Hckathon Ambiente

Fabricio Santarelli, Franco Artoni, Juan

Gonzalez Pacheco, Daniel Affronti

Fernando Lopez, Luis Cardozo, Micaela

Zamarian, Victor Perez Juarez, Nicolas

Rosso, Joseph Sanchez

Producción de Biocombustibles en Zonas Áridas

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Situación Problema:

Altos costos energéticos, asociado a la producción agrícola de pequeños

productores en Mendoza.

Resolución del problema:

Ante este escenario, surge la iniciativa de aplicar combustibles de origen vegetal como

aditivos y sustitutos de los combustibles fósiles. El principal problema de la producción de estos

biocombustibles es la necesidad de contrarrestar la deforestación de bosques y la competencia

con suelos de uso agrícolas que implica está actividad. Es por esto que se plantea como

alternativa el desarrollo de biocombustibles en zonas áridas (ya sea a partir de ciertas

oleaginosas o a partir de microalgas) y de esta manera contribuir no solo con la disminución de

emisiones de CO2, sino también desalentar la tala de bosques y el uso de terrenos que podrían

destinarse a actividades agrícolas y ganaderas.

Proyecto:

El proyecto propuesto para llevar adelante el desafío consta de los siguientes ejes:

I. Elección de la materia prima vegetal para el desarrollo de biodiesel.

II. Disposición de una planta de producción de biodiesel.

III. Determinación de los métodos y tecnologías a emplear en la siembra,

mantenimiento y cosecha del cultivo.

IV. Cultivo en pequeña escala para brindar soporte económico a pequeños

productores locales.

V. Adquisición de un banco de prueba (en la provincia o en la región) para

certificación del biodiesel producido.

VI. Abastecer el parque automotor de los productores locales con dicho biodiesel.

VII. Ampliar la escala de producción de manera tal de poder abastecer el parque

automotor municipal.

Análisis de los Ejes principales:

I. Dentro de la gran variedad de vegetales capaces de producir biodiesel hay tener

en cuenta las condiciones del suelo, precipitaciones y disposición de agua, y la

resistencia a heladas (dado que Mendoza es una región que experimenta heladas

en ciertas épocas del año).

Por lo tanto, las opciones que satisfacen las condiciones anteriormente

nombradas son: el topinambur (Helianthus tuberosus L.) y la colza (Brassica

napus); descartándose así las opciones de ricino y jatropha que pese a requerir

poca cantidad de agua y adaptarse a suelos con bajo nivel de nutrientes, no

resisten heladas.

En las siguientes imágenes se puede apreciar un cultivo de colza (izquierda) y las

flores de topinambur con sus tubérculos característicos (derecha).

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Detalles de técnicos de la colza (véase carpeta de campo)

Colza: Planta herbácea anual que se utiliza como oleaginosa ya que se extrae el

aceite de sus semillas.

- La colza es una crucífera de raíz pivotante y profunda. Cuando la raíz principal

encuentra obstáculos para profundizar, fácilmente desarrollara raíces

secundarias.

- El tallo es erecto con un tamaño de 1,5m aproximadamente.

- Las hojas son pecioladas. Las hojas inferiores se caracterizan por presentar un

margen dentado mientras que las superiores acorazonado.

- Las flores son pequeñas, amarillas y se agrupan en racimos terminales.

- Los frutos son silicuas y el número de granos por vaina es de 20-25 según la

variedad. Las silicuas maduras son dehiscentes, abriéndose las suturas con

golpes o al secarse al sol, cayendo los granos al suelo.

- Las semillas son esféricas, de 2 a 2,5mm de diámetro y, una vez maduras, su

color es castaño rojizo o negro.

Climas Templados, templados-fríos, húmedos

Rango de temperaturas

Inferiores a 25 oC durante el crecimiento Mayores a -3 oC desde germinación a estado de roseta Superiores a -15 oC alcanzado el estado de roseta Puede tolerar hasta 40 oC durante periodos limitados de tiempo en su fase vegetativa.

Suelos Arcillosos, arenosos, profundos limosos (no pueden ser suelos que formen costras) con pH optimo entre 6 y 7,5

Precipitaciones Entre 400 mm y 700 mm, siendo optimas entre 450 y 500 mm.

Riego Se recomiendan de 2 a 3 riegos con un total de agua aplicada entre 120-200 mm para un máximo rendimiento del grano. Aproximadamente el 30% del agua debe ser aplicada desde la nascencia hasta el inicio de la floración y, el 70% restante, desde el inicio de la floración hasta la maduración.

