INSTITUTO TECNOLGICO DE VERACRUZ

PRODUCCIN DE BIODIESEL A PARTIR DE PALMA DE ACEITE O PALMA AFRICANA (Elaeis guineensis)

ELABORADO POR:ABRAHAMINGENIERA QUMICA

TALLER DE INVESTIGACIN I

PROFESOR ME. RODOLFO PEREZ SENTIES

Figura 1: Palma africana (Elaeis guineensis)15Figura 2: Inflorescencia masculina17Figura 3: Inflorescencia femenina18Figura 4: Racimo de palma africana18Figura 5:Fruto de palma africa19Figura 6: Diferentes productos a partir de aceite de palma19Figura 7: Ciclo productivo de la palma de aceite20Figura 8: Diferentes niveles de rendimiento22Figura 9: Produccin de aceite de palma 2009-201024Figura 10: Reduccin de emisiones de gases efecto invernadero24Figura 11: Representacin general de la reaccin de transesterificacin entre una molcula de triglicrido y tres molculas de alcohol26

Tabla 1: Condicines climticas ideales para el cultivo de palma africana21Tabla 2: Costo para establecimiento y mantenimiento de una plantacin de palma por hectrea25

ContenidoRESUMEN4I. INTRODUCCIN6II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA8III. JUSTIFICACIN9IV. OBJETIVOS124.1 Objetivo general124.2 Objetivos especficos12V. METODOLOGA135.1. Material vegetal135.2. Preparacin de la muestra13VI. MARCO TERICO156.1. Biologa, Qumica y Agronoma de Elaeis guineensis (Palma africana)156.2. Uso de extractos de Palma africana196.3. Proceso agroindustrial del aceite de palma africana.216.4. Panorama internacional del aceite de palma africana236.5. Produccin de biodiesel por reaccin de transesterificacin26VII. Enunciado del diseo28Bibliografa28

RESUMEN

Actualmente los pases han apoyado la utilizacin de biocombustibles con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, impulsar la descarbonizacin de los combustibles de transporte, diversificar las fuentes de su abastecimiento, desarrollar alternativas al petrleo a largo plazo, utilizar tierras no cultivadas (en barbecho) y reforestar la capa vegetal. Se espera tambin que el incremento de la produccin de biodiesel y bioetanol ofrezca nuevas oportunidades a los pases que los producen como fuente de ingresos, empleo en las zonas rurales o de bajos recursos. El biodiesel es un combustible renovable proveniente de aceites vegetales o grasas de origen animal, que puede ser usado total o parcialmente para reemplazar el combustible disel de los motores de ignicin sin requerir una modificacin sustancial de los mismos. Tradicionalmente el biodiesel es obtenido mediante una transesterificacin de aceites o grasas, haciendo reaccionar un alcohol de cadena corta (usualmente metanol o etanol), en presencia de un catalizador, usualmente NaOH o KOH, aunque tambin se ha investigado el uso de metxidos, cidos inorgnicos y lipasas. Las materias primas ms frecuentes para la produccin de biodiesel son los aceites de las oleaginosas de produccin mundial, tales como colza, girasol, soja y palma africana, aunque tambin se estn experimentando numerosas fuentes alternativas como son los aceites de fritura reciclados y las grasas animales. Adems hay una gran expectativa por lo que puedan ofrecer especies exticas caractersticas de cada regin, como son la Jatropha o las algas, entre muchas otras. El biodiesel es una alternativa energtica que ha ganado una especial atencin en el mercado global. Pases como Alemania y EEUU lo han usado e implementado con xito en las dos ltimas dcadas en los vehculos. A pesar de esto, muchas veces ha sido cuestionado y an est sujeto a superar varios problemas y muchos prejuicios. Es por eso que se hace necesario seguir investigando lugares, insumos y procedimientos que hagan esta alternativa ms viable tcnica, social y econmicamente. El principal problema del biodiesel es su precio, debido a los altos costos de las materias primas, adems de los procesos necesarios de extraccin, pretratamiento y transesterificacin de los aceites, los cuales dependen de las caractersticas del tipo de aceite seleccionado y del lugar donde se produce la oleaginosa de donde proviene. Por estas razones en este trabajo se propone como materia prima la palma para la obtencin de biodisel o recolectar el aceite crudo de de esta planta a partir de una empresa.

