Hidrotratamiento de Aceite Vegetal Jatropha Curcas L. para ...
Estudio del potencial de biotipos de Jatropha curcas en la ...
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I INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE INVESTIGACIÓN PARA EL DESARROLLO INTEGRAL REGIONAL UNIDAD SINALOA Estudio del potencial de biotipos de Jatropha curcas en la producción de biodiesel en el municipio de Guasave, Sinaloa TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRÍA EN RECURSOS NATURALES Y MEDIO AMBIENTE PRESENTA: JUAN CARLOS ORTIZ OJEDA GUASAVE, SINALOA; MÉXICO, DICIEMBRE 2012.
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I
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE INVESTIGACIÓN PARA EL
DESARROLLO INTEGRAL REGIONAL
UNIDAD SINALOA
Estudio del potencial de biotipos de Jatropha curcas en la producción de biodiesel en el
municipio de Guasave, Sinaloa
TESIS
PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRÍA EN
RECURSOS NATURALES Y MEDIO AMBIENTE
PRESENTA:
JUAN CARLOS ORTIZ OJEDA
GUASAVE, SINALOA; MÉXICO, DICIEMBRE 2012.
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III
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V
Agradecimientos a proyectos
El trabajo de tesis se desarrolló en el Departamento de Biotecnología agrícola del
Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional (CIIDIR)
Unidad Sinaloa del Instituto Politécnico Nacional (IPN). El presente trabajo fue
apoyado económicamente por CONACYT a través del proyecto “Jatropha curcas
(Investigación y Factibilidad económica del cultivo en Sinaloa)” (Con número de
registro I0110/127/11, C-197-11)”. El alumno Juan Carlos Ortiz Ojeda fue apoyado
con una beca CONACYT con clave B101805 y con una beca COECYT para
culminación de tesis de maestría.
VI
Dedicatoria
A quienes están siempre conmigo a pesar de la distancia mi madre Emilia Ojeda
Chicas y a mi Abuela Petra Chicas Padilla quienes sin escatimar esfuerzo han
sacrificado gran parte de su vida a formarme agradezco sus consejos, ánimos, y por
ser ejemplares seres humanos, las amo.
Una especial dedicatoria a mi pareja y cómplice de la vida, Amanda M. Reyes Peraza
por darme su compañía, consejos, apoyo, oídos, fuerza, motivación y por atreverse a
zarpar en este barco sabiendo que íbamos a remar contra viento y marea, te amo.
A mis hermanos Manuel Omar y Lilia Susana por su cariño, por estar siempre a mi
lado, por sus enseñanzas de fuerza y valor que me mantienen a salvo en la selva de
la vida, son increíbles hermanos los amo, sin su fuerza no hubiera podido alcanzar
mis anhelos.
A mis primos, tíos, sobrinos, suegros, cuñados por cuidar y ser soporte de mi familia
mientras yo estaba fuera. Este trabajo igualmente va dedicado para ustedes.
A los roommates que compartieron sus experiencias y puntos de vista, Gerardo,
Arely, Carlos Eduardo y Jorge Luis. A los compañeros y amigos Pedro y Magnolia
por compartir su sabiduría conmigo.
A mis amigos quienes considero como mis hermanos Antonio, Ángel, Jesús Alberto,
Jesús, Zet, Arturo y Miguel Ángel con quienes compartimos y compartiremos
aventuras, también dedico este trabajo.
Esta tesis la dedico a aquellas personas que han formado parte importante en mi
vida y que de una u otra manera me apoyaron para culminar este proceso. Aquellos
que me incentivaron a leer, estudiar e investigar y poder ser una persona que
interese a la sociedad. Así también a las personas que están dispuestos de manera
desinteresada a realizar ciencia solo por el hecho de servir a su comunidad de forma
moral y ética.
VII
Agradecimientos
Al Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional
(CIIDIR-Sinaloa), por abrirme las puertas de sus instalaciones y permitir realizar la
Maestría.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo recibido
como becario del periodo 2010-2012.
Al Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología (COECyT) del estado de Sinaloa, por el
apoyo recibido como becario para la terminación de la presente tesis.
Mi más sincero agradecimiento a mis directoras de tesis Dra. Claudia Castro
Martínez y Dra. Norma Elena Leyva López por su apoyo, orientación y paciencia para
la elaboración de trabajo de tesis.
A los integrantes de mi comité evaluador: Dra. Claudia Castro Martínez, Dra. Norma
Elena Leyva López, Dr. Sergio Medina Godoy, Dr. Wenceslao Valenzuela Quiñónez,
Dr. Carlos Ligne Calderón Vázquez, Dr. Hervey Rodríguez González por su apoyo y
sabios comentarios durante la elaboración de la tesis. Un especial reconocimiento al
Dr. Sergio Medina Godoy por su incondicional ayuda, consejos y apoyo en este
trabajo. Así también al M.C. Eusebio Nava por su apoyo en el análisis estadístico de
los resultados obtenidos.
A la M.C. Lelie Denise Castro Ochoa por su apoyo durante la estandarización de
técnicas del laboratorio, así como su disposición y sugerencias científicas.
A los Licenciados Roberto Urías y Dorín Ortiz, por su apoyo en la parte
administrativa: trámites académicas y solicitud de beca.
A las personas que mostraron su paciencia apoyo y tiempo en este proceso de
aprendizaje.
A mi madre gracias por ser confidente, compartir tú fuerza, tus sueños, por darme a
conocer el amor por uno mismo y la vida.
VIII
ÍNDICE
GLOSARIO ............................................................................................................... XII
ABREVIATURAS ..................................................................................................... XVI
RESUMEN .............................................................................................................. XVII
ABSTRACT ............................................................................................................ XVIII
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1
2. ANTECEDENTES................................................................................................. 3
2.1. Energía .......................................................................................................... 3
2.1.1. Principales fuentes de energía ............................................................. 4
2.2. Sustentabilidad energética ............................................................................ 9
2.2.1. Fuentes de energía alternativas................................................................ 11
2.3. Bioenergía o energía de la biomasa ......................................................... 12
2.3.1. Principales características de la biomasa ......................................... 12
2.3.2. Biocombustibles .................................................................................. 14
2.4. El biodiesel ................................................................................................. 17
2.4.1. Definición de biodiesel y principales características ....................... 17
2.4.2. Materias primas para la producción de biodiesel ............................. 20
2.4.3. Métodos de producción de biodiesel ................................................. 21
2.4.4. Aspectos ambientales y económicos de la producción de biodiesel
23
2.5. El piñón Mexicano (Jatropha curcas) ....................................................... 24
2.5.1. Definición ............................................................................................. 25
2.5.2. Principales características del cultivo ............................................... 25
2.5.3. Usos de Jatropha curcas .................................................................... 26
2.6. Producción de biodiesel a partir de Jatropha curcas ¡Error! Marcador no
definido.
2.6.1. Tratamientos preliminares ..................... ¡Error! Marcador no definido.
2.6.2. Extracción del aceite y características fisicoquímicas .................... 27
2.6.3. Sistemas de producción ..................................................................... 29
2.6.4. Propiedades del biodiesel................................................................... 31
2.7. Producción de biodiesel en México .......................................................... 32
3. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 35
IX
4. HIPÓTESIS ......................................................................................................... 36
5. OBJETIVOS ....................................................................................................... 37
5.1. Objetivo general ......................................................................................... 37
5.2. Objetivos específicos ................................................................................ 37
6. MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................. 38
6.1. Estrategia general de trabajo. ................................................................... 38
6.2. Materiales .................................................................................................... 39
6.3. Metodología ................................................................................................ 39
6.3.1. Obtención de almendra de J. curcas ................................................. 39
6.3.2. Extracción de aceite de J. curcas ...................................................... 40
6.3.3. Determinación de parámetros fisicoquímicos del aceite obtenido . 41
6.3.3.1. Índice de acidez (NMX-F-101-1987) ................................................. 41
6.3.3.2. Índice de Yodo (NMX-F-152-SCFI-2005) .......................................... 41
6.3.3.3. Índice de peróxidos (NMX-K-402-1973) .......................................... 42
6.3.3.4. Índice de saponificación (NMX-F-475-SCFI-2005).......................... 43
6.3.4. Determinación del perfil de ácidos grasos ........................................ 44
6.3.5. Proceso de producción de biodiesel ................................................. 44
6.3.6. Determinación de la calidad del aceite obtenido. ............................. 46
6.3.6.1. Índice de acidez (NMX-F-101-1987) ................................................. 46
6.3.6.2. Índice de Yodo (NMX-F-152-SCFI-2005) .......................................... 46
6.3.6.3. Índice de peróxido ............................................................................ 47
6.3.6.4. Determinación del contenido de cenizas ....................................... 47
6.3.6.5. Determinación de la densidad y viscosidad .................................. 47
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................... 49
6.3. Colecta de muestras y pretratamientos ................................................... 49
6.4. Obtención de parámetros fisicoquímicos del aceite de J. curcas ......... 49
6.5. Perfil de ácidos grasos .............................................................................. 51
6.6. Proceso de producción de biodiesel ........................................................ 53
8. CONCLUSIONES ............................................................................................... 63
9. PERSPECTIVAS ................................................................................................ 64
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 65
X
INDICE DE CUADROS
Cuadro 1. Clasificación de fuentes de energía primaria y principales fuentes de
energía. ....................................................................................................................... 5
Cuadro 2 Principales características de la bioenergía o energía de la biomasa ...... 13
Cuadro 3 Principales ventajas y desventajas del uso de biodiesel ........................... 19
Cuadro 4 Métodos de producción de biodiesel ......................................................... 22
Cuadro 5 Rendimiento por Kg/Ha de semilla de J. curcas. ...................................... 26
Cuadro 6 . Ácidos grasos del aceite de Jatropha curcas (Wang et al., 2010) .......... 29
Cuadro 7 Estándares internacionales de propiedades fisicoquímicas del biodiesel. 31
Cuadro 8 Cultivos potenciales en las regiones de México (INIFAP, 2010) ............... 34
Cuadro 9 Diseño experimental para producción de biodiesel. .................................. 45
Cuadro 10 Diseño de experimentos 22 para el biotipo Puebla, Veracruz y Morelos.
.................................................................................................................................. 45
Cuadro 11 Índices obtenidos de aceites de los biotipos de Jatropha curcas............ 50
Cuadro 12 Pesos moleculares de biotipos de J. curcas . ......................................... 51
Cuadro 13 Perfil de contenido de ácidos grasos biotipo Sinaloa, Puebla y Morelos..
.................................................................................................................................. 53
Cuadro 14 Resultados del rendimiento de aceite de J. curcas en la producción de
biodiesel. ................................................................................................................... 55
Cuadro 15 Comparación de variables y métodos de este estudio con autores. ...... 59
Cuadro 16 Índices obtenidos de biodiesel de J. curcas de diferentes biotipos. ........ 61
XI
INDICE DE FIGURAS
Casos
Figura 1. Consumo mundial de energía primaria a través del tiempo: 1986-2011
(British Petroleum, 2011). ........................................................................................ 6
Figura 2. Consumo energético final en México en 2009: a) por sector y b) por tipo
energético. SENER, 2010. ....................................................................................... 8
Figura 3. Perfil de ácidos grasos de aceite de Jatropha curcas ............................... 29
Figura 4. Proyectos de bioenergía en México (RMB, 2010) ..................................... 34
Figura 5. Estrategia para el desarrollo del objetivo general ...................................... 38
Figura 6. Composición de ácidos biotipos Sinaloa, Puebla y Morelos. ..................... 52
Figura 7. Efectos de las variables en la producción de biodiesel utilizando
aceite de J. curcas biotipo Sinaloa. ....................................................................... 56
Figura 8. Comparación de los mejores tratamientos en los experimentos previos. .. 57
Figura 9. Análisis estadístico de la obtención de biodiesel de los biotipos Puebla.
Morelos y Veracruz. ............................................................................................... 58
Figura 10. Efecto de las variables en el rendimiento en graficas de Pareto ............ 59
XII
GLOSARIO
Ácidos grasos: son los principales componentes de las grasas y aceites. Son un
grupo de compuestos químicos caracterizados por poseer una cadena de átomos de
carbono e hidrógeno y que poseen un grupo de ácido carboxílico (COOH) en un
extremo de la molécula. Son ácidos orgánicos de más de seis átomos de carbono, se
encuentran no saturados, mono-insaturados, di-insaturados y poli-insaturados.
Ácidos grasos libres: son ácidos grasos que tienen un grupo ácido pero que no
están unidos a un alcohol. Generalmente, los ácidos grasos están unidos al glicerol
formando triglicéridos y por lo tanto no se encuentran libres.
Aceite vegetal: se define como un compuesto orgánico obtenido a partir de semillas
u otras partes de las plantas en cuyos tejidos se acumula como fuente de energía.
Algunos de ellos son utilizados para consumo humano.
Alcohol: en química se define como aquellos compuestos químicos orgánicos que
contienen el grupo hidroxilo (-OH) en sustitución de un átomo de hidrógeno enlazado
de forma covalente a un átomo de carbono.
Biocombustible: también conocido como biocarburante, es una mezcla de
hidrocarburos que se utiliza como combustible en los motores de combustión interna
y que deriva de la biomasa. Los biocombustibles pueden ser en forma líquida o
gaseosa.
Biodiesel: es un biocombustible líquido que puede ser obtenido a partir de lípidos
naturales como son los aceites vegetales o grasas animales, mediante diferentes
procesos entre ellos: la esterificación y la transesterificación.
Biomasa: materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o
provocado, utilizable como fuente de energía.
Catalizador: en química se define como una sustancia que modifica la velocidad de
una reacción química. Existen dos tipos de catalizadores: los que aumentan la
velocidad de una reacción se conocen como catalizadores positivos, y los que
XIII
disminuyen la velocidad son conocidos como catalizadores negativos o inhidibodres
de la reacción.
Densidad: es una magnitud que expresa la relación entre la cantidad de masa
contenida en un determinado volumen de una sustancia. Su unidad en el Sistema
Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3).
Desarrollo sostenible: proceso mediante el cual se satisfacen las necesidades
económicas, sociales, de diversidad cultural y de un medio ambiente sano de la
actual generación, sin poner en riesgo la satisfacción de las mismas a las
generaciones futuras.
Diésel: fracción destilada del petróleo crudo, que se purifica especialmente para
eliminar el azufre. Se utiliza normalmente en los motores diésel y como combustible
en hogares abiertos.
Di-glicérido: también conocido como diacilglicerol (DAG). Se define cuando dos
radicales de ácidos grasos se combinan con una molécula de glicerol.
Energía primaria: es toda forma de energía disponible en la naturaleza antes de ser
convertida o transformada.
Glicerol: es un alcohol con tres grupos hidroxilos (-OH). Es uno de los componentes
de los lípidos junto con los ácidos grasos, formando los triglicéridos y los fosfolípidos.
También conocido como glicerina o 1, 2, 3-propanotrio.
Índice de acidez: indica el contenido de ácidos grasos libres contenidos en una
sustancia.
Índice de peróxido: indica el estado de oxidación inicial del aceite en mili
equivalentes de oxígeno activo por kilogramo de grasa, permitiendo detectar la
oxidación antes de que se perciba organolépticamente.
Índice de saponificación: es una medida para calcular el peso molecular promedio
de todos los ácidos grasos presentes en una muestra. Se define como el número de
XIV
miligramos de hidróxido de potasio requeridos para saponificar 1 g de grasa bajo
ciertas condiciones.
Índice de Yodo: es una escala utilizada para definir el grado de insaturación de un
compuesto orgánico que contiene enlaces diénicos o triénicos. Se define como
gramos de iodo que reaccionan con 100 gramos de sustancia.
Ion alcóxido: Se forma con sal sódica, es una base y un nucleófílo fuerte y es útil en
la síntesis orgánica.
Metóxido de sodio (o metilato de sodio): es un compuesto orgánico, sólido
incoloro, que se forma por la desprotonación del metanol usando una base.
