INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE XALAPA UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE LA TIERRA CALIENTE
“OBTENCION DEL ACEITE DE LA HIGUERILLA”
ALVA ALV AREZ CHAV CHAVEZ EZ JOSE J OSE MARTIN HERNANDEZ CARDONA ARELI JULIO ECHEVERRIA CRISTIAN
25 DE ABRIL DEL 2015
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INDICE.
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INTRODUCCION Las guerras por el control del petróleo y el gas natural, los derrames de crudo en los océanos y las fugas de depósitos, son consecuencias directas del actual sistemas energético, basado en combustibles fósiles (Rincón, 2012). El ser umano necesita energ!a para lle"ar a cabo sus acti"idades producti"as, por lo #ue el grado de desarrollo de un pa!s est$ ligado !ntimamente con su demanda energética (%enegas, 200&). 'e puede generar energ!a a partir de fuentes alternas, cuidando #ue estas daen lo menos posible el medio ambiente y moti"ando reestructuraciones económicas. Las fuentes reno"ables de energ!a comprenden la energ!a solar, la energ!a eólica, la biomasa, la energ!a geotérmica, la energ!a nuclear, las pe#ueas centrales idr$ulicas y la oce$nica (Estrada *slas, 2010). Las "enta+as fundamentales de usar estas fuentes de energ!a son principalmente su ba+o impacto ambiental y el eco de #ue no emiten gases de efecto in"ernadero durante su operación. na de las energ!as reno"ables m$s importantes es la solar, esta se di"ide en fototérmica y foto"oltaica. -on respecto a la fototérmica, arrera/-al"a y on$le (2012) mencionan #ue se busca principalmente el apro"ecamiento de la radiación solar para su transformación en energ!a térmica. ara lograr esto, se debe concentrar y absorber energ!a, reduciendo pérdidas por transferencia de calor tales como con"ección, conducción y radiación, buscando siempre obtener la mayor captación de radiación solar.
n concentrador solar es un dispositi"o capa de concentrar la energ!a pro"eniente del 'ol para calentar un fluido para posteriormente aplicarlo en determinado proceso, por e+emplo calentar agua asta con"ertirla en "apor (Ramos Ram!re, s.f.). 3e acuerdo con 4alogirou (2005), e6isten tres clasificaciones de los concentradores solares en función de las temperaturas alcanadas. La primera es de ba+a temperatura (7) #ue "a de 809- a &0 9-, la segunda clasificación es de mediana temperatura (:7) en el rango de &09- a los 800 9- y finalmente la de alta temperatura (;7) #ue se encuentra entre los 800 y 2000 9-. Esta tecnolog!a tiene la "enta+a de obtener mayores temperaturas para la misma superficie de colección, en comparación con los colectores planos por e+emplo. n tipo particular de concentrador solar es el de canal parabólico, tal como se puede obser"ar en la figura 1.
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Este dispositi"o utilia las propiedades ópticas de una par$bola y mediante una superficie reflectora con acabado tipo espe+o, #ue concentra la radiación solar directa en un tubo receptor situado a lo largo de la l!nea focal del canal, transformando as! la energ!a térmica y transfiriéndola a un fluido caloportador
Fi!"# 1.1 Ci$%&'#(i)& * %+'"!('!"# ,% !&# (%&'"#- +-#" '%"$%-/('"i(# (& '%(&-# ,% (#&#-%+ #"#)-i(+ 3CRESPO 20104.
