Optimización de la síntesis de biodiesel a través de nanotecnología - Rocío Deza - Yusef Saife Docente: Laura del Valle Pereyra Instituto Ntra ...

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Optimización de la síntesis de biodiesel a través de nanotecnología - Rocío Deza - Yusef Saife Docente: Laura del Valle Pereyra Instituto Ntra ...
Optimización de la síntesis de
    biodiesel a través de
       nanotecnología.
            Rocío Deza - Yusef Saife
        Docente: Laura del Valle Pereyra
      Instituto Ntra. Sra. de la Consolación
              Tafi Viejo , Tucumán
Introducción
Estamos convencidos que la nanotecnología es la ciencia del futuro ya que permite transformar las propie-
dades de la materia de pequeña a gran escala, y esta posibilidad genera un rango de infinitas aplicaciones para
la humanidad. El desarrollo de la nanotecnología ha permitido descubrir los cambios revolucionarios que sufre
la materia a escala nanométrica (10-9m). La física y la química clásica estudiaron la materia y sus propiedades,
y a partir de este estudio se desarrolló la tecnología que hoy conocemos. El cambio radical de las propiedades
de la materia a escala nanométrica (ya sean ópticas, magnéticas, químicas, eléctricas, etc.) supondría una total
revolución tecnológica gracias a la obtención de nanomateriales que podrían ser utilizados en cualquier área y
con cualquier fin, como por ejemplo para mejorar el rendimiento en la producción de biocombustibles, ya que
consideramos que su optimización es crucial para el desarrollo de las energías limpias.

Desde mediados del siglo XX, con el incremento de la población, la extensión de la producción industrial y el
uso intensivo de tecnologías, comenzó a acrecentarse la preocupación por el empobrecimiento de las reservas
de petróleo y el desgaste ambiental. Desde entonces, se promovió el desarrollo de energías alternativas basa-
das en recursos naturales renovables y mucho menos contaminantes, como la luz solar, las mareas, el agua, y
finalmente la bioenergía proveniente de los biocombustibles, tema en que nos centraremos.

Al comenzar esta investigación, nos contactamos con personas íntimamente relacionadas con dicha área en
nuestra provincia (Tucumán) y surgió la inquietud de conocer más la posible relación entre la nanotecnología
y los beneficios que podría aportar al campo de las energías alternativas (biodiesel).

 Somos conscientes de la crisis energética actual y como jóvenes nos sentimos en compromiso de participar de
forma activa para revertir esta situación, y en esta ocasión, observamos que la nanotecnología nos da nuevas
esperanzas para su mejor desarrollo.

Biocombustibles

Definición
Los biocombustibles o biocarburantes son aquellos combustibles producidos a partir de la biomasa (toda la
materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación
natural o artificial) y que son considerados, por tanto, una energía renovable. Se pueden presentar tanto en
forma sólida (residuos vegetales, fracción biodegradable de los residuos urbanos o industriales) como líquida
(bioalcoholes, biodiésel) y gaseosa (biogás, hidrógeno).

Historia
Los biocombustibles no son tan nuevos como se cree, sino que nacieron casi en paralelo con los combustibles
fósiles y los motores a combustión.

Hace más de 100 años Rudolf Diesel creó un prototipo de motor que utilizaba aceite de cacahuate o maní que
luego derivó en el gasóleo pero como el petróleo era más fácil y económico de obtener se comenzó a utilizar
este combustible fósil.
En 1908 Henry Ford en su modelo T usaba etanol en sus principios. Otro proyecto interesante para la época es
que la compañía Standard Oil en el periodo de 1920 a 1924 vendía una gasolina con un 25% de etanol, pero
los altos costos del maíz volvieron inviable económicamente este producto.

En la década del 30, Ford y otras personas trataron de reflotar la fabricación de biocombustibles por eso con-
struyeron una planta de biocombustibles en Kansas que elaboraba alrededor de 38.000 litros diarios de etanol
en base al uso del maíz como materia prima. En esta época más de 2000 estaciones de servicio vendían este
producto.

