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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA
“Influencia de la actividad catalítica del metóxido de calcio, en la síntesis de biodiesel a partir de aceite de palma”
AUTORES:
Adauto Terrones Mónique Ethel
Walter David De La Cruz Zavala
ASESOR: DR. Wilson Reyes Lázaro
TRUJILLO-PERÚ
2012
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
I. GENERALIDADES
Título: “Efecto de la actividad catalítica del metóxido de calcio, en la obtención de biodiesel a partir de aceite de palma”
1. Tipo de investigación:
Investigación Aplicada
2. Nombre de los TESISTAS:
NOMBRE DEL TESISTA 1 Adauto Terrones Mónique Ethel
Código: 051604407
Teléfono: 949541107
Email: [email protected]
Dirección: Av. Perú Mz.9- Lt19 –La Esperanza.
NOMBRE DEL TESISTA 2 De La Cruz Zavala Walter David
Código: 0511600507
Teléfono: 044-400052
Email: [email protected]
Dirección: San José 1897 -El Porvenir
Página 1
3. Asesor:
NOMBRE DEL ASESOR Wilson Reyes Lázaro
Grado Académico Doctor en Medio Ambiente
Título Profesional Ingeniero Químico
Dirección Laboral Mz. N´-2 Monserrate 4ta Etapa- Trujillo
4. Lugar de Ejecución del Proyecto
Sede de la UNTLaboratorio de Investigación Nº 4Laboratorio de Química Física
En el área del Departamento de La Libertad TrujilloEn otros lugares
5. Presupuesto:
5.1.1.1 Bienes
5.1.1.2 Bienes Disponibles
5.1.25.1.35.1.4
Página 2
Partida Descripción Monto(S/.)
2.1.21.1. 99 Bienes de consumo: Alimentos, bebidas, otros 300.00
2.1.21.21 Pasajes y gastos de transporte: Local 600.00
5.3.11.49 Materiales de escritorio 100.00
2.3.18.21 Materiales de Laboratorio 1000.00
2.6.32 Equipamiento y bienes duraderos: Laptop Acer Core I5 2500.00
SUBTOTAL 4500.00
5.1.5
5.1.6 Bienes No disponibles
5.2 SERVICIOS
5.2.1 Servicios Disponibles
Página 3
Partida Descripción Cantidad Costo Unitario(S/.)
Monto(S/.)
2.3. 1.11 Bienes de consumo:CD’s,ImpresionesCuadernosLapicerosPapel Bond 80 g A-4Plumón marcador indelebleLápizEmpastadosUSB 16 MB
10 unid1 millar03 unid10 unid
2 millares05 unid03 unid10 unid01 unid
1.000.1012.003.0030.004.001.0012.0040.00
10.00100.0036.0030.0060.0020.003.00
120.0040.00
2.3.12.11 Vestuario, accesorios y prendas diversas: Mandiles 03 40.00 120.00
2.3.18.21 Reactivos:Óxido de calcio, Q.P.Metanol, Q.P.ToluenoXylolAceite de palma
I.0 kg10.00
L2.00L2.00L20L
80.0080.0090.0080.006.00
1360.00
SUBTOTAL 1899.000
Partida Descripción Monto(S/.)
2.3.22.11 Servicio de luz y energía eléctrica 200.00
2.3.22.21 Servicio de telefonía móvil 300.00
2.3.22.22 Servicio de telefonía fija 200.00
SUBTOTAL 700.00
5.2.2. Servicios no disponibles
5.3 Resumen
Presupuesto5.3.1 Recursos Disponibles
Página 4
Partida Descripción Monto(S/.)
2.3.27.1 Servicios de consultoría 1500.00
2.3.27.2. 99 Contratación con empresas de servicios (análisis) 2000.00
2.3.22.44 Otros servicios a terceros: tipeos, fotocopias 400.00
SUBTOTAL 3900.00
Partida Descripción Monto(S/.)