Monoglicérido: también conocido como monoacilglicerol (MAG) y es cuando un
radical de ácido graso se combina con una molécula de glicerol.
Plantas oleaginosas: son vegetales cuya semilla o fruto contiene altos niveles de
aceite que puede ser extraído para consumo humano o algunas otras aplicaciones
industriales.
Petróleo: Es un recurso natural no renovable, también conocido como petróleo crudo
o simplemente crudo. Es un líquido natural oleaginoso e inflamable, constituido por
una mezcla de homogénea de compuestos orgánicos, principalmente hidrocarburos
insolubles en agua, que se extrae de lechos geológicos continentales o marítimos,
mediante diversas operaciones de destilación y refinación. Es de origen fósil. Se
pueden obtener de él distintos productos utilizables con fines energéticos o
industriales, tales como: gasolina, diésel, nafta, queroseno, gasóleo, entre otros.
Peso específico: es la relación entre el peso de una sustancia y su volumen. Se
calcula al dividir el peso de la sustancia entre el volumen que ocupa.
Rancidez: fenómeno de descomposición que sufren las grasas y aceites a partir de
hidrólisis o por oxidación lenta que rompen cadenas de carbono. Es provocado
cuando las grasas y aceites están en contacto con el aire, la humedad y ciertas
XV
temperaturas, lo cual origina un cambio en su naturaleza química y en sus
características organolépticas.
Reacción química: es todo proceso termodinámico en el cual una o más sustancias
llamadas reactantes se transforman, cambiando su estructura molecular y sus
enlaces químicos en otras sustancias llamadas productos. Este término también se
conoce como cambio químico o fenómeno químico.
Saponificación: es una reacción química entre un éster de ácido graso y una base,
en la que se obtiene como producto principal la sal de dicho ácido. Por ejemplo, los
jabones son sales de ácidos grasos y metales alcalinos que se obtienen mediante
este proceso.
Sostenibilidad energética: también llamada sustentabilidad energética es el
equilibrio entre tres principales dimensiones: la seguridad energética, la equidad
social y la mitigación del impacto ambiental.
Transesterificación: es el proceso de remplazar un grupo alcoxi (RO-) de un éster
por otro alcohol. Estas reacciones son frecuentemente catalizadas mediante la
adición de un ácido o una base y es una reacción comúnmente utilizada para la
producción de biodiesel.
Triglicéridos: son acilgliceroles, los cuales son un tipo lípidos formados por una
molécula de glicerol, que tiene esterificados sus tres grupos hidroxilo por tres ácidos
grasos, saturados o insaturados. Los triglicéridos se conocen también como
triacilglicéridos o triacilgliceroles. Estos lípidos forman parte de las grasas y aceites.
Viscosidad: se trata de una propiedad de los líquidos o fluídos, caracterizada por la
resistencia a fluir que se genera a partir del rozamiento entre las moléculas.
XVI
ABREVIATURAS
AGL Ácidos grasos libres
AJC Aceite de Jatropha curcas
ASTM American Society for Testing and Materials
°C
CO
Grados centígrados
Monóxido de carbono
FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations
(Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la
Alimentación)
H2SO4 Ácido sulfúrico
ha Hectárea
IA Índice de acidez
IEA: International Energy Agency (Agencia Internacional de la Energía)
IP Índice de peróxido
IS Índice de saponificación
IY Índice de yodo
Kg Kilogramos
KOH Hidróxido de potasio
Max Máximo
meq mili equivalentes
min
Min
minutos
Mínimo
msnm Metros sobre el nivel del mar
NaOH Hidróxido de sodio
NaoMe Metilato de Sodio
NOx Óxidos de nitrógeno
SOx Óxidos de azufre
XVII
RESUMEN
Durante las últimas décadas, el consumo de petróleo ha aumentado de manera
desorbitante, debido al incremento de la industrialización y la modernización mundial,
causando agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, aumento de la
contaminación ambiental. Los biocombustibles como el biodiesel se han perfilado
como una opción viable, ya que son fuentes renovables de energía que se generan a
partir de la biomasa. Los cultivos energéticos como el de Jatropha curcas presentan
una alternativa sustentable y prometedora para la producción de biodiesel. El objetivo
del presente trabajo fue evaluar el potencial de producción de biodiesel de cuatro
biotipos de J. curcas cultivados en el estado de Sinaloa. Se llevó a cabo la extracción
del aceite, obteniéndose un mayor contenido de aceite con la extracción química
utilizando hexano como solvente. Por otro lado, la determinación de los parámetros
fisicoquímicos mostró que los aceites obtenidos se encuentran dentro de los
estándares establecidos para la producción de biodiesel. Los resultados del perfil de
ácidos grasos indicaron que los aceites de los cuatro biotipos evaluados contienen
una mayor cantidad de ácido oléico (42.72-46.48%) y ácido linoleico (40.79-43.32%),
lo cual demuestra que son aceites adecuados para la producción de biodiesel.
En lo que se refiere al efecto de las variables del proceso de producción de biodiesel,
el diseño factorial establecido mostró que el porcentaje de catalizador y la relación
molar aceite/metanol tuvieron un efecto significativo sobre el rendimiento en la
producción de biodiesel, así como la interacción entre relación molar aceite/metanol y
el % de catalizador. Los rendimientos de biodiesel obtenidos oscilaron entre 89-96%
aproximadamente, obteniéndose la mayor producción para el biotipo Puebla, seguido
por el biotipo Sinaloa, Morelos y Veracruz, utilizando una relación molar
aceite/metanol 1:8, el 1% de KOH como catalizador, un tiempo y una temperatura de
reacción de 60 min y 60°C, respectivamente. Finalmente, se evaluó mediante la
determinación de análisis fisicoquímicos que el biodiesel obtenido de los biotipos
evaluados cumple con los estándares establecidos para la producción de biodiesel.
Además, los aceites y el biodiesel obtenido no modificaron su calidad durante un
periodo de 6 meses de almacenamiento.
XVIII
ABSTRACT
During last decades, the demand for petroleum has risen rapidly due to increasing
industrialization and modernization of the world, causing the depletion of the fossil-
derived combustible reserves, an increase in the environmental pollution as well as
global warming. Biofuels, such as biodiesel have been postulated and employed as a
viable alternative, because those represent renewable energy sources generated from
biomass. Energetic crops such as the Jatropha curcas one present a sustainable and
promising alternative for the biodiesel production.
The goal of this work was to evaluate the potential of biodiesel production of four
Jatropha curcas biotypes cultivated in the Sinaloa state. Oil extraction was done and a
higher yield was observed when performing a chemical extraction and using hexane
as the solvent. By the other side, the determination of physicochemical parameters
showed that extracted oils are among the accepted standards for biodiesel production.
The analyses of fatty acid profiles indicated that all four genotypes contain high levels
of oleic (42.72-46.48%) and linoleic acid (40.79-43.32%). These data demonstrate
that those oils are adequate for biodiesel production.
Regarding the effect of process variables involved the biodiesel production; the
factorial design established showed that the catalyzer percentage and the
oil/methanol molar ratio had a significant effect on biodiesel yield, as well as the
interaction oil/methanol molar ratio by catalyzer percentage.
The obtained biodiesel yields oscillated between 89-96%, getting the highest
production for the Puebla biotype, followed by the Sinaloa, Morelos and Veracruz,
when using a molar ratio oil/methanol 1:8, KOH 1% as catalyzer, 60 min reaction and
a temperature of 60°C.
Finally, physicochemical analyses determined that the produced biodiesel from the
evaluated biotypes accomplished the established standards for biodiesel production.
Besides, both, oil and biodiesel did not modify its quality even after 6 months of
storage.
1
1. INTRODUCCIÓN
A través de la historia el ser humano, desarrolló la capacidad para transformar
su entorno, vida y ambiente. El uso de la energía, ha sido clave para este desarrollo,
pues de ella mantiene un constante progreso en tecnología y ciencia. Sin embargo,
esto ha implicado un uso desmedido de energía provocando efectos adyacentes que
no le permiten seguir el curso normal.
Actualmente a nivel mundial la matriz energética es el petróleo, considerado
después de la Segunda Guerra Mundial como la mejor fuente de energía, dando
origen a la llamada era del petróleo, convirtiéndose en un recurso esencial, que está
presente en la distribución de todos las demás fuentes de energía; pues atraviesa,
recorre y permite el funcionamiento de cualquier sistema actual organizado, no
obstante, es un recurso no renovable y sus reservas se agotan inevitablemente (IEA,
2009). Abastecer esta creciente demanda, ha impactado desfavorablemente en la
degradación ambiental del planeta por los contaminantes que su consumo implica.
Por otro lado se ha desarrollado un nuevo orden energético mundial entre países con
excedente que son proveedores de crudo y países consumidores con déficit (Klare,
2008).
Una alternativa al inseguro sustento de reservas petroleras es el buscar
fuentes alternativas energéticas renovables y sustentables. El biodiesel es un
biocombustible renovable, considerado como sustituto parcial o total al diesel
convencional. Comúnmente se obtiene partir de la reacción química entre un aceite
vegetal o grasa animal con un alcohol en presencia de un catalizador. Puede ser
producido a partir de una gran variedad de materias primas, incluyendo aceites
vegetales, sebos animales y aceites de cocina usados (Tamalampudi et al., 2008).
El aceite vegetal de los cultivos oleaginosos cumplen con especificaciones
sustentables y prometedoras para la producción de biodiesel, uno de ellos es el
cultivo energético de Jatropha curcas comúnmente conocido como “piñón”. Es una
2
planta originaria de México, que presenta ventajas como rehabilitar suelos
degradados o sin uso ya que tolera condiciones adversas en su crecimiento, también
tiene un alto contenido de aceite en sus semillas, por lo cual representa un potencial
para la producción de combustible renovable (Achten et al., 2007).
En particular, el estado de Sinaloa tiene una gran oportunidad para la
producción, desarrollo y evaluación de cultivos energéticos como el de J. curcas,
principalmente, por la considerable tierra agrícola marginada que posee y que puede
ser destinadas para este cultivo, beneficiando así a los productores agrícolas del
estado, convirtiéndose en una buena fuente de insumos para la producción de
combustibles ecológicos provenientes de recursos renovables.
En el presente trabajo se tiene como objetivo evaluar la capacidad de biotipos
de J. curcas para la producción de biodiesel en el municipio de Guasave, Sinaloa.
Para ello, se utilizaron 4 biotipos de semillas no tóxicas de J. curcas cultivadas en el
estado de Sinaloa y se evaluó el efecto de diferentes variables del proceso, tales
como: relación molar aceite/alcohol, porcentaje de catalizador, tiempo y temperatura
de reacción sobre el rendimiento en la producción de biodiesel para cada biotipo.
3
2. ANTECEDENTES
2.1. Energía
La energía desempeña un papel fundamental en nuestra vida cotidiana, siendo
esta uno de los insumos vitales para el desarrollo socio-económico de cualquier país.
La vida y el desarrollo de las organizaciones serían inexistentes sin energía, es decir,
todo lo que se mueve requiere de energía (Siraj, 2012). Existen diferentes formas en
las cuales la abundancia de la energía puede ser almacenada, convertida y
distribuida para su posterior uso. La producción de energía ha sido siempre un
aspecto importante a estudiar por el sector político, económico y científico con la
finalidad de buscar nuevos y mejores sistemas energéticos que contribuyan tener
una vida sustentable (Dermibas, 2009a).
Si bien, la sociedad tiene una idea general de lo que es la energía, es difícil dar
una definición precisa de él. No obstante, se puede definir brevemente como “la
capacidad para hacer un trabajo” y puede existir de diversas formas, tales como:
mecánica, térmica, química, radiante o lumínica, eléctrica, nuclear, magnética, entre
otras (Demirel, 2012).
Por otro lado, los elementos de la naturaleza que pueden suministrar energía, son
denominados fuentes de energía. Existen diversas formas de clasificarlas,
principalmente en base a su disponibilidad como: no renovables y renovables; y por
su origen: energía primaria y secundaria. La mayoría de las fuentes de energía
pueden ser sustituibles, esto debido a que pueden ser convertidas en alguna otra
forma de energía, por ejemplo: el carbón a la electricidad, la biomasa a
biocombustibles líquidos o gaseosos, entre otros (Bacovsky, 2010).
Las fuentes de energía disponibles en la actualidad, están estrechamente
relacionadas con la calidad del medio ambiente, así como otros factores vitales,
como son el agua y los alimentos (Lior, 2012).
4
2.1.1. Principales fuentes de energía
El sol es la fuente primaria de energía que mantiene la vida en nuestro planeta
gracias al proceso de fotosíntesis. Las plantas pueden crecer y pueden ser
aprovechadas como fuente de energía; a pesar de que todas las energías primarias
se regeneran constantemente, algunas se reponen tan lentamente en la escala del
desarrollo humano que resultan insignificantes (Vita-Finzi, 2008).
Los principales tipos de energía son la energía primaria y la energía
secundaria. La energía primaria es extraída o capturada directamente del medio
ambiente, es decir es un recurso natural disponible para su uso energético, mientras
que la energía secundaria es aquella que sufre alguna modificación para su posterior
uso, y es producida a partir de la energía primaria en forma de electricidad o
combustible (Overgaard, 2008).
Dentro de las fuentes de energía primaria se pueden distinguir dos grupos
principales (Cuadro 1):
1) Energía no renovable: este tipo de fuente de energía es limitada y por lo
tanto, disminuyen a medida que las consumimos; no se regeneran, una vez
consumida desaparece de esa forma de energía (ejemplo: el petróleo, el
carbón o el gas natural), a medida que las reservas son menores, es más
difícil su extracción y aumentan sus costos.
2) Energía renovable: este tipo de energía son aquellas en la que se puede
recurrir de forma permanente, son inagotables se utilizan y se regeneran,
por ejemplo: el sol, el agua, o el viento.
A nivel mundial y desde el inicio de su explotación (a mediados del siglo XIX),
los combustibles fósiles como lo son el petróleo, carbón y gas natural se convirtieron
en la principal fuente de energía primaria de mayor importancia (Ibarra y García,
2009, Demirel, 2012). En el mundo, la energía petroquímica es muy importante,
especialmente el diesel, esto debido a que es la principal fuente de combustible
5
utilizada en el sector industrial y transporte, en equipos tales como: camiones
pesados, bombas, transporte urbano, locomotoras, generadores eléctricos, entre
otros (Kumar et al., 2011).
.
Cuadro 1. Clasificación de fuentes de energía primaria y principales fuentes de energía.
Tipo de energía Procedencia
Renovable
Eólica Viento
Geotérmica El calor del interior de la
tierra
Hidráulica El agua
Maremotriz El mar
Solar térmica El sol
Fotováltica El sol
Biomasa Material agrícolas diversos
No Renovable
Carbón Minas
Gas natural Pozos
Petróleo y sus derivados Pozos
Nuclear Mineral
Otros gases Obtención diversas
Por otro lado, las necesidades de energía están determinadas principalmente
por tres factores: el crecimiento de la población, el desarrollo económico y el
progreso tecnológico. En este sentido, existe un aumento constante en el consumo
de energía, mientras que las reversas de petróleo disminuyen paulatinamente. La
producción mundial de energía primaria en 2008 fue de 12,369.0 millones de
toneladas equivalentes de petróleo .Los países con mayor producción fueron: China,
Estados Unidos, Rusia, Arabia Saudita e India, con producciones de 16.1%, 13.8%,
10.1%, 4.7% y 3.8%, respectivamente. México se situó en el décimo lugar. La mayor
6
producción de mundial corresponde al petróleo en un 32.7%, seguido por carbón y
sus derivados en un 27.6%, el gas natural 21.2%, energías renovables 12.9% y el
5.8% a núcleo-energía (IEA, 2011).
