Revista Electrónica de Investigación de Tecnologías Educativas Vol. IV Núm 4 ISSN 2539-2506
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PRODUCCIÓN DE DIÉSEL RENOVABLE MEDIANTE HIDROTRATAMIENTO DE ÁCIDOS GRASOS
DERIVADOS DE RESIDUOS ANIMALES
___________________________________________________________________________________________________________________________________
Cristian Arias2, Pablo Muñoz2, Cesar Casas1, Edwin Palacios1, Leonardo Mujica1, Cristian Hurtado2.
1: Universidad de Cundinamarca. Docente Catedrático, Investigador, Fusagasugá, Colombia
2: Universidad de Cundinamarca. Auxiliar de Investigación, Fusagasugá, Colombia
* epalaciosy@ucundinamarca.edu.co
RESUMEN
A través de este proyecto se pretende generar un
biocombustible tipo diésel (energía renovable no
convencional) mediante un proceso de
producción mejorado, a partir de fuentes
biológicas, específicamente los ácidos grasos de
residuos grasos animales.
Se pretende dar a conocer de la manera más
clara posible las diferentes investigaciones,
artículos y patentes sobre la obtención de nuevas
alternativas de biocombustible que han sido
realizadas en el mundo, centrada y/o con una
mayor preferencia en latino América.
Si bien la cantidad de investigaciones o artículos,
es bastante extensa se pretende seleccionar los
mejores de estos para que así, se pueda conocer
las diferencias entre las energías convencionales
que son derivadas del petróleo o en su defecto el
mismo, con respecto a las energías
renovables, vegetal o de residuos grasos
animales, también las tendencias relacionadas
con la producción de biocombustibles.
Esto con el fin de demostrar que actualmente es
posible y se cuenta con la tecnología suficiente,
para hacer que estas energías sean más fáciles y
menos costosas de producir, y de esta manera
lograr la masificación del uso de estas fuentes
alternativas de energía.
Palabras clave: Energía Renovable,
Biocombustibles, Diesel Renovable,
Hidrotratamiento, Grasas Animales, Hidrolisis,
Catalizadores.
ABSTRACT
This project aims to generate a diesel type
biofuel (non-conventional renewable energy)
through an improved production process, from
biological sources, specifically fatty acids from
animal fatty residues.
It is intended to publicize as clearly as possible
the different research, articles and patents on
obtaining new biofuel alternatives that have been
carried out in the world, focused and / or with a
greater preference in Latin America.
Although the amount of research or articles is
quite extensive, it is intended to select the best
of these so that, in this way, it is possible to know
the differences between conventional energies
that are derived from petroleum or, failing that,
with respect to renewable energies. , vegetable
or animal fatty waste, also trends related to the
production of biofuels.
This in order to demonstrate that it is currently
possible and has enough technology, to make
these energies easier and less expensive to
produce, and thus achieve mass use of these
alternative sources of energy.
Keywords: Biofuels, Renewable Diesel, Hydro
Treatment, Animal Fats, Hydrolysis, Catalysts.
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Después de casi un siglo, donde el petróleo ha
predominado como fuente de energía y materia
prima para la producción de otros productos
químicos orgánicos, la demanda de este crudo
crece proporcionalmente a las necesidades de la
población. Sin embargo, en el futuro, esta
demanda creciente podría causar una reducción
continúa de yacimientos petrolíferos, obligando a
los países petrolíferos a redefinir sus estrategias
energéticas y replantear la explotación excesiva
del petróleo. Tales preocupaciones han originado
numerosas investigaciones sobre alternativas
confiables que suplan el uso de los combustibles
convencionales, buscando trabajar con una
materia prima renovable y abundante en el
planeta, para poder disminuir la demanda
energética limitada de fuentes petroquímicas.
Como alternativa a los combustibles fósiles,
han surgido los biocombustibles, que son
provenientes de fuentes renovables como aceites
vegetales o biomasa en general. Los primeros
tipos de biocombustibles que surgieron se
denominaron de "primera generación", o sea,
aquellos provenientes de materias comestibles
como maíz, caña de azúcar, o aceites vegetales,
entre otros. Al igual que los combustibles de
primera generación, los combustibles de
segunda generación también se producen a
partir de materias primas sostenibles, pero, en
este caso, estas materias primas no se usan
normalmente para el consumo humano. Las
materias primas no alimentarias de segunda
generación incluyen cultivos leñosos y residuos
agroindustriales. Por esta razón, se necesitan
tecnologías de conversión avanzadas en el
proceso, que es también la razón por la cual los
biocombustibles de segunda generación se
conocen como "biocombustibles avanzados". El
lado positivo de los biocombustibles de segunda
generación es la mayor eficiencia, ya que se
aprovecha la mayor parte de la materia prima
suministrada.