2.3.11.11 Bienes de consumo 300.00
2.1.21.21 Pasajes y gastos de transporte local 600.00
2.3.15.1 Materiales de escritorio 100.00
2.3.18.21 Materiales de Laboratorio 1000.00
2.6.32 Equipamiento y bienes duraderos 2500.00
2.3.22.11 Servicio de luz 200.00
2.3.22.22 Servicio de telefonía fija 200.00
2.3.22.21 Servicio de telefonía móvil 300.00
SUBTOTAL 5200.00
5.3.2. Servicios no disponibles
Página 5
Partida Descripción Monto(S/.)
2.3.11.11 Bienes de consumo 400.00
6.5.11.48 Material de Laboratorio 400.00
6.5.11.33 Servicios de consultoría 1500.00
6.5.11.34 Contratación con empresas de servicios (análisis) 2000.00
6.5.11.39 Otros servicios a terceros: tipeos, fotocopias 400.00
SUBTOTAL 4700.00
TOTAL PRESUPUESTO MONTOS/.
DISPONIBLE 5200.00NO DISPONIBLE 4700.00
TOTAL 9900.00
6. Duración del Proyecto
Inicio: Enero 2013
Término: Agosto 2013
7. Cronograma de Trabajo:
ETAPAS Fecha Inicio Fecha Término Dedicación semanal
Recopilación de datos 20 Enero 2013 20 Febrero 2013 10 horas
Experimentación y Análisis de Datos 21Febrero 2013 30 Junio 2013 35 horas
Redacción del Informe 1 Julio 2013 30 Agosto 2013 10 horas
8. Recursos Disponibles:
8.1 Personal:8.1.1 Autores:
Est. Walter David De La Cruz Zavala Est. Monique Ethel Adauto Terrones
8.1.2 Asesor:Dr. Wilson Reyes Lázaro
8.1.3 Técnicos:Ms. Isidoro Valderrama RamosMs. Jorge Mendoza Bobadilla
8.2 Materiales y equipos:
1 Balón 500ml pyrex1 Agitador magnético 1 Matraz de Erlenmeyer pyrex 500mL1 Pera de separación pyrex 500mL2 Vasos de precipitación pyrex de 250 y 500mL
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2 Buretas de 50 mL2 Probetas de 100 mL3 Vasos de precipitación pyrex de 1000 mL1 Pizeta 250mL1 Varilla de agitación de vidrio1 Mufla, máx. 1200⁰C1 Cocina eléctrica1 Equipo de destilación a reflujo
Refrigerante Liebig Balón de tres bocas 500mL Tuberías de goma Soporte universal. Pinzas, 8 unidades
1 Bomba calorimétrica 1Equipo de Destilación ASTM1 Viscosímetro Universal Hoepler1 Termostato con baño de recirculación1 Densímetro, digital. DMI 35 Rango: 0-3 g/cm3 1 Equipo Pensky Parten Copa Abierta1 Equipo de destilación a reflujo con separador de agua
8.3 Insumos y Reactivos:
Aceite de palma (100mL por ensayo)Oxido de calcio Q.P. 1 kgMetanol Q.P. 10 LTolueno Q.P. 2 LXylol Q.P. 2L
9. Financiamiento
9.1 Con recursos autofinanciado: S/. 4700
II. PLAN DE INVESTIGACIÓN
1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
El calentamiento global y el cambio climático amenazan seriamente la naturaleza humana
por lo que es necesario hacer esfuerzos para reducir las emisiones de efecto invernadero.
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Hoy en día mientras que los combustibles fósiles se van generando en el interior de la
tierra, las personas la consumen a un ritmo desmedido en la superficie de la tierra.
Las fuentes de energía renovables (RESs) contribuyeron con el 2% del consumo de energía
mundial en 1998. Las RESs están disponibles en la naturaleza. El aumento de los gases de
efecto invernadero supone el aumento del calor atrapado (o descenso del calor radiado
desde la superficie de la Tierra), con el consiguiente aumento de la temperatura terrestre.
La energía renovable es una energía limpia e inagotable; El beneficio más importante de los
sistemas de energía renovables es la disminución de la contaminación ambiental [1].
