TECNOLOGA QUMICA Vol. XXXIII, No. 2, mayo-agosto, 2013134

Estudio de la obtencin de biodiesel a partir deaceite comestible usado

Study for the Obtention of Biodiesel From UsedEdible Oil

Ing. Marilin Garca-Daz, mgarcia@quimica.cujae.edu.cu, MSc. Jos Gandn-Hernndez,Ing. Yudisel Maqueira-Tamayo

Facultad de Ingeniera Qumica, ISPJAE, CUJAE, La Habana, Cuba

Nuestro pas actualmente no cuenta con una estrategia para utilizar racionalmente el volumen deaceite vegetal usado que se genera en la industria alimentaria y el sector turstico proveniente delproceso de fritura, es por eso que el presente trabajo tiene como objetivo estudiar la obtencin delbiodiesel a partir de aceites comestibles usados y metanol. Las cantidades de aceite y reactivospara que se desarrolle la reaccin de transesterificacin, mediante la cual se obtiene biodisel yglicerina, se fijaron a partir de bsqueda bibliogrficas. Se procedi a caracterizar el aceiteempleado como materia prima. Posteriormente se llev a cabo la fase experimental a nivel delaboratorio. Como resultado de los experimentos se obtuvo un 88,385 % de rendimiento, valor quese encuentra en el orden de los reportados en la bibliografa consultada. La tcnica usada en ellaboratorio se puede escalar a otros niveles.Palabras clave: aceites vegetales, transesterificacin, biodiesel, aceite comestible.

Our country currently lacks a strategy to rationally utilize the volume of waste vegetable oilgenerated in the food industry and the tourism sector from the frying process, which is why this paperaims to study the production of biodiesel from used edible oils and methanol. The quantity of oiland reagents for the development of the transesterification reaction, by which biodiesel andglycerin is obtained, starting from fixed literature search. Then we proceeded to characterize theoil used as feedstock and subsequently the experimental phase in the laboratory was carried out.As a result of the experiments 88,385 % yield, this value is in the order of those reported in theliterature. The technique used in the laboratory can be scaled to other levels.Key words: vegetable oils, transesterification, biodiesel, used edible oils.

Fecha recepcin: mayo/2012; aceptacin/publicacin: nov. 2012/mayo2013, pgs. 134-138

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Introduccin

En la industria alimentaria y en el sector hoteleroactualmente se generan grandes volmenes de aceitevegetal usado debido a la gran demanda que hantenido los productos fritos, constituyendo un problemadesde el punto de vista medio ambiental as comopara la salud de los consumidores.

Desde hace aos se sabe que el aceite no debeser reutilizado en la elaboracin de alimentos, almenos no con frecuencia, debido a que las altastemperaturas a que debe ser sometido para freralimentos generan la liberacin de agentescancergenos como el benzopireno, un elementoque tambin est presente en el humo del tabaco.Algunas de las dolencias ms comunes del excesode frituras tienen relacin con el colon, problemasvasculares e incluso, un posible cncer gstrico.

Esto se relaciona con los usos que se le da a esteproducto, que algunos, por las condiciones de trabajoy porque resulta muy caro, continan utilizndoloindiscriminadamente. En otros casos, se viertedirectamente a los suelos, ros, mares, entre otros, loque provoca afectaciones al ecosistema del lugar.Esta situacin ha conllevado a que se trabaje en labsqueda de alternativas para el uso de estos aceites.A nivel mundial, una solucin a este problema esutilizarlo para la obtencin de biocombustible.

Los biocombustibles buscan renovar el consumode carburantes fsiles, debido a su bajo impactoambiental. Uno de los ms recientes que se puedecitar es el biodisel, el cual se utiliza como aditivo enmotores de combustin interna en forma de mezclaque contenga el 20 % y el 50 % de biodiesel (B 20,B 50) o directo que contenga el 100 % de biodiesel(B 100), y presentado caractersticas ptimas /1/.

