BIODIESEL

  EL BIODIÉSEL

El biodiésel es un combustible renovable derivado de aceites o grasas de origen vegetal o animal. El prefijo bio hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en contraste con el combustible diésel tradicional derivado del petróleo; mientras que diésel se refiere a su uso en motores de este tipo. Como combustible, el biodiésel puede ser usado en forma pura o mezclado con diésel de petróleo. El National Biodiesel Board (La Asociación de Productores Norteamericanos de Biodiésel) lo define como un combustible compuesto de ésteres mono-alquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de aceites o grasas, vegetales o animales.

Este biocombustible se obtiene mediante un proceso químico llamado transesterificación, en el cual los aceites orgánicos son combinados con un alcohol y alterados químicamente para formar un éster etílico o metílico, el cual recibe finalmente el nombre de biodiésel. Estas moléculas resultantes están compuestas por un ácido graso de cadena larga y un alcohol.

         Antecedentes del Biodiésel

La idea de usar aceites vegetales como combustible para los motores de combustión interna data de 1895, cuando el Dr. Rudolf Diesel desarrollaba su motor en la presentación del motor diésel en la Exposición Mundial de París, en 1900, el Ing. Diesel usaría aceite de maní como combustible, o, mejor dicho, como biocombustible.

Años después Diesel fue muy claro al señalar que «el motor diésel puede funcionar con aceites vegetales, esto podría ayudar considerablemente al desarrollo de la agricultura de los países que lo usen. Así, hacia 1912 afirmaría que «el uso de los aceites vegetales como combustibles para los motores puede parecer insignificante hoy en día, pero con el transcurso del tiempo puede ser tan importante como los derivados del petróleo y el carbón en la actualidad» (Shay, 1993).

         Aceites y Grasas

                                

                 Oleaginosos tropicales

En el cuadro Nº 01 se muestran las diferentes variedades de plantas en la región para la producción de aceites. Los rendimientos en la producción de aceite para biodiésel para cada uno de los insumos oleaginosos evaluados.

Cuadro Nº 01. Oleaginosas tropicales

Nombre común	Nombre científico	Parte oleaginosa	Rendimiento estimado de aceite en plantaciones (kg/ha/año)	Contenido de aceite del fruto o semilla (%)
Aguaje	Mauritia flexuosa	Pulpa	2.400	21,1
Almendro	Caryocar villosum	Pulpa y semilla	270
Almendro colorado	Caryocar glabrumm	Semilla		37
Babasu	Orbignia phalerata	Semilla	90 – 150	72
Bacuri	Platonia insignis	Semilla		46
Castaña	Bertholletia excelsa	Semilla	1575	69,3
Chopé	Gustavia longifolia	Pulpa		30
Coco	Cocos nucifera	Endocarpio	610 – 732	66
Copoasu	Theobroma grandiflorum	Semilla	482 – 808
Hamaca huayo	Couepia dolicopoda	Semilla	70 – 80
Huasaí	Euterpe precatoria	Pulpa y semilla
Inchi	Caryodendron orinocense			41 – 59
Marañón	Anacardium occidentale	Nuez		46,3
Olla de mono	Lecytis pisonis	Almendra
Pijuayo	Bactris gasipaes	Pulpa y semilla	2.000	23
Poloponta	Elaeis oleifera	Pulpa y semilla	1.800	16,2
Sacha inchi	Plukenetia volubilis	Almendra	51,4
Sacha mangua	Grias neuberthii	Pulpa	165
Sinamillo	Oenocarpus mapora	Pulpa
Totai	Acrocomia totai	Pulpa y semilla	12 – 15 (pulpa)	60 (almendra)
Tucuma	Astrocaryum vulgare	Pulpa y semilla		43,7
Umari	Poraqueiba sericea	Pulpa	530	21,2
Ungurahui	Oenocarpus bataua	Pulpa	240 – 525	19 (mesocarpo) 14,5 (epicarpo)
Uxi	Dickesia verrucosa	Pulpa	20,2

Fuentes: Coello et al, 2006; Tratado de Cooperación Amazónica, 1997; Villachica, 1996.

      Composición de los Aceites y Grasas

Los aceites y grasas vegetales o animales están compuestos principalmente por moléculas denominadas triglicéridos (o triacilgliceroles), 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 (Lawson, 1994).

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 (Mortimer, 1983).

                                                       

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% (Lawson, 1994).

       Propiedades Fisicoquímicas de las Grasas y Aceites

                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). 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 (Arango, 2002). Puede expresarse también como porcentaje de ácido oleico, palmítico o láurico, según el ácido graso que predomine en la grasa en cuestión.

Este índice es particularmente importante para el proceso de producción. Los aceites y grasas pueden ser caracterizados según sus propiedades físicas (densidad, viscosidad, punto de fusión, índice de refracción) o químicas (índice de acidez, índice de yodo, índice de peróxido, índice de saponificación, índice de éster).

            Viscosidad

La viscosidad es una medida de la fricción interna entre moléculas, o de la resistencia a fluir de los líquidos. 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 (Lawson, 1994).