En lo que se refiere al consumo de energía a nivel mundial podemos citar que
en los últimos años descendió el 1.1% en 2009, tras varios años de constante
aumento. En 2010, hubo un incremento del 5.6% del consumo mundial, siendo este
el mayor consumo de energía desde 1973. En el 2011, hubo un aumento del 2.5%,
siendo menos de la mitad de la velocidad de crecimiento obtenido en 2010, pero muy
cercano al crecimiento histórico. Hasta la fecha, el petróleo continúa siendo la
principal fuente de energía consumida a nivel mundial, representando el 33% del
total del consumo energético (Figura 1) (British Petroleum, 2011).
Figura 1. Consumo mundial de energía primaria a través del tiempo: 1986-2011
(British Petroleum, 2011).
El consumo mundial de energía primaria en 2011 fue de 12,274.6 millones de
toneladas equivalentes de petróleo. A partir del 2009, China es el mayor consumidor
7
de energía, representando el 21.3% del consumo mundial en el 2011, seguido por
Estados Unidos, Rusia, India, Japón, Canadá y Brasil, con consumos de 18.5%,
5.6%, 4.6%, 3.9%, 2.7% y 2.2% respetivamente. México solamente representa el
1.4% del consumo mundial de energía En la actualidad, los combustibles fósiles
contribuyen a más del 85% de la demanda de energía mundial (British Petroleum,
2011).
Particularmente en México, en 2009 la producción de energía primaria fue de
9,852.9 petajoules (PJ). La producción de hidrocarburos (petróleo: 61.50%, gas
natural: 28.20% y condensado: 0.90%) continuó predominando la canasta de energía
primaria en nuestro país, con una participación del 90.5% al sumar 8,920.5 PJ. Por
otra parte, el consumo energético total en México en 2009 fue de 4,568.07 PJ, del
cual el sector transporte consumió 48.7%, por lo que se mantuvo como el principal
consumidor de energía en México. El sector industrial le siguió en importancia,
representando el 28.1% del consumo total. Los sectores residencia, comercial y
público emplearon el 16.7%, 2.7% y 0.6%, respectivamente. Por su parte, el sector
agropecuario consumió el 3.2% de la energía final (Figura 2A). Al separar este
consumo por combustible, en la Figura 2B se observa que la demanda de gasolinas
influyó de forma significativa en el comportamiento del consumo final energético al
representar el 32.8% de la energía. El diesel por su parte, representó el 16% del
consumo energético, seguido por la electricidad con el 14.4%. El consumo final de
biomasa fue del 7.6% del consumo total energético (SENER, 2010).
En general, la relación de las reservas de petróleo y producción permanecen
constantes y muestran que las reservas del crudo son suficientes para cubrir
solamente 6.2 décadas de la producción global (British Petroleum, 2011). Por su
parte, el Foro de Energía Mundial predice que el combustible fósil podría acabarse
en menos d 10 décadas, si nuevas fuentes de energía no han sido encontrados
(Sharma y Singh, 2009).
8
Figura 2. Consumo energético final en México en 2009: a) por sector y b) por tipo
energético. SENER, 2010.
Un análisis realizados por la Agencia Internacional de Energía (IEA, 2011)
indican que la era los combustibles fósiles está muy lejos de haber terminado. No
obstante, la procedencia de esto disminuirá. Si bien aumentará la demanda de todos
los combustibles, la proporción de los combustibles fósiles en el consumo mundial de
energía primaria descenderá ligeramente, del 81% en 2010 al 75% en 2035; el gas
natural será el único combustible fósil que aumente su presencia en la combinación
energética mundial en el periodo que va hasta el año 2035. En el sector eléctrico, las
tecnologías basadas en energías renovables, representarán la mitad de la nueva
capacidad que se instale para responder la creciente demanda de energía (IEA,
2011).
A nivel mundial la industria petrolífera enfrenta diversos retos y
transformaciones, entre las que se puede citar: exigencias ambientales en los
combustibles (más limpios y económicos), creciente demanda de combustibles
automotrices, es decir, existen cada día más automóviles, autobuses y camiones en
circulación, y el desarrollo de nuevas tecnologías en el control de emisiones
vehiculares. Este panorama exige el desarrollo de una mejor infraestructura y
distribución de combustibles, así como también la búsqueda de combustibles que
contribuyan a la reducción de emisiones contaminantes a la atmósfera y búsqueda
9
de combustibles alternativos para un mejor aprovechamiento energético (Ibarra y
García, 2009).
El principio de la oferta y la demanda indica que los combustibles fósiles
disminuye, los precios de éstos están en constante aumento por lo que el suministro
de energías renovables, por ejemplo: energía de la biomasa, solar, eólica podrían ser
una alternativa a explorar y disminuir la alta dependencia de los combustibles fósiles
(Brigezu, et al., 2009; EIA, 2010).
2.2. Sustentabilidad energética
A nivel mundial, el desarrollo sostenible o sustentable surge por la necesidad a los
diversos problemas ecológicos, económicos y sociales causados por la
industrialización y la globalización (Lior, 2012; Schlör et al., 2012). El desarrollo
sustentable se refiere “al desarrollo que responde a las necesidades de la generación
presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer
sus propias necesidades”. En términos generales, esto implica la creación y
mantenimiento de un buen equilibrio entre los aspectos económicos, sociales y
ambientales (Romijin y Caniëls, 2011). Tanto el sector energético como el sector
industrial fueron los primeros sectores en utilizar el término “desarrollo sostenible” o
“desarrollo sustentable” con la finalidad de convertir en verde la actividad económica
relacionada con la energía (Sheinbaum-Pardo et al., 2012). Por su parte, Schlör et al.
(2012) mencionan que los términos de sustentabilidad y desarrollo sustentable fueron
desarrollados en eras históricas específicas con la finalidad de estabilizar el sistema
energético que se tenía durante la crisis y defender los límites de energía hasta que
existe uno que pueda remplazarlo.
La sustentabilidad energética o también conocida como sostenibilidad
energética es la producción y consumo de energía, de tal manera que soporte el
desarrollo humano en sus tres dimensiones: social, económica y medio ambiental.
Diversas organizaciones mundiales que han examinado la sustentabilidad del
sistema energético mundial actual mencionan que aunque no parece haber límites
10
físicos en el suministro de energía durante los próximos cincuenta años, el sistema
energético actual es insostenible debido a problemas de equidad, económicos,
geopolíticos y medioambientales. Según el Consejo Mundial de Energía en 2012
(World Energy Council) está condicionado al equilibrio entre tres dimensiones
principales:
1) La seguridad energética: es la disponibilidad de toda la energía que se
necesite a un precio accesible y durante un largo plazo indefinido, es decir,
que sea sostenible. Bajo un contexto mundial, se refiere a la existencia de
suficientes reservas energéticas para hacer frente al consumo esperado. La
seguridad energética incluye la gestión eficaz de la oferta de energía primaria,
ya sea de origen nacional o extranjero; la confiabilidad de la infraestructura de
energía; y, la capacidad de las empresas de energía para satisfacer las
necesidades actuales y futuras de la sociedad como un todo.
2) Equidad social: este término se refiere a la accesibilidad y costos razonables
de proporcionar energía a la población en general. Según reportes del
Consejo Mundial de Energía, un tercio de la población mundial, no tiene
acceso a la energía comercial, y por tanto a los servicios que esta
proporciona: iluminación, cocinado de alimentos, calefacción y refrigeración,
telecomunicaciones, entre otros.
3) Y la mitigación del impacto ambiental: los impactos ambientales por el uso de
fuentes de energía tradicionales, como el petróleo, están asociadas a la
emisión de sustancias contaminantes y tóxicas, como la emisión de gases de
efecto invernadero (GEI), tales como: metano, ozono, óxidos de nitrógeno y
clorofluorocarbonos artificiales, promotores del calentamiento global y cambio
climático. Por lo que, la mitigación del impacto ambiental, se refiere a la
disminución del uso de fuentes de energía no renovables y al uso de fuentes
renovables y otras fuentes con bajas emisiones de dióxido de carbono y otros
gases que acentúan el efecto invernadero.
11
El perfil de la sustentabilidad de energía de un sistema energético de un país
está en función de tres factores principales: 1) dotación de recursos de los países, 2)
etapa de desarrollo económico, 3) decisiones políticas.
A nivel mundial se postula que por razones ambientales, sociales y
económicas es necesaria una transición energética, entendida como un proceso de
cambio en los modelos de producción y utilización de energía, hacia sistemas más
equitativos, mejor distribuidos geográficamente, y menos contaminantes. Esta
transición energética implica cambios radicales: son necesarios grandes esfuerzos
para aumentar la eficiencia de uso final, lograr ahorros de energía primaria,
desarrollar un portafolio amplio de sustitutos a los combustibles fósiles con las
correspondientes tecnologías de producción y uso final, así como impulsar la
descentralización de los sistemas energéticos (Masera-Cerutti et al., 2011).
2.2.1. Fuentes de energía alternativas
Actualmente a nivel mundial se presentan dos grandes problemas en cuestión de
energía: 1) el agotamiento de las fuentes de energía fósiles y 2) la degradación
ambiental. Con la finalidad de superar estos problemas, las fuentes de energía
renovables podrían ser una de las alternativas más prometedoras para superar los
problemas del presente sistema energético. Entre ellas se citan: la energía solar,
eólica, hidráulica, geotérmica y la bioenergía, que en su conjunto pudiesen tener un
rol importante en la transición energética, tanto por su capacidad para reducir
emisiones de gases de efecto invernadero como por ser aplicables a una gran
diversidad de usos finales (Dermibas, 2009a; Masera-Cerutti et al., 2011).
Actualmente, las fuentes de energía renovable suministran el 17.7% del total de la
demanda de energía a nivel mundial (British Petroleum, 2011). Estas fuentes de
energía renovables son disponibles en la naturaleza y son fuentes de energía
primaria. Existe una urgencia por el desarrollo y uso de este tipo de alternativas
energéticas, de las cuales la energía de la biomasa representa una opción
importante y viable.
12
2.3. Bioenergía o energía de la biomasa
La bioenergía es un tipo de energía renovable y es obtenida de la biomasa. Por lo
tanto, la biomasa es comúnmente conocida como una importante energía renovable,
en donde la energía solar es almacenada como energía por medio de la fotosíntesis
durante el crecimiento de las plantas, la cual puede ser liberada por combustión
directa o indirecta (Hall et al., 1993). La biomasa es la materia constitutiva de los
seres vivos, sus excretas y sus restos no vivos, es decir, incluye: productos,
subproductos, residuos y desechos de la agricultura, silvicultura y restos sólidos
municipales e industriales. Así como también, gases y líquidos recuperados de la
descomposición de material orgánico no fosilizado (Dermibas, 2009b).
2.3.1. Principales características de la biomasa
La energía de la biomasa o bioenergía presenta varias características, las cuales le
proporcionan ventajas con respecto a otras fuentes de energía, tales como las
presentadas en el Cuadro 2 (Scheffran, 2010; Masera-Cerutti et al., 2011).
La bioenergía si es aprovechada de manera sustentable, presenta varias ventajas
sociales, económicas y ambientales, entre las que se pueden citar:
Permite interacciones positivas entre el sector agrícola-forestal, el sector
industrial y los sectores que la utilizan.
Crean empleos locales y agregan valor a los productos, al mismo tiempo que
reducen la dependencia de recursos fósiles.
Se pueden producir Bioenergéticos en pequeñas y medianas empresas y
facilitar de esta forma el desarrollo local en zonas rurales.
Es posible rehabilitar tierras degradadas y producir cultivos de interés
energético.
Contribuye a la mitigación del cambio climático, ya que sustituye a los
combustibles fósiles, mantiene o incrementa almacenes de carbono y evita la
deforestación.
Si son utilizados desechos agrícolas, se evita la emisión de metano, potente
promotor de GEI.
13
Cuadro 2 Principales características de la bioenergía o energía de la biomasa
Característica Descripción
Es almacenable
La energía de la biomasa está almacenada en la
materia orgánica. Es una forma de energía que no tiene
intermitencia de otras fuentes renovables como la solar
y la eólica, lo que le proporciona ventajas para la
generación de calor o electricidad.
Permite satisfacer la mayor parte de los usos finales
Se considera como la única fuente de energía
renovable que puede sustituir a los combustibles fósiles
en todas las aplicaciones y finalidades, ya que permite
producir calor, fuerza motriz, electricidad y
biocarburantes líquidos.
Es ubicua
La biomasa se puede encontrar en casi todas partes, y
está disponible en forma concentrada como
subproducto de procesos agroindustriales, residuos de
actividades humanas y como estiércol de animales.
Es escalable
Existen sistema de aprovechamiento de biomasa y
producción de bioenergía desde muy bajas (<1kW)
hasta grandes potencias (> 300,000 kW), lo cual
permite una amplia versatilidad para el desarrollo de
sistemas de suministro energético a escalas locales y
mayores.
Es comercialmente madura
Varias de las tecnologías para el uso energético de la
biomasa son rentables y están ampliamente
desarrolladas a nivel comercial.
Comúnmente existen tres formas de usar la biomasa. Esta puede ser quemada para
producir calor y electricidad, modificada para producir combustible gaseoso como el
metano, hidrógeno o monóxido de carbono (CO) y convertida a combustibles
líquidos, los cuales son generalmente conocidos como biocombustibles (Dermibas,
2009a).
14
2.3.2. Biocombustibles
Los biocombustibles son los combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que son
principalmente producidos a partir de materias primas renovables o también llamadas
biorenovables (Dermibas, 2007). Es decir, pueden ser producidos a partir de la
biomasa. La importancia de los biocombustibles es debido a que pueden en un futuro
remplazar a los combustibles fósiles y evitar o disminuir la crisis energética. A nivel
mundial, el uso de los biocombustibles es regulado por diversas motivaciones
políticas, económicas y medioambientales. Según la FAO en el 2008, los
biocombustibles son carburantes producidos directa o indirectamente de biomasa, y
cita como ejemplo: leña, carbón, bioetanol, biodiesel, biogás y biohidrógeno .
El sector transporte es el principal consumidor de energía, utilizando
combustibles de origen fósil. Markevičius et al. (2010) reportan que el sector
transporte consumo 30% de la energía global y es responsable del 21% de las
emisiones de gases de efecto invernadero. Países de la Comunidad Europea y
Estados Unidos están preocupados por brindar seguridad energética al país, y
proponen que la producción de biocombustibles podría ayudar al desarrollo de las
zonas rurales y de la agricultura, así como también propiciar el desarrollo de nuevas
industrias y diversificación de fuentes energéticas. Las principales ventajas de los
biocombustibles son (Reijnders, 2006; Markevičius et al. 2010):
Pueden mejorar la independencia y seguridad energética,
Pueden contribuir a reducir las emisiones de carbono (mitigación del
cambio climático),
Pueden ayudar a incrementar los ingresos agrícolas y contribuir al
desarrollo rural.
Los criterios de sustentabilidad para los biocombustibles y los biolíquidos
están basados en una Directiva de Energías Renovables aprobada en 2009 y son
citados a continuación (Mackinnon, 2010):
15
o Se prohíbe de manera general el uso de la biomasa en tierras que son
bosques, zonas con altos contenido de carbono almacenada y zonas de
elevada biodiversidadad,
o Es necesario utilizar metodologías de calculan los gases de efecto
invernadero, con la finalidad de que aseguren un mínimo de reducción a partir
de la biomasa del 35% (aumentando el 50% para el 2017 y 60% para el 2018),
o Mostrar las ventajas de los sistemas nacionales de apoyo, favoreciendo una
mayor eficiencia en la conversión de energía y,
o Dar seguimiento al origen de la biomasa.
Los biocombustibles pueden ser clasificados en base a las tecnologías de
producción y materia prima utilizada como: primera, segunda y tercera generación.
