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9.2: La Reacción del Biodiesel- Transesterificación

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    9.2 La reacción del biodiesel: transesterificación

    Entonces, ¿cómo hacemos biodiesel?

    El método que se describe aquí es para hacer biodiesel FAMEs. La reacción se llama transesterificación, y el proceso se lleva a cabo en cuatro etapas. El primer paso es mezclar el alcohol para la reacción con el catalizador, típicamente una base fuerte como NaOH o KOH. El alcohol/catalizador se hace reaccionar entonces con el ácido graso para que tenga lugar la reacción de transesterificación. La Figura 8a muestra la preparación del catalizador con el alcohol, y la Figura 8b muestra la reacción de transesterificación.

    El metanol y NaOH producen iones de sodio, agua y -OCH3. Ver enlace en el subtítulo para la descripción del texto
    Figura 9.8a: Formación de metóxido

    Haga clic para obtener una descripción de texto de la Figura 9.8a.

    Se combina metanol y base (NaOH en este caso). NaOH Se separa en iones en metanol. El -OH reacciona con el H del metanol para hacer H2O, dejando que el -OCH3 reaccione con el ácido graso. Ambos deben estar lo más secos posible. La producción de agua aumenta la reacción secundaria de la formación de jabón que no es deseada.

    Crédito: BEEMS Módulo B4

    Los triglicéridos y metanol con el catalizador de NaOH producen videntes grasos y clicerina
    Figura 9.8b: Química de la producción de biodiesel.

    Crédito: BEEMS Módulo B4

    El catalizador se prepara mezclando metanol y una base fuerte como hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. Durante la preparación, el NaOH se rompe en iones de Na+ y OH-. El OH- extrae el hidrógeno del metanol para formar agua y deja el CH 3 O- disponible para la reacción. El metanol debe estar lo más seco posible. Cuando el ion OH- reacciona con el ion H+, reacciona para formar agua. El agua aumentará la posibilidad de una reacción secundaria con los ácidos grasos libres (ácidos grasos que no son triglicéridos) para formar jabón, una reacción no deseada. También se pueden usar procesos enzimáticos (llamados lipasas); el alcohol sigue siendo necesario y solo reemplaza al catalizador. Las lipasas son más lentas que los catalizadores químicos, son de alto costo y producen bajos rendimientos.

    Una vez preparado el catalizador, el triglicérido reaccionará con 3 moles de metanol, por lo que se tiene que usar metanol en exceso en la reacción para asegurar la reacción completa. Los tres carbonos unidos con hidrógeno reaccionan con iones OH- y forman glicerina, mientras que el grupo CH 3 reacciona con el ácido graso libre para formar el éster metílico del ácido graso.

    La Figura 9.9 es un gráfico de las cantidades necesarias de sustancias químicas necesarias para que la reacción ocurra y el rendimiento global de biodiesel y glicerina. La cantidad de metanol añadida es casi el doble de la cantidad requerida por lo que la reacción va a completarse. Con 100 lbs de grasa y 16-20 lbs de alcohol (y 1 lb de catalizador), la reacción producirá 100 lbs de biodiesel y 10 lbs de glicerina. La reacción se lleva a cabo típicamente entre 40-65°C. A medida que la temperatura de reacción va más alta, la velocidad de reacción aumentará, típicamente 1-2 horas a 60 °C versus 2-4 horas a 40°C. Si la reacción es superior a 65°C, se requiere un recipiente a presión porque el metanol hervirá a 65°C. También ayuda a aumentar la relación metanol a aceite. Duplicar la proporción de 3 moles de alcohol a 6 moles empujará la reacción a su finalización más rápida y completamente.

    Conversión de ácidos grasos en biodiesel. como se describe en el texto
    Figura 9.9: Conversión de ácidos grasos en biodiesel. Tenga en cuenta exceso de alcohol.

    Crédito: BEEMS Módulo B4

    El siguiente video muestra una reacción transcurrida de transesterificación de aceite vegetal en biodiesel. También incorpora los pasos posteriores a la reacción para separar el biodiesel (9:44).

    Fabricación de biodiesel

    Haga clic aquí para obtener una transcripción del video de fabricación de biodiesel.

    SALÓN MARCA: Hola. Soy Mark Hall del Especialista en Energías Renovables de Extensión de la Universidad de Auburn. Estamos haciendo varias de estas cosas en opciones de energía que puedes hacer, varias piezas que, cada pieza del rompecabezas, que puedes contribuir a nuestra independencia energética haciendo etanol, haciendo biodiesel, siendo más eficiente energéticamente en la forma en que operas tu hogar.

