Biodiesel casero. 1ª Transesterificación.

4.4 Primera transesterificación

Ha llegado el momento principal. Someteremos el aceite ya deshidratado en el paso anterior a la reacción química que lo convertirá en un ester metílico. O sea, BD.


Antes de entrar en la descripción práctica del proceso me gustaría mostrar brevemente en que consiste la transesterificación: Consiste en, partiendo de un ester, crear otro ester. Y es que el aceite comestible, químicamente es un ester. Y el BD también lo es. La diferencia es que el aceite es un ester glicérico, mientras que el BD es un ester metílico.


Un ester es un alcohol y un ácido enlazados químicamente. El aceite consta de una molécula de glicerina (que es un alcohol pesado, pero alcohol al fin y al cabo) y ácidos grasos. En el BD se sustituye la molécula de alcohol glicerina por una molécula de alcohol metanol, de manera que el BD es una molécula de metanol y otra de ácido graso. El NaOH no forma parte del producto final, pero interviene en la reacción. A un producto que se comporta así le llamamos catalizador. Y en efecto, el NaOH es un catalizador en la reacción de trans. Sin él, la reacción no se produciría.


Nota: También se puede hacer BD usando alcohol etílico o incluso alcohol isopropílico, pero en la práctica no es viable porque además de su elevado precio hay que usar más cantidad. Y para colmo, hay que usarlos en grado anhidro, no de 96º sino de 100º


El proceso:


Ya vimos en el capítulo anterior que la molécula de aceite era así:


CH2--OH....C-C-C-C......
I
CH---OH....C-C-C-C.....
I
CH2--OH....C-C-C-C....
glicerina.....ácidos grasos


Si a esa molécula de aceite le ponemos en su cercanía una solución de metanol y NaOH, ocurre que el NaOH rompe el enlace químico entre los grupos OH de la glicerina y los ácidos grasos. Entonces, quedan libres por un lado la molécula de glicerina y por otro lado las moléculas de ácidos grasos sin unión ninguna. Esos ácidos grasos cuando se encuentran con una molécula de metanol CH3-OH se enlazan químicamente con él, quedando así:


CH3-OH....C-C-C-C.....
metanol....acido graso


Lo anterior es una molécula de BD. Observar como la estructura química es semejante al aceite aunque ya no es aceite. En lugar del grupo CH2---OH de la glicerina ahora hay un metanol CH3---OH


Otra semejanza es que en el aceite el ácido graso estaba enlazado al grupo OH de la glicerina. Y ahora en el BD, también están enlazados los ácidos grasos a otro grupo OH, pero ahora de metanol. También se observa que la molécula de BD es bastante mas pequeña que la de aceite. De ahí su mayor fluidez.




La parte práctica:


Se supone que ya tenemos preparado el metóxido como se dijo en el punto 4.3 anterior. También tenemos el aceite a 55ºC después de haberlo sometido al calentón de 80ºC.


Pongo una foto de la parte alta del reactor.





En donde:
(1) Válvula de aceite proveniente del tanque de pretratamiento
(2) Válvula para liberar presión/vacío
(3) Válvula para entrada de metóxido
(4) Valvula para hacer vacío desde motor de nevera
(5) Válvula para re-inyectar mezcla. Esta válvula debe estar abierta cuando se hace la trans. Y debe cerrarse para trasvasar el BD desde el tanque reactor hacia el tanque de lavado. Mas adelante se verá con más detalle.
(6) Termometro de alcohol. Basta con un rango de hasta 100ºC puesto que la reacción se produce a 55ºC. Va roscado sobre un machón soldado en la cima del reactor. Este termómetro debe tener un "espárrago" suficientemente largo como para estar en contacto con la mezcla. Si no, daría lecturas erróneas, concretamente temperaturas más bajas que la real.
(7) Vacuómetro. Para medir el vacío. Debe ser sensible. Tiene que ser capaz de medir incrementos de vacio de 0,1 atmósferas.
(8) Manómetro. Para medir la presión. También debe ser capaz de medir pequeños incrementos de presión. Un fondo de escala de 1 atmósfera está bien. No pongais uno de 5 atmósferas o por el estilo, porque entonces no podrá discriminar diferencias de presión de 0.1 atmósferas.
(9) A este tipo de tapadera le llaman en la industria "boca de hombre". Normalmente está cerrada. Su finalidad es para inspeccionar el interior. Nunca genereis chispas ni fuego en las inmediaciones de este tanque ni siquiera estando vacío después de haber sido usado por primera vez. El vapor de metanol que con seguridad hay en el interior provocaría una explosión.


