INTRODUCCIÓN

En la industria alimentaria actualmente se generan grandes volúmenes de aceite vegetal residual debido a la gran demanda que han provocado los productos fritos, constituyendo un problema desde el punto de vista medioambiental. Desde hace años se sabe que el aceite no puede ser reutilizado en la elaboración de alimentos, por este motivo el aceite empleado para frituras es desechado a los suelos, ríos, mares, entre otros, lo que provoca afectaciones al ecosistema. Según Gonzáles (2015), un litro de aceite comestible usado puede llegar a contaminar mil litros de agua. En Ecuador, se ha estimado que 54 % de los ciudadanos deposita el aceite en la basura, un 24 % lo bota a las quebradas o desagües, el 21 % lo utiliza como alimento para animales y el 1 % entrega a un gestor o lo deposita en un contenedor especial (Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, 2016), lo que deja en evidencia la problemática del poco tratamiento de estos residuos. Esta situación ha conllevado a que se trabaje en la búsqueda de alternativas para el uso de estos aceites. A nivel mundial, una solución a este problema es emplear este aceite para la obtención de biocombustibles.

En Latinoamérica se ha aumentado el interés por el uso y la generación de estos tipos de combustibles, generando fuentes de empleo y energía, de materias renovables, como es el caso por ejemplo de un investigador chileno; quien, por medio del aceite de cocina usado, ha logrado que funcione un automóvil de motor diésel. Los aceites procedentes de plantas generalmente contienen ácidos grasos, fosfolípidos, esteroles y otras impurezas. Para ello es recomendable no utilizarlos directamente como combustibles y así poder superar in- convenientes con el aceite, que en ocasiones debe sufrir una modificación química (Dávila et al., 2017).

Los combustibles fósiles han jugado un papel fundamental a lo largo de la historia supliendo las necesidades energéticas básicas del hombre. La demanda mundial de estos recursos no renovables se ha incrementado significativamente generando una fuerte dependencia y excesivo consumo de los mismos, causando daños considerables al medio ambiente (Guayara et al., 2017). En el Ecuador específicamente el uso de combustibles fósiles (petróleo) es la alternativa más empleada para la generación de energía correspondiendo un 89 % de la oferta de fuentes energéticas en el país (Llanes et al., 2017), donde queda en evidencia la falta de alternativas que reduzcan la dependencia hacia el consumo del petróleo. El biodiesel ha sido identificado como una de las opciones que puede reemplazar a estos combustibles. American Society for Testing and Materials (ASTM) define al “biodiesel” como un éster alquílico de ácidos grasos de cadena larga, obtenido por transesterificación de recursos renovables tales como aceites vegetales o grasas animales. En la reacción de transesterificación, una molécula de triglicérido reacciona con tres moléculas de alcohol para dar tres moléculas de monoésteres (biodiesel) y una de glicerol, como se ilustra en la Figura 1. El proceso de transesterificación depende de varios parámetros, tales como, materia prima, catalizador, alcohol, tiempo y temperatura de reacción, presión y velocidad de reacción (Saavedra et al., 2018).

Figura 1.
Reacción de transesterificación
(García et al., 2018)