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El biodiesel se obtiene a partir de aceitesvegetales, el mtodo ms habitual es latransformacin de estos aceites vegetales a travsde un proceso de combinacin con alcohol metlicoe hidrxido de sodio (NaOH), conocido comoreaccin de transesterificacin, producindoseun compuesto que se puede utilizar directamenteen un quemador o en un motor diesel sin modificar,obtenindose glicerina como subproducto. Laglicerina puede utilizarse en otras industrias comola farmacutica, de detergentes, etctera /2, 3/.

La utilizacin de este biocombustible resultaventajosa desde el punto de vista energtico, ymucho ms recomendable desde el punto de vistamedioambiental, por su menor nivel de emisin degases nocivos, en particular el dixido de carbono(CO2), que es el principal causante del efectoinvernadero. El biodisel es un productobiodegradable y su ciclo tiene adems, un "efectosumidero", es decir, la planta consume ms CO2del que se emite en la combustin /4/.

La no utilizacin de productos agrcolas, concaractersticas alimentarias, para la produccin decombustibles es un principio de la poltica estatalcubana; sin embargo en el caso de algunos desechos,su uso para la obtencin de fuentes alternativas hasido un tema frecuentemente estudiado.

Es por esto la necesidad de buscar combustiblesrenovables alternativos a los que se obtienen delpetrleo, no solo por la limitacin de este recurso,sino tambin por los problemas de contaminacinambiental creciente, y los biocombustibles sonuna opcin vlida. Por estas razones el objetivo deeste trabajo es estudiar la obtencin del biodiesela partir de aceites comestibles usados y metanol.

Mtodos utilizados y condicionesexperimentales

Para la obtencin del biodiesel es necesariomezclar aceite vegetal, ya sea usado o no, con unalcohol en presencia de un catalizador. A esteproceso se le denomina reaccin detransesterificacin. Luego que la reaccin sehaya completado y los nuevos productos hayandecantado se obtendr biodiesel y glicerina. El

combustible es de color mbar y fluye como aguay el jabn de color marrn, teniendo unaconsistencia gelatinosa queda en el fondo pudiendoser retirado por bombeo, sifonado o drenado /5/.

En este caso se emple aceite usadoproveniente de una empresa de elaboracin dealimentos, la cual tiene una planta de productosconformados en la que se pre-fren productosempanados y sin empanar. Particularmente seutiliz aceite proveniente de la lnea de productosempanados. Como alcohol se decidi utilizar elmetanol y como catalizador el hidrxido de sodio,ya que estos son los reactivos que ms se empleanen el mundo para la obtencin de biodiesel a partirde aceites usados.

La cantidad de aceite y alcohol que se empleanse determinan por relaciones estequiomtricas.En el caso del hidrxido de sodio cuando setrabaja con el aceite de cocina usado se debeponer ms leja que con el aceite nuevo, no paracatalizar la reaccin, sino para neutralizar loscidos grasos libres que se forman en el aceite alcocinarlo. Cuanto ms se haya calentado y mstiempo haya estado caliente, ms cidos grasoslibres contendr, y har falta ms leja paraneutralizarlos.

Si se coloca ms leja de la debida se formams jabn, el biodiesel queda muy alcalino, esdifcil lavarlo y se pierde produccin; o si laproporcin de jabn respecto al biodiesel es tal,que la mezcla se convierte en una pasta. Si no sepone suficiente leja, una parte del aceite quedarsin reaccionar /6/.

Por esta razn es necesario determinar lacantidad necesaria de catalizador a emplear, locual garantiza la caracterizacin del aceite utilizadopues esto es un indicador de la acidez del producto.La cantidad de catalizador a emplear se determina travs de valoraciones.

Luego se realiz una previa caracterizacin dela materia prima fundamental que es el aceite yposteriormente se desarroll un diseo deexperimentos para definir la cantidad de corridasexperimentales que permiten la determinacin delrendimiento del biodiesel obtenido a partir deaceite vegetal usado y metanol.