            Índices 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 sea su composición. Se forman en los puntos de insaturación de las cadenas de carbonos de los ácidos grasos, tal como se puede apreciar en la figura Nº 07.

Figura Nº 07. Reacción de oxidación de un acido graso

Dan lugar a otros productos como per ácidos, aldehídos, cetonas, alcoholes, etc. 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) (Lawson, 1994). La oxidación se acelera, durante la permanencia del biodiésel en el motor.

             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 instauraciones 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 (Arango, 2002). A mayor grado de instauración (mayor índice de yodo) del aceite se obtendrá un biodiésel con menor índice de cetano, propiedad importante para la calidad de la combustión en el motor (Mittelbach, 1996), los aceites insaturados tienden a oxidarse más fácilmente debido a la escasez de átomos de hidrógeno en su composición.

                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 biodiésel, 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 biodiésel, 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 es altamente recomendable para la producción de biodiésel (Matthys, 2003).

  Insolubles y agua

El contenido de insolubles del aceite debe mantenerse lo más bajo posible (menor a un 0,8% para que el biodiésel cumpla con las especificaciones europeas). Estas substancias no participan en el proceso de transesterificación, pero permanecen en el éster (el biodiésel), y representan impurezas en el combustible (Matthys, 2003).

En el cuadro Nº 02 se puede apreciar las características fisicoquímicas de algunos aceites. 

Cuadro Nº 02  Principales características fisicoquímicas  de algunos aceites y grasas

Aceite o grasa	Principales ácidos grasos presentes	Viscosidad a 38ºC mm2/s	Índice de yodo (g/100g)	Índice de saponificación (mg KOH/g)	Materia insaponificable (%)
Soya	53% linoleico 23% oleico 12% palmítico 8% linolénico	32,6	125 – 140	190 – 194	1,00
Semilla de algodón	53% linoleico 24% palmítico 18% oleico	33,5	110	192 – 200	1,50
Girasol	59% linoleico 34% oleico	37,1	133	189 – 194	1,30
Palma	48% palmítico 38% oleico 9% linoleico		50	196 – 206	0,30
Coco	49% láurico 18% mirístico 8% caprílico 8% palmítico		10	252 – 260	0,40
Canola	62% oleico 22% linoleico 10% linolénico	37	100	170 – 180	1,00
Manteca de cerdo	45% oleico 25% palmítico 13% esteárico 10% linoleico
Sebo de vacuno	39% oleico 26% palmítico 22% esteárico	51,2	35 – 48
Ricino	88% ricinoleico 8% oleico	297	85	177 – 187	0,50

      

FUENTE: Dorsa (2004); Lawson (1994); Goering et, al (1982)

No es posible llegar a una generalización tal que se pueda indicar un aceite que sea el ideal para la producción de biodiésel. Hay muchos factores importantes, no solo de carácter técnico, sino también económico, social y ambiental.

      Transesterificación Alcalina

La transesterificación alcalina es el proceso más simple y más utilizado para fabricar biodiésel. Sin embargo, requiere de un aceite con bajo contenido de ácidos grasos libres, agua y otras impurezas, o de procesos adicionales de pre tratamiento de la materia prima para asegurar esta calidad. Además, requiere de pasos posteriores de postratamiento del biodiésel para reducir su contenido de impurezas procedentes del proceso, principalmente restos de catalizador, y de postratamiento de la glicerina para purificarla parcialmente e incrementar su valor de mercado.

         Parámetros de calidad para la elaboración del biodiesel

Las propiedades del biodiesel comerciales dependen tanto del proceso de fabricación como de la naturaleza de los lípidos a partir de los cuales se ha producido. El biodiesel en función de la naturaleza de la fuente, animal o vegetal, proporcionará unas características particulares al nuevo combustible:

                                                 

·      Punto de Inflamación. Este parámetro generalmente se determina para satisfacer temas legales de seguridad. También es útil para conocer si existe una cantidad excesiva de alcohol no reaccionado en el proceso de obtención en el caso del biodiesel.

·      Viscosidad. Debe poseer una viscosidad mínima para evitar pérdidas de potencia debidas a las fugas en la bomba de inyección y en el inyector. Además, le da características de lubricidad al sistema de combustible. Por la otra parte también se limita la viscosidad máxima por consideraciones de diseño y tamaño de los motores, y en las características del sistema de inyección.

·      Densidad. Da idea del contenido en energía del combustible. Mayores densidades indican mayor energía térmica y una economía de combustible mejor.

·      Cenizas Sulfatadas. Los materiales que forman cenizas en un Biodiesel se pueden presentar de tres formas: Sólidos abrasivos,  Jabones metálicos solubles, Catalizadores no eliminados en el proceso. En el caso del diesel, normalmente solo aparecen los primeros o gomas solubles. Tanto los sólidos abrasivos como los catalizadores no eliminados favorecen al desgaste del inyector, bomba de inyección, pistón y anillos, además de contribuir a la formación de depósitos en el motor.

·      Azufre. Contribuye al desgaste del motor y a la aparición de depósitos que varían considerablemente en importancia dependiendo en gran medida de las condiciones de funcionamiento del motor. También pueden afectar al funcionamiento del sistema de control de emisiones y a límites medioambientales.