    Hoy, vamos a hablar de hacer biodiesel. Y tenemos a Lance Hall. Lance ha estado fabricando biodiesel para correr en su auto. Compró un Volkswagen usado de eBay y comenzó a fabricar biodiesel. Y le ha gustado tanto que ha comprado un auto diésel nuevo. Y ha tenido mucho éxito haciendo esto desde hace un par de años.

    Antes de traer a Lance, me gustaría agradecer a mi amigo y compañero de trabajo Walter Harris, el coordinador de agentes del condado en el condado de Madison, por filmarnos hoy. Lance, entra y muéstranos lo que has estado haciendo. Y enhorabuena. Has tenido éxito haciendo esto.

    Estuve hablando con mi papi sobre mi nuevo trabajo hace varios años. Y dijo, bueno, Lance lleva mucho tiempo haciendo eso. Dije, ¿qué? Eso no lo sabía. Entonces Lance, muéstrale a la gente cómo hacer biodiesel.

    SALA DE LANZA: OK. Mucha gente sabe del biodiesel. Han leído las historias. Han hecho algunas investigaciones. Pero, sin embargo, todavía no tienen suficiente confianza en su capacidad para hacer realmente un lote. Entonces hoy les voy a enseñar cómo hacer un lote de biodiesel, solo a pequeña escala, pero es fácil.

    OK. Lo primero que vamos a hacer es comenzar con aceite vegetal. Ahora, esto será de 800 mililitros. Y no te confundas entre los mililitros y tus unidades de medida normales. Es una conversión simple que cualquiera puede hacer con una calculadora portátil.

    Entonces tenemos 800 mililitros aquí. Bueno, lo primero que queremos hacer es calentarlo. Ahora bien, tampoco te preocupes por este elegante equipo. El elemento principal de esto es calentarlo de cualquier manera que puedas con seguridad.

    Y estas cosas aquí son agitadores magnéticos. Nuevamente, no se preocupe por esto. Simplemente revuélvala mientras lo estás calentando para igualar las cosas. Y vamos a calentar esto hasta unos 130 grados Fahrenheit.

    MARK HALL: Lance, cuéntales de dónde sacas este equipo.

    LANCE HALL: Todo este equipo que tengo en mi tienda, todas mis cosas de laboratorio, eBay es un lugar maravilloso para encontrar suministros de laboratorio usados, vidrio de laboratorio. Se trata de placas agitadoras magnéticas. Estos son realmente útiles para tenerlos si tienes los medios para comprarlos. No hay que tenerlos, claro. Pero me gusta usarlas.

    Y esta también es una báscula electrónica que viene muy bien cuando empiezas a pesar tu catalizador, haciendo cualquier cosa que quieras para medir un peso preciso. Ahí vale la pena el dinero. Y eso va a tomar un poco de tiempo, así que...

    MARK HALL: Lance, ¿hay otros sitios, sitios de internet que recomendarías para las personas que estén interesadas en hacer biodiesel?

    SALÓN LANCE: Hay varios sitios por ahí. Uno de los más informativos sobre qué es el biodiesel, dónde se está utilizando, es biodiesel.org. Ese es el sitio web de la Junta Nacional de Biodiesel, hay mucha buena información. Realmente no te dirá tanto cómo hacerlo, pero ojalá, este sea uno de los sitios más informativos en los que realmente podrás ver a alguien hacer uno, hacer un lote.

    OK. A medida que nuestro aceite se está calentando, tenemos que mezclar nuestra mezcla de metanol y hidróxido de potasio. Por lo que la seguridad es primordial con el uso de metanol o el hidróxido de potasio de lejía cáustica fuerte. El metanol puede causar ceguera o muerte, y puede ser absorbido a través de la piel. Y el hidróxido de potasio te quemará la piel si te entra en contacto.

    Entonces esto es lo que vamos a hacer. Vamos a tomar nuestro metanol y vamos a verter esto en un recipiente. Los protectores faciales también son buenos.

    Vamos a usar 175 mililitros del metanol. Eso es aproximadamente el 20% de los 800 mililitros de petróleo. Por lo general, desea usar aproximadamente un 20% de volumen de metanol en comparación con el volumen de aceite vegetal.

    OK. Nuestro siguiente ingrediente es nuestro hidróxido de potasio. Esa es nuestra lye. Ahora, tenemos que hacer un cálculo rápido de cuánto de esto necesitamos mezclarlo con nuestro metanol para que se produzca la reacción.

