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¿Qué es la transesterificación?

¿Qué es la transesterificación?

Reacciones

La obtención de biodiesel y de glicerina, como producto secundario, se produce gracias a la reacción de transesterificación o alcohólisis a partir de un aceite vegetal con un alcohol de cadena corta (metanol principalmente, aunque puede ser realizado también con etanol, propanol o butanol), mediante la presencia de un catalizador.

Los aceites vegetales y grasas animales están constituidos fundamentalmente por triglicéridos y, junto al alcohol adecuado (metanol generalmente), se obtiene la glicerina como subproducto y el éster (metiléster o éster metílico al emplearse metanol), que ya puede utilizarse como biocarburante. Se tiene la particularidad que la glicerina y el éster no son miscibles, no se agrupan, por lo que el rendimiento de la reacción comentada es cercano al 100 %.

Pero dicha reacción de transesterificación, que se lleva a cabo por la presencia de un catalizador, no se produce toda a la vez, sino que está formada por un conjunto de tres reacciones reversibles y seguidas, que esquemáticamente son:

  1. Triglicérido + metanol <-> éster metílico + diglicérido
  2. Diglicérido + metanol <-> éster metílico + monoglicérido
  3. Monoglicérido + metanol <-> éster metílico + Glicerina

Catalizadores

La reacción de transesterificación precisa de catalizadores, y estos pueden ser de varios tipos:

  1. Desde ácidos homogéneos (caso del ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico o el ácido fosfórico)
  2. Hasta ácidos heterogéneos (zeolitas, resinas sulfónicas, etc.)
  3. Básicos homogéneos (hidróxido sódico o potásico)
  4. Básicos heterogéneos (óxidos de calcio o magnesio, entre otros)
  5. Incluso enzimáticos del tipo lipasas.

De todos los comentados, los que más se usan a nivel comercial son los catalizadores homogéneos básicos, por ser los más eficientes y los que permiten operar en las condiciones mejores, ya que si se emplearan catalizadores ácidos serían necesarias temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos.

La única particularidad de los catalizadores básicos empleados es que obligan a que los triglicéridos tengan la menor cantidad posible de ácidos grasos libres para que con ellos no se formen jabones (por reacción de saponificación) bajo la presencia imprescindible del agua que pueda llevar el aceite, disminuyendo la cantidad de éster metílico producido y, por tanto, el rendimiento de la reacción de transesterificación.

Por este motivo, se recomienda, antes de comenzar con dicha reacción, evaporar todo el agua que pueda contener el aceite y eliminar los posibles ácidos grasos libres mediante una reacción de saponificación (en la que se haga reaccionar el ácido graso con el catalizador básico en presencia de agua, formándose también jabón), o una reacción de esterificación (en la que el ácido graso, bajo la presencia de un catalizador ácido, forma el éster metílico correspondiente).

Por tanto, las dos reacciones comentadas tienen la siguiente expresión:

  1. Reacción de saponificación (en presencia de agua): Ácido graso + hidróxido potásico --> jabón potásico + agua
  2. Reacción de neutralización (en presencia de catalizador ácido): Ácido graso + metanol --> Éster metílico + Agua

Variables

A la transesterificación, como reacción química que está condicionada por la presencia de un catalizador, le determinan una serie de variables:

  1. Acidez y humedad: la cantidad de ácidos grasos y de humedad en la muestra inicial son dos parámetros que determinan la viabilidad del proceso de transesterificación. Como máximo, el contenido de ácidos grasos no debe superar el 3 %. Por lo que respecta al contenido en agua de la muestra inicial, esta reacciona con los catalizadores formando jabones. En el caso de empleo aceites vegetales de bajo coste, estos pueden contener una cantidad importante de ácidos grasos.
  2. Tipo de catalizador y concentración: hay varios tipos de catalizadores. En función del tipo de materia prima a partir de la cual se quiera obtener ésteres metílicos, el tipo de catalizador será uno u otro. Es el caso, por ejemplo, del uso de catalizadores ácidos para cuando haya una cantidad importante de ácidos grasos libres y de alta humedad. Aceites con un 1 % de catalizador han dado muy buenos resultados.
  3. Relación molar de alcohol/aceite y tipo de alcohol: afectan de forma directa sobre la eficiencia de la reacción química. Para que en la reacción de transesterificación, el equilibrio se encuentre desplazado totalmente a la derecha, es preciso que haya un exceso de alcohol (del orden de 6:1 para que haya conversión total). La existencia de etanol en lugar de metanol dificulta la reacción, y mientras que se lleva a cabo la reacción, se forma una emulsión que es inestable para el primer caso y estable para el segundo.
  4. Efecto del tiempo de reacción y temperatura: la conversión aumenta conforme lo hace el tiempo de reacción y la temperatura.

Procesos

La reacción de transesterificación que tiene lugar se produce desglosada en tres reacciones, debido a que la materia prima inicial está formada por triglicéridos que se van transformando a diglicéridos, monoglicéridos, etc., hasta llegar a glicerina.

De manera general, los sistemas discontinuos se realizan en aquellas plantas en las que la producción de biodiesel es pequeña, mientras que los sistemas continuos se tendrán en las plantas industriales de gran capacidad:

  1. Transesterificación en régimen discontinuo: se trata del método más sencillo por el que se produce biodiesel. Tiene lugar en reactores con agitación, en los que las temperaturas del proceso más habituales son 65 ºC, aunque también se puede llevar a cabo desde los 25 ºC hasta los 85 ºC.
  2. Transesterificación en régimen continuo: se pueden emplear reactores del tipo “tanque agitado”, que permiten mayores tiempos de residencia y mejoran los resultados finales de la reacción. Es preciso que se tenga una mezcla lo más adecuada posible, para que así la composición en el reactor sea constante.
  3. Esterificación: en el caso de suministros de aceites con hasta un 30 % de ácidos grasos libres, el proceso más común de tratamiento es la esterificación con un catalizador ácido del tipo ácido sulfúrico, de tal manera que se puede reducir el porcentaje anteriormente mencionado hasta el 1 %.
  4. Proceso combinado de esterificación-transesterificación: consiste en refinar los ácidos grasos mediante la adición del catalizador ácido, de tal manera que el producto resultante se separa mediante centrifugación. Los aceites que se han refinado son secados y se someten posteriormente a transesterificación.

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