Proceso mejorado para la preparación de éster metílico de ácido graso (biodiésel) a partir de aceite de triglicérido mediante transesterificación.

Un proceso para la preparación de éster metílico de ácido graso (biodiésel) a partir de aceites de triglicérido obtenidos de materiales vegetales,

que comprende:

(i) extraer aceite de semillas enteras y mantener aparte el turtó para aplicación como abono orgánico,

(ii) neutralizar el ácido graso libre en exceso en el aceite con base y separar la pasta de jabón,

(iii) añadir un antioxidante y purgar el aceite con aire seco para reducir el contenido de humedad,

(iv) tratar el aceite con la cantidad apropiada de solución metanólica de KOH que se seca con sulfato de sodio anhidro,

(v) separar la capa de glicerol formada durante la reacción,

(vi) tratar el éster metílico de ácido graso con glicerol en dos lotes para reducir adicionalmente el metanol, catalizador y otras impurezas en la capa de éster metílico de ácido graso,

(vii) separar el glicerol,

(viii) lavar la capa de éster metílico de ácido graso después de ello con agua en dos lotes para minimizar las impurezas,

(ix) separar los lavados acuosos,

(x) añadir una cantidad adicional de antioxidante al éster metílico de ácido graso y purgar con aire seco para minimizar el contenido de humedad,

(xi) recoger las capas de glicerol y tratarlas con SOx o gas de combustión para convertir el catalizador KOH gastado en K2SO4 o K2CO3, respectivamente,

(xii) ajustar el pH y destilar el metanol a la capa de glicerol,

(xiii) centrifugar en caliente la masa restante para separar la sal de potasio del glicerol, (xiv) lavar la sal para retirar las impurezas adheridas,

(xv) mantener aparte la cantidad necesaria de glicerol bruto para lavar la capa de éster metílico de ácido graso de una tanda posterior y mantener también aparte la cantidad necesaria adicional de glicerol bruto para otras aplicaciones en que el glicerol bruto sería directamente útil y

(xvi) destilar el glicerol bruto restante que tiene bajo contenido de agua para producir glicerol puro refinado.

Proceso mejorado para la preparación de éster metílico de ácido graso (biodiésel) a partir de aceite de triglicérido mediante transesterificación La presente invención se refiere a un proceso mejorado para la preparación de biodiésel a partir de aceites de triglicérido obtenidos de materiales vegetales mediante transesterificación. Más específicamente, la invención se refiere a la preparación de éster metílico de ácido graso de aceite extraído de semillas enteras de Jatropha curcas, una planta que tiene potencial de cultivo en eriales de India y otros países.

El agotamiento del combustible fósil y su efecto contaminante ha estimulado el interés por fuentes renovables de energía, por ejemplo energía solar, energía eólica, energía maremotriz, potencia de tracción animal y energía que puede derivar de fuentes vegetales.

Puede hacerse referencia al artículo de revisión titulado "Biodiesel fuel production by transesterification of oils" de H. Fukuda et al. (Journal of Bioscience and Bioengineering, vol. 92, nº 5, (2001) , 405-416) , que discute los inconvenientes de usar aceites vegetales directamente en lugar de diésel fósil y los tres enfoques que se están investigando para superar estos inconvenientes, a saber, pirólisis, microemulsificación y transesterificación. El 15 artículo afirma adicionalmente que la transesterificación es el enfoque preferido, y que dicha transesterificación de aceites puede efectuarse por tres vías, a saber, catálisis ácida, catálisis básica y catálisis enzimática. Aunque cada vía tiene sus cualidades, la catálisis básica es la vía industrialmente más aceptable actualmente a la vista de la velocidad de reacción mucho mayor y de la naturaleza económica del catalizador. Los inconvenientes del proceso catalizado por base actual se ha reseñado que son: temperatura de reacción superior a la ambiental (60-70 ºC) ,

problemas encontrados con el ácido graso libre en el aceite bruto, dificultades encontradas en la recuperación de glicerol y metanol y necesidad de un lavado repetido del éster metílico con agua para efectuar su purificación. No se hace mención al destino del catalizador ni al modo de eliminación de los efluentes.

