Calidad fisicoquímica de insumos bioenergéticos para la

Transcripción

Calidad
fisicoquímica dede
insumos
bioenergéticos
Calidad
fisicoquímica
insumos
para la producción de biodiesel en México
bioenergéticos para la producción
de biodiesel en México
Biaani Beeu Martínez
Colmenero, José Luis
López Ángel
Valencia, Alfredo Zamarripa
Solís Bonilla, Lexi Javivi
Pie de página
Centro de Investigación Regional Pacifico Sur
Campo Experimental Rosario Izapa
Tuxtla Chico, Chiapas. Noviembre de 2011
Folleto Técnico No.24 - ISBN: 978-607-425-650-5
Calidad fisicoquímica de insumos bioenergéticos
Secretaría de Agricultura, Ganadería,
Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación
Lic. Francisco Javier Mayorga Castañeda
Secretario
MSc. Mariano Ruiz-Funes Macedo
Subsecretario de Agricultura
Ing. Ignacio Rivera Rodríguez
Subsecretario de Desarrollo Rural
Ing. Ernesto Fernández Arias
Subsecretario de Fomento a los Agronegocios
MSc. Jesús Antonio Berumen Preciado
Oficial Mayor
Instituto Nacional de Investigaciones,
Agrícolas y Pecuarias
Dr. Pedro Brajcich Gallegos
Director General
Dr. Salvador Fernández Rivera
Coordinador de Investigación, Innovación y
Vinculación
MSc. Arturo Cruz Vázquez
Coordinador de Planeación y Desarrollo
Lic. Marcial A. García Morteo
Coordinador de Administración y Sistemas
Centro de Investigación Pacífico Sur
Dr. René Camacho Castro
Director Regional
Dr. Rafael Ariza Flores
Director de Investigación
Dr. Miguel Ángel Cano García
Director de Planeación
M.A.N.F. Saúl Ayala
Director de Administración y Sistemas
Pie de página
Calidad fisicoquímica de
insumos bioenergéticos para la
producción de biodiesel en
México
MC. Biaani Beeu Martínez Valencia
Investigadora del C.E. Rosario Izapa
Dr. Alfredo Zamarripa Colmenero
Líder del Programa de Investigación en Bioenergía
Ing. José Luis Solís Bonilla
Investigador del C.E. Rosario Izapa
Ing. Lexi Javivi López Ángel
Investigadora del C.E. Rosario Izapa
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales,
Centro de Investigación Regional Pacífico Sur
Km. 18.Carretera Tapachula-Cacahoatán. Tuxtla Chico,
Chiapas, México.
Noviembre de 2011
Folleto Técnico Núm.24.
ISBN: 978-607-425-650-5
Pie de página
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales,
Progreso No. 5, Col. Barrio de Santa Catarina Delegación
Coyoacán, C.P. 04010 México D.F. Teléfono (55) 3871-8700
Calidad fisicoquímica de insumos bioenergéticos para
la producción de biodiesel en México
ISBN: 978-607-425-650-5
Primera Edición 2011
Impreso en México
No está permitida la reproducción total o parcial de
esta publicación, ni la transmisión de ninguna forma
o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico
o fotocopia, por registro u otros métodos, sin el
permiso previo o por escrito de la Institución.
La cita correcta es:
Martínez-Valencia, B.B., Zamarripa-Colmenero, A.,
Solís-Bonilla, J.L., López-Ángel, L.J. México 2011.
Calidad fisicoquímica de insumos bioenergéticos para
la producción de biodiesel en México. Folleto
Técnico
Num.24.
Instituto
Nacional
de
Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias.
Campo Experimental Rosario Izapa, Tuxtla Chico,
Chiapas. México. 63 p.
Pie de página
CONTENIDO
1. Introducción ................................. 1
2. Insumos para la producción de biodiesel ...... 5
2.1 Cultivos oleaginosos ........................ 6
2.2 Algas ...................................... 10
2.3 Otros insumos .............................. 12
3. Calidad de los aceites vegetales ............ 14
3.1 Ácidos grasos de aceites vegetales ......... 15
3.2 Propiedades fisicoquímicas del aceite ...... 18
3.2.1 Viscosidad ............................... 18
3.2.2 Índice de refracción ..................... 19
3.2.3 Densidad ................................. 20
3.2.4 Punto de fusión .......................... 20
3.2.5 Índice de acidez ......................... 21
3.2.6 Índice de peróxido ....................... 22
3.2.7 Índice de yodo ........................... 23
3.2.8 Índice de saponificación ................. 25
3.2.9 Insolubles y agua ........................ 27
3.3 Importancia de la calidad del aceite----...28
4. Biodiesel ................................... 34
5. Calidad de biodiesel ........................ 35
Pie de página
5.1 Estándares de calidad de biodiesel ......... 36
6. Laboratorio de bioenergía ................... 45
7. Perspectivas ................................ 47
8. Referencias bibliográficas .................. 49
9. Agradecimientos ............................. 60
Pie de página
CUADROS
1. Relación de especies oleaginosas
cultivadas a nivel mundial
6
2. Rendimiento de aceite por especie.
8
3. Composición
de
ácidos
grasos
diferentes
tipos
de
aceite
cultivos oleaginosos (%).
de
de
17
4. Propiedades fisicoquímicas del aceite
que
influyen
en
la
calidad
y
producción de biodiesel.
31
5. Características fisicoquímicas de
diferentes aceites vegetales.
33
6. Requerimientos de biodiesel según la
norma europea en 14214.
7. Estándares de calidad propuestas por
la EN 14214.
Pie de página
37
41
FIGURAS
1. Aceite de
acidez.
palma
con
alto
índice
de
2. Equipo que mide la estabilidad
oxidación de los aceites.
de
22
23
3. Índice de yodo del aceite de piñón
mexicano.
24
4. Impurezas en el biodiesel.
27
5. Reacción de transesterificación.
35
Pie de página
1. Introducción
El cambio climático es uno de los más graves
desafíos que la humanidad tiene planteados en
el siglo XXI. El calentamiento de la Tierra
ya no es una amenaza virtual sino una
realidad. Estos cambios derivan en parte del
modelo energético actual, que es un sistema
abierto donde el hombre adiciona a la
atmósfera elevadas cantidades de dióxido de
carbono
(CO2)
a
un
ritmo
tal
que
la
naturaleza es incapaz de reciclar dicho
compuesto. Este CO2 se debe básicamente al
cambio en el uso del suelo, así como a las
emisiones generadas por el uso de los
combustibles fósiles.
Como consecuencia del aumento de CO2 en la
atmósfera, la radiación térmica atraviesa la
atmosfera y alcanza la tierra con más
facilidad
que
la
radiación
térmica
transmitida desde la tierra hacia el espacio,
produciendo un calentamiento en todo el
planeta. Este fenómeno es conocido como “el
efecto invernadero” (Avellaneda, 2010).
Actualmente diversos países en el mundo han
apoyado la utilización de biocombustibles con
el objetivo de reducir las emisiones de gases
de
efecto
invernadero,
diversificar
las
fuentes de su abastecimiento, desarrollar
alternativas diferentes al petróleo a largo
plazo y utilizar tierras no cultivadas.
Las especies anuales y perennes, que son
cultivadas específicamente para la producción
de materiales energéticos en forma sólida,
1
líquida
o
gaseosa,
plantaciones energéticas.
son
denominadas
Los biocombustibles líquidos, principalmente
biodiesel y etanol, se procesan a partir de
cultivos agrícolas y de otras materias primas
renovables.
Durante la firma del protocolo de Kyoto,
también conocido como Convención Marco de la
Organización de las Naciones Unidas (ONU,
siglas en ingles) sobre cambio climático, se
acordó reducir la emisión de gases de efecto
invernadero. Esta iniciativa surgida en 1997,
sin embargo entró en vigor hasta el 16 de
febrero de 2005. En el acuerdo participaron
141 naciones, de los cuales 30 países son
desarrollados,
entre
ellos
los
países
pertenecientes a la Unión Europea, Canadá,
Japón, Nueva Zelanda y Rusia. Dichos países
establecieron un compromiso para reducir en
un 5.2%, entre el 2008 y 2012, las emisiones
de gases tóxicos respecto a los que se
