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Articulo de referencia

Producción de biodiésel

La producción de biodiesel es el proceso de producir el biocombustible , biodiesel , a través de las reacciones químicas de transesterificación y esterificación . [ 1 ] Este pro...

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La producción de biodiesel es el proceso de producir el biocombustible , biodiesel , a través de las reacciones químicas de transesterificación y esterificación . [ 1 ] Este proceso produce un producto (químico) y subproductos .

Las grasas y los aceites reaccionan con alcoholes de cadena corta (típicamente metanol o etanol ). Los alcoholes utilizados deben ser de bajo peso molecular. El etanol es el más utilizado debido a su bajo costo; sin embargo, se pueden lograr mayores conversiones a biodiésel utilizando metanol. Aunque la reacción de transesterificación puede ser catalizada tanto por ácidos como por bases, la reacción catalizada por bases es más común. Esta vía presenta tiempos de reacción y costos de catalizador menores que la catálisis ácida. Sin embargo, la catálisis alcalina tiene la desventaja de ser altamente sensible tanto al agua como a los ácidos grasos libres presentes en los aceites. [ 2 ]

Etapas del proceso de biorrefinería

Los pasos principales necesarios para sintetizar biodiesel son los siguientes:

materias primas

Las materias primas comunes utilizadas en la producción de biodiesel incluyen:

La lignocelulosa genera subproductos que actúan como inhibidores enzimáticos , como el ácido acético , el furfural , el ácido fórmico y la vainillina , y estos inhibidores químicos afectan el crecimiento celular . [ 4 ]

El aceite reciclado se procesa para eliminar impurezas derivadas de la cocción, el almacenamiento y la manipulación, como suciedad, restos de comida carbonizada y agua. Los aceites vírgenes se refinan, pero no hasta alcanzar un nivel apto para uso alimentario. Es común la desgomación para eliminar fosfolípidos y otra materia vegetal, aunque los procesos de refinamiento varían. [ 5 ] El agua se elimina porque su presencia durante la transesterificación catalizada por bases produce la saponificación (hidrólisis) de los triglicéridos, generando jabón en lugar de biodiésel. [ 6 ]

Posteriormente, se analiza una muestra de la materia prima limpia mediante titulación con una solución básica estandarizada para determinar la concentración de ácidos grasos libres presentes en la muestra de aceite vegetal. A continuación, los ácidos se eliminan (normalmente mediante neutralización) o se esterifican para producir biodiésel (o glicéridos ).

Reacciones

La transesterificación catalizada por bases hace reaccionar lípidos (grasas y aceites) con alcohol (típicamente metanol o etanol ) para producir biodiésel y un subproducto impuro, glicerol . [ 7 ] Si el aceite de la materia prima es usado o tiene un alto contenido de ácido, se puede usar la esterificación catalizada por ácido para hacer reaccionar ácidos grasos con alcohol para producir biodiésel. Otros métodos, como los reactores de lecho fijo, [ 8 ] los reactores supercríticos y los reactores ultrasónicos, evitan o disminuyen el uso de reacciones químicas que reducen la calidad de la sustancia en química.

purificación del producto

Los productos de la reacción incluyen no solo biodiésel, sino también subproductos como jabón, glicerol, exceso de alcohol y trazas de agua. Todos estos subproductos deben eliminarse para cumplir con las normas, pero el orden de eliminación depende del proceso.

La densidad del glicerol es mayor que la del biodiésel, y esta diferencia de propiedades se aprovecha para separar la mayor parte del subproducto de glicerol. El metanol residual se recupera generalmente por destilación y se reutiliza. Los jabones se pueden eliminar o convertir en ácidos. El agua residual también se elimina del combustible.

Reacciones

Mecanismo de transesterificación catalizada por bases

La reacción de transesterificación es catalizada por bases. Cualquier base fuerte capaz de desprotonar el alcohol es efectiva (por ejemplo, NaOH, KOH, metóxido de sodio , etc.), pero los hidróxidos de sodio y potasio suelen elegirse por su bajo costo. La presencia de agua provoca una hidrólisis básica indeseable , por lo que la reacción debe llevarse a cabo en un ambiente seco.

En el mecanismo de transesterificación, el carbono carbonílico del éster inicial (RCOOR 1 ) sufre un ataque nucleofílico por parte del alcóxido entrante (R 2 O − ) para dar un intermedio tetraédrico, que puede revertir al material de partida o transformarse en el producto transesterificado (RCOOR 2 ). Las distintas especies coexisten en equilibrio, y la distribución de productos depende de las energías relativas del reactivo y del producto.

