Los girasoles, ¿generadores de energía?

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DATOS:
Proyecto: Los girasoles, ¿generadores de energía?
Tutor/a: Mª Ángeles Setién García
Alumnos/as:
Manuel Castro Ortega
Vicente Chaves Grande
Ana Candelas Jiménez Martínez
Mª del Mar López Fadrique
Elena Morales Valencia
Raquel Peces Muñoz
Centro: C.C. Ntra. Sra. de las Mercedes
Curso: 2005-2006
Localidad y Provincia: Tarancón (Cuenca)
Fotografía del equipo
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The fact that we are in a zone of
Castilla-La Mancha famous for
sunflowers growing and that in our
locality there is an oil factory has
decided to us to investigate about
sunflowers like a renewable and non
polluting source of energy. We have
based our study in transformation and
explosion techniques of her seeds and in
the use of oil extracted in the
manufacture
of
biocarburants
(biodiesel).
El
hecho
de
que
nos
encontremos en una zona de Castilla-La
Mancha famosa por sus cultivos de
girasol y que en nuestra localidad haya
una fábrica de aceite, nos ha animado a
investigar sobre los girasoles como
fuente renovable y no contaminante de
energía. Hemos basado nuestro estudio
en las técnicas de transformación y
explotación de sus semillas y en el uso
del aceite extraído en la fabricación de
biocarburantes (biodiésel).
The work has been made by
consultations in Internet, practices in the
laboratory and a visit to an oil factory.
We have got fuel from the stored
chemical energy in the biomass. We
have stated that thanks to biodiesel we
won’t depend as much on foreign
countries and with his use we’ll be able
to fulfil with the international treaties
like Kyoto.
El trabajo se ha realizado
mediante consultas en internet, prácticas
en el laboratorio y visita a una fábrica
de aceite. Hemos obtenido combustible
a partir de la energía química
almacenada en la biomasa. Hemos
constatado que, gracias al biodiésel, no
dependeremos
tanto
de
países
extranjeros, y que con su utilización
podremos cumplir con los tratados
internacionales, como el de Kyoto.
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El Sol es la fuente de toda energía.
Prácticamente toda la energía existente en la tierra proviene del Sol, que es una
esfera incandescente de gases helio, hidrógeno y algo de carbono, con una masa de
330000 veces la de la Tierra. En el Sol se producen reacciones nucleares de fusión en
las que el hidrógeno se transforma en helio, radiando unos 1020 Kwh. cada segundo, por
lo que en menos de 15 min. recibe la energía que la humanidad necesita en un año. Sin
embargo, solo podemos aprovechar una pequeña parte utilizando diversos dispositivos.
Las plantas verdes son los mejores colectores solares. Por medio de la
fotosíntesis, la energía solar se transforma en materia orgánica como madera, tejidos
verdes o alimentos vegetales. La transformación de la madera a lo largo del tiempo ha
originado el carbón, y de los restos de animales (que consumían plantas) se han
originado el gas natural y el petróleo.
Toda la energía que consumimos en forma de alimentos o combustibles proviene
de una fuente original que es el Sol, y de él depende toda la vida en la Tierra.
El flujo de energía comienza a través de la reacción de la fotosíntesis, un
conjunto de reacciones que realizan las plantas verdes, que poseen clorofila, las
cianofíceas y algunas bacterias, y a través de las cuales se sintetizan glúcidos o hidratos
de carbono, por acción de la luz en presencia de la citada clorofila, y otros pigmentos, y
con el concurso del dióxido de carbono atmosférico y el agua.
En resumen, la fotosíntesis es la transformación de la energía luminosa en
energía química. Su importancia no es de índole menor, pues prácticamente toda la
energía consumida por la vida de la biosfera terrestre procede de la fotosíntesis.
La fotosíntesis se realiza en dos fases o etapas: la reacción lumínica, y la
reacción en la oscuridad. La reacción lumínica actúa en presencia de luz con
independencia de la temperatura reinante, siempre que ésta no sobrepase determinados
límites. Por su parte, la reacción en la oscuridad tiene lugar con independencia de la luz,
pero no de la temperatura, aunque ésta última debe mantenerse igualmente dentro de
unos límites para que sea efectiva.