Debido a la crisis energética y el calentamiento global, en todo el mundo se
han centrado las investigaciones en relación al desarrollo de energías
renovables, como por ejemplo, energía solar [2], energía del H2 [4], y el biodiesel
[3,5,6].
La obtención de cadenas largas de ácidos grasos de éster alquílicos, es una de las
alternativas energéticas interesantes que se producen a partir de fuentes
renovables y proporciona combustión completa con la emisión de
contaminantes gaseosos menos perjudiciales para el ambiente [7]. El biodiesel
se produce a través de la reacción de transesterificación convencional de aceites
vegetales usando catalizadores homogéneos, como, NaOH, KOH [6,8]. El proceso
catalítico homogéneo sin embargo, ofrece algunas desventajas, tales como, una
gran producción de aguas residuales del proceso de lavado de los residuos de
catalizador y no reutilización del catalizador [9].
Alternativamente, es posible la utilización del catalizador heterogéneo que
podría solucionar algunos de los problemas presentados mediante la transesterificación
clásica [7, 10,11]. El proceso catalítico heterogéneo supera a aquel llevado a
cabo en fase homogénea, ya que los catalizadores sólidos pueden ser
fácilmente recuperados y, potencialmente, ser reutilizables además puede
operar a temperaturas moderadas (<250 ° C); Algunas ventajas de este combustible
son: punto de inflamación alto, buen poder lubricante y así sucesivamente [12,13]. Por otra
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parte, se informa de que las emisiones de monóxido de carbono y partículas se han reducido
al alimentar el motor con biodiesel [14-15].
La transesterificación es el término general que se utiliza para describir la clase
importante de reacciones orgánicas donde un éster se transforma en otra a
través del intercambio del resto alcoxi. La transesterificación en medio alcalino,
es la técnica comúnmente más usada ya que es el proceso ventajosamente más
económico. La reacción de transesterificación básica, implica retirar la glicerina de
los ácidos grasos con un catalizador tal como sodio o hidróxido de potasio, y la
sustitución con un alcohol anhidro, normalmente metanol [7].
El proceso de producción de biodiesel existente se caracteriza por la transesterificación
rápida. Por ejemplo, Freedman y col. informaron que el rendimiento de FAME producido
por transesterificación de aceite de girasol, en presencia de hidróxido de sodio al 1% se
disolvió en metanol a la temperatura de 333 K fue superior al 90% durante 0,1 h [17].
Además, un trabajo de investigación muestra que el 97% de aceite de palma se convirtió en
sus ésteres metílicos por la transesterificación catalizada por base en 306 K durante 1 h en
un sistema de flujo continuo de reacción [18]. Aquí, hay que señalar que el metanol es el
alcohol apropiado para la producción de biodiesel a partir de un punto de vista económico y
disponible [19]. Además, el metanol produce la velocidad de reacción mayor que el etanol
y propanol [20].
Sin embargo, para el proceso existente, estos son algunos de los problemas técnicos
surgidos en la costosa producción de biodiesel. El problema típico es una cantidad masiva
de las aguas residuales, debido a la purificación, para lavar el catalizador homogéneo de la
fase cruda con agua. Además, durante la operación de purificación se produce la
emulsificación de biodiesel, lo que provoca la obstrucción no sólo de la operación del
proceso, sino también pérdida de biodiesel.
Con el fin de resolver los problemas tecnológicos mencionados anteriormente, Kusudiana y
Saka [21,22], estudiaron un proceso sin catalizador en el cual el aceite vegetal fue
transesterificado con metanol supercrítico. Al cabo de sólo 4 minutos se convirtió el aceite
de colza en biodiesel, aunque se requiere alta temperatura (523-673 K) y alta presión (35-
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60 MPa) para la fabricación de metanol supercrítico. La transesterificación rápida es debido
a la gran solubilidad del aceite vegetal en metanol supercrítico y se intensificó la naturaleza
nucleófila del metanol supercrítico. Aparte del proceso de catalizador libre, el proceso
enzimático se puede aplicar a la producción de biodiesel [23,24,25]. El biocatalizador
“lipasa”, que es aceite vegetal, permite ser transesterificado en sus ésteres metílicos a
temperatura ambiente, se necesita más de 24 horas para lograr la conversión perfecta [26].