generaban en el 2012 (dióxido de carbono,
metano,
óxido
de
nitrógeno,
clorodifluorometano, hexafluoruro de azufre y
diclorodifluorometano).
Por otra parte, 106 naciones en vías de
desarrollo
incluido
México
están
comprometidas a informar a la convención de
cambio climático de la ONU sobre sus niveles
de contaminación y acciones para disminuir
las emisiones de carbono(Díaz, 2008).
En el 2008, México y la Unión Europea
refrendaron su apoyo al Protocolo de Kyoto,
2
con el compromiso de incluir mecanismos de
mercado para la promoción de tecnologías que
tiendan a reducir la emisión de gases de
efecto invernadero. Además, se comprometieron
a
fomentar la cooperación en ciencia y
tecnología,
promover
estudios
de
vulnerabilidad
y
crear
estrategias
de
adaptación al cambio climático.
Como resultados de estos compromisos, México
aprobó la Ley de Promoción y Desarrollo de
Bioenergéticos, el 1 de Febrero del 2008.
Esta ley promueve la producción de insumos
para
bioenergéticos,
a
partir
de
las
actividades agropecuarias, forestales, algas,
procesos biotecnológicos y enzimáticos del
campo mexicano, sin poner en riesgo la
seguridad y soberanía alimentaria del país.
También, procura la reducción de emisiones
contaminantes a la atmósfera y gases de
efecto invernadero, utilizando para ello los
instrumentos internacionales.
Con base a lo anterior, el INIFAP estableció
un
Programa
Nacional
de
Innovación
e
Investigación en Bioenergéticos para generar
conocimientos y desarrollar tecnologías en
cultivos agrícolas con potencial para la
producción de biocombustibles con principal
atención en cultivos ricos en aceite como son
piñón
mexicano
(Jatropha
curcas
L.)
e
higuerilla
(Ricinus
communis
L.)
para
elaboración de biodiesel y cultivos ricos en
azucares como son el sorgo dulce (Sorghum
bicolor) y remolacha (Beta Vulgaris) para
elaboración de etanol (Zamarripa et al.,
2009).
3
La calidad y la eficiencia del biodiesel
dependen del proceso de transformación y la
calidad del aceite generado por cultivo, es
decir, aceites con baja concentración de
ácidos grasos libres, altos en ácidos grasos
monoinsaturados, sin la presencia de gomas e
impurezas,
entre
otras
propiedades
fisicoquímicas,
que
son
características
necesarias para obtener un biodiesel de
calidad.
La calidad del biodiesel debe garantizar el
buen funcionamiento y la vida útil de los
equipos de inyección de combustible en los
motores diesel y la satisfacción o el rechazo
de sus consumidores, principalmente a largo
plazo; por esta razón es importante realizar
el análisis fisicoquímicos de los diferentes
insumos
con
potencial
bioenergético
que
cumplan
con
las
especificaciones
internacionales de calidad y puedan ser una
alternativa para la producción de biodiesel.
En este contexto, el INIFAP estableció en el
Campo Experimental Rosario Izapa municipio de
Tuxtla Chico, Chiapas un laboratorio de
bioenergía con el objetivo de realizar
análisis de calidad de aceite y biodiesel,
para apoyar las actividades de investigación
del instituto en la selección de variedades
de cultivos con potencial energético como es
el caso de piñón e higuerilla, entre otros.
En este laboratorio se pueden evaluar 10
parámetros para calidad de aceite y 14
parámetros para calidad de biodiesel.
Esta publicación tiene el objetivo de dar a
conocer
las principales materias primas de
4
origen
vegetal
para
la
producción
de
biodiesel,
además
de
consignar
las
características fisicoquímicas que influyen
en la calidad del aceite y biodiesel.
2. Insumos para la producción de biodiesel
El biodiesel es una solución alternativa para
el reemplazo parcial o total de aquellos
combustibles derivados del petróleo. Los
biocombustibles líquidos pueden contribuir a
la solución del problema energético y estos
se
definen,
como
aquellos
combustibles
obtenidos
a
partir
de
biomasa
que
se
encuentran en estado líquido en condiciones
normales de presión y temperatura. Se emplean
en calderas para la producción de calor y
electricidad, o en motores de combustión
interna (Ballesteros, 2008).
El biodiesel, es un biocombustible obtenido
inicialmente a partir de plantas oleaginosas,
convencionales, tales como el aceite de palma
africana, la soya y colza; o a partir de
oleaginosas alternativas como piñón mexicano
(Jatropha curcas L.) e higuerilla (Ricinus
communis L.) y entre otros casos, derivados
de aceites de fritura usados o bien de algas
como puede ser especies del género Chlorella
(Liu et al., 2008; Xiong et al., 2008), con
especies de Dunaliella (Takagi et al., 2006),
de Nannochloris (Takagi et al., 2000) y con
Botryococcus braunii.
5
2.1 Cultivos oleaginosos
Los
vegetales
que
contienen
grandes
cantidades de aceite en sus semillas o frutos
se conocen como oleaginosos. Estas plantas
provienen de diferentes familias botánicas y
se han adaptado a las diferentes regiones
climáticas del planeta, aunque las regiones
tropicales son las que albergan la mayor
cantidad de estas especies (Castro et al.,
2007).
Solamente una decena de especies se usa con
propósitos comerciales, existiendo centenares
de cultivos oleaginosos de uso localizado de
los que se tiene poco conocimiento pero que
son excelentes fuentes de aceite.
En el Cuadro 1 se presentan los principales
cultivos
oleaginosos
establecidos
en
el
mundo.
Cuadro 1. Relación de especies oleaginosas cultivadas
a nivel mundial.
Nombre común y
científico
Parte
oleaginosa
Contenido
de aceite
(%)
Países
productores
Girasol
(Helianthus
annuus)
Semilla
45 – 55
Federación de
Rusia, Ucrania,
Argentina,
China, Francia,
Estados Unidos.
Canola
(Brassica
napus
y B.
rapa)
Semilla
40-44
China, India,
Alemania,
Canada, Francia.
18-20
Estados Unidos,
Brasil,
Argentina,
China, India.
Soya (Glycine
max)
Semilla
6
Continuación…
Malasia,
Nigeria,
Tailandia,
Colombia,
Ecuador.
India, China,
Estados
Unidos,
Pakistán,
Uzbekistán,
Brasil.
Palma aceitera
(Elaeis
guineensis)
Pulpa del
fruto
Semilla
Pulpa: 4555
Semilla:
44-57
Algodón:
(Gossypium
hirsutum)
Semilla
18-25
Coco
(Cocus
nucifera)
Pulpa del
fruto del
cocotero
(Copra)
65-75%
Filipinas,
Tailandia,
India, Brasil
Semillas
48-50
China, India,
Estados Unidos,
Senegal.
Semillas
35-40
India, Estados
Unidos,
Argentina,
Australia.
Semillas
26-66
India, China,
Brasil,
Paraguay.
Cacahuate
(Arachis
hypogaea)
Cártamo
(Carthamus
tinctorius)
Higuerilla *
(Ricinus
communis)
Piñón *
India, Ghana,
Semillas
20-60
(Jatropha
Brasil
curcas)
Fuente. FAOSTAT (2010), Zamarripa, et al 2010*
Existen aceites comestibles, como el
del aceite de soya, el aceite de
aceite de palma, que se utilizan
producción de biodiesel (Tapanes
2008).
obtenido
colza y
para la
et al.,
También existen otros aceites como el de coco
(Kumar y Sharma, 2008), cacahuate, algodón
(Georgogianni et al., 2008), mostaza, oliva
entre otros. Sin embargo, se prefiere el uso
de aceites vegetales no comestibles con el
7
fin de evitar competencia con los
utilizados para el consumo humano.
aceites
En el cuadro 2 se observa, que las especies
que tienen mayor rendimiento en producción de
biodiesel son
palma de aceite, coco, tung
(Aleurites fordii) y colza, aunque, la
política nacional para la producción de
biocombustibles
indica
que
los
cultivos
empleados para la alimentación humana no
deben de utilizarse como biocombustibles.
Por otro lado el consumo nacional de semillas
oleaginosas para el 2006 fue de 5.5 millones
de toneladas, de las cuales se produjeron en
el país sólo 0.5 millones, por lo que se
tuvieron que importar cerca de 5 millones de
toneladas con un valor de más de 14,000