La utilización de este biocombustible resulta ventajosa desde el punto de vista energético, y mucho más recomendable desde el punto de vista medioambiental. Las ventajas más evidentes del biodiesel es que se trata de una sustancia biodegradable, no explosiva, no inflamable, renovable, no tóxica, cuya combustión genera bajas emisiones de gases nocivos al momento de su combustión, en particular el dióxido de carbono (CO2), que es el principal causante del efecto invernadero (Gutiérrez, 2020). Según las proyecciones de emisiones de dióxido de carbono (CO2), para el año 2025 estas aumentarán entre 415 y 421 ppm. Por esta razón es necesario buscar alternativas de combustibles, y es ahí donde aparece el biodiesel, ya que genera menores emisiones a la atmósfera y es renovable, comparado con los combustibles de origen petroquímico (López et al., 2015). Además, en comparación con el diésel obtenido a partir de combustibles fósiles, el biodiesel posee mayor número de cetano, punto de inflamabilidad y mejores características lubricantes sin variantes en el calor de combustión (Llanes et al., 2017). Por lo mencionado anteriormente el presente trabajo tiene como objetivo obtener biodiesel (B100) a partir de la transesterificación de aceite vegetal de palma residual, para así mostrar nuevas alternativas para el tratamiento de estos desechos y contribuir a la remediación ambiental. Los resultados experimentales obtenidos en esta investigación serán comparados con los descritos en la norma ASTM D-6751, esta detalla las especificaciones que debe cumplir el biodiesel B100 según la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM), así como también en la norma EN 14214, establecida por el Comité Europeo de Normalización donde se describen las especificaciones y los métodos de prueba aplicados para el biodiesel y en la norma NTE INEN 1640 que detalla los requisitos de las gasas y aceites comestibles a base de aceite de palma según el Instituto Ecuatoriano de Normalización.

MATERIALES Y MÉTODOS

El presente trabajo se realizó con base en una metodología con un enfoque investigativo mixto, que nos permite implicar un conjunto de procesos de recolección, análisis y vinculación de datos cuantitativos y cualitativos en un mismo estudio o una serie de investigaciones para responder a un planteamiento del problema (Sánchez et al., 2020). Así como también por la naturaleza del presente trabajo no fue factible centrarse en una hipótesis como tal, sino en el planteamiento de objetivos en función de las problemáticas descritas anteriormente, siendo posible que este tipo de enfoque permita revisar los objetivos durante el desarrollo de las indagaciones (Ortega, 2018) y a su vez es un enfoque ideal para comparar y corroborar los resultados obtenidos con otros métodos e investigaciones.

Materia prima

En la presente investigación se llevó a cabo la obtención de biodiesel a partir de aceite residual vegetal de tipo restaurante. Dicha materia prima fue obtenida en un local de comida rápida de la parroquia Colón del cantón Portoviejo. El aceite de cocina usado se genera a partir de la fritura de alimentos, a altas temperaturas, su composición cambia junto con las propiedades organolépticas que afectan la calidad de los alimentos y del aceite. Hasta ahora, el proceso catalizado por álcali es una técnica viable para convertir el aceite usado en biodiesel como una alternativa para los problemas actuales de contaminación ambiental (Tovar, 2021). Así mismo se deben considerar desventajas y riesgos al momento de emplear este tipo de aceite como materia prima, los cuales son; su alto contenido de agua (provoca hidrólisis), ácidos grasos libres (provoca saponificación) y ciertas impurezas sólidas. Esto aminora el rendimiento del proceso de transesterificación y hace indispensable un pretratamiento del aceite antes de comenzar el proceso (Gutiérrez, 2020).

Parte experimental

Se empleó un proceso químico de modificación, mediante una reacción de transesterificación, el cual se resume en la Figura 2. Para llevar a cabo dicho proceso se recolectaron muestras de aceite reutilizado y se sometieron a un tratamiento previo de limpieza. Este procedimiento consistió en filtrar el aceite usando una malla de 6 μm de poro, con el fin de separar los residuos de alimentos presentes.