Se inicia la fotosíntesis con la absorción de fotones (energía luminosa) en los
pigmentos activos. Éstos trasladan a las clorofilas la energía que se suma a la absorbida
por las mismas. Aquí la clorofila realiza su labor más importante y esencial en todo el
proceso, capturando la energía de las diferentes longitudes de onda, principalmente del
espectro rojo y violeta, que corresponden a las clorofilas de tipo A. Estas reacciones
ocurren en los cloroplastos que se encuentran dentro de las células, y donde están
contenidas las citadas clorofilas y otra serie de compuestos, todos ellos parte activa en la
función clorofílica en mayor o menor medida.
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La reacción en la oscuridad, por su parte, permite que la energía capturada en
presencia de luz, y por tanto temporal, siga capturándose permanentemente en forma de
glucosa.
En resumen, el balance total o efecto neto de la fotosíntesis queda establecido
como glucosa, a través de un gasto energético de luz solar, es decir, el dióxido de
carbono más agua proporcionan oxígeno y glucosa.
La historia del girasol comienza en América, cuando los amerindios
descubrieron que las semillas de girasol eran muy nutritivas. A raíz del descubrimiento
de América, esta planta viajó a Europa y despertó mucha curiosidad, debido a su gran
tamaño.
El nombre científico del girasol, Helianthus annuus, proviene del griego Helios,
Sol, y Anthos, flor. Es una de las 67 especies del genero Helianthus. Linneo la bautizó
con annuus, es decir, anual, porque en su época sólo se conocía esta especie anual de
Helianthus.
Actualmente, además de la alimentación, el girasol juega un papel relevante en
los cultivos energéticos.
Respecto a su valor nutricional, las pepitas de girasol tienen una gran reputación
entre sus consumidores, ya que es fuente de varios nutrientes, tales como Calcio, Hierro,
Magnesio, Fósforo, Potasio, Cinc, Cobre, Manganeso, Tiamina, Riboflavina, Niacina,
Vitamina A, Vitamina E …, lo que agrega a nuestra alimentación un agradable refuerzo
alimenticio. La cantidad de nutrientes que contiene es muy importante para el
crecimiento de los niños y para la dieta de los adultos.
Todos estos datos sobre el girasol los hemos obtenido de la fábrica OLCESA.
Los girasoles, como todos los vegetales, contienen energía química almacenada
mediante el proceso de fotosíntesis; son, por tanto, una fuente de energía útil, muy
interesante por ser renovable y no contaminante.
Queremos hacer un estudio de cómo se extrae esa energía para su utilización en
diversos campos; técnicas de transformación y explotación de sus semillas, las pipas, y
su posible uso en la fabricación de biocarburantes, concretamente biodiésel.
Hace cien años, Rudolf Diesel diseñó su prototipo de motor y lo hizo funcionar
con aceite de cacahuete pero, como el diesel extraído del petróleo resultaba barato y
fácil de conseguir, se utilizó éste de forma masiva. A mediados de los 70, la escasez de
combustible en los Estados Unidos estimuló el interés en diversificar sus fuentes y con
ello el interés en desarrollar biodiésel, carburante extraído de aceites, como una
alternativa al fabricado con petróleo. Estos ésteres metílicos o etílicos (biodiésel) se
mezclan con el combustible convencional en cualquier proporción, o se utilizan como
combustible puro, biodiesel 100%, en cualquier motor diésel.
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“PRODUCCIÓN DE ACEITE DE GIRASOL”
VISITA A LA FÁBRICA OLCESA
Para saber cómo se extrae el aceite de las semillas de girasol en la propia fábrica,
hemos realizado una visita a la misma con un recorrido de más de dos horas. Hemos
seguido el mismo itinerario de las pipas, desde que llegan a la fábrica, a través de trenes
o camiones, hasta que salen convertidas en aceite y otros subproductos útiles para la
industria.
Después de tomar notas, los miembros del equipo, contrastando nuestros datos,
realizamos un esquema, que resume todo el proceso de transformación y presentamos
seguidamente.
Al finalizar el recorrido, el gerente de la misma explicó las fases que seguir para
la construcción de una planta de biodiésel y su zona de ubicación, así como unas
características generales de dicho producto.
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El biodiésel es, químicamente hablando,
un éster de ácidos grasos.