millones de pesos, lo que representa una
importante fuga de divisas para el país.
(Programa Nacional de Oleaginosas 2007-2012).
Cuadro 2. Rendimiento de aceite por especie.
Especie
Palma (Elaeis
guineensis)
Coco (Cocus
nucífera)
Tung
(Aleurites
fordii)
Ricino
(Ricinus
communis)*
Rendimiento
(kgha-1)
Rendimiento
de aceite
(Kgha-1)
12246
5511
Rendimiento
de aceite
(L ha-1)
5925
Rendimiento
de
biodiesel
(Lha-1)
5688
4645
3019
3431
3294
2409
1204
1384
1329
2060
1133
1211
1151
8
Continuación…
Piñón
(Jatropha
curcas)*
Colza
(Brassica
napus)
Cacahuate
(Arachis
hypogaea)
Girasol
(Helianthus
annuus)
1900
950
1058
1015
2081
832
895
859
1582
712
765
735
1419
568
610
586
Soya
1677
335
365
(Glycine
max)
Fuente: FAOSTAT (2010), Zamarripa et al., 2010*
350
Por esta situación de falta de materia prima
y por el hecho que los cultivos oleaginosos
se destinan para alimentación humana, es
necesario buscar alternativas de cultivos con
alto contenido de aceite para la producción
de biodiesel.
Una de las alternativas es el aceite de las
semillas de piñón mexicano (Jatropha curcas
L.) debido a sus características agronómicas
e industriales (Zamarripa et al., 2009).
Poseen alto contenido de lípidos y proteínas,
y la harina que se obtiene de la extracción
del aceite, podría usarse como alimento para
animales, una vez que sea desintoxicada
(Kumar y Sharma, 2008; Martínez et al.,
2006).
9
Otro cultivo que posee un potencial para la
producción
de
aceite
es
la
higuerilla
(Ricinus communis L.) que es una planta
oleaginosa
que
se
encuentra
ampliamente
distribuida en México, rústica, adaptada a
las condiciones climáticas de diferentes
ambientes (Zamarripa et al., 2010).
2.2 Algas
Las microalgas oleaginosas, son consideradas
como
una
fuente
alternativa
de
biocombustibles
de
tercera
generación,
contribuyen
de
manera
importante
a
la
fijación de CO2 y pueden ser utilizadas para
producir amplia gama de biocombustibles tales
como el biodiesel, bioetanol, biometano y
biohidrógeno, además, de producir metabolitos
secundarios con aplicación en la industria
farmacéutica,
para
complementos
nutricionales, acuicultura y cosmetología,
(Rosenberg et al., 2008; Schenk et al.,
2008).
Las microalgas pueden ser probablemente una
alternativa debido a la alta disponibilidad
de este recurso, por tener una estructura
menos compleja, su tasa de crecimiento es
rápida, tiene alto contenido de aceite y
reduce las emisiones de CO2 y compuestos
nitrogenados de la atmósfera.
Se han descrito numerosas cepas de origen
marino o dulceacuícolas que muestran alto
contenido de lípidos (Chisti, 2007) y existen
diversos estudios con especies del género
Chlorella (Liu et al., 2008; Xiong et al.,
10
2008), con especies de Dunaliella (Takagi et
al., 2006), de Nannochloris (Takagi et al.,
2000) y con Botryococcus braunii (Li y Qin,
2005). Nannochloris y Dunaliella son especies
marinas
con
buenas
ventajas
para
ser
cultivadas en zonas costeras, sin embargo,
una de las limitaciones actuales en la
producción masiva de microalgas, es el alto
costo de producción. El cultivo de las algas
para la producción de biodiesel, utilizando a
las
aguas
residuales
como
fuente
de
nutrientes,
es
una
alternativa
bastante
promisoria y ambientalmente sustentable.
Aunque muchas especies de microalgas son
capaces de producir grandes cantidades de
lípidos, con frecuencia las concentraciones
altas de lípidos se obtienen cuando las algas
son
sometidas
a
condiciones
de
estrés
impuestas por estímulos físicos y/o químicos
(Hu et al., 2008), lo que con frecuencia está
asociado a condiciones de limitación de
nutrientes
y
por
lo
tanto,
a
baja
productividad de biomasa y de lípidos.
Por lo anterior, algunos de los mayores retos
en
el
desarrollo
de
procesos
para
la
producción
de
biodiesel
con
microalgas,
consisten en seleccionar las mejores cepas y
establecer estrategias de cultivo para lograr
la máxima productividad de biomasa y de
lípidos, a pesar de las condiciones de estrés
fisiológico (Loera-Quezada y Olguín, 2010).
11
2.3 Otros insumos
El aceite residual de cocina puede ser
aprovechado como biocombustibles (Agarwal,
2007). En la actualidad es uno de los
responsables de la contaminación del agua.
Los
aceites
comestibles
provenientes
de
materias primas como girasol, soya, oliva,
maíz o palma, forman en la superficie del
agua una película difícil de eliminar que
afecta su capacidad de intercambio de oxígeno
y altera el ecosistema.
La necesidad de refinado de algunos aceites
vegetales
no
los
hace
económicamente
factibles para la producción de biodiesel,
debido al alto costo de la materia prima y de
producción (Marchetti et al., 2008). El costo
del aceite refinado representa un 75 a 85%
del precio total del biodiesel (Girard y
Fallot, 2006).
Las grasas animales y los aceites de cocina
usados son conocidas como “grasas amarillas”
si el nivel de ácidos grasos libres es menor
al 15%, y “grasas oscuras o marrones” si el
contenido de ácidos grasos libres es superior
al 15%
(Canakci y Van Gerpen, 2001 y Has,
2005).
Los aceites residuales de cocina usados son
principalmente obtenidos de la industria de
restaurantes
o
reciclados
en
sitios
especiales. Puede no tener ningún costo o un
60%
menos
que
los
aceites
refinados
dependiendo de la fuente y la disponibilidad
(Predojevic, 2008).
12
Sin embargo, estos aceites tienen propiedades
tanto del aceite crudo como del refinado. El
calor y el agua aceleran la hidrólisis de los
triglicéridos y aumenta el contenido de
ácidos grasos libres en el aceite. El
material insaponificable, la viscosidad y la
densidad aumentan considerablemente debido a
la formación de dímeros y polímeros, pero el
índice de yodo y la masa molecular disminuyen
(Enweremadu y Mbarawa, 2009).
Por estas razones, la utilización de aceites
usados presenta dificultades logísticas y
técnicas, no sólo por su recolección, sino
también, por su control y trazabilidad debido
a su carácter de residuo.
Otros
problemas
encontrados
al
utilizar
aceites reciclados para producir biodiesel
tienen que ver con los altos contenidos de
material insaponificable, cantidad de agua y
el alto contenido de ácidos grasos libres. La
presencia de estos compuestos requiere de
varios procesos para acondicionar el aceite y
realizar la transesterificación. También el
producto suele presentar baja estabilidad a
la oxidación, no cumple la norma UNE 14214 y
obliga a agregar antioxidantes. Finalmente la
calidad del biodiesel producido normalmente
no cumple con las especificaciones de pureza
requeridas, y debe ser sujeto a destilación.
Todos estos problemas y procesos adicionales
elevan los costos de producción (Canakci y
Sanli, 2008).
A pesar de estos problemas los aceites
reciclados son considerados una de las
alternativas en la producción de biodiesel.
13
Es
materia
prima
barata,
y
con
su
utilización, se evitaría la contaminación de
los efluentes de agua.
3. Calidad de los aceites vegetales
Los aceites y las grasas vegetales o animales
están compuestos principalmente por moléculas
denominadas
triglicéridos
o
triacilgliceroles, que son ésteres de tres
ácidos grasos unidos a un glicerol. Se
caracterizan por ser insolubles en agua y
solubles en solventes orgánicos no polares
(Lawson, 1994).
Comúnmente, las grasas se clasifican en
aceites y mantecas. Los aceites son líquidos
a temperatura ambiente y contienen mayor
proporción de ácidos grasos insaturados,
mientras que las mantecas son sólidas a
temperatura
ambiente
y
contienen
mayor
proporción
de
ácidos
grasos
saturados
(Mortimer, 1983).