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Las características finales del biodiesel
dependen de la materia prima utilizada para su
procesamiento y generalmente está asociada a la
disponibilidad del recurso primario existente en
cada país. El costo de este biocombustible
dependerá finalmente de la capacidad de la
planta de producción, calidad de materia prima
utilizada, tipo de alcohol y catalizador. Sin
embargo, se puede partir de que el costo de
producción dependerá entre el 70% y el 90% del
costo de la materia prima.
Este problema técnico del biodiesel que limita las
mezclas con el diésel petroquímico es causado
principalmente por la formación de sedimentos y
nubosidades (hazes) en diferentes etapas del
proceso, transporte y el almacenamiento.
Una alternativa para obtener un biocombustible
que sea compatible con diésel petroquímico es el
hidrotratamiento para obtener diésel renovable o
green diésel. Este proceso lo que busca
básicamente es saturar por completo la
molécula, hidrolizar los triglicéridos y finalmente
eliminar el oxígeno presente en los ácidos grasos
y así finalmente tener hidrocarburos que se
puedan mezclar con el diésel en diferentes
proporciones.
En el contexto colombiano, el gobierno ha
impulsado el tema de los biocombustibles
mediante la implementación de leyes y
programas que impulsan su uso con fines
energéticos y de transporte. En el documento
CONPES 3510 [12] se presentan las directrices
orientadas a promover la producción de
biocombustibles en Colombia, proponiendo las
estrategias a seguir. Dentro de estas
estrategias se pueden resaltar: ‘’incorporar los
desarrollos previstos del mercado de
biocombustibles como una variable para la
planeación de la infraestructura de transporte,
definir un plan de investigación y desarrollo en
biocombustibles, armonizar la política nacional
de biocombustibles con la política nacional de
seguridad alimentaria y desarrollar acciones
específicas para abrir nuevos mercados y
diferenciar el producto colombiano en los
mercados internacionales’’.
También son de suma importancia para
nuestro país los planteamientos de proyección,
presentados en el PLAN ENERGÉTICO
NACIONAL (PEN) 2006-2025 [13], en donde se
propone elementos que sirven de orientación
para la toma de decisiones del sector energético
nacional con una perspectiva a largo plazo.
En primer lugar, para este proyecto se usará una
materia prima de bajo costo, las grasas de origen
animal provenientes de plantas de sacrificio del
departamento de Cundinamarca. Estas grasas
tienen alta disponibilidad comercial e industrial.
Actualmente el uso que se le da a esta materia
prima es principalmente en la elaboración de
jabones, la cual es una aplicación de bajo valor
agregado. Al hacer uso de esta materia prima se
estaría afectando positivamente la rentabilidad
del proceso de hidrotratamiento. Otro de los
costos que se debe reducir es el de los costos de
operación. El proceso que se propone involucra
una etapa previa de hidrolisis de las grasas, con
el fin de obtener ácidos grasos. Estos ácidos
grasos se someterán a hidrotratamiento para
obtener el diésel renovable.
Finalmente este proyecto busca estar enlazado
con la dinámica energética del país y las
proyecciones a futuro, en donde se busca obtener
biocombustibles de alta calidad y propuestas con
un alto componente innovativo, en el que se
busque ampliar la canasta de la materia prima
para los biocombustibles y obtener procesos
auto-sostenibles, íntegros y económicos.
Específicamente se buscará mejorar la economía
del proceso e impulsar este tipo de tecnologías
que ayudan a aminorar las consecuencias del
cambio climático, la dependencia que se tiene
frente al petróleo y la seguridad energética para
el país.
INTRODUCCIÓN
La grasa animal que se desecha producto del
tratamiento o acondicionamiento de la
explotación pecuaria constituye una materia
prima de bajo costo y con alta disponibilidad
en el departamento de Cundinamarca. De
acuerdo a la información reportada en la
literatura científica y técnica se pueden obtener
biocombustibles tipo diésel por reacciones de
hidrotratamiento, a partir de aceites vegetales,
grasas animales. La investigación propuesta
presentará un componente novedoso partiendo
desde los ácidos grasos de residuos grasos
animales buscando con esto: a) reducir tiempos
de reacción comparado con los procesos
convencionales; b) reducir gastos de energía en
el proceso, debido a que se pueden tener
condiciones de reacción menos drásticas que los
procesos de hidrotratamiento convencionales; c)
minimizar el consumo de hidrógeno en el
hidrotratamiento; d) el producto obtenido se
puede categorizar como un nuevo
biocombustible para realizar mezclas con
combustibles comerciales tipo diésel que
actualmente se emplean en el país y
complementarían o reemplazarían el empleo de
biocombustibles como el biodiesel (Metilésteres
de ácidos grasos).