Puede hacerse referencia al mismo artículo de revisión anterior, en el que se afirma que en un informe titulado "An overview of biodiesel and petroleum diesel life cycles" de Sheehan et al. (Informe del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) y del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) , nº de trabajo BF886002, mayo de 1998) , se ha mostrado que el beneficio de usar biodiésel es proporcional al nivel de combinación con diésel de petróleo. Las emisiones del ciclo vital global de CO2 de 100 % de biodiésel son 78, 45 % menores que las del diésel de petróleo, y una combinación con 20 % de combustible biodiésel reduce las emisiones netas de CO2 en 15, 66 %.

Puede hacerse referencia al artículo titulado "Biodiesel: A Renewable Energy Fuel" de N. S. K. Prasad (Chemical

Weekly, 17 de agosto de 2004, pág. 183-188) en el que se menciona en la pág. 186 que: "El biodiésel se usa ampliamente en Europa. Alemania tiene más de 1500 estaciones de servicio que venden biodiésel en el surtidor. Francia es el mayor productor mundial. Todo el combustible diésel francés contiene entre 2-5 % de biodiésel, lo que pronto se aplicará a toda Europa. En los 90, Francia lanzó la producción local de combustible biodiésel (conocido localmente como diéster) obtenido mediante la transesterificación de aceite de semilla de colza. Se mezcla en una proporción de 5 % con combustible diésel normal y en una proporción de 30 % con el combustible diésel usado por flotas cautivas (transporte público) . Renault, Peugeot y otros fabricantes han certificado motores de camión para uso con este biodiésel parcial. Los experimentos con 50 % de biodiésel están en camino"

Puede hacerse referencia a la búsqueda en Google: http://www.google.co.in/search?hl=en&q=Biodiesel+preparation&btnG=Google+Search&meta, que proporcionó

13.200 resultados diferentes relacionados con la preparación de biodiésel.

Puede hacerse referencia al artículo titulado “Integrated biodiesel production: a comparison of different homogeneous catalysts systems" de Vicente et al. (Bioresource Technology 92 (2004) 297-305) , en el que se describe el proceso de transesterificación de aceites vegetales con diferentes catalizadores básicos. Los autores reseñan que el rendimiento máximo de biodiésel obtenido por ellos usando metanólisis catalizada por base es de 45 aproximadamente 85, 32 % y de 90, 54 % para reacciones catalizadas por NaOH y KOH, respectivamente, para experimentos a escala de laboratorio con aceite con <0, 5 % de AGL. Además del rendimiento menor que el deseable, los demás inconvenientes del proceso son la necesidad de llevar a cabo la reacción de transesterificación en condiciones superiores a la ambiental y la falta de una solución adecuada para el problema de la eliminación del catalizador y la gestión de efluentes.

Puede hacerse referencia a Barnhorst et al., patente de EE.UU. nº 6.489.496, en la que se ha descrito un proceso de transesterificación de triglicéridos con retirada continua del glicerol producido durante la reacción usando un separador centrífugo para potenciar la velocidad de reacción. El inconveniente principal del proceso es que la reacción de transesterificación se lleva a cabo a 70 ºC. El proceso no describe la retirada del catalizador del glicerol, la retirada del metanol del producto éster ni el reciclado del etanol en exceso, y por ello el proceso se vuelve 55 antieconómico para la práctica industrial.

Puede hacerse referencia a la patente de EE.UU. nº 6.712.867 de Boocock et al., “Process for production of fatty acid methyl esters from fatty acid triglycerides”, en el que se describe el proceso de transesterificación de triglicéridos usando metanol y/o etanol, catalizador alcalino y codisolvente como éter. Los inconvenientes principales del proceso son: (i) el uso de codisolvente, una temperatura de transesterificación superior a la ambiental y la falta de intentos por tratar el problema de vertido del catalizador gastado.

