Proceso de extracción del biodiesel

Dentro de los retos actuales que tiene la ingeniería química, se encuentra la posibilidad de reutilizar una gran cantidad de desechos industriales y domésticos para la creación de productos o de combustibles.

Biodiesel, combustible hecho a base de grasa animal o vegetal

Uno de los desechos más comunes es el aceite de origen vegetal o animal, que es descartado por su propio uso por la industria alimentaria y la industria de la gastronomía y hotelería. Se trata de uno de los residuos más comunes y contaminantes que existen, ya que eliminar estos aceites del agua es bastante laborioso y en algunos casos, difícil, siendo su aprovechamiento mucho más atractivo, sobre todo si se puede obtener un combustible similar al gasoil, que incluso puede mezclarse con éste para utilizarse como alimentación de motores diésel, o sustituirlo por completo.

El producto en cuestión es el famoso biodiesel, el cual se obtiene a partir de un proceso por lotes o continúo, según sea el diseño elegido por el ingeniero para darle una nueva vida a estos aceites, y por si fuera poco, obtener un subproducto de gran atractivo para la industria química y de cosméticos, la glicerina. En esta nota, vamos a explicar a grosso modo el proceso de obtención del biodiesel para que puedan utilizar estos conocimientos en sus propios diseños.

Tabla de contenidos

¿Qué es el biodiesel?

Antes de comenzar a describir el proceso de extracción de este combustible de origen orgánico, tenemos que definirlo y entender realmente lo qué es. Podemos realizar una primera definición diciendo que el biodiesel es un biocarburante líquido de origen completamente orgánico, ya sea animal o vegetal.

Es decir, se trata de un biocombustible que se obtiene a partir de aceites animales o aceites vegetales que pueden ser crudos o utilizados previamente en otros procesos. Esta cualidad permite reciclar aceites de desechos de otras industrias para aprovecharlo como materia prima en combustión de motores diésel.

Las propiedades del biodiesel son muy similares a las del gasoil de origen fósil, ya que su rendimiento en motores, su densidad y su número de cetanos son realmente similares, y en algunos casos superiores. Asimismo, hay que destacar que el biodiesel cuenta con un punto de combustión superior al del gasoil, por lo tanto, es menos propenso a explosiones o a inflamarse por inadecuada manipulación o almacenamiento.

De hecho, sus características son tan similares a las del gasoil que puede mezclarse con éste para su comercialización, obteniéndose mezclas como el B-5, B-30 y B-50, según el porcentaje de biodiesel que tenga la mezcla de combustible, e incluso puede utilizarse puro (conociéndose como B-100) en los motores diésel.

Podemos decir entonces, que el biodiesel es un combustible fabricado industrialmente (o incluso de manera artesanal) capaz de alimentar motores diésel con una gran eficiencia y con un bajo impacto ambiental.

Este biocarburante es una opción ideal en países donde la producción de aceites, sobre todo vegetal, sea abundante, lo que permite generar toda una industria de extracción de aceites no aptos para consumo humano, pero muy efectivos para crear biodiesel, lo que generaría una gran cantidad de empleos.

Tanques de biodiesel. Imagen de Mitra Sahara. Bajo licencia CC by 2.0

Una de las definiciones más técnicas sobre el biodiesel es la que le otorga la ASTM (Sociedad Americana de Pruebas y Materiales Estándar), la cual indica que un biodiesel es un éster monoalquílico proveniente de ácidos grasos de cadena larga, los cuales han sido derivados de lípidos, como grasas o aceites de origen animal o vegetal.

Cabe destacar, que por su combustión completa es muy recomendable para utilizar en motores diésel, ofreciendo un extra que es su gran potencial lubricante alargando la vida el motor. Asimismo, su uso genera una baja emanación de CO2, uno de los gases invernadero más comunes que se encuentran en la combustión tradicional.

Las características principales del biodiesel son las siguientes:

Propiedad	Valor	Unidad
Conversión	96.5 a 97.5	% (m/m)
Densidad	860 a 900	Kg/m³
Viscosidad	3.50 a 5.0	mm²/s
Punto de combustión	120	⁰C
Contenido de azufre	10	mg/Kg
Índice de cetanos	51	N⁰
Contenido de agua	500	mg/Kg
Contenido de metanol	0.20	% (m/m)
Contenido de mono glicéridos	0.80	% (m/m)
Contenido de diglicéridos	0.80	% (m/m)
Contenido de triglicéridos	0.20	% (m/m)
Glicerol libre	0.02	% (m/m)
Glicerol total	0.025	% (m/m)
Metales del grupo I	5.00	mg/Kg
Metales del grupo II	5.00	mg/Kg
Contenido de fósforo	10.00	mg/Kg
Índice de yodo (para soja)	120	g de yodo/100 g