En los años 40 se debió cerrar esta planta ya que no podía competir con los precios del petróleo.

En la década del 70 como consecuencia de la crisis del petróleo, EEUU comienza nuevamente a mezclar gaso-
lina y etanol dando un importante auge a los biocombustibles, que no ha parado de crecer desde estos años
hasta la actualidad en este país pero también en Europa.

Hasta mediados de los 80 se trabajaba y experimentaba en biocombustibles de primera y segunda generación
basados en cultivos alimenticios, pero surgieron diversos sectores que advirtieron del peligro de utilizar ali-
mentos para fabricar combustibles.

Ante esta situación se comenzó a buscar materias primas alternativas que no afecten la seguridad alimentaria
como algas y otras vegetales que no son comestibles dando origen a los biocombustibles de tercera generación.

Materias primas para biocombustibles y sus derivados
Primera generación (tecnologías completamente comercializadas)

Materia prima                                      Derivado
Maíz, caña de azúcar, melazas y mijo               Etanol
Aceite de soja y otros vegetales, grasa reciclada, Biodiesel
sebo de res
Segunda generación (tecnologías incipientes para biocombustibles)

Materia prima                                      Derivado
Residuo agrícola, incluyendo rastrojo de           Metano, etanol celulósico
maíz, paja de trigo y arroz, estiércol y bagazo
(residuo de la caña de azúcar y tallos de sorgo)
Biomasa forestal, incluyendo residuos de la ex-    Etanol celulósico
plotación forestal, madera
Desechos de madera y terraplenes urbanos           Metano, etanol celulósico
Plantas herbáceas, caña de alpiste, sorgo azu-     Etanol celulósico
carado, alfalfa
Cultivos forestales de corta duración, incluy-     Etanol celulósico
endo sauce, álamo híbrido, pino álamo, pino
sicómoro, eucalipto

A continuación se desarrollará el tema del biodiesel ya que se encuentra con mayor potencial de desarrollo en
la provincia de Tucumán.
Biodiésel

Definición
El biodiesel es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites
vegetales o grasas animales, nuevos o usados, mediante procesos industriales de transesterificación. El pro-
ducto obtenido es muy similar al gasóleo obtenido del petróleo (también llamado petrodiesel) y puede usarse
en motores de ciclo diesel, aunque algunos motores requieren modificaciones.

Propiedades

                                                                 Límites

                                                        Míni-
Propiedad                              Unidad           mo              Máximo   Método de ensayo

Contenido en éster a                   % (m/m)          96,5 b                   EN 14103

Densidad a 15ºC c                      kg/m2            860      900             EN ISO 3675
                                                                                 EN ISO 12185

Viscosidad a 40ºC d                    mm2/g            3,50             5,00    EN ISO 3104

Punto de inflamación                   ºC               120      -               prEN ISO 3679 e
Contenido de azufre                    mg/kg            -                10,0    prEN ISO 20846

                                                                                 prEN ISO 20884

Resíduo de carbón                      % (m/m)          -                0,30    EN ISO 10370
(en 10% de residuo destilado) f

Índice de cetano g                                      51,0                     EN ISO 5165

Contenido de cenizas sulfatadas        % (m/m)          -                0,02    ISO 3987

Contenido en agua                      mg/kg            -        500             EN ISO 12937

Contaminación total h                  mg/kg            -        24              EN 12662
Corrosión de la tira de cobre          Clasificación                 Clase 1     EN ISO 2160
(3h a 50ºC)

Estabilidad a la oxidación 110ºC       Horas            6,0      -               EN 14112

Índice de ácido                        mg KOH/g                          0,50    EN 14104

Índice de yodo                         g de yodo/100g            120             EN 14111

