Biodiésel

La transesterificación de los aceites vegetales fue desarrollada en 1853 por el científico Patrick Duffy, muchos años antes de que el primer motor diésel funcionase.[4] El primer modelo de Rudolf Diesel, un monocilíndrico de hierro de 3 metros con un volante en la base funcionó por vez primera en Augusta (Alemania), el 10 de agosto de 1893. En conmemoración de dicho evento, el 10 de agosto se ha declarado «Día Internacional del Biodiésel». Diesel presentó su motor en la Exposición Mundial de París de 1900. Este motor[5] es un ejemplo de la visión de Diesel, ya que era alimentado por aceite de cacahuete –un biocombustible, aunque no estrictamente biodiésel, puesto que no era transesterificado-. Diesel quería que el uso de un combustible obtenido de la biomasa fuese el verdadero futuro de su motor. En un discurso de 1912, dice: «el uso de aceites vegetales para el combustible de los motores puede parecer insignificante hoy, pero tales aceites pueden convertirse, con el paso del tiempo, importantes en cuanto a sustitutos del petróleo y el carbón de nuestros días».

Durante los años veinte, los fabricantes de motores diésel adaptaron sus propulsores a la menor viscosidad del combustible fósil (gasóleo) frente al aceite vegetal. La industria petrolera amplió así su hueco en el mercado de los carburantes porque su producto era más económico de producir que la alternativa extraída de la biomasa. El resultado fue, por muchos años, la casi completa desaparición de la producción de combustibles a partir de biomasa. Solo recientemente la preocupación por el impacto ambiental y la menor diferencia de precios han hecho de los biocombustibles una alternativa válida.

A pesar del increíble uso de los derivados del petróleo como combustibles, durante los años veinte, treinta y la posguerra mundial, varios países (entre ellos Argentina) informaron de haber usado aceites como sustituto del diésel. Se detectaron problemas por la diferencia de viscosidad entre el aceite y el diésel, que producía depósitos dentro de la cámara de combustión y los inyectores. Algunos intentos para superar esto fueron aplicar una pirólisis y craqueo al aceite, mezclarlo con diésel de petróleo o etanol, o calentarlo.

El 31 de agosto de 1937, G. Chavanne de la Universidad de Bruselas (Bélgica) obtuvo la patente por «transformar aceites vegetales para su uso como combustibles». La patente describía la transesterificación del aceite usando etanol o metanol para separar la glicerina de los ácidos grasos y reemplazarla con alcoholes de cadenas cortas. Esta fue la primera producción de biodiésel.

Más recientemente, en 1977, Expedito Parente, científico brasileño, inventó y patentó el primer proceso industrial de producción de biodiésel. Actualmente, Tecbio, la empresa de Parente, trabaja junto con Boeing y la NASA para certificar bioqueroseno.

Entre 1978 y 1996, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL por sus siglas en inglés) estadounidense ha experimentado el uso de algas como fuente de biodiésel, dentro del Aquatic Species Program. La experimentación del NREL, tras 16 años, está estancada debido a que el programa de investigación carece de financiación.

En 1979 se iniciaron en Sudáfrica investigaciones sobre cómo transesterificar aceite de girasol en diésel. Finalmente en 1983, el proceso de cómo producir biogasóleo de calidad fue completado y publicado internacionalmente. Gaskoks, una industria austríaca, obtuvo esta tecnología y estableció la primera planta piloto productora de biodiésel en 1987 y una industrial en 1989.

Durante la década de los 90, se abrieron muchas plantas en muchos países europeos, entre ellos la República Checa, Alemania y Suecia.

En los años noventa, Francia ha lanzado la producción local de biogasóleo (conocido localmente como diéster) obtenido de la transesterificación del aceite de colza. Va mezclado en un 5 % en el combustible diésel convencional, y en un 30 % en el caso de algunas flotas de transporte público. Renault, Peugeot y otros productores han certificado sus motores para la utilización parcial con biodiésel, mientras se trabaja para implantar un biodiésel del cincuenta por ciento.

Francia empezó una producción local de biodiésel el cual se mezclaba en un treinta por ciento con diésel para transporte público. Renault y Peugeot certificaron motores de camiones con uso parcial de biogasóleo (alrededor del  ). Durante el año 1998 se identificaban 21 países con proyectos comerciales de este biocarburante.

