Síntesis de biodiésel por transesterificación de aceites vegetales.

Según la directiva europea 2003/30/CE, el biodiesel se define como una mezcla de ésteres metílicos,
producidos a partir de aceites vegetales o grasas animales, de calidad similar al gasóleo, para su uso como
biocarburante.

Se obtiene por transesterificación de de los triglicéridos del aceite vegetal o grasa animal y presenta
características similares al diésel convencional.

Ventajas e inconvenientes con respecto al diésel convencional.

Entre las ventajas que presenta el biodiésel se encuentran las siguientes:

• Es un combustible procedente de fuentes renovables (biomasa) y es biodegradable.

• Reduce las emisiones de monóxido de carbono (50 %), hidrocarburos aromáticos (75-90 %), hidrocarburos poliaromáticos (80 %), óxidos de azufre (100 %), hidrocarburos sin quemar (90 %) y hollín (20 %), entre otros. El dióxido de carbono emitido durante la combustión de biodiésel entra a formar parte del ciclo del carbono, lo que hace que el balance neto de CO₂ sea muy bajo.

•  Presenta un mayor índice de cetano (mayor rendimiento del motor), punto de inflamación (seguridad almacenamiento) y lubricidad (vida útil del motor).

• Presenta unas propiedades similares a la del diésel convencional, por lo que no hay que acometer cambios en los sistemas de distribución, así como en los motores diésel. 

Entre las desventajas que presenta el biodiésel se encuentran las siguientes:

• Elevado coste de producción, actualmente muy superior al coste del diésel convencional, aún con los incentivos fiscales asignados a este sector.

• Menor contenido energético, lo que significa una reducción de potencia de un 8 % respecto al diésel convencional.

• Mayor porcentaje de emisión de óxidos de nitrógeno (15 %).

• Mayor viscosidad. Este problema puede solucionarse mezclándolo con diésel convencional o tratándolo con los aditivos convencionales.

• Menor estabilidad a la oxidación. Este problema puede solucionarse añadiendo bajas concentraciones de antioxidantes.

• Si previamente se ha utilizado diésel convencional, el efecto disolvente del biodiésel elimina los depósitos acumulados en las paredes de los tanques y canalizaciones, pudiendo taponar el filtro del combustible.

Desde el punta de vista socioeconómico, existe un gran debate debido a los intereses por parte de las grandes compañías del sector de los biocombustibles y a la búsqueda de combustibles alternativos a los procedentes del petróleo por parte de los gobiernos de países desarrollados para frenar su alta dependencia de este combustible, frente a las posibles consecuencias derivadas de la competencia con las zonas de cultivo dedicadas a la producción de alimentos y a la variación que se produciría en el coste de estos alimentos. Esto se une a la deforestación producida en grandes extensiones de bosques y selva, como en el caso de Indonesia, para reemplazar esas tierras con cultivos de semillas oleaginosas.

Proceso catalítico convencional.

El proceso convencional de síntesis de biodiésel es el de transesterificación por catálisis básica homogénea, de aplicación a aceites con bajo contenido en ácidos grasos libres.

En la reacción de transesterificación de un aceite o grasa animal, los triglicéridos reaccionan con un alcohol (metanol), en presencia de un catalizador (metóxido), produciendo ésteres alquílicos (biodiesel) y glicerina, según la siguiente reacción:



Está compuesto por seis unidades en las que se acometen las siguientes funciones: reacción de esterificación, reacción de transesterificación, separación de fases, purificación de biodiésel, purificación de glicerina y recirculación de metanol.

En el siguiente diagrama de flujo se puede apreciar la configuración de las etapas del proceso:




Siguiendo el diagrama de flujo del proceso se describirán las etapas que lo conforman:

• Unidad de esterificación: es reactor de mezcla completa con sistema de calefacción. Las condiciones óptimas de operación son 60 ºC, una relación molar metanol:ácido de 6:1, con un 5 % en peso de catalizador. Una duración de 2 horas consigue disminuir el índice de acidez a niveles inferiores a 1 mg KOH/g. Se produce la conversión de los ácidos grasos libres en ésteres metílicos, lo que aumenta el rendimiento del proceso de conversión a biodiésel. 

• Unidad de transesterificación: es un reactor de mezcla completa en el que se introducen las corrientes de aceite y de la disolución de metanol y catalizador. El reactor consta de una camisa de calefacción y de un sistema de condensación y reflujo para el metanol. Las condiciones óptimas de operación son 55-65 ºC, una relación molar metanol:triglicérido de 6:1, con un 1 % en peso de catalizador con respecto al aceite. La duración de esta etapa varía entre 1-8 horas y se realiza una agitación vigorosa para la adecuada mezcla entre aceite y metanol. 

• Separación de fases: se realiza en un decantador donde se separa la fase de los ésteres alquílicos de la fase alcoholica, que es la que decanta por ser más pesada (glicerina). También se puede utilizar una unidad centrifugadora para separar las dos fases de manera más rápida. 

 

• Purificación de la glicerina: se trata la fase alcohólica con una disolución acuosa ácida para neutralizar el catalizador y separar los jabones. Posteriormente se deja decantar y la fracción rica en ácidos grasos libres (insoluble en la glicerina) se recoge por la parte superior y se lleva a la unidad de esterificación. Finalmente el metanol es eliminado de la fase alcohólica y reciclado junto con el metanol eliminado de la fase éster. Se obtiene como subproducto glicerina de una pureza del 85%.

• Unidad de recuperación y reciclado del metanol: consiste en una columna de destilación en la que se separa el exceso de alcohol de cada fase (glicerina y biodiésel). El metanol y el agua acidulada se introducen en una columna de rectificación donde se separan y el metanol es reutilizado en la etapa de esterificación y transesterificación.  

Hasta un contenido en ácidos grasos libres del 5 %, se emplean catalizadores básicos, pero es necesario añadir una cantidad mayor de catalizador para compensar las pérdidas por la formación de jabones. Cuando el contenido en ácidos grasos libres es mayor del 5 %, los jabones dificultan enormenente la separación de la glicerina de los ésteres metílicos por la formación de emulsiones en la etapa de lavado.

Cuando se utiliza un catalizador ácido, como el ácido sulfúrico, la presencia de ácidos grasos libres no es un problema. Sin embargo es necesario emplear concentraciones elevadas de catalizador, y aumentar el tiempo de reacción y la relación metanol: aceite para conseguir conversiones superiores a 99 %.

Por todo esto es aconsejable emplear aceites crudos o refinados y catalizadores básicos para que el proceso tenga un rendimiento adecuado sin necesitar emplear largos tiempos de reacción, lo que significa mayor coste del proceso.

Como solución para emplear aceites de baja calidad o usados se puede realizar un proceso en dos etapas. En primer lugar eliminan el agua y los ácidos grasos libres, estos últimos mediante la reacción de esterificación con metanol para dar ésteres metílicos, seguida de la etapa de transesterificación, previa eliminación del agua generada en la etapa de esterificación.

En la actualidad, se están estudiando múltiples catalizadores sólidos para realizar el proceso de obtención de biodiésel por transesterificación mediante catálisis heterogénea. Estos catalizadores sólidos podrían recuperarse y reutilizarse, eliminando las etapas de neutralización, reduciendo las etapas de lavado y disminuyendo el coste del proceso.