El desarrollo del proyecto se realizará en cinco
etapas:
• Inicialmente se realizará la selección de la
materia prima a partir de una revisión
previa a nivel departamental de los residuos
grasos animales de acuerdo a su impacto
ambiental, oferta y disponibilidad. La
materia prima seleccionada será
caracterizada y acondicionada de acuerdo a
los requerimientos del proceso.
• En una segunda etapa se separaran los
ácidos grasos de la grasa animal
empleando un proceso de hidrolisis
ampliamente trabajado en la literatura
científica e industrial;
• En una tercera etapa se realizará un diseño
experimental factorial multinivel para
evaluar las reacciones de hidrotratamiento
de los ácidos grasos obtenidos en la
etapa de hidrolisis, empleando un
catalizador comercial de molibdeno
modificado con azufre.
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• En una cuarta etapa, se determinará el
grado de acondicionamiento necesario para
obtener un biocombustible que cumpla con
las especificaciones de calidad de un
combustible tipo diésel o sus mezclas con
productos tipo diésel comerciales, de
acuerdo a normatividad nacional e
internacional vigente.
• Finalmente, se desarrollará el diseño y la
implementación de un prototipo de planta
experimental para la obtención de diésel
renovable, además de un estudio de
mercado para identificar el potencial de
mercado a explotar más allá de la
temporalidad del proyecto.
METODOLOGIA
El proyecto tiene su enfoque en la producción y
síntesis de biodiesel a partir de residuos grasos.
En la figura 1 se observa una descripción simple
de la metodología utilizada.
Figura 1. Esquema general de la metodología
A continuación se describen por objetivo
específico las actividades planteadas.
1. Seleccionar y caracterizar la materia prima
más adecuada para este proceso que esté
disponible como residuo en el departamento de
Cundinamarca.
Primera Etapa
Se realiza la selección de la materia prima,
teniendo en cuenta aspectos como propiedades,
impacto ambiental, oferta y disponibilidad. La
cual será luego caracterizada según los
requerimientos con sus respectivos métodos de
ensayo: Índice de Yodo (ASTMD-5554), Índice
de Saponificación (ASTM D-5558), Porcentaje
de acidez (ASTM D-1980), Material
insaponificable (ASTM D-1965), Humedad
(ASTM D-4377) y Composición de ácidos grasos
(Cromatografía CG-MS).
2. Determinar las mejores condiciones de
síntesis para la obtención de los ácidos grasos
mediante hidrolisis de residuos grasos animales.
Segunda Etapa
Se realiza la transformación de los residuos
grasos animales (Triglicéridos) a ácidos grasos y
glicerol. El proceso experimental para la
hidrolisis de las grasas animales se realiza a
partir de condiciones tomadas de la literatura
[80–83]. La reacción se realizara en un reactor
batch de alta presión por 30 minutos, con
temperaturas entre 200 a 400 °C y manejando
una presión autógena que no debe ser mayor a
100 bares. La reacción se muestra en la figura 2.
Figura 2. Hidrólisis de gasas/aceites.
Los productos también se caracterizan según los
índices de la etapa 1.
3. Sintetizar y evaluar el desempeño de
catalizadores para la producción de
hidrocarburos tipo diésel mediante el
hidrotratamiento de los ácidos grasos derivados
de residuos animales.
Tercera Etapa
Con el fin de realizar el proceso mejorado de
hidrotratamiento, se realizan reacciones de
desoxigenación, empleando como materia prima
los ácidos grasos de la anterior etapa (Figura 3).
Figura 3. Hidrotratamiento de ácidos grasos
Como catalizador se empleara Níquel-Molibdeno,
el cual es comercial y esta soportado en sílice y
modificado con azufre.
Para estudiar la reacción de desoxigenación, se
evaluará un diseño experimental factorial 3^3
que incluye la modificación de 3 variables de
entrada.
Variables de entrada: Temperatura (tres niveles),
Presión (tres niveles) y Tiempo (tres niveles).
Total experimentos: 54 se incluyen los
duplicados
Variable de salida: Conversión y Pureza del
biocombustible obtenido. Los cuales se
estimarán a partir de cromatografía gaseosa.