Puede hacerse referencia al sitio de Internet http://www.svlele.com/biodiesel_in_india, en que se muestra un informe de proyecto detallado de una unidad de fabricación de biodiésel de 10 kl al día de capacidad. El informe de proyecto está basado en la técnica anterior conocida que, como se menciona anteriormente, tiene limitaciones importantes.

Puede hacerse referencia a la solicitud de patente de EE.UU. nº 20030229238 fechada el 11 de diciembre de 2003 de Fleisher, Christian A. sobre un proceso de transesterificación continuo, en la que el proceso incluye un entorno de flujo pistón continuo con un tiempo de residencia de un solo paso tan bajo como de aproximadamente 10 segundos, y una conversión de al menos 70 %. El inconveniente principal del proceso es que emplea una alta temperatura y presión para la reacción de transesterificación.

En otro artículo de W. Zhou et al, titulado "Ethyl esters from the Single-Phase Base Catalyzed Ethanolysis of Vegetable Oils" (JAOCS vol. 80, 367-371, 2003) , se ha llevado a cabo la transesterificación catalizada por base de aceites vegetales usando el codisolvente tetrahidrofurano (THF) y etanol a temperatura elevada. Los inconvenientes de esta publicación son: la transesterificación se lleva a cabo a temperaturas elevadas y el uso de disolvente adicional en el sistema vuelve al proceso complicado y caro. Además, el artículo no mencionaba la recuperación del catalizador de ninguna forma ni del alcohol en exceso usado en la reacción.

Hay varios informes bibliográficos en los que se han usado lipasas como catalizadores en procesos industriales para producir biodiésel, por ejemplo Bradin (patente de EE.UU. nº 6.398.707) ha usado una lipasa inmovilizada pretratada para catalizar la transesterificación o esterificación. Además, la lipasa inmovilizada pretratada se prepara sumergiendo una lipasa inmovilizado en un alcohol que tiene un número de átomos de carbono no menor de 3 y el pretratamiento de la lipasa requiere un tiempo de hasta 48 horas. Dichos procesos consumen tiempo para la producción industrial. En otro artículo publicado por Watanabe, et al., ["Continuous Production of Biodiesel Fuel from Vegetable Oil Using Immobilized Candida antarctica Lipase", JAOCS, vol. 77, pág. 355-360, 2000], hay tres dificultades importantes en el uso de lipasa para producir biodiésel. La primera dificultad es que el precio de la lipasa e mucho mayor que el precio de la base. En segundo lugar, el procesamiento de lipasa requiere hasta 48 horas para... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la preparación de éster metílico de ácido graso (biodiésel) a partir de aceites de triglicérido obtenidos de materiales vegetales, que comprende:

(i) extraer aceite de semillas enteras y mantener aparte el turtó para aplicación como abono orgánico,

(ii) neutralizar el ácido graso libre en exceso en el aceite con base y separar la pasta de jabón,

(iii) añadir un antioxidante y purgar el aceite con aire seco para reducir el contenido de humedad,

(iv) tratar el aceite con la cantidad apropiada de solución metanólica de KOH que se seca con sulfato de sodio anhidro,

(v) separar la capa de glicerol formada durante la reacción,

(vi) tratar el éster metílico de ácido graso con glicerol en dos lotes para reducir adicionalmente el metanol, catalizador y otras impurezas en la capa de éster metílico de ácido graso,

(vii) separar el glicerol,

(viii) lavar la capa de éster metílico de ácido graso después de ello con agua en dos lotes para minimizar las impurezas,

(ix) separar los lavados acuosos,

(x) añadir una cantidad adicional de antioxidante al éster metílico de ácido graso y purgar con aire seco para minimizar el contenido de humedad,

(xi) recoger las capas de glicerol y tratarlas con SOx o gas de combustión para convertir el catalizador KOH gastado en K2SO4 o K2CO3, respectivamente,

(xii) ajustar el pH y destilar el metanol a la capa de glicerol,

(xiii) centrifugar en caliente la masa restante para separar la sal de potasio del glicerol,

(xiv) lavar la sal para retirar las impurezas adheridas,

(xv) mantener aparte la cantidad necesaria de glicerol bruto para lavar la capa de éster metílico de ácido graso de una tanda posterior y mantener también aparte la cantidad necesaria adicional de glicerol bruto para otras aplicaciones en que el glicerol bruto sería directamente útil y

(xvi) destilar el glicerol bruto restante que tiene bajo contenido de agua para producir glicerol puro refinado.