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Caracterizacin del aceite

La caracterizacin del aceite se realiz a partirde la determinacin de pH, densidad aparente yviscosidad. Para realizar la determinacin de pHse emple un pH metro. La densidad aparente sedetermin en el laboratorio a partir de conocer ladiferencia de peso entre una probeta llena deaceite y una vaca y dividindola entre su pesocomo se muestra en la ecuacin 1 /7/.

donde:: densidad, (g/mL)P1: probeta vaca, (g)P2: probeta con la muestra, (g)Vp: volumen de la probeta, (mL)

Para determinar la viscosidad se utiliz unviscosmetro capilar del tipo Ubbelohde, del cualse obtiene la viscosidad cinemtica expresada porla ecuacin 2: /8/

tc =donde:: viscosidad cinemtica, (mm2/s)c: constante aproximada,t: tiempo, (s)

Con esta viscosidad cinemtica y la densidaddel producto se obtiene la viscosidad dinmica(Pa.s) como se muestra en la ecuacin 3.

donde:: viscosidad dinmica (Pa.s)

Al biodiesel y la glicerina obtenidos de lareaccin tambin se les determin la viscosidad yla densidad.

Diseo de experimento

En el rendimiento, conversin y cintica de lareaccin de transesterificacin influyen diferentesvariables como son la calidad de la materia prima, eltipo y cantidad de catalizador, el tipo de alcohol, larelacin molar alcohol/aceite y las condiciones dereaccin como temperatura, presin y agitacin /9/.

Debido a esto se decidi realizar un diseo deexperimento factorial de 2k (donde k representalas variables o factores y 2 los niveles de estas)que permite determinar el nmero de corridasexperimentales necesarias y analizar la influenciade varios factores o variables sobre el rendimientode la reaccin de transesterificacin que es lavariable dependiente que se ha designado. Losfactores que se analizan en este estudio son latemperatura y la velocidad de agitacin. Losniveles son 30C, 50C y 250 rpm, 500 rpmrespectivamente. Para crear el diseo y elprocesamiento de los resultados se emple elprograma computacional Statgraphics.

Resultados y discusin

Se realizaron 4 valoraciones para verificar siexista una variacin considerable en la cantidadde hidrxido de sodio a emplear. La tabla 1muestra la cantidad de NaOH que se debe utilizarpara la reaccin de transesterificacin.

Tabla 1Cantidad de NaOH que se requiere para la materia prima empleada

PVPP 12 =

310 =

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Caracterizacin de las materias primas y productos finales

La prueba de pH se le realiz a la muestra de aceite resultando ser 6,2, por lo que se considera queel producto no est cido. En las tablas 2 y 3 se reflejan los resultados de la densidad y la viscosidadrespectivamente obtenidas para cada una de las muestras.

Tabla 2Densidades de las muestras

Tabla 3Viscosidades de las muestras

Se puede decir que estas densidades y viscosidades estn en correspondencia con las referenciadasen la literatura /10-12/. La viscosidad del biodiesel no se pudo obtener pues no cumpla con lasespecificaciones del viscosmetro empleado.

En el diseo de experimentos con vistas a aumentar los grados de libertad se decidi realizar una replicaen el punto central y una repeticin por lo se realizaron 10 experimentos cuyos resultados fueron procesadosen el Statgraphics en una matriz ortogonal como se muestra en la figura 1 a partir de valores codificados.

Fig. 1 Matriz ortogonal para un diseo factorial 22.

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Como se puede observar en la figura 2 el biodieselobtenido a nivel de laboratorio en este trabajo tienecaractersticas similares a los reportados en laliteratura. En la parte superior se observa el biodieselde color marrn y en la parte inferior la glicerina quees ms oscura, hay que tener en cuenta que el aceiteempleado no es el mismo por lo que el nivel deoxidacin puede influir en estos resultados.

2 A pesar de que se obtienen rendimientos superioresal 80 % los resultados demuestran que los nivelesde las variables independientes y/o las variablesno son significativos para la variable dependientefijada. Por esto se propone mejorar el diseo deexperimento con vistas a obtener un modelo quedescriba el comportamiento de la reaccin.

