La producción de biodiésel es el proceso de producir el biocombustible , biodiésel , a través de las reacciones químicas de transesterificación y esterificación . [1] Este proceso produce un producto (química) y subproductos .
Las grasas y aceites reaccionan con alcoholes de cadena corta (típicamente metanol o etanol ). Los alcoholes utilizados deben ser de bajo peso molecular. El etanol es el más utilizado debido a su bajo costo, sin embargo, se pueden alcanzar mayores conversiones en biodiesel utilizando metanol. Aunque la reacción de transesterificación puede ser catalizada por ácidos o bases, la reacción catalizada por bases es más común. Esta vía tiene tiempos de reacción y costo de catalizador más bajos que la catálisis ácida. Sin embargo, la catálisis alcalina tiene la desventaja de una alta sensibilidad tanto al agua como a los ácidos grasos libres presentes en los aceites. [2]
Los principales pasos necesarios para sintetizar biodiésel son los siguientes:
Las materias primas comunes utilizadas en la producción de biodiésel incluyen:
La lignocelulosa genera subproductos que actúan como inhibidores enzimáticos , como el ácido acético , el furfural , el ácido fórmico y la vainillina , y estos inhibidores químicos afectan el crecimiento celular . [4]
El aceite reciclado se procesa para eliminar las impurezas resultantes de la cocción, el almacenamiento y la manipulación, como la suciedad, los alimentos carbonizados y el agua. Los aceites vírgenes se refinan, pero no hasta un nivel apto para uso alimentario. El desgomado para eliminar los fosfolípidos y otras materias vegetales es común, aunque los procesos de refinamiento varían. [ se necesita una mejor fuente ] [5] El agua se elimina porque su presencia durante la transesterificación catalizada por una base da como resultado la saponificación (hidrólisis) de los triglicéridos, lo que produce jabón en lugar de biodiésel. [ cita requerida ]
Luego, se prueba una muestra de la materia prima limpia mediante titulación contra una solución base estandarizada, para determinar la concentración de ácidos grasos libres presentes en la muestra de aceite vegetal. [ cita requerida ] Luego, los ácidos se eliminan (normalmente a través de neutralización) o se esterifican para producir biodiésel [ cita requerida ] (o glicéridos [ cita requerida ] ).
La transesterificación catalizada por bases hace reaccionar los lípidos (grasas y aceites) con alcohol (normalmente metanol o etanol ) para producir biodiésel y un coproducto impuro, el glicerol . [6] Si se utiliza aceite como materia prima o si tiene un alto contenido de ácido, se puede utilizar la esterificación catalizada por ácidos para hacer reaccionar los ácidos grasos con el alcohol para producir biodiésel. Otros métodos, como los reactores de lecho fijo, [7] los reactores supercríticos y los reactores ultrasónicos, prescinden o reducen el uso de reacciones químicas que reducen la calidad de la sustancia en la química.
Los productos de la reacción incluyen no solo biodiesel, sino también subproductos como jabón, glicerol, exceso de alcohol y trazas de agua. Todos estos subproductos deben eliminarse para cumplir con los estándares, pero el orden de eliminación depende del proceso.
La densidad del glicerol es mayor que la del biodiésel, y esta diferencia de propiedades se aprovecha para separar la mayor parte del coproducto de glicerol. El metanol residual se recupera normalmente por destilación y se reutiliza. Los jabones se pueden eliminar o convertir en ácidos. El agua residual también se elimina del combustible.
La reacción de transesterificación está catalizada por una base. Cualquier base fuerte capaz de desprotonar el alcohol funcionará (por ejemplo, NaOH, KOH, metóxido de sodio , etc.), pero los hidróxidos de sodio y potasio suelen elegirse por su coste. La presencia de agua provoca una hidrólisis básica no deseada , por lo que la reacción debe mantenerse seca.
En el mecanismo de transesterificación, el carbono carbonílico del éster de partida (RCOOR 1 ) sufre un ataque nucleofílico por parte del alcóxido entrante (R 2 O − ) para dar un intermedio tetraédrico, que o bien vuelve al material de partida o bien procede al producto transesterificado (RCOOR 2 ). Las distintas especies existen en equilibrio y la distribución del producto depende de las energías relativas del reactivo y del producto.
