Sustituyendo el diesel ACTIVIDAD EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A TRAVÉS DE ACEITE VEGETAL
Producir de forma casera esteres metílicos mas comúnmente conocido conocido como biodiesel a través de aceite vegetal.
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mechero, termómetro, vaso de bohemia, recipiente, batidora
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alcohol metílico, aceite vegetal, hidróxido sódico o de potasio
- Medimos 1000 ml (1litro) de aceite vegetal nuevo (aceites de cocina Óptimo) en un vaso de bohemia graduado y luego lo vertimos en un recipiente más amplio de batidora. -Calentamos el aceite aceite a 48ºC (no (no crítico) colocando colocando un termómetro termómetro dentro del recipiente con la sustancia a calentar mientras llevamos a cabo el paso siguiente. - En un baso de bohemia mas pequeño graduado y bien seco, medimos 200 ml de alcohol metanol. A eso añadimos 1/4 (3,5 gr) de cucharadita cucharadita de sosa (hidróxido sódico; se vende en la mayoría de droguerías cómo soda caústica). Batimos bien la mezcla, aplastándolo cuando sea necesario hasta que todas las escamas o copos de nieve desaparezcan (la mezcla debe ser ligeramente nublosa y se denomina "metóxido sódico".) - Agregamos a la mezcla metanol-sosa al aceite caliente mientras agitamos vigorosamente, utilizando la batidora. - Batimos durante 30 minutos. La mezcla al principio espesa y luego se vuelve más fina que el aceite original - Dejamos que la mezcla repose y sedimente en una vasija alta y fina. 1
Iniciaremos el fundamento teórico explicitando conceptos y características del biocombustible Biodiesel y, los subproductos que genera en su producción.
El biodiesel es un combustible líquido que sirve como remplazo del gasoil. Este biocombustible se produce a partir de materias primas renovables (biomasa). Denominamos como combustible renovable a los se obtienen de fuentes naturales inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Dentro de esta clasificación encontramos a los biocombustibles. También debemos dejar en claro que al referirnos al término de biocombustibles, hacemos mención a un producto que se obtiene a partir de materias primas de origen agrícola, procesadas para así, obtener energía. Los biocombustibles derivan de cultivos de plantas e incluyen biomasa que es directamente quemada (leña), biodiesel de semillas oleaginosas (de las cuales se extraen aceites, girasol, soja, palma, maíz, etc.), etanol que es el producto de la fermentación de los granos, pasto, paja o madera (incluyendo por ejemplo, maíz, caña de azúcar y remolacha). Atribuimos a esto que la biomasa es toda sustancia orgánica renovable de origen tanto animal como vegetal. La energía de la biomasa proviene de la energía que almacenan los seres vivos. El biodiesel se fabrica a partir de cualquier grasa animal o aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. Se suele utilizar el aceite de las semillas oleaginosas tanto de girasol como de colza, palma y soja. El sistema más habitual es la transformación de estos aceites a través de un proceso de transesterificación, combinando el alcohol metílico (metanol), hidróxido sódico (soda cáustica) y aceite vegetal obteniendo un éster que se puede utilizar directamente en un motor diesel sin modificarlo. La transesterificación se divide en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina.
Trigliceridos (grasas o aceites) + Alcohol (Metanol) =====> Biodiesel (metil-esteres ) + Glicerina (catalizador : sosa)
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Transesterificación
La transesterificación es el proceso de intercambiar el grupo alcoxi de un éster por otro alcohol. Estas reacciones son frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una base.
En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Las grasas de animales y plantas están hechas típicamente de triglicéridos, que son ésteres de ácidos grasos libres con glicerol. En el proceso, el alcohol es deprotonado (removido de un catión hidrógeno de una molécula) con una base para formar un nucleófilo (anión con un par de electrones libres) más fuerte. Comúnmente son usados etanol y metanol. Como se ve en el diagrama, la reacción no tiene otros reactivos más que el triglicérido y el alcohol. En condiciones ambientales normales, la reacción puede no ocurrir o hacerlo de manera muy lenta. Se usa el calor para acelerar la reacción, además de un ácido o una base. Es importante notar que el ácido o la base no son consumidos durante la reacción, es decir, son catalizadores. Casi todo el biodiésel es producido a partir de aceites vegetales vírgenes usando una base como catalizador debido a que es el método más económico, requiriendo bajas temperaturas y presiones y obteniendo una conversión del 98%. Sin embargo, hay otros métodos que usan ácidos como catalizadores que son más lentos.