Este combustible se obtiene por
“transesterificación”, proceso que combina aceites
vegetales, grasa de animales y/o aceites de algas
con alcohol, normalmente metanol, en presencia
de un catalizador con el fin de formar ésteres de
ácidos grasos.
La fuente de aceite vegetal suele ser aceite
de colza , pues es la planta con mayor rendimiento
de aceite por hectárea, o el aceite de girasol,
aunque también se pueden utilizar aceites usados
(por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso, la materia prima es muy barata y además
se reciclan lo que en otro caso serían residuos.
En la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona
con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de
glicerol. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.
O
H2C---O---C----R
O
HC---O----C----R
O
H2C---O---C----R
H2C-OH
NaOH
+ CH3-OH
HC-OH
O
+ 3 H3C
O
R
H2C-OH
Los productos obtenidos no son puros. La glicerina está mezclada con metanol y
cera. Una vez refinada, puede ser empleada en la industria química (plásticos, pinturas,
conservantes), cosmética farmacéutica, explosivos, etc. Para purificar la glicerina, se
somete a 65,5 º C de temperatura para que se evapore el metanol.
Por otro lado, el éster obtenido también contiene alcohol que es separado, y su
exceso, reciclado. Posteriormente, los ésteres son sometidos a un proceso de
purificación que consiste en el lavado con agua, secado al vacío y posterior filtrado.
En el biodiésel también hay jabones. Cuando el metanol se une con los ácidos
grasos, se forma agua. El aceite también puede contenerlo. Los jabones se forman
porque el ión Na+ del hidróxido de sodio reacciona con los ácidos grasos en presencia
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de agua. Si hay agua en la mezcla durante la reacción, se forman más jabones de lo
normal. Para separarlos, se lava el combustible una o varias veces. En el primer lavado,
es mejor añadir un poco de vinagre (ácido acético) al agua. Con el ácido acético se
consigue que el PH del biodiésel sea casi neutro, porque se une a los restos de Na OH y
los neutraliza.
También puede enfriarse el biodiésel para que los restos de jabón y Na OH
sedimenten más deprisa.
OBTENCIÓN DE BIODIÉSEL EN EL LABORATORIO
Después de realizado este estudio, y ya que en algunas páginas de Internet se
explica cómo obtener biodiésel a partir de aceites puros o usados para cocinar, vamos a
concluir nuestro trabajo con una fase experimental en el laboratorio.
Material: balanza, vaso de precipitados, vidrio de reloj, para medir NaOH, varilla,
probeta, embudo de decantación de 250ml.
Reactivos químicos: aceite de girasol, metanol, agua
destilada, hidróxido de sodio.
Procedimiento: colocamos 20 ml de metanol en una probeta
y pesamos 40g de hidróxido de sodio en el vidrio de reloj.
Vertemos el alcohol en el embudo de decantación y
añadimos el NaOH; tapamos fuertemente y agitamos
durante unos minutos hasta que todo el hidróxido se
disuelva. El producto resultante se llama metóxido de sodio
y es muy caústico (corrosivo). Medimos 100 ml de aceite de
girasol en una probeta; se abre el embudo de decantación con mucho cuidado y se añade
el aceite, se tapa y se agita fuertemente durante 20 minutos aproximadamente. Se deja
reposar. Después de doce horas, comenzamos a observar dos
fases. Al cabo de dos semanas, consideramos terminado el
proceso. En la parte superior queda el biodiésel y en la
inferior, más oscura y espesa, se encuentra la glicerina. Ya
tenemos el biodiésel, pero nos parece interesante comprobar
algunas de sus características comparándolo con el alcohol.
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COMPROBACIÓN DE ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DEL BIODIÉSEL
OBTENIDO COMPARÁNDOLO CON EL ALCOHOL
Material: dos mecheros de alcohol, trípodes, rejilla, vasos de precipitados, cronómetro,
termómetros, papel milimetrado, probeta, pipeta de 5 ml.
Reactivos: metanol, biodiésel, agua destilada.
Procedimiento: Extraemos todo el biodiésel que podemos mediante una pipeta del
embudo de decantación (aproximadamente 50 ml). Ponemos 40 ml del mismo en un
mechero y la misma cantidad de alcohol de quemar en el otro. En dos vasos de
precipitados, medimos 100 ml de agua destilada en cada uno. Una vez medida la
temperatura inicial del agua, encendemos los mecheros y anotamos cada dos minutos la
temperatura del agua. Realizamos dos tablas y una gráfica con los valores obtenidos,
para poder compararlos.