En septiembre del año 2005, Minnesota fue el primer estado estadounidense que obligaba un uso de, al menos, un 2 % de biodiésel.

En 2008, la ASTM (American Society for Testing and Materials) publicó los estándares y especificaciones de mezcla de biodiésel.

El biodiésel se describe químicamente como compuestos orgánicos de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga y corta.

El biogasóleo tiene mejores propiedades lubricantes y mucho mayor índice de cetano que el diésel de poco azufre. El agregar en una cierta proporción de biodiésel al gasóleo reduce significativamente el desgaste del circuito de combustible; y, en baja cantidad y en sistemas de altas presiones, extiende la vida útil de los inyectores que dependen de la lubricación del combustible.

El poder calorífico del biodiésel es de 37,27 MJ/l (megajulio por litro) aproximadamente; esto es un 9 % menor que el diésel mineral. La variación del poder calorífico del biogasóleo depende de la materia prima usada más que del proceso.

El biodiésel es líquido a temperatura ambiente y su color varía entre dorado y marrón oscuro según el tipo de materia prima usada. Es inmiscible con el agua, tiene un punto de ebullición alto y baja presión de vapor. Su punto de inflamación (superior a 130 °C) es mucho mayor que el del diésel (64 °C) o la gasolina (40 °C). Tiene una densidad de aproximadamente 0,88 g/cm³, menos que el agua.

Más allá, no tiene virtualmente ningún contenido de azufre y se suele mezclar como aditivo con el diésel de bajo contenido en azufre.

El proceso de transesterificación consiste en combinar el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol, y deja como residuo de valor añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras.

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 (eliminación 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 transesterificación mostrado en fórmula esquelética.

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.

                        R1
   Atracción polarizada |
RO-  ————————————————>  C=O 
                        |
                        O-CH2-CH-CH2-O-C=O
                              |        |
                              O-C=O    R3
                                |
                                R2

   R1
   |
RO-C-O- (par de electrones libres)
   |
   O-CH2-CH-CH2-O-C=O
         |        |
         O-C=O    R4
           |
           R2

   R1
   |
RO-C=O
 
+  
   -O-CH2-CH-CH2-O-C=O
          |        |
          O-C=O    R3
            |
            R2

Las mezclas de biodiésel y diésel convencional basada en hidrocarburos son los productos más habitualmente distribuidos para su uso en el mercado del gasóleo al por menor. Gran parte del mundo utiliza un sistema conocido como la «B», factor que indica la cantidad de biodiésel en cualquier mezcla de combustible: el combustible que contiene 20 % de biogasóleo tiene la etiqueta B20, mientras que el biodiésel puro se denomina B100. Las mezclas con 80 por ciento de biodiésel y 20 por ciento de diésel de petróleo (B80) se pueden utilizar en general en motores diésel sin modificar. El biogasóleo también puede ser utilizado en su forma pura (B100), pero puede requerir algunas modificaciones del motor para evitar problemas de mantenimiento y rendimiento. Las mezclas de biodiésel (B100) con diésel de petróleo se puede realizar por diferentes métodos:

• 1) Mezclado en los depósitos. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo se llevan a un depósito en la terminal de almacenamiento donde se mezclan y desde donde se distribuye la mezcla realizada.
• 2) En línea de mezcla. Los dos componentes provienen de depósitos diferentes en la terminal de almacenamiento y llegan al camión cisterna de forma simultánea: La mezcla final del biodiésel con el diésel de petróleo en la proporción deseada se realiza en la terminal de almacenamiento, en el brazo de carga del camión cisterna, lo que se conoce como “mezcla splash”.
• 3) Parquímetro bomba de mezcla. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo están en depósitos diferentes en la estación de servicio o el punto de consumo. En el surtidor de combustible se marca la mezcla deseada y es el surtidor el que realiza la mezcla solicitada en el momento de servirla. Desde el punto de vista logístico la mejor opción es esta.

En algunos países, el biodiésel es menos costoso que el diésel convencional.