Un ejemplo de la transesterificaci ón mostrado en fórmula esquelética.
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Durante el proceso de esterificación, el triglicérido reacciona con un alcohol en presencia de un catalizador, generalmente hidróxidos fuertes (NaOH o KOH). El propósito de hacer una valoración ácido-base es para saber cuánta base es necesaria para neutralizar todos los ácidos grasos libres y, entonces, completar la reacción. Transesterificación usando bases
En este caso, la transesterificación se realiza usando una base fuerte, capaz de deprotonar el alcohol, como catalizador. Comúnmente, la base es disuelta en el alcohol para dispersarla en todo el aceite. El hidróxido debe ser muy seco: cualquier cantidad de agua en el proceso aumenta las probabilidades de saponificación, y producir jabones consumiendo la base. Una vez hecha la mezcla de alcohol y base, es agregada al triglicérido. El átomo de carbono del grupo carbonilo del éster del triglicérido tiene una leve carga positiva y el átomo de oxígeno del grupo carbonilo tiene una pequeña carga negativa. Esta polarización del grupo C=O es la que atrae al ion del hidróxido (RO-) al lugar de reacción. Esto genera un intermedio tetraédrico con carga negativa en el antiguo grupo carbonilo. Estos electrones vuelven a unirse con el carbono y desplazan al diacilglicerol formando un éster. El proceso se repite para los otros dos ésteres restantes unidos al glicerol. Esta reacción tiene unos factores limitantes: 1. El grupo RO- tiene que encajar en el espacio donde está la carga positiva en el grupo carbonilo. 2. Al aumentar el tamaño de la cadena del alcohol la Velocidad de reacción disminuye. Este fenómeno es llamado efecto estérico y es la razón primaria del uso de alcoholes de cadenas cortas. 3. Pueden ocurrir muchas otras reacciones diferentes, por esto, se agrega un exceso de alcohol para asegurar que la transesterificación ocurra. Sustancias que intervienen en a producción de biodiesel
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ALCOHOL METANOL: Para una descripción del metanol como
combustible,
véase Metanol (combustible). Metanol
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El compuesto químico metanol, también conocido como alcohol metílico o alcohol de madera, es el alcohol más sencillo. A temperatura ambiente se presenta como un líquido ligero (de baja densidad), incoloro, inflamable y tóxico que se emplea como anticongelante, disolvente y combustible. Su fórmula química es CH3OH (CH4O). El metanol es el principal componente del destilado en seco de la madera. Es uno de los disolventes más universales y encuentra aplicación, tanto en el campo industrial como en diversos productos de uso doméstico. Dentro de los productos que lo pueden contener se encuentra el denominado “alcohol de quemar” constituido por alcoholes metílico y etílico, solvente en barnices,
tintura de zapatos, limpiavidrios, líquido anticongelante, solvente para lacas etc. Además, los combustibles sólidos envasados también contienen metanol. Este alcohol se utiliza también para degradar soluciones de alcohol etílico, lo que ha dado lugar a numerosas intoxicaciones de carácter masivo dado el uso fraudulento de estas mezclas en bebidas alcohólicas.