Para el proceso de transesterificación se utilizó metanol, debido a su bajo costo y a sus ventajas físicas y químicas; es polar siendo un alcohol de cadena corta, además, reaccionadamente con los triacilglicéridos y se disuelve fácilmente en álcalis (Castellar et al., 2014), en el caso del catalizador se empleó el hidróxido de sodio ya que este es uno de los reactivos que más se utilizan para la obtención de biodiesel a partir de aceites usados. Este método de catálisis consiste en disolver el catalizador básico en metanol para formar un metóxido. Las cantidades para las diluciones se determinaron por relaciones estequiométricas, siendo favorable para la reacción emplear una relación molar alcohol-aceite de 6:1, ya que se ha logrado determinar en diversas investigaciones que esta relación logra que la reacción se desplace hacia la formación de productos (García et al., 2018). Por otro lado, se empleó una relación en peso de hidróxido de sodio-aceite del 1 %. Se prepararon ocho muestras de aceite residual de 100 g cada una, estas fueron divididas en dos grupos; cuatro muestras sometidas a calentamiento hasta 50 °C y las otras cuatro sometidas a calentamiento hasta 60°C. Se preparó el metóxido empleando 1 g de hidróxido de sodio diluido en 27,53 mL de metanol por muestra. Se implementó un sistema de destilación al momento que empezó la reacción con el fin de recuperar el exceso de alcohol de esta. Cada muestra se sometió a calentamiento en una placa de calefacción de forma individual a las temperaturas correspondientes, luego se agregó el metóxido y se empleó un agitador magnético con una velocidad de 450 rpm, manteniendo la reacción durante diferentes tiempos por muestra, siendo estos 10, 30, 50 y 60 min. Mediante la revisión de diversas investigaciones se pudo observar que los mejores resultados en estas se obtuvieron empleando los mismos parámetros de temperatura y tiempo, por ello se definieron dichos parámetros para concluir de entre todos cuales son los más óptimos.

El biodiesel obtenido se depositó en un embudo de decantación por cada muestra donde se lo dejó en reposo por 24 h con el fin de que se separe el biodiesel de la glicerina, este quedó en la parte superior del embudo mientras que la glicerina en la parte inferior. Posterior a esto se decantó la glicerina la cual como subproducto generado se depositó en un recipiente color ámbar para nuevas investigaciones que pueden derivar a la caracterización y purificación de la misma para ser empleada en la fabricación de bioplásticos, cosméticos entre otros (Torres et al., 2019). El biodiesel fue lavado con agua destilada calentada a 70 ºC, para eliminar las impurezas químicas (gomas). Se empleó agua destilada ya que al ser un disolvente neutro no contamina el biodiesel con otras sustancias químicas (Alfoso, 2013). Esta agua de lavado se recolectó y se le dio un tratamiento de lecho filtrante con carbón activo para que la cantidad de contaminantes de la misma no sea excesiva (García, 2021). La humedad del biodiesel se eliminó sometiendo cada muestra a una temperatura de 115 °C, por el espacio de 1 h. Por último, se filtró el biodiesel obtenido usando un sistema de filtración al vació con un embudo de Buchner y papel filtro whatman del número 40, con el fin de eliminar la mayor cantidad de impurezas (Alfonso, 2013).

Figura 2.
Diagrama de proceso de obtención de biodiesel

Caracterización fisicoquímica del biodiesel

La caracterización del biodiesel se realizó a partir de la determinación de viscosidad dinámica, viscosidad cinemática, índice de acidez, índice de yodo, contenido de humedad y densidad. Los resultados obtenidos en estos análisis se compararon con los valores estipulados en norma ASTM D6751, con el fin de comprobar la calidad del biodiesel obtenido.

Densidad

Para realizar la determinación de la densidad, se utilizó el método del picnómetro que consiste en el cálculo de la densidad a través de la diferencia de peso entre la muestra y una sustancia de referencia en este caso agua destilada y dividiéndolo entre su peso como se muestra en la ecuación 1.

(1)

Donde:

m muestra: Masa del picnómetro con el biodiesel la muestra.

m p:Masa del picnómetro vacío

m H₂O: Masa de picnómetro con agua destilada.

𝜌H₂0: Densidad del agua

Viscosidad

Para determinar la viscosidad se utilizó un viscosímetro de Ostwald, del cual se obtiene la viscosidad dinámica expresada por la ecuación 2:

(2)

𝑛: Viscosidad dinámica.