Métodos de producción

proceso supercrítico

Un método alternativo, sin catalizador, para la transesterificación utiliza metanol supercrítico a altas temperaturas y presiones en un proceso continuo. En estado supercrítico, el aceite y el metanol se encuentran en una sola fase, y la reacción ocurre de forma espontánea y rápida. [ 9 ] El proceso tolera la presencia de agua en la materia prima; los ácidos grasos libres se convierten en ésteres metílicos en lugar de jabón, por lo que se puede utilizar una amplia variedad de materias primas. Además, se elimina la etapa de eliminación del catalizador. [ 10 ] Se requieren altas temperaturas y presiones, pero los costos energéticos de producción son similares o inferiores a los de las rutas de producción catalítica. [ 11 ]

Reactores en línea y por lotes de ultra y alto cizallamiento

Los reactores en línea o por lotes de ultra y alto cizallamiento permiten la producción de biodiésel de forma continua, semicontinua y por lotes. Esto reduce drásticamente el tiempo de producción y aumenta el volumen de producción. [ 12 ]

La reacción tiene lugar en la zona de cizallamiento de alta energía del mezclador de ultra y alto cizallamiento, reduciendo el tamaño de las gotas de líquidos inmiscibles como aceites, grasas y metanol. Por lo tanto, cuanto menor sea el tamaño de la gota, mayor será la superficie y más rápido podrá reaccionar el catalizador. [ 13 ]

Método del reactor ultrasónico

En el método del reactor ultrasónico, las ondas ultrasónicas provocan la formación y el colapso constante de burbujas en la mezcla de reacción; esta cavitación proporciona simultáneamente la mezcla y el calentamiento necesarios para llevar a cabo el proceso de transesterificación. El uso de un reactor ultrasónico para la producción de biodiésel puede reducir drásticamente el tiempo y la temperatura de reacción, así como el consumo de energía. Mediante estos reactores, el proceso de transesterificación puede realizarse en línea, en lugar de utilizar el procesamiento por lotes, que consume mucho tiempo. Los dispositivos ultrasónicos a escala industrial permiten procesar varios miles de barriles al día.

Método catalizado por lipasa

Recientemente, se han realizado numerosas investigaciones sobre el uso de enzimas como catalizadores para la transesterificación. Los investigadores han descubierto que se pueden obtener rendimientos muy buenos a partir de aceites crudos y usados ​​mediante el uso de lipasas . El uso de lipasas reduce la sensibilidad de la reacción a un alto contenido de ácidos grasos libres, lo cual representa un problema en el proceso estándar de producción de biodiésel. Un inconveniente de la reacción con lipasa es que no se puede utilizar metanol, ya que inactiva el catalizador de lipasa después de un solo lote. Sin embargo, si se utiliza acetato de metilo en lugar de metanol, la lipasa no se inactiva y puede utilizarse durante varios lotes, lo que hace que el sistema de lipasa sea mucho más rentable. [ 14 ]

Ácidos grasos volátiles procedentes de la digestión anaeróbica de residuos.