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En el ámbito industrial y medioambiental
La proporción aproximada entre los reactivos de la reacción es la siguiente:
1,1Kg de metanol por cada 10kg de aceite. Tras la transesterificación , se obtiene, por
un lado, biodiésel crudo (éster metílico) y por otro lado glicerina cruda (1,1Kg por cada
10,05Kg de biodiésel producido), aparte de compuestos ácidos grasos libres que
pueden ser destilados.
Desde un punto de vista ambiental y económico el biocarburante estudiado presenta
una serie de beneficios:
-
Tiene elevado punto de fusión-dilatación.
No produce vapores explosivos.
Tiene baja toxicidad en mamíferos, en caso de ingestión, y es biodegradable.
No incrementa los niveles de CO2 en la atmósfera.
Proporciona una fuente de energía reciclable y, por lo tanto, inagotable.
Revitaliza las economías rurales y genera empleo, al favorecer la puesta en
marcha de un nuevo sector en el ámbito agrícola.
Se podrían reducir los excedentes agrícolas que se han venido dando en las
últimas décadas.
Mejora el aprovechamiento de tierras con poco valor, que muchas veces son
abandonadas por poca rentabilidad en cultivos tradicionales.
Su transporte y almacenamiento es más seguro que el de los derivados del
petróleo, ya que posee un punto de ignición más elevado.
El biodiésel puro posee un P.I de 148 º C y el gasoil de 51 º C.
Como combustible reduce el humo de arranque en un 30 %.
Cualquiera de sus mezclas reduce una proporción equivalente a su contenido
en:
15% hidrocarburos.
18% partículas en suspensión.
10% óxido de carbono.
45% dióxido de carbono.
Estos indicadores mejoran si se adiciona un catalizador.
Este carburante obtenido de la biomasa tiene además la ventaja de que, para su
uso, no se necesitan modificaciones en el motor, ni en el sistema de encendido, ni en los
inyectores de combustible de un motor diésel estándar. Tan sólo se necesita el cambio
de algunos manguitos y materiales de revestimiento de piezas que estén en contacto
directo con el combustible.
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Con respecto a nuestro trabajo en el laboratorio
Las tablas y gráficas obtenidas en el calentamiento del agua con los distintos
carburantes son las siguientes:
ALCOHOL
Tiempo (min)
0
Temperatura º C 21
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
35
48
62
72
81
89
92
95
96
100
BIODIÉSEL
Tiempo (min)
0
Temperatura º C 21
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
34
39
42
45
50
54
56
59
61
62
- Observamos, mediante las curvas de calentamiento que, transcurridos 20 minutos, la
temperatura del agua, cuando el calor proviene del mechero con biodiésel, solamente ha
llegado a 62 º C, mientras que con el alcohol ha ascendido a 100 º C.
- El aspecto es cristalino, transparente y bastante claro, aunque más aceitoso que el
alcohol.
- De 100ml de aceite hemos conseguido extraer con la pipeta unos 50 ml de biodiésel
En la industria se obtendría prácticamente la misma cantidad de carburante (100ml) que
de aceite utilizado.
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- La llama producida por el biodiésel
es muy diferente a la del alcohol,
como se observa en la fotografía
adjunta. La llama del mechero de
alcohol es más pobre y vacilante que
la conseguida con el biodiésel.
- En 45 minutos todo el alcohol (40
ml) que teníamos en el mechero, se
ha consumido, mientras que del
biodiésel quedan 26ml, por tanto la
combustión del alcohol es más rápida
que la del biodiésel.
Los resultados negativos son:
El biodiésel obtenido no es puro, ya que debería lavarse como se indica en el
proceso de obtención industrial y nosotros no lo hemos hecho. También es necesario
purificar la glicerina, como se ha indicado antes.
La cantidad obtenida está muy por debajo de la esperada, casi la mitad; esto es
debido a que la reacción de transesterificación es
reversible, y para obtener mayor cantidad de biodiésel sería
necesario ir eliminando glicerina para desplazarla hacia la
derecha, cosa que nosotros no hemos hecho.
