PROCEDIMIENTO PARA AUMENTAR LA VELOCIDAD DE OBTENCION DE BIODIESEL MEDIANTE SU INCORPORACION COMO ADITIVO.

Procedimiento para aumentar la velocidad de obtención de biodiésel mediante su incorporación como aditivo.

La presente invención se refiere al uso de biodiésel como aditivo para aumentar la velocidad de reacción en reacciones de transesterificación catalítica con alcoholes y para proteger a los catalizadores del contacto con el CO{sub,2} y H{sub,2}O atmosféricos. De forma más concreta, en esta invención se describe un procedimiento de obtención de biodiésel a partir de la transesterificación de triglícéridos con alcoholes (por ejemplo metanol), en el que se utiliza biodiésel como aditivo para aumentar la velocidad de reacción. Este procedimiento se ha aplicado al CaO como catalizador

Procedimiento para aumentar la velocidad de obtención de biodiésel mediante su incorporación como aditivo.

Sector de la técnica

La presente invención describe un procedimiento para la obtención de biodiésel a partir de la transesterificación de triglicéridos con alcoholes, basado en la utilización del propio biodiésel como aditivo para aumentar la velocidad de reacción. Por tanto, esta invención se enmarca dentro del sector industrial de los biocarburantes y, mas concretamente, en la producción de biodiésel.

Estado de la técnica

El biodiésel es una mezcla de ésteres de alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol), preferentemente ésteres metílicos o etílicos, que pueden ser obtenidos mediante la transesterificación con dichos alcoholes de los triglicéridos contenidos en las grasas. Este biocombustible presenta numerosas ventajas sobre otros combustibles de origen fósil ("Biodiesel production: A review" M. A. Hanna y col., Biores. Technol. 70 (1999) 1-15), entre las que destacan su origen renovable ya que las fuentes de triglicéridos son las grasas de origen vegetal o animal, sus buenas propiedades como lubricante así como el hecho de ser biodegradable. Además, la utilización del biodiésel en el motor diésel, bien puro o mezclado con diésel de origen fósil, produce una reducción significativa a la salida del motor de algunas de las emisiones nocivas como CO, hidrocarburos sin quemar, materia particulada y óxidos de azufre. Sin embargo, el uso del biodiésel aumenta ligeramente las emisiones de óxidos de nitrógeno, si bien este inconveniente se puede mitigar con un reglaje específico de la inyección o mediante el empleo de catalizadores específicos de eliminación selectiva de NO_x tras postcombustión.

El proceso de transesterificación por el que se obtiene el biodiésel consiste en hacer reaccionar los triglicéridos con metanol ó etanol. Los triglicéridos son un tipo de lípidos formados por una molécula de glicerol, que tiene esterificada sus tres grupos hidroxilo por tres ácidos grasos saturados o insaturados. Los triglicéridos son los componentes mayoritarios de las grasas vegetales (aceites vegetales) o grasas animales (sebo). La reacción total con metanol se correspondería con la siguiente estequiometría (con el etanol sería semejante sólo que entonces se produciría los ésteres etílicos):

En realidad el proceso ocurre en tres etapas consecutivas reversibles de tal modo que el triglicérido (TG) reacciona con una molécula de metanol para dar diglicérido (DG) y un éster metílico de ácido graso (FAME, Fatty Acid Methyl Ester, en inglés). En una segunda reacción el DG reacciona con metanol para dar monoglicérido y FAME y en una tercera reacción el monoglicérido (MG) reacciona con el metano) para dar la tercera molécula de FAME y el glicerol.

Las grasas y el metanol (o el etanol) son inmiscibles y al comenzar la reacción existen dos fases: una la superior que es metanol y otra inferior que coincide con la grasa a transesterificar. Una vez finalizada la reacción se obtiene también dos fases inmiscibles: una fase alcohólica más densa que contiene a la glicerina y al metano) (ó etanol) que ha quedado sin reaccionar y también algo de FAME; y otra fase lipídica o grasa menos densa que contiene el biodiésel, los TG, DG y MG que han quedado sin reaccionar y algo de alcoholes. La norma europea EN 14214 establece que el biodiésel tiene que tener un contenido en ésteres metílicos analizado mediante el ensayo test EN 14103 mayor del 96,5% en peso. Además tiene que tener un contenido máximo en peso de TG < 0.2%, de DG < 0.2%, de MG < 0.8% y de glicerol libre < 0.02% en peso determinados de acuerdo a la norma EN 14105. Esto equivale a que el glicerol total; que puede existir o en forma de glicerol libre o el presente en los TG, DG y MG que quedan sin reaccionar; debe de ser < 0.25% lo en peso (determinado también según la norma EN 14105). En la práctica estas normativas indican que la reacción global debe estar casi completada y que las reacciones individuales tienen que estar muy desplazadas hacia la derecha.

