UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ZONA XALAPA
PROGRAMA EDUCATIVO:
INGENIERÍA QUÍMICA
“OBTENCIÓN DE BIODIÉSEL UTILIZANDO COMO
MATERIA PRIMA LA BORRA DE CAFÉ”
MODALIDAD DEL TRABAJO RECEPCIONAL
TESIS
Que para acreditar la Experiencia Educativa:
Experiencia Recepcional
P r e s e n t a:
VINCENT ANDREY ROSSETTE AMARO
Asesor:
IQ. ALEJANDRO ORTÍZ VIDAL
Xalapa, Ver., Marzo 2015
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1
JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................... 3
OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 5
OBJETIVOS ESPECÍFICOS................................................................................ 5
HIPÓTESIS ............................................................................................................. 6
1
MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 7
1.1
DEMANDA ENERGÉTICA EN LA ACTUALIDAD ...................................... 7
1.1.1
CONSUMO DE ENERGÍA EN EL MUNDO ...................................................................... 7
1.1.2
CONSUMO DE PETRÓLEO ............................................................................................ 7
1.1.3
USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES................................................................................. 8
1.1.4
USO DE ENERGÍAS RENOVABLES ................................................................................. 8
1.2
BIOCOMBUSTIBLES ................................................................................. 9
1.2.1
¿QUÉ SON LOS BIOCOMBUSTIBLES? ........................................................................... 9
1.2.2
CONSUMO ACTUAL DE BIOCOMBUSTIBLES .............................................................. 10
1.2.3
PERSPECTIVAS FUTURAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES ............................................... 11
1.2.4
BIOMASA ................................................................................................................... 12
1.3
BIODIÉSEL .............................................................................................. 12
1.3.1
¿QUÉ ES EL BIODIÉSEL? ............................................................................................. 12
1.3.2
COMPOSICIÓN DE LOS ACEITES UTILIZADOS PARA LA ELABORACIÓN DE BIODIÉSEL
………………………………………………………………………………………………………………………………13
1.3.3
CARACTERÍSTICAS ADECUADAS DEL ACEITE PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL DE
BUENA CALIDAD ........................................................................................................................ 14
1.3.4
BORRA DEL CAFÉ ....................................................................................................... 14
1.3.5
COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL ACEITE DEL CAFÉ ............................................. 16
1.3.6
TRANSESTERIFICACIÓN.............................................................................................. 17
1.3.7
REACCIÓN DE ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS................................................. 21
1.4
TIPOS DE PROCESOS PARA LA ELABORACIÓN INDUSTRIAL DE
BIODIÉSEL ........................................................................................................ 21
2
3
1.4.1
PROCESO DISCONTINUO ........................................................................................... 22
1.4.2
PROCESO CONTINUO ................................................................................................ 22
1.4.3
APLICACIONES DE LA GLICERINA ............................................................................... 23
1.4.4
ESPECIFICACIONES DEL BIODIÉSEL ............................................................................ 23
1.4.5
BALANCE DE ENERGÍA DEL CICLO DE VIDA DEL BIODIÉSEL ....................................... 25
1.4.6
VENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL............................................................................. 27
1.4.7
DESVENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL ...................................................................... 29
1.4.8
ALMACENAMIENTO DEL BIODIÉSEL .......................................................................... 30
1.4.9
USO DEL BIODIÉSEL EN MEZCLAS .............................................................................. 31
METODOLOGÍA ............................................................................................. 34
2.1.1
RECOLECCIÓN DE LA BORRA DEL CAFÉ ..................................................................... 34
2.1.2
SECADO DE LA BORRA DEL CAFÉ ............................................................................... 34
2.1.3
DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD DE LA BORRA DEL CAFÉ ................................... 34
2.1.4
EXTRACCIÓN DE ACEITES........................................................................................... 35
2.1.5
DETERMINACIÓN DE ACIDEZ DEL ACEITE .................................................................. 35
2.1.6
TRANSESTERIFICACIÓN.............................................................................................. 36
2.1.7
ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS LIBRES ............................................................ 38
2.1.8
IDENTIFICACIÓN DE BIODIÉSEL ................................................................................. 38
2.1.9
LAVADO DE BIODIÉSEL .............................................................................................. 40
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................... 41
3.1.1
GENERACIÓN, DESTINO Y POTENCIAL DE LA BORRA DEL CAFÉ EN XALAPA ............. 41
3.1.2
SECADO DE LA BORRA DE CAFÉ................................................................................. 41
3.1.3
DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD .......................................................................... 42
3.1.4
EXTRACCIÓN DE ACEITES........................................................................................... 43
3.1.5
ACIDEZ DEL ACEITE .................................................................................................... 45
3.1.6
TRANSESTERIFICACIÓN DEL ACEITE .......................................................................... 45
3.1.7
ESTERIFICACIÓN ........................................................................................................ 52
3.1.8
IDENTIFICACIÓN DE BIODIÉSEL MEDIANTE FTIR ....................................................... 53
3.1.9
LAVADO DE BIODIÉSEL .............................................................................................. 57
CONCLUSIONES.................................................................................................. 58
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 61
ANEXOS ............................................................................................................... 67
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1-1. Emisión de CO2 durante la producción y utilización de diésel. ............... 8
Tabla 1-2. Capacidad y potencial de generación de energía a través de fuentes
renovables en México, estimado al año 2030. ........................................................ 9
Tabla 1-3. Características del aceite y sus implicaciones en la producción y calidad
del biodiésel. ......................................................................................................... 14
Tabla 1-4. Composición de los lípidos del café. .................................................... 16
Tabla 1-5. Propiedades físicas del aceite del café. ............................................... 17
Tabla 1-6. Propiedades químicas del aceite del café. ........................................... 17
Tabla 1-7. Especificaciones ASTM D-6751-08 para el biodiésel. .......................... 24
Tabla 1-8. Requerimiento de energía fósil para el ciclo de biodiésel de soja. ....... 26
Tabla 1-9. Emisiones de biodiésel respecto al diésel convencional. ..................... 28
Tabla 2-1. Ácidos grasos presentes en el aceite de café. ..................................... 36
Tabla 3-1. Rendimiento promedio de la extracción de aceites del café. ............... 44
Tabla 3-2. Cálculo de reactivos en Excel para realizar la transesterificación. ....... 45
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1. Consumo energético mundial por fuente de energía en el 2013. .......... 7
Figura 1-2. Producción de biocombustibles por región en la última década. ........ 10
Figura 1-3. Crecimiento esperado en el consumo de biocombustibles para el año
2030. ..................................................................................................................... 12
Figura 1-4. Reacción general de la transesterificación de triacilgliceroles. ........... 13
Figura 1-5. Fuentes de generación de borra del café, destino y potencial. ........... 15
Figura 1-6. Reacción química para la obtención de biodiésel. .............................. 18
Figura 1-7. Balance de masa de la reacción de transesterificación. ..................... 18
Figura 1-8. Proceso general de obtención de biodiésel. ....................................... 20
Figura 1-9. Formación de jabón a partir de los ácidos grasos libres utilizando KOH
como catalizador. .................................................................................................. 20
Figura 1-10. Reacción de esterificación. ............................................................... 21
Figura 1-11. Proceso discontinuo de obtención de biodiésel. ............................... 22
Figura 1-12. Proceso continuo de obtención de biodiésel utilizando dos reactores
PFR. ...................................................................................................................... 23
Figura 1-13. Ciclo de CO2 durante el uso de biodiésel. ......................................... 28
Figura 2-1. Espectro FTIR de biodiésel. ................................................................ 39
Figura 2-2. Comparación de espectros FTIR de diésel y biodiésel en distintas
concentraciones. ................................................................................................... 40
Figura 3-1. Secado de la borra de café en la estufa. ............................................. 42
Figura 3-2. Extracción y filtrado del aceite de la borra de café. ............................. 43
Figura 3-3. Eliminación de hexano por medio del rotovapor. ................................ 43
Figura 3-4. Recuperación de aceite en frascos por medio de pipetas Pasteur para
evitar impurezas. ................................................................................................... 44
Figura 3-5. Reacción de transesterificación con NaOH. ........................................ 46
Figura 3-6. Separación de fases después de eliminar humedad del aceite y realizar
la transesterificación con NaOH ............................................................................ 47
Figura 3-7. Formación de jabón por la transesterificación con NaOH. .................. 47
Figura 3-8. Solidificación de jabones y glicerina.................................................... 48
Figura 3-9. Obtención y lavado de biodiésel obtenido con NaOH. ........................ 48
Figura 3-10. Resultado de la transesterificación con KOH sin separación de fases.
.............................................................................................................................. 49
Figura 3-11. Formación de la emulsión al agregar agua destilada al resultado de la
transesterificación con KOH. ................................................................................. 50
Figura 3-12. Separación de fases después de realizar la transesterificación al aceite
seco utilizando KOH. ............................................................................................. 50
Figura 3-13. Lavado del biodiésel obtenido utilizando KOH. ................................. 51
Figura 3-14. Formación de pasta color azul durante la esterificación. .................. 52
Figura 3-15. Lavado del aceite esterificado. .......................................................... 53
Figura 3-16. Espectro FTIR obtenido del análisis de la glicerina producida a partir
del aceite de café. ................................................................................................. 54
Figura 3-17. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel sin lavar producido a
partir del aceite de café. ........................................................................................ 55
Figura 3-18. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel lavado producido a
partir del aceite de café. ........................................................................................ 56
INTRODUCCIÓN
El biodiésel es un combustible que se descubrió desde los estudios de Rudolf
Diésel, en sus trabajos de creación del motor a Diésel en el año de 1893. El biodiésel
se elaboraba a partir de aceite vegetal y se destinaba a la combustión de motores
de ciclo diésel convencional (Castro et al, 2007).
En la actualidad, los combustibles que más se utilizan son los derivados del
petróleo, esto se debe en gran medida a la facilidad de extracción y a las
propiedades que tienen (Castro et al, 2007).
El uso de este tipo de combustibles ha causado un gran aumento de gases de efecto
invernadero (dióxido de carbono, metano, monóxido de carbono, óxidos de
nitrógeno, entre otros), generando una mayor concentración en el medio ambiente
contribuyendo a un aumento excesivo del calentamiento global (Maena, 2013).
Por esta razón, en años recientes se ha intentado implementar el uso de energías
renovables para disminuir este problema. Dentro de estas tecnologías encontramos
el uso de los biocombustibles, los cuales se elaboran con materia orgánica cuyo fin
es la generación de energía. Para la obtención de estos biocombustibles se pueden
utilizar tanto especies de uso agrícola como forestal (Guerrero et al, 2010). Al utilizar
este tipo de combustible se reduce considerablemente el CO2 que es enviado a la
atmósfera, ya que al generar la combustión se produce el dióxido de carbono que
la planta absorbió a lo largo de su vida, logrando de esta manera un ciclo de
absorción y generación de CO2 (Maena, 2013).
Los biocombustibles de primera generación se elaboran a partir de especies
agrícolas, las cuales pueden ser destinadas para consumo humano, razón por la
cual esta fuente de energía no ha tenido el auge esperado. Sin embargo, la segunda
generación de biocombustibles se elabora con residuos orgánicos (Guerrero et al,
2010). Dentro de esta categoría encontramos el elaborado a partir del café,
principalmente la borra, que es el residuo que se genera en las cafeteras durante la
preparación de la bebida.
1
El propósito de este trabajo es demostrar que es posible elaborar biodiésel a partir
de los aceites presentes en la borra del café, así como obtener un estimado
preliminar de la cantidad de borra de café generada en la ciudad de Xalapa para su
posterior transformación en biocombustible, logrando de esta manera disminuir el
uso de combustibles fósiles así como proporcionar un valor agregado a este residuo.
2
JUSTIFICACIÓN
Vivimos en uno de los principales países productores de café en el mundo, con una
producción anual de 4.3 millones de sacos de 60 kg, lo que equivale a 258 mil
toneladas de café al año, y representa el 3% de la producción mundial de café
(Informador, 2010).
Dentro del país, Veracruz y Chiapas son los estados con mayor producción de café,
con 35% cada uno (ANACAFÉ, 2013). Tomando estos datos en cuenta se puede
observar que la producción de biodiésel en esta región a partir de dicha materia
prima representa una alternativa prometedora.
En los últimos años la producción de biodiésel ha tenido un aumento significativo en
el mundo, teniendo como pioneros algunos países de Europa y América, como es
el caso de España, Alemania, Estados Unidos y Brasil, los cuales han mejorado el
proceso de producción (García y García, 2006). Sin embargo, pese a la cercanía de
estos países y a la gran cantidad de materia prima con la que cuenta el país, no se
ha implementado este tipo de tecnología, quedando rezagado en cuanto al uso de
energías renovables.
El uso de biodiésel derivado de la borra del café tiene ventajas sobre los
combustibles y biocombustibles actuales en varios aspectos, incluso sobre sus
homólogos obtenidos a partir de productos agrícolas. Algunas de ellas son la
disminución considerable de la contaminación y aprovechamiento de los residuos
del café, por lo que no se requieren plantaciones destinadas exclusivamente al
suministro de materia prima de las plantas de biodiésel, con lo cual no se afectan
las plantaciones para el consumo humano y se evita la deforestación excesiva.
En estudios recientes se ha creado biocombustible a partir de cada uno de los
residuos del café, resultando más eficiente la borra, el cual es el residuo menos
aprovechado y que se genera en gran cantidad (Rodríguez y Zambrano, 2010).
La posibilidad de utilizar residuos para la elaboración de biocombustibles es muy
importante para el cuidado del medio ambiente, ya que nos permitirá generar un
sustituto o complemento para los combustibles fósiles sin causar problemas
3
sociales en cuanto a la materia prima se refiere. La generación de biodiésel a partir
de los residuos del café en una zona como Veracruz tiene gran potencial por la
cantidad de este producto que se genera al año, la cual puede ayudar a reducir la
dependencia de diésel en el estado.
4
OBJETIVO GENERAL
Demostrar que es posible la utilización de los residuos del café para la obtención de
biocombustibles mediante la producción de biodiésel a partir de la borra del café.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Consultar bibliografía referente a los métodos actuales de producción de
biodiésel.