Con esto se busca reducir gastos de energía del
proceso debido a condiciones de reacción menos
drásticas (menor presión, temperatura y tiempo),
reducir consumo de hidrogeno y categorizar
como un nuevo biocombustible no isomerizado
para realizar mezclas con combustibles
comerciales tipo diésel que se emplean en el país.
4. Analizar las propiedades de los
biocombustibles tipo diésel obtenidos.
El producto obtenido de esta etapa de
desoxigenación será caracterizado mediante la
medición de índices claves de calidad de
combustibles como los que se presentan en la
siguiente Tabla 6 de acuerdo a la tabla 3C
resolución 90963 del 10 de septiembre de
2014 que rige en el país:
5. Determinar el grado de mezcla para la
producción de un biocombustible a partir de
diésel y diésel renovable cuyas propiedades se
encuentren dentro de las especificaciones de
calidad establecidas en la normativa nacional.
Cuarta etapa
De acuerdo a los resultados de la caracterización
realizada en la etapa anterior se harán al menos
5 mezclas de los productos obtenidos con diésel
comercial (B2, B5, B8, B10 y B20) para
comparar la variación en las propiedades del
combustible mezclado. La caracterización de
estas mezclas se hará de acuerdo a los
parámetros de calidad con sus respectivos
métodos de ensayo : Azufre máximo (ASTM
D4294), número e índice de cetano mínimo
(ASTM D613), contenido de biocombustible
máximo, Corrosión al cobre (ASTM D130),
Gravedad API (ASTM D4052, ASTM D1298),
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Aguas y Sedimentos (ASTM D1796 ó ASTM
D2709), punto de fluidez máximo (ASTM D 97 ó
D5949), Punto de inflamación, Cenizas (ASTM D
482), Estabilidad térmica (ASTM D 6468) y
Estabilidad de oxidación (ASTM D 2274), entre
otros.
6. Diseñar un prototipo de planta experimental
para la producción de diésel renovable a partir de
residuos grasos.
7. Realizar estudio de mercado que permita
establecer el potencial de mercado a explotar
más allá de la temporalidad del proyecto.
Quinta etapa
• Recolección de Información. Análisis del
estado del arte (Publicaciones arbitradas),
análisis del Estado de la Técnica (Búsqueda
de Patentes), búsqueda de antecedentes,
caracterización de RSO, plaza de Mercado
Fusagasugá.
• Diseño e implementación del prototipo
Planta experimental para Producción de
diésel renovable mediante
hidrotratamiento de ácidos grasos
derivados de residuos animales, con miras
a postulación de modelo de utilidad ante la
SIC (Desarrollo de Hardware y de
Software).
• Verificación y Validación del Prototipo a
partir de realización de pruebas de
desempeño y análisis de los parámetros de
calidad del producto final, de acuerdo a la
normatividad vigente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tendencias en producción de ácidos
grasos por el proceso de
hidrotratamiento
El biodiesel o diésel verde como energía
renovable, que se presenta como alternativa del
diésel convencional a base de crudo de petróleo,
se convierte en un biocombustible impórtate para
la vigilancia de publicaciones, enfocada en los
procesos utilizados para su elaboración,
desarrollos tecnológicos, avances de innovación
para mejorar la calidad del producto y posibles
nuevos subproductos en su proceso de
producción.
En los desarrollos del biocombustible
encontramos que México es uno de los
principales países dedicados a la investigación
del desarrollo del mismo, junto con Colombia y
España. En la Figura 4 observamos el
comportamiento que las publicaciones sobre la
producción de biodiesel, el cual presenta unos
periodos de un alto número de publicaciones
cada 2 años aproximadamente además de tener
un promedio del 2010 al 2018 de 1 a 2 artículos
por año de publicaciones o artículos relacionados
con el diésel renovable y sus procesos de
elaboración.
Figura 4. Dinámica de publicaciones en artículos para
producto. 2010-2018
La dinámica de publicaciones nos ayuda a
identificar el potencial de desarrollo tecnológico
del producto, ya que podemos observar la
actividad por periodos que ha tenido la
investigación del proceso para obtener biodiesel.
En la Figura 5 tenemos la participación en la
publicación de desarrollo de biodiesel de los
principales países, que han desarrollado
investigaciones sobre la producción de este
biocombustible. México encabeza el índice de
participación con un 53% de las publicaciones de
este campo, seguido por Colombia con un 27% y
España con el 13%.
