Proceso de elaboración de un biocombustible para motores Diesel procedente de ésteres metílicos de aceite de Brassica carinata sin ácido erúcico.
La invención se refiere al proceso de obtención de un nuevo biocombustible para motores Diesel, pudiendo ser de utilidad en todos aquellos usos en que se precise la aportación energética que proporcionan estos motores (sector agrícola, automoción, industria, minería, etc.). Su utilización es especialmente interesante en zonas protegidas o de elevado riesgo ambiental (parques naturales, etc.), ya que el biocombustible es muy biodegradable y contamina menos que el combustible convencional.
Diversos cambios socioeconómicos, medioambientales y políticos han auspiciado un creciente interés hacia el desarrollo de nuevas formas de energía, alternativas y renovables, entre las que los biocombustibles para motores Diesel son pieza vertebral. Un mercado de libre competencia requiere el cese paulatino de las Políticas Agrarias proteccionistas y la reducción de los excedentes agroalimentarios que las propician. Por ello, la Política Agrícola Comunitaria, en la UE, exige el barbecho obligatorio de un porcentaje de las tierras de cultivo, salvo que se destine a fines no alimentarios. El aprovechamiento de estos terrenos para producir cultivos destinados a su transformación en biocombustibles se erige como una medida medioambiental que evita los riesgos de erosión que sufren los suelos desnudos, a la par que socioeconómica, ya que contribuye a incrementar la renta de los agricultores y a generar empleo en zonas rurales marginales. Por otro lado, según diversos estudios, el calentamiento terráqueo o la lluvia ácida, entre otras secuelas, son causados principalmente por las emisiones contaminantes producidas en las combustiones de la actividad industrial y en automoción. La preservación del medio ambiente es, por tanto, un factor de crucial importancia que se debe tener en consideración al seleccionar el combustible a emplear.
Diversas son las alternativas que se han ido enumerando desde que Rudolph Diesel planteó la posibilidad de quemar los aceites vegetales en el motor que lleva su nombre, en la Exposición de París de princi-pios del siglo XX. Entre ellas destacan su uso sin sufrir ninguna modificación, su mezcla con gasoil o la alte-ración química de estos aceites mediante dilución, microemulsión, pirólisis, hidrocraqueado o transesterificación. Otra posibilidad la constituye la modificación de los motores para que puedan alimentarse con aceites vegetales puros. La alternativa más plausible la constituye la modificación de las propiedades del aceite que hacen inviable su uso, ya que de no hacerlo, estos presentan una viscosidad tan elevada que ocasiona una pulverización y atomización incorrectas, provocando formaciones carbonosas excesivas y la consiguiente ruptura del motor. Por otro lado, la modificación de los motores supondría el abandono de los motores convencionales y la renovación de la actual flota, implicando un considerable desembolso económico.
Los objetivos de la transesterificación de los aceites son los de eliminar los glicéridos, disminuir el punto de ebullición, de inflamación, punto de vertido y viscosidad. La glicerina de los aceites contribuye a la formación de depósitos y al fuerte olor de los gases de escape, en caso de usarlos como combustible. Si se transesterifican, disminuye la viscosidad y la densidad, ya que la raíz de glicerina se elimina al sustituirla por un alcohol. Consiste, por tanto, en un proceso químico que convierte un éster de ácido orgánico (aceite) en otro éster del mismo ácido. Este método permite romper las moléculas en otras menores sin un coste excesivo. La reacción se muestra seguidamente:
(Ver reacción en la página siguiente)
En este sentido, en la invención se definen los parámetros óptimos que permiten la conversión en ésteres metílicos, mediante transesterificación básica, con KOH y metanol, del aceite procedente de semillas oleaginosas de Brassica carinata, mejorada genéticamente para eliminar la presencia de ácido erúcico. La utilización de aceite de semillas de Brassica carinata se erige como una alternativa interesante para su transformación como biocombustible, en tanto en cuanto se trata de un cultivo oleaginoso con casi el 40 % de contenido de aceite, muy bien adaptado a condiciones agronómicas extremas (es originario de Etiopía), con pocas precipitaciones y temperaturas elevadas. Se trata, por tanto, de un cultivo que requiere pocas labores agrícolas, lo que incrementa su rentabilidad económica. La mejora genética es precisa para eliminar el ácido erúcico, ya que el contenido usual que suele presentar de éste (superior al 40 %) llega a impedir la consecución de la reacción de transesterificación. El contenido de ácidos grasos presentes en este aceite mejorado se muestra en la Tabla 1.
