Transesterificación de aceites vegetales con metanol utilizando catalizadores mesoestructurados funcionalizados con grupos sulfónicos

Abstract

En los últimos años la demanda energética ha experimentado un rápido crecimiento debido al elevado desarrollo demográfico a nivel mundial. Esta demanda se ve satisfecha predominantemente por combustibles de origen fósil, sobre todo el petróleo, empleado principalmente en la obtención de combustibles para automoción. Sin embargo, el empleo de combustibles fósiles lleva asociados una serie de inconvenientes, entre los que destacan, en primer lugar, que no son renovables, por lo que se agotarán en un futuro; en segundo lugar está el hecho de la elevada dependencia energética que generan estas fuentes; y por último está la gran cantidad de sustancias contaminantes desprendidas en su combustión, como son los NOx, SO2 y CO2 en el caso de combustión completa y CO en el caso de combustión incompleta, así como hidrocarburos volátiles y otras partículas contaminantes. Estas sustancias son muy perjudiciales para el medio ambiente y contribuyen a empeorar el efecto invernadero. Por todo esto es necesario encontrar fuentes de energía limpias que suplan de manera eficaz a los combustibles fósiles paliando los efectos negativos provocados por estos, y cuyo origen sea renovable. Dentro de las energías renovables son destacables la energía solar, la eólica, la hidráulica y la biomasa, centrándose en esta última forma de energía uno de los grandes campos de investigación actuales, consistente en la obtención de biocarburantes como biodiésel y bioetanol. El biodiésel se perfila como el sustituto más inmediato de los actuales combustibles para automoción. Está compuesto por ésteres monoalquílicos de cadena larga y se obtiene a partir de la transesterificación de ácidos grasos, principalmente de origen vegetal. Es biodegradable por el medio ambiente y el CO2 derivado de su combustión es procesable, al menos parcialmente, por las plantas en su ciclo de vida. Su manipulación es más sencilla que la del diésel de automoción debido a su menor punto de ebullición, y posee mayor lubricidad. Como contrapunto está la competición con las materias primas del mercado alimentario. Actualmente existen numerosas tecnologías para la producción de biodiésel, pero la más empleada a nivel industrial consiste en la transesterificación de triglicéridos procedentes de aceite vegetal empleando metanol y catalizadores básicos homogéneos, tales como NaOH o metilato sódico. Sin embargo, existen una serie de inconvenientes que limitan este proceso, como son la generación de glicerinas de baja calidad como subproducto, la necesidad de etapas de separación posteriores a la síntesis, la no reutilización del catalizador y la imposibilidad de emplear materias primas con elevado contenido en ácidos grasos libres, pues son susceptibles de sufrir saponificación en catálisis básica y su uso requeriría etapas de pretratamiento. Para paliar esta serie de problemas se está estudiando el empleo de catalizadores ácidos heterogéneos, que pueden ser reutilizados y que no requieren etapas de separación posteriores al proceso de síntesis, reduciendo de manera significativa los costes de producción. En este contexto, el objeto del presente proyecto de investigación es la obtención de las condiciones de operación óptimas que maximicen el rendimiento a biodiésel en la transesterificación con metanol de aceite de palma crudo, empleando para ello catalizadores ácidos heterogéneos funcionalizados con grupos sulfónicos. Para la consecución de los objetivos es necesario ensayar varios tipos de catalizadores con el fin de determinar cuál es el más eficaz en la síntesis de biodiésel. El catalizador sintetizado muestra elevada actividad y estabilidad térmica en la reacción de transesterificación, frente a los catalizadores comerciales ensayados de naturaleza resinosa. A continuación se realizaron una serie de experimentos que determinasen las condiciones de mayor rendimiento de dos de las variables de influencia en la reacción de transesterificación: temperatura y relación molar existente entre los reactivos metanol y aceite de palma. Con todo esto se llevó a cabo un diseño de experimentos a 2 horas en el que se incluye la tercera variable de influencia: el porcentaje en peso de catalizador a emplear. Variando los parámetros de acuerdo a un diseño factorial se obtuvieron las condiciones de máximo rendimiento a biodiésel, así como la influencia e interacciones entre las diferentes variables del proceso. Finalmente se realizó el estudio del tiempo de reacción para obtener conversiones que se ajusten al mínimo exigido por ley. Mediante la representación de superficies de respuesta, obtenidas a partir del ajuste de los datos experimentales a un modelo matemático estadístico de segundo orden, se determinó que la temperatura es el parámetro que presenta una mayor influencia individual, interaccionando de manera significativa con la relación molar metanol: aceite. En cuanto a la carga de catalizador su influencia es mayor a temperaturas bajas, considerándose despreciable cuando el medio se encuentra a elevada temperatura. Los resultados del estudio de optimización determinan que el óptimo se da a una temperatura de 160º C, relación molar metanol: aceite igual a 30 y carga de catalizador del 5,1%, dando lugar a un rendimiento a FAME del 88%. El resultado obtenido en las condiciones óptimas no alcanza la especificación mínima de pureza de biodiésel requerida en la legislación, correspondiente a un 96,5 %. Mediante el estudio del tiempo de reacción se determinó que el tiempo mínimo para alcanzar dicha especificación, en las condiciones óptimas de reacción, son 4 horas.