Véase también Refinería (destilería) Refinación de aceites vegetales - Pretratamiento para biodiésel

La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, ya que es una especie con alto contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos. Sin embargo existen otras variedades con mayor rendimiento por hectárea, tales como la palma de aceite (Elaeis guineensis), Jatropha Curcas, camelina etc. También se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso la materia prima es muy barata, y además se reciclan lo que en otro caso serían residuos.

Existen otras materias primas de las cuales se puede extraer aceite para utilizarlas en el proceso de producción de biodiésel. Las materias primas más utilizadas en la selva amazónica son la Jatropha curcas (piñón en portugués), sacha inchi, el ricino (mamona en portugués) y la palma aceitera.

Además, otra materia prima utilizada es la grasa animal, la cual produce mayores problemas en el proceso de fabricación, aunque el producto final es de igual calidad que el biodiésel de aceite, exceptuando su punto de solidificación.

Una gran variedad de aceites pueden ser usados para producir biodiésel. Entre ellos:

• Aceite vegetal sin usar. Los aceites de colza y soja son los más usados. El aceite de soja representa el noventa por ciento de la materia prima para biogasóleo en Estados Unidos. También puede ser obtenido de carraspique (zurrón boliviano), jatropha, lino, girasol, palma, cocotero , aceite de camelina y cáñamo.
• Aceites vegetales usados: Existen muchos casos de recolección de aceites utilizados de rotiserías o restaurantes para producir biodiésel luego. En estos casos, el aceite debe pasar por un proceso de depurado y laboratorio, para su purificación. Además de evitar el derrame de aceites en fosas sépticas que contaminen napas de agua, puede resultar una ventaja competitiva por la gratuidad o bajo costo de la materia prima. Este método es ideal para bajas y medias escalas, no así para grandes.[6]
• Grasas animales: cerdo, gallina y los subproductos de la producción de ácidos grasos omega 3 provenientes del pescado.
• Algas, las cuales pueden crecer usando materiales cloacales y sin desplazar la tierra usada para producir comida.
• Aceite de halófitas como la salicornia. Estas crecen en agua salada, generalmente en costas, donde no se puede cultivar otra cosa.

Muchas experiencias sugieren que los aceites usados son las mejores materias primas, empero, debido a que la disponibilidad es drásticamente menor a la cantidad de combustible de petróleo que se quema, la solución no es muy usada.

Las grasas animales son subproductos de la producción de carne. A pesar de esto, no es eficiente criar animales (o atrapar peces) simplemente por su grasa, aunque el uso de los subproductos incrementa el valor de la industria ganadera. Sin embargo, producir biodiésel de grasas animales reemplazaría un pequeño porcentaje de uso de diésel de petróleo. Hoy en día, muchas productoras de biodiésel que trabajan con distintas materias primas, hacen combustible biológico a partir de grasas animales de muy buena calidad. Actualmente una empresa valorada en 5 millones de dólares está siendo construida en EE. UU., con la intención de producir 11.4 millones de litros a partir de 1 billón de kilogramos de grasa de gallina.

El alcohol puede ser metanol, que forma metilésteres, o etanol, que forma etilésteres. El proceso con etanol es más complicado que con metanol, no es recomendado para principiantes.

El metanol proviene del petróleo, aunque puede producirse por pirólisis de la madera. El etanol proviene de las plantas o del petróleo, y hay un método para destilarlo caseramente.

El etanol se conoce con varios nombres: alcohol etílico, CH₃-CH₂-OH, alcohol del vino o de la cerveza. Ambos alcoholes son muy peligrosos, el metanol más. El catalizador puede ser hidróxido de sodio (soda cáustica, NaOH) o hidróxido de potasio (potasa, KOH). Los productores domésticos experimentados usan KOH, con el cual se genera un subproducto utilizable: fertilizante de potasio. Para ambas sustancias el proceso es el mismo, salvo que se necesitaría 1,4 veces más KOH que NaOH.

Estos últimos productos son también peligrosos, hay que tener los siguientes cuidados: evitar el contacto con los ojos o la piel, no respirar los vapores, alejarlos de los alimentos y los niños. Más allá, reaccionan con aluminio, cobre y zinc. Para el reactor se recomienda usar recipientes de vidrio, esmaltados, acero inoxidable o polietileno de alta densidad.