Ricter en (2005), menciona #ue los sectores donde es posible aplicar la tecnolog!a de concentración solar son para calor de proceso son< el sector de alimentos, como el del "ino y otras bebidas, el te6til, el de e#uipo de transporte, de tratamiento de metales y pl$sticos y el #u!mico. 7ambién se menciona #ue las aplicaciones idóneas para el uso de la energ!a solar térmica, incluyen limpiea, secado, e"aporación y destilado, blan#ueo, pasteuriación, esteriliación, cocinado, fusión, pintura, y tratamiento superficial, as! como el uso de las tecnolog!as termo/solares para calefacción y refrigeración de edificios de f$bricas. 3e acuerdo con -respo (2010), :é6ico posee una ele"ada irradiancia con un promedio anual del orden de 1& :=>m2, lo #ue ofrece un campo fértil para su apro"ecamiento. 'in embargo, los principales obst$culos para el uso de energ!a solar en :é6ico son la falta de recursos umanos especialiados, recursos económicos e inno"ación, as! como su escalamiento a ni"el industrial? estrategias para la atracción de financiamiento nacional e internacional y por supuesto la participación del sector producti"o (Ram!re, 200@). 4
;tendiendo todo lo anterior, el principal ob+eti"o de este traba+o de inno"ación es lle"ar a cabo la construcción y e"aluación de un -oncentrador 'olar de -anal arabólico y un e6tractor mec$nico de aceite de iguerilla La especie R*-*A' -B::A*' (iguerilla) oy en d!a es la m$s "iable para la producción de biocombustibles? por sus caracter!sticas f!sicas y #u!micas #ue ofrecen una gran "ariedades de productos como lo son< iodiesel , bioetanol, bionylon, as! como co/productos como lo es la utiliación del folla+e como biomasa y la pasta como alimento prote!nico .Es por eso #ue a sido de gran importancia realiar nue"os métodos de obtención del aceite? ya #ue uno de las grandes limitantes es el costo de la producción del biodiesel como producto principal. 'e planteara un procedimiento de obtención del aceite de acuerdo a los resultados obtenidos en la e6perimentación realiada en el diplomado de 'B *A7ER;L 3E L; E'E-*E R*-*A' -B::A*' (iguerilla) ;R; L; RB3--*BA 3E *B-B:'7*LE' C -B/RB3-7B' #ue tiene como fin reducir los costos de producción del biodiesel y reducir el uso de energ!a contaminante.
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ANTECEDENTES. La energ!a solar es reno"able y gratuita, por lo #ue el desaf!o recae en el diseo y construcción de sistemas de captación, #ue transformen esta energ!a, y #ue a su "e sean f$ciles de operar y por supuesto, económicos. Entendido esto, "arios pa!ses e instituciones, an sumado esfueros para el desarrollo de proyectos e in"estigación en energ!a solar. 3e acuerdo con 4alogirou (2005), un primer acercamiento a la tecnolog!a termosolar se dio en 1D1 con 'alomon de -au6, cuando construyó la primera m$#uina solar a partir de di"ersos estudios sobre la condensación y e6pansión del "apor. 4alogirou (2005) menciona #ue m$s tarde, en 1@F@, oufon prendió fuego a una celda de madera a D metros de distancia, esto, mediante un sistema de 1D& espe+os planos. En 1&@0, el sueco/americano =on Ericsson io funcionar su m$#uina de aire caliente con un concentrador parabólico, este in"ento sumó tres elementos fundamentales< un espe+o concentrador con forma de canal parabólica, una caldera y una m$#uina de "apor. Guince aos m$s tarde, en 1&&, el ingeniero francés -arles 7ellier, desarrolló colectores solares de ba+a temperatura para impulsar m$#uinas, mientras #ue los motores con"encionales empleaban "apor de agua a cierta presión. Los desarrollos tecnológicos de 7ellier utiliaban "apor presuriado de l!#uidos con temperaturas de ebullición muy por deba+o de la del agua. 7ellier instaló un colector solar y en lugar de llenarlos. 3espués de la e6posición solar el obten!a una raón de 800 galones por ora durante las oras m$s iluminadas del d!a. Los primeros sistemas térmicos de concentración solar en instalarse fueron en 1512 cerca de El -airo, generando "apor para una bomba #ue suministraba agua para irrigación, siendo competiti"a con instalaciones de carbón en regiones donde el carbón resultaba caro (4alogirou, 2005). Btra planta #ue se desarrolló en esa misma época, fue con el ingeniero americano HranI 'umann, #uien se dio cuenta #ue en los sistemas de captación solar las altas temperaturas fa"orec!an las pérdidas por conducción y con"ección, adem$s, se ten!a un ele"ado costo asociado a los espe+os, pues estos eran re"estidos de plata (4alogirou, 2005). En 1512 'umann y su e#uipo de operarios llegan a :aadi, una pe#uea comunidad agr!cola +unto al Ailo, donde construyeron cinco colectores solares. ; finales de 1518, y después de un intento fallido, la planta estaba nue"amente preparada para su inauguración. 'e alcanaron caballos de potencia, captando el F0J de la energ!a solar disponible, obteniendo resultados muy superiores a los de la planta de 7acony. Btro proyecto interesante en este ramo es el proyecto Euro7roug desarrollado en la primera década del siglo KK*. -onsiste en un concentrador de estructura y 6
soporte diferente a las con"encionales, eco de acero pregal"aniado, con ba+o peso y ba+a torsión. -ada espe+o est$ apoyado sobre la estructura en cuatro puntos sobre su parte posterior, lo #ue le permite doblarse dentro de la gama de su fle6ibilidad sin efecto sobre el foco (eyer et al., 2002). Las $reas de apro"ecamiento en este concentrador #ue icieron posibles la reducción de costos fueron la simplificación del diseo, la me+ora del funcionamiento óptico del colector, as! como la implementación del tubo %;- y su fluido de transferencia de calor.