I. INTRODUCCIN

La industria aceitera en Mxico para elaborar sus productos, depende en gran medida de las importaciones de oleaginosas, tan solo en el periodo 2010-2011 se report la importacin de 5.16 millones de toneladas mtricas de semillas de oleaginosas, lo que genera una importante fuga de divisas (Santacruz de Len, Morales Guerrero, & Palacio Muoz, 2012).

Aunado a ello en amplias zonas del pas, persiste el estancamiento productivo, en el caso de las regiones tropicales abandono o manejo tcnico deficiente de cultivos como el caf, cacao, etctera. As como problemas de competitividad, baja rentabilidad, bajos precios de la produccin y altos costos de los insumos. El gobierno federal y los gobiernos estatales han venido impulsando estrategias de reconversin productiva, en algunos casos con diagnsticos de adaptabilidad y potencial productivo de las especies a introducir o incentivar su expansin, las ms de las veces sin un diagnstico social de la disponibilidad de los productores adoptar el nuevo cultivo.

El biodiesel es un combustible elaborado a partir de cultivos oleaginosos, aceites vegetales reciclados y grasas. Se ha propuesto como una posible alternativa sustentable y apropiada a los combustibles derivados del petrleo. La American Society for Testing and Materials (ASTM), define al biodiesel como ster monoalqulico de cadena larga de cidos grasos derivados de recursos renovables, como ejemplo de aceites vegetales o grasas animales para utilizarlos en motores disel (Knudsen, 2001).En la reaccin qumica que ocurre durante el proceso de sntesis de biodiesel el aceite reacciona con un alcohol de cadena corta en presencia de un catalizador al finalizar este proceso se obtienen glicerina y biodiesel. El catalizador generalmente usado es el hidrxido de potasio o de sodio, previamente mezclado con alcohol metlico. Para una catlisis bsica es necesario una presencia menor del 3% AGL (cidos grasos libres), la alta acidez del aceite influye en una baja conversin (Dorado, Ballesteros, & Francisco, 2004). Aceites con ms del 5% de AGL no pueden ser transesterificados por catlisis alcalina debido a la formacin de jabones los que inhiben la separacin del biodiesel de la glicerina y adems forman emulsiones durante el lavado (Van Gerpen 2005). En estos casos se requiere realizar previamente la esterificacin de Fisher que convierte de una manera directa a los cidos carboxlicos y a los alcoholes en steres por medio de una sustitucin nucleoflica sobre el grupo acilo catalizada por cido.

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El objetivo de este proyecto de investigacin es obtener biodiesel a partir de aceite crudo de palma africana por transesterificacin, determinando experimentalmente las concentraciones de alcohol (etanol) y catalizador (KOH) que maximizan el rendimiento de la reaccin de obtencin de biodiesel.

III. JUSTIFICACIN

El Biodiesel es un aceite (similar al vinagre) que puede ser obtenido de diferentes tipos de aceites o grasas animales o vegetales, como soja, colza, palmera, entre otras; mediante un proceso denominado transesterificacin; los aceites derivados orgnicamente se combinan con el alcohol (etanol o metano) y son qumicamente alterados para formar esteres grasos, como etil o metilester. El Biodiesel funciona en cualquier motor disel. Estos esteres grasos, pueden mezclarse o no con disel petrolfero. Al porcentaje de biodiesel puro que se encuentra en el combustible, se le denomina porcentaje de biomasicidad o, simplemente, bioesteraje. As, el Biodiesel B30 tiene un 30 % de bioesteraje, es decir, un 30 % de steres grasos y un 70 % de disel petrolfero.Su energa especfica es un 5% menor que la del gasoil, pero su elevada lubricidad compensa esta diferencia, por lo que el rendimiento energtico de ambos combustibles es esencialmente el mismo. La lubricidad del biodiesel es notable; duplica la vida til de los motores que lo utilizan. La fabricacin del biodiesel es sencilla, y no requiere de economas de escala: Se parte de un aceite vegetal, que se somete a un proceso llamado de transesterificacin. Como resultante de esto se obtiene biodiesel, y un subproducto genricamente conocido como glicerol, que tiene ms de 1,600 usos en el agro, la industria, la medicina, los cosmticos, y la alimentacin. El biodiesel que se obtiene solo requiere filtrado previo antes de ser usado. Como no se degrada con el tiempo, como lo hace el gasoil fsil, puede almacenarse en forma sencilla y econmica. El biodiesel reduce la contaminacin por cuanto las emisiones netas de dixido de carbono (CO2) y de dixido sulfuroso (SO2) se reducen un 100 %. La emisin de holln se reduce un 40-60%, y las de hidrocarburos (HC) un 10-50 %. La emisin de monxido de carbono (CO) se reduce un 10-50%. El biodiesel es 100% biodegradable dado que en menos de 21 das, desaparece toda traza de el en la tierra. Su toxicidad es inferior a la de la sal comn de mesa. Su combustin genera, de acuerdo al aceite vegetal que se utilice, un olor similar al de las galletas dulces, o al de las papas fritas. En Europa, es producido principalmente a partir del aceite de la semilla de canola (tambin conocida como colza o rapeseed) y el metanol, denominado comercialmente como RME (Rapeseed Methyl Ester), el cual es utilizado en las mquinas diesel puro o mezclado con aceite diesel, en proporciones que van desde un 5% hasta un 20%, generalmente. En Alemania y Austria se usa puro para mximo beneficio ambiental.Hoy en da pases como Alemania, Austria, Canad, Estados Unidos, Francia, Italia, Malasia y Suecia son pioneros en la produccin, ensayo y uso de biodiesel en automviles. Los litros de BIODIESEL que se obtienen por hectrea, dependern del cultivo que da origen al aceite vegetal: - Soja (Glicine max): 420 litros - arroz (Oriza sativa): 770 litros - tung (Aleurites fordii): 880 litros - girasol (Helianthus annuus): 890 litros - man (Arachis hipogaea): 990 litros - colza (Brassica napus): 1 100 litros - ricino (Ricinus communis): 1 320 litros - jatropa (Jatropha curcas): 1 590 litros. - aguacate (Persea americana): 2 460 litros - coco (Cocos nucifera): 2 510 litros - cocotero (Acrocomia aculeata): 4 200 litros - palma africana (Elaeis guineensis): 5 550 litros

