aceites de algas con alcohol, normalmente metanol, en presencia de un catalizador con el fin de formar ésteres de ácidos grasos.

La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza , pues es la planta con mayor rendimiento de aceite por hectárea, o el aceite de girasol, aunque también se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso, la materia prima es muy barata y además se reciclan lo que en otro caso serían residuos.

En la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerol. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.

O

H2C---O---C----R O

HC---O----C----R O

H2C---O---C----R

NaOH + CH3-OH

H2C-OH HC-OH H2C-OH

O + 3 H3C O R

Los productos obtenidos no son puros. La glicerina está mezclada con metanol y

cera. Una vez refinada, puede ser empleada en la industria química (plásticos, pinturas, conservantes), cosmética farmacéutica, explosivos, etc. Para purificar la glicerina, se somete a 65,5 º C de temperatura para que se evapore el metanol.

Por otro lado, el éster obtenido también contiene alcohol que es separado, y su exceso, reciclado. Posteriormente, los ésteres son sometidos a un proceso de purificación que consiste en el lavado con agua, secado al vacío y posterior filtrado.

En el biodiésel también hay jabones. Cuando el metanol se une con los ácidos grasos, se forma agua. El aceite también puede contenerlo. Los jabones se forman porque el ión Na+ del hidróxido de sodio reacciona con los ácidos grasos en presencia

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de agua. Si hay agua en la mezcla durante la reacción, se forman más jabones de lo normal. Para separarlos, se lava el combustible una o varias veces. En el primer lavado, es mejor añadir un poco de vinagre (ácido acético) al agua. Con el ácido acético se consigue que el PH del biodiésel sea casi neutro, porque se une a los restos de Na OH y los neutraliza.

También puede enfriarse el biodiésel para que los restos de jabón y Na OH sedimenten más deprisa.

OBTENCIÓN DE BIODIÉSEL EN EL LABORATORIO

Después de realizado este estudio, y ya que en algunas páginas de Internet se

explica cómo obtener biodiésel a partir de aceites puros o usados para cocinar, vamos a concluir nuestro trabajo con una fase experimental en el laboratorio.

Material: balanza, vaso de precipitados, vidrio de reloj, para medir NaOH, varilla, probeta, embudo de decantación de 250ml.

Reactivos químicos: aceite de girasol, metanol, agua destilada, hidróxido de sodio.

Procedimiento: colocamos 20 ml de metanol en una probeta y pesamos 40g de hidróxido de sodio en el vidrio de reloj. Vertemos el alcohol en el embudo de decantación y añadimos el NaOH; tapamos fuertemente y agitamos durante unos minutos hasta que todo el hidróxido se disuelva. El producto resultante se llama metóxido de sodio y es muy caústico (corrosivo). Medimos 100 ml de aceite de

girasol en una probeta; se abre el embudo de decantación con mucho cuidado y se añade el aceite, se tapa y se agita fuertemente durante 20 minutos aproximadamente. Se deja reposar. Después de doce horas, comenzamos a observar dos fases. Al cabo de dos semanas, consideramos terminado el proceso. En la parte superior queda el biodiésel y en la inferior, más oscura y espesa, se encuentra la glicerina. Ya tenemos el biodiésel, pero nos parece interesante comprobar algunas de sus características comparándolo con el alcohol.

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COMPROBACIÓN DE ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DEL BIODIÉSEL OBTENIDO COMPARÁNDOLO CON EL ALCOHOL

Material: dos mecheros de alcohol, trípodes, rejilla, vasos de precipitados, cronómetro, termómetros, papel milimetrado, probeta, pipeta de 5 ml.

Reactivos: metanol, biodiésel, agua destilada.

Procedimiento: Extraemos todo el biodiésel que podemos mediante una pipeta del embudo de decantación (aproximadamente 50 ml). Ponemos 40 ml del mismo en un mechero y la misma cantidad de alcohol de quemar en el otro. En dos vasos de precipitados, medimos 100 ml de agua destilada en cada uno. Una vez medida la temperatura inicial del agua, encendemos los mecheros y anotamos cada dos minutos la temperatura del agua. Realizamos dos tablas y una gráfica con los valores obtenidos, para poder compararlos.