3e 15&F a 1551, los a"ances en sistemas de concentración parabólica fueron notables con el desarrollo de una serie de plantas comerciales solares de 1 : a &0 : a cargo de Lu *nternacional por parte de una empresa americana #ue instaló esta tecnolog!a en el desierto de Ae"ada. osteriormente, en 1551 se construyó la primera central eléctrica comercial con una capacidad de 8F :, basada sobre el concepto de energ!a solar concentrada en -alifornia, Estados nidos. Esta planta fue erigida sobre un $rea de @ Iilómetros cuadrados y suministraba a la red cerca de &00 millones de 4>ao (=aramillo, 2012). ; la feca, la instalación m$s grande financiada con recursos pri"ados #ue no produce energ!a eléctrica, es el sistema industrial de calor de proceso basado en colectores parabólicos con &0mM, ubicado en -andler, ;riona y #ue a estado operando desde 15&8. Es importante destacar #ue, la energ!a termosolar a despegado en pa!ses donde se dispone de ayuda pol!tica y financiera (Ricter, 2005). Las aplicaciones de energ!a solar no son la e6cepción en :é6ico, entre las aplicaciones #ue tienen un gran potencial para satisfacer son< el calentamiento de ambientes de establecimientos pecuarios, a"!colas y de criana de peces? para secado de alimentos, granos en particular, y para enfriamiento como la conser"ación de alimentos, medicamentos y "acunas (Estrada, 2010). ;s! mismo la e6tracción de aceite de iguerilla es un proceso pr$cticamente emergente en el mundo de los biocombustibles, es por eso #ue sus procesos son aNn muy rudimentarios, y #ue son para otras materias oleaginosas #ue no tienen las mismas caracter!sticas f!sicas y #u!micas de la semilla #ue aora nos ocupa.
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;ctualmente uno de los procesos de e6tracción mec$nica m$s utiliado es el de prensado, #ue consta de unos cilindros de doble efecto idr$ulico, y una base con orificios #ue sir"en de filtrador para el aceite de iguerilla .; pesar de #ue es el método m$s utiliado tiene una eficiencia relati"amente ba+a, lo #ue obstaculia la industrialiación de estos procesos. El aceite de iguerilla no solo es utiliado para la producción de biodiesel si no #ue el uno de los aceites con mayores aplicaciones en la industria como lo es el io/ nylon, io/etanol, lubricante para motores a gasolina, adem$s de #ue es de la familia de los aceites oleicos lo #ue significa #ue es un $cido graso insaturado y tiene casi nulos $cidos libres. E'"#((i)& $%(6&i(# ,%- #(%i'% ,% +%$i--#+ -%#i&+#+ El proceso m$s antiguo utiliado para la e6tracción del aceite se basa en la aplicación de la presión e+ercida sobre una masa de productos oleaginosos (semillas sometidas a cada uno de los tratamientos preliminares), colocados en una bolsa o mallas. El rendimiento del aceite obtenido por prensado mec$nico depende de "arios factores como el grado de umedad, el método de cocción y de la composición #u!mica de la semilla.
La e6tracción de aceite a presión se puede realiar en prensas discontinuas o continuas, las cuales contienen tamices #ue de+an pasar el aceite y retienen los residuos sólidos. ara obtener un alto rendimiento en el proceso se debe utiliar una presión alta. E'"#((i)& %& "%&+#+ (&'i&7#+8 esta operación consiste en acer desplaar la oleaginosa continuamente ba+o presión creciente de un tronillo sinf!n en una ca+a o tambor oriontal. na tercera parte de la prensa es el estrangulador #ue no es m$s #ue un orificio de presión regulable ubicado al final del tambor, el cual pro"oca la descarga de la torta. Este tipo de prensa no produce la torta de aceite en forma de masa compacta, sino #ue e6trae la tora en forma de escamas sueltas, las cuales se muelen f$cilmente para reducirlas a arina. Este tipo de e6tracción es ideal para las pe#ueas y medianas empresas -epeda, (1551)
9i!"# 1.2 %enta+as de la e6tracción a tra"és de prensas continNas
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E'"#((i)& %& "%&+#+ ,i+(&'i&7#+8 -epeda (1551), menciona #ue en este tipo de sistema se efectNa e6clusi"amente en prensas #ue funcionan por cargas sucesi"as desde el punto de "ista del funcionamiento. Las diferencias principales entre las prensas utiliadas depende de #ue el material sea prensado dentro de una +aula perforada (prensas cerradas), #ue se en"uel"en en un material filtrante o #ue sir"a de tami (prensas abiertas). Las prensas cerradas son muco m$s pr$cticas y permiten aplicar una presión mayor.
