La producción de biodiesel es el proceso de producción del biocombustible , biodiesel , mediante las reacciones químicas de transesterificación y esterificación . [1] Este proceso genera un producto (química) y subproductos .
Las grasas y los aceites reaccionan con alcoholes de cadena corta (normalmente metanol o etanol ). Los alcoholes utilizados deben ser de bajo peso molecular. El etanol es el más utilizado por su bajo costo, sin embargo, utilizando metanol se pueden alcanzar mayores conversiones en biodiesel. 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 coste 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 biodiesel son los siguientes:
Las materias primas comunes utilizadas en la producción de biodiesel incluyen:
La lignocelulosa genera subproductos que actúan como inhibidores de enzimas , como el ácido acético , furfural , ácido fórmico y 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 al nivel de calidad alimentaria. El desgomado para eliminar 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 bases da como resultado la saponificación (hidrólisis) de los triglicéridos, produciendo jabón en lugar de biodiesel. [ cita necesaria ]
Luego se analiza una muestra de la materia prima limpia mediante valoración frente a una solución base estandarizada, para determinar la concentración de ácidos grasos libres presentes en la muestra de aceite vegetal. [ cita necesaria ] Luego, los ácidos se eliminan (normalmente mediante neutralización) o se esterifican para producir biodiesel [ cita necesaria ] (o glicéridos [ cita necesaria ] ).
La transesterificación catalizada por bases hace reaccionar lípidos (grasas y aceites) con alcohol (normalmente metanol o etanol ) para producir biodiesel y un coproducto impuro, el glicerol . [6] Si se utiliza aceite como materia prima o tiene un alto contenido de ácido, se puede utilizar la esterificación catalizada por ácido para hacer reaccionar ácidos grasos con alcohol para producir biodiesel. Otros métodos, como los reactores de lecho fijo, [7] los reactores supercríticos y los reactores ultrasónicos, renuncian o disminuyen el uso de reacciones químicas que reducen la calidad de la sustancia en la química.
Los productos de la reacción incluyen no sólo biodiesel, sino también los subproductos 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 biodiesel y esta diferencia de propiedades se aprovecha para separar la mayor parte del coproducto de glicerol. El metanol residual normalmente se recupera mediante destilación y se reutiliza. Los jabones se pueden eliminar o convertir en ácidos. También se elimina el agua residual del combustible.
La reacción de transesterificación está catalizada por bases. Cualquier base fuerte capaz de desprotonar el alcohol funcionará (por ejemplo, NaOH, KOH, metóxido de sodio , etc.), pero los hidróxidos de sodio y potasio a menudo se eligen por su costo. La presencia de agua provoca una hidrólisis básica indeseable , 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 el alcóxido entrante (R 2 O − ) para dar un intermedio tetraédrico, que vuelve al material de partida o pasa al producto transesterificado ( RCOOR 2 ). Las diversas especies existen en equilibrio y la distribución del producto depende de las energías relativas del reactivo y del producto.
Un método alternativo y sin catalizadores 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 ocurre 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 la etapa de eliminación del catalizador. [9] Se requieren altas temperaturas y presiones, pero los costos energéticos de producción son similares o menores que las rutas de producción catalítica. [10]
Los reactores en línea o discontinuos de ultra y alto cizallamiento permiten la producción de biodiesel de forma continua, semicontinua y en modo discontinuo. Esto reduce drásticamente el tiempo de producción y aumenta el volumen de producción. [ cita necesaria ]
La reacción tiene lugar en la zona de cizallamiento de alta energía del mezclador de ultra y alto cizallamiento reduciendo el tamaño de las gotas de los líquidos inmiscibles como aceite o grasas y metanol. Por lo tanto, cuanto menor sea el tamaño de la gota, mayor será la superficie y más rápido podrá reaccionar el catalizador. [ cita necesaria ]
En el método del 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 necesaria ] El uso de un reactor ultrasónico para la producción de biodiesel puede reducir drásticamente el tiempo de reacción, las temperaturas y el aporte de energía. [ cita necesaria ] Al utilizar tales reactores, el proceso de transesterificación puede realizarse en línea en lugar de utilizar el procesamiento por lotes que requiere mucho tiempo. [ cita necesaria ] Los dispositivos ultrasónicos a escala industrial permiten el procesamiento de varios miles de barriles por día. [ se necesita aclaración ] [ se necesita cita ]
Últimamente se han centrado grandes cantidades de investigaciones en 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 al alto contenido de ácidos grasos libres, lo cual es un problema en el proceso de biodiesel estándar. 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 usa acetato de metilo en lugar de metanol, la lipasa no se inactiva y puede usarse en varios lotes, lo que hace que el sistema de lipasa sea mucho más rentable. [11]
Los lípidos han atraído considerable atención como sustrato para la producción de biodiesel debido a sus propiedades de sostenibilidad, no toxicidad y eficiencia energética. Sin embargo, por razones de coste, se debe centrar la atención en las fuentes de lípidos no comestibles, 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 biodiesel. [12]
El biodiesel 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 jatrofa, grasas animales y aceites de desecho [...] El La generación más reciente de biodiesel se deriva de lípidos microbianos. El uso de grasas animales recuperadas y aceites para freír de segunda generación como materia prima para el biodiesel puede reducir eficientemente 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 la producción de biodiesel.
El retratamiento 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 sobre el crecimiento, el metabolismo y la formación de productos de microorganismos.
Soybean Processors, con sede en Volga, Dakota del Sur, ofrece ahora 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 conectarse en la vecina Minnesota.
Muchos investigadores están explorando actualmente el glicerol crudo (CG), un subproducto de las plantas de producción de biodiesel que se ha demostrado que tiene 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 suministra 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. [...] velocidad de agitación fue el factor con mayor influencia sobre la masa celular y la concentración de lípidos