Los biocombustibles de primera generación se refieren a los producidos a partir de
azúcares simples, almidón, aceites vegetales comestibles o grasas animales,
utilizando tecnologías convencionales. Las materias primas para la producción de los
biocombustibles de primera generación son a menudo semillas o granos de trigo,
maíz, soya, girasol, entre otros. Por su parte, los biocombustibles de segunda y
tercera generación son también llamados biocombustibles avanzados. Los
biocombustibles de segunda generación son elaborados a partir de cultivo no
destinado para la alimentación humana, tales como: residuos de trigo, maíz, madera,
y cultivos energéticos, utilizando tecnologías avanzadas. Los biocombustibles de
tercera generación son producidos a partir de algas (Plass y Reimelt, 2007). Los
costos de producción de los biocombustibles pueden variar dependiendo de la
materia prima que sea utilizada para su obtención.
Los biocombustibles líquidos más importantes son el bioetanol y el biodiesel.
El bioetanol es un sustituto o aditivo de la gasolina o petrol o nafta, mientras que el
biodiesel es una alternativa al diesel convencional. El bioetanol es el biocombustible
más ampliamente utilizado a nivel mundial y es proveniente de la transformación de
azúcar o almidón en alcohol el cual se produce a partir de materias primas diversas,
principalmente caña de azúcar o remolacha azucarera, maíz y trigo (Draye et al.,
16
2001). Los principales productores mundiales son Brasil como el más grande
productor a partir de caña de azúcar, representando el 70% de la producción mundial
y el 90% del etanol producido es utilizado como combustible (Luque et al., 2010);
Estados Unidos por su parte produce este biocombustible a partir de grano de maíz
(Howard et al., 2003), donde se utiliza bioetanol mezclado con naftas de origen fósil o
directamente puro (García y García, 2007).
Por otro lado, el biodiesel es el otro combustible de mayor importancia, esto
debido a sus beneficios ambientales. No obstante, el costo del biodiesel, es el mayor
obstáculo para su exitosa comercialización (IEA, 2010). Algunos países ya emplean
en su autrotransporte combustibles alternativos: el biodiesel es utilizado en Estados
Unidos, Francia, Alemania, Brasil y Argentina. En Brasil, Estados Unidos, Nicaragua
y Argentina se utiliza el bioetanol, reduciendo las emisiones de contaminantes hasta
en un 50%.
En general, los biocombustibles y las tecnologías alternativas ofrecen
oportunidades para la reducción significativa de las emisiones e incrementos en la
eficiencia de algunos vehículos. Hasta el momento, se encuentran en diferentes
etapas de desarrollo y cada opción tiene un rendimiento y características de emisión
únicas. Se requiere una inversión en infraestructura para su producción,
almacenamiento y distribución, además de que se domine una variedad de
tecnologías. Aunque no se espera que se desplacen completamente a los
combustibles fósiles, se intenta alargar los recursos petrolíferos y colaborar en la
reducción de las emisiones contaminantes (Ibarra y García, 2009). Las motivaciones
que han impulsado a las diversas naciones a desarrollar la industria de los
biocombustibles pueden resumirse en tres grupos: 1) desarrollo agrícola, 2)
reducción de gases de efecto invernadero (en el marco de los compromisos del
Protocolo de Kyoto) y 3) la seguridad energética (SAGARPA, 2012).
17
Para el éxito, desarrollo, transición y uso de los biocombustibles es
recomendable generar profundos conocimientos sobre ellos, sus características,
comportamiento y efectos sobre el almacenaje y estabilidad.
2.4. El biodiesel
La constante preocupación del medio ambiente ha impulsado la creación de los
combustibles renovables como el biodiesel y han sido considerados como el
“combustible del futuro”. Por lo tanto, a nivel mundial el estudio sobre la producción
de biodiesel es de suma importancia y se cuentan con aportaciones económicas
gubernamentales para el desarrollo de proyectos que permitan el desarrollo de
biodiesel y la optimización de procesos para cumplir con las normas y
especificaciones necesarias para que este biocombustible pueda ser utilizado
comercialmente en motores diesel (Sharma et al., 2008).
Algunos estudios predicen que para el año 2020, la producción de biodiesel en
Brasil, China, India y algunos países del Sureste de Asia, tales como: Malasia e
Indonesia podrían contribuir cuando mucho al 20% de la demanda mundial de
combustible (Thurmond, 2008). Las fuerzas motrices del desarrollo de biodiesel en
estos países son de carácter económico, seguridad energética y ambiental, así como
mejoramiento en la balanza comercial y la expansión del sector agrícola (Zhou y
Thomson, 2009).
2.4.1. Definición de biodiesel y principales características
El término biodiesel proviene del griego bio que significa “vida” + diesel en nombre
de “Rudolf Diesel” (inventor del motor diesel) y es referido a un diesel equivalente
pero producido a partir de fuentes renovables de energía (Dermibas, 2009a).
El biodiesel ha sido definido en base a su composición y normas, entre las que se
citan las siguientes:
18
1) La definición general: “biodiesel es un combustible doméstico y renovable para
motores diesel derivados de aceites naturales como soya, el cual cumple con
las especificaciones de la norma ASTD D 6571”.
2) Utilizando las especificaciones establecidas por la ASTM D 6571: “el biodiesel
es un combustible para motor diesel compuesto de ésteres monoalquílicos de
ácidos grasos de cadena larga derivados de aceites vegetales o grasas
animales, designado B100 y que cumple con las especificaciones de la ASTM
D 6571”.
3) Químicamente el biodiesel es definido como “éster monoalquílicos de ácidos
grasos de cadena larga obtenidos de fuentes de energía renovable como los
biolípidos (aceites o grasas animales) y a partir de una reacción de alcohólisis
de los triglicéridos, utilizando un alcohol (metanol o etanol)” (Banković-Ilić et
al., 2012).
El biodiesel presenta varias ventajas sobre el diesel convencional, lo cual lo
convierte en una alternativa prometedora de energía para su utilización en el sector
transporte e industrial principalmente. Algunas de las ventajas y desventajas del
biodiesel son presentadas en el Cuadro 3 (Ma y Hanna, 1999; Fukada et al., 2001;
Komer et al., 2001; Soumanou y Bornsheuer, 2003; Zhang et al., 2003; Knothe et al.,
2006; Achten et al., 2007; Ching et al., 2010).
El biodiesel puede ser utilizado como aditivo en formulaciones diesel para
aumentar la lubricad de pura a ultra pura baja en sulfuro. Además presenta un
número de cetano más alto y es biodegradable en menor tiempo (Zhang et al., 2003),
tiene un alto punto de inflamación y lubricidad en forma pura. Más aun, el biodiesel
de origen nacional, podría reducir la dependencia de la importación de petróleo. Por
el contrario, las desventajas del biodiesel como ya se mencionó son presentadas en
el Cuadro 3. Algunos autores mencionan que el precio del biodiesel es quizás hasta
dos veces más que el diesel convencional y dependen de la materia prima utilizada
19
para su producción (Dermibas, 2007; Fan y Burton, 2009; Leung, et al., 2010; Balat,
2011).
Cuadro 3 Principales ventajas y desventajas del uso de biodiesel
Ventajas Desventajas
Se produce a partir de fuentes
renovables (aceites vegetales o grasas
animales).
Permite reducir emisiones
contaminantes como monóxido de
carbono, hidrocarburos y otras
partículas.
Contiene concentraciones mínimas
de azufre, por lo que no genera
dióxido de azufre (SO2).
Se degrada de 4 a 5 veces más
rápido que el diesel fósil.
No contamina fuentes de agua
superficial y acuíferos subterrráneos.
Transportación y almacenamiento
seguros.
Punto de inflamación 0.5 veces
mayor que el diesel fósil (150°C
versus 100°C).
Presenta mayor grado de lubricidad,
aumentando la vida del motor y
reducir su ruido. Evita contaminación
de los inyectores.
Presenta una combustión más
completa debido a que es un combustible oxigenado.
Las emisiones de óxidos de nitrógeno
(NOX) generalmente se incrementan
debido a al incremento de presión y
temperatura en la cámara de
combustión. Sin embargo, esto se
puede mitigar con el uso de un
catalizador a la salida del motor.
No se puede almacenar durante
mucho tiempo (> 21 días), ya que es
biodegradable.
Puede presentar problemas de
solidificación en frio cuando se utiliza
en mezclas mayores al 30%,
obstruyendo el sistema de
alimentación de combustible de motor.
Debido a que el biodiesel es un
solvente, presente la capacidad de
dañar a piezas construidas a partir de
caucho o goma (mangueras y juntas
de motor). No obstante, en la
actualidad los motores ya tienen estas
piezas de otro material resistente al
biodiesel.
Presenta un contenido energético
menor que el diesel, por lo que su
consumo es ligeramente mayor.
Costos de producción variables y
dependen de las materias primas
utilizadas y métodos de producción.
20
Actualmente se están realizando fuertes inversiones en investigación y desarrollo
para generar biodiesel, por la búsqueda de nuevas fuentes de energía, para
disminuir la dependencia del petróleo y la creciente demanda de combustibles con
los objetivos de optimizar los procesos de producción de biodiesel y encontrar las
materias primas más eficientes.
2.4.2. Materias primas para la producción de biodiesel
Las fuentes más comunes de aceites y grasas para producir biodiesel son: cultivos
oleaginosos y tejidos adiposos (grasos) de animales. Además, se está
experimentando obtener biodiesel a partir de: algas productoras de aceites, aceites
residuales de cocina, grasas residuales provenientes de plantas de tratamientos de
agua o trampas de separación de grasas (Knothe et al., 2004; Karmmar et al., 2010).
En recientes años, los aceites vegetales han atraído más atención debido a su
impacto ambiental benéfico, además de ser obtenidos de recursos renovables. Las
principales características de los aceites son: insolubles en agua, sustancias
hidrofóbicas en las plantas y el reino animal, contienen una molécula de glicerol y
tres moles de ácidos grasos y son comúnmente conocidos como triglicéridos
(Sonntag, 1979).
Globalmente, han sido identificados 350 cultivos oleaginosos con potencial
para la producción de biodiesel. Las materias primas deben de cumplir
principalmente con dos requerimientos: 1) bajos costos de producción y, 2) que se
pueda cultivar a gran escala. La habilidad de cumplir con estos requerimientos
depende básicamente de la región, clima, localización geográfica, condiciones del
suelo y las prácticas de agricultura del país donde se producen Cuadro 4 (Atadashi et
al., 2008). En general, las materias primas para producir biodiesel pueden ser
clasificadas en cuatro categorías, tales como (Dermibas, 2008):
1. Aceites vegetales comestibles: colza, soya, cacahuate, girasol, palma,
aceite de coco.
21
2. Aceites vegetales no comestibles: Jatropha curcas, Karanja, Cerbera
manghas, algas y bacterias halófilas.
3. Aceite usado de cocina (materiales oleaginosos)
4. Grasas animales: sebo, grasa amarilla, grasa de pollo, así como los
productos del aceite de pescado.
El uso de aceites comestibles para la producción de biodiesel son
considerados de primera generación. Sin embargo su uso género mucha
controversia ya que impacta seriamente en los precios del sector alimenticio y tienen
aspectos ambientales desfavorables muy serios como su establecimientos en áreas
de importancia alimentaria y la deforestación. Así mismo, en los últimos diez años los
precios de los aceites vegetales se han incrementado afectando la disponibilidad
para su utilización en la producción de biodiesel (Balat et al., 2010).
Una de las posibles soluciones para reducir la utilización de los aceites
comestibles para la producción de biodiesel, es explotando los aceites no
comestibles ya que se encuentra fácilmente disponibles y pueden ser cultivados en
tierras marginadas que no son viables para la producción de cultivos alimenticios y
algunas de sus ventajas son: reduce la deforestación, tiene un mejor balance
energético, producen subproductos que pueden ser aprovechados, y contienen
propiedades similares a los aceites comestibles (Janaun et al., 2010).
2.4.3. Métodos de producción de biodiesel
Globalmente existen muchos esfuerzos por desarrollar y mejorar los aceites
vegetales y puedan ser contrastados con las propiedades del combustible diesel. Se
conoce que los aceites vegetales crudos tiene la alta viscosidad baja volatilidad, y
características poli-insaturadas. Estos problemas pueden se puede mejorar con la
manejo de cuatro métodos: pirólisis, dilución con diesel, micro-emulsión y
transesterificación (Atabani et al., 2012). Las características principales de cada
método son descritas en el Cuadro 5.
22
Cuadro 4 Métodos de producción de biodiesel
Métodos de
producción
Descripción
Pirolisis
La pirolisis es la descomposición térmica de los aceites
vegetales en ausencia de oxígeno y en presencia de un
catalizador (Sharma y col., 2008)
Dilución
Los aceites vegetales pueden ser diluidos con el diesel
convencional. Este método no requiere ningún proceso
químico, sin embargo solo se pueden usar diluciones de
hasta 20% aceite vegetal y 80% diesel en consecuencia
por su viscosidad (Chauhan y col., 2010)
Micro emulsión
Se define como una dispersión coloidal de
microestructura en equilibrio de un líquido ópticamente
isotrópico con dimensiones generalmente en rango 1-150
nm formado espontáneamente a partir de dos líquidos
inmiscibles (Ma y col., 1999)
Transesterificacion
Consiste en una consecutiva y reversible reacción. En
esta, los triglicéridos son convertidos por etapas en
diglicerdios, monogliceridos y finalmente en glicerol el
cual se deposita en el fondo y el biodiesel en la parte
superior (Salvi y col., 2012)
La calidad del biodiesel obtenido dependerá de los diferentes tipos de
catalizadores, por lo cual el ideal es el catalizador que disminuya los pos tratamientos
(Atabani et al., 2011).
La transesterificación es uno de los procesos más utilizados para convertir el
aceite vegetal en esteres metílicos o biodiesel, dado su bajo costo y su simplicidad.
Esta reacción química requiere de un catalizador para separar las moléculas de
aceite y alcohol hasta combinarlos con los ésteres separados. La transesterificación
de los triglicéridos puede ser realizada mediante diferentes procesos catalíticos. Los
catalizadores utilizados son clasificados de la siguiente manera (Balat et al., 2010)
23
Catalizadores alcalinos: hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio
(KOH), metilato de sodio (NaOMe).
Catalizadores ácidos: ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido clorhídrico.
Catalizadores enzimáticos: lipasas.
Catalizadores heterogéneos: catalizadores en fase sólida.
En el caso de la catálisis alcalina, es muy importante evitar que los
catalizadores tengan contacto prolongado con el aire, pues éste disminuye su
efectividad debido a la interacción con la humedad y con el dióxido de carbono. Ha
sido reportado que entre los catalizadores básicos, el hidróxido de sodio y el
hidróxido de potasio son los más usado debido a su bajo costo y alto rendimiento del
producto (Yee et al., 2010).
Los catalizadores ácidos pueden ser utilizados tanto para la esterificación de
ácidos grasos libres o con el fin de convertirlos directamente en ésteres o para la
transesterificación de los triglicéridos (Meher, 2006). Los catalizadores heterogéneos
son aquellos que se encuentran en una fase diferente a la de los reactantes. Es
decir, que no se encuentran disueltos en el alcohol o aceite, sino que son sólidos, y
por lo tanto fácilmente recuperables al final de la reacción (Ching et al., 2010).
2.4.4. Aspectos ambientales y económicos de la producción de biodiesel
El biodiesel es un recurso atractivo en la energía renovable. Sin embargo, hay
algunos desafíos que enfrenta este recurso vital. Estos desafíos incluyen el alto costo
y la disponibilidad limitada de material que impacta directamente en el costo de
producción (Knothe, 2004). Entre estos se incluye el factor de disponibilidad de la
materia prima, capacidad de producción, la calidad de materia prima, tecnología de
procesamiento, el balance de energía y su almacenamiento. Sin embargo, los dos
factores principales son el costo de la materia prima y el costo de procesamiento en
biodiesel. Se ha encontrado que el costo de las materias primas constituye el 75%
del costo total del biocombustible y se sugiere que utilizar los aceites no comestibles
24
como materia prima para la producción de biodiesel puede reducir este costo
(Carraretto et al., 2004).