𝜌: Densidad.

𝑡: Tiempo.

Con esta viscosidad dinámica y la densidad del producto se obtiene la viscosidad cinética como se muestra en la ecuación 3:

(3)

Donde:

𝜑: Viscosidad cinemática.

𝜇: Viscosidad dinámica.

𝜌: Densidad.

Índice de acidez

Para determinar el índice de acidez se pesó 2 g de la muestra y se midieron 10 mL de etanol, se procedió a homogenizar las sustancias y se agregó 3 gotas de fenolftaleína como indicador. Como sustancia titulante se empleó el NaOH y se procedió a titular la muestra tomando en cuenta el consumo del titulante. Para este análisis se emplearon las ecuaciones 4 y 5.

(4)

Donde:

cT: Consumo del titulante.

nT: Normalidad del titulante.

Eq: Equivalente químico del hidróxido de potasio.

Pm: Peso muestra.

(5)

Índice de Yodo

Para determinar el índice de yodo se pesó de 0,13 a 0,15 g de muestra la cual se diluyó en 20 mL de cloroformo, se homogeneizó y se empleó 15 mL del reactivo Wijs, se lo tapó con papel aluminio para impedir el contacto con la luz y se lo dejó reposar durante una hora dentro de la campana de extracción. Transcurrido el tiempo se agregó a cada muestra 20 mL de una solución de yoduro de potasio en 50 mL de agua destilada.

Finalmente se procedió a titular la muestra con tiosulfato de sodio hasta que el color amarillo de este pase a un color más claro, luego se añadió una pizca de almidón la cual provocó un color azul oscuro en la muestra y se siguió con la titulación hasta que este color pase a transparente. El cálculo del índice de yodo se realizó mediante la ecuación 6:

(6)

Donde:

V₁: Volumen de la titulación en mL del blanco.

V₂: Volumen de la titulación en mL de la muestra.

N: Normalidad de la solución titulante.

Pm: Peso muestra.

Humedad

Para la determinación de la hume- dad se utilizaron diferentes crisoles para cada muestra, donde se pesó el crisol con la muestra antes y después de ser llevado a la estufa por un tiempo de una hora a una temperatura de 100 °C. Para este análisis se empleó la ecuación 7:

(7)

Donde:

m₁: Masa del crisol antes de entrar en la estufa.

m₂: Masa del crisol a la salida de la estufa.

Rendimiento de biodiesel

Se procedió a pesar las muestras de biodiesel obtenidas, las cuales presentaron pesos similares por ello se empleó un valor de 63,01 g como masa del biodiesel obtenido y un valor de 100 g correspondiente a la masa de la muestra de aceite usado. Para el cálculo de este parámetro se empleó la ecuación 8 (Tovar, 2019):

(8)

Donde:

m_p: Masa de biodiesel obtenido

m_s: Masa de la muestra de aceite usado

RESULTADOS

En la Tabla 1, se reportan las propiedades fisicoquímicas del aceite vegetal residual empleado para la obtención de biodiesel. Se puede observar que varios parámetros obtenidos del aceite residual a una temperatura de 25 °C se encuentran entre los rangos estipulados en la normativa INEN 1640 de las propiedades fisicoquímicas que debe tener el aceite.

Tabla 1.

Propiedades fisicoquímicas del aceite residual a una temperatura de 25 °C

En la Tabla 2, se detallan las propiedades fisicoquímicas del biodiesel obtenido experimentalmente a una temperatura de 50 °C y diferentes tiempos de reacción. Esto con el fin de determinar a qué condiciones se obtiene un biodiesel de mejor calidad con valores de sus propiedades cercanos a los referenciales citados mediante la norma ASTM D-6751

Tabla 2.

