LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA
Fecha de Realización:
Biodiésel 12/06/2009 Fecha de Obtención de Biodiésel a partir de Aceite Entrega: Vegetal 19/06/2009
PRÁCTICA Nº 5
Dr. Monserratte Cuesta
INTEGRANTES: Erika Solano David Vaca Tatiana Valenzuela 2009
Resumen El biodiésel es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, nuevos o usados, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo. El impacto ambiental y las consecuencias sociales de su previsible producción y comercialización masiva, especialmente en los países en vías de desarrollo o del Tercer Mundo generan aumento de la deforestación de bosques nativos, expansión indiscriminada de la frontera agrícola, desplazamiento de cultivos alimentarios y ganadería, destrucción del ecosistema y la biodiversidad, desplazamiento de trabajadores rurales. El proceso de transesterificación consiste en combinar, el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol, y deja como residuo de valor añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras. O
R
R
O CH3
O
O OH
R
+
O
R
1
R R
1
1
R
O
OH
CH3
+
OH
O OH R
O O
R
OH
O
OH
CH3
O
O
[Figura 1: Reacción de Transesterificación]
Introducción y Objetivos El biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa (organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos, tales como el estiércol de la vaca) Los combustibles de origen biológico pueden sustituir fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón.
parte del consumo en combustibles
Los biocombustibles más usados y desarrollados son el bioetanol y el biodiésel:
El bioetanol, también llamado etanol
de biomasa,
se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar, remolacha o de algunos cereales como trigo o cebada. En 2006, Estados Unidos fue el principal productor de bioetanol (36% de la producción mundial), Brasil representa el 33,3%, China el 7,5%, la India el 3,7%, Francia el 1,9% y Alemania el 1,5%. La producción total de 2006 alcanzó 55 mil millones de litros. El biodiésel, se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. En este último caso se suele usar raps, canola, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito. El principal productor de biodiésel en el mundo es Alemania, que concentra el 63% de la producción. Le sigue Francia con el 17%, Estados Unidos con el 10%, Italia con el 7% y Austria con el 3%.
El objetivo de esta práctica es la fabricación de biodiesel de a pequeña escala contando con un laboratorio diverso pero no equipado con estándares para producir biodiesel a grandes escalas ni de una gran pureza. Por otro lado la aplicación de los conceptos de formación de ésteres a partir de ácido y alcoholes es uno de los principales objetivos así como es de verificar el porqué la reacción del biodiesel es tan sensible al agua.
Marco Teórico El desarrollo del mundo moderno y su proceso industrial se basaron en el aprovechamiento de combustibles fósiles, el carbón y el petróleo; ellos, de relativamente fácil obtención, bajo costo de producción y fácil transporte, desplazaron a otras fuentes de energía. Así es como el carbón desplazo a la fuerza hidráulica, y él fue luego reemplazado por el petróleo, producto este último, que posteriormente también impidió la utilización de los carburantes biológicos que como el aceite de maní se utilizaron en el desarrollo inicial de los motores diesel. Hoy, la posible extinción a mediano plazo del aprovisionamiento de estas reservas fósiles, la mayor incidencia de una conciencia ambientalista y la realidad concreta del deterioro del medio ambiente han modificado la situación precedente, y reactivaron la búsqueda de combustibles más amigables con nuestro medio. El uso de biocombustibles tiene impactos ambientales negativos y positivos. Los impactos negativos hacen que, a pesar de ser una energía renovable, no sea considerado por muchos expertos como una energía no contaminante y, en consecuencia, tampoco una energía verde. Una de las causas es que, pese a que en las primeras producciones de biocombustibles sólo se utilizaban los restos de otras actividades agrícolas, con su generalización y fomento en los países desarrollados, muchos países subdesarrollados, especialmente del sureste asiático, están destruyendo sus espacios naturales, incluyendo selvas y bosques, para crear plantaciones para biocombustibles. La consecuencia de esto es justo la contraria de lo que se desea conseguir con los biocombustibles: los bosques y selvas limpian más el aire de lo que lo hacen los cultivos que se ponen en su lugar. Algunas fuentes afirman que el balance neto de emisiones de dióxido de carbono por el uso de biocombustibles es nulo debido a que la planta, mediante fotosíntesis, captura durante su crecimiento el CO2 que será emitido en la combustión del biocombustible. Sin embargo, muchas operaciones realizadas para la producción de biocombustibles, como el uso de maquinaria agrícola, la fertilización o el transporte de