Los aceites o grasas recién extraídos de los
animales o semillas oleaginosas se denominan
brutos o crudos. Además de los triglicéridos,
contienen
cantidades
variables
de
otras
sustancias
presentes
naturalmente,
como
ácidos grasos libres, proteína, fosfolípidos,
fosfátidos,
ceras,
resinas
y
pigmentos.
Aunque
estén
presentes
en
cantidades
relativamente
pequeñas,
estas
sustancias
aportan colores, olores y sabores extraños,
inestabilidad y formación de espuma y humo
durante la fritura de alimentos. Por eso,
14
para aceites de uso comestible todas estas
sustancias
deben
ser
retiradas
(Lawson,
1994).El caso es diferente cuando se produce
biodiesel; algunas de estas sustancias son
desfavorables para la producción de este
combustible, pero otras pueden permanecer sin
alterar su calidad o estabilidad.
3.1 Composición de
aceites vegetales
ácidos
grasos
de
los
Existen tres tipos principales de ácidos
grasos que pueden estar presentes en un
triglicérido que son ácidos grasos saturados
(Cn:0),
monoinsaturados
(Cn:1)
y
poliinsaturados con dos o tres dobles enlaces
(Cn:2,3).
Diversos aceites vegetales son potenciales
como materia prima para la producción de
biodiesel, pero la calidad del combustible es
afectado por la composición del aceite (Akbar
et al., 2009).
Un
aceite vegetal ideal sería aquel que
contenga bajo contenido de ácidos grasos
saturados y bajo contenido de ácidos grasos
poliinsaturados y posea alto contenido de
ácidos grasos monoinsaturados (Gunstone et
al., 2004).
Los aceites vegetales son ricos en ácidos
grasos
moninsaturados
y
poliinsaturados
principalmente contienen ácido oleico y ácido
linoléico como se puede observar en el Cuadro
3.
15
Los aceites con alto contenido de ácidos
grasos
poliinsaturados
tienen
baja
estabilidad a la oxidación y disminuyen la
vida de anaquel del producto.
La norma europea UNE EN-14214 establece que
el biodiesel debe contener como máximo el 12%
de acido linolénico por ser el acido graso
más propenso a oxidarse.
El aceite de palma contiene aproximadamente
el 82% de ácidos grasos saturados y tiende a
solidificarse a bajas temperaturas. Se limita
su utilización en la producción de biodiesel
para utilizarse en lugares sometidos a bajas
temperaturas;
a
pesar
de
eso,
puede
utilizarse en climas cálidos (Gunstone et
al., 2004).
El aceite de semilla de piñón mexicano
(Jatropha curcas L.) puede ser clasificada
como aceite oleico-linoleico (Akbar et al.,
2009). Comparado con otros aceites vegetales
el
aceite
de
piñón
mexicano
presenta
contenidos más altos en oleico superando al
aceite de la almendra de palma en 148 %, al
aceite de girasol en
81 % y al aceite de
soya en 63% (Edem, 2002).
De
acuerdo
a
la
norma
europea,
la
concentración de linolénico y de los ácidos
grasos que contienen más de 4 dobles enlaces
en los esteres metílicos no deben exceder el
límite del 12% y 1% respectivamente.
Con base a los estudios realizados en el
INIFAP, el aceite de piñón mexicano solo
contiene aproximadamente el 0.2% de ácido
16
linolénico, que es muy bajo en comparación
con el aceite de soya que posee 7.8%
(Martinez et al., 2011).
Cuadro 3. Composición de ácidos grasos de diferentes
tipos de aceite de cultivos oleaginosos (%).
Almendra
Jatropha
Ácidos Grasos
de
curcas*
Girasol** Soya**
Palma**
Oleico
38.2
15.4
21.1
23.4
Linoléico
31.53
2.4
66.2
53.2
Palmítico
12.62
8.4
-
11
Esteárico
4.57
2.4
4.5
4
Palmitoléico
0.74
-
-
-
Linolénico
0.2
-
-
7.8
Araquidico
0.18
0.1
0.3
-
Margárico
0.07
-
-
-
Mirístico
0.12
16.3
-
0.1
Caproico
-
0.2
-
-
Caprilico
-
3.3
-
-
Laurico
-
47.8
-
-
Caprico
-
3.5
-
-
Saturados
17.29
82.1
11.3
15.1
Monoinsaturados
38.52
15.4
21.1
23.4
Poliinsaturados
48.9
2.4
66.2
61
*Zamarripa et al (2011), **Edem D.O. (2002).
17
3.2 Propiedades fisicoquímicas de los aceites
Los aceites y grasas animales y vegetales son
mezclas de diferentes triglicéridos, los
cuales
a
su
vez,
están
compuestos
frecuentemente por ácidos grasos diferentes.
Sus propiedades físicas y químicas están
relacionadas directamente con el número y la
estructura química de los ácidos grasos
unidos al glicerol, así como, con el grado de
saturación de los ácidos grasos y su longitud
de cadena.
Los
aceites
y
las
grasas
pueden
ser
caracterizados según sus propiedades físicas
(densidad,
viscosidad,
punto
de
fusión,
índice de refracción) o químicas (índice de
acidez, índice de yodo, índice de peróxido,
índice de saponificación).
A continuación se detallan las propiedades
fisicoquímicas de los aceites vegetales que
influyen en el proceso de producción y
calidad de biodiesel.
3.2.1 Viscosidad
La viscosidad es una medida de la fricción
interna entre moléculas, o de la resistencia
a fluir de los líquidos. En general, la
viscosidad de los aceites disminuye con el
aumento de su grado de insaturación y con el
aumento del peso molecular de sus ácidos
grasos (Lawson, 1994)
18
La viscosidad del biodiesel viene determinada
por el origen del aceite, y por su contenido
en mono, di y triglicéridos.
El
combustible
puro,
o
la
mezcla
con
biodiesel debe poseer una viscosidad mínima
de 3.5 mm2/s para evitar pérdidas de potencia
debidas a las fugas en la bomba de inyección
y en el inyector. Además, esta propiedad le
da características de lubricidad al sistema
de combustible (Demirbas, 2007).
El
biodiesel
generalmente
presenta
viscosidades mayores a las del diesel.
La viscosidad del biodiesel aumenta con la
longitud de la cadena del éster y el grado de
saturación. La alta viscosidad puede afectar
la atomización del combustible, causar mala
combustión y formación de depósitos de
materiales insolubles en el motor (Knothe et
al., 2005).
3.2.2 Índice de refracción
El índice de refracción de un aceite se
define como la razón de la velocidad de la
luz en el vacío con respecto a la velocidad
de la luz en el aceite evaluado. Por razones
prácticas
normalmente
los
instrumentos
comparan la velocidad de la luz en el aire en
lugar del vacío.
El índice de refracción es característico
dentro de ciertos límites para cada aceite y
es un indicador de su pureza.
19
Este valor está relacionado con el grado de
saturación, con la razón cis/trans de los
dobles enlaces y puede estar influenciado por
el daño que sufre el aceite tras la
oxidación.
3.2.3 Densidad
La densidad expresa la masa por unidad de
volumen de una sustancia.
La densidad del
aceite es la relación entre su peso y su
volumen, y en este caso, está afectada por la
temperatura.
La
densidad
del
biodiesel
depende de la composición del aceite. Es
mayor cuando disminuye el largo de la cadena
y aumenta el número de dobles enlaces.
La densidad es un parámetro determinante del
porcentaje de biodiesel máximo en la mezcla y
puede darse el caso de que las mezclas no
cumplan con la norma. Eso ocurrirá con
mezclas que contengan alto porcentaje de
biodiesel, o aquellas en las cuales la
densidad de diesel sea próxima al límite
superior permitido que es de 900 kg/m3
(Pasqualino, 2006).
3.2.4 Punto de fusión
El punto de fusión de las grasas es usado
para caracterizar los aceites y las grasas, y
está relacionado con sus propiedades físicas,
tales como, dureza y comportamiento térmico
(Tieko y Guaraldo, 1999).
El punto de fusión está relacionado con el
grado de insaturación. A mayor cantidad de
20
insaturaciones, el punto de fusión del aceite
será menor, lo que puede dar un biodiesel con
un buen comportamiento a bajas temperaturas.
Sin embargo, como los aceites naturales están
compuestos
por
diversos
ácidos
grasos
(saturados
e
insaturados)
con
distintos
puntos de fusión, ellos solidifican en