Para desplazar los equilibrios hacia la formación de FAME normalmente se utiliza una cantidad de metanol en exceso con respecto a la estequiométrica. Además, como los triglicéridos y el metanol son inmiscibles, para acelerar la reacción se necesita agitarlos vigorosamente para formar emulsiones y de este modo mejorar el contacto entre las dos fases. Por último para que la velocidad de la reacción sea lo suficientemente alta como para que la transesterificación se produzca en cuestión de horas es conveniente también la presencia de un catalizador. Sin embargo el proceso de obtención no necesita necesariamente ni de un catalizador, ni de agitación puesto que si se realiza en presencia de metanol en estado supercrítico (temperaturas superiores a 239.5ºC y presiones superiores a 81 bar) ("Method for preparing fatty acid esters and fuel comprising fatty acid esters", Sasaki y col. US 6,187,939; "Process for preparing alkyl esters of fatty acids from fats and oils" Tsuto y col. US 6,288,251) la reacción transcurre también rápidamente. Pero en este caso se requieren condiciones drásticas el equipamiento necesario es caro y el proceso en metanol supercrítico puede tener viabilidad económica sólo para grasas baratas de baja calidad (alta acidez y alto contenido en agua). Sin embargo para grasas de mejor hbox{calidad y más caras el proceso supercrítico es inviable y se necesita agitar y utilizar catalizadores.

El proceso catalítico más extendido a escala industrial se basa en catalizadores básicos homogéneos, esto es, sustancias de naturaleza básica disueltas en el metanol. De este modo se ha descrito la utilización de KOH, NaOH o sus correspondientes metóxidos como catalizadores ("Integrated biodiesel production: A comparison of different homogeneous catalysts systems" J. Aracil y col., Biores. Technol., 92 (2004) 297, "Method for the preparation of a lower alkyl ester of fatty acids", Y. Tanaka y col., US 4,303,590) La catálisis básica necesita de grasas de alta calidad (acidez < 1% y contenido en agua < 1%) y no es recomendable para grasas de menor calidad, y por tanto más baratas. En estos casos se debe utilizar como paso previo un proceso homogéneo de esterificación de estos ácidos grasos libres basados en sustancias solubles de naturaleza ácida como ácido sulfúrico o ácido p-toluensulfónico y eliminación del agua producida como fase intermedia ("Process for the production of fatty acid alkyl esters" Lepper y col. US4,652,406: "Influence of mass transfer on the production of biodiesel" J. Lifka y col., Chem. Eng. Tech. 27 (2004) 1156). Se podrían utilizar catalizadores ácidos para realizar directamente la transesterificación pero sin embargo, cuando la reacción está catalizada por ácidos transcurre con velocidades más lentas que cuando está catalizada por bases y se necesita de tiempos de reacción mayores (varias horas) para completar la reacción y obtener biodiésel (contenido en ésteres metílicos > 96,5%). En el caso de catálisis básica la reacción transcurre mucho más rápidamente.

Independientemente de la naturaleza del catalizador utilizado, los procesos homogéneos necesitan de etapas de lavado intensivas tanto del Biodiésel como de la fase alcohólica. El objetivo por un lado es eliminar alcoholes (metanol y glicerina) y catalizador del biodiésel y por otro lado de catalizador de la fase alcohólica lo que se traduce en un consumo elevado de agua que viene a ser aproximadamente de 3 veces el volumen de biodiésel obtenido. Esta agua además requiere de un tratamiento antes de su vertido ("Biodiesel production: A review" M. A. Hanna y col, Biores. Technol. 70 (1999) 1). Otro inconveniente adicional del uso de catalizadores homogéneos es que el catalizador no puede reutilizarse puesto que éste se elimina en los procesos de lavado.

El uso de un catalizador heterogéneo, esto es sólido, reduce los problemas relacionados con la eliminación del catalizador homogéneo mediante lavados ya que el catalizador heterogéneo puede separarse del medio de reacción mediante procedimientos físicos sencillos...

1. Procedimiento de transesterificación catalítica con alcoholes caracterizado por que se utiliza biodiésel como aditivo para aumentar la velocidad de reacción.

2. Procedimiento según reivindicación 1 caracterizado por que la transesterificación catalítica es de triglicéridos para obtención de biodiésel.

3. Procedimiento según reivindicaciones anteriores caracterizado por que la cantidad de biodiésel añadido es la necesaria para que se forme una pasta homogénea biodiésel-catalizador (entre 12 y 16 mg de biodiesel por mg de catalizador).

4. Procedimiento según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado por que el biodiésel se añade previamente sobre el catalizador de la reacción de transesterificación protegiéndolo del H₂O y CO₂ presente en el aire ambiente, de forma que es la mezcla catalizador-biodiésel lo que se adiciona sobre la mezcla de reacción.

5. Procedimiento según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado por que el alcohol utilizado en la mezcla de reacción es metanol.

6. Procedimiento según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado por que el catalizador utilizado es CaO.

7. Uso de los procedimientos descritos en las reivindicaciones anteriores en la producción de biodiésel.