Bibliografa1. "Biocombustibles", Wikipedia, en http:/ /

es.wikipedia.org/wiki/Biocombustibles (08/02/2012)2. DEUDOR Malpazo, Yhon y colaboradores: "Empleo de

biocombustible como fuente de energa calorfica en elecuador", en 1http://www.unmsm.edu.pe/cedit/linked/empleo%20de%20biocombustibles%20en%20el%20peru.pdf(25/09/12).

3. "Procesos para Aceites Vegetales", enwww.engormix.com (01/01/12).

4. "Los aceites de cocina no generan ms emisionesde CO2 que los aceites puros para la produccin debiodiesel", en www.laflecha.net/canales /ciencia/noticias/los-aceites-de-cocina-no-generan-ms-emisiones-de-CO2-que-los-aceites-puros-para-la-produccin-de-biodiesel (03/02/2012).

5. "Combustible para motores diesel a partir del aceitev e g e t a l , i n f o r m a c i n g e n e r a l " . e nwww.energianatural.com.ar/biodiesel02.html (15/12/2012).

6. "Fenolftalena",enww.es.jorneytoforever.org/biocombustibles/como-hecer-biodiesel-2 (14/3/2012).

7. GARCEL P, Leonel: Transferencia de Cantidad deMovimiento, Calor y Masa. Segunda Edicin.Editorial Flix Varela, La Habana, Cuba, 2011.

8. Norma cubana para determinar la viscosidad.Viscosmetros Capilares. NC: 90-13-16/1981. Comitestatal de normalizacin. Nivel Central. MunicipioHabana Vieja.

9. BENJUMEA H, Pedro; N. AGUDELO S, John R.; JAIMECANO, Gabriel: "Estudio experimental de las variablesque afectan la reaccin de transesterificacin del aceitecrudo de palma para la produccin de biodiesel", enScientia et Technica, Ao X, No 24.

10. "As hace Biodisel en su casa", http:/ /www.atinabiotec.cl /content/view/212/Asi-hace-Biodiesel-ensucasa.html (7/02/2012).

11. "Densidad y Viscosidad. Dinmica de Biodiesel deAceite Vegetal", en www.imiq.com.mx/convencion/web/SESIONES/VM-3-3.pdf (12/03/12).

12. "Viscosidad y densidad de la glicerina", enwww.buenastareas.com /materias/...y-densidad-de-la-glicerina/ (08/06/12).

13. "Biodiesel y glicerina/aceites usados", en http://www.revistauniversa.com/articulo/obtencion-de-biodiesel-a-partir-de-aceite-residual-domestico/&usg (10/09/2012).

(a) (b)

Fig. 2 Imgenes de la separacin delbiodiesel y la glicerina obtenidos apartir de aceites usados (a) segnreferencia /13/ y (b) nivel delablaboratorio.

Los resultados del procesamiento estadstico seanalizan a partir de las pruebas de calidad de ajustede la regresin. La primera que es el nivel deconfiabilidad, R2 es de 75,78 %. Para la bondad deajuste del modelo se realiza la prueba "F" donde sedebe cumplir que el valor sea menor que el nivel deconfiabilidad (0,05), para la cual ninguno de loscoeficientes cumple estas condiciones. La ltimaprueba es la del anlisis de los residuos donde hayque verificar que los errores son independientes. Atravs de la prueba de Durbin-Watson se compruebaque ste est cercano a 2 a partir de que se cumplaque el valor p sea mayor el nivel de confiabilidad. Eneste caso se cumple esta condicin. Como estaspruebas son excluyentes al no cumplirse una deestas se concluye que el modelo no es satisfactorio.

Conclusiones1 El biodisel y la glicerina que se obtienen poseen

caractersticas similares a los reportados en laliteratura aunque se debe definir el nmero deveces que se ha utilizado la materia prima(aceite) pues solo as se podrn compararadecuadamente los resultados.