Figura 5. Participación de los países líderes en
publicaciones en artículos para producto. 2011-2018
La tabla 1 enseña el perfil de los principales
temas de interés o clúster de investigación, en el
clúster 1, se caracteriza por mostrar producto
obtenido después del proceso de
hidrotratamiento, el cual es Biodiesel o diésel
verde, ya que hay publicaciones que enfatizan la
producción de diésel tradicional con el proceso.
El clúster dos expone la dinámica de
publicaciones en las cuales se utiliza un
catalizador NiMo (Níquel-Molibdeno) o CoMo
(Cobalto-Molibdeno) soportado en zeloitas o
alúmina los cuales son los más comúnmente
usados para la producción de biodiesel, también
describen otros catalizadores no tan comunes.
El clúster tres se enfoca en la identificación de
las temperaturas utilizadas en el proceso de
producción de biodiesel, en este podemos
observar que está separado en rangos de
temperatura menor a 200°C de temperatura,
son común mente asociados a la materia prima
utilizada que en este caso serían los aceites
vegetales y aceites reutilizados para la
producción del biocombustible, en los rangos de
temperatura superiores a 200°C vemos que son
más relacionados a materias primas como lo
serian grasas extraídas de origen animal y crudo
de petróleo.
Los siguientes dos clúster que son los finales
están enfocados en ver las materias primas
utilizadas generalmente, entonces en el cuarto
clúster vemos que en 4 investigaciones se
relaciona la producción de biodiesel a las grasas
de origen animal, y en el quinto y último clúster
está dirigido a la producción de Diesel verde con
materia prima vegetal o aceites vegetales.
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Desarrollo e Implementación de un
sistema scada para la obtención de datos
cuantificables en el proceso de
producción de biodiesel a partir de
residuos animales.
Se opta por el desarrollo e implementación de un
sistema scada en la producción de biodiesel. para
el monitoreo y registro de variables implícitas
que influyen en el proceso de producción que se
obtienen en la producción las cuales se visualizan
en una interfaz gráfica realizada en node red el
cual es una herramienta de programación basada
en el flujo. La cual brinda un editor basado en
navegador que facilita la conexión de flujos
mediante una amplia gama de nodos en las
cuales se tienen en cuanta las variables, flujo,
temperatura, presión, rpm. Con el fin de entregar
datos cuantificables al productor que le permiten
encontrar el índice de extracción e índice de
producción contribuyendo con la mejora del
producto.
El sistema se divide en tres etapas:
Implementación de un módulo de
instrumentación el cual se encarga de la lectura
de las variables físicas en el proceso de obtención
del biodiesel. Envió de datos vía correo
electrónico el cual se encarga de la comunicación
entre el usuario y los datos obtenidos en el
proceso.
El control y procesamiento de datos este se
realiza mediante una raspberry pi 3 usando un
sistema operativo rasbian el cual es la base de
operación de todo el sistema, a su vez se brinda
visualización local y remota mediante una
interfaz HMI desarrollada en la herramienta
Node-red y el almacenamiento de los datos para
el registro histórico en una base de datos Mysql.
Lo cual nos brindaría un sistema de alta
estabilidad, robusto y de bajo costo de
implementación en la figura 6 observamos un
diagrama de proceso del sistema scada para la
obtención de datos para proceso de obtención de
biodiesel.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se espera que la ejecución a gran escala de este
proyecto le permita al país poder reemplazar el
biodiesel de metilésteres de ácidos grasos, pues
estos últimos tienen algunos problemas técnicos
que se deben tener muy presente a la hora de
evaluar el efecto que estos necesitan. Con el
desarrollo a futuro de una planta integral auto-
sostenible para la producción de bio-
hidrocarburos se contará con tecnología de punta
para obtener un combustible renovable de bajo
costo y alta eficiencia mecánica y ambiental.
La viabilidad técnica y económica de este
proyecto puede servir de punto de referencia
para presentar una alternativa combustible para
el país, que pueda en alguna medida reemplazar
el diésel petroquímico que se consume. Se
espera que los resultados proporcionen una
excelente alternativa para la disminución de
algunos contaminantes tales como los productos
azufrados que están en los combustibles diésel
de procedencia petroquímica.
A corto plazo, los grupos de investigación
participantes desarrollarán nuevos sistemas e
implementarán modificaciones a los procesos
convencionales en escala de laboratorio, lo cual
fortalecerá el conocimiento sobre los temas de la
investigación y favorecerán la implementación
de las tecnologías desarrolladas y apropiadas en
una mayor escala. Por otra parte, los desarrollos
a corto plazo en el laboratorio contribuirán a la
formación de masa crítica que apoyará la
investigación en etapas posteriores y a mayor
escala.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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