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CATALIZADOR
: Un catalizador es una sustancia química, simple o
compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma. Los catalizadores se caracterizan con arreglo a las dos variables principales que los definen: la fase activa y la selectividad. La actividad y la selectividad, e incluso la vida misma del catalizador, depende directamente de la fase activa utilizada, por lo que se distinguen dos grandes subgrupos: los elementos y compuestos con propiedades de conductores electrónicos y los compuestos que carecen de electrones libres y son, por lo tanto, aislantes o dieléctricos. La mayoría de los catalizadores sólidos son los metales o los óxidos, sulfuros y haloideos de elementos metálicos y de semimetálicos como los elementos boro aluminio, y silicio. Los catalizadores gaseosos y líquidos se usan usualmente en su forma pura o en la combinación con solventes o transportadores apropiados; los catalizadores sólidos se dispersan usualmente en otras sustancias conocidas como apoyos de catalizador Un catalizador en disolución con los reactivos, o en la misma fase que ellos, se llaman catalizador homogéneo. El catalizador se combina con uno de los reactivos formando un compuesto intermedio que reacciona con el otro más fácilmente. Sin embargo, el catalizador no influye en el equilibrio de la reacción, porque la descomposición de los productos en los reactivos es acelerada en un grado similar. Un catalizador que está en una fase distinta de los reactivos se denomina catalizador heterogéneo o de contacto. Los catalizadores de contacto son materiales capaces de adsorber moléculas de gases o líquidos en sus superficies
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TRIGLICÉRIDO:
Los triglicéridos, triacilglicéridos o triacilgliceroles son acilgliceroles, un 5
tipo de lípidos, formados por una molécula de glicerol, que tiene esterificados sus tres grupos hidroxilo por tres ácidos grasos, saturados o insaturados. Los triglicéridos forman parte de las grasas, sobre todo de origen animal. Los aceites son triglicéridos en estado líquido de origen vegetal o que provienen del pescado. Los ácidos grasos están unidos al glicerol por el enlace éster: CH2COOR-CHCOOR'-CH2-COOR" donde R, R', y R" son ácidos grasos; los tres ácidos grasos pueden ser diferentes, todos iguales, o sólo dos iguales y el otro distinto. R1-COOH + R2-OH <----> R-COO-R2 + H2O ácido carboxílico (= ácido graso) + alcohol (= glicerol) <-----> triglicérido + agua. La longitud de las cadenas de los triglicéridos oscila entre 16 y 22 átomos de carbono.
Tripalmitina, un triglicérido formado por tres moléculas de ácido palmítico y glicerol.
Modelo tridimensional de
trimiristina, un triglicérido formado por tres moléculas de ácido mirístico y glicerol.
Subproductos del biodiesel
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GLICERINA:
La glicerina es un
líquido inodoro y transparente. Se usa como bactericida al ser químicamente un alcohol. Es un excelente suavizante e hidratante. La glicerina se genera como subproducto en el proceso de fabricación del biocombustible biodiesel, obteniéndose al fundir los aceites y grasas en un medio alcalino. De la glicerina pueden generarse medicamentos, cosméticos, entre otros. Por cada tonelada de biodiesel se generan 100 kg de glicerina. La glicerina procedente del aceite usado es marrón y permanece sólida aproximadamente por debajo de 38º C . La glicerina del aceite nuevo suele mantenerse líquida a temperaturas menores de 38º C. Esta se puede compostar después de un período de ventilación de tres semanas. En ese tiempo se evapora el metanol, que es malo para el compostaje. Pero como el metanol también es malo para el ambiente, se puede utilizar otro método para evaporarlo. Calentando hasta 66ºC (el metanol se 6
evapora a 64,7ºC)-. Con este método se puede reutilizarlo haciendo que pase a través de un condensador para que de esta forma, vuelva nuevamente a su estado líquido. La glicerina es un líquido espeso, neutro, de sabor dulce, que al enfriarse se vuelve gelatinoso al tacto y a la vista, y que tiene un punto de ebullición alto. La glicerina puede ser disuelta en agua o alcohol, pero no en aceites. Por otro lado, muchos productos se disolverán en glicerina más fácilmente de lo que lo hacen en agua o alcohol, por lo que es, también, un buen disolvente.
La glicerina es también altamente "hidroscópica", lo que significa que absorbe el agua del aire. Por ejemplo: si dejas una botella de glicerina pura expuesta al aire en tu cocina, tomará humedad del aire y se convertirá, con el tiempo, en un 80% de glicerina y un 20% de agua. A causa de esta cualidad hidroscópica, la glicerina pura al 100% puesta en la lengua puede causarte una ampolla, ya que es deshidratante.
