Obtención de biodiesel por transesterificación de aceites vegetales: nuevos métodos de sínteses

Abstract

El impacto ocasionado en el medio ambiente por el uso de hidrocarburos y combustibles fósiles ha motivado la necesidad de buscar otros tipos de energias sostenibles. El biodiesel representa una de las alternativas más interesantes, al reemplazar parcial o totalmente el diesel de origen mineral. Los aceites vegetales constituyen la materia prima principal en la producción de biodiesel mediante procesos de transesterificación. En este proceso los triglicéridos reaccionan con un alcohol, en la presencia de un catalizador, originando ésteres alquílicos y glicerina. En el presente trabajo de investigación se ha estudiado la obtención de biodiesel mediante transesterificación de aceites vegetales, utilizando metanol como alcohol, en la presencia de diversos catalizadores y utilizando variadas condiciones experimentales. Durante la fase de investigación fueran llevados a cabo los siguientes apartados: - Transesterificación con catalizadores heterogéneos: El objetivo principal de este apartado ha sido la obtención de biodiesel a partir de aceite de colza utilizando metanol como alcohol de transesterificación y potasio impregnado en óxido de calcio como catalizador. Se ha estudiado la influencia de diferentes variables sobre el proceso de transesterificación: la cantidad de catalizador, el % de impregnación, la velocidad de agitación, la temperatura del medio de reacción y la relación molar metanol:aceite. Se ha observado que el óxido de calcio, impregnado con nitrato de potasio, puede ser usado como catalizador en la reacción de transesterificación. En este sentido, se ha constatado que la impregnación del óxido de calcio con nitrato de potasio potencia la basicidad del óxido como catalizador. La conversión en biodiesel alcanzada en las mejores condiciones de reacción ha estado próxima al 82%. Sin embargo no ha sido posible reutilizar el catalizador. - Transesterificación en condiciones sub-críticas: El objetivo principal de este apartado ha sido la obtención de biodiesel a partir de aceite de colza utilizando metanol, en condiciones sub-críticas. Se ha estudiado la influencia de diferentes variables sobre el proceso de transesterificación: la cantidad de catalizador, la temperatura del medio de reacción y la relación molar metanol:aceite. Ha sido posible obtener un alto rendimiento (99,9%) a una presión de reacción relativamente baja. - Transesterificación con co-solventes: El objetivo principal de este apartado ha sido la obtención de biodiesel a partir de la transesterificación de aceite de colza utilizando metanol como alcohol, en presencia de catalizadores, y empleando distintos co-solventes. Se ha estudiado la influencia de diferentes variables sobre el proceso de transesterificación: el tipo y la cantidad de catalizador, la velocidad de agitación, la temperatura del medio de reacción, la relación molar metanol:aceite y la relación molar metanol:co-solvente. La presencia de co-solventes facilita la reacción de transesterificación, habiéndose obtenido una conversión de 97,6%, utilizando éter di-etílico, a una temperatura de 30ºC. - Transesterificación usando un baño de ultrasonido: El objetivo principal de este apartado ha sido estudiar la aplicación de radiación ultrasónica, para la obtención de biodiesel a partir de aceite de ricino, utilizando metanol como alcohol de transesterificación, empleando un baño de ultrasonido. Se ha estudiado la influencia de diferentes variables sobre el proceso de transesterificación: la cantidad de catalizador, la relación molar metanol:aceite, y la frecuencia y potencia del baño de ultrasonido. Estudios iniciales con aceite de colza mostraron que la conversión en biodiesel, usando un baño de ultrasonido, era muy baja. Sin embargo, han sido obtenidas altas conversiones, 93,3%, con aceite de ricino, a temperaturas de reacción relativamente bajas. Se ha verificado que la temperatura de la mezcla de reacción aumentaba, como consecuencia de la radiación de ultrasonido. - Transesterificación usando una sonda de ultrasonido: El objetivo principal de este apartado ha sido estudiar la aplicación de radiación ultrasónica, para la obtención de biodiesel a partir de aceite de colza, utilizando metanol como alcohol de transesterificación, empleando una sonda de ultrasonido. Se ha estudiado la influencia de diferentes variables sobre el proceso de transesterificación: la cantidad de catalizador, la relación molar metanol:aceite, la amplitud de la sonda de ultrasonido. La irradiación ultrasónica facilito la transesterificación del aceite de colza, obteniéndose altas conversiones en biodiesel, en tiempos pequeños de reacción (20 minutos). Se ha verificado igualmente que la temperatura de la mezcla de reacción aumenta, como consecuencia de la radiación de ultrasonido. Se ha llevado a cabo un estudio cinético de la transesterificación usando una sonda de ultrasonido, considerando el proceso global como una única reacción irreversible. Los resultados obtenidos no permiten la selección de la mejor expresión cinética. A fin de determinar la posibilidad de utilizar el biodiesel como combustible en motores de combustión interna, el producto final, en los diferentes procesos, fue caracterizado de acuerdo con los criterios especificados por la Organización Europea de Normalización, en la norma EN 14214. A lo largo de la memoria se exponen los resultados de la caracterización de los aceites, de la optimización de la reacción y de la determinación de las propiedades del biodiesel, para cada proceso estudiado. Se ha desarrollado un estudio económico sencillo, del proceso de producción de biodiesel en condiciones sub-críticas. Se ha verificado que el mayor porcentaje, del costo total de producción de biodiesel, es referente a la materia prima. Se ha iniciado un estudio de la caracterización de las aguas residuales, producidas en la etapa de purificación del biodiesel, para posterior estudio del tratamiento de las mismas y posible reutilización en el proceso de síntesis del biodiesel. Palabras clave: biodiesel; transesterificación; aceites vegetales; catalizadores heterogéneos; condiciones sub-críticas; co-solventes; irradiación ultrasónica.