Éster de metilo de ácido linoléico     % (m/m)                           12,0    EN 14103

Ésteres de metilo poli-insaturados i   % (m/m)                           1
(> = a 4 dobles enlaces)

Contenido de metanol                 % (m/m)                       0,20         EN 14110

Contenido en monoglicéidos           % (m/m)                       0,80         EN 14105

Contenido en diglicéridos            % (m/m)                       0,20         EN 14105

Contenido en triglicéridos j         % (m/m)                       0,20         EN 14105

Glicerol libre j                     % (m/m)                       0,02         EN 14105
                                                                                EN 14106

Glicerol total                       % (m/m)                       0,25         EN 14105

Metales del grupo I (Na+K) K         mg/kg                         5,0          EN 14108
                                                                                EN 14109

Metales del grupo II (Ca+Mg) l       mg/kg                         5,0          prEN 14538

Contenido de fósforo                 mg/kg                        10,0          EN 14107

Ventajas de su uso
El uso de biodiesel presenta ciertas ventajas:

    No contiene azufre y, por ende, no genera emanaciones de este elemento, las cuales son responsables
     de las lluvias ácidas.

    Mejor combustión, que reduce el humo visible en el arranque en un 30%.

    Reduce las emanaciones de CO2, CO, partículas e hidrocarburos aromáticos.

    Los derrames de este combustible en las aguas de ríos y mares resultan menos contaminantes y letales
     para la flora y fauna marina que los combustibles fósiles.

    Volcados al medio ambiente se degradan más rápidamente que los petrocombustibles.

    Su combustión genera menos elementos nocivos que los combustibles tradicionales.

    Es menos irritante para la piel humana.

    Actúa como lubricante de los motores prolongando su vida útil.

    Su transporte y almacenamiento resulta más seguro que el de los petroderivados ya que posee un punto
     de ignición más elevado. El biodiesel puro posee un punto de ignición de 148°C contra los escasos
     51°C del gasoil.

Se destacan también las ventajas de producir biodiesel en la Argentina. Entre ellas:

    La producción de oleaginosas en Argentina, principalmente soja, cubre la demanda que se necesita
     para la producción del biocombustible.
 Existen grandes superficies aptas para el desarrollo de cultivos oleaginosos siendo el producto de estos
  (aceites) el principal insumo para la producción del biocombustible.

 Con el desarrollo del biodiesel se podría originar mayor valor agregado al aceite, materia prima para
  la producción del biocombustible.

 Argentina es uno de los líderes mundiales en exportación de aceites vegetales.

 Gran mercado interno de consumo de combustible diesel.

 Posibilidad de emplear el biodiesel puro o combinado con el combustible fósil. Actualmente el gasoil
  es el combustible que lidera el consumo, con el 50,6% del total de combustibles consumidos. Esto es
  fundamental por la posibilidad que tiene el biodiesel de sustituir el gasoil o mezclarse con el mismo en
  la proporción que desee sin alterar el normal funcionamiento del motor. Por ejemplo, 20% biodiesel,
  80% gasoil.

 Compromiso del Gobierno Nacional en apoyar todo proyecto para producir biodiesel.

   Y más específicamente, se destacan las ventajas de producir biodiesel en Tucumán:

   Tucumán se encuentra a una altitud sobre el nivel del mar desde 350 a 750m, donde el área cañera
   abarca las latitudes 23*31’ a 27*40’. El cultivo de la caña de azúcar es uno de los más relevantes en
   nuestra provincia debido a la gran extensión de superficie que se destina a su cultivo y a su determi-
   nante incidencia agroindustrial y socioeconómica. Se cultivan 250.000ha que corresponden al 62 por
   ciento de la producción total del país, cifra que hace posible y rentable la producción de biodiesel por
   caña de azúcar.

   En cuanto a los cultivares de cañas de azúcar em-
   pleados en nuestra provincia, podemos decir que el
   espectro varietal, actualmente disponible, permite
   cubrir satisfactoriamente los ciclos madurativos
   desde las variedades extratempranas, tempranas e
   intermedias por unidad de área.