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JABONES:
Mezclado con el
biodiesel también hay jabón. Cuando el metanol se une a los ácidos grasos se forma agua y a su vez, el aceite también puede contener agua. El jabón se forma porque el ion Na + del hidróxido de sodio (NaOH) reacciona con los ácidos grasos en presencia de agua. Los jabones se componen de las sales de sodio (o de potasio) de ácidos grasos de 12 a 18 átomos de carbono. Las sales de sodio fabricadas en grandes cantidades son los jabones duros, y los de potasio se denominan jabones blandos. Se obtienen saponificando grasas o aceites, o neutralizando ácidos grasos, con hidróxidos o carbonato de sodio o de potasio. Si hay un exceso de agua en la mezcla durante la reacción, se forman más jabones de lo normal. Un exceso de agua puede darse por halarse en el recipiente o por alta humedad. La presencia de agua y la generación de jabones hace que la calidad del biodiesel disminuya de manera considerable. Los jabones ejercen una acción limpiadora sobre las grasas en presencia del agua. Esto se explica debido a la estructura de sus moléculas. Éstas tienen una parte liposoluble y otra hidrosoluble. El componente liposoluble hace que el jabón moje la grasa disolviéndola y el componente hidrosoluble hace que el jabón se disuelva a su vez en el agua. Las manchas de grasa no se pueden eliminar sólo con agua por ser insolubles en ella. El jabón en cambio, que es soluble en ambas, permite que la grasa pase a la disolución desapareciendo la mancha de grasa. Cuando un jabón se disuelve en agua disminuye la tensión superficial de esta, con lo que favorece su penetración en los intersticios de la sustancia a lavar. Por otra parte, los grupos hidrofóbicos del 7
jabón se disuelven unos de otros, mientras que los grupos hidrofílicos se orientan hacia el agua generando un coloide, es decir, un agregado de muchas moleculas convenientemente orientadas. Como las micelas coloidales están cargadas y se repelen mutuamente, presentan una gran estabilidad
En presencia de agua, la sosa convierte una pequeña cantidad de aceite en j abón.
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Realizado el experimento, luego de más de 24 horas no observamos ningún cambio en la mezcla realizada. Según nuestra hipótesis experimental, tras la actividad obtendríamos biodiesel y, sobre el fondo del recipiente, una sustancia marrón oscura, cuya densidad superaría a la del biodiesel quien se denomina glicerina. Dicha observación no la obtuvimos en nuestro experimento, lo que nos hizo desembocar en la búsqueda de la explicación del fallo de nuestro experimento, probar alguna forma de revertirlo. Encontramos como explicación de fallo el batido con que lo realizamos pues, utilizamos como recipiente de batidora, el baso de bohemia. Al ser este un tanto reducido, el movimiento del batido tuvimos que hacerlo mas cuidadoso y, tras este percance, el proceso de reacción química no logró culminarse. Creemos nosotros entonces, que una de las razones de falla fue la irregularidad del batido. Para remediar este inconveniente, vertimos nuevamente la sustancia ya obtenida anteriormente pero esta ves sobre un boul de acero inoxidable. Batimos nuevamente pero con una batidora mas potente y con mayor homogeneidad toda la sustancia. Notamos al rato que el batido se ponía muy espumoso y con mayor espesor. Esto era un aspecto positivo frente a nuestro experimento. Al batir por mas de 30 minutos, colocamos la sustancia final en un tuvo largo y fino. Este pudo haber sido otro de los errores en el proceso anterior, pues, dejamos la sustancia final sobre el mismo vaso de bohemio tan solo tapado con una hoja. Al ser mas ancho y angosto el vaso, la sustancia esta más en presencia del ambiente. En la reproducción del experimento no solo lo vertimos en un recipiente mas adecuado sino que también lo aislamos tapándolo con nylon contraíble, permitiendo el aislamiento adecuado de a sustancia. Notamos rápidamente que en la sustancia comienza a observarse notablemente la división de la sustancia en tres fases. Dejamos así reposar durante otras 24 horas. Mientras dejamos en reposo el experimento anterior, rehicimos nuevamente otro proceso de biodiesel desde cero, repitiendo todos los pasos con mayor exactitud y cuidado, revirtiendo lo errores del experimento anterior. Al finalizarlo, también lo dejamos reposar. Al día siguiente notamos que el experimento 1 (el que tuvimos que volver a rebatir) se encontraba en tres fases. La primer fase constaba de una sustancia ubicada en lo superior del recipiente, la segunda del biodiesel y, considerando a la tercera, la glicerina, ubicada al fondo del mismo. Quitamos cuidadosamente la sustancia superior del tuvo largo traspasándolo a un vaso de bohemia pequeño. A esta sustancia le denominamos : SUSTANCIA 1. Luego decantamos el biodiesel para obtenerlo separado de la otra sustancia. Al biodiesel lo llamamos SUSTANCIA 2 y, a la supuesta glicerina: SUSTANCIA TRES. 9
La forma de decantación que utilizamos fue la siguiente:
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Tomamos un recipiente con una boca alta en la cual colocamos un embudo con un filtro.