El rendimiento del aceite depende de la cantidad de aceite #ue #ueda en la torta después del prensado. Esta cantidad es m$s ba+a cuanto mayor es la presión, aun#ue influyen otras "ariables como el tiempo de drena+e de la prensa, la temperatura, la "iscosidad del aceite, el contenido de aceite y de fibra de las materias primas, entre otras? aun#ue la "ariable decisi"a es la presión.
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El concentrador solar de canal parabólico es un tipo especial de intercambiador de calor, transformando la radiación solar en energ!a térmica. En 2010, Hern$nde/ arc!a et al, mencionaron #ue las aplicaciones de estos dispositi"os se di"iden en dos principales grupos. El primero y m$s desarrollado es la concentración solar para generación de potencia y actualmente a abido un incremento en el nNmero de proyectos ba+o desarrollo o construcción alrededor del mundo. El segundo grupo est$ enfocado a pro"eer energ!a térmica a aplicaciones #ue re#uieren entre los & y 20 9-. Estas aplicaciones est$n enfocadas a calor de proceso industrial, como limpiea, secado, e"aporación, destilación, entre otras. Recientemente, el término Ocolector de mediana temperaturaP es usado para tratar con colectores #ue operan en un rango de &0/209- y asta aora solo e6iste una muy limitada e6periencia para estos inter"alos de temperatura. En 200&, uno de los ob+eti"os #ue la ;gencia *nternacional de Energ!a estableció en el *% programa para calor de proceso industrial, #ue contempló el desarrollar, me+orar y optimiar colectores solares térmicos para mediana temperatura. Las aplicaciones para calor de proceso industrial an sido sobre una relati"amente pe#uea escala y son mayormente e6perimentales, solo & plantas solares térmicas para calor de proceso an sido reportadas en el mundo, con una capacidad instalada de 2 :t y un tamao promedio de 820It (eis y Rommel, 200). Es comNn encontrar procesos industriales #ue empleen agua caliente y "apor con temperaturas entre &0 y 1&09- tomando en cuenta la reducción potencial en el uso de energ!a con"encional #ue lead el abatimiento en emisiones de dió6ido de carbono, estudios en sistemas solares de calor #ue pueden alcanar esos ni"eles de temperatura son de gran rele"ancia, e6istiendo diferentes diseos de --Qs para producción de agua caliente y "apor de ba+a entalp!a. Estos concentradores son modulares, con $rea de colección solar en un rango de 2. y .0 m2. En la figura 2.1 se muestran las cur"as de eficiencias reportadas en literatura para este tipo de colectores solares, con la principal diferencia entre ellos, de emplear o no, cubierta de "idrio.
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9i!"# 1.: -ur"as de eficiencias reportadas en la literatura. 7omado de =aramillo et al (2018).
-omo se puede obser"ar, se presentan oco diferentes cur"as, con eficiencias "ariadas entre s!, donde la referencia &, representa al --/F construido y e"aluado en el *nstituto de Energ!as Reno"ables/A;: en 7emi6co, :orelos. En la ac
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P-#&'%#$i%&' ,%- "-%$#
;ctualmente la contaminación "a en aumento, a ni"el mundial. En nuestro pa!s la creciente demanda de combustibles fósiles aumenta a manera considerable #ue los idrocarburos nos afectan a toda la sociedad en general, nuestros ecosistemas "an desapareciendo. La ad#uisición pro"eniente del petróleo y sus di"ersas aplicaciones #ue diariamente utiliamos? tiene una gran demanda #ue el precio es estable pero #ue a manera #ue se "ayan agotando se pueden disparar y la econom!a puede cambiar totalmente. La escases de alimentos es claro e+emplo de la afectación de los problemas #ue nos afectan
OBJETIVO GENERAL. 3esarrollar un procedimiento m$s eficiente en costos y producción en base a los conocimientos obtenidos del diplomado.
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OBJETIVO ESPECIFICO. 3eterminar el me+or método de obtención de aceite de iguerilla utiliando energ!as "erdes, #ue reducan la producción de gases contaminantes en el proceso as! como la reducción de costos de producción.