Investigar la demanda actual de biodiésel a nivel mundial y en el país.

Recolectar la borra de café para realizar la extracción de aceites.

Comparar el rendimiento de extracción de aceite de borra de café de
diferentes marcas.

Elaborar biodiésel a partir de la borra de café mediante la reacción de
transesterificación utilizando catalizadores alcalinos.

Identificar la presencia de biodiésel mediante un análisis FTIR.

Obtener un estimado preliminar de la borra de café generada en cafeterías
de la ciudad de Xalapa.
5
HIPÓTESIS
El contenido de aceites aún presentes en la borra del café puede ser utilizado para
la elaboración de biodiésel mediante la reacción de transesterificación alcalina.
6
1
1.1
MARCO TEÓRICO
DEMANDA ENERGÉTICA EN LA ACTUALIDAD
1.1.1 CONSUMO DE ENERGÍA EN EL MUNDO
El consumo global de energía primaria presentó en el año 2013 un aumento de
2.3%, siendo el petróleo el combustible más utilizado a pesar de perder mercado
por décimo cuarto año consecutivo (BP, 2014).
En la Figura 1-1 se presenta la demanda energética a nivel mundial de acuerdo a la
fuente de energía en el año 2013:
Figura 1-1. Consumo energético mundial por fuente de energía en el 2013 (Fuente: BP, 2014).
1.1.2 CONSUMO DE PETRÓLEO
El consumo global de petróleo aumentó en 1.4% o 1.4 millones de barriles por día
(b/d) en el año de 2013, mientras que en cuanto a producción solo tuvo un aumento
de 0.6% o 550,000 b/d (BP, 2014).
Actualmente, a nivel mundial se consumen cerca de 91 millones de barriles de
petróleo por día. En primer lugar se encuentra Estados Unidos con casi 19 millones
de b/d, seguido de China con cerca de 11 millones de b/d. En lo que respecta a
México, tiene una producción diaria de 2 millones 875 mil barriles de petróleo y un
consumo de 2 millones 20 mil barriles por día.
7
Con los datos recopilados se puede observar la gran dependencia que se tiene por
este combustible, siendo la principal fuente de energía en el mundo. El petróleo y
sus derivados son empleados en su mayoría como combustible de los diferentes
medios de transporte, razón por la cual es difícil disminuir su consumo al no existir
un sustituto conveniente.
1.1.3 USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES
El uso de combustibles fósiles genera un gran aumento en las emisiones de CO2 en
el planeta, contribuyendo en gran medida al incremento del calentamiento global,
problema que afecta actualmente a todos los países por igual.
Las principales emisiones de CO2 provienen del sector transporte, el cual consume
la mayor parte de los combustibles fósiles. En la Tabla 1-1 se muestran las
emisiones de dióxido de carbono por cada litro de diésel desde su extracción hasta
su utilización:
Tabla 1-1. Emisión de CO2 durante la producción y utilización de diésel.
ETAPA
g CO2/litro de diésel
Extracción
26
Transporte
11
Refinamiento
24
Utilización
2360
TOTAL
2421
Fuente: Gonzales, 1998.
1.1.4 USO DE ENERGÍAS RENOVABLES
El consumo de energías renovables a nivel mundial presentó un récord en el año
2013 con un 2.7%, el cual representa un crecimiento de 0.8% en la última década.
La energía eólica sigue siendo la principal fuente de energía renovable, con más del
50% de generación de energía, mientras que la energía solar tuvo un incremento
de 33%. En cuanto a los biocombustibles, se tuvo un aumento de 6.1%, esto gracias
a los principales productores en el mundo como Brasil y Estados Unidos (BP, 2014).
Sumando todas las fuentes de energía renovables utilizadas en el mundo, se
obtiene un consumo total de 279.3 millones de toneladas equivalentes de petróleo.
8
El consumo de energías renovables en México fue de 2.5 millones de toneladas
equivalentes de petróleo, que equivale a un crecimiento de 10.3% respecto al año
2012 (BP, 2014). Hasta el año 2012 se generaron 63,195 Megawatts de energía
eléctrica en México, de los cuales 14,501 provinieron de fuentes de energía
renovables, lo que representa el 23% de la capacidad instalada (ProMéxico, 2013).
En la Tabla 1-2 se observa la capacidad y el potencial de generación de energía
eléctrica mediante el uso de energías renovables en el país:
Tabla 1-2. Capacidad y potencial de generación de energía a través de fuentes renovables en México,
estimado al año 2030.
ENERGÍA
Hidráulica
Eólica
Geotérmico
Biomasa
Solar
TOTAL
POTENCIAL
(Megawatts)
53,000
40,268
40,000
83,500 - 119,498
24,300
241,068 - 277,066
CAPACIDAD INSTALADA
(Megawatts)
11,707
1,289
823
645
37
14,501
Fuente: ProMéxico, 2013.
En base a los datos encontrados podemos resumir que con el paso del tiempo el
uso de energías renovables ha aumentado. Esto se debe en gran medida a los
problemas ambientales que ocasiona el uso de combustibles fósiles, razón por la
que cada vez más países han optado por la utilización de este tipo de energía para
disminuir esta problemática. En México, el incremento en la utilización de este tipo
de energías fue significativo, sin embargo, sigue estando muy por debajo respecto
a otros países más avanzados en cuanto a reformas energéticas se trata.
1.2
BIOCOMBUSTIBLES
1.2.1 ¿QUÉ SON LOS BIOCOMBUSTIBLES?
Los biocombustibles son combustibles producidos a partir de biomasa y son
utilizados en gran medida en el sector transporte. Pueden ser producidos a partir de
productos agrícolas o forestales, así como de la porción biodegradable de los
desperdicios industriales y municipales. Los biocombustibles más utilizados y
desarrollados son el biodiésel y bioetanol. (Dufey, 2006). Se estima que la
9
fotosíntesis fija 220 millones de toneladas de peso seco de biomasa, lo que equivale
diez veces la demanda energética mundial (Ballesteros, 1998).
En la actualidad existe un gran problema en cuanto a la elaboración de biodiésel a
nivel mundial debido a que la materia prima proviene de fuentes de alimento para
las personas, por lo que hay un debate sobre la utilización de estos insumos para la
fabricación de este biocombustible en lugar de destinarlo para consumo humano.
Para solucionar este problema se han utilizado residuos agrícolas o desechos para
su elaboración. Los biocombustibles generados a partir de esta materia prima se
conocen como de Segunda Generación (2G).
1.2.2 CONSUMO ACTUAL DE BIOCOMBUSTIBLES
La producción de biocombustibles tuvo un incremento de 6.1% en el año 2013,
dentro del cual se encuentra el biodiésel con un aumento de 6.2%, que representa
una producción aproximada de 65 millones de toneladas equivalentes de petróleo
(BP, 2014). La Figura 1-2 muestra el crecimiento que ha tenido la producción de
biocombustibles en la última década:
Figura 1-2. Producción de biocombustibles por región en la última década (Fuente: BP, 2014).
10
México es uno de los países con mayor consumo de gasolina per cápita a nivel
mundial, incluso por encima de algunas naciones industriales (Notimex, 2013).
Hasta el año 2012 el consumo de diésel en México fue la tercera parte respecto a
la gasolina, lo que equivale a 60 millones de litros diarios, por lo que la producción
de biodiésel para reemplazar este combustible fósil tiene una gran oportunidad en
el país (Notimex, 2012).
1.2.3 PERSPECTIVAS FUTURAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES
El uso de biocombustibles y energías renovables ha tenido un gran aumento en los
últimos años, lo cual puede atribuirse a múltiples factores:

La disminución de las reservas de petróleo a nivel mundial

La creciente concientización social en cuanto al cambio climático

La implementación de políticas que pretenden impulsar la utilización de este
tipo de energías en un gran número de países.
Sin embargo, también hay barreras para la utilización de este tipo de energías en el
país, como el poco apoyo a estas tecnologías y el precio elevado respecto a los
combustibles fósiles.
Las expectativas de los biocombustibles son muy buenas, esperando un incremento
importante en la cantidad consumida en los próximos 20 años, llegando a las 235.1
millones de toneladas equivalentes de petróleo o un aumento del 300% (Cittadini,
2011), el cual se presenta en la Figura 1-3:
11
Figura 1-3. Crecimiento esperado en el consumo de biocombustibles para el año 2030 (Fuente: BP, 2013).
1.2.4 BIOMASA
La biomasa es cualquier materia orgánica de origen reciente que haya derivado de
animales y vegetales como resultado del proceso de conversión fotosintético. El
valor energético de la biomasa de origen vegetal proviene de la energía solar
mediante el proceso conocido como fotosíntesis. La energía química que se
almacena en las plantas y animales se llama bioenergía. Durante procesos de
conversión tales como la combustión, la biomasa libera su energía, a menudo en
forma de calor, y el carbón se oxida nuevamente a dióxido de carbono para restituir
el que fue absorbido (IICA y Arpel,2009).
La biomasa es la única fuente de energía renovable que puede competir contra los
combustibles fósiles, ya que a partir de esta se pueden obtener biocombustibles
líquidos como el biodiésel.
1.3
BIODIÉSEL
1.3.1 ¿QUÉ ES EL BIODIÉSEL?
El biodiésel es un biocombustible de mono-alquil ésteres de ácidos grasos, el cual
se obtiene a partir de aceites vegetales o grasas animales y posee características
semejantes a las del diésel convencional.
12
Un mono-alquil éster es el producto de la reacción de alcohol (etanol o metanol) con
una grasa animal o aceite vegetal (triacilglicerol), lo que da como resultado glicerol
(glicerina) y ésteres de ácidos grasos (Peña, 2013). En la Figura 1-4 se muestra la
reacción que se lleva a cabo para la obtención de biodiésel:
Figura 1-4. Reacción general de la transesterificación de triacilgliceroles (Fuente: Medina y Greco, 2013).
Donde R representa cadenas de carbono y átomos de hidrógeno, llamadas ácidos
grasos.
El biodiésel metílico, el cual se genera mediante la reacción del aceite con metanol,
es conocido también como FAME (Fatty Acid Methyl Ester).
1.3.2 COMPOSICIÓN
DE
LOS
ACEITES
UTILIZADOS
PARA
LA
ELABORACIÓN DE BIODIÉSEL
Los aceites se componen principalmente por triacilgliceroles, que son ésteres de
tres ácidos grasos y glicerol, el cual es un alcohol trivalente (Lawson, 1994).
Los ácidos grasos son compuestos carboxílicos terminales (terminan en un radical
carboxilo – COOH) de cadena abierta alifática de 8 a 24 carbonos de longitud.
Pueden ser saturados (cuando no contienen dobles o triples enlaces entre los
átomos de carbono), o insaturados (cuando contienen dobles o triples enlaces)
(Arango, 2002).
El glicerol o glicerina es un trioxialcohol, 1,2,3 – propanotriol, formado por una
cadena de tres carbonos, cada uno unido a un grupo OH (Mortimer, 1983).
13
Los triacilgliceroles presentes en los aceites están compuestos generalmente por
ácidos grasos diferentes, por lo que se conocen como triacilgliceroles mixtos
(Lawson, 1994).
Cualquier ácido graso no unido a un glicerol o a otra molécula en un aceite se
denomina ácido graso libre (AGL), en inglés Free Fatty Acid (FFA). Además de
estos, el aceite puede contener otras sustancias como proteína, fosfolípidos,
fosfátidos, ceras, resinas y pigmentos, los cuales están presentes en pequeñas
cantidades y, en algunos casos, pueden desfavorecer la producción de biodiésel
(Lawson, 1994).
1.3.3 CARACTERÍSTICAS
ADECUADAS
DEL
ACEITE
PARA
LA
PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL DE BUENA CALIDAD
Existen un gran número de factores que afectan tanto el rendimiento como la calidad
del biodiésel producido. El factor que se considera más importante es la materia
prima, ya que de esta depende la calidad del biodiésel obtenido así como la cantidad
de pasos necesarios para llevar a cabo la producción de este biocombustible. En la
Tabla 1-3 se explica de manera general cómo algunas características del aceite
utilizado afectan la producción y calidad del biodiésel obtenido:
Tabla 1-3. Características del aceite y sus implicaciones en la producción y calidad del biodiésel.
EFECTOS SOBRE EL PROCESO DE PRODUCCIÓN
Indice de Acidez
Alta acidez interfiere en la transesterificación alcalina, produciendo jabones
Contenido de Fósforo
Genera emulsiones durante la producción y purificación del biodiésel
Contenido de Agua
Genera hidrólisis del aceite, producción de AGL y jabones al reaccionar con el catalizador
EFECTOS SOBRE LA CALIDAD DEL BIODIÉSEL
Indice de Peróxido
Un alto nivel indica oxidación en marcha
Contenido de Insolubles
Pueden causar problemas en el motor
Indice de Yodo
Alto IY puede indicar menor punto de fusión y mejores propiedades de flujo en frío
Bajo IY indica mejor estabilidad a la oxidación y polimerización y mayor numero de cetano
Fuente: Castro et al, 2007.
1.3.4 BORRA DEL CAFÉ
La borra del café no tiene un uso productivo en la actualidad, siendo utilizado
generalmente como abono mediante su recolección como composta. No obstante,
aún no se le ha dado el impulso necesario para evitar que se convierta en un residuo
sin obtener algún beneficio de su generación.
14
En la Figura 1-5 se encuentran ejemplos de las fuentes de obtención de la borra del
café y su posible forma de utilización:
Café tostado molido
Cafeterías
Industria
Hogar
Borra de café
Quemar como
combustible
Basura
Extracción de
aceites
Composta
Transesterificación
Obtención
biodiésel
Figura 1-5. Fuentes de generación de borra del café, destino y potencial.
El café molido contiene aproximadamente 15% de lípidos, de los cuales solo una
pequeña cantidad pasa a formar parte de la bebida durante su preparación. Por lo
tanto, la borra del café tiene un gran potencial para la elaboración de biodiésel, ya
que con una posterior extracción de aceites mediante solventes orgánicos, como el
hexano, se logra extraer entre 7 y 14% de lípidos que pueden utilizarse para la
producción de biodiésel (Jenkins et al, 2014). El biodiésel producido a partir de la
borra del café posee una capacidad calorífica de 38,4 MJ/kg, con lo cual se
obtendría un poder calorífico de 5,76 MJ/kg de borra seca (Oliveira et al, 2008).
Los ácidos grasos de los lípidos de la borra del café son en su mayoría linoleico (40
– 45%) y palmítico (25 – 35%), además de bajos niveles de esteárico y oleico
(Jenkins et al, 2014). Estos ácidos grasos pueden ser convertidos en ésteres
15
metílicos mediante la reacción de transesterificación, obteniendo un biodiésel de
alta calidad (51.4% de ésteres saturados y 48.6% de ésteres insaturados) y
estabilidad (Moreira, 2011).
La utilización de este residuo para la elaboración de biodiésel forma parte de los
biocombustibles de segunda generación, los cuales son el futuro cercano para la
producción de este biocombustible, logrando de esta forma evitar los problemas
sociales actuales que conlleva su elaboración.
Además, la borra de café sobrante después de la extracción de aceites puede ser
utilizada como combustible directo en calderas. Para ello debe contener una
humedad del 8 al 15% y tiene un poder calorífico de 24 a 29 MJ/kg (Dufour, 2008).
La posibilidad de utilizar la borra de café como combustible directo permite un uso
completo de este residuo en una planta de biodiésel, ahorrando de esta forma el
uso de combustibles fósiles para la generación de energía en la planta.
1.3.5 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL ACEITE DEL CAFÉ
El aceite de café es una gran fuente de materia prima para la elaboración de
biodiésel debido a su composición. En la Tabla 1-4 se observan los componentes
de los lípidos del café:
Tabla 1-4. Composición de los lípidos del café.
COMPONENTE
Triacilgliceroles (principalmente de ácido linoleico y palmítico)
Acidos grasos libres (AGL)
Ésteres diterpeno
Triterpenos, esteroles y ésteres de metilesterol
Diterpenos libres
Fosfolípidos
5-hidroxitriptamidas
Tocoferoles
PORCENTAJE
70 - 80
0.5 - 2
15 - 18.5
1.4 - 3.2
0.1 - 1.2
0.1
0.3 - 1
0.3 - 0.7
Fuente: Echeverri et al, 2005.
Como podemos observar en la Tabla 1-4, el contenido de triacilgliceroles es alto, lo
que lo convierte en un gran candidato para la producción de biodiésel. Sin embargo,
el contenido de ácidos grasos libres es un poco mayor de lo deseado, por lo que
16
resulta conveniente realizar la neutralización o esterificación de estos antes de llevar
a cabo la transesterificación.
Algunas propiedades físicas del aceite de café se presentan en la Tabla 1-5:
Tabla 1-5. Propiedades físicas del aceite del café.
PRUEBA
RESULTADO
3
Densidad (ρ) en g/cm a 23.2 °C
Índice de refracción a 22.6°C
Punto de fusión
Viscosidad (μ) en Pa/s a 26.2 °C
0.923
1.478
15 °C
0.1
Fuente: Ovalle, 2008.
En la Tabla 1-6 se encuentran algunas propiedades químicas que se determinaron
en el aceite de café, donde se comprueba que el índice de acidez se encuentra
dentro del rango mencionado anteriormente:
Tabla 1-6. Propiedades químicas del aceite del café.
PRUEBA
RESULTADO
4.68
3 - 5%
95 - 100
pH a 22°C
Índice de acidez (porcentaje de ácidos grasos libres)
Índice de Yodo
Índice de peróxidos (miliequivalentes de oxígeno por
0.749
gramo de muestra)
Índice de saponificación (miligramos de hidróxido de
286
potasio (KOH) por gramo de muestra)
Material insaponificable en porcentaje
1.68%
Valor de fósforo (ppm por gramo de muestra)
334.7
Valor de fosfátidos (ppm por gramo de muestra)
10,039,800
Ceras (ppm por gramo de muestra)
502.66
Jabón (ppm por gramo de muestra)
353.95
Porcentaje de gomas
72.84
Metales pesados
No se encontraron
Fuente: Ovalle, 2008.
1.3.6 TRANSESTERIFICACIÓN
En la actualidad existen múltiples métodos para la elaboración de biodiésel, sin
embargo, el que mejor resultado ha demostrado es la transesterificación (también
llamada alcohólisis). Este método consiste en la reacción de un triacilglicerol (una
molécula de glicerol esterificada por tres ácidos grasos) y un alcohol ligero (metanol
o etanol), obteniendo como productos glicerina y ésteres derivados de los tres
17
ácidos grasos, es decir, biodiésel (IICA y ARPEL, 2009). Desde el punto de vista
químico, la reacción de transesterificación consiste en tres reacciones consecutivas
y reversibles. Cada triacilglicerol se convierte consecutivamente en diglicérido,
monoglicérido y glicerol, liberándose un mol de éster alquílico en cada reacción
(Maena, 2013). En la Figura 1-6 se muestra la manera en que se lleva a cabo la
reacción química para la obtención de biodiésel:
Figura 1-6. Reacción química para la obtención de biodiésel (Fuente: Maena, 2013).
Estequiométricamente, el rendimiento másico de la reacción es igual a 1, es decir,
se obtiene la misma masa de biodiésel que de aceite inicial. De la misma manera,
la estequiometría entre el alcohol y la glicerina es similar en términos másicos,
requiriéndose un 10% de alcohol respecto del aceite. En la Figura 1-7 se indica la
relación estequiométrica de la reacción de transesterificación:
Triacilglicerol + 3 Alcohol → 3 Éster + Glicerina
◦ Aceites
◦ Grasas
100 kg
◦ Metanol
◦ Etanol
10 kg
100 kg
10 kg
Figura 1-7. Balance de masa de la reacción de transesterificación (Fuente: ISF, 2007).
18
Sin embargo, la transesterificación es una reacción reversible, por lo tanto en la
práctica se requiere de una mayor cantidad de moles de alcohol, utilizándose
generalmente una relación 1:6. El exceso de alcohol permite empujar la reacción
hacia los productos con el fin de que la reacción se lleve a cabo correctamente
(Freedman et al, 1984). Además, la formación de glicerina favorece este
desplazamiento gracias a la inmiscibilidad de los ésteres alquílicos en esta,
permitiendo alcanzar conversiones cercanas al 100% (Maena, 2013). No obstante,
el exceso de metanol también afecta la reacción, dificultando la separación de la
glicerina al aumentar su solubilidad.
Durante los primeros minutos de la reacción se observa un sistema formado por dos
fases, debido a que el metanol no es soluble en los triacilgliceroles, pero sí en los
ésteres metílicos, formándose una fase homogénea cuando se obtengan los ésteres
metílicos. Una vez que se forme glicerina se observa de nuevo un sistema de dos
fases porque los ésteres metílicos no son solubles en esta.
En la reacción de transesterificación se necesita la presencia de un catalizador, cuyo
propósito es mejorar la velocidad y el rendimiento de la reacción. Los catalizadores
más comunes a nivel comercial son los básicos homogéneos, ya que actúan mucho
más rápido y permiten operar en condiciones moderadas, además de obtener
conversiones cercanas al 100%, siendo el NaOH y KOH los más comunes (Ma and
Hanna, 1999). En la Figura 1-8 se muestra un diagrama con los pasos necesarios
para la obtención de biodiésel:
19
Metanol
Mezcla
Catalizador
Aceite
Transesterificación
Separación de
fases
Glicerina
Recuperación
metanol
Biodiésel
crudo
Recuperación
metanol
Metanol
Ácido
Neutralización de
glicerina
Glicerina
cruda
Ácidos
grasos
Purificación de
biodiésel
Agua
Biodiésel
Figura 1-8. Proceso general de obtención de biodiésel (Fuente: IAPUCO).
La utilización de catalizadores básicos homogéneos requiere un bajo contenido de
ácidos grasos libres (menor al 3%) y humedad (menor a 0.06%), para evitar que se
neutralicen con el catalizador formando jabones mediante saponificación (Ma et al,
1998). La saponificación no solo consume el catalizador necesario para un buen
rendimiento de la reacción, además los jabones producidos promueven la formación
de emulsiones que dificultan la purificación del biodiésel (Zhang et al, 2003). En la
Figura 1-9 se presenta la reacción que provoca la formación de jabones al mezclar
un ácido graso con un catalizador básico, en este caso hidróxido potásico:
Figura 1-9. Formación de jabón a partir de los ácidos grasos libres utilizando KOH como catalizador (Fuente:
García y García, 2006).
Una forma común de eliminar los ácidos grasos libres es mediante una reacción
previa de esterificación con un catalizador ácido, formando el éster metílico.
20
1.3.7 REACCIÓN DE ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS
La esterificación se utiliza en combinación con la transesterificación para
aprovechar el subproducto de ácidos grasos. Consiste en el calentamiento de una
mezcla de alcohol y del ácido graso correspondiente con ácido sulfúrico para
obtener un éster metílico (Meher et al, 2006). En la Figura 1-10 se muestra la
reacción que se lleva a cabo durante la esterificación de los AGL:
Figura 1-10. Reacción de esterificación (Fuente: García y García, 2006).
La esterificación es una forma de eliminar los ácidos grasos libres para evitar que
causen problemas en la reacción. Al contrario del método de neutralización, donde
solamente se eliminan y no pueden ser utilizados nuevamente, mediante la
esterificación podemos aprovechar los ácidos grasos libres para producir biodiésel
a través de la reacción posterior de transesterificación.
El problema que se enfrenta al realizar la esterificación de los ácidos grasos libres
es la obtención de agua, la cual debe ser eliminada por completo, lo que equivale a
más pasos en el proceso. Además, para el manejo de ácido sulfúrico se requieren
tanques elaborados con materiales costosos y su utilización genera efluentes ácidos
contaminantes, por lo que la esterificación solo se justifica con materia prima de
contenido de AGL realmente alta (Castro et al, 2007).
1.4
TIPOS
DE
PROCESOS
PARA
LA
ELABORACIÓN
INDUSTRIAL DE BIODIÉSEL
Existen diferentes opciones de operación para la producción de biodiésel a nivel
industrial. La elección de la tecnología depende de la capacidad de producción, la
alimentación así como de la calidad de la materia prima.
21
1.4.1 PROCESO DISCONTINUO
Es el método más simple para la producción de biodiésel. Se trata de reactores con
agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de
reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65°C,
pudiéndose utilizar rangos de 25 a 85°C (García y García, 2006).
El catalizador más común en este tipo de proceso es el NaOH en cantidades del 0.3
al 1.5% en peso. Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla del
aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el final de la reacción la agitación debe ser
menor para permitir al glicerol separarse de la fase éster. El rendimiento obtenido
varía de 84 a 94%. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas,
con la eliminación de glicerol entre ellas, con lo cual se ha llegado a obtener un
rendimiento superior al 95%. Al utilizar temperaturas mayores y un mayor exceso
del alcohol (relación 6:1) se puede incrementar el rendimiento de la reacción. El
tiempo de reacción suele ser de entre 20 minutos a una hora. En la Figura 1-11 se
presenta el diagrama de un proceso de transesterificación discontinuo:
Figura 1-11. Proceso discontinuo de obtención de biodiésel (Fuente: García y García, 2006).
1.4.2 PROCESO CONTINUO
En este proceso se utilizan reactores continuos de tanque agitado (CSTR) con un
volumen variado para permitir mayores tiempos de residencia y de esta manera
obtener mayor rendimiento de la reacción. Así, tras la decantación del glicerol en el
decantador, la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, obteniendo un
rendimiento aproximado del 98% (García y García).
22
En la Figura 1-12 se muestra un ejemplo de proceso continuo mediante reactores
de flujo pistón (PFR). En este proceso, se introducen los triacilgliceroles con el
alcohol y el catalizador, los cuales se hacen pasar por dos reactores para producir
el éster y la glicerina.
Figura 1-12. Proceso continuo de obtención de biodiésel utilizando dos reactores PFR (Fuente: García y
García, 2006).
1.4.3 APLICACIONES DE LA GLICERINA
La glicerina es un subproducto que se genera a partir de la reacción de
transesterificación, generándose un 10% de este en el producto final. La glicerina
cruda que se obtiene del proceso de transesterificación tiene una pureza del 80 –
85%, por lo que se considera un subproducto muy valioso si se lleva a cabo su
refinación a grado farmacológico (pureza de 100%), lo que cubriría los costos de
una planta para su tratamiento.
La glicerina es empleada actualmente en la fabricación de un gran número de
productos: resinas, celofán, tabacos, fármacos, cosméticos, entre otros. Con la gran
utilidad que tiene este producto a nivel industrial, puede considerarse la venta del
glicerol obtenido en la producción de biodiésel a una planta refinadora de glicerina,
proporcionándole un uso a este subproducto.
1.4.4 ESPECIFICACIONES DEL BIODIÉSEL
El biodiésel debe de cumplir con ciertas especificaciones para su comercialización,
las cuales están indicadas en las normas que rigen a cada país o región. En México
aún no existe una norma propia que regule la producción de biodiésel, por lo que se
puede tomar como base la norma ASTM D 6751 o la norma europea EN 14214. La
23
primera está más enfocada en la utilización del biodiésel en mezclas, mientras que
la segunda sólo aplica para biodiésel B100 elaborado a partir de metanol y es un
poco más estricta en cuanto a los límites permitidos. Esta diferencia da como
resultado que la norma en la que se basen los análisis del biodiésel elaborado en
esta tesis sea la ASTM D 6751, ya que el biodiésel producido se pretende utilizar
en mezclas. En la Tabla 1-8 se encuentran las especificaciones del biodiésel de
acuerdo a la norma ASTM D 6751:
Tabla 1-7. Especificaciones ASTM D-6751-08 para el biodiésel.
PROPIEDAD
UNIDAD
MÍNIMO
MÁXIMO
MÉTODO DE ENSAYO
g/cm3
cSt
°C
1.90
93.00
6.00
-
%m/m
0.0015
0.05
47.00
-
ASTM D-445
ASTM D-93
ASTM D-5453
ASTM D-7039 (op)
ASTM D-613
ASTM D-6890 (op)
ASTM D-2709
ASTM D-130
Contenido de éster
Densidad a 15 °C
Viscosidad a 40 °C
Punto de Inflamación
% m/m
Azúfre
Número de cetano
Contenido de agua
Agua y sedimentos
Corrosión en lámina de cobre
mg/kg
%v/v
-
Metanol
%m/m
-
Glicerina libre
Glicerina total
Índice/No. de yodo
Índice de acidez
%m/m
%m/m
mg KOH/g
-
0.05
no. 3
0.2
(P.I. 130°C)
0.02
0.24
0.50
Cold soak filterability
Segundos
-
360.00
mg/kg
mg/kg
mg/kg
%m/m
&m/m
Horas
%m/m
%m/m
%m/m
%m/m
3.00
-
5.00
5.00
0.05
0.02
-
ASTM D-6584
ASTM D-6584
ASTM D-664
ASTM D-6751
ANEXO A1
EN 14538
EN 14538
ASTM D-4530
ASTM D-874
-
%m/m
-
-
-
mg/kg
-
10.00
ASTM D-4951
°c
-
360.00
ASTM D-1160
°C
°c
Informar
-
Informar
-
ASTM D-2500
ASTM D-6371
Metales del grupo I, alcalinos (Na+K)
Metales del grupo II (Ca+Mg)
Contaminación total
Residuo carbonoso
Cenizas sulfatadas
Estabilidad a la oxidación 110 °C
Éster metílico-ácido linoléico
Contenido monoglicéridos
Contenido diglicéridos
Contenido triglicéridos
Éster metílico polinsaturado
(≥ 4 dobles enlaces)
Fósforo
Temperatura equivalente atmosférica
(90%R)
Punto de enturbamiento
POFF
-
Fuente: IICA y ARPEL, 2009.
A continuación se detallarán algunas de las propiedades que debe tener el biodiésel
para estar dentro de los límites indicados en la norma ASTM D 6751 (Maena, 2013):
24

