Producción de biodiésel
Producción de biodiesel es el proceso de producción del biocombustible, biodiesel, mediante las reacciones químicas de transesterificación y esterificación. Se trata de hacer reaccionar grasas y aceites vegetales o animales con alcoholes de cadena corta (normalmente metanol o etanol). Los alcoholes utilizados deben ser de bajo peso molecular. El etanol es el más utilizado por su bajo costo, sin embargo, utilizando metanol se pueden alcanzar mayores conversiones en biodiesel. Aunque la reacción de transesterificación puede ser catalizada por ácidos o bases, la reacción catalizada por bases es más común. Esta vía tiene menores tiempos de reacción y coste de catalizador que la catálisis ácida. Sin embargo, la catálisis alcalina tiene la desventaja de una alta sensibilidad tanto al agua como a los ácidos grasos libres presentes en los aceites. El 10 de agosto es el día internacional del biodiesel
Pasos del proceso
Los principales pasos necesarios para sintetizar biodiesel son los siguientes:
Pretratamiento de la materia prima
Las materias primas comunes utilizadas en la producción de biodiesel incluyen grasa amarilla (aceite vegetal reciclado), grasa "virgen" aceite vegetal y sebo. El aceite reciclado se procesa para eliminar las impurezas resultantes de la cocción, el almacenamiento y la manipulación, como la suciedad, los alimentos carbonizados y el agua. Los aceites vírgenes se refinan, pero no al nivel de calidad alimentaria. El desgomado para eliminar fosfolípidos y otras materias vegetales es común, aunque los procesos de refinamiento varían. El agua se elimina porque su presencia durante la transesterificación catalizada por bases da como resultado la saponificación (hidrólisis) de los triglicéridos, produciendo jabón en lugar de biodiesel.
Luego se analiza una muestra de la materia prima limpia mediante titulación frente a una solución base estandarizada, para determinar la concentración de ácidos grasos libres presentes en la muestra de aceite vegetal. Luego, los ácidos se eliminan (normalmente mediante neutralización) o se esterifican para producir biodiesel (o glicéridos).
Reacciones
La transesterificación catalizada por bases hace reaccionar lípidos (grasas y aceites) con alcohol (normalmente metanol o etanol) para producir biodiesel y un coproducto impuro, el glicerol. Si se usa aceite como materia prima o tiene un alto contenido de ácido, se puede usar la esterificación catalizada por ácido para hacer reaccionar ácidos grasos con alcohol para producir biodiesel. Otros métodos, como los reactores de lecho fijo, los reactores supercríticos y los reactores ultrasónicos, renuncian o disminuyen el uso de reacciones químicas que reducen la calidad de la sustancia en la química.
Purificación del producto
Los productos de la reacción incluyen no solo biodiesel, sino también los subproductos jabón, glicerol, exceso de alcohol y trazas de agua. Todos estos subproductos deben eliminarse para cumplir con los estándares, pero el orden de eliminación depende del proceso.
La densidad del glicerol es mayor que la del biodiesel y esta diferencia de propiedades se aprovecha para separar la mayor parte del coproducto de glicerol. El metanol residual normalmente se recupera mediante destilación y se reutiliza. Los jabones se pueden eliminar o convertir en ácidos. También se elimina el agua residual del combustible.
Reacciones
Transesterificación
Las grasas y aceites animales y vegetales están compuestos de triglicéridos, que son ésteres formados por las reacciones de tres ácidos grasos libres y el alcohol trihídrico, el glicerol. En el proceso de transesterificación, el alcohol agregado (comúnmente, metanol o etanol) se desprotona con una base para convertirlo en un nucleófilo más fuerte. Como se puede observar, la reacción no tiene otros aportes que los triglicéridos y el alcohol. En condiciones normales, esta reacción se desarrollará muy lentamente o no se producirá en absoluto, por lo que se utiliza calor y catalizadores (ácidos y/o básicos) para acelerar la reacción. Es importante señalar que el ácido o la base no son consumidos por la reacción de transesterificación, por lo que no son reactivos, sino catalizadores. Los catalizadores comunes para la transesterificación incluyen hidróxido de sodio, hidróxido de potasio y metóxido de sodio.
Casi todo el biodiesel se produce a partir de aceites vegetales vírgenes utilizando la técnica catalizada por base, ya que es el proceso más económico para tratar aceites vegetales vírgenes, ya que requiere solo temperaturas y presiones bajas y produce un rendimiento de conversión superior al 98 % (siempre que el aceite inicial sea bajo en humedad y ácidos grasos libres). Sin embargo, el biodiesel producido a partir de otras fuentes o mediante otros métodos puede requerir catálisis ácida, que es mucho más lenta. Dado que es el método predominante para la producción a escala comercial, solo se describirá el proceso de transesterificación catalizado por bases.
