What is Biodiesel? (3 de 3)

Mucho más al detalle (3 de 3)

Bien: ahora un análisis más crítico sobre el empleo de lipasa inmovilizada para obtener biodiesel.
A CALB, la lipasa que más se utiliza en esto, le afectan dos cosas implicadas en la producción del biodiesel: el metanol y el glicerol.

Problema del metanol:
El metanol la inhibe o mejor dicho, el metanol no soluble la inhibe, y esto ocurre cuando sobrepasa una relación de 1:1 (mol:mol) con el aceite. Lo normal es poner algo más de 3:1, recordemos que por cada mol de ácido graso se necesitarían 3 de metanol. Habría mínimo tres soluciones: añadir metanol a medida que se consuma, añadir un disolvente que disuelva el metanol no soluble, no utilizar metanol.
Si se añade metanol, digamos cada 8 horas habría que añadir un extra económico para poner este sistema, no creo que suponga mucho gasto.
Si se añade otro disolvente el precio aumentaría, ya que suelen ser disolventes algo más caros (tampoco demasiado). El de mayores opciones es el t-butanol.
Si no se usa metanol, el siguiente candidato es el etanol, es algo más caro que el metanol pero es menos tóxico, no inhibe al enzima y es más “eco-friendly”. De todos modos el enzima CALB es un poco “especialito” y tienen más actividad con alcoholes secundarios como el 2-propanol o 2-butanol, la actividad aumenta bastante empleando éstos alcoholes, aunque son más caros y la proporción alcohol:aceite sería superior a 6:1.

Problema del glicerol:
El glicerol es muy denso y perjudicaría al enzima disminuyendo su actividad. Solución: o lavar el soporte con el enzima con t-butanol y otros disolventes o disolverlo durante la reacción empleando el t-butanol durante la reacción, u otros alcoholes que lo disuelvan, como los secundarios.

En resumen

Con todo esto, desde mi punto de vista, lo mejor es emplear CALB con alcoholes secundarios y quizás añadir t-butanol para aumentar la vida media del enzima. En catálisis alcalina la producción es de 100 kg/kg catalizador. Hay cálculos que concluyen que la lipasa tendría una productividad 74 veces mayor.
Hablemos de dinero: un precio de aproximadamente 1000 $ por cada Kg CALB (inmovilizado a una resina) en comparación con unos 0,62 $ para el NaOH junto con la productividad conduce a un costo enzimático de 0,14 $ por Kg de éster en comparación con los 0,006 $ por Kg de éster producido con NaOH. Una disminución del coste de compra del enzima a 44 $ por Kg, o una vida media en torno a 6 años harían que los enzimas fuesen competitivos a nivel económico.
La lipasa promete un aumento de producción, disminución en los tiempos de reacción y otros como un pre-tratamiento del enzima o mejoras en el diseño reactores pueden hacer una reacción libre de solventes en un futuro más o menos próximo, a nivel industrial.

What is Biodiesel? (2 de 3)

Tipos de producción de Biodiesel (2 de 3)

Dicho lo cual, hablaremos de la producción de biodiesel. Se habla de diferentes generaciones de biodiesel, y de ello depende la fuente de los triacilglicéridos, es decir los aceites.

• Primera generación: Aceites empleados en la industria alimentaria.

• Segunda generación: No influentes en industria alimentaria, como las microalgas (como las que Ainxi utiliza y tendrá algo que decir), aceites reciclables,…

• Tercera generación: Aceites producidos por organismos modificados genéticamente.

Actualmente los más empleados a nivel industrial son las de primera generación y los de segunda generación empiezan a abrirse paso, como habréis visto en los anuncios de Repsol.
Por otra parte como catalizador de la reacción, es decir para liberar los ácidos grasos del glicerol y alquilarlos se pueden emplear agentes químicos, físicos o biológicos.

• Químicos: se dividen en dos grandes grupos: métodos alcalinos y ácidos. Se usa metanol o etanol.

• Físicos: por ejemplo con ultrasonidos.

• Biológicos: empleando la lipasa.

Lo más utilizado en la industria son los métodos alcalinos, con NaOH o KOH generalmente. Los rendimientos son buenos pero los equipos empleados terminan corroyéndose y hay que hacer lavados, además las temperaturas de reacción son elevadas (entre 60 y 80 °C) y los procesos de recuperación del biodiesel son largos. El material crudo tiene mucha agua y es necesario un pre-tratamiento ácido para esterificar los ácidos grasos libres y evitar la formación de jabones. La cantidad de agua de lavado de una planta tradicional esta sobre las 0.2 toneladas por tonelada de biodiesel producido. Por lo que el tratamiento de estas aguas y su necesidad de re-uso son un problema energético y medioambiental.