Contenido de agua: Este parámetro depende del proceso de producción. Al
utilizar en motores, el exceso de agua puede provocar corrosión,
crecimientos bacteriológicos y obstrucción de filtros.

Acidez: Altos índices provocan corrosión y aumento en la velocidad de
degradación del biodiésel.

Contenido de Metanol: Alto índice de metanol provocará baja temperatura de
inflamación y corrosión de piezas fabricadas con Zinc y Aluminio.

Contenido de mono y diglicéridos: Indica una reacción incompleta. Estos
cristalizan
fácilmente
formando
depósitos.
Un
alto
contenido
de
triacilgliceroles provoca viscosidad.

Contenido de glicerol: Provocan un aumento de emisión de aldehídos.

Restos de K y Na: Indican presencia de catalizador y por lo tanto jabones,
por lo que se forman depósitos.

Estabilidad a la oxidación: Bajos niveles indican un aceite de partida
degradado o biodiésel en degradación.

Índice de Yodo: Altos valores favorecen procesos de polimerización e
hidrólisis.

Corrosión a la lámina de cobre: Es una medida de la tendencia del
combustible a corroer las partes del motor o tanques de almacenamiento
hechos de cobre.
Todas las propiedades del biodiésel especificadas en la norma ASTM D 6751, así
como la manera en que afectan su calidad, se muestran a detalle en el Anexo 1.
1.4.5 BALANCE DE ENERGÍA DEL CICLO DE VIDA DEL BIODIÉSEL
El balance de energía sobre el biodiésel nos indica cuánta energía fósil se utiliza
para generar 1 MJ de energía en el biodiésel y nos permite observar el aspecto
renovable en la utilización de este tipo de combustible. Según cálculos del
Departamento de Agricultura y Energía de EE.UU. (1998), el biodiésel de soja usa
0.311 MJ de energía fósil para producir 1 MJ de biocombustible, es decir, el ciclo de
vida del biodiésel de soja produce tres veces de energía en el producto final
respecto de la energía fósil utilizada para producirlo (IICA y ARPEL, 2009). En la
25
Tabla 1-9 se muestra el requerimiento de energía fósil para el ciclo de vida del
biodiésel de soja:
Tabla 1-8. Requerimiento de energía fósil para el ciclo de biodiésel de soja.
ETAPA
Agricultura de la soja
Transporte de la soja
Molienda de la soja
Transporte del aceite de soja
Conversión del aceite de soja
Transporte del biodiésel
Total
ENERGÍA FÓSIL
(MJ/MJ DE COMBUSTIBLE)
0.0656
0.0034
0.0796
0.0072
0.1508
0.0044
0.311
PORCENTAJE
21.09%
1.09%
25.61%
2.31%
48.49%
1.41%
100.00%
Fuente: Departamento de Agricultura de EE.UU, 1998.
En contraste al biodiésel, el diésel convencional solo rinde 0.83 unidades de energía
por cada unidad de energía fósil consumida. Utilizar biodiésel B20 tiene una relación
de hasta 0.98, teniendo un mejor balance energético al mezclarlo de esta manera
(IICA y ARPEL, 2009). Con esta comparación nos damos cuenta de la gran ventaja
que posee energéticamente el uso de biodiésel.
Los balances de energía han sido elaborados de múltiples maneras tomando en
cuenta diferentes factores, es por eso que en algunas fuentes se obtienen balances
inferiores a la unidad incluso para el uso de biodiésel B100, mientras que en otros
se obtienen balances muy altos. Esto se debe a que algunos factores son en base
a la agricultura, tales como el tratamiento de suelos, el uso de fertilizantes y
plaguicidas, la técnica de riego, entre otros. Por este motivo es que encontramos
muchas diferencias en cuanto a la factibilidad energética en el empleo de biodiésel.
En el ejemplo observamos que para la elaboración de biodiésel de soya se toma en
cuenta la agricultura, mientras que en el caso del biodiésel elaborado a partir de
borra de café se evita este paso al ser un residuo, por lo que se puede llegar a
superar la unidad de energía generada por unidad de energía fósil consumida para
su producción, haciendo aún más viable el uso de este biocombustible en mezclas
B20.
26
1.4.6 VENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL
Al provenir de aceites vegetales o animales, el biodiésel es un recurso renovable
biodegradable y no tóxico, al contrario del diésel, que al no ser biodegradable
ocasiona graves problemas ambientales. El biodiésel generado a partir de la borra
de café tiene la ventaja de provenir de residuos de alimentos, evitando así
problemas sociales y ambientales, tal como la deforestación, la cual ha crecido
significativamente en los últimos años.
El biodiésel se degrada en agua 4 veces más rápido que el diésel convencional.
Estudios de biodegrabilidad del biodiésel demuestra que a los 28 días fueron
degradados en un 77 – 89% (Maena, 2013). De la misma manera, la mezcla de
biodiésel con diésel convencional aumenta la biodegrabilidad del combustible. Por
ejemplo, la mezcla B5 reduce de 28 a 22 días el tiempo para obtener una
degradación del 50% (Pasqualino et al, 2006). Así mismo, el biodiésel es menos
tóxico y más biodegradable en el suelo que el diésel convencional, no mostrando
toxicidad en concentraciones de 12% en peso, a comparación del diésel que es
tóxico con una concentración de 3% en peso (Castro et al, 2007).
El biodiésel tiene propiedades físicas y químicas semejantes a las del diésel
convencional, por lo tanto puede usarse en los motores diésel actuales sin realizar
modificaciones al motor, al sistema de inyección o al sistema de encendido. Sin
embargo, los motores deben tener una antigüedad de 10 años como máximo, ya
que los materiales de los motores más antiguos contienen caucho, material que el
biodiésel puede disolver, mientras que los motores nuevos sustituyeron este
material con plástico, el cual es más resistente y no presenta este problema.
El ciclo biológico en la producción y uso de biodiésel reduce aproximadamente en
100% las emisiones de dióxido de azufre. La combustión de biodiésel disminuye en
90% la cantidad de hidrocarburos totales no quemados, y entre 75-90% la de los
hidrocarburos aromáticos. Además, proporciona significativas reducciones en la
emanación de partículas y de monóxido de carbono. Sin embargo, su utilización
genera un leve incremento en óxidos de nitrógeno dependiendo del tipo motor
27
(Medina y Greco, 2013). En la Tabla 1-10 se presentan las diferencias de emisiones
del biodiésel respecto al diésel convencional:
Tabla 1-9. Emisiones de biodiésel respecto al diésel convencional.
TIPO DE EMISIÓN
Dióxido de Azúfre
Hidrocarburos (HC)
Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP)
Material particulado (MP)
Monóxido de carbono (CO)
Nox
B100 (%)
-100
-90
-80
-30
-50
+13
B20 (%)
-20
-30
-13
-22
-20
+2
Fuente: Maena, 2013.
Como se puede observar en la Figura 1-13, en el balance final no hay aumento de
emisiones de dióxido de carbono, ya que las reducidas emisiones en comparación
con el diésel se compensan con la absorción de CO2 por parte de los cultivos
oleaginosos (Institute for Plasma Physics Rijnhuizen, 2005):
Figura 1-13. Ciclo de CO2 durante el uso de biodiésel (Fuente: Maena, 2013).
El encendido, rendimiento, desgaste, torque y potencia de los motores utilizando
biodiésel B100 o mezclado es similar al que genera el diésel convencional. De
acuerdo a estudios, se ha detectado un aumento de 4.11% en el consumo de
combustible y una ligera disminución de potencia utilizando la mezcla B30, mientras
que para B100 el consumo de combustible aumenta en 16% mientras que la
potencia disminuye 7%. Además, por el contenido de oxígeno (11%) y la ausencia
28
de azufre, el biodiésel posee mejores cualidades lubricantes que el diésel,
extendiendo la vida útil de los motores (Maena, 2013).
En cuanto a la seguridad del biodiésel B100, presenta un punto de inflamación
cercano a los 130°C y no produce vapores explosivos. Mientras que para el B20 se
tiene un punto de inflamación de 96°C (IICA y ARPEL, 2009). Estos valores hacen
al biodiésel más seguro para su transporte y manejo en comparación con el diésel
convencional, cuyo punto de inflamación es de aproximadamente 60°C.
La generación de aguas peligrosas y residuales durante el ciclo de producción del
biodiésel son mínimas, llegando a ser hasta un 80% menor respecto al diésel
convencional (IICA y ARPEL, 2009).
1.4.7 DESVENTAJAS DEL USO DE BIODIÉSEL
El biodiésel tiene muy buenas propiedades solventes, por lo cual debe limpiarse el
sistema de almacenamiento y conducción del automóvil antes de utilizarlo, de lo
contrario podría soltar y disolver sedimentos dejados por el combustible
previamente utilizado.
Una de las mayores desventajas ambientales que presenta es el incremento de
emisiones de NOx, las cuales contribuyen al aumento del calentamiento global. Si
se pudiera reducir la emisión de NOx durante la combustión se podría hablar de un
biocombustible casi 100% limpio y amigable con el ambiente.
La viscosidad del biodiésel se encuentra por arriba de la del diésel convencional, lo
que puede ocasionar problemas de pérdida en los filtros de los motores. Por esta
razón es que el biodiésel presenta problemas para trabajar a bajas temperaturas.
Los puntos de congelación (PC), puntos de nube (PN) y punto de obstrucción por
filtros fríos (POFF) son más elevados que los del diésel convencional (Maena,
2013). Aunque estas propiedades afectan la calidad del biodiésel, pueden
contrarrestarse agregando cierto tipo de aditivos para evitar estos inconvenientes,
logrando un buen funcionamiento del biodiésel incluso a temperaturas bajas.
29
Cuando el biodiésel proviene de ácidos insaturados presenta problemas de
estabilidad a la oxidación, causando inconvenientes cuando se almacena durante
largos periodos de tiempo (García y García, 2006). En cuanto al biodiésel
proveniente de la borra de café, este presenta una ventaja respecto a sus
homólogos provenientes de otra materia prima, gracias a los antioxidantes que
contienen los aceites de manera natural, lo que aumenta su estabilidad a la
oxidación.
El biodiésel es higroscópico y puede absorber agua si es almacenado en contacto
con el aire húmedo, razón por la cual se debe tener especial cuidado para evitar el
contacto del biocombustible con el agua, lo que reduce su eficiencia.
Durante la producción de biodiésel B100 se utiliza una cantidad de agua tres veces
mayor respecto al diésel (Castro et al, 2007). Sin embargo, nuevas tecnologías han
surgido en el mercado, como las resinas, que permiten un lavado en seco con
utilización mínima o nula de agua.
El precio es una de las principales barreras para la producción de este tipo de
biocombustibles. Actualmente, el precio del biodiésel es de 1.5 a 3 veces mayor que
el del diésel convencional, lo que provoca que los clientes sigan optando por
comprar combustibles fósiles al ser más económico., a pesar de los problemas
ambientales que esto conlleva.
1.4.8 ALMACENAMIENTO DEL BIODIÉSEL
El biodiésel puede ser bombeado, manipulado y almacenado con el mismo equipo
e infraestructura que el diésel. Los tanques de almacenamiento más adecuados son
los elaborados con acero inoxidable, aluminio, fibra de vidrio, entre otros. Deben
evitarse tanques revestidos en concreto, o con aleaciones que contengan cobre,
plomo, zinc y estaño, ya que estos pueden catalizar reacciones químicas que
degraden el biodiésel (DOE, 2006). Además se debe evitar el contacto directo con
el aire, el calor y luz solar, los cuales provocan la oxidación del biodiésel.
Dado que la mayoría del diésel convencional se utiliza en un periodo máximo de 6
a 9 meses desde su fecha de producción, el biodiésel almacenado durante este
30
periodo de tiempo no presenta cambios significativos que causen problemas
durante su utilización, pudiéndose utilizar después de periodos de almacenamiento
cortos. Si se desea almacenar el biodiésel por periodos de tiempo más largos, es
recomendable utlizar aditivos estabilizantes, como NBB o TBHQ (Maena, 2013).
Aún tomando en cuenta estos aditivos, lo más recomendable es utilizar el biodiésel
en un periodo no mayor a un año desde su producción, para evitar su degradación
así como la utilización de aditivos.
1.4.9 USO DEL BIODIÉSEL EN MEZCLAS
Como se ha mencionado antes, el uso del biodiésel B100 presenta problemas de
rendimiento a temperaturas bajas, por lo que es recomendable su utilización en
mezclas, siendo la más común la B20, 20% de biodiésel y 80% de diésel,
obteniéndose las siguientes ventajas (Castro et al, 2007):