Otros condicionantes

Sufre con los encharcamientos. No convienen temperaturas elevadas en la floración

Ventajas Bastante resisten a la salinidad de suelos y agua. Existen variedades genéticamente modificadas capaces de ser cultivadas y cosechadas en periodos libres de heladas.

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Rendimiento en biodiesel

1100 litros/ha

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Detalles del topinambur:

Planta perenne que mide de 0,5 a 2 m de altura, sus tallos son erectos, hispidos/hirsutos.

Las hojas, pecioladas, son opuestas en la parte inferior del tallo, haciéndose alternas en la

parte superior. Todas son hirsutas/tomentosas en la cara inferior; son anchas y ovoide-

agudas con bordes dentados; las inferiores pueden medir 30 cm de largo, las superiores son

más pequeñas y estrechas. Las brácteas involucrales, en número de 20-35, son a menudo

de color verde oscuro; son de forma lanceolada y tienen los bordes ciliados y la caja exterior

hispido-puberulente y glanfífera. Receptáculo con escames tri-cuspidas, con el ápice

peludo.

La inflorescencia es una cabeza floral amarilla de 5 a 10 cm de diámetro con 10 a

20 lígulas de 2,5-4cm de longitud, de color amarillo intenso. Los flósculos alcanzan una

treintena y tienen el mismo color. Los frutos son aquenios muy parecidos a los del girasol: o

sea con un vilano de 2 aristas principales de 9-12mm y 1 o 2 más pequeñas de forma

deltoide.

Tiene un rendimiento de bioetanol por hectárea de 17000 litros de bioetanol. Se puede cultivar

en lodos cloacales y también es apto para cultivo en regiones con condiciones ambientales

exigentes (pocas precipitaciones, presencia de heladas). La planta de producción de bioetanol

se puede adaptar de una de biodiesel con el agregado de un fermentador.

II. La planta de biodiesel debe ser contemplada desde la molienda de las semillas de

colza y obtención del aceite hasta su posterior transformación en biodisel.

La American Standard for Testing and Materials (ASTM) define el biodiesel como

una mezcla de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados

de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplea en los motores

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de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas de calefacción. Un éster

monoalquílico es el producto de la reacción de un alcohol de cadena abierta no

ramificada, tal como metanol o etanol, con una grasa o un aceite (triglicéridos)

para formar glicerol (glicerina) y los esteres de ácidos grasos de cadena larga,

comúnmente definido como biodiesel. Los mayores componentes de un aceite

vegetal son los triglicéridos, también llamados "triacilgliceroles" en el caso de

grasa animal. Los triglicéridos son ésteres de glicerol con ácidos de cadena larga,

llamados usualmente ácidos grasos (fatty acids en inglés).

Reacción de transesterificación:

El biodiesel es producido mediante una reacción química denominada

transesterificación, en la cual los grupos alcoxi (grupos alquilo unidos a un átomo

de oxígeno R-O), que contienen los aceites y grasas (ésteres), son reemplazados

por los grupos alcoxi de un alcohol, formándose un nuevo éster (biodiesel) y un

nuevo alcohol (subproducto).

Las grasas animales y vegetales están formadas típicamente de triglicéridos, que

son ésteres de ácidos grasos libres con glicerol, con cadenas de entre 15 y 23

carbonos, siendo 18 el más común. Durante la reacción, el alcohol es

desprotonado (removido del catión hidrógeno de la molécula) con una base para

formar un nucleófilo (anión con un par de electrones libres) más fuerte. Como se

ve en el diagrama, la reacción no tiene otros reactivos más que el triglicérido y el

alcohol.

En condiciones ambientales normales, la reacción puede no ocurrir o hacerlo de

manera muy lenta. Se usa el calor para acelerar la reacción, además de un ácido

o una base que no son consumidos durante la reacción, es decir, son

catalizadores. Casi todo el biodiesel es producido a partir de aceites vegetales

vírgenes usando una base como catalizador debido a que es el método más

económico, requiriendo bajas temperaturas y presiones; y obteniendo una

conversión de alrededor del 98%. Sin embargo, hay otros métodos que usan

ácidos como catalizadores, pero son más lentos.

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Reacciones indeseadas

Tecnologías disponibles

En la actualidad existen diversos procesos industriales mediante los cuales se

pueden obtener biodiésel. Los más importantes son los siguientes:

1. Proceso base-base: mediante el cual se utiliza como catalizador un hidróxido.

Este hidróxido puede ser hidróxido de sodio o de potasio.