Uno de los productos para el aceite usado es isopropanol de alta pureza. También para la valoración se usa fenolftaleína. El rojo de fenol, indicador de pH para piscinas, no funciona.

Las proporciones son (por litro de aceite): 200 ml metanol, 3,5 g hasta 6 g de hidróxido de sodio.

Se dice que para la generación de biodiésel se debe seguir la siguiente «receta»:

• 1 litro de aceite vegetal (normalmente bajo en agua (2 % max.) de lo contrario se obtendrá jabón).
• 200 ml de metanol.
• 3,4 g de sosa cáustica (NaOH) (hidróxido de sodio).

Se debe mezclar primero el metanol con la sosa cáustica para generar metóxido de sodio. *** Tener especial cuidado al mezclar estos dos ya que la sosa cáustica combinada con metanol generará una reacción exotérmica muy agresiva, que puede quemar la piel, ojos, etc. ***

Una vez que se obtiene el metóxido, mezclar con el aceite vegetal, calentar a 55 °C y mezclar durante 1 hora, dejar reposar y en aproximadamente 3 horas se ve el resultado: Una capa ligera de aceite transparente arriba y una capa densa y oscura de glicerina debajo.

En la actualidad existen diversos procesos industriales mediante los cuales se pueden obtener biodiésel. Los más importantes son los siguientes:

1. Proceso base-base, mediante el cual se utiliza como catalizador un hidróxido. Este hidróxido puede ser hidróxido de sodio (soda cáustica) o hidróxido de potasio (potasa cáustica).

2. Proceso ácido-base. Este proceso consiste en hacer primero una esterificación ácida y luego seguir el proceso normal (base-base). Se usa generalmente para aceites con alto índice de acidez.

3. Procesos supercríticos. En este proceso ya no es necesario la presencia de catalizador, simplemente se hacen a presiones elevadas en las que el aceite y el alcohol reaccionan sin necesidad de que un agente externo, como el hidróxido, actúe en la reacción.

4. Procesos enzimáticos. En la actualidad se están investigando algunas enzimas que puedan servir como aceleradores de la reacción aceite-alcohol. Este proceso no se usa en la actualidad debido a su alto coste, el cual impide que se produzca biodiésel en grandes cantidades.

5. Método de reacción ultrasónica. En el método reacción ultrasónica, las ondas ultrasónicas causan que la mezcla produzca y colapse burbujas constantemente. Esta cavitación proporciona simultáneamente la mezcla y el calor necesarios para llevar a cabo el proceso de transesterificación. Así, utilizando un reactor ultrasónico para la producción del biogasóleo, se reduce drásticamente el tiempo, la temperatura y la energía necesarias para la reacción. Y no solo reduce el tiempo de proceso sino también de separación.[8] De ahí que el proceso de transesterificación puede correr en línea en lugar de utilizar el lento método de procesamiento por lotes. Los dispositivos ultrasónicos de escala industrial permiten el procesamiento de varios miles de barriles por día. Especialmente durante el último año el uso del equipo ultrasónico aumentaba significativamente a causa de sus ventajas económicas.

Los ésteres metílicos de los ácidos grasos (FAME), denominados biodiésel, son productos de origen vegetal o animal, cuya composición y propiedades están definidas en la Unión Europea en la norma EN 14214, con una excepción del índice de yodo para España, cuyo valor máximo queda establecido en 140 en vez de 120 como propone la norma EN 14214.

En España el biodiésel aparece regulado en el Real Decreto 61/2006, de 31 de enero, por el que se determinan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fuelóleos y gases licuados del petróleo y se regula el uso de determinados biocarburantes. Para las mezclas de biocarburantes con derivados del petróleo que superen un 5 % de ésteres metílicos de los ácidos grasos o de bioetanol es obligatoria una etiqueta específica en los puntos de venta.[9]