Todas las válvulas son de acero inox 316


Lo primero que debemos hacer es trasvasar el aceite contenido en el tanque de pretratamientos hacia el tanque reactor. No hay inconveniente en hacerlo manualmente a base de cubos, pero es mas cómodo y sobretodo más limpio hacerlo de forma mecanizada: El tanque de pretratamientos tiene en el fondo una válvula con una tubería flexible de silicona que va a una bomba de lavadora. Y a su vez esa bomba de lavadora -con otra tubería flexible- va a una válvula situada en una parte alta en el tanque reactor (1). Abrimos ambas válvulas y accionamos la bomba. El aceite deberá comenzar a trasvasarse al tanque reactor. La bomba de lavadora tiene fuerza de sobra para salvar ese metro y medio de altura.


Cuando se ha trasvasado todo el contenido cerramos ambas válvulas y apagamos la bomba de lavadora.


Ahora tenemos que verter el metóxido en el tanque reactor. Esta operación es delicada por la toxicidad y poder corrosivo del metóxido. Yo utilizo el "método seguro". No recomiendo "empinar" un bidón de 19 litros de metóxido. Podemos salpicarnos y crear una situación de emergencia aparte del hecho de que desperdiciar metóxido va en detrimento de la calidad del biodiesel.


El "método seguro" consiste en sustituir el tapón del bidón por otro igual pero con dos espigas sujetas al tapón. Una espiga por fuera, y otra espiga por dentro. A la espiga de fuera le conectaremos una tubería flexible de silicona para poder echar el metóxido al reactor sin exponernos. A la espiga de dentro le pondremos un trozo de tubería para que al poner el tapón en el bidón, dicho trozo llegue hasta el fondo del bidón.


Advertencia de seguridad: No pondremos este tapon con las tuberías hasta que no lleguemos a este punto para evitar salpicaduras. Hasta ahora, tendremos puesto en el bidón el tapón normal, firmemente cerrado.


En la foto se muestran los dos bidones que utilizo para el metóxido. El azul, grande, de 25 L de capacidad, para la primera etapa de trans, y el bidón naranja, más pequeño de 10 L para la segunda etapa trans. En el suelo se puede apreciar el tapón del bidón grande con las dos espigas de acero inox y la sección de tubería que se mete dentro del bidón. Al final de la tubería hay insertada una espiga para que haga peso y asegurarnos que la tubería va al fondo del depósito.





Si situamos el bidón mas alto que el reactor, la diferencia de presiones hará que el metóxido comience a caer por simple gravedad. A decir verdad, por la simple diferencia de presiones el metóxido caerá desesperantemente despacio. Por eso hay que "ayudarle". Y hay dos formas:


1. Sometiendo a una ligera presión al bidón. Con esto forzamos o ayudamos al metóxido a salir más rápido del bidón.


2. Sometiendo a un ligero vacio el reactor. Así, el vacio en el reactor "chupa" del bidón. Con esto también forzamos o ayudamos al metóxido a salir más rápido del bidón.


De las dos anteriores, yo elegí la segunda por seguridad: Someter al bidón del metóxido a un ligero vacío no es problema. Someterlo a presión si puede ser problema: Si el bidón revienta, esparcirá el tóxico y caústico metóxido con el consiguiente despelote y emergencia química.


Importante: El tapón con el montaje de tuberías debe roscarse bastante suelto o flojo -no apretado- para que a medida que el metóxido se trasvasa al reactor pueda entrar aire al bidón y se equilibre la presión. De no hacerlo así, el metóxido no se trasvasaría y el bidón se estruja, se implosiona. También es importante no sobrepasar un 20% de vacio. Más vacío no merece la pena y podemos romper el reactor por implosión. No es que vaya a ser una implosión violenta, pero no nos hará gracia ver nuestro flamante reactor convertido en una uva pasa por haberlo sometido a un 90% de vacio. Los motores de nevera funcionando como bombas de vacio tienen un poder increíble. Son capaces de alcanzar 40 mm de mercurio como si nada. Tienen poco caudal, pero mucha fuerza. Así que debemos vigilar que el vacio no supere el 20%.


Después de dicho esto, ya sabeis como hago el vacío: Con un motor de frigorífico o nevera. Tienen dos tubos: Uno aspira (haría el vacio) y el otro expira (haría presión). Sólo teneis que ponerlo en marcha, poner el dedo en cada uno de los dos tubos y sabréis cual es cual. A ese motor de nevera le conecto una tubería flexible y el otro extremo de esa tubería lo conecto a úna válvula en la cima del reactor (4). De otra válvula (3) en la cima del reactor sale otra tubería flexible que va al bidón del metóxido. El bidón de metóxido lo pongo en una parte mas alta que el reactor: En la última leja de la torre de anexos. Cuando conecto el motor de nevera se hace el vacio en el interior del reactor, vacío que se comunica al bidón, y el metóxido comienza a caer con fuerza. El vacio lo controlo con el vacuometro también en la cima del reactor. Cuando llega al 20% paro el motor para no superar ese 20%. A medida que el metóxido cae al reactor vereis que el vacio decrece. Entonces ponemos nuevamente en marcha el motor de vacio y volvemos a parar al alcanzar un 20% de vacio. Puede llevar más de 10 minutos vaciar el bidón con los casi 20 litros de metóxido.