Reduce los problemas de uso en frío.

Se evitan los problemas con materiales como el caucho y otros plásticos de
mangueras y empaquetadoras.

Se reduce el efecto solvente.

Se reducen las emisiones contaminantes sin reducir significativamente la
potencia y el torque.
1.4.9.1
ELABORACIÓN DE MEZCLAS DE BIODIÉSEL
Para la elaboración de las mezclas se debe tener en cuenta el equipo, los gastos
de operación, el requerimiento específico para la mezcla y su utilización.
El biodiésel puede ser mezclado con cualquier tipo de diésel existente en el
mercado. Una vez que el biodiésel está completamente mezclado con el otro
combustible, ambos componentes quedan juntos en una sola fase, sin separarse
durante el transcurso del tiempo. Las mezclas con un contenido de 20% de biodiésel
deben tratarse exactamente como si se tratara de diésel convencional (IICA y
ARPEL, 2009).
31
Se debe tener en cuenta que el biodiésel es ligeramente más pesado que el diésel
(peso específico de 0.88 contra 0.85 respectivamente), por lo que primero se debe
incorporar la fase diésel para asegurar una mezcla completa, evitando que en el
fondo del recipiente se tenga una mayor concentración de biodiésel (Castro et al,
2007).
Existen tres maneras de realizar las mezclas de biodiésel (DOE, 2006):

Splash-Blending: El biodiésel es incorporado de manera dispersa en un
recipiente, tanque o vehículo que ya contiene diésel. Al tener mayor
densidad, el biodiésel tiende a caer a través del diésel mezclándose con
este. La agitación posterior durante el transporte del recipiente o tanque suele
ser suficiente para que la mezcla sea completa. Si el tanque o vehículo de
transporte se carga por la parte inferior se debe cargar primero el biodiésel y
luego el diésel, el cual ascenderá a través del biodiésel gracias a su menor
densidad, garantizando una mezcla completa.

In-tank blending (mezcla en el tanque): Se mezcla el diésel y el biodiésel
en un tanque, de manera separada o al mismo tiempo por diferentes
entradas. La velocidad de llenado debe ser suficientemente alta para que los
combustibles se mezclen sin necesidad de recirculación o agitación
adicionales. Si este no es el caso, se requiere agitación para homogeneizar
la mezcla.

In-line blending (mezcla en línea): Es cuando el biodiésel es añadido a un
flujo de diésel que viaja por un ducto, tubería o manguera, de manera que
ambos combustibles se mezclan de manera completa gracias al movimiento
turbulento a lo largo del ducto. Una mezcla homogénea es garantizada
gracias a la agitación que ocurre cuando esta tubería descarga en un tanque
o depósito.
1.4.9.2
COMPROBACIÓN DE MEZCLAS DE BIODIÉSEL
Existen dos ensayos para comprobar una mezcla correcta. Para realizarlas, se
toman tres muestras, una de la zona superior, otra del medio y otra de la parte
32
inferior. Posteriormente se lleva a cabo uno los métodos siguientes (IICA y ARPEL,
2009):

Se analiza el porcentaje de mezcla de cada muestra por medio de
espectroscopía infrarroja o por medida de la densidad. Si la variación de los
resultados del peso es menor o igual a 0.006, la mezcla es correcta.

Se colocan las muestras en un congelador con termómetro y se controlan
cada 5 minutos hasta que alguna de las muestras comience a cristalizar. Se
registra dicha temperatura y se controlan las muestras cada dos minutos
hasta que todas comiencen a cristalizarse. Se comparan las temperaturas de
cristalización de las 3 muestras y el resultado debe de estar en un rango de
3°C, de lo contrario se requerirá más agitación para una mezcla correcta.
33
2
METODOLOGÍA
El método que se empleó para la elaboración de biodiésel es el de
transesterificación alcalina, debido a que es el más eficiente en la actualidad a nivel
industrial. En este método se utiliza metanol para la reacción, además de KOH o
NaOH como catalizador.
Sin embargo, debido a la naturaleza de los ácidos grasos del café, se recomienda
realizar previamente la reacción de esterificación, la cual tiene como finalidad
disminuir la acidez del aceite.
2.1.1 RECOLECCIÓN DE LA BORRA DEL CAFÉ
La borra de café fue recolectada en casas, en la Facultad de Ciencias Químicas de
Xalapa y en cafeterías de la ciudad de Xalapa, tratando de que el café fuera de
orígenes distintos para comparar los rendimientos de cada uno.
2.1.2 SECADO DE LA BORRA DEL CAFÉ
El secado de la materia prima es un paso muy importante para la obtención del
biodiésel, ya que entre menos humedad contenga antes de la extracción mayor será
la calidad de los aceites.
Se colocó el café en moldes de hornear para obtener un secado más rápido y
uniforme, colocando 500 gramos de café en cada molde. El secado se llevó a cabo
en una estufa a una temperatura de 70°C durante 24 horas para eliminar toda la
humedad.
2.1.3 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD DE LA BORRA DEL CAFÉ
Para determinar la humedad que contiene la borra del café se realizó la prueba de
acuerdo a la norma NMX-F-173-1999. La prueba consiste en colocar 5 gramos de
café molido en una cápsula de porcelana, la cual se introduce en una mufla durante
dos horas a una temperatura de 103°C. Transcurridas las dos horas se pesa la
muestra y se calcula la cantidad de agua eliminada, lo que da como resultado el
porcentaje de humedad contenida en la borra.
34
2.1.4 EXTRACCIÓN DE ACEITES
La extracción de aceites se llevó a cabo mediante el uso de un solvente, en este
caso hexano. Esta extracción es más efectiva que la extracción por prensado, ya
que requiere menos temperatura y el resultado es un aceite con un menor contenido
de impurezas, es decir, un aceite de mejor calidad con un consumo menor de
energía. La fracción aceite se solubiliza en el hexano, el cual se destila
posteriormente para su reutilización. Dada su alta volatilidad, el residuo de solvente
que queda en el aceite es mínimo o nulo (Lawson, 1994). El problema de este
método de extracción es que a nivel industrial requiere equipo sofisticado, aunque
en este caso, por la materia prima que se ocupa, es la única manera de obtener los
aceites.
La extracción de aceites de la borra del café se llevó a cabo de la siguiente manera:

Se colocó la borra del café en frascos de 3 litros junto con el hexano
durante dos días para la extracción del aceite.

Se filtró la borra del café con hexano y aceite a través de un embudo con
papel filtro. De esta manera obtuvimos en un matraz el aceite con hexano,
con una cantidad pequeña de impurezas.

Se separó el hexano del aceite en un rotovapor a una temperatura de
80°C hasta que no se observó condensación del solvente. El hexano se
recuperó para posteriores extracciones.