Una base sólida conduce a un proceso catalítico heterogéneo, que promete la producción de
biodiesel a costo razonable. Puesto que el catalizador base sólida es fácil de separar del
producto transesterificado, hay una cierta expectativa de que el sistema de reactor de lecho
fijo ventajoso para la operación del proceso sea aplicado a la producción de biodiesel.
Además, el catalizador en base sólida, se activa en la transesterificación a la temperatura
alrededor del punto de ebullición del metanol. Para el propósito de estudiar el proceso
catalítico heterogéneo, muchos investigadores han probado una variedad de base sólida
para la actividad catalítica.
Xie et al., prepararon potasio cargado sobre alúmina como catalizador base sólida y el
catalizador preparado se empleó en la transesterificación de aceite de soja a reflujo de
metanol [27]. Bajo la misma condición de transesterificación, se examinó la catálisis en
base sólida de óxido de magnesio-aluminio (Mg-Al) mixto, que fue preparado por
calcinación de la hidrotalcita correspondiente [28]. Shibasaki-Kitagawa y col., dilucidaron
una resina intercambiadora de aniones que cataliza una transesterificación de trioleína la
cual es un modelo de aceite vegetal [29].
Desde el punto de vista económico, hemos centrado nuestra atención en óxido de calcio
(CaO) como candidato para el catalizador en base sólida. Una fuente principal de óxido de
calcio es la piedra caliza que tiene las ventajas de una buena disponibilidad y bajo costo.
Además, el óxido de calcio se puede preparar a partir de los residuos de carbonato de
calcio, tales como conchas de moluscos. El uso de las materias de desecho no sólo es eficaz
en la mejora de la ventaja de costos de CaO como catalizador, sino también en relación con
el reciclado de los recursos naturales minerales.
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Además de la ventaja económica, el rendimiento superior catalítico del CaO se describe en
una serie de documentos de la revisión de la utilización de la base sólida para la reacción
catalítica heterogénea para producir biodiesel [30-33].
Además, hay un trabajo de investigación en la que el CaO se comparó con otras bases
sólidas a fin de comprobar el rendimiento superior catalítico [34]. CaO catalizador era más
activo en la transesterificación de aceite de soja con metanol que la resina de intercambio
amónico y el óxido de Mg-Al mixto. El potasio cargado sobre alúmina da como resultado
una transesterificación más rápida, pero muy inferior en la reutilización del catalizador
CaO. Las propiedades de los sitios básicos en la superficie de CaO de acuerdo con un
trabajo de investigación reportado por Iizuka et al., afirma que la catálisis en base sólida de
CaO se origina en su anión oxígeno superficial [35].
2. JUSTIFICACION
En la actualidad en muchos procesos químicos, se vienen investigando el uso de
sustancias amigables al medio ambiente. Dentro de ellos se encuentran la producción de
ésteres metílicos de ácidos grasos (FAMEs), que se ha convertido en muy atractivos
como biocombustible, debido a su beneficio ambiental debido a que emite menos
contaminantes al aire que el diesel, no es tóxico y es biodegradables, así
como se producida a partir de fuentes renovables de energía con alta
eficiencia: los rendimientos de biodiésel a partir de un estimado de 90% y 40%
más energía que la energía invertida en su producción.
Tal es así que en el proceso de obtención del biodiesel, actualmente se está estudiando
la posibilidad de sustituir a los catalizadores básicos en solución (catálisis homogénea)
por catalizadores básicos sólidos que sean ambientalmente manejables y que ofrezcan
similares o mejores rendimientos en la reacción catalítica de transesterificación (catálisis
heterogénea).
Dentro de los catalizadores que pueden sustituir a los catalizadores básicos en solución
son el óxido de calcio (CaO), óxido de magnesio (MgO), alúmina (Al2O3), óxido de zinc
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(ZnO), etc., debido a que poseen eficiente actividad catalítica y un mejor manejo para su
separación, ahorro en el uso de agua para separación de fases y disposición final,
inclusive pueden ser reciclados y reactivados para su reúso en el proceso.