TABLA 1 Contenido de ácidos grasos del aceite de Brassica carinata sin ácido erúcico | |
| Ácidos grasos | % |
| | |
| Palmítico C16:0 | 4,97 |
| Palmitoleico C16:1 | 0,073 |
| Esteárico C18:0 | 0,69 |
| Oleico C18:1 | 43,44 |
| Linoleico C18:2 | 35,12 |
| Linolénico C18:3 | 15,70 |
| Erúcico C20:1 | 0 |
La optimación de los parámetros implicados en la elaboración del biocombustible, con el objeto de minimizar los costes implicados, requiere disolver, a temperatura ambiente, 1,48 % (en porcentaje del peso de la masa de aceite empleada) de KOH y 16 % (en porcentaje del peso de la masa de aceite empleada) de metanol. Paralelamente se calienta, a 25-30ºC, el aceite que se desea transesterificar. Una vez que se dispone de la disolución del alcohol y del catalizador, se mezcla con el aceite y se continúa calentando, a 25-30ºC, durante un período de 5 min, bajo agitación. La reacción se lleva a cabo en un reactor de dos bocas, en que por una se introducen los reactivos, tapándose a continuación para evitar pérdidas por evaporación del alcohol. Por la otra boca se acopla el sistema de reflujo, que sirve para condensar el metanol que se vaya evaporando conforme avanza la reacción. Es importante que toda la reacción se efectúe controlando que no existan fugas. Transcurrido el periodo de reacción, se vierten los productos de la reacción en un embudo de decantación, donde se depositan entre dos y tres horas (la temperatura ambiente no debe ser inferior a 35ºC), hasta que se separen en dos fases: la superior, formada principalmente por los ésteres metílicos, y la inferior, constituida por glicerina y algunas impurezas. Los ésteres resultantes contienen algunos residuos de catalizador, alcohol y agua, que podrían perjudicar al sistema de alimentación del motor, por lo que precisan purificación adicional. Para ello se han de lavar con 11,36 % (en porcentaje del peso de la masa de ésteres obtenida) de agua destilada a temperatura ambiente (25ºC) y secarlos posteriormente con sulfato sódico anhidro, para eliminar la presencia de agua de lavado en los ésteres metílicos. Los parámetros óptimos para la elaboración del biocombustible se resumen en la Tabla 2
TABLA 2 Parámetros implicados en la transformación en biocombustible del aceite de Brassica carinata sin ácido erúcico | |
| Parámetros | Valores |
| |
| KOH (% del peso del aceite) | 1,48 |
| Metanol (% del peso del aceite) | 16 |
| Temperatura de reacción (ºC) | 25-30 |
| Tiempo de reacción (min) | 5 |
| Tiempo de decantación (h) | 2-3 (a 35-40ºC) |
| Volumen de agua de lavado | |
| (% del peso del éster) a 25ºC | 11,36 |
El biocombustible procedente de la transesterificación del aceite de Brassica carinata sin ácido erúcico, obtenido mediante la forma y parámetros que se explican en la presente invención, posee unas propiedades como combustible que lo convierten en adecuado para su uso en motores Diesel. En la Tabla 3 se recogen algunas de estas propiedades y se comparan con el valor exigido por la normativa europea de gasóleos EN 590, así como con la propuesta de normativa europea de biogasóleos, denominada prEN 590.
TABLA 3 Propiedades del biocombustible de aceite de Brassica carinata sin ácido erúcico | | | | |
| Propiedad | Unidad | prEN 590 | EN 590 | Biocombustible de aceite |
| | | | de Brassica carinata |
| | | | sin ácido erúcico |
| | | | |
| Índice de acidez | MgKOH/g | < 0,5 | - | 0,1 |
| Densidad a 15ºC | kg/m3 | 860-900 | 820-860 | 888,8 |
| Viscosidad a 40ºC | mm2/S | 3,5-5,0(1) | 2-4,5 | 4,83 |
| Contenido de agua | mg/kg | < 500 | < 200 | < 50 |
| Destilación | | | | |
| Recogido a 250ºC | % vol. | - | < 65 | 0 |
| Recogido a 350ºC | % vol. | - | > 85 | 83,60 |
| Temperatura (95 % vol.) | ºC | - | 360 | 357,2 |
| Poder calorífico superior | MJ/kg | - | - | 39,55 |
| Número de cetano | | > 51,0(2) | > 46 | 56,9(2) |
| Punto de obturación | | | | |
| del filtro en frío | ºC | - | 0 (verano) | -9 |
| | | -10 (invierno) | |
TABLA 3 (continuación) | | | | |
| Propiedad | Unidad | prEN 590 | EN 590 | Biocombustible de aceite |
| | | | de Brassica carinata |
| | | | sin ácido erúcico |
| | | | |
| Punto de niebla | ºC | - | - | -9 |
| Punto de vertido | ºC | - | - | -6 |
| Residuo carbonoso | | | | |
| Conradson | % (p/p) | - | 0,15 | 1,73 |
| Corrosión al cobre | | | | |
| (3h a 50ºC) | º de corrosión | - | 1 | 1a |
| Punto de inflamación | ºC | > 101 | > 55 | 163 |
| Agua y sedimentos | % vol. | - | - | < 0,005 |
- Si el punto de obturación del filtro en frío es £ -20ºC, la viscosidad no debe superar 18 mm2/s.