   Además, al promoverse el desarrollo de este biocombustible en nuestra provincia, se generarían más
                                                             Localización de los ingenios tucumanos
   puestos de trabajo y se mejoraría notablemente la condición ambiental permitiendo una mayor calidad
   de vida.

   Son también importantes los cultivos de soja tucumanos para la producción de biocombustibles.

   Desventajas
 Problemas en el arranque de los motores a temperaturas menores o cercanas a los 0 ºC para lo cual es
  necesario del uso de aditivos.
 Pueden presentarse inconvenientes de desecamiento de las conexiones o mangueras de caucho.

    Presenta un menor poder calorífico que el diesel (9% menos de energía por similar unidad de volumen

       Método de producción
Tradicionalmente el biodiesel se obtiene (junto con glicerina como subproducto) a partir del proceso de
transesterificación, esta reacción química se produce entre un aceite vegetal, un alcohol y un catalizador,
quien específicamente acelera la reacción entre triglicéridos presentes en el aceite que se combinan con alco-
holes dando como producto ésteres y alcoholes de composición química diferente. Los catalizadores usados
generalmente son sustancias alcalinas fuertes (KOH, NaOH), y también pueden usarse enzimas (como la
lipasa) para acelerar el proceso.

                                      *Proceso de transesterificación

       Procesos industriales para la obtención de biodiesel
       Los más importantes son los siguientes:

       1. Proceso base-base (utiliza como catalizador un hidróxido)

       2. Proceso ácido-base (utiliza como catalizador un hidróxido)

       3. Proceso supercrítico (no es necesaria la presencia de un catalizador porque la reacción se produce a
       presiones elevadas)

       4. Método de reacción ultrasónica (ondas ultrasónicas ocasionan la reacción)

       5. Procesos enzimáticos: se usan enzimas como catalizadores de la reacción aceite-alcohol. Este pro-
       ceso no se usa en la actualidad de forma comercial debido a su alto costo.

       La nanotecnología abriría una gran oportunidad para que los procesos enzimáticos puedan usarse a
       escala industrial. Nuestra provincia cuenta con una línea de investigación que consiste en la inmovili-
       zación de una enzima lipasa sobre un soporte nanométrico.

Existen en la actualidad diferentes métodos de inmovilización de enzimas que en función al mecanismo de
acción se dividen en cuatro grupos:

           •   Método por adsorción
•   Método de enlace covalente

            •   Método por enlaces cruzados y autoinmovilización

            •   Método de sistemas con membranas

Trabajar con enzimas inmovilizadas provee múltiples beneficios para los procesos industriales:

    •   Conveniencia: el proceso puede llevarse a cabo con pequeños aportes de enzimas, lo que facilita mu-
        cho el trabajo. Una vez terminado el proceso las mezclas de reacción contienen únicamente solvente
        y los productos de la reacción.

    •   Economía: la enzima inmovilizada es fácilmente removida de la reacción facilitando su reciclaje.

    •   Estabilidad: por lo general tienen más resistencia térmica y estabilidad operacional que las formas
        solubles de la enzima.

        Proceso de investigación en la provincia de Tucumán: inmovilización de
        una actividad lipasa sobre nanohilos de óxido de zinc (ZnO) para au-
        mentar la rentabilidad en la producción de biodiesel
Como introducción al trabajo debemos mencionar que los nanomateriales se clasifican, dependiendo del con-
finamiento de las dimensiones en: nanocristales, película o lámina delgada, y nanohilos.

Los nanohilos se consideran alambres con un diámetro del orden de los nanómetros, son piezas claves en los
diseños de nuevos dispositivos, sensores y soportes.