3. PROBLEMA
¿Cómo influye la actividad catalítica del metóxido de calcio en la reacción de
transesterificación en la obtención del biodiesel?
4. HIPÓTESIS:
La superficie del CaO está formada por iones positivos y negativos. Los óxidos de metal se
comportan como aceptores de electrones y los oxígenos como iones negativos (aniones).
Esto tiene una gran influencia en la adsorción. En la metanólisis de los aceites, proporciona
los sitios de adsorción suficientes como para que el metanol reaccione rápidamente a ion
metóxido y este reaccione con la parte positiva; mientras que el oxígeno libre reacciona con
el hidrógeno. Luego los aniones del metóxido reaccionarán con las moléculas del
triglicérido para dar los ésteres de metilo. Por lo que la reacción está regida por las cargas y
la gran superficie del catalizador. Debido a esto la energía de activación aumenta y la
temperatura de activación disminuye además de realizarse de manera rápida. Con lo que el
catalizador no se disuelve si no que actúa como puente, resultando de manera sólida.
5. OBJETIVOS:
5.1 Objetivo General:
Mejorar el rendimiento de la reacción de transesterificación mediante el uso
de óxido de calcio, en la obtención catalítica del biodiesel.
Contribuir a una mejor disposición ambiental de los residuos en el proceso
de transesterificación.
5.2 Objetivos Específicos:
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Establecer valores óptimos de temperatura y tiempo de activación del catalizador.
Evaluar el rendimiento de la reacción catalítica Caracterizar el biodiesel obtenido.
6. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN:
6.1 Material de estudio: El CaO como catalizador.
6.2 Variables:
Independientes: Temperatura de activación, tiempo de activación, concentración,
Dependientes: Rendimiento de reacción de transesterificación.
6.3 Métodos y técnicas:
Identificar las propiedades química-físicas del catalizador CaO.
Preparar y activar el catalizador CaO a una temperatura y tiempo
determinado.
Pesar una cierta cantidad de catalizador activado, aceite de palma y metanol
para hacerlos reaccionar a condiciones de estudio.
Separamos el biocombustible de los subproductos mediante filtración para
los sólidos y luego extracción de agua con solventes.
Analizar el biodiesel obtenido de acuerdo a los estándares ASTM
establecidos, en sus propiedades de punto de inflamación, viscosidad,
arrastre por vapor, etc.
Identificar la cantidad óptima de catalizador a usarse en las reacciones de
transesterificación.
Determinar la eficiencia de conversión de la reacción de transesterificación
6.3 Tamaño de la muestra
De la población de los aceites se encuentra el aceite de higuerilla, coco, palma,
girasol, maní, jatropa, soya, aguaje y sacha inchi entre otras se ha seleccionado el aceite de
palma por su mayor rendimiento y eficiencia en esta reacción, siendo además incentivado el
cultivo de esta planta.
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El análisis estadístico se realizará mediante el programa Excel y la selección de
datos con el programa minitab.
7. POSIBLE CONTRIBUCION E IMPACTO
El método alternativo que se está proponiendo para la transesterificación, es
usar un catalizador sólido. Los catalizadores sólidos tienen la ventaja
general de fácil separación del medio de reacción además de ser reusables;
La catálisis heterogénea se considera como un proceso verde.
El proceso no requiere la separación del catalizador disuelto, haciendo la
purificación del producto más simplificada y se obtienen rendimientos
teóricos muy altos de la conversión del biodiesel (cerca al 95%). Además la
glicerina que es uno de sus sub-productos se obtiene con un muy alto nivel
de pureza (por lo menos del 98%) y está exenta de cualquier sal y de
contaminantes, habiendo de allí un ahorro en el lavado con agua para la
separación de estos contaminantes.
8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
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ADAUTO TERRONES MONIQUE DE LA CRUZ ZAVALA WALTER
REYES LAZARO WILSON
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