- Se ha calculado el índice Diesel en lugar del número de cetano.
Las ventajas que supone su uso son diversas. Por un lado disminuyen las emisiones contaminantes, entre otras las de dióxido de carbono, paliando el efecto invernadero propiciado por los procesos de combustión, tanto en la industria como en automoción. Esto se debe a que el dióxido de carbono que se emite a la atmósfera, al quemar el combustible, lo fijaron previamente las plantas oleaginosas de Brassica carinata al hacer la fotosíntesis, con lo cual el ciclo del CO2 queda cerrado. Además, es muy biodegradable, con lo cual, en caso de vertido incontrolado, se degradará entre 4 y 5 veces más rápido que el gasoil. Esto lo convierte en combustible especialmente idóneo para utilizar en zonas protegidas o más sensibles, como los parques naturales, áreas mineras, marítimas, etc. Además, también conlleva una reducción de las enfermedades cardiovasculares, respiratorias y de cáncer propinadas por la combustión de gasoil en motores Diesel. Por otro lado, se elimina el riesgo de erosión y pérdida de suelo que conlleva la implantación de tierras de retirada, según exige la Política Agrícola Comunitaria (PAC) en la UE a los agricultores que deseen percibir subvenciones por los cultivos COP (cereales, oleaginosas y proteaginosas). De no cultivar este porcentaje de las tierras, estos terrenos de retirada estarán más expuestos a las inclemencias climáticas, con el consiguiente riesgo de erosión y posterior pérdida de suelo, entre otros efectos devastadores. Puesto que la PAC contempla el desarrollo de cultivos no alimentarios en estas tierras de retirada, la implantación de plantas de Brassica carinata con fines energéticos es una alternativa que, no sólo evitaría los problemas relatados previamente, sino que incrementaría la renta del agricultor. Además, el proceso de elaboración del biocombustible crearía nuevos puestos de trabajo, a la par que disminuiría las importaciones petrolíferas del país que desarrolle estos biocombustibles, que sería autosuficiente en el porcentaje producido.
Por otro lado, según se desprende de la Tabla 3 relativa a las propiedades como combustible, no hay riesgo de corrosión del sistema de alimentación del motor gracias a su escaso índice de acidez y contenido de agua. Además, su manejo y transporte son seguros, avalados por su elevado punto de inflamación. En cuanto a la viscosidad, ésta presenta un valor suficientemente reducido como para asegurar que la pulverización y atomización serán adecuadas, con lo cual el motor no se verá dañado por formaciones carbonosas excesivas en los inyectores. Su quemado y evaporación son correctos, según se desprende del estudio de la curva de destilación. Por otro lado, el valor que muestra el índice de cetano indica que el combustible detonará fácilmente cuando sea requerido y además, en cuanto a su contenido energético, su contenido es suficiente como para proporcionar un buen rendimiento del motor que lo utilice. Respecto a su comportamiento en frío, aspecto que convierte su uso en especialmente preceptivo en países nórdicos o durante el invierno, no supondrá ningún problema según muestran los parámetros correspondientes al punto de obturación del filtro en frío, punto de niebla y de vertido. El residuo carbonoso Conradson es más elevado que el que exige la normativa europea de gasóleos EN 590, aunque es un parámetro que no contempla la normativa europea de biogasóleos prEN 590, con lo cual no es excesivamente determinante. Este valor indica que las formaciones carbonosas serán superiores a las generadas al utilizar gasoil, requiriendo, por tanto, aumentar la frecuencia de limpieza del interior del motor.