Un método alternativo, sin catalizador, para la transesterificación utiliza metanol supercrítico a altas temperaturas y presiones en un proceso continuo. En el estado supercrítico, el aceite y el metanol están en una sola fase y la reacción se produce de forma espontánea y rápida. [8] El proceso puede tolerar agua en la materia prima, los ácidos grasos libres se convierten en ésteres metílicos en lugar de jabón, por lo que se puede utilizar una amplia variedad de materias primas. También se elimina el paso de eliminación del catalizador. [9] Se requieren altas temperaturas y presiones, pero los costos de energía de producción son similares o menores que las rutas de producción catalítica. [10]
Los reactores en línea o por lotes de ultra y alto cizallamiento permiten la producción de biodiésel de forma continua, semicontinua y por lotes. Esto reduce drásticamente el tiempo de producción y aumenta el volumen de producción. [ cita requerida ]
La reacción se lleva a cabo en la zona de cizallamiento de alta energía del mezclador de cizallamiento ultra y alto reduciendo el tamaño de las gotas de los líquidos inmiscibles, como el aceite o las grasas y el metanol. Por lo tanto, cuanto menor sea el tamaño de las gotas, mayor será la superficie y más rápido podrá reaccionar el catalizador. [ cita requerida ]
En el método de reactor ultrasónico, las ondas ultrasónicas hacen que la mezcla de reacción produzca y colapse burbujas constantemente; esta cavitación proporciona simultáneamente la mezcla y el calentamiento necesarios para llevar a cabo el proceso de transesterificación. [ cita requerida ] El uso de un reactor ultrasónico para la producción de biodiésel puede reducir drásticamente el tiempo y las temperaturas de reacción, y el consumo de energía. [ cita requerida ] Al utilizar dichos reactores, el proceso de transesterificación puede ejecutarse en línea en lugar de utilizar el procesamiento por lotes que consume mucho tiempo. [ cita requerida ] Los dispositivos ultrasónicos a escala industrial permiten procesar varios miles de barriles por día. [ aclaración necesaria ] [ cita requerida ]
Recientemente, se han realizado numerosas investigaciones sobre el uso de enzimas como catalizadores para la transesterificación. Los investigadores han descubierto que se pueden obtener muy buenos rendimientos a partir de aceites crudos y usados utilizando lipasas . El uso de lipasas hace que la reacción sea menos sensible a un alto contenido de ácidos grasos libres, lo que es un problema con el proceso estándar de biodiésel. Un problema con la reacción de la lipasa es que no se puede utilizar metanol porque inactiva el catalizador de la lipasa después de un lote. Sin embargo, si se utiliza acetato de metilo en lugar de metanol, la lipasa no se inactiva y se puede utilizar para varios lotes, lo que hace que el sistema de lipasa sea mucho más rentable. [11]
Los lípidos han atraído una considerable atención como sustrato para la producción de biodiésel debido a su sostenibilidad, no toxicidad y propiedades de eficiencia energética. Sin embargo, debido a razones de costo, la atención debe centrarse en las fuentes no comestibles de lípidos, en particular los microorganismos oleaginosos. Estos microbios tienen la capacidad de asimilar las fuentes de carbono de un medio y convertir el carbono en materiales de almacenamiento de lípidos. Los lípidos acumulados por estas células oleaginosas pueden luego transesterificarse para formar biodiésel. [12]
El biodiésel se puede dividir en tres generaciones según la materia prima que genera el combustible. El biodiésel de primera generación se produce a partir de aceites vegetales comestibles, como el aceite de palma, el aceite de soja y el aceite de coco, y el biodiésel de segunda generación se produce a partir de aceites vegetales no comestibles, como la jatropha, grasas animales y aceites usados [...] La generación más reciente de biodiésel se deriva de lípidos microbianos. El uso de grasas animales recuperadas y aceites de fritura de la segunda generación como materia prima para el biodiésel puede reducir eficazmente el precio del combustible; sin embargo, la cantidad de estas grasas y aceites es limitada a escala industrial y no puede satisfacer las crecientes necesidades de producción de biodiésel.
El pretratamiento y la hidrólisis de biomasas lignocelulósicas suelen producir compuestos inhibidores, como ácido acético, furfural y 5-hidroximetilfurfural, ácido fórmico y vainillina, que podrían tener efectos negativos en el crecimiento, el metabolismo y la formación de productos de microorganismos.
ahora ofrece SoyPure, un aceite de soja virgen pretratado de marca registrada, diseñado para la producción de biodiesel. Mientras tanto, un gran cliente está a punto de entrar en funcionamiento en el vecino estado de Minnesota.
Actualmente, muchos investigadores están explorando el glicerol crudo (CG), un subproducto de las plantas de producción de biodiésel que ha demostrado tener algunos compuestos inhibidores del crecimiento de microorganismos, como una posible fuente de carbono a gran escala en la producción de lípidos. [...] La velocidad de agitación proporciona el oxígeno necesario para el crecimiento de la levadura en el caldo de cultivo y, como resultado, diferentes velocidades dieron como resultado diferentes niveles de disolución de oxígeno. [...] Se descubrió que la velocidad de agitación era el factor con mayor influencia en la masa celular y la concentración de lípidos.