La producción de biodiesel es el proceso de producción del biocombustible , biodiesel , a través de reacciones químicas de transesterificación y esterificación . Esto implica que las grasas y aceites vegetales o animales reaccionen 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, se pueden lograr mayores conversiones en biodiesel usando metanol. Aunque la reacción de transesterificación puede ser catalizada por ácidos o bases, la reacción catalizada por bases es más común. Este camino tiene tiempos de reacción y costo de catalizador más bajos que los de 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. [1]
Los pasos del proceso
Los principales pasos necesarios para sintetizar biodiésel son los siguientes:
Pretratamiento de materia prima
La materia prima común utilizada en la producción de biodiesel incluye grasa amarilla (aceite vegetal reciclado), aceite vegetal "virgen" y sebo . El aceite reciclado se procesa para eliminar las impurezas de la cocción, el almacenamiento y la manipulación, como la suciedad, los alimentos carbonizados y el agua. Los aceites vírgenes se refinan, pero no a un nivel de grado alimenticio. El desgomado para eliminar los fosfolípidos y otras materias vegetales es común, aunque los procesos de refinamiento varían. [se necesita una mejor fuente ] [2] El agua se elimina porque su presencia durante la transesterificación catalizada por una base da como resultado la saponificación (hidrólisis) de los triglicéridos, produciendo jabón en lugar de biodiesel. [ cita requerida ]
A continuación, se analiza una muestra de la materia prima limpia mediante valoración frente a una solución de base estandarizada, para determinar la concentración de ácidos grasos libres presentes en la muestra de aceite vegetal. [ cita requerida ] Los ácidos se eliminan (generalmente mediante neutralización) o se esterifican para producir biodiesel [ cita requerida ] (o glicéridos [ cita requerida ] ).
Reacciones
La transesterificación catalizada por bases hace reaccionar lípidos (grasas y aceites) con alcohol (típicamente metanol o etanol ) para producir biodiesel y un coproducto impuro, glicerol . Si se usa aceite de 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 biodiésel. Otros métodos, como los reactores de lecho fijo, [3] reactores supercríticos y reactores ultrasónicos, renuncian o disminuyen el uso de catalizadores químicos.
Purificación de productos
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 biodiésel, y esta diferencia de propiedades se aprovecha para separar la mayor parte del coproducto de glicerol. El metanol residual se recupera típicamente por destilación y se reutiliza. Los jabones se pueden eliminar o convertir en ácidos. El agua residual también se elimina del combustible.
Reacciones
Transesterificación
Las grasas y aceites animales y vegetales están compuestos por 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 puede verse, la reacción no tiene otras entradas que el triglicérido y el alcohol. En condiciones normales, esta reacción se desarrollará muy lentamente o no procederá en absoluto, por lo que se utilizan calor, así como catalizadores ( ácido y / o base ) para acelerar la reacción . Es importante señalar que el ácido o la base no son consumidos por la reacción de transesterificación, por lo tanto, 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 biodiésel se produce a partir de aceites vegetales vírgenes utilizando la técnica catalizada por bases, ya que es el proceso más económico para tratar aceites vegetales vírgenes, ya que requiere solo bajas temperaturas y presiones y produce un rendimiento de conversión superior al 98% (siempre que el aceite de partida tenga poca humedad y ácidos grasos libres). Sin embargo, el biodiésel producido a partir de otras fuentes o mediante otros métodos puede requerir catálisis ácida, que es mucho más lenta. [4] Dado que es el método predominante para la producción a escala comercial, solo se describirá el proceso de transesterificación catalizada por una base.
Los triglicéridos ( 1 ) se hacen reaccionar con un alcohol como el etanol ( 2 ) para dar ésteres etílicos de ácidos grasos ( 3 ) y glicerol ( 4 ):
- R 1 , R 2 , R 3 : grupo alquilo
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 una reacción reversible, por lo que se debe agregar un exceso de alcohol para asegurar la conversión completa.
Mecanismo de transesterificación catalizada por bases
La reacción de transesterificación está catalizada por una base. 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 carbonilo del éster de partida (RCOOR 1 ) sufre un ataque nucleofílico por el alcóxido entrante (R 2 O - ) para dar un intermedio tetraédrico, que revierte al material de partida o procede al producto transesterificado ( RCOOR 2 ). Las diversas especies existen en equilibrio y la distribución del producto depende de las energías relativas del reactivo y el producto.