Los métodos físicos no se emplean a nivel industrial.

La lipasa ofrece: más especificidad en la reacción, disminución de la temperatura de trabajo, menos costes en la recuperación del biodiesel, y no estropearía los equipos. Los enzimas no producen jabones y pueden esterificar los ácidos grasos libres y triglicéridos en un solo paso sin necesidad de pasos ácidos de lavado. Los problemas: su coste, bajo ratio de reacción y pérdida de actividad dentro de los 100 primeros días de operación. Por eso la importancia de inmovilizarlo para recuperar y aumentar su estabilidad y así reutilizarla.

Se recomienda el uso de aceites residuales, aunque desafortunadamente son más complicadas. La segunda generación de biodiesel con catálisis química de grasas animales residuales es de unos 55.000 metros cúbicos por año.

What is Biodiesel? (1 de 3)

Con esta nueva entrada pretendo hacer una revisión lo más crítica posible a la formación de biodiesel a nivel industrial empleando enzimas como catalizadores. Intentare hacerlo de la forma más amena posible para que todo el mundo lo entienda. Si queda alguna duda, no dudéis en preguntar. Lo hare en tres entradas, poco a poco: un poco de teoría, tipos de producción y cosas con más detalle hablando de aspectos económicos.

Un poco de Teoría (1 de 3)

Para empezar, ¿Qué es el biodiesel? Antes de contestar a esta pregunta diré que es un ácido graso. Un ácido graso es una molécula lineal que termina en un carbono, dos oxígenos y un hidrógeno (COOH). La molécula lineal está compuesta por átomos de carbono (a los cuales siempre les acompañan dos hidrógenos), lo más habitual es entre 4 y 20 carbonos. Por ejemplo el ácido oleico es un ácido graso de 18 átomos de carbono y se considera de cadena larga. En la imagen las bolitas grises son los átomos de carbono, las rojas los oxígenos y las azules los hidrógenos. Esta “torcido” por poseer un doble enlace (como los que explica Aprendiz en la Las hojas son verdes. 2ª Parte).

Bien, esta molécula es muy energética ya que contiene bastantes átomos de carbono y el organismo para obtener energía de los ácidos grasos va rompiendo los carbonos de dos en dos empleando enzimas. Los ácidos grasos proporcionan más energía que los azucares, pero su metabolización es más lenta, por eso el organismo emplea preferiblemente azucares y almacena los ácidos grasos. Para almacenarlos, lo más rentable es “empaquetarlos”, algo que parece lógico. La forma de hacerlo es utilizando glicerol.
El glicerol es una molécula lineal de 3 átomos de carbono, y a cada uno de ellos se puede unir un ácido graso. Si sus 3 átomos están ocupados por ácidos grasos hablamos de un triglicérido; si hay dos, un diglicérido; y si hay uno, un monoglicérido.

Entonces, cuando el organismo necesita ácidos grasos, rompe los enlaces formados (C-O-C), de ello se encarga la querida lipasa. La lipasa es un enzima, y los enzimas son catalizadores biológicos específicos de cada reacción. Otro catalizador de esta reacción también es el NaOH, la sosa, de esta reacción se han beneficiado mucho nuestras abuelas para hacer jabones.
Esta reacción, en la que se libera el ácido graso, ocurre en un medio acuoso. Si en lugar de agua ponemos un alcohol como el metanol (OH-CH3), hay nuevas posibilidades. Lo que interesa del metanol es su grupo CH3, ya que en presencia de éste, cuando la lipasa actúa liberando el ácido graso, es capaz de incorporarlo al ácido graso. Entonces, el ácido graso pasa a tener en su extremo, unido a uno de sus oxígenos un átomo de carbono con tres hidrógenos. Bien, pues esto es el biodiesel.
Ahora que sabemos un poco más definimos químicamente biodiesel como: ácido graso de cadena larga con una alquilación. Una alquilación es la unión de una cadena de átomos de carbono, en el caso del metanol sería un CH3 como ya hemos explicado, pero si por ejemplo ponemos etanol se añadirían dos carbonos (-CH2-CH3). Las propiedades son parecidas. Hay diferentes tipos de alquilación, las más comunes son las del metanol y etanol, y hablaríamos de metilaciones y etilaciones, respectivamente.

El caso es que no podemos emplear el aceite directamente como combustible porque es viscoso y poco volátil, es por eso que se alquila (unión de átomos de carbono) para hacerlo más volátil y menos viscoso.

Hasta aquí, la primera parte.
To be continued...