Los triglicéridos (1) se hacen reaccionar con un alcohol como el etanol (2) para dar ésteres etílicos de ácidos grasos (3) y glicerol (4):
- R1R2R3: Grupo Alkyl
El alcohol reacciona con los ácidos grasos para formar el éster monoalquílico (biodiesel) y glicerol crudo. La reacción entre el biolípido (grasa o aceite) y el alcohol es reversible por lo que se debe agregar un exceso de alcohol para asegurar una conversión completa.
Mecanismo de transesterificación catalizado por bases
La reacción de transesterificación está catalizada por bases. Cualquier base fuerte capaz de desprotonar el alcohol funcionará (por ejemplo, NaOH, KOH, metóxido de sodio, etc.), pero los hidróxidos de sodio y potasio a menudo se eligen por su costo. La presencia de agua provoca una hidrólisis básica indeseable, por lo que la reacción debe mantenerse seca.
En el mecanismo de transesterificación, el carbono carbonílico del éster de partida (RCOOR1) sufre un ataque nucleofílico por el alcóxido entrante (R2O-) para dar un intermedio tetraédrico, que vuelve al material de partida o procede al producto transesterificado (RCOOR2). Las diversas especies existen en equilibrio y la distribución del producto depende de las energías relativas del reactivo y del producto.
Métodos de producción
Proceso supercrítico
Un método alternativo y sin catalizadores para la transesterificación utiliza metanol supercrítico a altas temperaturas y presiones en un proceso continuo. En el estado supercrítico, el aceite y el metanol están en una sola fase y la reacción se produce de forma espontánea y rápida. El proceso puede tolerar agua en la materia prima, los ácidos grasos libres se convierten en ésteres metílicos en lugar de jabón, por lo que se puede utilizar una amplia variedad de materias primas. También se elimina la etapa de eliminación del catalizador. Se requieren altas temperaturas y presiones, pero los costos energéticos de producción son similares o menores que los de las rutas de producción catalítica.
Reactores discontinuos y en línea de ultra y alto cizallamiento
Los reactores en línea o discontinuos de ultra y alto cizallamiento permiten la producción de biodiesel de forma continua, semicontinua y en modo discontinuo. Esto reduce drásticamente el tiempo de producción y aumenta el volumen de producción.
La reacción tiene lugar en la zona de corte de alta energía del mezclador de corte ultra y alto al reducir el tamaño de las gotas de los líquidos inmiscibles como aceite o grasas y metanol. Por lo tanto, cuanto menor sea el tamaño de la gota, mayor será la superficie y más rápido podrá reaccionar el catalizador.
Método del reactor ultrasónico
En el método del reactor ultrasónico, las ondas ultrasónicas hacen que la mezcla de reacción produzca y colapse burbujas constantemente; esta cavitación proporciona simultáneamente la mezcla y el calentamiento necesarios para llevar a cabo el proceso de transesterificación. El uso de un reactor ultrasónico para la producción de biodiesel puede reducir drásticamente el tiempo de reacción, las temperaturas y el consumo de energía. Utilizando tales reactores, el proceso de transesterificación puede realizarse en línea en lugar de utilizar el lento procesamiento por lotes. Los dispositivos ultrasónicos a escala industrial permiten procesar varios miles de barriles por día.
Método catalizado por lipasa
Grandes investigaciones se han centrado recientemente en el uso de enzimas como catalizadores para la transesterificación. Los investigadores han descubierto que se pueden obtener muy buenos rendimientos a partir de aceites crudos y usados utilizando lipasas. El uso de lipasas hace que la reacción sea menos sensible al alto contenido de ácidos grasos libres, lo cual es un problema en el proceso de biodiesel estándar. Un problema con la reacción de la lipasa es que no se puede utilizar metanol porque inactiva el catalizador de la lipasa después de un lote. Sin embargo, si se usa acetato de metilo en lugar de metanol, la lipasa no se inactiva y puede usarse en varios lotes, lo que hace que el sistema de lipasa sea mucho más rentable.
Ácidos grasos volátiles procedentes de la digestión anaeróbica de flujos residuales
Los lípidos han atraído considerable atención como sustrato para la producción de biodiesel debido a sus propiedades de sostenibilidad, no toxicidad y eficiencia energética. Sin embargo, por razones de coste, se debe centrar la atención en las fuentes de lípidos no comestibles, en particular los microorganismos oleaginosos. Estos microbios tienen la capacidad de asimilar las fuentes de carbono de un medio y convertir el carbono en materiales de almacenamiento de lípidos. Los lípidos acumulados por estas células oleaginosas pueden luego transesterificarse para formar biodiesel.