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En el ámbito industrial y medioambiental

La proporción aproximada entre los reactivos de la reacción es la siguiente: 1,1Kg de metanol por cada 10kg de aceite. Tras la transesterificación , se obtiene, por un lado, biodiésel crudo (éster metílico) y por otro lado glicerina cruda (1,1Kg por cada 10,05Kg de biodiésel producido), aparte de compuestos ácidos grasos libres que pueden ser destilados.

Desde un punto de vista ambiental y económico el biocarburante estudiado presenta una serie de beneficios:

- Tiene elevado punto de fusión-dilatación. - No produce vapores explosivos. - Tiene baja toxicidad en mamíferos, en caso de ingestión, y es biodegradable. - No incrementa los niveles de CO2 en la atmósfera. - Proporciona una fuente de energía reciclable y, por lo tanto, inagotable. - Revitaliza las economías rurales y genera empleo, al favorecer la puesta en

marcha de un nuevo sector en el ámbito agrícola. - Se podrían reducir los excedentes agrícolas que se han venido dando en las

últimas décadas. - Mejora el aprovechamiento de tierras con poco valor, que muchas veces son

abandonadas por poca rentabilidad en cultivos tradicionales. - Su transporte y almacenamiento es más seguro que el de los derivados del

petróleo, ya que posee un punto de ignición más elevado. - El biodiésel puro posee un P.I de 148 º C y el gasoil de 51 º C. - Como combustible reduce el humo de arranque en un 30 %. - Cualquiera de sus mezclas reduce una proporción equivalente a su contenido

en: 15% hidrocarburos. 18% partículas en suspensión. 10% óxido de carbono. 45% dióxido de carbono.

Estos indicadores mejoran si se adiciona un catalizador. Este carburante obtenido de la biomasa tiene además la ventaja de que, para su

uso, no se necesitan modificaciones en el motor, ni en el sistema de encendido, ni en los inyectores de combustible de un motor diésel estándar. Tan sólo se necesita el cambio de algunos manguitos y materiales de revestimiento de piezas que estén en contacto directo con el combustible.

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Con respecto a nuestro trabajo en el laboratorio

Las tablas y gráficas obtenidas en el calentamiento del agua con los distintos carburantes son las siguientes:

ALCOHOL

Tiempo (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Temperatura º C 21 35 48 62 72 81 89 92 95 96 100

BIODIÉSEL

Tiempo (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Temperatura º C 21 34 39 42 45 50 54 56 59 61 62

- Observamos, mediante las curvas de calentamiento que, transcurridos 20 minutos, la temperatura del agua, cuando el calor proviene del mechero con biodiésel, solamente ha llegado a 62 º C, mientras que con el alcohol ha ascendido a 100 º C.

- El aspecto es cristalino, transparente y bastante claro, aunque más aceitoso que el alcohol.

- De 100ml de aceite hemos conseguido extraer con la pipeta unos 50 ml de biodiésel En la industria se obtendría prácticamente la misma cantidad de carburante (100ml) que de aceite utilizado.

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- La llama producida por el biodiésel es muy diferente a la del alcohol, como se observa en la fotografía adjunta. La llama del mechero de alcohol es más pobre y vacilante que la conseguida con el biodiésel.

- En 45 minutos todo el alcohol (40 ml) que teníamos en el mechero, se ha consumido, mientras que del biodiésel quedan 26ml, por tanto la combustión del alcohol es más rápida que la del biodiésel.

Los resultados negativos son:

El biodiésel obtenido no es puro, ya que debería lavarse como se indica en el proceso de obtención industrial y nosotros no lo hemos hecho. También es necesario purificar la glicerina, como se ha indicado antes.

La cantidad obtenida está muy por debajo de la esperada, casi la mitad; esto es debido a que la reacción de transesterificación es reversible, y para obtener mayor cantidad de biodiésel sería necesario ir eliminando glicerina para desplazarla hacia la derecha, cosa que nosotros no hemos hecho.