El aceite se almacenó en frascos ámbar para evitar la degradación de los
aceites por contacto con humedad y luz.
El rendimiento de extracción de aceite se calculó mediante la siguiente ecuación:
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =
𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑟𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑓é
∗ 100
(Ec. 1)
2.1.5 DETERMINACIÓN DE ACIDEZ DEL ACEITE
El índice de acidez es el número de miligramos de KOH que se requieren para
neutralizar los ácidos grasos libres en un gramo de aceite (Van Gerpen, 2004).
35
Para determinar el índice de acidez y la cantidad de ácidos grasos libres (AGL)
presentes en el aceite se llevó a cabo una titulación, para lo cual se utilizó una
solución de KOH con una concentración al 0.1 N. La mezcla a titular se preparó con
37.5 ml de alcohol isobutílico y 37.5 ml de tolueno, al cual se le agregaron 10 gotas
de fenolftaleína al 1%. Para realizar el cálculo se llevó a cabo la titulación dos veces,
primero sin aceite y luego con 5 gramos de aceite de café. La diferencia entre estas
dos medidas da como resultado el índice de acidez, tal como se muestra en la
siguiente ecuación (Van Gerpen, 2004):
𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒𝑧 =
𝑇𝑖𝑡𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 − 𝑇𝑖𝑡𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝐾𝑂𝐻 ∗ 𝑃𝑀 𝐾𝑂𝐻
𝐺𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
(Ec. 2)
Para determinar el porcentaje de ácidos grasos libres (AGL) en cada gramo de aceite se
utilizó la siguiente ecuación (Van Gerpen, 2004):
% 𝐴𝐺𝐿 =
𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒𝑧
(Ec. 3)
2
2.1.6 TRANSESTERIFICACIÓN
Para realizar la reacción de transesterificación se utilizaron catalizadores alcalinos,
realizando pruebas tanto con NaOH como KOH en una concentración de
aproximadamente 1% en peso respecto al aceite, mientras que la relación molar de
metanol fue de 6:1, es decir, un excedente del 100% para asegurar que la reacción
se lleve a cabo correctamente.
La cantidad de aceite, el ácido graso más abundante y el porcentaje de AGL
determinó la cantidad de catalizador y metanol a utilizar, en base a las relaciones
anteriores. En la Tabla 2-1 se encuentra la fórmula y peso molecular de los 4 ácidos
grasos presentes en el aceite de café:
Tabla 2-1. Ácidos grasos presentes en el aceite de café.
ÁCIDO GRASO
Ácido linoleico
FÓRMULA
C18H32O2
ACRÓNIMO
PESO
COMÚN MOLECULAR
C18:2
280
Ácido palmítico C16H32O2
C16:0
256
Ácido esteárico C18H36O2
C18:0
284
Ácido oleico
C18:1
282
C18H34O2
Fuente: Van Gerpen, 2004.
36
Para el cálculo de la cantidad de metanol necesaria se tomó en cuenta el peso
molecular del triacilglicerol, el cual contiene en su mayoría ácido linoleico con un
peso molecular de 280 g/mol, por lo que un mol del triacilglicerol tendrá un peso de
840 g/mol. El peso molecular del metanol es 32 g/mol, pero se requiere en una
relación de 6:1. Con una regla de tres obtenemos que por cada gramo de aceite se
requerirán 0.23 gramos de metanol.
En
cuanto
al
catalizador,
las
cantidades
necesarias
para
realizar
la
transesterificación se determinan de la siguiente manera (Van Gerpen, 2004):

Si la cantidad de AGL es menor o igual a 0.5%, se utilizará NaOH o KOH en
una concentración de 1% en peso respecto al aceite.

Si la cantidad de AGL es mayor a 0.5% se requerirá añadir un excedente de
catalizador para neutralizar los AGL, el cual se determina usando la siguiente
fórmula en el caso del NaOH: (%AGL) (0.144) + 1 % y la siguiente en caso
del KOH (%AGL)(0.197)/0.86 + 1 %. El resultado será el porcentaje en peso
respecto al aceite que será agregado de catalizador.
Los valores en las fórmulas fueron obtenidos de la bibliografía, en el caso del KOH
el 0.86 se refiere a su pureza, por lo que puede variar en la práctica.
Las condiciones de operación para llevar a cabo la reacción fueron de:

Temperatura: 60°C

Agitación: 800 rpm

Tiempo: 1 hora
Para asegurar que la reacción se llevara a cabo correctamente se conectó a reflujo
o se tapó para evitar que el metanol se evaporara y escapara.
Una vez concluida la reacción se colocó la mezcla en un embudo de decantación o
se llevó a la centrifuga para separar las fases que se obtuvieron.
37
2.1.7 ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS LIBRES
La esterificación se debe realizar cuando el porcentaje de AGL es mayor al 2%.
Según datos de Van Gerpen (2004), solo se debe realizar una transesterificación
directa cuando el contenido de AGL es menor al 1%. La reacción tiene como
finalidad neutralizar los ácidos grasos libres y así evitar la saponificación durante la
transesterificación. Para realizar la esterificación se necesitan 2.25 gramos de
metanol y 0.05 gramos de ácido sulfúrico por cada gramo de AGL presente en el
aceite.
Las condiciones de operación son idénticas a las de transesterificación. Una vez
finalizada la reacción, se separan las fases y se lava con agua destilada caliente de
3 a 4 veces para separar el aceite.
2.1.8 IDENTIFICACIÓN DE BIODIÉSEL
Para comprobar la presencia de biodiésel, así como para saber qué otros
compuestos se encuentran en el producto obtenido, se realizó un análisis FTIR. La
transformación de Fourier de la Radiación Infrarroja (FTIR) utiliza Radiación
Infrarroja (IR) en el análisis cuantitativo y graba movimientos moleculares a través
de programas de computadora. La mayoría de los compuestos revela su
componente distintivo cuando es expuesto a la radiación infrarroja al emitir una
energía (longitud de onda) que es representada por un gráfico llamado espectro
(Nishikida et al, 1995). El análisis FTIR para la detección de biodiésel es utilizado
en gran medida en la actualidad por ser un método de detección fácil y rápido.
Para comprobar la existencia de ésteres metílicos (biodiésel) se debe obtener un
espectro como el que se muestra en la Figura 2-1. En el espectro de biodiésel se
observan picos que están ausentes en el diésel, principalmente en dos bandas de
absorción. La primera es la región entre 1200 y 1300 cm -1 originada por la
deformación axial asimétrica C-O, mientras que la segunda es la región entre 1730
y 1750 cm-1, normalmente en 1743 cm-1, donde se encuentra el pico intenso
correspondiente al grupo carbonilo (C=O) propio de los ésteres, siendo esta la
mayor diferencia con el espectro del diésel, demostrando así la presencia de
biodiésel. En los espectros del diésel y biodiésel es común la banda entre 2900 y
38
3000 cm-1, correspondiente al estiramiento de los enlaces CH3, CH2 y CH propio de
los carbonos alifáticos (Lira et al, 2010).
Figura 2-1. Espectro FTIR de biodiésel (Fuente: Ahmad et al, 2014).
En la Figura 2-2 se muestra una comparación de espectros FTIR de biodiésel a
distintas concentraciones contra uno de diésel. La línea que no presenta el pico
entre las longitudes de onda de 1740 a 1750 cm-1 es de diésel convencional,
representada con el color verde oscuro, mientras que las líneas que se encuentran
arriba de esta son de mezclas de biodiésel en distintas concentraciones, siendo
biodiésel B50 la línea de color azul.
39
Figura 2-2. Comparación de espectros FTIR de diésel y biodiésel en distintas concentraciones: 50% (azul),
10% (verde claro), 5% (rojo), 2.5% (marrón) y 0% (verde oscuro). (Fuente: Agilent Technologies, 2014).
Esta comparación de espectros nos permite observar que el pico de ésteres
metílicos o biodiésel es fácil de distinguir en el resultado, ya que en el diésel no se
obtiene un pico en la longitud de onda de 1743 cm -1, lo que permite comprobar
fácilmente la presencia de biodiésel, mientras que en la muestra de diésel no se
obtiene ningún pico en esta longitud.
De la misma manera, podemos percatarnos que a mayor concentración de biodiésel
en la mezcla el pico obtenido será más grande respecto a las mezclas con menor
concentración.
2.1.9 LAVADO DE BIODIÉSEL
El lavado del biodiésel se realiza tres veces con agua destilada caliente. Al agregar
el agua se separan fases, por lo que se realiza hasta que el agua separada sea
clara y no contenga impurezas. Una vez lavado y separado el biodiésel se calienta
a 100°C para eliminar la humedad que contenga.
40
3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.1 GENERACIÓN, DESTINO Y POTENCIAL DE LA BORRA DEL CAFÉ EN
XALAPA
Como se mencionó con anterioridad, la borra de café es considerada un residuo,
sin darle algún uso en específico. En la ciudad de Xalapa algunas cafeterías
permiten que las personas puedan solicitar la borra para uso personal como abono,
sin embargo, son pocos los que saben acerca de esto y termina por ser un desecho.
El uso de la borra de café como materia prima para la producción de biodiésel en el
estado de Veracruz tiene gran potencial por el número de cafeterías que existen.
Refiriéndonos a la ciudad de Xalapa en específico, esta cuenta con un gran número
de cafeterías de todo tipo, desde las más pequeñas hasta las grandes cadenas
nacionales. La venta de café en estos lugares es muy variada, pero generalmente
se encuentra en el rango de 80 a 250 kg por día. Este rango solamente toma en
cuenta las cadenas de cafeterías como Bola de Oro, Don Justo y La Parroquia. En
locales más pequeños el consumo sería mucho menor, sin tomar en cuenta el café
consumido en las casas, de los cuales también se podría obtener la borra de café.
Con estos datos y tomando una venta baja de 100 kg de café en un solo
establecimiento, llevando a cabo una extracción promedio de 7% de aceites, se
obtendrían en un día 100 kg de borra de café y una extracción de aceite de 7,000
ml o 7 litros, lo que equivale a 49 litros de aceite por cafetería a la semana.
Si se toman en cuenta todas las cafeterías de la ciudad, así como la borra generada
en casas, nos damos cuenta que la cantidad de materia prima para la elaboración
de biodiésel es muy grande, demostrando que el potencial de este residuo para la
producción de biocombustibles es prometedor.
3.1.2 SECADO DE LA BORRA DE CAFÉ
El secado de la borra se repitió continuamente para realizar la extracción de aceites.
Transcurrido el tiempo de secado, se pesó y se determinó la cantidad de agua
eliminada. El resultado fue una eliminación de entre 60 y 70% de humedad, lo que
41
concuerda con la bibliografía consultada, la cual indica que la borra de café sale de
las cafeteras con aproximadamente una humedad del 60%.
Las condiciones de operación de secado fueron establecidas por la estufa donde se
llevó a cabo (Fig. 3-1), ya que alcanzaba una temperatura máxima de 70°C. La
finalidad del secado es eliminar por completo el agua, por lo que la temperatura
puede ser mayor para disminuir el tiempo, siempre y cuando se evapore por
completo la humedad de la borra.
Figura 3-1. Secado de la borra de café en la estufa.
3.1.3 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD
Para determinar la humedad se tomó una muestra de la borra de café previamente
secada y se realizó la prueba de acuerdo a la norma. El resultado nos indicó que la
borra contenía una humedad total de 68%.
Como se mencionó anteriormente, la humedad eliminada en el secado fue de entre
60 y 70%, es decir, se eliminaba el contenido de agua casi en su totalidad. La
bibliografía recomienda una humedad menor al 5% para asegurar una buena
extracción y un contenido nulo de agua en el aceite, por lo que se debe tener
cuidado en este parámetro para asegurar una buena calidad tanto de aceite como
42
de biodiésel, procurando que toda la humedad sea eliminada para evitar problemas
al llevar a cabo la reacción.
3.1.4 EXTRACCIÓN DE ACEITES
Para asegurar una correcta extracción del aceite sin contaminación se recomienda
realizarla en un aparato soxhlet, sin embargo, al no contar con el equipo, se extrajo
con solvente en unos frascos y posteriormente se hizo pasar por papel filtro, como
se observa en la Figura 3-2.
Figura 3-2. Extracción y filtrado del aceite de la borra de café.
Posteriormente se eliminó el hexano en un rotovapor para su recuperación, como
se observa en la Figura 3-3.
Figura 3-3. Eliminación de hexano por medio del rotovapor.
El aceite almacenado contenía impurezas, pero debido la cantidad obtenida
(aproximadamente 15 ml por cada extracción realizada), un posterior filtrado podía
43
ocasionar pérdidas, razón por la cual no se llevó a cabo y solo se trató de evitar que
llevara impurezas al ser almacenado (Fig. 3-4).
Figura 3-4. Recuperación de aceite en frascos por medio de pipetas Pasteur para evitar impurezas.
En base a la Ec. 1 se presenta la Tabla 3-1 con los diferentes rendimientos de
extracción de aceite obtenidos en cuatro marcas diferentes de café de tres
diferentes procedencias:
Tabla 3-1. Rendimiento promedio de la extracción de aceites del café.
LUGAR DE ORIGEN
Colombia
Oaxaca
Veracruz
Veracruz
MARCA
RENDIMIENTO (%)
Kirkland
6.9
Garat
8.7
Café-tal Apan
10.5
Bola de Oro
8.8
La presencia de borra de café en el aceite extraído es un inconveniente que se
presentó al almacenarlo, ya que algunas partículas pasaron a través del papel filtro,
lo que causó que se sedimentaran en los frascos. La presencia de estos
contaminantes puede afectar el rendimiento de la reacción, por lo que a nivel
industrial se debe contar con equipo de filtrado para evitar la presencia de partículas
en el aceite.
44
3.1.5 ACIDEZ DEL ACEITE
En base a la metodología previamente descrita y utilizando la Ec.2 se obtuvo una
acidez del aceite de 8.4 mg KOH/gr de aceite. Aplicando la Ec. 3 se obtiene un
porcentaje de AGL de 4.2% en el aceite de café.
El porcentaje de AGL obtenido indica que es conveniente una esterificación previa
antes de llevar a cabo la transesterificación alcalina, ya que en la práctica un
porcentaje de AGL mayor a uno puede dar como resultado un bajo rendimiento de
la reacción.
3.1.6 TRANSESTERIFICACIÓN DEL ACEITE
Los cálculos de las cantidades de reactivos necesarios se realizaron mediante un
programa elaborado en Excel, el cual se muestra en la Tabla 3-2. Los cálculos se
realizaron tomando como base el peso molecular del aceite linoleico, como se
mencionó en la metodología. Para la transesterificación se calentaron 40 gr de
aceite de café hasta alcanzar los 60 °C. Posteriormente se preparó el metóxido de
sodio y potasio, según fuera el caso, mezclando 0.64 gramos de NaOH o 0.78
gramos de KOH en 10 gramos de metanol hasta disolverse completamente, el cual
se vertió en el aceite de café.
Tabla 3-2. Cálculo de reactivos en Excel para realizar la transesterificación.
PM
Triglicerido
Metanol
REACTIVOS
Aceite
Metanol
KOH o NaOH
Porcentaje KOH extra
KOH final
Porcentaje NaOH extra
NaOH final
840 g/mol
32.04 g/mol
CANTIDAD
AGL
4.2 %
40 g
9.5204571 g
0.4 Si AGL=< 0.5
0.962093 %
Si AGL=> 0.5
0.7848372 g
0.6048 %
Si AGL=> 0.5
0.64192 g
45
3.1.6.1
Transesterificación utilizando NaOH como catalizador
Cuando se utilizó NaOH como catalizador se obtuvieron los siguientes resultados:

Se colocó el aceite en un matraz (Fig. 3-5 a) y se realizó la
transesterificación. Durante los primeros minutos de reacción se formó
una emulsión (Fig. 3-5 b) debido a la presencia de jabones, lo cual evitó
que se llevara a cabo de manera correcta. Una vez finalizada se colocó
en un embudo de decantación durante un día. El resultado fue una nula
separación de fases por la presencia de jabones, los cuales se
solidificaron (Fig. 3-5 c). No se pudo observar presencia de biodiésel o
glicerina.
Figura 3-5. Reacción de transesterificación con NaOH.

Al observar que el contenido de jabones era muy grande, se decidió
calentar el aceite para eliminar la humedad que pudiera contener. El
contenido de agua en el aceite fue de aproximadamente 15%, lo cual pudo
causar la reacción incompleta y el alto contenido de jabones.
Nuevamente se prepararon los reactivos para la transesterificación y se
llevó a cabo. Con el aceite seco no se presentó la formación de
emulsiones. Concluido el tiempo de reacción se colocó en un embudo y
se esperó la separación de fases.
46
Transcurrida una hora se pudo observar una clara separación de fases
(Fig. 3-6), de la cual se cree que la parte de abajo es una mezcla de
glicerina y jabones, mientras que la de arriba es biodiésel y jabones.
Figura 3-6. Separación de fases después de eliminar humedad del aceite y realizar la
transesterificación con NaOH
De la parte de abajo se tomó una muestra y se llevó a la centrifuga para
observar si se obtenía una separación de fases. Sin embargo, el resultado
fue una sustancia sólida, la cual se cree que es jabón (Fig. 3-7), razón por
la cual el rendimiento fue tan bajo.
Figura 3-7. Formación de jabón por la transesterificación con NaOH.
Se realizó la decantación de las dos fases. La parte de abajo se almacenó
en un vaso de precipitados. Después de un día se solidificó como se
observa en la Figura 3-8, posiblemente por la alta presencia de jabones.
47
Figura 3-8. Solidificación de jabones y glicerina.
La fase biodiésel se decantó sobre una probeta. El rendimiento de
conversión fue de aproximadamente 30%.Posteriormente se intentó el
lavado con agua para ver si ocurría separación de fases y al mismo tiempo
comprobar que efectivamente se trataba de biodiésel. Sin embargo, al
agregar el agua se formó una emulsión debido a la gran cantidad de
jabones que aún contenía, por lo que no se pudo analizar el biodiésel
producido. El resultado se presenta en la Figura 3-9.
Figura 3-9. Obtención y lavado de biodiésel obtenido con NaOH: a) Recuperación de biodiésel; b) Formación
de emulsión después del lavado.
3.1.6.2
Transesterificación utilizando KOH como catalizador
Se probó el uso de KOH como catalizador para ver si existe alguna diferencia
respecto al NaOH. Al llevar a cabo la reacción de transesterificación con este
catalizador se obtuvieron los siguientes resultados:
48

El aceite no se sometió a calentamiento para evaporar la humedad.
Transcurridos unos minutos posteriores a la reacción no se observó
presencia de jabones ni separación de fases. Una vez concluida la
reacción y para acelerar el proceso de separación se llevó a la centrifuga
a 3500 rpm durante 20 minutos. A pesar de que se centrifugó no se
observó separación alguna de fases (Fig. 3-10).
Figura 3-10. Resultado de la transesterificación con KOH sin separación de fases.
Para determinar si la mezcla contenía biodiésel o jabones se realizó un
lavado con agua destilada a una muestra de 10 ml, Al colocar una
cantidad pequeña de agua se comenzó a emulsificar pero se observó la
presencia de biodiésel en una capa muy pequeña en la parte de arriba.
Cuando se
agregó más agua se emulsificó toda la mezcla,
desapareciendo las fases debido a la alta presencia de jabones (Fig. 311). La diferencia del KOH respecto al NaOH radica en la formación de
jabones, el NaOH los produce en estado sólido, mientras que el KOH en
estado líquido, por lo que no se distingue hasta que se agrega agua.
49
Figura 3-11. Formación de la emulsión al agregar agua destilada al resultado de la
transesterificación con KOH.

Para evitar la emulsificación que se observó en la prueba anterior se
calentó el aceite para eliminar la humedad. Se realizó la reacción y
cuando esta concluyó se destapó y se elevó la temperatura a 70°C para
evaporar el metanol. Inmediatamente después de detener la reacción se
comenzó a ver una separación de fases, así que se procedió a verterlo
dentro del embudo de decantación y se dejó reposar por 10 minutos.
Transcurrido el tiempo se observó una separación clara de fases con una
cantidad de biodiésel de aproximadamente el 50%, tal como se observa
en la Figura 3-12.
Figura 3-12. Separación de fases después de realizar la transesterificación al aceite seco utilizando
KOH.
50
Posteriormente se decantó la fase glicerina en un vaso de precipitados,
mientras que la fase biodiésel se extrajo con una pipeta para un posterior
lavado y análisis.
Para comprobar la presencia de biodiésel se lavó con agua destilada. En
un tubo se colocó biodiésel y agua destilada en partes iguales (Fig. 3-13
a), mientras que en otro se colocó el triple de agua destilada respecto al
biodiésel. Estos tubos se centrifugaron para ver si había separación de
fases. Después de llevar a la centrifuga, en el tubo con cantidades iguales
de biodiésel y agua se observó la formación de una emulsión con una
capa de biodiésel en la parte superior (Fig. 3-13 b), la cual se analizó
mediante FTIR para comprobarlo. En el tubo con exceso de agua se formó
una emulsión completa sin separación de fases (Fig. 3-13 c).
Figura 3-13. Lavado del biodiésel obtenido utilizando KOH.
La obtención de biodiésel mediante la reacción de transesterificación tuvo el
resultado esperado, la obtención de biodiésel a partir de los aceites presentes en la
borra del café. Sin embargo, el rendimiento fue más bajo de que lo que se esperaba,
obteniendo aproximadamente un 50% de biodiésel a partir del aceite seco, lo que
demuestra que la acidez es muy alta para llevar a cabo una transesterificación
directa.
Durante la utilización de los dos catalizadores se presentaron problemas
semejantes, específicamente con la humedad del aceite y la formación de jabones.
Para evitar este problema debe de realizarse una esterificación previa para
neutralizar los AGL y evitar que se genere saponificación al contacto con el agua,
51
con lo cual se espera un rendimiento mucho mayor al llevar a cabo una posterior
transesterificación.
Algunas de las reacciones de transesterificación se realizaron en colaboración con
el Instituto de Energías Renovables (IER) de la UNAM, con apoyo del Dr. Sebastian
Pathiyamattom Joseph y el alumno de maestría en energías renovables Emilio
Arenas Guerrero.
3.1.7 ESTERIFICACIÓN
Los cálculos de los reactivos se obtuvieron en Excel mediante las relaciones
previamente descritas en la metodología. En este caso se llevó a esterificación una
cantidad de 15 gramos de aceite con un contenido de 0.63 gramos de AGL, por lo
que se requirieron 1.41 gramos de metanol y 0.03 gramos de ácido para realizar la
reacción.
Durante la reacción hubo un exceso de ácido, aproximadamente del doble. El
resultado fue la formación de una pasta de color azul (Fig. 3-14), la cual no permitió
la recuperación satisfactoria del aceite.
Figura 3-14. Formación de pasta color azul durante la esterificación.
De la esterificación solo fue posible recuperar 2 ml de aceite. Se cree que esto se
debió al exceso de ácido, el cual es muy agresivo y afectó las propiedades del
aceite. Además, se observó la formación de gomas en el fondo del tubo, lo que
indica un contenido alto de fósforo, por lo que el aceite de café requiere un
desgomado previo a la esterificación o transesterificación.
52
El aceite recuperado se lavó con agua destilada tres veces para eliminar todas las
impurezas presentes así como el ácido sulfúrico sobrante (Fig. 3-15). Cuando el
agua se observó clara se calentó para eliminar la humedad del aceite.
Figura 3-15. Lavado del aceite esterificado.
El problema durante la reacción fue el exceso de ácido, por lo que se debe tener
más control en la cantidad de ácido que se coloca, así como tratar de utilizar
cantidades más grandes de aceite para tener un mayor control en las cantidades de
los reactivos.
La reacción de esterificación se llevó a cabo con la colaboración del alumno de
maestría Emilio Arenas Guerrero del IER.
3.1.8 IDENTIFICACIÓN DE BIODIÉSEL MEDIANTE FTIR
Se realizaron análisis FTIR a tres muestras diferentes: a la glicerina, al biodiésel sin
lavar y al biodiésel lavado, esto con el fin de ver si se encontraban diferencias en
los espectros y comprobar la presencia de biodiésel en cada una de ellas. Para
realizar las comparaciones se tomó como base el espectro de la Figura 2-1.
En la Figura 3-16 se observa el espectro realizado a la muestra de lo que se creía
era glicerina. El resultado es similar al que se esperaba para comprobar la presencia
de biodiésel, obteniendo el pico de ésteres metílicos en la longitud de onda de 1742
cm-1, sin embargo, se observan ligeros cambios en los picos por debajo de 1500
cm-1. Esto se puede deber a que existen muchos compuestos en la mezcla, lo que
no permite definir bien los picos de cada compuesto.
53
Figura 3-16. Espectro FTIR obtenido del análisis de la glicerina producida a partir del aceite de café.
En la Figura 3-17 se muestra el análisis FTIR del biodiésel sin lavar, el cual presentó
un resultado semejante al de la muestra anterior, con la presencia del pico en 1744
cm-1 que demuestra la existencia de ésteres metílicos y la diferencia de que los
picos debajo de los 1500 cm-1 se distinguen un poco mejor. La diferencia entre
ambos espectros puede deberse a una menor presencia de compuestos diferentes,
lo que genera unos picos más claros que en el espectro de la muestra anterior.
54
Figura 3-17. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel sin lavar producido a partir del aceite de café.
En la Figura 3-18 se presenta el espectro del biodiésel que se recuperó después del
lavado, donde se observan que los picos de 1171, 1243, 1742, 2854, 2924 cm-1 son
iguales a los del espectro de la Figura 2-1. Los picos más importantes son los que
se observan de 1200 a 1300 cm-1, y el de 1742 cm-1, los cuales aseguran la
presencia de ésteres metílicos o biodiésel en la muestra analizada.
55
Figura 3-18. Espectro FTIR obtenido del análisis del biodiésel lavado producido a partir del aceite de café.
Como se puede observar, el resultado de los espectros fue semejante para las tres
muestras, por lo que se pudo corroborar que la reacción de transesterificación se
llevó a cabo correctamente y se obtuvo biodiésel a partir del aceite de café. Sin
embargo, en la muestra lavada se puede observar que se obtuvieron los picos en
las mismas longitudes que el de la Figura 2-1, posiblemente por llevar menos
impurezas que las otras dos muestras.
Con este análisis de identificación de biodiésel se comprobó que es posible la
elaboración de biodiésel a partir de los aceites presentes en la borra de café, dando
como resultado la conversión de estos aceites en ésteres metílicos mediante la
reacción de transesterificación alcalina. Una vez obtenido el biodiésel se debe
caracterizar para determinar si sus propiedades se encuentran dentro del rango
establecido en la norma ASTM D 6751 para su utilización en motores.
El análisis FTIR de las muestras se realizó en el Instituto de Energías Renovables
de la UNAM.
56
3.1.9 LAVADO DE BIODIÉSEL
El lavado del biodiésel se intentó en múltiples ocasiones, pero como se mencionó
anteriormente, la mezcla generó una emulsión. Por este motivo sólo se llegó al
primer lavado sin la posibilidad de eliminar el agua para obtener el biodiésel seco.
57
CONCLUSIONES
Como se puede observar el consumo actual de energía es cada vez mayor a nivel
mundial, por lo que se requiere más combustible para satisfacer dicha demanda. El
uso de biodiésel ha crecido considerablemente en los últimos años gracias a las
reformas ambientales que se han propuesto en muchos países. La ventaja de este
biocombustible es que al utilizarse en mezclas no requiere modificaciones en el
motor, convirtiéndolo en un gran sustituto o complemento del diésel convencional
El rendimiento de extracción de aceite a partir de la borra de café se considera alto
tomando en cuenta que es un residuo, al cual se le da un valor agregado. Mediante
la determinación de acidez y AGL se observa que es necesaria una esterificación
previa para asegurar un buen rendimiento de conversión de aceite de café a
biodiésel, lo cual requerirá mayor gasto de energía. De la misma manera se
presentó la generación de gomas, lo que indica que el contenido de fósforo es muy
alto y provoca la formación de emulsiones, requiriendo un desgomado del aceite
previo a la esterificación.
En cuanto a la reacción de transesterificación, en las pruebas se presentó que la
humedad contenida en el aceite causó la generación de jabones, lo que disminuyó
considerablemente el rendimiento de obtención de biodiésel. La solución es un
mejor secado de la borra de café para evitar el contenido de humedad en el aceite,
así como un calentamiento previo del mismo para asegurar que esté completamente
seco.
El uso de diferentes catalizadores nos permitió ver la diferencia entre ellos. El
resultado utilizando KOH fue más satisfactorio al no presentar jabones solidos como
el NaOH, lo cual dificulta tanto la reacción como la separación de fases. Por esta
razón se determina que el KOH es más efectivo que el NaOH para llevar a cabo la
transesterificación.
Mediante la investigación del tema se encontró que el lavado del biodiésel es uno
de los mayores problemas ambientales que presenta la producción de biodiésel a
nivel industrial, debido a las grandes cantidades de agua que requiere para llevarse
58
a cabo. Para evitar este inconveniente se puede realizar un lavado en seco con
resinas de silicato de magnesio, las cuales evitan el uso del agua, disminuyendo el
impacto ambiental.
El análisis FTIR que se realizó a las muestras obtenidas permitió corroborar la
presencia de biodiésel gracias a los picos que se observaron en los espectros. La
transesterificación de los triacilgliceroles presentes en el café dio como resultado
ésteres metílicos o biodiésel, por lo que sólo se requiere mejorar o adaptar la
manera de llevar a cabo la reacción para obtener un resultado óptimo, así como un
biodiésel de buena calidad.
Para llevar a cabo un proyecto de elaboración de biodiésel a partir de borra de café
a nivel industrial se debe considerar la dificultad de la recolección de esta, así como
la manera de llevar a cabo la extracción de aceites mediante hexano en grandes
cantidades. Sumado a esto, se tiene que evaluar si es conveniente la instalación de
una planta en base a la cantidad de biodiésel obtenido respecto a la cantidad de
energía utilizada para su producción.
La producción de biodiésel a partir de la borra de café en el estado de Veracruz
parece tener un enorme potencial debido a la gran cantidad de este residuo que se
genera. El proceso de producción parece ser viable de acuerdo a las pruebas
realizadas, sólo se requiere encontrar el método perfecto para eliminar los
inconvenientes que se presentaron y así obtener un rendimiento de conversión
óptimo de biodiésel.
Para realizar un análisis de viabilidad de un proyecto de este tipo se podría:

Implementar un programa de recolección de borra de café para realizar
un mayor número de pruebas.

Tener un control más estricto de la humedad contenida en el aceite.

Obtener un mejor rendimiento de conversión de aceite a biodiésel
mediante un método de producción óptimo.

Comprobar la calidad del biodiésel producido de acuerdo a los métodos
de ensayo indicados en la norma.
59

Realizar las pruebas necesarias al biodiésel para ver en qué porcentaje
puede utilizarse para estar dentro de la norma para su comercialización.

Utilizar métodos alternativos para el secado del biodiésel que no
requieran agua.

Caracterizar la borra del café después de la extracción de aceites para
ver su posible utilización como combustible.
60
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66
ANEXOS
En la tabla siguiente se describen el propósito e importancia de las propiedades del
biodiésel, así como los efectos que se producen al estar fuera del límite establecido.
Anexo 1. Límites de especificación en el biodiésel: propósito, importancia y efectos de su desviación.
PROPIEDAD
PROPÓSITO / IMPORTANCIA / EFECTOS POSIBLES DE LA DESVIACIÓN DE LA ESPECIFICACIÓN
Valores inferiores a los de la especificación indican reacción incompleta/presencia de aceite.
Contenidos de éster (min.)
Provocará alta viscosidad, disminución del efecto spray, aumento de carbonilla, combustión deficiente.
Depende del aceite de partida y proceso de transesterificación. Un valor bajo representa excesivo resto
Densidad (15°C)
de alcohol.
Satisfactoria combustión del combustible. El valor de la viscosidad debe de ser del mismo nivel del
diésel convencional.
Viscosidad (40°C)
Bajos valores indican exceso de metanol. Altos valores indican degradación térmica y oxidativa,
presencia de aceite sin reaccionar y pueden provocar problemas en los inyectores y sistemas de
bombeo. Acorta la vida del motor.
Seguridad contra incendios. Se utiliza como mecanismo para limitar el nivel de alcohol sin reaccionar
Punto de inflamación (min.) que permanece en el biodiésel terminado. Un bajo valor puede provocar problemas en el manipuleo,
transporte y almacenamiento.
Proteger el sistema catalítico del escape. Un valor alto indicaría contaminación del biodiésel y provocaría
Azufre
mayores emisiones de SO 2.
Buen desempeño del motor, es una medida de la calidad de ignición del combustible y del proceso de
combustión. Depende de la materia prima y nivel de oxidación del biodiésel. Un bajo valor indica poca
Número de cetano (min.)
tendencia a la auto-ignición y provocaría mayor cantidad de depósitos en el motor y mayor desgaste en
los pistones.
Un exceso de agua en el biodiésel puede ocasionar problemas de hidrólisis (aparición de ácidos grasos
Contenido de agua
libres).
Un exceso de agua puede causar corrosión y proveer un ambiente propicio para la proliferación de
microorganismos. La oxidación puede incrementar el nivel de sedimentos: por lo tanto este análisis
debe ser usado con el de acidez y viscosidad para determinar que tanto se oxidó el combustible
durante su almacenamiento. Un exceso de agua puede ocasionar problemas de hidrólisis. La presencia
Agua y sedimentos
de sedimentos/contaminación depende de insaponificables en la materia prima y proceso de
producción. Un alto valor indica presencia de insaponificables, jabones e impurezas mecánicas. Los
primeros dejan residuos en el motor al tener mayor punto de evaporación, los jabones dan lugar a
cenizas sulfatadas, y las impurezas mecánicas obstruyen filtros.
Indica dificultades con los componentes de bronce, latón o cobre de los vehículos. La presencia de
Corrosión a la lámina de
ácidos o de compuestos con azufre puede deteriorar la lámina de cobre, indicando así la posibilidad de
cobre
ataque corrosivo. Altos valores provocarían problemas de corrosión durante el almacenamiento y en el
motor.
Depende exclusivamente del proceso de producción. Restos de metanol provocan baja temperatura de
Metanol
inflamación, viscosidad y densidad, y corrosión en piezas de aluminio y Zinc.
Glicerina Libre
Glicerina total
Índice/No. De Yodo
Índice de acidez
Buen desempeño a bajas temperaturas. La glicerina total comprende la glicerina libre y la porción de
glicerina de aceite o de grasa sin reaccionar o que ha reaccionado parcialmente. Niveles bajos aseguran
una alta conversión del aceite hacia sus mono-alquil-ésteres. La cantidad de glicerina libre depende del
proceso de producción. Un valor alto indica una mala decantación y lavado del biodiésel, lo que provoca
un incremento en las emisiones de aldehídos y acroleína. Altos niveles de glicerina libre pueden causar
depósitos en los inyectores y afectar adversamente la operación en climas fríos causando taponamiento
de filtros.
Depende exclusivamente de la materia prima y cuantifica el grado de insaturación. Altos valores
indican la presencia de dobles enlaces que favorecen los procesos de polimerización e hidrólisis.
Protege el motor. Se utiliza para determinar el nivel de ácidos grasos libres o ácidos de proceso que
puedan estar presentes en el biodiésel. Un alto número ácido puede ocasionar aumento en la
degradación del biodiésel, aumentar la formación de depósitos en los sistemas de inyección y la
probabilidad de corrosión.
67
PROPIEDAD
Metales alcalinos (Na+K) y
del grupo II (Ca+Mg)
Cold soak filterability
Contaminación total
Residuo carbonoso
Cenizas sulfatadas
Estabilidad a la oxidación
(a 110°C)
Éster metílico - ácido
linolénico
Contenido de
monoglicérido y
diglicérido.
Contenido de triglicérido
PROPÓSITO / IMPORTANCIA / EFECTOS POSIBLES DE LA DESVIACIÓN DE LA ESPECIFICACIÓN
Su presencia depende del proceso de producción. Los metales provocan depósitos y catalizan
reacciones de polimerización. Valores altos de (Na+K) indican restos de catalizador. Valores altos de
(Ca+Mg) indican presencia de jabones insolubles.
Algunas sustancias que son solubles o aparentemente solubles en biodiésel a temperatura ambiente,
bajo enfriamiento o estadía o estadía prolongada a temperatura ambiente, se separan de la solución.
Estas sustancias pueden causar taponamiento de filtros. Este método de ensayo proporciona un medio
acelerado para medir la tendencia de estas sustancias a taponar los filtros. A elevados valores de tiempo
de filtración, mayor probabilidad de taponamiento de filtros y problemas de operabilidad a bajas
temperaturas.
Idem sedimentos en "Agua y sedimentos"
Protege el motor. Mide la tendencia a la formación de depósitos de carbón generado por un destilado
petróleo. Depende del proceso de transesterificación. Un valor elevado indica alto contenido de
glicéridos, presencia de metales (jabones, restos de catalizador) u otras impurezas.
Satisfactoria combustión del combustible. Los materiales que forman cenizas pueden estar presentes
en el biodiésel de tres formas: sólidos abrasivos, jabones metálicos solubles y catalizadores no
removidos. Los sólidos abrasivos y los catalizadores no removidos pueden afectar los inyectores, filtros
y bomba de inyección, generar desgaste en los pistones y anillos, y depósitos en el motor. Los jabones
metálicos solubles tienen poco efecto en el desgaste pero pueden afectar los empaques, contribuir al
taponamiento de filtros y generar depósitos en el motor.
Su valor depende de la materia prima y proceso de producción. Se permite el uso de aditivos para
mejorar este parámetro. Un bajo valor indica aceite de partida degradado o degradación del biodiésel
en el proceso. Un tiempo inferior al especificado la estabilidad del biodiésel durante su almacenaje y
distribución.
Depende de la materia prima (contenido de C18:3). Altos valores provocan bajo valor de POFF, bajo
número de cetano y alto índice de Yodo.
Depende del proceso. Indica reacción incompleta, ya que son restos del aceite que no ha terminado de
reaccionar. Altos valores provocan depósitos (inyectores, cilindros) y cristalización (tienen mayor punto
de fusión y baja solubilidad en biodiésel).
Depende del proceso. Un valor elevado indica presencia de aceite o grasa sin reaccionar. Ocasionará
elevada viscosidad del biodiésel y depósito en cilindros y válvulas.
Contenido de éster metílico
Depende de la materia prima (contenido de metil-éster con 4 o mas dobles enlaces). Altos valores
poli-insaturado (4 o más
favorecen los procesos de polimerización que provocan depósitos y deterioran el aceite lubricante.
dobles enlaces)
Prevenir daños en el convertidor catalítico. El fósforo puede dañar los sistemas de control de emisiones
Fósforo
y tratamiento de gases de escape, por lo cual su contenido debe de ser bajo. Contenidos elevados
indicarían un mal blanqueado del aceite de partida y presencia de insaponificables.
Temperatura atmosférica
equivalente (90%R)
Para asegurar que el biodiésel no ha sido contaminado con materiales de alto punto de ebullición, como
aceites lubricantes gastados.
Punto de enturbamiento
Buen desempeño a bajas temperaturas. Define la temperatura a la cual aparece una nube o nubosidad
de cristales en el combustible, bajo condiciones de ensayo prescritas. Problemas de operación en climas
fríos.
Punto de obstrucción del
filtro en frío (POFF)
Es un indicador de los limites de operabilidad. Este valor depende de la materia prima y del proceso de
producción (impurezas mecánicas).
Fuente: IICA y ARPEL, 2009.
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