Características del biodiesel

Ventajas de utilizar biodiesel

Utilizar este tipo de combustibles en primer plano, ofrece una gran cantidad de ventajas frente al gasoil fósil que utilizan los motores diésel. Entre dichas ventajas tenemos las siguientes:

Producto renovable.
Desprende menos emanaciones de carbono que el combustible fósil.
Cumple con los requisitos de la EPA para combustibles alternativos.
Se puede usar directamente en los motores o combinado con el gasoil.
No contiene azufre.
Mejor combustión que el gasoil, reduciendo el humo de arranque en un 30%.
Los derrames de biodiesel son mucho menos contaminantes que su par fósil, minimizando efectos letales en flora y fauna.
Se degrada más rápidamente que un combustible fósil.
Al contacto con la piel humana es mucho menos irritante.
Almacenamiento mucho más seguro que los combustibles fósiles, gracias a su alto punto de combustión.

Notarán que existen muchas ventajas en el uso de este biocombustible, sin embargo, sigue siendo muy poco utilizado frente a otras fuentes alternativas, aunque su uso va en aumento. El biodiesel es uno de los combustibles a tomar en cuenta en un futuro cercano, ya que es barato de producir y su uso ofrece muchas ventajas.

Extracción del biodiesel

Dispensador comercial de biodiesel. Imagen de United Soybean Board. Bajo licencia CC by 2.0

Conocidas las principales características del biodiesel y lo que representa para la industria química actual, podemos comenzar a describir de manera simple su proceso de extracción.

Lo primero que debemos tener en cuenta, es que su proceso de extracción no es más que una reacción química que experimenta la materia prima en presencia de un alcohol y un catalizador. Esta reacción lleva por nombre transesterificación y permite cambiar las propiedades de la grasa o aceite, al reaccionar con un alcohol en un medio catalizado. De este modo, se produce un éster alquílico de ácidos grasos y glicerol.

Dicho de otra manera, es una reacción que permite convertir los triglicéridos contenidos en las grasas o aceites (grandes y ramificados) en ésteres alquílicos lineales no ramificados y de menor tamaño, muy similares a las moléculas de gasoil. Para lograr una gran extracción de biodiesel de nuestra materia prima es vital utilizar alcoholes de bajo peso molecular, como por ejemplo el metanol, que además suele ser bastante económico. El etanol también es un reactivo bastante atractivo para una buena extracción de biodiesel.

El proceso de extracción puede ser continuo o por lotes, según el diseño que prefiera el ingeniero. Este procedimiento dependerá de las condiciones de operación y el acceso a las materias primas, además del dominio del proceso como tal y del tipo de equipos que se disponga. Para efectos de esta nota, voy a centrarme en el proceso más sencillo y mayormente utilizado: El proceso por lotes, ya que conlleva una simpleza muy atractiva.

El catalizador utilizado debe ser alcalino. Por lo general, se utiliza soda caustica (NaOH), sin embargo, también suele utilizarse Hidróxido de Potasio (KOH) o en otros casos NaOCH.

Hay que destacar, que la cantidad a utilizar de catalizador debe ser la estequeometricamente requerida por la fórmula de transesterificación, de lo contrario, el exceso de alcalinidad puede ser desventajoso en el producto final, ya que es bastante difícil lavarlo, presentando características jabonosas no requeridas y poco recomendables. La fórmula de transesterificación es la siguiente:

Fórmula de la transesterificación de triglicéridos en presencia de alcohol en un medio catalizado

Descrita en líneas generales la teoría necesaria para la extracción del biodiesel a partir de la materia prima, es momento de centrarnos en los pasos a seguir para lograr el objetivo. Como pueden ver, es un proceso bastante simple, sólo hay que respetar las relaciones de la estequiometria de la reacción y realizar el proceso en un lugar adecuado para poder obtener una buena conversión de producto y minimizar el riesgo de accidentes laborales, en el caso de tener un proyecto serio en mente.

Acondicionamiento del lugar de extracción del biodiesel

Para un proyecto serio y propuesto de manera profesional, se requiere de un galpón que cuente con las medidas mínimas de seguridad para evitar accidentes, así como, con adecuada ventilación. La reacción se realiza a temperaturas cercanas a los 55 °C, por lo tanto, es un factor a considerar a la hora de realizar el diseño de la planta.

Es importante acondicionar el lugar para el almacenamiento tanto del aceite como del catalizador alcalino y realizar la adecuada instalación de tuberías de transporte. Asimismo, se requiere un reactor que permita una agitación continua de la mezcla para de esta manera propiciar la mayor cantidad de conversión de los triglicéridos en ésteres. Cabe destacar, que el proceso puede realizarse a escalas pequeñas en un laboratorio o incluso en un patio como proceso artesanal, dependiendo del proyecto que se tenga en mente.