La forma de extracción, una vez separadas las fases, debería ser mediante una bomba, ya que por la llave del embudo de decantación no puede pasar la glicerina por ser muy espesa. La falta de material adecuado la hemos suplido con imaginación, y hemos empleado una pipeta.

Por lo tanto, al realizar la práctica, no hemos tenido en cuenta el factor tiempo, ya que los productos han permanecido en reposo más de quince días, por las vacaciones de Semana Santa, ni tampoco el rendimiento, ni la pureza, todos ellos factores cruciales tanto en el ámbito de laboratorio como industrial.

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¿Son o no los girasoles generadores de energía?. Este biodiésel obtenido en el laboratorio nos ha servido como combustible. Por

lo tanto, hemos conseguido extraerle al aceite de girasol, como pretendíamos demostrar, una parte de su energía acumulada y transformarla en un tipo de energía diferente, mucho menos contaminante que la obtenida de los combustibles fósiles, como hemos explicado anteriormente.

La mayor parte de los países occidentales dependemos del petróleo, y somos conscientes de los problemas económicos y ambientales que genera su utilización; es, por tanto, imprescindible desarrollar nuevos materiales menos contaminantes.

En este sentido, este compuesto ofrece mejoras sustanciales respecto a sus competidores.

El 16 de febrero de 2005 entró en vigor el protocolo de Kyoto,. Con él los países desarrollados se comprometen a reducir las emisiones de gases del efecto invernadero, principalmente CO2.

Se pretende una disminución de CO2 a la atmósfera, hasta llegar a un 8%, como indica la gráfica.

Las emisiones españolas no han dejado de aumentar y se encuentran por encima del doble de lo permitido. La utilización de una forma masiva y combinada de energías alternativas no contaminantes y renovables, como la biomasa, se hace en estos momentos imprescindible.

Gracias a este trabajo, somos conscientes de la importancia que el biodiésel va a

tener en un futuro próximo en nuestra localidad, y en nuestro país, ya que en España se cultivan oleaginosas en grandes extensiones de terreno.

Hemos comprobado la importancia que tiene la investigación en el progreso de

un país, ya que lo hace menos dependiente de otros, así como las interrelaciones existentes entre la química, sus industrias, la sociedad y el medioambiente.

Queda un amplio campo abierto en el estudio de la utilización y transformación

del glicerol obtenido en el proceso de transesterificación, que una vez refinado se emplea en la industria química, cosmética, farmacéutica, explosivos.., que proporcionará grandes beneficios a la industria.

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Nuestro agradecimiento por su ayuda a:

D. RAFAEL JIMÉNEZ RAMÍREZ. Gerente de OLCESA

D. EMILIO SÁIZ GÓMEZ. Responsable técnico de OLCESA

PROFESORES DEL COLEGIO Ntra. Sra. De las Mercedes:

D. José Mª Sánchez Garzón (Profesor de Lengua y literatura)

D ª Elena Martín González (Profesora de Inglés)

D ª Ana Mª García Lechón (Profesora de Plástica)

http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/doc/ElCuaderno58.doc http://usuarios.lycos.es/biodieseltr/hobies4.htlm www.wikipedia.org MIKE PELLY, Biodiésel de grasas o aceites usados en la cocina. ALEKS KAC, Adaptación a dos etapas del proceso de Mike Pelly MARIO ALBERTO SIORDIA GRAVE Y CUITLÁHUAC PEIRÓ LÓPEZ, Cocinando energéticos, : obtención de biodiésel a partir de aceites. RESPUESTA INDUSTRIAL A LOS CULTIVOS ALIMENTARIOS Y ENERGÉTICOS-OLCESA.

D. EMILIO SÁIZ GÓMEZ. RESPONSABLE TÉCNICO DE OLCESA, Datos sobre la transformación de semillas de oleaginosas en la fábrica. RAFAEL JIMÉNEZ RAMÍREZ, Fases por seguir para la construcción de la planta de biodiésel, zona de ubicación y características generales de dicho combustible.

LIBROS DE TEXTO DE SM. Biosfera, Ecosfera e Interacción de 3º y 4º de ESO.