productos y materias primas, actualmente utilizan combustibles fósiles y, en consecuencia, el balance neto de emisiones de dióxido de carbono es positivo. Otras de las causas del impacto ambiental son las debidas a la utilización de fertilizantes y agua necesarios para los cultivos; el transporte de la biomasa; el procesado del combustible y la distribución del biocombustible hasta el consumidor. Varios tipos de fertilizantes tienden a degradar los suelos al acidificarlos. El consumo de agua para el cultivo supone disminuir los volúmenes de las reservas y los caudales de los cauces de agua dulce. Algunos procesos de producción de biocombustible son más eficientes que otros en cuanto al consumo de recursos y a la contaminación ambiental. Por ejemplo, el cultivo de la caña de azúcar requiere el uso de menos fertilizantes que el cultivo del maíz, por lo que el ciclo de vida del bioetanol de caña de azúcar supone una mayor reducción de emisiones de gases de efecto invernadero respecto al ciclo de vida de combustibles fósiles con más efectividad que el ciclo del bioetanol derivado del maíz. Sin embargo, aplicando las técnicas agrícolas y las estrategias de procesamiento apropiadas, los biocombustibles pueden ofrecer ahorros en las emisiones de al menos el 50% comparando con combustibles fósiles como el gasóleo o la gasolina. El uso de biocombustibles de origen vegetal produce menos emisiones nocivas de azufre por unidad de energía que el uso de productos derivados del petróleo. Debido al uso de fertilizantes nitrogenados, en determinadas condiciones el uso de biocombustibles de origen vegetal puede producir más emisiones de óxidos de nitrógeno que el uso de productos derivados del petróleo. Una solución real pero aún no disponible es la utilización de residuos agroindustriales ricos en hemicelulosas. De esta forma no se utilizarían areas de cultivos nuevas ni utilización de alimento para la producción de biocombustibles. un ejemplo de esto es la utilzación de coseta de remolacha, paja de trigo coronta de maíz ó cortezas de árboles. La hidrólisis de estos compuestos es más compleja que la utilización de almidón para la obtención de azúcares libres fermentables, por lo tanto, requiere de una mayor cantidad de energia inicial para procesar los compuestos antes de la fermentación, sin embargo, el costo de producción es casi nulo al considerar que se trata de residuos. La única tecnología eficiente y limpia es la utilización de enzimas hemicelulolíticas. Existen tres puntos claves que se deben solucionar o perfeccionar antes de aplicar esta tecnología. 1) Se deben encontrar enzimas más estables y eficientes. 2) Métodos menos destructivos de inmovilización de enzimas para su utilización industrial. 3) Microorganismos capaces de fermentar eficientemente monosacáridos derivados de las hemicelulosas (xilosa y arabinosa principalmente). Al comenzar a utilizarse suelo agrario para el cultivo directo de biocombustibles, en lugar de aprovechar exclusivamente los restos de otros cultivos (en este caso, hablamos de "biocombustibles de segunda generación"), se ha comenzado a producir un efecto de competencia entre la producción de comida y la de biocombustibles, resultando en el aumento del precio de la comida. Un caso de este efecto se ha dado en Argentina, con la producción de carne de vaca. Las plantaciones para biocombustible dan beneficios cada seis meses, y los pastos en los que se crían las vacas lo dan a varios años, con lo que se comenzaron a usar estos pastos para crear biocombustibles. La conclusión fue un aumento de precio en la carne de vaca, duplicando o incluso llegando a triplicar su valor en Argentina.