JUSTIFICACION. Es de "ital importancia reducir gases contaminantes en la atmosfera #ue son protagonistas en el efecto in"ernadero #ue es culpable de los cambios clim$ticos #ue estas lle"ando a la tierra a realiar rea+usten en los ecosistemas. Es por eso #ue es "ital cambiar los combustibles fósiles por combustibles "erdes, #ue aun#ue también producen -B2 lo acen en menor cantidad, #ue es solo lo #ue absorben del medio ambiente las plantas. 'er!a contradictorio contaminar en la producción de un biocombustible #ue tiene como fin reducir las emisiones de gases contaminantes es por eso #ue se propone la utiliación de energ!a solar como principal recurso en la producción del biodiesel.
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1.0;
EXTRACCION MECANICA DEL ACEITE DE HIGUERILLA
1.1.;PRECALENTAMIENTO DE LA SEMILLA DE LA HIGUERRILLA.
Una de las limitantes a la introducción del biodiesel de la higuerilla es aun el costo de la extracción; es or eso !ue se deben de imlementar medios alternati"os !ue redu#can su costo de extracción $ as% aumentar la &actibilidad del ro$ecto' ( continuación resentaremos una alternati"a al m)todo $a utili#ado* haciendo uso de las energ%as reno"ables como lo es la energ%a solar; una energ%a inagotable $ de ning+n costo' ,ste sistema consta b-sicamente de un concentrador solar arabólico; !ue calienta un caloortador el cual ser14
transortado or medio de una tuber%a de aluminio recubierta de un aislante hacia una lancha donde se encontrara un serent%n !ue ser"ir- como condensador .existir- una absorción de calor or arte de las casulas de higuerilla/'
as casulas ser-n recalentadas a una temeratura romedio de 60* temeratura !ue ha sido registrada en ruebas del U , U,:: , ,:, como la ótima ara lle"ar el aceite de higuerilla a la "iscosidad necesaria ara su extracción' ( continuación se muestra un boceto inicial del sistema rouesto<
,l tan!ue de almacenamiento ser- de esecial construcción ser- de aluminio de la caa interior osteriormente tendr- un recubrimiento de un aislante t)rmico .oliuretano/ $ como caa exterior tendr- lamina de acero al carbón' (dem-s se roone un ba=o de "aor a la semilla ara humectarlas $ as% conseguir una ma$or e>ciencia del sistema lo !ue nos lle"ar%a a la reducción 15
de los costos de roducción del aceite $ a su "e# aumentar la utilidad $ consolidar el biodiesel de la higuerilla $ los dem-s co?roductos como l%deres en la industria'
1.2.;EXTRACCION MECANICA. La e6tracción del aceite de iguerilla es uno de los puntos m$s débiles en la producción de biodiesel ya #ue su eficiencia es muy ba+a, su sistema tiene una producción muy pe#uea y de mucas "ariables aun incontroladas. 16
'e plantea la e6tracción mec$nica utiliando un compresor de tornillo, #ue tendr$ como función fraccionar la capsula de la iguerilla para romper su estructura molecular y as! obtener la mayor cantidad de aceite. Esta tendr$ una mayor eficiencia ya #ue al contener dos rotores de perfiles con+ugados.
El principio de funcionamiento se e6plica mediante la distinción de las siguientes fases de traba+o< ;spiración./la capsula penetra a tra"és de la entrada de aspiración y llena el espacio creado entre los lóbulos, los al"eolos y la carcasa. El espacio aumenta progresi"amente en longitud durante la rotación a medida #ue el engrane de los rotores se apro6ima acia el lado de descarga. Esta fase acaba una "e la materia a ocupado toda la longitud del rotor. -ompresión./la capsula disminuye su "olumen debido al engrane final de los rotores y en consecuencia aumenta su presión. 3escarga./la pasta es descargado continuamente asta #ue el espacio entre los lóbulos de los rotores desaparece. En todo el proceso el aceite e6tra!do es recolectado por una carola inferior, donde es filtrado y recolectado .
El proceso usa como medio de energ!a un motor eléctrico #ue para una eficiencia de 1 ton>ora ser$ de 80 p acompaado por una ca+a de engranes #ue realiara la relación de 1>10.
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-omo complemento a el sistema #ue tiene como fin el aorro energético se implementara un "ariador de frecuencia? #ue regulara el giro segNn el caudal de las capsulas y la resistencia #ue se presente en el proceso.
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