Propiedades fisicoquímicas del biodiesel a una temperatura de 50 °C

Así mismo en la Tabla 3, se detallan las propiedades fisicoquímicas del biodiesel obtenido experimentalmente a una temperatura de 60 °C y diferentes tiempos de reacción. Con la finalidad de comparar los resultados obtenidos con los de la Tabla 2 para así determinar cuál es la temperatura y el tiempo óptimo para obtener un biodiesel de mejor calidad.

El rendimiento del biodiesel se obtuvo empleando la ecuación 8, dando como valor un rendimiento de 63,01%.

Tabla 3.

Propiedades fisicoquímicas del biodiesel a una temperatura de 60 °C

DISCUSIÓN

Es importante determinar las propiedades fisicoquímicas del aceite residual debido a que de esto depende la eficacia de la obtención del biodiesel. A simple vista el aceite empleado para la obtención del biodiesel presentó características tales como un color marrón oscuro, poco contenido de sólidos y un aspecto denso el cual se corroboró calculando la densidad del mismo, valor detallado en la Tabla 1, el cual sobrepasa los límites de la norma INEN descrita, esto debido a la saturación del mismo y por ende al mayor tiempo de calentamiento que ha sufrido el aceite (Sanaguano et al., 2019).

Como se observa en la Tabla 1 la viscosidad de este aceite (29,67 mm²/s) lo clasifica con grado de viscosidad ISO VG 32, cuyo valor puede oscilar entre (28-35 mm²/s), además esta magnitud se encuentra dentro del rango reportado por otros investigadores (García et al., 2018).

El índice de acidez promedio que se obtuvo como resultado en la Tabla 1 sobrepasa significativamente el valor de la norma, indicando que el aceite empleado presenta una cantidad considerable de ácidos grados libres, lo cual puede influir en la calidad del biodiesel obtenido, puesto que mientras más bajo sea este valor menos posibilidad existe de que reaccionen con el catalizador y disminuya la eficiencia de la reacción de transesterificación y así evitar realizar un pretratamiento ácido (Ramírez, 2018)

Por último, se puede observar que en la Tabla 1 el índice de la humedad es sumamente bajo, siendo este un resultado satisfactorio ya que la presencia de humedad en el aceite puede provocar la disminución del rendimiento en la reacción, debido a que el agua reacciona con el catalizador formando jabón afectando al producto que se desea obtener.

Uno de los parámetros más importantes en un combustible es la densidad, debido a la importancia en la combustión, todos los combustibles biodiesel independiente de producirse de aceites vegetales o grasas animales son densos y menos compresibles que el combustible diésel (García et al., 2018). Según los resultados obtenidos se puede observar que tanto de las Tablas 2 y 3 los valores de la densidad se alejan un poco de los resultados estipulados en la normativa ASTM D6751. El valor más cercano dentro de la norma es el de la muestra 4B, el cual prácticamente se encuentra dentro del límite dispuesto por la normativa.

Es muy importante determinar la viscosidad del biodiesel, debido a que los posibles inconvenientes que se pueden presentar en combustibles muy viscosos sean una combustión incompleta, la formación de depósitos carbonosos en boquillas de inyectores, mayor presión en inyección, mayor volumen de combustible inyectado, etc (Pérez et al., 2018).

Como podemos observar en la Tabla 2 la muestra que mejor resultado presenta es la 2A siendo su viscosidad (2,9079 mm²/s), en el caso de la Tabla 3 la muestra que mejor viscosidad presenta es la 4B siendo (2,496 mm²/s), encontrándose estos valores dentro de los limites estipulados en la normativa ASTM D-6751, debido a que mientras más alta es la viscosidad más interfiere con el proceso de inyección e induce a una insuficiente atomización del combustible (Pérez et al., 2018).

El valor del índice de acidez es un indicador de la calidad de la reacción de transesterificación, ya que cuanto menor sea la acidez del biodiesel, más eficaz habrá sido la reacción de transesterificación. El mejor resultado obtenido en la Tabla 2 del índice de acidez es de la muestra 3A de (0,27 mg KOH/g), en el caso de la Tabla 3 se observa que las muestras 2B y 3B poseen un valor de (0,561 mg KOH/g) siendo estos los resultados más favorables ya que indica una transesterificación exitosa, eliminando gran parte de los ácidos grasos libres (García et al., 2018).