Estudios de viabilidad económica en todo el mundo demuestran que el
biodiesel suele ser menos rentable por litro comparado con el precio del diesel
convencional. En la actualidad, el biodiesel no es viable económicamente, por lo que
es necesario llevar a cabo más investigación y desarrollo tecnológico sobre materias
primas utilizadas para este propósito, que sean más baratas y sustentables. Las
políticas de apoyo, tales como bonificaciones fiscales son importantes para promover
la investigación del biodiesel para que los precios puedan ser comparables con los
del diesel convencional (Demirbas, 2009).
El biodiesel cuenta con ventajas que no se pueden ignorar, permite reducir
emisiones contaminantes como es el caso del monóxido de carbono, así como otras
partículas. Prácticamente no contiene azufre, por lo que no genera dióxido de azufre.
Se degrada de 4 a 5 veces más rápido que el diesel fósil y no contamina fuentes de
agua superficial ni acuíferos subterráneos. Es más seguro de transportar y
almacenar, ya que tiene un punto de inflamación de 100°C mayor que el diesel fósil,
es decir, sólo explota a una temperatura de 150°C.Tiene mayor lubricidad y por lo
tanto permite alargar la vida del motor y reducir su ruido (Ching et al., 2010).
2.5. El piñón Mexicano (Jatropha curcas)
La planta de Jatropha o comúnmente el piñón mexicano es reconocida como única
candidata en las fuentes de energía renovable debido a sus peculiares
características, tales como: tolerancia a la sequía, rápido crecimiento y fácil
propagación, mayor contenido de aceite que otros cultivos oleaginosos, pequeño
periodo de gestición, amplio rango de adaptación a condiciones ambientales y
tamaño y arquitectura de planta óptimo, lo cual la hacen como sola candidata para
futuras investigaciones y/o proyectos (Chandra et al., 2012).
El objetivo de los proyectos sobre el cultivo de Jatropha es desarrollar
opciones de energía alternativa en zonas rurales, lo cual ayudará a promover medios
de vida sustentables en la región. En este sentido, el cambio de energía fósil que
emiten gases tóxicos a la atmósfera a otras fuentes de energía renovables hace
25
posible contribuir de esta manera a tener un mejor medio ambiente y mejor calidad
de vida (Chandra et al., 2012) .
2.5.1. Definición
El piñón o Jatropha curcas, es un arbusto caducifolio con frutos que son
cápsulas elípticas, color amarillo con 2 a 3 semillas por fruto. Cada una contiene de
27- 40% de aceite (Achten, et al., 2007). El cultivo de J. curcas se desarrolla bien en
las regiones del trópico seco y trópico húmedo en altitudes que van del nivel del mar
hasta los 800 msnm. Se adapta a suelos pobres de baja fertilidad y posee la
capacidad de restaurar suelos erosionados, por la gran cantidad de materia orgánica
deposita en el suelo (Henning, et al., 1998).
2.5.2. Principales características del cultivo
La floración en la planta de J. Curcas puede presentarse entre el primer y
segundo año en condiciones muy favorables, pero normalmente toma más tiempo.
La producción de la planta se estabiliza a partir del cuarto ó quinto año. Estudios
indican que la formación de flores está relacionada con el periodo de lluvias con una
precipitación ideal de 900 mm (Kumar, et al., 2008).
Este arbusto tiene una vida útil de 40 a 50 años, su crecimiento va de 1 a 8
metros de altura, y puede llegar a producir 5 toneladas de semilla por hectárea con
una temperatura óptima para su desarrollo de 28 a 32°C. Puede florear por segunda
vez después de producir frutos, cuando las condiciones permanezcan favorables por
otros 90 días, pero después de esta segunda floración la planta no floreara
nuevamente, sino que se desarrolla vegetativamente. El desarrollo del fruto toma
entre 60 y 120 días desde la floración hasta la madurez de la semilla. (Monroy et al.,
2009).
La captura de carbono en plantaciones de J. curcas, así como en otros tipos
de plantaciones, ocurre únicamente durante el desarrollo de las plantas hasta llegar a
su estado de madurez y el carbono queda almacenado en troncos y ramas, que va
del 40% al 50% de la biomasa de un árbol es carbono.
26
Su cultivo intensivo, posee múltiples propósitos, acarreando un nuevo
desarrollo agrícola, sin embargo, a gran escala sus impactos sociales y económicos
aún son hipotéticos. El mejor resultado de su cultivo intensivo será el que tenga
ambos impactos benéficos como se muestra en el cuadro 5, el rendimiento puede
variar dependiendo de la naturaleza de la planta cultivada en diferentes climas y
suelos (Jingura y col, 2010).
Cuadro 5 Rendimiento por Kg/Ha de semilla de J. curcas.
Año 1 1.2 ton/ha de semilla 600 L/ha de aceite
Año 2 2.6 ton/ha de semilla 1300 L/ha de aceite
Año 3 3.1 ton/ha de semilla 1550 L/ha de aceite
Año 4 4.3 ton/ha de semilla 2050 L/ha de aceite
Año 5 5.0 ton/ha de semilla 2500 L/ha de aceite
2.5.3. Usos de Jatropha curcas
En lo que respecta a los impactos ambientales, es importante destacar que el
cultivo de J. curcas no generará efectos adversos en caso de realizarlo en forma
sustentable aprovechando todos sus subproductos. Los principales subproductos
obtenidos del proceso de producción de biodiesel a partir de J. curcas son: cáscara
del fruto, testa de la semilla, harina y glicerina (Achten et al., 2007).
La cáscara de semillas y frutos pueden ser aprovechados para generar energía
en forma directa mediante combustión en calderas u hornos; o siendo utilizadas
como materia prima en otros procesos como digestión anaeróbica y pirólisis (Heller,
1996). Sotolongo et al., (2007) mencionan que el fruto puede ser utilizado como
combustible sólido, ya que su poder calorífico es de 2.651 kcal/kg y 15% de
humedad. La generación de composta es otro de los potenciales usos de las
cáscaras.
La energía bruta de la harina de J. curcas es de 18.2 MJ/kg. La harina resultante
del proceso de extracción de aceite de la semilla posee altos contenidos de
nutrientes, con valores de 58.1% de proteína cruda por peso (Makkar et al., 1997).
Otra alternativa planteada para las harinas es su utilización como fertilizante y la
producción de biogás a partir del tratamiento anaeróbico. A pesar de estas
27
características favorables, posee componentes no nutritivos, como los ésteres de
forbol y otros compuestos, que imposibilitan su uso integral cuando se utiliza el
biotipos de J. curcas tóxicas (Pandey et al., 2012)
Como se mencionó, la glicerina es el principal subproducto del proceso de
producción de biodiesel. Thompson et al., (2006) mencionan que para poder darle un
valor adicional, es necesario purificarla mediante diferentes procesos: destilación por
vacío, filtración y agregado de aditivos.
2.5.4. Extracción del aceite y características fisicoquímicas
El aceite de J. curcas ha sido considerado como una materia prima potencial
para la producción de biodiesel, particularmente debido a la posibilidad de cultivo en
tierras marginadas. El contenido de aceite en las semillas de J. curcas es alrededor
de 30-40% y es potencialmente el producto final más valioso del fruto, con
propiedades tales como: baja acidez, buena estabilidad a la oxidación comparada
con el aceite de soya, baja viscosidad comparada con el aceite de ricino y mejores
propiedades de enfriamiento comparadas con el aceite de palma. Además, la
viscosidad, los ácidos grasos libres y la densidad del aceite son estables dentro de
un periodo de almacenaje (Chandra, et al., 2012).
Existen diversos métodos para realizar la extracción de aceite en semillas de
J. curcas. En general, los más utilizados son: extracción por prensado, extracción
con solvente o la combinación de ambos. Distintos autores mencionan que para
optimizar cualquier proceso de extracción es necesario realizar operaciones previas
como limpieza, descascarado, secado y molienda de las semillas, no obstante el
rendimiento de extracción de aceite depende del tipo de proceso, el tamaño y
contenido de agua presente en las semillas (Gutiérrez et al., 2008).
Al encontrarse la mayor cantidad de materia grasa en la parte interna
(almendra o endocarpio) es necesario realizar el descascarado y secado para
mejorar el proceso de extracción (Achten et al., 2008). La humedad de la semilla de
J. curcas sin cáscara oscila entre un 3.7% y 4.2%, dependiendo del tiempo de
cosecha (Sirisomboon et al., 2009). Sotolongo et al., (2007) reportan un valor
28
aproximado del 6.6% en peso. El proceso de secado elimina el agua existente y
mejorara las condiciones operativas en el proceso de extracción de aceite.
El método mecánico (extracción por prensado) puede darse de dos formas
distintas: prensa manual o prensa mecánica. En función del tipo de prensa (tornillo o
presión), se puede llegar a extraer desde un 60-65% (prensa manual) hasta un 75-
80% del aceite (prensa mecánica). El tipo de proceso puede ser más eficiente si se
realiza algún pre-tratamiento, como el secado del fruto, o una secuencia de etapas
de extracción. Sotolongo et al., (2007), mencionan que mediante prensa a presión en
frío, se puede obtener entre 27 y 32 kg de aceite cada 100 kg de semillas.
Por otro lado, la extracción química implica utilización de diversos solventes.
El compuesto que mejores resultados ha dado es el n-hexano. Si bien presenta la
ventaja de extraer todo del aceite contenido en la semilla en períodos cortos de
tiempo, presenta desventajas como las emisiones de compuestos orgánicos volátiles
al medio ambiente y problemas en la salud para las personas que lo manipulan si no
se toman las medidas de seguridad adecuadas (Achten et al., 2008).
Las operaciones de post-acondicionado del aceite dependerán del tipo de
proceso utilizado. Para la extracción por prensado, es necesario eliminar los sólidos
mediante centrifugación, decantación y filtración (con distintos diámetros en función
de la calidad a obtener) en forma individual o conjunta. Para la extracción con
solvente, es necesario filtrar los sólidos para después separar por completo el
solvente con la ayuda de un rotavapor (Atabani et al., 2012).
El aceite de J. curcas está compuesto principalmente por moléculas
denominadas triglicéridos que son ésteres de tres ácidos grasos unidos a un glicerol.
Se caracterizan por ser insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos no
polares. Tienen un alto contenido en cadenas de ácidos grasos insaturados lo cual lo
hace inestable (Herrera et al., 2005).
Achten et al., (2008) analizaron el aceite de J. curcas con un perfil de ácidos
grasos y demostraron que la composición de ácido oleico fue el de mayor presencia
con 42.02%, en tanto que las insaturaciones y poliinsaturación de los ácidos grasos
sumaron un 77.5% (Figura 2).
29
Figura 3. Perfil de ácidos grasos de aceite de Jatropha curcas
Por otro lado, Wang et al., (2010) señalan una distribución diferente de ácidos
grasos para el aceite de J. curcas, con una concentración mayor de ácidos grasos
saturados del 18.6%, mono insaturados de 42.4% y poliinsaturacion de 37.2% como
se muestra en el siguiente Cuadro 6.
Cuadro 6 . Ácidos grasos del aceite de Jatropha curcas (Wang et al., 2010)
Saturados % de aceite Número de cetano
Palmítico 13.23 C 16:0
Esteárico 5.4 C 18:0
Insaturados
Palmitoléico 0.85 C 16:1
Oleico 42.62 C 18:2
Poliinsaturados
Linoleico 36.99 C 18:2
2.5.5. Sistemas de producción
La calidad del aceite vegetal así como variables implicadas en la reacción de
transesterificación son fundamentales para optimizar un buen proceso de producción.
El inconveniente de algunos aceites es que no puede ser directamente convertidos
ya que presentan un índice de acidez mayor a 5 mg KOH/g y necesitan un pre
30
tratamiento con ácido, también después de su extracción es necesario filtrarlo para
eliminar impurezas (Wang et al., 2010).
Inicialmente para realizar la transesterificacion alcalina el catalizador básico se
diluye para formar una reacción de oxido reducción con el alcohol y para producir un
ión alcóxido o metóxido de sodio (ecuación 1), este compuesto es una base fuerte.
Esto ocurre gracias a que el protón hidroxilo de un alcohol es débilmente ácido. Una
base fuerte puede extraer este protón hidroxilo para dar así lugar a un ión alcóxido
(Thompson et al., 2006).
- - a a 2 (1)
Para iniciar la reacción de transesterificación es necesario primero mezclar el
metoxido de sodio con el aceite vegetal, esta reacción procede en tres pasos en los
cuales el triglicérido (TG) reacciona con él, atacando en el grupo carboxilo del
glicérido del aceite vegetal para producir un diglicérido (DG), este reacciona con otro
mol de metanol para producir un monoglicérido (MG) que finalmente reacciona con
metóxido de sodio produciendo metil-éster ( ) y glicerol (GL) como se muestra
en la siguiente ecuaciónes (Jain et al., 2010).
R catalizador↔ D R 2R ( )
D R catalizador↔ M R 2R (2)
R catalizador↔ R 2R ( )
Desde que el primer mol de metil-éster es generado la reacción ocurre en
cadena en cadena hasta consumir todos los triglicéridos disponibles, reordenando
todo el triglicérido para formar tres moléculas de metil-éster (biodiesel) y una de
glicerol como se muestra en la siguiente ecuación (Ching et al., 2010).
31
↔
Las trazas de metanol y del catalizador usado quedan principalmente en la
glicerina. Por lo cual es necesario lavar el biodiesel o filtrarlo con una resina secante.
2.5.6. Propiedades del biodiesel
Los avances del biodiesel se desarrollan a nivel mundial para mantener la
calidad del producto final y para garantizar un mejor almacenamiento tanto de
materia prima como para el biodiesel y así fortalecer la confianza de los
consumidores para su comercialización y uso. Puesto que se produce a diferentes
escalas, diferentes orígenes y calidades, es necesario instalar una estandarización
de la calidad del combustible para garantizar un rendimiento del motor sin ninguna
dificultad (Lin, et al., 2011).
Austria fue el primer país que definió y aprobó estándares para el biodiesel
como un combustible. Esto dio pauta a que otros países como Alemania. Francia,
Italia, República Checa y Estados Unidos definieran también estándares y
propiedades requeridas para el consumo de biodiesel con combustible (Meher et al.,
2006). Actualmente, las propiedades y cualidades del biodiesel deben cumplir con las
especificaciones y estándares internacionales. Estas propiedades del biodiesel son
fisicoquímicas y se muestran en el siguiente cuadro (Cuadro 7).
Cuadro 7 Estándares internacionales de propiedades fisicoquímicas del biodiesel.
Propiedad
fisicoquímica
Unidad
Norma DIN
51606.
(Alemania)
Norma
14214
(Unión
Europea)
Norma ASTM
D 6751.
(Estados
Unidos)
Norma
ON C
1191
(Austria)
Valor de acidez mg
KOH/g <0.50 <0.50 <0.80 __
Viscosidad a
40° C mm2 s1 3.5-5.0 3.5-5.0 1.9-6.0 3.5-5.0
32
Punto de
inflamación °C 110 120 >130 100
Densidad g /ml 0.875-0.90 0.86-0.90 0.86-0.90 0.85-0.89
Contenido en
cenizas % <0.03 <0.02 <0.02 <0.02
Estas propiedades fisicoquímicas del combustible biodiesel dependen
básicamente del tipo de materia prima utilizada, el proceso de producción,
propiedades fisicoquímicas del aceite y almacenamiento del biodiesel (Demirbas,
2008).