·      Corrosión a la Lámina de Cobre. Mediante la comprobación del desgaste de una lámina de cobre se puede observar si existen en el sistema compuestos corrosivos y/o presencia de ácidos que puedan atacar al cobre o a aleaciones de cobre como el bronce que forman parte del sistema de combustible.

·      Número de Cetano. Es una medida de la calidad de ignición de un combustible e influye en las emisiones de humo y en la calidad de la combustión. El número de cetano depende del diseño y tamaño del motor, de las variaciones de la carga y velocidad y condiciones de arranque y atmosféricas. Un bajo NC conlleva a ruidos en el motor, prolongando el retraso de la ignición y aumentando el peso molecular de las emisiones.

·      Índice de Yodo. Indica la tendencia a la oxidación de un biodiesel porque da idea del grado de instauraciones que poseen sus esteres.

·      Punto de Nube. Indica la temperatura a la cual empiezan a precipitar ciertos compuestos del combustible (como parafinas). Es una medida muy importante a tener en cuenta cuando se usa el motor en climas fríos. El valor debe ser definido por el usuario, ya que depende del clima en el cual el motor se utilice.

·      Agua y Sedimentos. El Agua se puede formar por condensación en el tanque de almacenamiento. La presencia de agua y sólidos de desgaste normalmente pueden colmatar filtros y darle el combustible unas propiedades de lubricidad menores. El biodiesel puede absorber hasta 40 veces más agua que el diesel. Los Sedimentos pueden ser debidos principalmente a un mal proceso de purificación del combustible o contaminación. Afectan principalmente a la temperatura de cristalización y al Número de Cetano.

·      Residuo Carbonoso. Da una idea de la tendencia del combustible a formar depósitos carbonosos. Se aproxima a la tendencia del motor a formar depósitos. Normalmente para el Diesel se suele utilizar el 10% que queda en la destilación, pero debido a que el Biodiesel tiene un perfil muy diferente de destilación (en un pequeño rango de temperaturas se destila todo la muestra ya que posee una distribución de moléculas diferentes muy pequeña), se debe utilizar el 100% de la muestra. También se puede obtener información, a parte de la contaminación (glicerina libre y total), de la calidad de la purificación del biodiesel cuando se fabrica.

·      Destilación. Indica la temperatura máxima a la que se debe evaporar el combustible a unas condiciones de presión y temperaturas dadas.

·      Número Ácido, TAN. Determina el nivel de ácidos grasos, ó generados por degradación, que se presentan en el combustible. Si posee un alto grado de acidez se formaran una cantidad importante de depósitos y también se producirá mayor corrosión en el sistema.

·      Contenido en metales (Na, K, P,...) y Ácidos grasos libres. Contribuyen al aumento del residuo carbonoso de manera notable y también a las cenizas, generando residuos inorgánicos parcialmente quemados. Además, también se pueden formar jabones que colmatan los filtros del combustible.

·      Lubricidad. Es la cualidad de un líquido para proporcionar una lubricación adecuada para prevenir el desgaste entre dos superficies en movimiento. Los combustibles con un contenido bajo en azufre o baja viscosidad tienden a tener una lubricidad menor.

·      Glicerina Libre. Determina el nivel de glicerina no enlazada presente en el Biodiesel. Su presencia normalmente se debe a una mala purificación del biodiesel. Niveles altos pueden causar problemas de depósitos en el inyector, así como colmatación de filtros. Pueden dañar los sistemas de inyección debido a los compuestos inorgánicos y jabones que se acumulan en la glicerina. Si la cantidad de glicerina es superior al 0.5% esta puede afectar al contenido del residuo carbonoso.

·      Glicerina Total. Determina el nivel de glicerina enlazada y no enlazada presente en el combustible. Niveles bajos significan que se he producido un alto grado de conversión en el aceite o grasa, y se han formado gran cantidad de mono esteres. Niveles altos de mono, di y triglicéridos pueden provocar la colmatación de los filtros, depósitos carbonosos en los inyectores y pueden afectar adversamente a las propiedades a bajas temperaturas. Esto es debido a que al poseer temperaturas de ebullición superiores provocan que la combustión sea bastante peor. Además, aumentan la viscosidad del biodiesel.

·      Contenido en alcohol. Puede provocar problemas de lubricidad y en el Número de Cetano. Desde el punto de vista de la seguridad el Punto de Inflamación disminuye. Por otro lado, junto a la presencia de alcohol puede venir asociada glicerina disuelta en este con los consiguientes problemas antes comentados.

·      Estabilidad a la Oxidación. Se determina la vida de almacenamiento y la degradación potencial de un combustible durante su almacenamiento. La oxidación de un combustible suele venir acompañada de la formación de gomas solubles e insolubles que pueden actuar de la siguiente manera:

-    Gomas insolubles. Problemas de colmatación de filtros.

-    Gomas solubles. Formación de depósitos en la punta del inyector y fallos en las  boquillas de los inyectores. Además, dicha estabilidad a la oxidación se puede ver alterada por los diversos contaminantes que pueden estar presentes en el biodiesel. (Westfalia Separator Food Tec, 2006).