2. Un proceso según la reivindicación 1, en el que el aceite de triglicérido es aceite obtenido de Jatropha curcas.

3. Un proceso según la reivindicación 2, en el que el rendimiento medio de aceite extraído mecánicamente de semillas enteras de Jatropha curcas es d.

2. 30 % p/p.

4. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el turtó obtenido contiene 5-10 % de aceite y se muele.

5. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el contenido de ácido graso libre del aceite recién extraído obtenido en la etapa (i) está en el intervalo de 1, 5 % a 10, 0 % p/p.

6. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en la etapa (ii) el aceite se trata en condiciones ambientales con solución de sosa cáustica 5 N, siendo la cantidad de base usada de 0, 7-1, 0 equivalentes con respecto al contenido de ácido graso inicial del aceite, para proporcionar aceite neutralizado con un contenido de ácido graso libre en el intervalo de 0, 25-0, 35 % p/p.

7. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la torta de jabón obtenida en la etapa (ii) contiene 10-30 % de aceite residual y se trata con una cantidad adicional de base para producir un jabón de lavado.

8. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el contenido de humedad del aceite neutralizado se reduce de 0, 1 % a 0, 01 % por purgado con aire seco después de la adición de un antioxidante adecuado .

3. 50 ppm de concentración.

9. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el KOH metanólico usado para transesterificación en la etapa (iv) se trata con una cantidad estequiométrica de sulfato de sodio anhidro con respecto al KOH para atrapar cualquier agua que pueda formarse por la reacción de base con alcohol.

10. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el aceite se transesterifica con 5 KOH metanólico en dos etapas.

11. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el aceite se transesterifica con KOH metanólico en una sola etapa usando 1, 5-2 equivalentes de metanol y 1, 5-2 % (p/p) de KOH con respecto al aceite neutralizado usado.

12. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la capa de éster metílico bruto

después de la retirada de glicerol se trata con una cantidad adicional de 1-10 % de glicerol, para limpiar las impurezas restantes en la capa de éster metílico y evitar así su escurrido en la corriente acuosa cuando la capa de éster metílico se lava con dos lotes de agua que tienen < 50 ppm de sales disueltas totales y evitar la hidrólisis indeseada del éster.

13. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que se usa una parte del primer lote 15 de agua de lavado de la etapa (viii) , que asciende típicamente a 0, 5-1, 0 litros por litro de biodiésel y contiene 25.000

35.000 ppm de demanda química de oxígeno, en la preparación de la lejía cáustica necesaria para la etapa de neutralización, y también para la preparación de jabón de lavado a partir de la pasta de jabón, y el resto se trata antes del vertido.

14. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que se usa el segundo lote de agua de lavado de los dos lavados de la etapa (viii) , que tien.

50. 2000 ppm de demanda química de oxígeno, para el primer agua de lavado de una tanda posterior.

15. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que en la etapa (x) se trata el éster metílico resultante con 5-50 ppm de antioxidante, y se purga con aire seco para reducir el contenido de humedad a < 500 ppm.

16. Un proceso según la reivindicación 15, en el que el antioxidante es hidroxitolueno butilado.

17. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que la mayor parte del catalizador KOH está confinado en la capa de glicerol y se trata con una cantidad estequiométrica de ácido sulfúrico concentrado o humos de SOx o gases de combustión para convertir el catalizador gastado en fertilizante potásico co.

9. 100 % de rendimiento.

18. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en el que el metanol se recupera con 7090 % de rendimiento de la capa de glicerol por destilación.

19. Un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que se recicla una parte del glicerol bruto, después de la retirada del catalizador alcalino gastado y el metanol, para lavado del éster metílico bruto de una tanda posterior.