Es por esto que se propone la utilizacin de dicha materia prima por el rendimiento de producto comparado con las otras materias primas y su costo de produccin, as como la propuesta de un cultivo de palma, para no generar un impacto ambiental negativo.

IV. OBJETIVOS

4.1 Objetivo general Produccin de biodiesel a partir de palma de aceite o palma africana

4.2 Objetivos especficos Caracterizar la materia prima a utilizar en el proceso. Analizar y definir el proceso de obtencin as como las condiciones de la misma. Disear los equipos a utilizar en el proceso de acuerdo a la base de produccin calculada. Optimizar las condiciones de operacin del proceso. Definir las caractersticas del producto de inters.

V. METODOLOGA

5.1. Material vegetalEl material vegetal se propone una parte cosechada y otra parte recolectar el aceite crudo de empresas dedicadas a la extraccin de aceites de materia vegetal.5.2. Preparacin de la muestraPara obtener el biodiesel a partir de la palma africana, estos sern sometidos a un proceso de:Esterilizacin. La esterilizacin se lleva a cabo colocando los canastos del esterilizador en tanques horizontales a una presin de 3 kg/cm2 a 143 C de temperatura por 60 minutos. Los objetivos de la esterilizacin son: Evitar incrementos de los cidos grasos libres presentes en el aceite debido a reacciones enzimticas. Facilitar la desercin mecnica. Preparacin de la pulpa para los siguientes procesos.Separacin. En este paso se separan las frutas esterilizadas del racimo. Hay dos mtodos para separar la fruta: por sacudidas vigorosas o por golpeteo. El equipo de separacin tiene un gran tanque horizontal con pequeos canales o barras en forma de "T" lo suficientemente espaciadas para que pasen las frutas pero no los tallos. El dimetro del tanque vara de 1.8 a 2 metros y longitudes de 3 a 5 metros, con rotacin de 20 a 25 revoluciones por minuto.Digestin. Consiste en calentar las frutas esterilizadas para poder retirar la cscara y poder romper la semilla ms fcilmente antes de entrar a la etapa de extraccin del aceite. Se calientan a una temperatura entre 95 y 100 C por 20 minutos.Extraccin de aceite. Para la extraccin mecnica se puede usar una prensa con un gusano o tornillo sin fin con control de presin para asegurar una mxima eficiencia de remocin de aceite. En esta etapa se tienen dos productos: Una mezcla de aceite, agua y restos slidos. Una torta de fibra y cscara con algo de aceite residual.Clarificacin. El aceite crudo de la etapa de extraccin tiene una composicin promedio de 66% de aceite, 24% de agua y 10% de slidos no aceitosos. Debido a la alta concentracin de slidos se le agrega agua para que se asienten. Despus el aceite crudo se filtra para remover materiales slidos y se enva a un tanque de asentamiento para separar el aceite del agua. El aceite pasa por un purificador centrfugo, un secador a vaco y un enfriador para finalmente ser almacenado en tanques. El aceite final tiene una humedad entre 0.1% y 0.12 % e impurezas menores al 0.02 %.