Otro de estos casos se ha dado en México, con la producción de maíz. La compra de maíz para producir biocombustibles para Estados Unidos ha hecho que en el primer semestre de 2007, la tortilla de maíz -que es la comida básica en México- duplique o incluso llegue a triplicar su precio. En Italia el precio de la pasta se ha incrementado sustancialmente dando lugar en septiembre de 2007 a una jornada de protesta consistente en un boicot a la compra de este producto típico de la comida italiana. También España registró en septiembre de 2007 una subida del precio del pan causado por el aumento en origen del precio de la harina. El proceso de transesterificación consiste en combinar, el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol, y deja como residuo de valor añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras. O
R
R
O CH3
O
O OH
R
+
O
R
1
R R
1
1
R
CH3
Na OH
+
OH
O OH R
O O
OH
R
O
OH
CH3
O
O
Aceite (Triglicérido)
O
OH
Alcohol
Glicerina
Biodiesel
[Figura 2: Reacción de Transesterificación]
Materiales, Reactivos y Equipos Utilizados Materiales: Material
Marca
Capacidad
Apreciación
Vaso de Precipitación Probeta Embudo de Separación Termómetro Erlenmeyer
BOEGO LMS KIMAX BOEGO BOEGO
250 ml 25 ml 250 ml 250 oC 2550 ml
--0.5 ml --1 oC ---
Reactivos: Reactivo
Fórmula Química
Cantidad
Pureza
Metanol
CH3OH
20 ml
92%
Precaución
Sosa Caústica
NaOH
0.2 g
98%
Aceital Vegetal
---
10 ml
---
Es irritante al contacto con los ojos No ingerir Efecto analgésico a la larga exposición Evitar el contacto con la piel y los ojos Es irritante a la ingesta y la exposición cutánea Relativamente inflamable
Procedimiento Experimental 1. Medir aproximadamente 20 ml de metanol 2. Pesar 0.2 g de Sosa Cáustica y disolver la sosa en el alcohol, tener en cuenta que el metanol es altamente volátil, así que se debe tapar el instrumento en el cual se disuelve la sosa. 3. Medir 100 ml de aceite vegetal
[Figura 3: Medir 100 ml de Aceite Vegetal]
4. Una vez que se haya disuelto la sosa en el metanol agregar la solución al aceite medido.
[Figura 4: Mezclar la Solución de Sosa sobre el Aceite]
5. Colocar la mezcla sobre un baño maría, y agitar constantemente, fijarse en la temperatura de la mezcla y que esta no sobrepase los 40 oC, ni tampoco descienda de esta temperatura, Realizar este proceso durante 1 hora aproximadamente
o
[Figura 5: Mezclar la solución en una temperatura promedio de 40 C]
6. Colocar la mezcla en un embudo de separación y esperar aproximadamente 30 horas hasta que las dos capas se separen completamente.
[Figura 6: Colocar la Mezcla en un embudo de separación]
7. Recoger la capa superior que es el biodiésel formado.
Diagrama de Bloques
Cálculos y Resultados La cantidad de biodiésel producido fue de:
Observaciones Mientras se hace todo el proceso se debe tener en cuenta que ninguna gota de agua se encuentre en los materiales utilizados ya que la mínima cantidad de agua, puede hacer que falle la reacción formándose glicerina y en lugar de la reacción de transesterificación se puede dar la reacción de saponificación, dependiendo de la cantidad de agua. Otro asunto importantes es que al momento de colocar en el embudo de separación tener especial cuidado con restos blancos sólidos producto de la reacción ya que al momento de separar las dos capas, se puede taponar el embudo y no completar la separación.
Conclusiones y Recomendaciones. Se debe tener en cuenta que las reacciones de saponificación y transesterificación son muy parecidas y que la diferencia sustancial entre ellas es la presencia de agua. El agitamiento debe ser continuo, con la misma fuerza y en la misma dirección durante todo el experimento La toma de la temperatura debe ser cada 5 minutos aproximadamente. El agitamiento sería mucho mejor en un equipo de agitación magnético, en lugar que manualmente Se debería probar el biodiesel producido en un motor pequeño para comprobar su efectividad El calentamiento de la solución debería ser en una parrilla eléctrica en lugar de un baño maría ya que pequeñas cantidades de agua puede echar a perder el experimento
Bibliografía Larosa R., 2000, “Proc eso Para la Elaboración del
Biodiesel, http://www.revistamundo.com/Quimica/Laboratorios/r_larosa_prod-diodiesel.pdf , (mayo de 2009) Newland C., Muniagurria M., “Biocombustibles”, http://www.secreteriaargentina.ar/Agricultura/Pezca/Ganadería/Master.pdf (junio de 2009)