Con el lugar adecuadamente dispuesto para nuestra producción de biodiesel es momento de detallar el proceso en sí. Para ello, describiremos la primera etapa del proceso que se basa en el almacenamiento de las materias primas y del reactivo necesario para la reacción química. Estos deben ser almacenados previamente en tanques preparados para ello. Dichos tanques deben ser inertes para que no ocurran reacciones dentro de ellos, y sellados para evitar la contaminación de los reactivos a utilizar.

Por otra parte, si se ha seleccionado metanol, se debe tener en cuenta que es catalogado como un combustible tipo B, por lo tanto, su almacenamiento debe cumplir con las normas establecidas para este tipo de combustible y de ser posible, ubicarlo de manera subterránea y aislada.

Planta de biodiesel

El siguiente paso consiste en hacer pasar el aceite por un pre-tratamiento para purificarlo antes de comenzar la extracción del biodiesel. Para ello, se hace pasar al aceite por un proceso de filtrado simple para separarlo de sus ácidos grasos. Para tal fin, se puede utilizar el proceso de destilación o remoción catalítica. De esta manera, obtendremos un aceite refinado, libre de impurezas, listo para el proceso de transesterificación. En esta fase del proceso se obtienen los ácidos grasos que de ser recuperados son un subproducto de gran valor para la industria química, así que se recomienda su recolección para posterior venta.

Ahora, se envía el aceite purificado al proceso de pre-transesterificación donde se mezclan el aceite purificado y el metanol en presencia de un catalizador a altas temperaturas en una columna de lecho fijo. Seguidamente, la mezcla se hace pasar por un separador para retirar el exceso de metanol/agua del aceite pre-esterificado.

Este aceite proveniente de la unidad de separación líquido-líquido es enviado mediante tuberías a un reactor sellado, donde en presencia de un catalizador homogéneo y una mezcla continua y metanol, se lleva a cabo la reacción en un proceso multietapa. Para lograr esto, se utiliza un sedimentador en cascada.

En el sedimentador de cascada se realiza el proceso hasta que la conversión termine. Una vez finalizada la reacción (lo determinarán los cálculos hechos por el ingeniero durante el diseño del proceso) se hace pasar la mezcla por un evaporador, para de esta manera separar la mezcla producto del exceso de metanol. Luego, el vapor puede utilizarse para realizar calentamiento de tuberías, para propiciar el condensado y recuperación de metanol.

El siguiente paso consiste en hacer pasar la mezcla de metiléster/glicerol por un separador para obtener por diferencia de densidades el glicerol crudo y el éster, es decir se realiza un proceso de decantación simple. Este proceso puede tomar varias horas.

El metiléster crudo se extrae del separador y se almacena en tanques de fraccionamiento. Este es nuestro producto principal o biodiesel, el cual debe pasar por un proceso de análisis para luego ser enviado a un tanque de almacenamiento externo a la planta para su venta.

El glicerol o producto secundario de nuestro proceso es lavado luego de salir del separador, para de esta manera retirar el excedente de biodiesel que pueda contener y almacenarse para su futura venta o re-utilización en cualquier proceso químico que se requiera.

Como pueden ver es un proceso sumamente sencillo. Cabe destacar, que muchos de los procesos descritos anteriormente se realizan al vacío a nivel industrial. Para ello, se requiere un equipo de vacío en nuestra planta (aunque también puede ser realizado el proceso a presión ambiente), aclarando que puede afectar la conversión del metiléster. Asimismo, para poder utilizar la glicerina hay que tratarla previamente, ya que es muy alcalina con pH elevado mayor a 11, por ello se somete a procesos de lavado muy específicos.

El biodiesel es un combustible de color anaranjado u ocre que se puede apreciar en laboratorios o en plantas artesanales. Ese color facilita el proceso de separación de la glicerina que es de color blanco. Durante toda la extracción se utilizan procesos de separación físicos muy comunes dentro de la ingeniería química, siendo conceptos muy básicos como la evaporación, la destilación, la transferencia de calor, el mezclado y la decantación.

A continuación, veremos un diagrama de bloques simple que describe a grandes rasgos la extracción del biodiesel a partir de aceites vegetales o animales.

Diagrama de bloques del proceso de extracción de biodiesel

Y esto ha sido todo por el momento, los invito a estudiar un poco más sobre este proceso de transesterificación, y por supuesto, a comentar la nota, para de esta manera intercambiar experiencias o puntos de vistas que puedan tener con respecto al proceso de extracción del biodiesel.