realidad en un rango amplio de temperaturas.
Las insaturaciones de los ácidos grasos se
mantienen después de la transesterificación y
el punto de fusión del biodiesel está
relacionado al del aceite de procedencia.
3.2.5 Índice de acidez
Un valor elevado del 5% para este índice
indica que el aceite contiene alta cantidad
de ácidos grasos libres, generado por un alto
grado de hidrólisis (Arango, 2002). Este
índice es particularmente importante para el
proceso
de
producción
de
biodiesel
(transesterificación),
los
ácidos
grasos
libres reaccionan con el catalizador de la
transesterificación (hidróxido de sodio o
hidróxido
de
potasio)
formando
jabones
(saponificación), e induce menor rendimiento
en la producción de biodiesel (Figura 1).
La
saponificación
no
sólo
consume
el
catalizador
necesario
para
la
transesterificación, sino además, los jabones
producidos
promueven
la
formación
de
emulsiones que dificultan la purificación del
biodiesel (Zhang et al., 2003).
21
Figura 1. Aceite de palma con alto
índice de acidez.
3.2.6 Índice de peróxido
El índice de peróxido mide el grado de
oxidación primaria que han sufrido las grasas
o los aceites durante su almacenamiento; los
peróxidos son los productos de descomposición
primaria de la oxidación de las grasas,
cualquiera que sea su composición.
La oxidación de las grasas es una de las
principales causas de su deterioro, y da
lugar
a
la
aparición
de
olores
desagradables, conocidos como enranciamiento;
los peróxidos que se forman tienen un efecto
perjudicial sobre las características del
aceite (Fennema, 1993).
22
Figura 2. Equipo que mide la estabilidad
de oxidación de los aceites (tiempo de
almacenamiento.
3.2.7 Índice de yodo
Este valor da una noción del número de
insaturaciones de los ácidos grasos en el
aceite. El grado de insaturación del aceite
es importante, porque está relacionado con el
punto de fusión del mismo.
A mayor cantidad de insaturaciones, el punto
de fusión del aceite será menor. Sin embargo,
como los aceites naturales están compuestos
por diversos ácidos grasos (saturados e
insaturados) con distintos puntos de fusión,
ellos solidifican en realidad en un rango
amplio
de
temperaturas.
Dado
que
las
insaturaciones de los ácidos grasos se
mantienen luego de la transesterificación, el
punto
de
fusión
del
biodiesel
está
relacionado al del aceite de procedencia.
De igual forma a mayor grado de insaturación
(mayor índice de yodo) del aceite se obtendrá
23
un biodiésel con menor índice de cetano, es
decir menor calidad de combustión en los
motores, propiedad importante para la calidad
del biodiesel (Mittelbach, 1996). La norma
europea establece que el número de cetano no
debe ser menor a 51, los ácidos grasos
poliinsaturados
(mayor
insaturación)
se
caracterizan por tener
un número de cetano
de 47.
Figura 3. Índice de yodo de aceite de piñón
Los aceites con presencia de niveles altos de
insaturados tienden a oxidarse más fácilmente
debido a la escasez de átomos de hidrógeno en
su composición.
En los puntos donde se encuentran las
insaturaciones, las cadenas son atacadas por
el oxígeno, dando lugar a la formación de
peróxidos y, a partir de éstos, de polímeros
entre las distintas cadenas de ácidos grasos.
Estos polímeros, en el biodiesel, llevan a la
formación de depósitos sólidos en el motor o
al deterioro del aceite lubricante.
24
Este efecto se incrementa a mayor cantidad de
insaturaciones presentes en el aceite, y por
lo tanto a mayor índice de yodo (Mittelbach,
1996).
Los aceites vegetales se caracterizan por
tener mayor presencia de ácidos grasos
monoinsaturados y poliinsaturados como es el
ácido oleico y linoleico, en cambio las
grasas de cerdo o res, se observa la
presencia de alrededor de 50% de ácidos
grasos saturados en la grasa de cerdo y
alrededor de 70% en la de res, lo cual es una
de las principales diferencias con respecto a
la composición de los aceites vegetales. Los
residuos grasos están compuestos en su
mayoría por los ácidos esteárico, palmítico y
oleico.
3.2.8 Índice de saponificación
La saponificación consiste en una hidrólisis
alcalina de la preparación lipídica (con KOH
o NaOH). Los lípidos derivados de ácidos
grasos (ácidos monocarboxílicos de cadena
larga) dan lugar a sales alcalinas (jabones)
y alcohol, que son fácilmente extraíbles en
medio acuoso. No todos los lípidos presentes
en una muestra biológica dan lugar a este
tipo de reacción. Se distinguen por tanto dos
tipos de lípidos: lipidos saponificables y no
saponificables.
La saponificación es un proceso por el cual
los lípidos se vuelven jabones; los jabones
promueven la emulsión o solución de lípidos
en agua, por que trabajan como detergentes
25
disolviendo
los
lípidos
provocando
emulsiones, por lo tanto, el índice de
saponificación se define como los miligramos
de KOH necesarios para saponificar un gramo
de lípido.
Existen materias insaponificables comunmente
encontradas en aceites y grasas como son el
fósforo,
fosfolípidos
y
fosfátidos.
El
fósforo
frecuentemente
forma
parte
de
moléculas
de
lecitina,
que
es
buen
emulsificante (sustancia que favorece la
formación de mezclas estables entre grasas o
aceites y agua).
Si el aceite tiene alto contenido de fósforo,
se formarán emulsiones durante el proceso de
decantación (separación de la glicerina luego
de la transesterificación) y durante el
lavado
del
biodiesel,
lo
cual
lleva
finalmente a pérdidas en el rendimiento del
proceso.
En general, el contenido de hasta 20 ppm de
fósforo es aceptable para la producción de
biodiesel, sin embargo, la experiencia en
diversas fábricas en Europa muestra que
niveles de 3 a 4 ppm son adecuados, y con 5 a
6 ppm ya se presentan problemas mayores de
emulsión. El control de este parámetro en
cada
lote
de
aceite
recibido
para
la
producción
de
biodiesel
es
altamente
recomendable (Matthys, 2003).
26
3.2.9 Insolubles y agua
El contenido de insolubles en un aceite
vegetal debe mantenerse menor a un 0.8% para
que
el
biodiesel
cumpla
con
las
especificaciones europeas. Estas sustancias
no
participan
en
el
proceso
de
transesterificación, pero permanecen en el
ester (el biodiesel), y representan impurezas
en el combustible (Matthys, 2003).
El contenido de agua en un aceite produce la
hidrólisis de los triglicéridos, reacciona
con las uniones entre el glicerol y los
ácidos grasos y las rompe, produciendo ácidos
grasos libres, mono y diglicéridos y/o
glicerol. La hidrólisis resulta acelerada por
las altas temperaturas (mayor a 100 °C) y
presiones (mayor a 30 atm) y una excesiva
cantidad
de
agua.
Durante
la
transesterificación, la presencia de agua
puede causar la saponificación de los ésteres
y consumir el catalizador, reduciendo su
eficiencia. La presencia de agua tiene un
efecto aún más negativo que la de ácidos
grasos libres y debe mantenerse por debajo de
un 0.06%. (Lawson, 1994).
Figura 4. Impurezas en el biodiesel
27
3.3 Importancia de la calidad de los aceites
La calidad del biodiesel depende de la pureza
del aceite. Esta premisa nos obliga a
realizar diferentes pruebas o controles de
calidad
en
las
etapas
previas
a
la
transesterificación, como es, el análisis de
las propiedades fisicoquímicas del aceite que
influyen en la calidad del biodiesel.
La caracterización del aceite
facilita el
posible tratamiento
previo a la materia
prima, en este caso el aceite, con el fin de
evitar problemas durante el proceso y obtener
un producto que cumpla con los estándares de
calidad establecidos.
Las características recomendables para tener
un aceite de calidad son:

Bajo contenido de ácidos grasos libres,
puede
simplificar
el
proceso
de
transesterificación,
maximizar
su
eficiencia y rendimiento y reducir las
pérdidas en forma de jabones.
Uno de los principales parámetros a
modificar es el contenido de ácidos grasos
libres (% AG). Para poder realizar la
transesterificación, Van Gerpen (2005)
recomienda que el % AG debe ser inferior
al 5%, mientras que, Knothe et al (2005)
establecen que no debe superar el 2%.
En ambos límites se depende del tipo de
tecnología que se aplica en el proceso de
producción del biodiesel.
28
En grandes fabricas continuas, la acidez
de la materia prima se especifica en menos
de
0.1%.
En
pequeñas
fábricas
discontinuas, los valores de 3 o 4 % son
perfectamente
admisibles,
y
puede
producirse el biodiesel cumpliendo todos
los estándares de calidad.

Bajo
contenido
de
insaponificables,
especialmente gomas y fosfolípidos, que
pueden dar lugar a menores rendimientos en
la
producción
de
biodiesel
y
a
la
formación de impurezas y depósitos durante
su combustión en el motor.

Bajo contenido de agua (problema que puede
existir cuando se trabaja con aceites
usados), ya que el agua favorece la
formación de ácidos grasos libres y de
jabones.

Bajo contenido de fósforo,
emulsiones
durante
el
producción y purificación del
de insolubles que constituyen
el combustible.

Bajo índice de yodo, siempre y cuando el
clima del lugar donde será utilizado el
biodiesel lo permita.
para evitar
proceso
de
biodiesel, y
impurezas en
A menor índice de yodo, mayor será la
estabilidad del combustible, con estas
características
puede
ser
almacenado
durante más tiempo tanto antes de su uso
como
en
el
mismo
motor
sin
sufrir
degradación.
29
Sin embargo,
a menor índice de yodo, el
combustible
empezará
a
cristalizar
(solidificar)
a
mayores
temperaturas,
impidiendo su uso en climas fríos.
Por esta razón debemos dar preferencia a
los
aceites
con
ácidos
grasos
monoinsaturados en lugar de utilizar los
ácidos saturados.