    Tengo una buena hoja de cálculo que me gusta usar. Es el Biodiesel-o-matic. Por lo general, lo puedes encontrar en línea desde diferentes sitios web de biodiesel. Voy a tirar de eso.

    OK. Queremos usar 7 gramos de hidróxido de potasio por cada litro de aceite vegetal. Entonces toma 7 dividido por 0.8. Y eso te da 6.4 gramos.

    Bolsa doble estas cosas, o absorberá la humedad. Y eso matará tu proceso.

    Entonces vamos a usar nuestra báscula. Vamos a poner a cero el contenedor. Y luego le vamos a poner 6.4 gramos. Asegúrate de tener los guantes puestos.

    OK. Ese es nuestro 6.4 gramos. Cierra esto de inmediato. Manténgalo en doble bolsa. OK. Ahora, vas a tomar tus 6.4 gramos de hidróxido de potasio y poner eso en tus 175 mililitros de metanol.

    Nuevamente, quieres revolver esto. Sin embargo, no es necesario calentarlo. Sólo revuelva. Y revuelva esto hasta que al menos el hidróxido de potasio se disuelva completamente en el metanol. No quieres ver ningún trozo de hojuelas de hidróxido de potasio blanco.

    Todo bien. Nuestro hidróxido de potasio está completamente mezclado con nuestro metanol. Queremos quitar la barra de revolver. Y entonces sólo vamos a verter esto lentamente en nuestro aceite a medida que se está agitando.

    Nuevamente, no es necesario tener equipo elegante. Simplemente viértalo mientras lo estás removiendo manualmente. Pero la clave es hacerlo despacio.

    La Figura 9.10 muestra un esquema del proceso de elaboración de biodiesel. El glicerol se forma y tiene que ser separado del biodiesel. Tanto el glicerol como el biodiesel necesitan que se elimine el alcohol y se recicle en el proceso. Se agrega agua tanto al biodiesel como al glicerol para eliminar los productos secundarios no deseados, particularmente el glicerol, que pueden permanecer en el biodiesel. El agua de lavado se separa de manera similar a la extracción con disolvente (contiene algo de glicerol), y el agua traza se evapora del biodiesel. Se agrega ácido al glicerol con el fin de proporcionar glicerol neutralizado.

    Esquema del proceso de biodiesel usando transesterificación. ver descripción larga a continuación
    Figura 9.10: Esquema del proceso de biodiesel mediante transesterificación.

    Haga clic aquí para ver una alternativa de texto a la Figura 9.10

    Esquema del proceso de biodiesel mediante transesterificación:

    El aceite, el alcohol y un catalizador se someten a transesterificación. De ahí se mezclan ésteres metílicos de los cuales se elimina el glicerol crudo. El glicerol crudo entra en un separador bajo calor y un vacío en el que se elimina el alcohol. Luego pasa por un lavado con agua y se neutraliza con ácido para producir glicerol neutralizado. Los otros ésteres metílicos mixtos restantes de la transesterificación van a un separador diferente que elimina cualquier alcohol. Luego se someten a una extracción usando agua y se mueven a un segundo separador bajo calor y un vacío que elimina cualquier agua. Esto produce biodiesel.

    Crédito: BEEMS Módulo B4

    Como se discutió brevemente, los reactivos iniciales utilizados en el proceso deben ser lo más secos posible. El agua puede reaccionar con el triglicérido para producir ácidos grasos libres y un diglicérido. También puede disociar el sodio o potasio del hidróxido, y los iones Na+ y K+ pueden reaccionar con el ácido graso libre para formar jabón. La Figura 9.11 muestra cómo el agua puede ayudar a formar un ácido graso libre, y ese ácido graso libre puede reaccionar con el ion Na+ para formar jabón. El sodio que se usaba para un catalizador ahora está unido con el ácido graso e inutilizable. También complica la separación y recuperación. Todos los aceites pueden contener naturalmente ácidos grasos libres. El aceite vegetal refinado contiene menos de 1%, mientras que el aceite vegetal crudo tiene 3%, el aceite usado tiene 5% y la grasa animal tiene 20%. Las grasas animales son una materia prima menos deseable.

    agua + triglicérido puede formar un ácido graso libre, y ese ácido graso libre puede reaccionar con el ion Na+ para formar jabón
    Figura 9.11: A. Reacción secundaria del triglicérido con agua. B. La formación de ácidos grasos libres puede reaccionar con iones alcalinos para formar jabón.

    Crédito: BEEMS Módulo B4


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