El biodiésel puede ser utilizado en estado puro (B100) o puede ser mezclado con diésel de petróleo en las operaciones de concentración en la mayoría de las bombas de inyección diésel. La nueva extrema alta presión (29.000 psi) de los motores tiene límites estrictos de fábrica de B5 o B20, según el fabricante. El biodiésel tiene diferentes propiedades disolventes que el petrodiésel y degradará las juntas de caucho natural y las mangueras en los vehículos (en su mayoría vehículos fabricados antes de 1992), aunque estos tienden a reemplazarlos en su mantenimiento normal por lo que es muy probable que ya hayan sido reemplazadas por FKM, que no es reactiva al biodiésel. Se sabe que el biogasóleo elimina los depósitos de residuos en las líneas de combustible en las que se ha utilizado el petrodiésel. Como resultado, los filtros de combustible pueden ser obstruidos con partículas si se realiza una transición rápida de biodiésel puro. Por lo tanto, se recomienda cambiar los filtros de combustible en los motores y calentadores poco después de comenzar el cambio a una mezcla de biodiésel[10]

Se están llevando a cabo investigaciones para encontrar mejores materias primas y mejorar el rendimiento del biodiésel. Usando las ganancias actuales, vastas cantidades de tierra y agua se necesitarían para producir suficiente aceite para reemplazar completamente los combustibles fósiles. Se necesitarían el doble de área de Estados Unidos para soja o dos tercios para colza para cubrir las necesidades de calefacción y transporte de este país.

Muchas variedades de mostaza parda tienen un rendimiento muy alto y son muy útiles en la rotación de cultivo con cereales, y tiene la ventaja que las sobras después de producir el aceite son un muy buen pesticida natural.

La Naval Facilities Engineering Service Center y las industrias productoras de biodiésel de Santa Bárbara (California, EE. UU.) están desarrollando nuevas tecnologías para la Armada y la Marina de EE. UU., uno de los consumidores más importantes de diésel del mundo.

Un grupo de científicos españoles trabaja para Ecofasa, una compañía que anunció que iba a hacer biodiésel con basura. El combustible se fabrica a partir de basura urbana tratada con bacterias para producir ácidos grasos.

• Biocarburante
• Biobutanol
• Bioetanol
• Hidrobiodiésel
• Biorrefinería
• Gasóleo
• Desarrollo sostenible
• Estándar de combustibles bajos en carbono
• Biotecnología
• Cáñamo
• Jatropha
• H-bio
• Combustible de turbina de aviación
• Biocombustibles para la aviación

• Síntesis de aditivos para biodiésel a partir de modificaciones químicas de la glicerina. Sandra Y. Giraldo, Luis A. Ríos, Alexander Franco y Fernando Cardeño.
• Experimental study on evaluation and optimization of conversion of waste animal fat into biodiesel. Ghassan M. Tashtoush, Mohamad I. Al-Widyan y Mohammad M. Al-Jarrah. (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
• El manual de Biodiésel, Chaper 2 - La historia de los combustibles diésel a base de aceite Vegetable, por Gerhard Knothe, ISBN 1-893997-79-0
• "US EPA Biodiesel Factsheet".

• Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Biodiésel.
• Análisis Well-to-Wheel del uso de energía y emisiones de gases de efecto invernadero de sistemas avanzados vehículo/combustible - Estudio Europeo (en inglés). GM, LBST, BP, ExxonMobil, Shell, TotalFinaElf. (27 de septiembre de 2002)
  • Resumen de resultados del estudio WTW a nivel europeo de GM
• Portal de Energías Renovables. Biocarburantes. CIEMAT
• National Biodiésel Board-Sitio de las empresas de biodiésel en los EE. UU.
• European Biodiésel Board- Sitio de las empresas de biodiésel en la UE
• Análisis sobre los vehículos ecológicos.
• Gota Verde. Proyecto de estudio de la producción de biodiésel a escala local
• Cómo fabricar biodiésel de forma artesanal
• Noticias, Marketplace y Anuncios compra-venta en español sobre biocarburantes, en Biodeselspain.com
• Aspectos generales sobre motores y resultados de ensayos con biodiésel.
• Información y noticias sobre biodiésel en Latinoamérica
• Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiésel: retos y oportunidades
• Limitaciones y ventajas del biodiésel como combustible alternativo a partir de aceite usado
• Nuevo Biodiésel a partir de aceites de fritura residuales. (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
• Nextfuel portal de noticias sobre biodiésel de Argentina