Los nanohilos de ZnO ofrecen interesantes propiedades electrónicas, electromecánicas y ópticas tal como
una alta reactividad superficial (catálisis, foto catálisis, celdas solares electrolíticas) que los hacen excelentes
soportes para reacciones enzimáticas.

Existen diferentes métodos para hacer nanohilos, el que se utiliza en este proyecto es el de crecimiento vapor
líquido-sólido (método bottom-up).

La formación de nanohilos de ZnO se produce a partir de una reacción en fase gaseosa, su crecimiento se
facilita por la presencia de una interface líquido/sólida. El diámetro de los nanohilos está determinado por el
de la partícula catalizadora, que asegura la obtención de Formación de nanohilos por método vapor-líquido-sólido nano-
hilos con tamaño uniforme. Las nanopartículas de oro                                                             pre-
sentes en un soporte inducen el crecimiento en una dimensión.
Una vez obtenido este soporte (nanohilos de ZnO) se procede a la inmovilización de la lipasa. Esta enzima es
la encargada de catalizar la reacción de transesterificación y para ello es aislada de un hongo, el Aspergillus
niger.

A continuación, la lipasa se inmoviliza sobre el nanohilo por el método de adsorción o de enlace covalente.

Adsorción: la enzima se une a través de interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals y/o puentes de hi-
drógeno. Los factores a controlar son a) el pH del medio, ya que controla en número y la naturaleza de las
cargas presentes en la superficie de la proteínas y la del soporte, b) la fuerza iónica, c) la rugosidad de la su-
perficie, el tipo y tamaño de sus poros que deben ser aproximadamente dos veces el tamaño del eje mayor de
la enzima. Este método se caracteriza por su bajo costo y preparación sencilla pero la unión entre el soporte y
la enzima es débil, lo que lleva a uniones poco estables y poco eficaces.

Unión covalente: este método se basa en la activación de grupos químicos del soporte para que reaccionen
con grupos funcionales de las enzimas. Este método presenta una serie de ventajas que lo hacen muy intere-
sante desde el punto de vista industrial: los derivados son sencillos de manipular, la carga de enzimas sobre
el soporte permanece constante después de la inmovilización, los derivados pueden utilizarse en diferentes
tipos de reactores y una mayor resistencia a la desactivación por el efecto de la temperatura, de los disolventes
orgánicos o del pH, al tener estabilizada su estructura terciaria. Como inconvenientes de este método se podría
mencionar la necesidad de conocer la densidad de grupos activos por unidad de superficies, ya que condiciona
el número de uniones enzima-soporte. Un número elevado de uniones puede afectar la estructura terciaria de
la enzima (su sitio activo) pudiendo perder parte de su actividad.

Una vez inmovilizada la enzima sobre el nanohilo, ésta puede reutilizarse hasta diez veces, lo que aportaría una
mayor optimización y rentabilidad en la reacción enzimática de transesterificación de biodiesel en Tucumán.

Fuentes y bibliografías citadas
J. M. G. Camús; J. A. G. Laborda. Biocarburantes líquidos: biodiesel y bioetanol. VT CEIM.

CUBERO SALMERON, José Ignacio; YANGUELA MORENO, María Teresa. La agricultura del siglo XXI.

DATTA, Sumitra; CHRISTENA, L. Rene; RANI, Yamuna; RAJARAM, Sriramulu. Enzyme immobilization:
an overview on techniques and support materials.

PEREZLINDO, Luis Daniel. Inmovilización de una actividad amilasa producido por Aspergillus niger
MYA135 sobre nanohilos de oxido de Zinc.

MEDINA, Alfonsina; TAGLIAPIETRA, Giuliana; EL GANDUR, Milagros; FUNICELLO, Solana. Biocom-
bustibles: una alternativa limpia para Tucumán. Año 2010.

www.equipoaponewen2.blogspot.com

www.wikipedia.com

www.todo-argentina.net

www.porquebiotecnologia.com.ar

http://www.madrimasd.org/
También puede leer