Almacenamiento. Los tanques de almacenamiento deben de tener un recubrimiento interno con materiales epxicos para evitar la corrosin. En el almacenamiento y el transporte debe de mantenerse la temperatura entre 32 y 40 C. De aqu el aceite primario sigue su camino hacia el proceso de produccin estndar del biodiesel, consistente en la esterificacin, la transesterificacin y el procesamiento de metilsteres descrito con anterioridad en el apartado Modelos de produccin.

VI. MARCO TERICO

6.1. Biologa, Qumica y Agronoma de Elaeis guineensis (Palma africana)

La palma africana es una planta tropical propia de climas clidos cuyo origen se ubica en la regin occidental y central del continente africano, concretamente en el golfo de Guinea, de ah su nombre cientfico Elaeis guineensis Jacq., donde ya se obtena desde hace 5 milenios. A pesar de ello, fue a partir del siglo XV cuando su cultivo se extendi a otras regiones de frica (El cultivo de la palma africana, 2008). Su propagacin a mnima escala se inici en el siglo XVI a travs del trfico de esclavos en navos portugueses, siendo entonces cuando lleg a Amrica, despus de los viajes de Cristbal Coln, concretamente a Brasil. En esta misma poca pasa a Asia Oriental (Indonesia, Malasia, etc.) (El cultivo de la palma africana, 2008).Pertenece a la familia de la Arecaceae, al gnero Elaeis y especie guineensis es una palmera monoica con tronco erecto solitario que puede alcanzar ms de 40 m de altura en estado natural. En cultivos industriales para la obtencin de aceite su altura se limita a los 10-15 m, con un dimetro de 30-60 cm cubierto de cicatrices de hojas viejas (Figura 1) (El cultivo de la palma africana, 2008).

Figura 1: Palma africana (Elaeis guineensis)

Sistema radicular: es de forma fasciculada, con gran desarrollo de races primarias que parten del bulbo de la base del tallo en forma radial, en un ngulo de 45 respecto a la vertical, profundizando hasta unos 50 cm en el suelo y variando su longitud desde 1 m hasta ms de 15 m. Por su consistencia y disposicin aseguran un buen anclaje de la planta, aunque casi no tienen capacidad de absorcin. Las races secundarias, de menor dimetro, son algo ms absorbentes en la porcin prxima a su insercin en las races primarias y su funcin principal es la de servir de base a las races terciarias y stas a su vez, a las cuaternarias. Estos dos ltimos tipos de races conforman la cabellera de absorcin de agua y nutrientes para la planta. Las races secundarias tienen la particularidad de crecer en su mayora hacia arriba, con su carga de terciarias y cuaternarias, buscando el nivel prximo a la superficie del suelo, de donde la planta obtiene nutrientes (El cultivo de la palma africana, 2008).Tallo: comunica las races con el penacho de hojas que lo coronan. Se desarrolla en tres cuatro aos, una vez que se ha producido la mayor parte del crecimiento horizontal del sistema radicular. Se inicia con la formacin de un rgano voluminoso en la base del tallo que es el bulbo, que origina el ensanchamiento en la base del tronco y sirve de asiento a la columna del tallo. En el otro extremo del bulbo, en el pice del tallo, se encuentra la yema vegetativa o meristemo apical, que es el punto de crecimiento del tallo, de forma cnica enclavada en la corona de la palma y protegido por el tejido tierno de las hojas jvenes que emergen de l en nmero de 45 a 50. Las bases de insercin de los pecolos que permanecen vivos durante un largo tiempo, forman gruesas escamas que dan al rbol su aspecto caracterstico. Al morir stas, caen, dejando el tallo desnudo con un color oscuro, liso y adelgazado, caracterstica que puede apreciarse en plantas muy viejas (El cultivo de la palma africana, 2008).Hojas: hojas verdes pinnadas (con foliolos dispuestos como pluma, a cada lado del peciolo) de 5-8 m de longitud que constan de dos partes, el raquis y el pecolo. A uno y otro lado del raquis existen de 100 a 160 pares de foliolos dispuestos en diferentes planos, correspondiendo el tercio central de la hoja a los ms largos (1,20 m). El pecolo muy slido en su base y provisto de espinas en los bordes, las cuales se transforman en foliolos rudimentarios a medida que se alejan del tallo, presenta una seccin transversal asimtrica, con tendencia triangular o de letra D y a medida que se proyecta hacia el raquis se va adelgazando, manteniendo siempre muy slida la nervadura central (El cultivo de la palma africana, 2008).Inflorescencias: las flores se presentan en espigas aglomeradas en un gran espdice (espata que protege a una inflorescencia de flores unisexuales) que se desarrolla en la axila de la hoja. La inflorescencia puede ser masculina o femenina. La inflorescencia masculina (Figura 2) est formada por un eje central, del que salen ramillas o espigas llamadas dedos, cilndricos y largos, con un total de 500 a 1500 flores estaminadas, que se asientan directamente en el raquis de la espiga, dispuestas en espiral. Las anteras producen abundante polen con un caracterstico olor a ans. La inflorescencia femenina es un racimo globoso, de apariencia ms maciza que la masculina, sostenido por un pednculo fibroso y grueso, que lleva en el centro un raquis esfrico en el que se insertan numerosas ramillas o espigas, cada una con 6 a 12 flores. La flor femenina (Figura 3) presenta un ovario esfrico tricarpelar coronado por un estigma trfido cuyas caras vueltas hacia fuera estn cubiertas por papilas receptoras del polen (El cultivo de la palma africana, 2008).