2. Proceso ácido-base: Este proceso consiste en hacer primero una esterificación

ácida y luego seguir el proceso normal (base-base). Se usa generalmente para

aceites con alto índice de acidez.

3. Procesos Supercríticos: En este proceso ya no es necesario la presencia de

catalizador debido a que se trabaja a presiones elevadas en las que el aceite y el

alcohol se encuentran en una sola fase (se hacen miscibles entre sí) y reaccionan

sin necesidad de que un agente externo, como el hidróxido, actúe en la reacción.

Además, tolera que la materia prima contenga agua y el paso de remoción del

catalizador es suprimido.

4. Procesos enzimáticos: En la actualidad se están investigando algunas enzimas

que puedan servir como aceleradores de la reacción aceite-alcohol. Este proceso

no se usa en la actualidad debido a su alto costo, el cual impide que se produzca

biodiesel en grandes cantidades. La enzima investigada es la lipasa, que la

producen los organismos vivos para degradar las grasas de los alimentos y así

poderlas absorber. El uso de esta enzima hace la reacción menos sensible a

grandes cantidades de ácidos grasos libres que son un problema en la producción

común.

5. Método de reacción ultrasónica: En el método reacción ultrasónica, las ondas

ultrasónicas causan que la mezcla produzca y colapse burbujas constantemente.

Esta cavitación proporciona simultáneamente la mezcla y el calor necesarios para

llevar a cabo el proceso de transesterificación. Así, utilizando un reactor

ultrasónico para la producción del biodiesel, se reduce drásticamente el tiempo,

la temperatura y la energía necesarias para la reacción. No sólo reduce el tiempo

de proceso sino también de separación. De ahí que el proceso de

transesterificación puede correr en línea en lugar de utilizar el lento método de

procesamiento por lotes. Los dispositivos ultrasónicos de escala industrial

permiten el procesamiento de varios miles de barriles por día.

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6. Método de microondas: Se está investigando actualmente el uso de hornos

microondas para proveer la energía necesaria en la transesterificación. Los

microondas proveen calor intenso concentrado que puede ser mayor que el

mismo dentro del recipiente en una reacción por lotes. Un proceso de 6 litros por

minuto con una conversión de 99% ha demostrado que consume un cuarto de la

energía requerida en el proceso por lotes. El proceso se encuentra aún en etapa

de desarrollo.

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Esquema de planta de producción de aceite de colza

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Diagrama de Proceso para la producción discontinua de biodiesel

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Diagrama de Proceso para la producción continua de biodiesel

Diagrama de flujo simplificado del proceso de transesterificación usando catalizador básico.

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Proceso general de obtención de biodiesel modelado en HYSYS

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III. El aspecto fundamental a la hora de la compra de maquinaria de siembra y

cosecha es el de poder movilizarla de una finca a otra en camión, de manera tal

que el traslado no resulte dificultoso ni implique costos mayores. Se debe tener

en cuenta que la escala inicial del proyecto es pequeña (entre 5 y 10 hectáreas

aproximadamente) y se debe contemplar las distancias de separación entre las

fincas de los productores que participen del proyecto.

Para tal fin se debe buscar de maquinaria con dimensiones reducidas que estén

presentes en el mercado.

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V. La adquisición de un banco de pruebas completo capaz de certificar un biodiesel

y los cortes B5, B10, B20 y B50, debería darse a través de un ente público

provincial o municipal debido a su alto costo de inversión. De esta manera los

distintos productores de biodiesel de la provincia o región podrían certificar

muestras de su producción y así comercializar su biodiesel certificado para

posicionarlo en el mercado.

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Datos sobre el biodiesel en Argentina

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Respuestas a preguntas propuestas:

¿Cómo la tecnología podría colaborar en aumentar la eficacia de los protocolos de acción ante eventos climáticos extremos?

Este proyecto desalienta la tala de árboles y disminuye la liberación de CO2, por lo tanto, contribuye a reducir el calentamiento global, principal causante cual ocasiona los desastres naturales conocidos, huracanes, tornados, inundaciones, sequías, etc.

¿Mediante qué desarrollo tecnológico se podría transmitir de manera efectiva, información vinculada al cambio climático a fin de promover la participación ciudadana y aumentar la concientización en relación a dicho fenómeno?

(Esta herramienta debería explicar el fenómeno del cambio climático y considerar a la población como un actor fundamental para aplicar medidas de adaptación y mitigación frente a dicho fenómeno.) El uso de biodiesel reduce el dióxido de carbono neto en un 78 por ciento comparado al diesel del petróleo. El ciclo de carbón cerrado del Biodiesel es la causa de esto. El dióxido de carbono lanzado a la atmósfera cuando se quema el biodiesel no constituye dióxido de carbono adicional a la atmósfera dado que durante el crecimiento del cultivo se fijó CO2 de la atmosfera para la producción de hidratos de carbono.