2.6. Producción de biodiesel en México
En México se tiene muy poca experiencia con el uso del biodiesel, dentro de
los proyectos de biodiesel, y solo se cuenta con algunos intentos de producción de
biodiesel a pequeña escala dentro de los cuales destacan:
Planta de biodiesel del Grupo Energéticos en Cadereyta, Nuevo León que
produce este biocombustible a partir de aceites y grasas reciclada de la
cafetería del Instituto Tecnológico de Monterrey (ITESM). La producción de
ésta planta es de 300 m3 al mes, aunque según su directivo puede llegar a
los 600 m3 al mes. Con esta producción se abastece de una mezcla diesel-
biodiesel a un autobús de transporte de personal, así como a dos vehículos
compactos propiedad del Instituto.
Otro proyecto es el de la Universidad Vasconcelos de Oaxaca, en el que
producen una mezcla B20 a partir de aceites vegetales de desecho, se tiene
una producción de 3.6 m3 al mes de biodiesel el cual es consumido por un
autobús propiedad de la Universidad (SENER, 2011).
Por su parte, el Gobierno del Estado de Michoacán tiene actualmente el
programa más avanzado de producción de biodiesel a partir de cultivos
energéticos. El biodiesel es producido a partir de materias primas como
Ricinus communis (Higuerilla) con las que se tiene dos hectáreas ya
establecidas y con J. curcas (Piñón mexicano) se tienen cuarenta hectáreas
establecidas. En Chiapas, ya se cuenta con una planta para extracción y
33
transesterificación de aceite de residuos de aguacate con una capacidad de
227 toneladas al año de biodiesel. De igual manera, cuenta con una planta
para procesamiento de materias primas variadas en Lázaro Cárdenas con
capacidad 7,500 ton/año. Los productores agrícolas cuentan con apoyos
para gestión de alianzas, apoyo técnico, facilitación de un terreno para la
planta procesadora de semillas de J. curcas.
El Gobierno del estado de Chiapas estableció una comisión de
bioenergéticos con el objetivo de coordinar los esfuerzos de promoción de la
bioenergía en ese estado. Se han realizado estudios que contemplan desde
aceite de palma, aceite de J. curcas y de caña de azúcar. En la figura 4 se
muestra los proyectos de bioenergía que actualmente se desarrollan en
México.
De acuerdo al INIFAP existen alrededor de 2.5 millones de has zonas
agrícolas en México con potencial para cultivar cultivos de oleaginosas.
Figura 4. Proyectos de bioenergía en México (RMB, 2010)
Según el estudio “Potenciales y Viabilidad del Uso de Bioetanol y Biodiesel
para el transporte en México” de Cerutty et al., (2006) mencionan que una alternativa
para la introducción y empleo de biodiesel en México se puede basar en materias
primas de bajo costo, como es el caso de los aceites vegetales. Y que a un mediano
plazo se requerirán proyectos de incentivos para llegar a una meta de sustituir de
34
entre el 2% al 5% del diesel de petróleo, para lo cual se requieren entre otras cosas:
el aumento significativo de los cultivos oleaginosos. SEMARNAT supone que los
costos de producción del biodiesel tienen un rango de entre $5.3 a $12.4 pesos por
litro equivalente. Los cultivos más competitivos son la palma, J. curcas y soya.
Cuadro 8 Cultivos potenciales en las regiones de México (INIFAP, 2010)
Cultivos Regiones de México
Palma de aceite Pacifico sur
Jatropha curcas (piñón) Peninsular y norte del país
Frijol Soya Huasteca(Tamaulipas, Norte de Veracruz y S.L.P.
35
3. JUSTIFICACIÓN
La sustitución parcial del diesel de petróleo por biodiesel representa una
tendencia a nivel mundial, ya que el biodiesel es un combustible renovable, seguro,
no tóxico y biodegradable, además de tener efectos favorables en la reducción de
emisiones de sustancias contaminantes, se elabora a partir plantas oleaginosas que
se localizan en la región.
El cultivo de Jatropha curcas representa un potencial en términos de
sustentabilidad, debido a que entre el 30-40% del peso de sus semillas es aceite, con
enorme viabilidad para la producción de biodiesel. Esta planta no es comestible, por
lo tanto no se usa en la industria alimentaria, así mismo por el gran contenido de
materia orgánica que deposita al suelo tiene capacidad de recuperar suelos
degradados no aptos para la producción de alimentos.
Un estudio sobre el potencial de producción de biodiesel a nivel laboratorio a
partir de J. curcas cultivadas en la región nos permitirá evaluar la viabilidad de este
cultivo para la producción de biodiesel a mayor escala y contribuir de esta manera al
desarrollo sustentable de la región, disminuyendo la dependencia de combustibles
fósiles.
36
4. HIPÓTESIS
De los biotipos de Jatropha curcas a evaluar al menos un biotipo tendrá el potencial
para la producción de biodiesel a mayor escala.
37
5. OBJETIVOS
5.1. Objetivo general
Evaluar la capacidad de los biotipos de Jatropha curcas para la producción de
biodiesel en el municipio de Guasave, Sinaloa.
5.2. Objetivos específicos
Realizar la extracción de aceite del fruto de J. curcas y determinar parámetros
fisicoquímicos del aceite obtenido y perfil de ácidos grasos.
Establecer un método para la producción de biodiesel a partir de las materias
primas propuestas.
Determinar características fisicoquímicas y parámetros de calidad del
biodiesel obtenido.
38
6. MATERIALES Y MÉTODOS
6.1. Estrategia general de trabajo.
Figura 5. Estrategia para el desarrollo del objetivo general
Obtención de Almendra
de J. Curcas
Extracción de aceite
Método Químico Método Físico
Aceite crudo
Pre tratamientos
(Filtrado, Centrifugado)
Determinación de parámetros
fisicoquímicos
Reacción de
transesterificación
Biodiesel producido Determinación de
calidad del biodiesel
Efecto de las
variables del proceso
Redactar y obtención de fruto.
Secado del fruto.
Descascarillado.
Eliminación de testa
39
6.2. Materiales
Se utilizaron cuatro biotipos de J. curcas para evaluar el potencial de
producción de biodiesel. Los materiales analizados fueron:
1. Veracruz
2. Puebla
3. Morelos
4. Sinaloa
5. Cabo verde
De los biotipos evaluados del 1 al 3 son semillas no tóxicas y son
provenientes de los estados de Veracruz, Morelos y Puebla que fueron cosechadas
en el campo experimental Miguel Leyson ubicado en el municipio de Guasave.
El biotipo Sinaloa fue proporcionado por un agricultor privado, mientras que el
biotipo Cabo verde fue proporcionado por Fundación Produce Sinaloa y fue cultivado
en un campo experimental en el pueblo de Sinaloa de Leyva consideradas tóxicas
por su alto contenido de ésteres de forbol, sólo se uso para comparar las
características fisicoquímicas con los otros biotipos.
6.3. Metodología
6.3.1. Obtención de almendra de J. curcas
Se recolectó semilla de los biotipos de Jatropha curcas cultivados en
Guasave Sinaloa en Enero -Febrero del 2011 y 2012. Posterior a la colecta y
obtención de los frutos secos de J. curcas fueron descascarados. Después de
obtener la semilla de J. curcas se procedió a eliminar la testa (capa externa de
tonalidades café que cubre la almendra de la semilla). Esta eliminación fue realizada
para poder llevar a cabo el proceso de extracción de aceite lo más eficiente posible.
40
6.3.2. Extracción de aceite de J. curcas
Para determinar el proceso de obtención de aceite de J. curcas se utilizaron dos
métodos: físico y químico, así como la combinación de los mismos (Figura 3). La
extracción por el método físico se realizó en un sistema de prensado en frío con una
prensa mecánica marca Grima-biodiesel disponible en las instalaciones de CIIDIR
(Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional) unidad
Sinaloa. La metodología empleada fue la siguiente: la almendra es depositada en el
recipiente superior de la prensa, enseguida pasa por un tornillo sinfín o extrusor
varias veces hasta obtener la mayor cantidad de el aceite y la pasta residual. El
prensado físico dejó muchos sólidos suspendidos en el aceite que le dan un aspecto
grumoso además este material dificultan el proceso de transesterificación, por lo cual
el aceite obtenido se filtró con papel filtro Whatman con poros de diámetro de 90mm,
enseguida se centrifugó a 10 000 g por 20 minutos a temperatura ambiente, de esta
manera se recuperó el aceite limpio.
Por otro lado, para llevar a cabo el método químico primero, se le da el mismo pre
tratamiento a la semilla hasta obtener la almendra, posteriormente es necesario
macerar la muestra con el fin de tener una mayor penetración del solvente.
Posteriormente, se procede a realizar la extracción utilizando hexano como agente
solvente, se adiciona en una relación de 1 litro de n-hexano por 150g de almendra;
se deja en agitación durante 24 horas. La fracción oleosa de las semillas se solubiliza
en n-hexano durante la extracción. Enseguida, se realiza un filtrado al vacío para
separar los sólidos en suspensión y otras partículas insolubles en aceite; separando
de esta forma el material sólido y la fase líquida que se deposita en un matraz. A
continuación, el n-hexano se destila para su reutilización con la ayuda de un equipo
roto vapor (separa el n-hexano y aceite).
El aceite obtenido de los dos métodos de extracción fue secado durante una hora
en un horno a 105ºC para eliminar cualquier posibilidad de residuos de solvente.
41
6.3.3. Determinación de parámetros fisicoquímicos del aceite obtenido
Los aceites y grasas pueden ser caracterizados según sus propiedades
fisicoquímicas. Las técnicas utilizadas para verificar su calidad no son cuantitativas.
Por ello, para que los resultados sean repetibles, hay que establecer exactamente
unas condiciones de trabajo estandarizadas e indicar la metodología utilizada
(Naresh y col., 2008). A continuación se detallan las condiciones fisicoquímicas mas
importantes a evaluar de un aceite para la producción de biodiesel.
6.3.3.1. Índice de acidez (NMX-F-101-1987)
La acidez representa el estado de descomposición de los glicéridos del aceite
cuando se convierten en ácidos grasos libres. Este valor suele utilizarse para
determinar el grado de frescura del aceite. Se determina mediante titulación ácido –
base. Las substancias utilizadas para el análisis son: solución éter etílico: etanol 96%
1:1; hidróxido de potasio (KOH) 0,1 N y fenolftaleína.
Se pesa una masa exacta de aceite 5 gramos, los cuales posteriormente se
diluyen con la solución de éter etílico:etanol que previamente neutralizada con
fenolftaleína. Se realiza la titulación ácido-base con KOH valorado, hasta viraje de la
fenolftaleína a color rosado persistente durante 15 segundos.
El resultado muestra el contenido de ácidos grasos libres, que se expresa con
la siguiente fórmula:
%AG = V.KOH x 56.1 x NKOH
Peso muestra (g)
6.3.3.2. Índice de Yodo (NMX-F-152-SCFI-2005)
El índice de yodo denota el porcentaje en peso de halógeno, calculado como
yodo absorbido en condiciones de ensayo. Para condiciones normalizadas, los
42
glicéridos de los ácidos grasos insaturados presentes en un aceite se unen con una
cantidad definida de halógeno existente en la solución de monocloruro de Wijs El
grado de absorción, se estima valorando el yodo en exceso con tiosulfato de sodio.
Cada doble enlace, es decir, por cada instauración, se consume una molécula de
yodo. Las grasas sólidas tienen un índice de yodo menor (debido al alto grado de
saturación) que los aceites (mayor insaturación).
Se utilizan para el análisis los siguientes reactivos: solución de Wijs 0,1 N;
tiosulfato de sodio (Na2SO3.5H2O) 0,1 N (valorado), yoduro de potasio (IK) 100 g/l; e
indicador de almidón.
Se pesan con balanza de precisión entre 0.13 y 0.15 g de aceite en un matraz
Erlenmeyer de 250 ml. Se agregan 25 ml exactos de solución de Wijs (pipeta
aforada). Se mezcla la solución y se deja en reposo a la oscuridad durante 1 hora.
Posteriormente, se agregan 20 ml de solución de IK y150 ml de agua destilada. Se
procede a titular con tiosulfato de sodio, hasta que la capa acuosa alcanza color
amarillo pálido. Se introduce el indicador de almidón y se continúa titulando hasta
punto final (incoloro).
El mismo procedimiento es seguido para un blanco. Se calcula el índice de yodo
según la siguiente fórmula:
Índice de yodo = (Vol. blanco- Vol. muestra) x 12.69 x N Na2SO3.5H2O
Peso muestra (g).
6.3.3.3. Índice de peróxidos (NMX-K-402-1973)
Durante el almacenamiento de aceites, los enlaces insaturados absorben oxígeno
y reaccionan formando enlaces peróxidos. A un cierto nivel los productos que se
forman tienen un efecto perjudicial sobre las características del aceite, conocido
43
como enrancia miento oxidativo. El yodo del yoduro potásico utilizado es liberado por
el peróxido de oxígeno, valorando el mismo con solución de tiosulfato sódico.
Se utilizan los reactivos ácido acético glaciar – cloroformo 1:1, también solución
saturada de yoduro potásico (IK), tiosulfato de sodio (Na2SO3.5H2O) 0,1N, y solución
de indicador de almidón.
En un matraz Erlenmeyer con tapón esmerilado, al que previamente se le ha
expulsado el aire con una corriente de nitrógeno. Se disuelve 5 gramos de muestra
con 30 ml de solución de ácido acético glacial y cloroformo. Posteriormente, se
agrega 0.5 ml de solución saturada de IK. Se coloca a la obscuridad durante 2 a 5
minutos. Se añaden 30 ml de agua y se valora con Na2SO3.5H2O (hasta viraje
incoloro), utilizando la solución de almidón como indicador.
El índice de peróxido de una muestra se calcula con la siguiente formula
Índice de peróxido= (ml de Na2SO3.5H2O muestra- ml de Na2SO3.5H2O testigo) 80
Gramos de muestra usados
6.3.3.4. Índice de saponificación (NMX-F-475-SCFI-2005)
Dado que los aceites están formados por triglicéridos principalmente, y que cada
triglicérido necesita 3 moléculas de KOH para saponificarse, el índice de
saponificación puede ser usado para estimar aproximadamente el peso molecular
promedio del aceite utilizado.
Se utilizan como reactivos hidróxido de potasio (KOH) al, alcohol etílico (etanol),
éter etílico, solución de hidróxido de sodio (NaOH) 0,1 y 0,5 N, indicador de
fenolftaleína.
44
El análisis consiste en pesar entre2 g exactos de grasa o aceite, haciendo
reaccionar la muestra con 25 ml de KOH a 100º C con refrigerante a reflujo y llevar la
muestra a ebullición durante 60 minutos.
El valor o índice de saponificación de un aceite es el número de miligramos de
hidróxido de potasio (KOH) necesarios para saponificar 1g de aceite completamente
y se determina con la siguiente fórmula:
Índice de saponificación = (56.1) (N. de HCl) (V. HCl blanco – V. HClmuestra)
Gramos de muestra usados
6.3.4. Determinación del perfil de ácidos grasos
El perfil de ácidos grasos de los biotipos fue analizado según la técnica de
Cromatografía de Gases Método AOAC 963.22, 969.33 Cap. 41. Para Aceites y
Grasas la cual estará equipada con una columna de 15m x 0.53mm y un acetato de
0.5 m para identificar la presencia de ácidos grados en la muestra.
6.3.5. Proceso de producción de biodiesel
La producción de biodiesel se realizó usando el aceite extraído de las semillas
de los biotipos propuestos cultivados en Sinaloa. Basados en estudios previos que
coinciden en que una de las variables más importantes que afectan el rendimiento de
la transesterificación es cantidad de moléculas de alcohol necesarias para reaccionar
con una molécula de triglicérido aceite conocida como, razón molar entre el alcohol y
los triglicéridos contenidos en el aceite. Si la cantidad de alcohol no es suficiente en
la reacción, el producto contendrá mono glicéridos y di glicéridos, que se consideran
productos intermedios de la transesterificación.