Figura 2: Inflorescencia masculina

Figura 3: Inflorescencia femenina

Fruto: drupa de forma ovoide, de 3-6 cm de largo y con un peso de 5-12 g aproximadamente. Estn dispuestos en racimos (Figura 5 y 6) con brcteas puntiagudas, son de color rojizo y alcanzan hasta los 4 cm de dimetro. Presentan una piel (exocarpio) lisa y brillante, una pulpa o tejido fibroso (mesocarpio) que contiene clulas con aceite, una nuez o semilla (endocarpio) compuesta por un cuesco lignificado y una almendra aceitosa o palmiste (endospermo) (El cultivo de la palma africana, 2008).Figura 4: Racimo de palma africana

Figura 5:Fruto de palma africa

6.2. Uso de extractos de Palma africana

De la panta africana se extraen dos importantes aceites: Aceite de palma, que se utiliza principalmente en la produccin de margarina, manteca y grasas para cocina. Aceite de almendra de palma (palmiste o PKO) que posee un alto contenido de cido larico, con el cual se producen jabones y alimentos para animales.Actualmente el cultivo de palma representa una alternativa de produccin con perspectivas favorables para las regiones tropicales, ello debido por un lado, a que produce un rendimiento por hectrea superior al de otros cultivos oleaginosos y por otro, a que ha aumentado la utilizacin de este producto en diversas actividades econmicas (Figura 6) (SAGARPA, 2010).

Figura 6: Diferentes productos a partir de aceite de palma

Se usa tambin para la produccin de biodiesel y es usado en produccin de piensos para la alimentacin animal, sobre todo de terneros, por su alto aporte energtico por racin.Cabe sealar que en aos recientes se han desarrollado diversos clones con troncos ms cortos, con alto contenido de aceite u otros tipos de caractersticas que reducen el costo, reducen el perodo de maduracin de la planta y/o alarga la vida til (Figura 6).

Figura 7: Ciclo productivo de la palma de aceiteFuente: Indupalma, Colombia

6.3. Proceso agroindustrial del aceite de palma africana.

El proceso de viabilidad econmica del cultivo de palma de aceite comienza en la seleccin de tierras que por su condicin natural (Tabla 1.), ofrezcan ventajas para el ptimo desarrollo, produccin y manejo del cultivo, lo cual incide en: Mayores rendimientos por hectrea Menores costos de produccin Menores riesgos fitosanitarios y ambientalesPara garantizar la seleccin es recomendable un estudio de aptitud de tierras, el cual representa una pequea inversin (se estima que en Malasia representan menos del 0.1% de los costos totales de desarrollo y mantenimiento del cultivo de palma por 25 aos) (SAGARPA, 2010).

Tabla 1: Condicines climticas ideales para el cultivo de palma africanaPARMETRORANGO

Precipitacin anual2000-2500 mm

Precipitacin mensualMnimo 100 mm

Dficit de agua anual2000 h/ao (16 MJ/m2

Temperatura media22-32 C (altitud