La forma de extracción, una vez separadas las
fases, debería ser mediante una bomba, ya que por la llave
del embudo de decantación no puede pasar la glicerina por
ser muy espesa. La falta de material adecuado la hemos
suplido con imaginación, y hemos empleado una pipeta.
Por lo tanto, al realizar la práctica, no hemos tenido
en cuenta el factor tiempo, ya que los productos han
permanecido en reposo más de quince días, por las
vacaciones de Semana Santa, ni tampoco el rendimiento, ni la pureza, todos ellos
factores cruciales tanto en el ámbito de laboratorio como industrial.
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¿Son o no los girasoles generadores de energía?.
Este biodiésel obtenido en el laboratorio nos ha servido como combustible. Por
lo tanto, hemos conseguido extraerle al aceite de girasol, como pretendíamos demostrar,
una parte de su energía acumulada y transformarla en un tipo de energía diferente,
mucho menos contaminante que la obtenida de los combustibles fósiles, como hemos
explicado anteriormente.
La mayor parte de los países occidentales dependemos del petróleo, y somos
conscientes de los problemas económicos y ambientales que genera su utilización; es,
por tanto, imprescindible desarrollar nuevos materiales menos contaminantes.
En este sentido, este compuesto ofrece mejoras sustanciales respecto a sus
competidores.
El 16 de febrero de 2005 entró en vigor el protocolo de Kyoto,. Con él los países
desarrollados se comprometen a reducir las
emisiones de gases del efecto invernadero,
principalmente CO2.
Se pretende una disminución de CO2 a la
atmósfera, hasta llegar a un 8%, como indica la
gráfica.
Las emisiones españolas no han dejado
de aumentar y se encuentran por encima del
doble de lo permitido. La utilización de una
forma masiva y combinada de energías
alternativas no contaminantes y renovables,
como la biomasa, se hace en estos momentos
imprescindible.
Gracias a este trabajo, somos conscientes de la importancia que el biodiésel va a
tener en un futuro próximo en nuestra localidad, y en nuestro país, ya que en España se
cultivan oleaginosas en grandes extensiones de terreno.
Hemos comprobado la importancia que tiene la investigación en el progreso de
un país, ya que lo hace menos dependiente de otros, así como las interrelaciones
existentes entre la química, sus industrias, la sociedad y el medioambiente.
Queda un amplio campo abierto en el estudio de la utilización y transformación
del glicerol obtenido en el proceso de transesterificación, que una vez refinado se
emplea en la industria química, cosmética, farmacéutica, explosivos.., que
proporcionará grandes beneficios a la industria.
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Nuestro agradecimiento por su ayuda a:
D. RAFAEL JIMÉNEZ RAMÍREZ. Gerente de OLCESA
D. EMILIO SÁIZ GÓMEZ. Responsable técnico de OLCESA
PROFESORES DEL COLEGIO Ntra. Sra. De las Mercedes:
D. José Mª Sánchez Garzón (Profesor de Lengua y literatura)
D ª Elena Martín González (Profesora de Inglés)
D ª Ana Mª García Lechón (Profesora de Plástica)
http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/doc/ElCuaderno58.doc
http://usuarios.lycos.es/biodieseltr/hobies4.htlm
www.wikipedia.org
MIKE PELLY, Biodiésel de grasas o aceites usados en la cocina.
ALEKS KAC, Adaptación a dos etapas del proceso de Mike Pelly
MARIO ALBERTO SIORDIA GRAVE Y CUITLÁHUAC PEIRÓ LÓPEZ,
Cocinando energéticos, : obtención de biodiésel a partir de aceites.
RESPUESTA INDUSTRIAL A LOS CULTIVOS ALIMENTARIOS Y
ENERGÉTICOS-OLCESA.
D. EMILIO SÁIZ GÓMEZ. RESPONSABLE TÉCNICO DE OLCESA, Datos sobre la
transformación de semillas de oleaginosas en la fábrica.
RAFAEL JIMÉNEZ RAMÍREZ, Fases por seguir para la construcción de la planta de
biodiésel, zona de ubicación y características generales de dicho combustible.
LIBROS DE TEXTO DE SM. Biosfera, Ecosfera e Interacción de 3º y 4º de ESO.
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