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Volcamos poco a poco la mezcla al embudo. Debimos hacerlo con mucha paciencia y cuidado ya que de pasarnos un poquito y sobrellenar el embudo se rompería el filtro y contaminaríamos toda la sustancia decantada de abajo, obligándonos a re decantar todo desde cero. Al correr este riesgo, íbamos traspasando a otro recipiente la sustancia decantada cuando ya se hallaba de manera abundante.
De esta manera, si bien nos llevó mucho tiempo, lo hicimos de forma segura evitando errores Luego de este proceso de decantación obtuvimos en recipientes separados las t ras sustancias y en ellas medimos sus respectivas densidades. Sustancia 1
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Sustancia viscosa, de color blanco sucio sobre la superficie de la mezcla
Masa total= 173,13g Masa del recipiente limpio =110,25g Masa del recipiente sucio= 111,86g 111,86-110,25= 1,61g masa de la suciedad depositada en el recipiente 173,13+1,61= 174,74 masa total de sustancia con los residuos de sustancia en el recipiente 174,74-110,52= 64,49g Volumen de la sustancia= 75ml
+ -1
DENCIDAD= MASA :VOLUMEN 64,49: 75= 0,860 Sustancia 2
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Sustancia aceitosa, de color amarillento y de olor intenso bastante similar al olor del diesel.
DENSIDAD: 0,92
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Sustancia 3
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Sustancia solida viscosa en la parte inferior de las sustancias en conjunto. Su color es tranparente opacado.
Masa del recipiente vacio= 110,17g Masa del vaso con sustancia= 131,94g Masa total de la sustancia= 21,77g Volumen de la sustancia= 20ml DENCIDAD= MASA :VOLUMEN 21,77:20=1,089
Hemos comprobado a través de los cálculos de las densidades de cada sustancia la razón de su ubicación. La glicerina resulta la sustancia que contiene mayor densidad por lo que se encuentra en el fondo, el biodiesel Según datos investigados agreguemos que el biodiesel posé una densidad que rodea 0, 88 – 0,90 aproximadamente. Si comparamos este dato con la densidad calculada en nuestra actividad, sus valores son muy cercanos, concluyendo que estamos frente al biodiesel. Si bien no es tomado como conclusión, suponemos que la sustancia 1 corresponde a jabones producto de la dificultad en el batido anteriormente explicita.
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http://www.uninorte.edu.co/extensiones/IDS/Ponencias/biocombustibles/Conferenc ia_Biocombustible_ADRIAN%20AVILA.pdf http://www.biodisol.com/como-hacer-biodiesel-produccion-y-fabricacion-debiodiesel-casero/el-proceso-de-transesterificacion-que-convierte-aceites-y-grasasen-biodiesel/ http://www.quimicaorganica.net/transesterificacion.html http://es.wikipedia.org/wiki/Transesterificaci%C3%B3n http://www.gotaverde.org/userfiles/file/D30a%20%20Guia%20uso%20de%20los%20subproductos%20de%20biodiesel_ES.pdf http://www.biol.unlp.edu.ar/toxicologia/seminarios/parte_1/metanol.html http://www.soapyworld.com/glicerina.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Glicerol http://es.wikipedia.org/wiki/Triglic%C3%A9rido http://es.wikipedia.org/wiki/Jab%C3%B3n
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