Es importante medir el contenido de agua para determinar la vida útil del combustible, como se observa en la Tabla 2 las muestras que menor con- tenido de humedad presentan son 1A y 4A (0,03 %), en el caso de la Tabla 3 la muestra que presenta menor humedad es la 3B (0,03 %), estos valores se encuentran dentro del límite establecido en la normativa, siendo favorables ya que el exceso de hume- dad es perjudicial para los motores diésel y también afecta la estabilidad oxidativa del biodiesel (Sánchez, 2021).

En el índice de yodo en la Tabla 2 la muestra que mejor resultado presenta es el número 2 con un valor de (48,22 g yodo/100g) y en la Tabla 3 es la muestra 2 de (51,60 g yodo/100g) encontrándose dentro de los limites estipulados en la normativa EN 14214. Este parámetro es muy importante determinarlo ya que es influenciado grandemente por la oxidación del combustible, oxidación causada por la naturaleza del aceite residual, el cual al ser empleado numerosas veces para freír alimentos se va oxidando impidiendo la captación adecuada de yodo (Duartes et al, 2020).

El rendimiento teórico de la reacción empleada en esta investigación es de 99,47 %. Teniendo en cuenta que experimentalmente influyen factores que pueden generar impurezas al producto a obtener está justificado que estas impurezas afecten el rendimiento del biodiesel aminorándolo.

CONCLUSIONES

Se concluye que se obtuvo biodiesel (B100) a partir de la transesterificación del aceite vegetal de palma residual, obtenido de un local de comida rápida mostrando así que estos aceites empleados en su mayoría para las frituras pueden llegar a tener un uso que contribuirá a la remediación ambiental, evitando una inminente contaminación a causa del desecho estos aceites sin un tratamiento previo. El biodiesel obtenido se comparó con los valores permisibles dentro de las normas estipuladas con el fin de exhibir que el biodiesel obtenido en este trabajo cumple con dichas normativas corroborando la naturaleza del biocombustible.

Una vez que se realizó la caracterización fisicoquímica de cada muestra de biodiesel obtenido se puede visibilizar que los valores de densidad se alejan un poco de la norma establecida a excepción de la muestra 4B sometida a una temperatura de 60 °C durante un tiempo de 60 minutos donde la densidad es de 890,3 kg/m3, así mismo el índice de yodo en esta misma muestra es el más óptimo, sin embargo, el índice de acidez de la misma es alto y se encuentra al límite de la norma. Por otro lado, la muestra sometida a una temperatura de 60 °C durante un tiempo de 50 minutos presenta los mejores resultados en cuanto a parámetros como viscosidad cinemática, contenido de humedad y un índice de acidez adecuado dentro de la norma. Por ello se puede concluir en este trabajo que para obtener un biodiesel de óptima calidad usando aceite de palma residual es conveniente emplear una temperatura para el pro- ceso de 60 °C y un tiempo de reacción de 50 minutos.

Las investigaciones sobre la obtención del biodiesel se han enfocado en usar materias primas que tienen su vida útil intacta, como los aceites de piñón o de higuerilla, mas no en el uso de materias primas que ya cumplieron su vida útil y como desecho son un foco de contaminación grande para las fuentes de agua. Por ello esta investigación busca despertar el interés en el estudio de emplear los aceites comestibles usados para la obtención de biodiesel e ir optimizando dicho proceso para conseguir rendimientos mayores. Así se daría solución a dos problemáticas de contaminación actuales; reducir la contaminación por el desecho indiscriminado de aceites comestibles usados y reducir la alta dependencia hacia los combustibles de origen fósil.

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