No se requiere obligatoriamente utilizar
un aceite totalmente refinado. Muchos de
los pasos de la refinación del aceite para
fines comestibles (como la desodorización
o el blanqueado) son innecesarios al
momento de producir biodiesel, y sólo
añadirían a los costos del combustible.
Los procesos de refinamiento que sí son
necesarios, son los de refinación química;
neutralización y desgomado del aceite
(Matthys, 2003).
En el Cuadro 4 se muestran en forma resumida
las propiedades fisicoquímicas del aceite
vegetal que afectan la calidad del biodiesel
y definen si es necesario un pretratamiento
del
aceite
antes
de
someterlo
a
transesterificación,
para
garantizar
un
biodiesel de calidad.
30
Cuadro 4. Propiedades fisicoquímicas del aceite que
influyen en la calidad y producción de biodiesel.
Factores que influyen en la calidad del Biodiesel
Índice de peróxido
Índice de yodo
Contenido de
insolubles
Índice de acidez
Contenido de fosforo
Contenido de agua
Alto
índice
de
peróxido
indica proceso de oxidación en
marcha, el biodiesel empieza
en un proceso de degradación
oxidativa.
Alto índice de yodo
puede
indicar menor punto de fusión
y mejores propiedades de flujo
en frío.
Bajo índice de yodo
indica
mejor
estabilidad
a
la
oxidación
y
polimerización
(mayor riesgo de formación de
sólidos), y mayor número de
cetano
(mejor
calidad
de
combustión).
Insolubles
en
el
aceite
resultan en insolubles en el
biodiesel, que pueden causar
problemas en el motor.
Alta acidez interfiere en la
transesterificación
alcalina,
produciendo jabones.
Genera emulsiones durante la
producción y purificación del
biodiesel.
Genera hidrólisis del aceite,
producción de ácidos grasos
libres
y en presencia del
catalizador,
producción
de
jabones.
Fuente: Castro et al, 2007.
31
Las características fisicoquímicas de los
aceites vegetales varían dependiendo de su
origen, como se puede observar en el Cuadro
5.
El aceite de palma tiene el mayor índice de
acidez con 4.95%,
un aceite con
alto
contenido de ácidos grasos libres afectan el
rendimiento de la reacción, producen un gran
porcentaje de pérdidas por refinamiento,
afectan
el
rendimiento
de
la
alcalina
tradicional
(Mittelbach, 2004), aumentan los costos de
producción y generan mayor gasto energético.
El aceite de soya es la materia prima más
usada en la producción del biodiesel y es la
oleaginosa que más se produce en el mundo,
principalmente para la utilización de la
harina
de
soya
como
proteína
en
la
alimentación humana y como forraje para
animales (Avellaneda, 2010).
Al
igual
que
su
aceite,
el
biodiesel
producido presenta altos índices de yodo (121
– 143 g I2/100g) como se puede observar en el
Cuadro 5, que no le permiten cumplir la
normativa EN 14214 sin ayuda de aditivos
oxidantes; es el mismo caso para el aceite de
girasol cuyo índice de yodo es de 127-142 g
I2/100g. En cambio si comparamos el aceite de
piñón (96-101 I2/100g) e higuerilla (85
I2/100g) podemos observar que están por
debajo de lo que establece la norma EN14214
que el máximo permitido es de 120 g I2/100g.
32
Como podemos observar la caracterización
fisicoquímica es importante ya que nos
permitirá conocer la calidad de los aceites
vegetales para la producción de biodiesel.
Cuadro 5. Características fisicoquímicas de diferentes
aceites vegetales.
Tipos de
aceite
V
(mm2s-1 a
40° C)
D
(gcm-3 )
ÍA
(%)
ÍY
(g
I2/100
g)
S
(mg
KOH/g)
MI
(%)
Soya
33.1
0.914
1.5
121-143
190-194
1
Colza
37.3
0.912
-
96-117
-
-
Girasol
34.4
0.916
-
127-142
-
-
Palma
39.6
0.918
4.95
53-57
196-206
0.3
Referencia
Pinzi et
al., 2009;
Canakci y
Sanli,
2008
Pinzi et
al., 2009;
Canakci et
al., 2008
Pinzi et
al., 2009;
Canakci et
al., 2008
Agarwal,
2007;
Mittelbach
y
Remschmidt
et al.,
2004
Piñón
mexicano
30.92
0.898
3.19
96-101
250
0.4
Martínez
et al.,
2011
Higuerilla
297
-
1.77
85
117-187
0.5
Martínez
et al.,
2011
Viscosidad (V), Densidad(D), Indice de ácidez (IA), Indice
de Yodo (IY), Saponificación (S), Material Insaponificable
(MI).
33
4. Biodiesel
El biodiesel o FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
es un combustible renovable proveniente de
aceites vegetales o grasas de origen animal,
que puede ser usado total o parcialmente para
reemplazar el combustible diesel de los
motores de autoignición sin requerir una
modificación
sustancial
de
los
mismos
(Agarwal, 2007)
El biodiesel, además de provenir de una
fuente renovable, puede ser almacenado en los
mismos lugares donde se almacena el diesel de
petróleo sin cambios de infraestructura. Es
un
combustible
más
seguro
y
fácil
de
manipular debido a su alto punto de ignición
(flash
point)
(aproximadamente
150
°C)
comparado
con
el
del
diesel
que
es
aproximadamente 60 °C (Van Gerpen, 2005).
El uso del biodiesel como combustible y
aditivo ha sido aprobado en Estados Unidos
por la Agencia de Protección del Medio
Ambiente
(EPA).
Es
catalogado
como
un
combustible limpio, siempre y cuando sus
características fisicoquímicas se encuentren
dentro de las especificaciones de las normas
europeas. La norma estándar es la UNE EN
14214; en el caso de Norteamérica la norma
estándar es la ASTM D6751 (EPA, 2002).
La mezcla de biodiesel con diesel más común
es la que tiene 20% de biodiesel y 80% de
diesel, más conocida como B20. Pero en
algunos países industrializados ha sido usado
con eficacia en mayores proporciones (B30), e
incluso en su forma pura (B100). El biodiesel
34
también
se
usa
como
calefacción (EBB, 2009).
combustible
para
Los aceites vegetales están constituidos por
moléculas (ésteres) de ácidos grasos y
glicerol. A este último los aceites y grasas
le deben su elevada viscosidad. Mediante la
transesterificación (Figura 5) se reemplaza
el glicerol (alcohol trivalente) por un
alcohol monovalente (mas ligero), usualmente
metanol o etanol, formando moléculas más
pequeñas (ésteres monoalquílicos o FAME) con
viscosidad similar a la del combustible
diesel derivado del petróleo.
Figura 5. Reacción de transesterificación
5.
Calidad de Biodiesel
La calidad del biodiesel determina el f
uncionamiento y la vida útil de los motores
diesel, de igual manera determina el éxito en
el mercado y la satisfacción o el rechazo de
sus consumidores, principalmente a largo
plazo.
La composición química del biodiesel y del
diesel fósil es diferente. El diesel no
contiene
oxígeno
y
contiene
30-35%
de
35
hidrocarburos aromáticos, 65-70% de parafinas
y trazas de olefinas, teniendo componentes
principalmente en el rango de 10 a 16
carbonos. El biodiesel contiene ácidos grasos
de alquilésteres principalmente en el rango
de 16 a 18 carbonos, con un contenido de
oxígeno del 11% (Mittelbach y Remschmidt,
2004).
Existen diversos factores que influyen en la
calidad del biodiesel como son: el tipo,
calidad y cantidad de alcohol utilizado; el
tipo
de
catalizador
utilizado;
las
condiciones físicas del proceso: temperatura,
agitación,
presión,
tiempo,
pero
principalmente la calidad del aceite.
5.1 Estándares de calidad de biodiesel
Las
principales
normas
técnicas
para
biodiesel son la europea EN 14214 (European
Committee
for
Standarization)
y
la
estadounidense ASTM D6751 (American Standard
Test Methods).
En la actualidad podemos encontrar normas
estandarizadas (UNE EN 14214 y ASTM D6751)
que garantizan la calidad del biodiesel, y se
basan en una serie de parámetros físicos y
químicos
establecidos
para
medir
sus
propiedades. El cumplimiento de éstos es
necesario para que el biodiesel pueda ser
comercializado.
Las
materias
primas
utilizadas
en
la
producción de biodiesel son diversas, y el
uso de unas u otras, implica importantes
36
diferencias en las propiedades del biodiesel
obtenido.
Además hace poco fue implementada la norma
ASTM
D7467
para
regular
la
mezcla
de
biodiesel con diesel de 6 a 20% v/v (B6 a
B20).
Por su parte la norma europea CEN EN 590, que
regula la calidad de los gasóleos y mezclas
de hasta el 5% de biodiesel, establece que
todo
biodiesel
mezclado
en
diesel
convencional debe cumplir con los estándares
de la EN 14214. En el Cuadro 6 se presentan
los
parámetros
físicos
y
químicos
establecidos en la EN 14214 para determinar
la calidad del biodiesel a partir de aceites
vegetales.
Cuadro 6. Requerimientos de biodiesel según la norma
europea
EN
14214
(European
Committee
for
Standarization, CEN).
Propiedad
Unidades
Mínimo
Contenido de
Metil Esteres
% p/p
96.5
Densidad
(15 °C)
kg/m3
860
900
EN ISO
3675
Viscosidad
(40 ° C)
mm2/s
3.5
5
EN ISO
3104
°C
120
mg/kg
-
Punto
de
Inflamación
Contenido
azufre
de
37
Máximo
Método
EN14103
EN ISO
3679
10
EN ISO
20846
Continuación…
Residuo
carbonoso
Conradson
% p/p
-
Número de
cetano
0.3
EN ISO
10370
EN ISO
5165
51
Contenido
de cenizas
sulfatadas
% p/p
-
0.02
ISO
3987
Contenido
de agua
mg/kg
-
500
EN ISO
12937
-
24
EN 12662
-
Clase 1
EN ISO
2160
Contaminación
total
mg/kg
Corrosión a la
lámina de
cobre
Estabilidad a
la oxidación
h (110 °C)
6
Índice
de acidez
mgKOH/g
-
0.5
EN 14104
Índice
de Yodo
gI2/100g
-
120
EN 14111
Metil
linolenato
% p/p
-
12
EN 14103
38
EN 14112
Continuación…
Metilesteres
poli
insaturados
% p/p
-
1
Contenido de
metanol
% p/p
-
0.2
Contenido de
mono
glicéridos
% p/p
-
0.8
EN 14105
Contenido de
di glicéridos
% p/p
-
0.2
EN 14105
Contenido de
triglicéridos
% p/p
-
0.2
EN 14105
EN 14103
EN 14110
Las diferencias entre ellas no sólo incluyen
los estándares de calidad considerados y los
valores límites aplicados a cada uno de
ellos, sino también, los métodos de medida,
que aunque en muchos casos se tratan de
técnicas similares, emplean procedimientos
distintos
que
implican
una
difícil
comparación entre los valores límite de los
estándares.
Los aspectos más importantes que se deben
procurar en la producción de biodiesel para
asegurar una operación libre de problemas en
los motores diesel son:
39