Se realizó una primera etapa de experimentos utilizando aceite del biotipo
Sinaloa como material de reacción, donde se logró observar el efecto de utilizar
etanol y metanol como alcoholes de reacción, así como diferentes catalizadores
alcalinos con temperaturas de 50 y 60°C.
45
Los catalizadores utilizados para esta etapa fueron, hidróxido de sodio (NaOH)
con una pureza de 99% e hidróxido de potasio (KOH) con una pureza de 86.5%. Los
alcoholes de reacción fueron etanol y metanol como alcohol de reacción con una
pureza de 96% y 99% respectivamente.
Con la finalidad de establecer una cinética del biotipo Sinaloa se experimento
con las variables a un rango corto. Se realizó una segunda etapa de experimentos
donde se utilizó nuevamente aceite de Jatropha curcas biotipo Sinaloa; con el cual se
experimento utilizando un diseño de experimentos factorial de 23 (cuadro 9).
Cuadro 9 Diseño experimental para producción de biodiesel.
Relación molar aceite/ alcohol X1 Catalizador (%) p/p X2
Nivel inferior 1:3 2
Nivel superior 1:8 6
Nivel medio 1.5.5 4
Para los biotipos de Puebla, Veracruz y Morelos se utilizo un diseño factorial
22 con las siguientes variables:
Cuadro 10 Diseño de experimentos 22 para el biotipo Puebla, Veracruz y Morelos.
Relación molar aceite/ alcohol X1 Catalizador (%) p/p X2
Nivel inferior 1:6 1
Nivel superior 1:8 2
Nivel medio 1.7 1.5
El rendimiento de la transesterificacion se calcula con el peso del biodiesel
producido entre el peso de aceite de Jatropha curcas usado para el experimento
multiplicado por 100, como se indica en la siguiente fórmula:
Rendimiento de transesterificacion= Peso de metil esteres producidos (g) x 100
Peso de aceite de Jatropha curcas usado (g).
46
6.3.6. Determinación de la calidad del aceite obtenido.
La calidad del biodiesel es generalmente controlada en base a ciertos
parámetros físicos y químicos establecidos por normas técnicas aprobadas en cada
país. Entre las principales normas ´técnicas para los estándares para el biodiesel se
encuentra la estadounidense (ASTM D6751-07). Estas normas se pueden tomar
como referencia fehaciente de los límites establecidos para el biodiesel. Sin
embargo copiar estándares extranjeros puede constituir una barrera para el país, ya
que en muchos casos estos estándares son diseñados con el objetivo de controlar el
mercado en lugar de facilitar su implementación (Demirbas, 2011).
Para conocer la calidad del biodiesel obtenido, es necesario realizar ensayos
para evaluar sus características fisicoquímicas como:
6.3.6.1. Índice de acidez (NMX-F-101-1987)
El índice de acidez expresa los miligramos de KOH necesarios para neutralizar
los ácidos grasos libres presentes en un gramo de FAME (ácidos grasos de metil-
éster).El análisis puede desarrollarse de la misma forma que en los aceites del
objetivo dos (titulación ácido –base). La presencia de ácidos grasos libres en
biodiesel puede ocasionar corrosión en el motor; o bien, ser un indicador de la
presencia de agua en el combustible.
6.3.6.2. Índice de Yodo (NMX-F-152-SCFI-2005)
Se analiza siguiendo el método utilizado en aceites mencionados en el
objetivo uno. La norma ASTM no establece este parámetro para biodiesel, mientras
que la europea (EN) y NMX (México) determinan un valor máximo.
El experimento que obtuvo mayor rendimiento de producción de biodiesel de
cada biotipo se le determinaron sus características fisicoquímicas.
47
6.3.6.3. Índice de peróxido
El índice de peróxidos muestra el deterioro del biodiesel almacenado que muestra un
pequeño incremento conforme el tiempo, conocido como período de inducción, y
después el mismo aumenta notablemente, cuando las condiciones de
almacenamiento no son las adecuadas.
6.3.6.4. Determinación del contenido de cenizas
Las cenizas corresponden a los compuestos inorgánicos y óxidos de los mismos
existentes en el combustible. El procedimiento consiste en pesar en un crisol una
masa determinada de muestra, quemarla con mechero hasta obtener el residuo
carbonoso, y terminar el proceso en mufla a 775º ± 25º C durante 20-30 minutos.
Luego, se deja enfriar y se pesa en balanza hasta tener una medida constante.
6.3.6.5. Determinación de la densidad y viscosidad
Densidad
Se determina mediante densímetro de escala 0.8 – 0.9 g/cm3. Para combustibles la
densidad es medida a 15º C. La muestra se coloca en probeta, se introduce el
densímetro dentro de la probeta, permitiendo que este flote sin tocar las paredes. Se
deja estabilizar la temperatura, posteriormente, se lee el valor del menisco, justo
debajo de la superficie del líquido.
Viscosidad
La viscosidad es una medida de la fricción interna entre moléculas, o de la
resistencia a fluir de los líquidos. En general, la viscosidad de los aceites desciende
con un incremento en la insaturación y con un decrecimiento del peso molecular de
sus ácidos grasos.
Sobre todo cuerpo que se mueve en un fluido viscoso actúa una fuerza resistente
que se opone al movimiento. Con una probeta y una esfera se deja caer y recorrer
una distancia conocida una esfera de densidad ya conocida. Según de la ley de
48
Stokes expresa que la viscosidad del fluido se determina por medio de 2 veces la
gravedad por las diferencias de densidades por el radio al cuadrado sobre nueve
veces la gravedad.
Viscosidad = 2g (Densidad del objeto- Densidad del fluido) R2
9 ɳ
49
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.3. Colecta de muestras y pre tratamientos
Se realizaron operaciones previas al proceso de extracción, como limpieza,
descascarado de la semilla hasta dejar la almendra desnuda sin la testa.
Posteriormente se realizó la extracción del aceite de J. curcas con una prensa
mecánica a temperatura ambiente, del cual se obtuvo la pasta sobrante, así como el
aceite virgen disponible para la reacciones siguientes reacciones de
transesterificacion.
La extracción de aceite de J. curcas por los dos métodos, los resultados se observó
que contenido de aceite más elevado se encontró en la variedad Sinaloa
presentando mayor porcentaje en la extracción física de aceite sobre las demás
variedades de acuerdo al peso de sus semillas, le siguió la variedad Veracruz,
Puebla, Morelos y finalmente la variedad Cabo Verde. Sin embargo se obtuvo cuatro
veces más aceite por el método químico que por el método físico para el biotipo
Puebla. Así mismo para el biotipo Sinaloa con 1.5 veces más y con el biotipo Cabo
verde 1.7 veces más.
6.4. Obtención de parámetros fisicoquímicos del aceite de J. curcas
Se determinaron las técnicas analíticas principales para determinar las
propiedades químicas del aceite como: índice de acidez, índice de saponificación,
índice de peróxido e índice de yodo. Según las normas mexicanas actuales, de los
cuales se obtuvieron los siguientes resultados que se muestran en el Cuadro 11.
El índice de acidez más bajo se encontró en el aceite del biotipo Morelos y el
más alto se encontró en el biotipo Cabo Verde, sin embargo los índices de acidez
obtenidos para todos los biotipos de J. curcas se consideran bajos en AGL según
NMX-F-101-1987 que menciona que el límite superior es 5 mgKOH/g y se pueden
considerar buenos para la producción de biodiesel por medio de transesterificacion
alcalina. Los resultados del índice de acidez de los Biotipos Puebla, Morelos y
Veracruz son similares a los reportados por Zhou et al., 2006 donde encontraron
valores >1 en el AJC cultivado en China. En contraste, lo que reportan Yee et al. Se
50
menciona que el AJC tiene un índice de acidez de 10.37. Sin embargo Heller (1996)
menciono que esto es posible debido a la variación genética, las condiciones
climáticas, tipo de suelo, y el manejo de cultivo de Jatropha curcas.
Cuadro 11 Índices obtenidos de aceites de los biotipos de Jatropha curcas.
Parámetro
evaluado
Valores
permitidos
NMX y
USA
Aceite
biotipo
Cabo
verde
Aceite
biotipo
Sinaloa
Aceite
biotipo
Puebla
Aceite
biotipo
Morelos
Aceite
biotipo
Veracruz
Índice de acidez
(mg KOH/g de
aceite)
<5 2.8-3.5 2.2-2.9 0.67 0.33 0.39
Índice de
peróxidos (meq
de peróxido/Kg de
aceite)
<20 0.2 0.2 6 58 16
Índice de
saponificación
(mg KOH/ g de
aceite)
187-200 208 203 189.3 183.7 186.5
Índice de yodo (g
de yodo/100 g de
aceite)
<135 97 103 106 109 114
En el caso del índice de peróxido según la norma NMX-K-402-1973 todos los
biotipos contienen trazas de peróxidos presentando un grado de rancidez oxidativa
normal no obstante el biotipo Morelos se encontró fuera de los límites normales(>20)
presentando un alto contenido de peróxidos 58meq de peróxido/Kg de aceite.
La presencia de triglicéridos fue evaluado por el índice de saponificación,
donde el biotipo Cabo Verde es el que presenta mayor cantidad en cambio el biotipo
Morelos mostro el índice de triglicéridos mas bajo .
51
De acuerdo el índice de yodo solo el biotipo Veracruz se considera un aceite
semi-secante que se encuentra entre los limites de 110 a 140, los demás biotipos se
consideran no secantes por que contiene un índice de yodo menor a 110, es decir
que contienen mayormente ácidos grasos saturados y mono insaturados.
Los índices evaluados para los aceites demuestran que el aceite obtenido de
J. curcas de todos los biotipos tiene potencial para la producción de biodiesel en una
transesterificacion alcalina. Las propiedades fisicoquímicas permitieron estimar el
peso molecular del aceite de cada biotipo (cuadro 12) para los posteriores
experimentos.
Cuadro 12 Pesos moleculares de biotipos de J. curcas .
Variedades Peso molecular
Aceite de J. curcas Toxica 875.51g
Aceite de J. curcas Puebla 888.39g
Aceite de J. curcas Morelos 915.83g
Aceite de J. curcas Veracruz 902.02g
6.5. Perfil de ácidos grasos
Los aceites de los tres biotipos fueron analizados por cromatografía de gases. En los
resultados obtenidos es evidentemente que los tres aceites de Jatropha curcas están
compuestos principalmente de ácidos grasos insaturados como se observa en la
figura 6 y que se componen principalmente de una larga cadena de 18 átomos de
carbono.
Estos porcentajes son mas elevados que los reportados por Achten et al.., quienes
en el 2008 reportan un contenido de 77.5% ácidos grasos insaturados
La evaluación de la composición de los aceites de los biotipos de AJC es un
importante indicador para su utilización como materia prima para la producción de
biodiesel.
52
Figura 6. Composición de ácidos biotipos Sinaloa, Puebla y Morelos.
La composición de ácidos grasos tiene correlación a la etapa de madurez de los
frutos en el momento de la recolección (Knothe, 2008).
El contenido de la composición se de los diferentes ácidos grasos se muestran en el
cuadro catorce en el que muestra que el AJC de los tres biotipos contiene más de
86% de ácidos grasos insaturados constituidos principalmente por los ácidos grasos
oleico y linóleo.
Los AJC de Sinaloa y Puebla están compuestos principalmente por los ácidos
grados oleicos (monoinsaturados), con 44.85 y 46.48 % respectivamente, como se
describe en el cuadro 13, esto concuerda con lo que reporta Achten et al., 2008
reporta que el porcentaje mayor con 42.02 % se encuentra el ácido Oleico.
Considerado más aptos para la transesteficiacion alcalina.
El AJC del biotipo Morelos está compuesto principalmente por ácidos grados
poliinsaturados como el ácido graso linoeico y linolenico. Estas insaturaciones
influyen en la estabilidad oxidativa por lo tanto se pueden considerarse más
dispuestos a oxidarse. (King., et al 2009).
0102030405060708090
100
Sinaloa Puebla Morelos
insasturados 87.66 87.5 86.42
saturados 12.34 12.5 13.58
Po
rce
nta
je
53
Cuadro 13 Perfil de contenido de ácidos grasos biotipo Sinaloa, Puebla y Morelos.
Saturado Saturado Monoin Poliinsat Poliinsat
Ácido
palmítico
Ácido
estérico
Ácido
oléico
Ácido
linoléico
Ácido
linolénico
% C16: 0 C18: 0 C18 1 C18:2,
cis-9,12
C18:3 ,
cis-9,12
Saturados monosaturados Poliinsaturados
Biotipo
Sinaloa 12.17 0.17 44.85 42.50 0.31 12.34 44.85 42.81
Biotipo
Puebla 12.23 0.27 46.48 40.79 0.23
12.5 46.48 41.02
Biotipo
Morelos 13.41 0.17 42.72 43.32 0.38
13.58 42.72 43.7
Según Ching., et al 2010, un buen aceite para la producción de biodiesel debe
tener en su composición una presencia elevada de ácidos grasos monoinsaturados
(como los ácidos oleico y palmitoleico), una presencia reducida de ácidos
poliinsaturados y un contenido controlado de ácidos saturados.
En lo que respecta a las propiedades de estabilidad a la oxidación y
comportamiento en clima frío, los ácidos grasos más adecuados son el C18:1 y el
C16:1. Estos ácidos grasos principales puede ser transesterificados en biodiesel. De
acuerdo a esto los ácidos grasos de los biotipos con estas características se
encontraron en el Puebla y Veracruz. No así para el biotipo Morelos que le dan cierta
inestabilidad ya que lo constituyen principalmente ácidos grasos poliinsaturados.
Los ácidos grasos insaturados que se encuentran en los aceites y grasas, dada la
relativa dificultad de su aislamiento y su caracterización, son conocidos con menos
seguridad que los saturados. (Wang y col., 2010).
6.6. Proceso de producción de biodiesel
Para abordar este estudio se realizó la primera etapa de experimentos
propuesta en la metodología, la cual arrojo un total de ocho experimentos por
triplicado con tres puntos centrales. Los materiales de reacción fueron aceite de J.
curcas del biotipo de Sinaloa, como alcoholes de reacción se utilizó etanol 96 % y
metanol 99%, también se utilizaron NaOH 93 % y KOH 85.4 % como catalizadores
54
alcalinos, se manejaron temperaturas de reacción de 50 y 60° C. Los resultados se
muestran en la Figura 5.
Fig. 5. Experimentos preliminares con aceite de biotipo Sinaloa.
Según los resultados obtenidos en esta etapa se observó una desventaja al
usar etanol como alcohol de reacción para producir biodiesel. Algunos autores
mencionan que el etanol es mucho menos reactivo que el metanol en la
transesterificacion alcalina por lo cual la reacción se ve afectada, de igual manera
cualquier cantidad de agua presente en los insumos desfavorece la reacción. Se
requiere entonces que el etanol utilizado tenga una pureza superior al 99%, y que los
otros insumos (aceite y catalizador) sean igualmente de muy alta pureza.
. Durante el curso de la reacción de transesterificacion alcalina se forman
emulsiones. En el caso cuando se usa metanol, estas emulsiones se descomponen
rápida y fácilmente para dar como resultado una capa inferior rica en glicerol y una
capa superior rica en éster metílico. En comparación cuando se usa etanol, estas
emulsiones son más estables y complican severamente la separación y purificación
de biodiesel (Meher y col; 2006). Sin embargo el etanol puede dar muy buenos
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
EtOH,NaOH,50°C
EtOH,NaOH,60°C
EtOH,KOH,55°C
EtOH,KOH,60°C
MetOH,NaOH,55°C
MetOH,KOH,60°C
MetOH,NaOH,60°C
MetOH,KOH,55°C
Ren
dim
ien
to d
e p
rod
ucció
n d
e b
iod
iesel
(%)
Condiciones de reacción de transesterificación
55
resultados como se mostro en el trabajo de Anastopoulos et al., (2009) donde
alcanzaron rendimientos de hasta 90% de conversión a biodiesel.