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El biodiesel es el único combustible alternativo que ha pasado en su totalidad los test sobre efectos a la salud del Acta de Aire Limpio. El uso de este combustible en un motor diesel convencional resulta en la reducción substancial de hidrocarburos no quemados, monóxido de carbono y partículas de materia en comparación con las emisiones del combustible diesel. Además, las emisiones de óxidos y sulfatos (mayores componentes de la lluvia ácida) del biodiesel son esencialmente nulas comparadas con el gasoil. Es por eso, que el proyecto no está solo destinado a la generación de una fuente renovable de energía (lo cual es beneficioso también), sino de concientizar a la población de su uso, y romper el paradigma actual de usar solo combustibles fósiles.

¿Qué aportes creativos brindaría el proyecto?

Promoción de energías renovables (método alternativo de energía), utilizando una

oleaginosa, que soporta diferentes condiciones climáticas, proporcionando abastecimiento

continuo de materia prima que no compita con los alimentos.

Evaluar diversos procesos, modelos tecnológicos y distintos insumos oleaginosos para la

elaboración del biodiesel, como fuente de energía.

Brindar el know-how de una planta de producción de biodiesel a precios accesible a

pequeños productores.

¿Qué beneficios a la sociedad se están aportando con este proyecto?

Implementación de modelos de gestión de los sistemas que aseguren la sostenibilidad

desarrollando capacidades locales.

En ciudades para reducir las emisiones de vehículos diésel y de esta manera mejorar la

calidad del aire en zonas urbanas.

También resulta un combustible ideal por sus bajas emisiones, en las áreas marinas, parques

nacionales y bosques. Por ejemplo: hay buques que utilizan cortes de biodiesel y de esta

manera reducir la contaminación en los mares, lagos y ríos (estos dos últimos son de

importancia para el hombre dado que el agua dulce es un recurso valioso actualmente para

el desarrollo de sus actividades)

La gran fortaleza que representa el biodiesel como combustible radica en su posibilidad de

generarse a partir de cultivos que en nuestro país se pueden sembrar, mantener y cultivar,

generando un rédito para el sector agrícola y consecuentemente un descenso del desempleo.

Reduce la liberación de gases de efecto invernadero y generadores de lluvia ácida, desalienta

la tala de árboles, con la consiguiente protección de comunidades aledañas a la zona.

Está libre de sulfuro, benceno y aromatizantes potencialmente cancerígenos, lo cual favorece

a la salud general de las personas.

¿Qué actores podrían brindarían soporte económico al proyecto?

INTA

INTI

Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sustentable

Gobiernos municipales y Gobierno Provincial

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Entes de financiamiento

¿Cuánto costaría el proyecto? ¿Qué ganancia generaría?

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Bibliografía:

https://spanish.alibaba.com/g/mini-combine-harvester.html

http://www.infoagro.com/documentos/el_cultivo_colza.asp

http://www.alhightech.com.ar/pdf/folleto-colza.pdf

http://190.224.160.59/granero/upload/informes2/verano.pdf

http://www.alhightech.com.ar/pdf/colzaDeVerano.pdf

http://www.alhightech.com.ar/pdf/colza_fundamentos-basicos.pdf

http://www.alhightech.com.ar/pdf/colza_fisiologia.pdf

http://www.alhightech.com.ar/manejo.php

http://www.rccostello.com/chemcad_chemcad.html

http://www.grimabiodiesel.com/

http://www.biodiesel.com.ar/

http://www.energia.gob.ar/contenidos/verpagina.php?idpagina=3818

http://www.albardonbio.com/novedades/el-precio-internacional-del-biodiesel-

registro-un-nuevo-minimo-historico

https://glp.se.gob.ar/biocombustible/reporte_precios.php

https://www.agroads.com.ar/seccion.asp?subcat=10&gclid=EAIaIQobChMIpM2x-

Kbe1gIVVAiRCh3hMQp4EAAYASAAEgJA6PD_BwE

DISEÑO CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE BIODIESEL por JÉRÔME HERVÉ LAMOUREUX

(Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas)

Chemical Process Design. Dimian & Sorin

Informe de los resultados de banco dinamométrico. INTA

Nuevo equipamiento para análisis de biodiesel. Wearcheck IBERICA