Los lípidos han atraído considerable atención como sustrato para la producción de biodiésel debido a su sostenibilidad, no toxicidad y eficiencia energética. Sin embargo, por razones de costo, es necesario centrar la atención en fuentes de lípidos no comestibles, en particular los microorganismos oleaginosos. Estos microbios tienen la capacidad de asimilar las fuentes de carbono de un medio y convertir el carbono en materiales de almacenamiento de lípidos. Los lípidos acumulados por estas células oleaginosas pueden luego transesterificarse para formar biodiésel. [ 15 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Leung, Dennis YC; Wu, Xuan; Leung, MKH (abril de 2010). "Una revisión sobre la producción de biodiesel mediante transesterificación catalizada" . Applied Energy . 87 (4): 1083–1095 . Bibcode : 2010ApEn...87.1083L . doi : 10.1016/j.apenergy.2009.10.006 .
  2. ↑ Anastopoulos, George; Zannikou, Ypatia; Stournas, Stamoulis; Kalligeros, Stamatis (2009). "Transesterificación de aceites vegetales con etanol y caracterización de las propiedades combustibles clave de los ésteres etílicos" . Energies . 2 (5 de junio de 2009): 362–376 . Bibcode : 2009Energ...2..362A . doi : 10.3390/en20200362 .
  3. ↑ Boonyarit, Jeerapan; Polburee, Pirapan; Khaenda, Bongkot; Zhao, Zongbao; Limtong, Savitree (23 de marzo de 2020). "Producción de lípidos a partir de hidrolizado de parte superior de caña de azúcar y glicerol crudo con Rhodosporidiobolus fluvialis utilizando una estrategia de cultivo por lotes de dos etapas con optimización separada de cada etapa" . Microorganisms . 8 ( 3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . PMC 7143989. PMID 32210119. El biodiesel se puede dividir en tres generaciones según la materia prima que genera el combustible . El biodiésel de primera generación se produce a partir de aceites vegetales comestibles, como el aceite de palma, el aceite de soja y el aceite de coco, y el biodiésel de segunda generación se produce a partir de aceites vegetales no comestibles, como la jatrofa, las grasas animales y los aceites residuales [...]. La generación más reciente de biodiésel se deriva de lípidos microbianos. El uso de grasas animales recuperadas y aceites de fritura de segunda generación como materia prima para el biodiésel puede reducir eficazmente el precio del combustible; sin embargo, la cantidad de estas grasas y aceites es limitada a escala industrial y no puede satisfacer las crecientes necesidades de producción de biodiésel.  
  4. ↑ Boonyarit, Jeerapan; Polburee, Pirapan; Khaenda, Bongkot; Zhao, Zongbao; Limtong, Savitree (23 de marzo de 2020). "Producción de lípidos a partir de hidrolizado de parte superior de caña de azúcar y glicerol crudo con Rhodosporidiobolus fluvialis utilizando una estrategia de cultivo por lotes de dos etapas con optimización separada de cada etapa" . Microorganisms . 8 ( 3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . PMC 7143989. PMID 32210119 . El pretratamiento y la hidrólisis de las biomasas lignocelulósicas suelen producir compuestos inhibidores, como ácido acético, furfural, 5-hidroximetilfurfural, ácido fórmico y vainillina, que podrían tener efectos negativos sobre el crecimiento, el metabolismo y la formación de productos de los microorganismos.  
  5. ↑ Bryan, Tom (1 de julio de 2005). "Puro y simple" . Biodiesel Magazine (en línea) . Consultado el 18 de diciembre de 2019. South Dakota Soybean Processors, con sede en Volga, Dakota del Sur , ofrece ahora SoyPure, un aceite de soja virgen pretratado, marca registrada, diseñado específicamente para la producción de biodiésel. Mientras tanto, un importante cliente está a punto de comenzar a operar en el vecino estado de Minnesota.
  6. ^ Anantapinitwatna, Ajala; Ngaosuwan, Kanokwan; Kiatkitipong, Worapon; Wongsawaeng, Doonyapong; Anantpinijwatna, Amata; Quitain, Armando T.; Assabumrungrat, Suttichai (15 de julio de 2021). "Influencia del agua en la cinética de transesterificación mediante catalizador de CaO para producir biodiesel" . Combustible . 296 120653. Bibcode : 2021Combustible..29620653A . doi : 10.1016/j.fuel.2021.120653 . ISSN 0016-2361 . 