Métodos de producción
Proceso supercrítico
Un método alternativo sin catalizador 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. [5] El proceso puede tolerar el 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. [6] Se requieren altas temperaturas y presiones, pero los costos de producción de energía son similares o menores que las rutas de producción catalítica. [7]
Reactores en línea y discontinuos de ultra y alto cizallamiento
Los reactores en línea o por lotes de ultra y alto cizallamiento permiten la producción de biodiésel de forma continua, semicontinua y por lotes. Esto reduce drásticamente el tiempo de producción y aumenta el volumen de producción. [ cita requerida ]
La reacción tiene lugar en la zona de cizallamiento de alta energía del mezclador de cizallamiento ultra y alto reduciendo el tamaño de las gotitas de los líquidos inmiscibles como aceite o grasas y metanol. Por lo tanto, cuanto menor es el tamaño de la gota, mayor es el área superficial y más rápido puede reaccionar el catalizador. [ cita requerida ]
Método de 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. [ cita requerida ] El uso de un reactor ultrasónico para la producción de biodiesel puede reducir drásticamente el tiempo de reacción, las temperaturas y la entrada de energía. [ cita requerida ] Usando tales reactores, el proceso de transesterificación puede ejecutarse en línea en lugar de usar el proceso por lotes que consume mucho tiempo. [ cita requerida ] Los dispositivos ultrasónicos a escala industrial permiten el procesamiento de varios miles de barriles por día. [ aclaración necesaria ] [ cita necesaria ]
Método catalizado por lipasa
Grandes cantidades de investigación se han centrado recientemente en el uso de enzimas como catalizador 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, que es un problema con el proceso estándar de biodiésel. Un problema con la reacción de la lipasa es que no se puede usar metanol porque inactiva el catalizador de lipasa después de un lote. Sin embargo, si se usa acetato de metilo en lugar de metanol, la lipasa no está inactivada y puede usarse para varios lotes, lo que hace que el sistema de lipasa sea mucho más rentable. [8]
Ácidos grasos volátiles de la digestión anaeróbica de corrientes de desechos
Los lípidos han atraído una atención considerable como sustrato para la producción de biodiésel debido a sus propiedades de sostenibilidad, no toxicidad y eficiencia energética. Sin embargo, por razones de costes, la atención debe centrarse en las fuentes de lípidos no comestibles, en particular los microorganismos oleaginosos. Dichos 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 se pueden transesterificar para formar biodiésel. [9]
Ver también
- Biodiésel a partir de CO2
- Descascarado
- Combustible de aceite vegetal
Referencias
- ^ Anastopoulos, George; Zannikou, Ypatia; Stournas, Stamoulis; Kalligeros, Stamatis (2009). "Transesterificación de aceites vegetales con etanol y caracterización de las propiedades combustibles clave de los ésteres etílicos" . Energías . 2 (5 de junio de 2009): 362–376. doi : 10.3390 / en20200362 .
- ^ Bryan, Tom (1 de julio de 2005). "Puro y simple" . Revista Biodiesel (en línea) . Consultado el 18 de diciembre de 2019 .
Los procesadores de soja de Dakota del Sur con sede en Volga, SD, ahora ofrecen SoyPure, un aceite de soja virgen pretratado de marca registrada diseñado para la producción de biodiésel. Mientras tanto, un gran cliente está a punto de conectarse en la vecina Minnesota.
- ↑ C Pirola, F Manenti, F Galli, CL Bianchi, DC Boffito, M Corbetta (2014). "Esterificación de ácidos grasos libres catalizada heterogéneamente en (líquido monofásico) / reactores de lecho compacto (PBR)". Transacción de ingeniería química 37: 553-558. AIDIC
- ^ Dubé, Marc A, et al. (2007). "Transesterificación catalizada por ácido de aceite de canola a biodiesel en condiciones de reacción monofásica y bifásica". Energía y combustibles 21: 2450–2459. Sociedad Química Americana. Consultado el 1 de noviembre de 2007.
- ^ Bunkyakiat, Kunchana; et al. (2006). "Producción continua de biodiésel mediante transesterificación a partir de aceites vegetales en metanol supercrítico". Energía y Combustibles . Sociedad Química Americana. 20 (2): 812–817. doi : 10.1021 / ef050329b .
- ^ Vera, CR; SA D'Ippolito; CL Pieck; JMParera (14 de agosto de 2005). "Producción de biodiesel mediante un proceso de reacción supercrítica de dos pasos con refinado por adsorción" (PDF) . II Congreso Mercosur de Ingeniería Química, IV Congreso Mercosur de Ingeniería de Sistemas de Procesos . Rio de Janeiro. Archivado desde el original (PDF) el 2009-02-05 . Consultado el 20 de diciembre de 2007 .
- ^ Kusdiana, Dadan; Saka, Shiro. "Combustible biodiesel para sustituto de combustible diesel preparado por un metanol supercrítico sin catalizador" (PDF) . Consultado el 20 de diciembre de 2007 .
- ^ Du, Wei; et al. (2004). "Estudio comparativo sobre la transformación catalizada por lipasa de aceite de soja para la producción de biodiesel con diferentes aceptores de acilo". Revista de catálisis molecular B: enzimático . 30 (3–4): 125–129. doi : 10.1016 / j.molcatb.2004.04.004 .
- ^ Singh, Gunjan; Jeyaseelan, Christine; Bandyopadhyay, KK; Paul, Debarati (octubre de 2018). "Análisis comparativo de biodiesel producido por transesterificación ácida de lípidos extraídos de la levadura oleaginosa Rhodosporidium toruloides" . 3 Biotech . 8 (10): 434. doi : 10.1007 / s13205-018-1467-9 . ISSN 2190-572X . PMC 6170317 . PMID 30306003 .
Otras lecturas
- Gerpen, JV, "Procesamiento y producción de biodiesel", Tecnología de procesamiento de combustible , 2005, 86, 1097–1107. doi : 10.1016 / j.fuproc.2004.11.005
- Ma, F. & Hanna, MA, "Producción de biodiesel: una revisión", Bioresource Technology , 1999, 70, 1-15. doi : 10.1016 / S0960-8524 (99) 00025-5
enlaces externos
- "Mezcla y procesamiento innovadores de IKA" (PDF) . Mezcla y procesamiento comerciales relevantes para la producción de biodiésel
- Transesterificación rápida de aceite de soja mediante ultrasonidos
- Estado actual del procesamiento ultrasónico para una producción rápida de biodiésel
- Tecnología de producción de biodiesel Agosto de 2002 - Enero de 2004
- Investigación y publicaciones de ingeniería química y biomolecular de la UNL
- Proceso continuo de conversión de aceites vegetales en ésteres metílicos de ácidos grasos
- Seguridad del biodiésel y mejores prácticas de gestión para el uso y la producción no comerciales a pequeña escala