El efecto que se observó en este experimento fue que usando metanol como
alcohol de reacción y KOH como catalizador a 60°C se obtuvieron los mayores
rendimientos en la producción de biodiesel. Por lo cual a partir de este experimento
se logro elegir los insumos puntualmente, para los siguientes experimentos con
aceite de J. curcas de los biotipos propuestos.
En la segunda etapa de experimentos se utilizó aceite de Jatropha curcas
biotipo Sinaloa, se implemento un diseño de experimentos factorial 23 por triplicado
con tres replicas. Esto con el propósito de estudiar el efecto entre las variables que
dieron mejores resultados en la primera serie de experimentos, fueron metanol como
alcohol de reacción y KOH como catalizador, se combinaron los factores, niveles y
puntos medios, de los cuales resalto el tratamiento que otorgaba mayor rendimiento
de conversión del aceite de Jatropha curcas en biodiesel bajo las condiciones y los
materiales propuestos, la cual arroja un total de ocho experimentos con tres puntos
centrales las cuales dan un total de once experimentos se llevaron a cabo de manera
al azar.
Cuadro 14 Resultados del rendimiento de aceite de J. curcas en la producción de
biodiesel.
Exp Duración X1
(minutos)
Relación molar
aceite/ alcohol X2
Catalizador
(%) X3
Rendimiento de
biodiesel (%)
1 60 (-1) 1:3 (-1) 2% (-1) 66%
2 90 (+1) 1:3 (-1) 2% (-1) 58%
3 60 (-1) 1:8(+1) 2% (-1) 80%
4 90 (+1) 1:8(+1) 2% (-1) 81.8%
5 60 (-1) 1:3 (-1) 6%(+1) 0%
6 90 (+1) 1:3 (-1) 6% (+1) 0%
7 60 (-1) 1:8(+1) 6% (+1) Reacción incompleta
8 90 (+1) 1:8(+1) 6% (+1) Reacción incompleta
9 75 (0) 1:5.5(0) 4% (0) 33.1%
56
10 75 (0) 1:5.5 (0) 4% (0) 32.8%
11 75 (0) 1:5.5 (0) 4% (0) 30.9%
Se realizó un análisis de varianza con los resultados de los rendimientos
obtenidos en el cuadro 13, con el programa estadístico SAS con una significancia del
95%, para observar si los tratamientos eran significativamente diferentes. Se realizo
una t- student de la cual los resultados se plasmaron en una grafica de Pareto para
observar que variables afectaban de manera positiva y negativa el rendimiento de
biodiesel.
Figura 7. Efectos de las variables en la producción de biodiesel utilizando
aceite de J. curcas biotipo Sinaloa.
La gráfica de Pareto mostró que Tiempo de reacción y su interacción con la
relación molar y el porcentaje de catalizador no tienen un efecto significativo en la
variable de respuesta. La relación molar de aceite: alcohol afecta de una manera
significativamente positiva a la obtención de biodiesel. El efecto de altos porcentajes
de catalizador afecto significativamente negativo la obtención de biodiesel, por lo cual
en la segunda serie de experimentos el tiempo de reacción que se usó fue 60
minutos con bajos porcentajes de catalizador.
T
RR
M
C
ATR*
RMTR*C
ATRM*C
ATTR*RM*
CAT
T-student (coeficiente/error)
Va
ria
ble
s d
el p
roce
so
57
Para corroborar los resultados en la grafica de Pareto se realizó una tercera
serie de experimentos (Fig. 7) usando el aceite del biotipo Sinaloa con un tiempo de
reacción de 60 minutos a 60 °C y se comparó el mejor tratamiento que obtuvo mas
biodiesel (barra azul) donde se usó una relación 1:8 aceite: alcohol con 2 % de
catalizador contrastándolo con otro donde se bajó el porcentaje de catalizador al 1%
(barra roja) y comparándolo también con otro tratamiento usando el equilibrio
estequiometrico para la reacción de transesterifacion que es de 1:3 relación molar
aceite: alcohol con 1 % de catalizador, que sugieren algunos autores (barra
amarilla).
Figura 8. Comparación de los mejores tratamientos en los experimentos previos.
Los resultados indicaron que usando una relación molar 1:8 aceite: alcohol y
bajando el porcentaje de catalizador al 1% se obtiene hasta un 94 % de obtención de
biodiesel.
La cuarta serie de experimentos se contó con los aceites de los biotipos de
Puebla, Morelos y Veracruz los cuales recibieron el mismo preparamiento que la
variedad Sinaloa para ser utilizados en los siguientes experimentos. Después de la
observación de las primeras experiencias con el aceite de J. Curcas del biotipo
Sinaloa se estableció que se fijarían las variables de tiempo de reacción de 60
minutos a 60°C. Se llevó acabo un diseño factorial de 22, con diferentes relaciones
molares aceite: alcohol y diferentes porcentajes de catalizador, este diseño arrojo
cuatro experimentos con tres replicas y puntos centrales. De las condiciones
58
evaluadas los mejores rendimientos se obtuvieron con una relación molar
aceite/metanol: 1:8; % de catalizador: 1%, a un tiempo de reacción de 60 min, a 60°C
para los cuatro biotipos evaluados.
Se realizó un análisis de varianza con un α=0.05 y un valor-p de 0.0001 en el
programa SAS y se observó que existe un efecto de los variables principales y las
interacciones, por lo tanto, se compararon los efectos de las variables principales y
se contrastaron las medias de las interacciones por la prueba Tukey. Con un alpha
de 0.05 en la figura 8, se observa los tratamientos que repiten letras no son
significativamente diferentes, se observa que el biotipo puebla con una relación1:8
aceite alcohol y con 1% de KOH fue el que tuvo mayor rendimiento en la obtención
de biodiesel.
Figura 9. Análisis estadístico de la obtención de biodiesel de los biotipos Puebla.
Morelos y Veracruz.
Los resultados de la prueba un análisis de varianza fueron plasmados en
graficas de Pareto en la figura 9, las cuales se observa que para el biotipo Puebla en
75
80
85
90
95
100
Condición 1 Condición 2 Condición 3 Condición 4
Morelos Puebla Veracruz
Ren
dim
ien
to e
n la p
rod
ucció
n d
e b
iod
iesel (%
)
a ab
b
c
e
ef f g
e f
fg
d
1:6, 2% 1:8, 2% 1:6, 1% 1:8, 1%
59
la relación molar y el porcentaje de catalizador en interacción tuvieron un efecto
significativo positivo, para el efecto de altas proporciones de catalizador fue
significativamente negativo para la traes variedades.
Los gráficos de Pareto para los biotipos Veracruz, Puebla y Morelos indicó que
el porcentaje de catalizador siempre tuvo un efecto significativo negativo sobre la
producción de biodiesel es decir, que el exceso de catalizador impacta fuertemente
en el rendimiento a obtener, mientras que la relación molar aceite/metanol es muy
importante ya que presenta un efecto significativo positivo sobre la reacción.
Figura 10. Efecto de las variables en el rendimiento en graficas de Pareto
Los resultados porcentuales de los rendimientos obtenidos son comparables
con los de otros autores que aplicaron variables y métodos de producción similares a
las que se usaron en este estudio, sin embargo existen variaciones que se le
atribuyen a las propiedades de cada aceite y la pureza de los materiales. En
particular con el autor Berchmans en el 2010 utilizo el mismo porcentaje de
catalizador y el metanol como alcohol de reacción, manejando el doble de tiempo de
reacción que se utilizó en este estudio suponiendo un mayor consumo de energía,
obteniendo como resultado solo 1% más de rendimiento.
Cuadro 15 Comparación de variables y métodos de este estudio con autores.
coeficiente/error
RM
CAT
RM*CAT
Biotipo
Puebla
Biotipo Veracruz Biotipo Morelos
R2
=
0.98
R2
=
0.94
R2
=
0.91
60
Condiciones
de reacción
Estudios realizados sobre la producción
de biodiesel a partir de J. curcas
Zhou y
col.
2006
China
Tapanes
y col.
2008
Brasil
Sahoo
y Das
2009
--
Berchmans
y col. 2010
Indonesia
Kumar
y col.
2011
India
Presente
estudio
2012
México
Catalizador
KOH
1.3
%w
NaOH
0.8 %w
KOH
1.1 %w
KOH
1.0 %w
KOH
1.0 %w
KOH
1.0 %w
Temperatura 64°C 45°C 66°C 50°C 45°C 60°C
Duración de la
reacción 30 min 30 min
120
min 120 min
180
min 60 min
Relación molar
metanol/aceite 6:1 9:1 11:1 6:1 6:1 8:1
Rendimiento de
biodiesel 99% 96% 93% 97% 95% 96%
6.7. Evaluación de la calidad del biodiesel obtenido
Se determinaron las características fisicoquímicas descritas para el biodiesel
obtenido del tratamiento que dio mayor rendimiento de cada biotipo. Estos valores se
determinaron para evaluar la calidad del biodiesel obtenido.
Los análisis fisicoquímicos demostraron que el biodiesel producido a partir de
aceite de J. curcas de los biotipos propuestos presenta un índice de acidez por
debajo del 0.8 mg KOH/g de aceite. El contenido de ácidos grasos presentes es alto
dado por el índice de saponificación, para los cuatro biotipos utilizados en la
producción de biodiesel. El índice de yodo indicó que el biodiesel obtenido de los
cuatro biotipos tiene alto contenido de ácidos grados insaturados.
El biodiesel obtenido de los cuatro biotipos mostraron tener calidades
aceptadas para su uso como combustible, en particular el que mostró las mejores
características fisicoquímicas fue el obtenido a partir del biotipo Sinaloa, por su bajo
61
índice de acidez, alto presencia de triglicéridos y alto contenido de ácidos grasos
insaturados, seguido por los biotipos Puebla, Veracruz y Morelos de acuerdo a sus
características fisicoquímicas.
Cuadro 16 Índices obtenidos de biodiesel de J. curcas de diferentes biotipos.
Parámetro
evaluado
Norma
USA
ASTM
6751-02
Norma
Europea
DIN EN
14214
Biotipos evaluados en este
estudio Achten
y col.
2008
Parawira
y col.,
2010 Sinaloa Puebla Morelos Veracruz
Índice de acidez
(mg KOH/g de
aceite)
0.80 ≤0.50 0.22 0.16 0.22 0.22 0.06-
0.5 0.40
Índice de
saponificación
(mg KOH/ g de
aceite)
---- --- 99 63 158 172 202.6 ----
Índice de yodo(g
de yodo/100 g de
aceite)
--- <115 105 101 88 105 93-106 ----
Densidad (g/cm3) -- 0.86-
0.90 0.89 0.86 0.87 0.88 0.864 0.88
Cenizas (%) ≤0.02 ≤0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.005-
0.01 0.012
Viscosidad
mm2/s 1.9-6 3.5-5 4.48 4.52 4.66 4.47 4.8 5.2
Índice de
peróxido (meq de
peróxido/Kg de
aceite)
-- --- 9 7 50 10 --- ---
En el cuadro quince se contrastan los resultados de los valores obtenidos para
el biodiesel de cada biotipo con los valores reportados por otros autores así como
con las normas que regulan las propiedades del biodiesel en Estados Unidos y
Europa; se observa que los valores de acidez se encuentran por debajo del límite
62
establecido por las normas y son comparables con los de Achten y col., en el 2008
no obstante para el autor Parawira y col., en el 2010 obtuvo un mayor índice de
acidez indicando mayor cantidad de ácidos graso libres.
El grado de instauración que indica el índice de yodo fue mayor para los
biotipos de Sinaloa y Veracruz, indicando que existes más insaturaciones entre las
moléculas respecto a los de los biotipos Puebla y Morelos. Y de acuerdo a la norma
Europa que estipula un límite de 115 g de I/ g de aceite, todos los biotipos se
encuentran por debajo de este límite.
La densidad para todos los cuatro biotipos se encontró que se encuentra
dentro de los rangos adecuados por la norma Europea y de acuerdo con el autor
Atabani y col., 2012 en cuanto mayor sea la densidad del biodiesel mayor es la
cantidad de energía que contiene. En el caso de las cenizas los biotipos se
encontraron estar por debajo del límite que marcan las normas de E. U. y Europa con
valores de 0.01 %.
La viscosidad indica la habilidad de fluir del combustible, la norma ASTM D445
menciona que el biodiesel contiene una viscosidad mejor que la del diesel
convencional, esto debido a su masa molecular y la larga estructura de las cadenas y
delimita rangos entre 1.9-6.0 mm2/s. En contraste el biodiesel obtenido de todos los
biotipos se observó estar dentro de estos límites, no obstante autores como Salvi y
col., 2012 menciona que el biodiesel pierde la viscosidad en ambientes fríos y tiende
a solidificarse, afectando la bomba de los sistemas de inyección.
Los índices de peróxido del biodiesel se toman como el grado de
estabilización de oxidación. Indicando que en cuanto mayor sea el valor mayor es el
potencial que presenta el biodiesel de reaccionar con el aire. La oxidación se
presenta cuando la inestabilidad de los dobles y triples enlaces de las cadenas se
expone al aire y reacciona con moléculas de oxígeno, perdiendo así la instauración.
Masjuki en el 2010 señala que el biodiesel es más susceptible a la oxidación que el
diesel del petróleo.
63
8. CONCLUSIONES
Considerando que el cultivo de J. curcas se encuentra en una etapa de investigación
y desarrollo en Sinaloa, se concluye que la extracción por prensado es la mejor
opción para obtener el aceite a pesar de que tiene menor rendimiento, ya que la
manejo de n-hexano para extraer aceite de J. Curcas, implica el uso de equipo
adicional, donde no se recupera todo el solvente dado a su volatilidad y por
consecuencia contaminando el aire, así como también implica un costo adicional a la
producción de biodiesel.
El metanol como alcohol de reacción en la transesterificacion fue más reactivo que el
etanol en reacciones con el biotipo Sinaloa. El catalizador NaOH mostro rendimientos
parecidos al de KOH sin embargo, es mas difícil hacer la separación de glicerina y
biodiesel, ya que la glicerina obtenida en las reacciones que se utilizó NaOH era más
densa y fluía poco, haciendo difícil la separación.
En este estudio se revela que la interacción entre variables tiene significancia en la
reacción de transesterificacion y en el rendimiento de biodiesel. Se observó que en
la segunda etapa de experimentos con aceite de J. curcas del biotipo Sinaloa, se
alcanzó el mayor rendimiento utilizando las condiciones 1:8 aceite/metanol, 2%
catalizador, 60 minutos de reacción, 60 °C con rendimientos de hasta el 82%.
También se observó que el uso de catalizador en experimentos donde los rangos
fueron extremos, el rendimiento de obtención de biodiesel se vio muy afectado con
resultados bajos o nulos lo cual se confirmó con las gráficas de Pareto. En la tercera
etapa de experimentos se concluye que utilizando las variables del mejor tratamiento
de la segunda etapa de experimentos y bajando el porcentaje de catalizador al 1% el
rendimiento de biodiesel aumenta.
Con base en un diseño factorial de experimentos 22 con tres réplicas, se realizó una
cuarta etapa de experimentos con los aceites de J. curcas de las variedades Puebla,
Morelos y Veracruz y se puede concluir que la máxima conversión de la reacción de
transesterificacion con KOH como catalizador se alcanzó cuando se usaron las
condiciones: 1:8 aceite/metanol, 1% catalizador, 60 minutos de reacción, 60 °C, para
los tres biotipos con rendimientos de más 89% en la producción de biodiesel.
64
9. PERSPECTIVAS
Realizar pruebas cinéticas al biodiesel obtenido a nivel laboratorio
Llevar a cabo pruebas en diferentes motores diesel: carros,, tractores, plantas
de electricidad, entre otros.
Realizar pruebas en planta piloto
Escalar el proceso de producción de biodiesel para aumentar rendimiento en
la producción.
65
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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