  7. ↑ Boonyarit, Jeerapan; Polburee, Pirapan; Khaenda, Bongkot; Zhao, Zongbao; Limtong, Savitree (23 de marzo de 2020). "Producción de lípidos a partir de hidrolizado de parte superior de caña de azúcar y glicerol crudo con Rhodosporidiobolus fluvialis utilizando una estrategia de cultivo por lotes de dos etapas con optimización separada de cada etapa" . Microorganisms . 8 ( 3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . PMC 7143989. PMID 32210119. El glicerol crudo (CG), un subproducto de las plantas de producción de biodiesel que ha demostrado tener algunos compuestos inhibidores del crecimiento de microorganismos, está siendo explorado actualmente como una posible fuente de carbono a gran escala en la producción de lípidos por muchos investigadores. [...] La velocidad de agitación suministra el oxígeno necesario para el crecimiento de la levadura en el caldo de cultivo y, como resultado, diferentes velocidades dieron lugar a diferentes niveles de disolución de oxígeno. [...] Se encontró que la velocidad de agitación era el factor con mayor influencia en la masa celular y la concentración de lípidos.  
  8. ↑ C Pirola, F Manenti, F Galli, CL Bianchi, DC Boffito, M Corbetta (2014). "Esterificación de ácidos grasos libres catalizada heterogéneamente en reactores de lecho fijo (líquido monofásico)/sólido (PBR)". Chemical Engineering Transaction 37: 553-558. AIDIC
  9. ↑ Bunkyakiat, Kunchana; et al. (2006). "Producción continua de biodiesel mediante transesterificación de aceites vegetales en metanol supercrítico". Energía y combustibles . 20 (2). Sociedad Química Estadounidense: 812– 817. Bibcode : 2006EnFue..20..812B . doi : 10.1021/ef050329b . 
  10. ↑ Vera, CR; SA D'Ippolito; CL Pieck; JMParera (14 de agosto de 2005). "Producción de biodiesel mediante un proceso de reacción supercrítica de dos etapas con refinamiento por adsorción" (PDF) . II Congreso Mercosur de Ingeniería Química, IV Congreso Mercosur de Ingeniería de Sistemas de Procesos . Río de Janeiro. Archivado del original (PDF) el 5 de febrero de 2009. Recuperado el 20 de diciembre de 2007 .
  11. ↑ Kusdiana, Dadan; Saka, Shiro. "Combustible biodiesel para sustituto del gasóleo preparado mediante metanol supercrítico sin catalizador" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 19 de octubre de 2013. Consultado el 20 de diciembre de 2007 .
  12. ↑ Maheshwari, Pranjal; Haider, Mohd Belal; Yusuf, Mohammad; Klemeš, Jiří Jaromír; Bokhari, Awais; Beg, Mukarram; Al-Othman, Amani; Kumar, Rakesh; Jaiswal, Amit K. (2022-06-25). "Una revisión de las últimas tendencias en la producción de biodiesel más limpio: papel de la materia prima, los métodos de producción y los catalizadores" . Journal of Cleaner Production . 355 131588. Bibcode : 2022JCPro.35531588M . doi : 10.1016/j.jclepro.2022.131588 . ISSN 0959-6526 . 
  13. ↑ Da Silva, Nívea De Lima; Garnica, Julián AG; Batistella, César B.; Maciel, María Regina Lobo; Hijo, Rubens Maciel (1 de febrero de 2011). "Uso de un diseño experimental para investigar la producción de biodiesel mediante un reactor Ultra-Shear de múltiples etapas" . Tecnología de biorrecursos . 102 (3): 2672– 2677. Código Bib : 2011BiTec.102.2672D . doi : 10.1016/j.biortech.2010.10.136 . ISSN 0960-8524 . PMID 21123049 .  
  14. ↑ Du, Wei; et al. (2004). "Estudio comparativo sobre la transformación de aceite de soja catalizada por lipasa para la producción de biodiesel con diferentes aceptores de acilo". Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic . 30 ( 3– 4): 125– 129. doi : 10.1016/j.molcatb.2004.04.004 . 
  15. ↑ Singh, Gunjan; Jeyaseelan, Christine; Bandyopadhyay, KK; Paul, Debarati (octubre de 2018). "Análisis comparativo del biodiesel producido por transesterificación ácida de lípidos extraídos de la levadura oleaginosa Rhodosporidium toruloides" . 3 Biotech . 8 (10): 434. doi : 10.1007/s13205-018-1467-9 . ISSN 2190-572X . PMC 6170317. PMID 30306003 .   

Lecturas adicionales

  • Gerpen, JV, "Procesamiento y producción de biodiesel", Fuel Processing Technology , 2005, 86, 1097–1107. doi : 10.1016/j.fuproc.2004.11.005
  • Ma, F. y Hanna, MA, "Producción de biodiesel: una revisión", Bioresource Technology , 1999, 70, 1–15. doi : 10.1016/S0960-8524(99)00025-5
  • "IKA Mezcla y procesamiento innovadores" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 13/12/2019 . Consultado el 13/12/2019 .Mezcla y procesamiento comercial relevantes para la producción de biodiesel
  • Transesterificación rápida del aceite de soja mediante ultrasonidos.
  • Estado actual del procesamiento ultrasónico para la producción rápida de biodiésel. Archivado el 9 de julio de 2024 en Wayback Machine.
  • Tecnología de producción de biodiésel Agosto de 2002 – Enero de 2004
  • Investigación y publicaciones de ingeniería química y biomolecular de la UNL
  • Proceso continuo para la conversión de aceites vegetales en ésteres metílicos de ácidos grasos.
  • Seguridad del biodiésel y mejores prácticas de gestión para uso y producción no comercial a pequeña escala. Archivado el 11 de febrero de 2014 en Wayback Machine.