Reacción completa (evitar la presencia de
mono, di y triglicéridos).

Eliminación de la glicerina.

Eliminación
sustancias.

Eliminación de alcohol.

Ausencia de ácidos grasos libres.

Ausencia de agua en el producto final.
del
catalizador
y
otras
Si alguno de estos aspectos no se considera
para
cumplir
con
las
especificaciones
recomendadas, se presentan diferentes tipos
de
problemas
en
el
motor
tales
como,
formación de depósitos en las boquillas de
inyección, corrosión, entre otros.
Otros aspectos, tales como la eliminación del
metanol, son de importancia desde el punto de
vista
de
la
manipulación
segura
del
combustible.
Por otro lado el biodiesel en función de la
naturaleza de la fuente, animal o vegetal, le
dará características particulares al nuevo
combustible.
Por estas razones, se debe realizar una serie
de ensayos para comprobar la calidad del
combustible, que dependerá del nivel de
impurezas remanentes en el producto final.
Las
especificaciones
propuestas
por
la
40
normativa EN 14214 son las que se describen a
continuación en el Cuadro 7:
Cuadro 7. Estándares de calidad propuestas por la EN
14214.
Parámetro
Punto de
inflamación
Relación con la calidad del biodiesel
y su producción
Este
parámetro
se
utiliza
para
evaluar el riesgo de inflamación de
un material. En el biodiesel este
límite se utiliza para garantizar que
todo el exceso de metanol haya sido
removido en el biodiesel.
El exceso de metanol además puede
afectar a las bombas de combustible,
sello
y
empaquetaduras,
y
que
provoque una mala combustión.
Temperatura de
destilación 90%
de recuperación
El
biodiesel
tiene
un
punto
de
destilación, que se ubica en el rango
más alto de la curva del diesel. Este
parámetro se incorpora para controlar
que el combustible no haya sido
contaminado con materiales de mayor
punto de evaporación.
Residuo de
carbón
La formación de depósitos carbonosos
en el biodiesel puede deberse a una
incompleta
(presencia
de
mono,
di
y
triglicéridos). Combustible oxidado
durante su almacenamiento.
41
Continuación…
Parámetro
y su producción
Viscosidad
cinemática a
40°C
Algunos
motores
requieren
una
viscosidad mínima para evitar pérdida
durante la inyección de combustibles
(lo
cual
no
es
problema
con
el
biodiesel,
que
suele
tener
mayor
viscosidad que el diesel).
La
viscosidad
del
biodiesel
viene
determinada por el aceite de origen, y
por
su
contenido
en
mono,
di
y
triglicéridos. Una transesterificación
completa es necesaria para asegurar el
cumplimiento de este parámetro.
Contaminación
total
Este parámetro se refiere al contenido
de gotas de agua y partículas que
sedimentan en el combustible. Técnicas
inadecuadas de secado del biodiesel o
contacto
con
agua
durante
el
transporte pueden afectar la calidad
del biodiesel.
Azufre total
El azufre se controla para evitar las
emisiones de óxidos de azufre a la
atmósfera
y
para
minimizar
la
corrosión y desgaste.
El biodiesel
por lo general contiene menos del 15
ppm de azufre.
Corrosión en
lámina de
cobre
Esta
prueba
indica
problemas
potenciales con la presencia de partes
de cobre o bronce en el sistema del
combustible. El contacto prolongado
del biodiesel con estos metales si
puede
causar
la
degradación
del
combustible
y
la
formación
de
depósitos.
42
Continuación…
Parámetro
y su producción
Este
parámetro
asegura
que
el
combustible
pueda
ser
almacenado
durante largo tiempo sin riesgo para
Estabilidad de
su
calidad.
Esto
depende
oxidación a
principalmente
del
aceite
que
da
110 °C
origen al biodiesel. A mayor nivel de
insaturación, menor estabilidad a la
oxidación.
Número de
cetano
El biodiesel tiene por su propia
naturaleza un número de cetano mayor a
la del diesel. Depende del nivel de
saturación
del
aceite
de
origen.
Aceite o grasas altamente saturados
tendrán un número de cetano muy alto
(70 o mas). Aceites poliinsaturados
tendrán un menor número de cetano de
alrededor de 47.
Ceniza
sulfatada
Depende principalmente de la cantidad
de catalizador residual presente en el
biodiesel
o
de
cualquier
otro
compuesto
que
produzca
cenizas
(jabones
y
sólidos
abrasivos).
El
lavado
del
biodiesel
asegura
el
cumplimiento de este parámetro.
Índice de
acidez
Indica la presencia de ácidos grasos
libres en el biodiesel debido a: la
producción inadecuada y combustible
degradado durante su almacenamiento.
Altos índices de acidez han sido
asociados a depósitos en el sistema de
combustible y a una menor vida útil de
bombas y filtros de combustibles.
43
Continuación…
Parámetro
y su producción
Índice de Yodo
A mayor insaturación de los ácidos
grasos (mayor indice de yodo), mayor
riesgo de contaminacion y dilución del
aceite
lubricante
con
el
biocombustible. Esto dependera del
origen del aceite.
Glicerina libre La glicerina libre indica presencia de
glicerol residual en el biodiesel,
debido a deficiencia en su lavado o
purificación.
La
glicerina
total
indica presencia de glicerol residual
Glicerina total
y de mono, di y trigliceridos debido a
su transesterificación incompleta.
Metanol
El exceso de metanol incrementa los
riesgos de incendio, puede afectar a
las bombas de combustibles, sellos y
empaquetaduras y resultar una mala
combustión. Se requiere evaporar el
exceso de metanol después de una
transesterificación.
Metales del
grupo I (Na, K)
Metales del
grupo II (Ca,
Mg)
Parámetro incorporado por la norma
europea y americana para controlar la
pureza del biodiesel. Un buen proceso
de lavado del biodiesel asegura una
pureza suficiente para cumplir con
estos parámetros.
Contenido de
ester
Mide la pureza del biodiesel. Depende
de una transesterificación completa y
un lavado y purificación suficientes.
44
Continuación…
Parámetro
y su producción
Su presencia puede llevar a depositos
en
el
tanque
de
almacenamiento,
sistema de combustible y motor. Su
Monoglicéridos,
presencia
muestra
una
reacción
Digliceridos,
incompleta.
Ajustar
cantidad
de
Trigliceridos
metanol y catalizador utilizados, y/o
incrementar
temperatura,
tiempo
y
agitación durante la reacción.
Métilester de
acido
linolenico
Ésteres
insaturados C4
y mayores.
Parámetro incorporado por la norma
europea para limitar la presencia de
ácidos grasos poliinsaturados en el
biodiesel, los cuales favorecen la
dilución del aceite lubricante.
La
presencia de acido linolénico depende
del aceite vegetal de origen.
Contenido de
fosforo
Fuente: Castro et al., 2007.
6. Laboratorio de bioenergía para análisis de
calidad de aceite y biodiesel
El INIFAP estableció en 2010 el primer
laboratorio de calidad de biodiesel en
México. Este centro de investigación, se puso
en marcha en abril de 2010 en el Campo
Experimental Rosario Izapa ubicado en el
municipio de Tuxtla Chico en el estado de
Chiapas, con equipo de la más avanzada
tecnología para realizar análisis de calidad
45
de las materias primas, calidad del aceite y
calidad del biodiesel obtenido a partir de
diferentes insumos bioenergéticos.
El laboratorio
apoya a
las actividades de
investigación
del
Instituto
y
otras
instancias, en la selección de variedades de
cultivos con potencial bioenergético, como es
el caso del piñón, la higuerilla, el corozo,
entre otros.
Este laboratorio dispone de una
planta
experimental para la producción de biodiesel,
primera registrada a nivel nacional ante la
SENER, con capacidad para producir 200 litros
diarios de biodiesel a partir de cualquier
tipo de aceite vegetal.
En el laboratorio se pueden analizar 12
parámetros fisicoquímicos para la calidad de
aceite y 21 para la calidad de biodiesel,
como
son,
entre
otros:
caracterización
fisicoquímica de los aceites, determinación
de los perfiles de ácidos grasos, esteres de
metilo de ácido linoléico y poliinsaturados,
contenido de metanol, contenido en mono, di y
triglicéridos,
glicerol
libre
y
total,
estabilidad de oxidación, corrosión, punto de
inflamación, viscosidad, densidad, humedad,
índice de yodo e índice de acidez de
biodiesel.
El laboratorio de biodiesel permitirá la
aplicación de metodologías para el monitoreo
de
los
insumos
agrícolas
con
valor
bioenergético lo que impulsará el desarrollo
de cultivos bioenergéticos de alta calidad en
nuestro país. La creación de este laboratorio
46
fortalece
la
capacidad
de
respuesta
institucional ante la demanda de producción y
desarrollo de los biocombustibles a partir de
cultivos con potencial bioenergético.
7. Perspectivas
Los cultivos energéticos constituyen la base
para la producción de biocombustibles con la
ventaja de poderse cultivar en cualquier
parte del mundo. Representan parte de la
solución en la búsqueda de la autosuficiencia
energética de los países. La producción de
biocombustibles
a
gran
escala
puede
contribuir a minimizar la dependencia de los
combustibles fósiles y los efectos del cambio
climático.
En los cultivos agrícolas con potencial
bioenergético es importante determinar la
calidad de los aceites y del biodiesel con
los estándares internacionales, con el fin de
garantizar su eficiencia en los motores.
Las ventajas y el potencial de algunos
cultivos bioenergéticos se deben impulsar
para alcanzar el desarrollo de la tecnología
y su innovación, que permitan lograr una
producción
rentable,
competitiva
y
ambientalmente sustentable.
En virtud de la gran diversidad genética y
bioquímica en cultivos bioenergéticos como el
piñón mexicano (Jatropha curcas L.) y la
higuerilla (Ricinus communis L.) expresada
tanto en contenido de aceites como en
47
composición de ácidos grasos, es altamente
factible seleccionar materiales genéticos que
cumplan con los estándares internacionales de
calidad
que
requieren
el
aceite
y
el
biodiesel.
48
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Zhang
Y.,
Kates.
cooking
A.
Dubee
A.,
D.
Mclean
D.,
M.
2003. Biodiesel production from waste
oil:
technological
1.
Process
assessment.
Technology. 89:1–16.
61
design
and
Bioresource
9. Agradecimientos
Los autores manifiestan el agradecimiento al
Gobierno Federal a través de la Secretaria de
Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca
y Alimentación por el apoyo a los proyectos
“Estudio de Insumos para la Obtención de
Biocombustibles en México”, “Mejoramiento de
Insumos Agropecuarios para la producción de
Biocombustibles”
y
la
impresión
de
ésta
publicación.
62
Para mayor información sobre el contenido de este
documento y otras tecnologías, diríjase a:
INSTITUTO NACIONAL DE INVESTIGACIONES FORESTALES,
AGRÍCOLAS Y PECUARIAS
Progreso Núm.5. Col. Barrio de Santa Catarina
04010 Delegación Coyoacán, México, D.F.
www.inifap.gob.mx
DIRECCIÓN DE COORDINACIÓN Y VINCULACIÓN DEL
INIFAP EN CHIAPAS
Km. 3 Carretera Ocozocoautla. Cintalapa
Tel: 019686882911 al 18
C.P. 29140 Ocozocoautla de Espinosa, Chiapas.
[email protected]
CAMPO EXPERIMENTAL ROSARIO IZAPA
Km. 18 Carretera Tapachula – Cacahoatán
Tuxtla Chico, Chiapas
Apartado Postal Núm. 96
C.P. 30700 Tapachula, Chiapas
[email protected]
63
Centros Nacionales de Investigación
Disciplinaria, Centros de
Investigación Regional y
Campos Experimentales
Sede de Centro de Investigación
Regional
Centro Nacional de Investigación
Disciplinaria
Campo Experimental
Comité Editorial del CIRPAS
Presidente
Dr. René Camacho Castro
Secretario
Dr. Rafael Ariza Flores
Vocales
Dr. Pedro Cadena Iñiguez
Dr. Martín Gómez Cárdenas
Dr. Guillermo López Guillén
MC. Leonardo Hernández Aragón
MC. Marino González Camarillo
Edición
Dr. Alfredo Zamarripa Colmenero
Revisión Técnica
Dr. Juan Francisco Aguirre Medina
Dr. Guillermo López Guillén
Formación y Diseño
Ing. José Luis Solís Bonilla
Fotografía
Archivo del programa de bioenergéticos del campo
experimental Rosario Izapa
Código INIFAP
MX-0-310101-52-07-34-09-24
Esta publicación se terminó de imprimir en el mes
de Noviembre de 2011 en la imprenta Soluciones de
Impresión Xpress 3ª Av. Norte 17. Col. Centro.
CP. 30700. Tapachula, Chiapas. México
Su tiraje consta de 550 ejemplares.
Ing. Víctor Hugo Díaz Fuentes
Jefe de Campo Experimental Rosario Izapa
Lic. Verónica Villa Martínez
Jefe Administrativo
Personal investigador
INVESTIGADOR
PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN
Aguirre Medina Juan Francisco, Dr.
Alonso Báez Moisés, Dr.
Avendaño Arrazate Carlos Hugo, Dr.
Castellanos Juárez Marbella, Q.F.B.
Gallardo Méndez Richar Arnoldo, Ing.
Grajales Solís Manuel, M.C.
Hernández Gómez Elizabeth, Ing.
Iracheta Donjuan Leobardo, Dr.
López Navarrete María Consepsión, M.C.
López Gómez Pablo, Ing.
López Guillen Guillermo, Dr.
Maldonado Méndez J. de J., M.C.
Martínez Valencia Biaani Beeu, M.C.
Méndez López Ismael, Dr.
Mendoza López Alexander, M.C.
Olivera de los Santos Aída, M.C.
Palacio Martínez Víctor, M.C.
Ruíz Cruz Pablo Amín, Ing.
Sandoval Esquivez Alfredo. Dr.
Solís Bonilla José Luis, Ing.
Zamarripa Colmenero Alfredo, Dr.
Suelo y Agua
Suelo y Agua
Recursos Genéticos
Biotecnología
Bioenergía
Suelo y Agua
Sanidad Vegetal
Biotecnología
Frutales Tropicales
Biotecnología
Sanidad Vegetal
Bovinos Doble Propósito
Bioenergía
Industriales Perennes
Sanidad Vegetal
Industriales Perennes
Frutales Tropicales
Bioenergía
Frutales Tropicales
Bioenergía
Bioenergía

Calidad fisicoquímica de insumos bioenergéticos para la

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