Una vez que todo el metóxido ha sido vertido al reactor, realizo las siguientes operaciones y chequeos antes de comenzar la agitación mecánica en el interior del reactor.


- Retiro el bidón de metóxido.
- En general, las válvulas que no necesiten estar abiertas las cerraremos: Cierro la válvula de vacio en el reactor, y la de entrada de metóxido.
- Abro la válvula nº (2) para eliminar vacío en el reactor y la vuelvo a cerrar.


Pongo en marcha la bomba agitadora, que toma el contenido del reactor en su parte baja y la reinyecta en la parte alta. Se trata de someter a agitación mecánica la mezcla aceite-metóxido. Tomamos nota de la hora y mantenemos la bomba agitadora funcionando durante una hora y media.


Aquí una foto con el detalle de la bomba mezcladora-agitadora. Se aprecia que dicha bomba coge la mezcla de la parte baja del reactor y la vuelve a inyectar pero en un punto alto, por encima de la superficie de la mezcla. Es de destacar cómo está sujeta la bomba a la "torre de anexos" que no es más que una estantería metálica. Como veis, los perfiles de estantería son auténticos "mecanos" que nos permiten hacer casi lo que queramos. De la estanteria, en la parte baja se ve salir un cable amarillo. Todos los depósitos y estanterías están conectados eléctricamente entre sí por medio de este cable. Así, si se produce electricidad estática no saltarán chispas entre elementos, pues están puestos al mismo potencial por medio de este cable. Esto es importante como medida suplementaria de seguridad.





Durante esta hora y media deberemos estar presentes porque:
- tenemos que controlar el proceso,
- puede presentarse una avería o eventualidad,
- puede fallar el suministro eléctrico, y debemos tener en cuenta el tiempo, porque la agitación mecánica debe durar una hora y media mas o menos




Controlar el proceso:


- Vigilaremos que la temperatura esté en torno a los 50º-55º C. El reactor tiene una resistencia calefactora de 2Kw en acero inox embutida en un lateral, igual que en el tanque de pretratamientos. Accionando el interruptor de esa resistencia calentaremos la mezcla para llevarla al menos a 50ºC. Nota importante: Esa resistencia debe estar completamente sumergida, si la hacemos funcionar al aire aunque sea un instante, se romperá.


- Durante esa hora y media, dentro del reactor, parte del metanol puede vaporizarse, construyéndose una presión en el tanque, o por el contrario, metanol en fase gaseosa puede condensarse y crearse un vacio. Haremos aperturas momentáneas de la válvula (2) para que ni la presión ni el vacio puedan comprometer la integridad del reactor. No conviene pasar de 0.2 atmósferas de presión por encima de la atmosférica, ni pasar de un vacio del 20%. Es preferible tener una ligera presión que un ligero vacío.


- Comprobaremos que no hayan fugas, que la bomba funcione correctamente....


Una vez que haya transcurrido esa hora y media de proceso, paramos la bomba agitadora. Si la resistencia calefactora estaba encendida, la apagaremos también. Ahora dejaremos todo quieto durante una media hora (¡no más!). Si la reacción se ha producido, la glicerina comenzará a depositarse de inmediato en la parte baja del reactor, pues es mas densa que el biodiesel. Después de esa media hora mas o menos, veremos en el siguiente punto: Decantación de la glicerina.


Cuando se hace BD con KOH como catalizador, se puede dejar en reposo la decantación durante tres horas sin problemas, pero utilizando NaOH hay que empezar a evacuar la glicerina apenas media hora después de apagar la bomba de agitación, debido a que el NaOH produce una “glicerina” o residuos bastante mas densos que solidifican y que podrían taponar la válvula de salida, generando un problema fastidioso de resolver. Me ocurrió el año 2008 en un lote, por dejar tres horas de reposo tras apagar la bomba de agitación. Aprendí la dura lección: Cuando hagas BD con NaOH, tras apagar la bomba de agitación, no dejes pasar mas de media hora y empieza a evacuar glicerina.


Muy importante: Nada más apaguemos todo para dejar esa media hora de reposo, abriremos ligeramente la válvula (2) de la cima del reactor. Si no lo hacemos y dejamos el reactor herméticamente cerrado ocurrirá un hecho desagradable. El reactor ahora caliente tiene parte del metanol ya enlazado químicamente con los ácidos grasos formando biodiesel. Ese metanol no cuenta. Pero hay una parte de metanol que no ha reaccionado y se encuentra libre dentro del reactor. Una parte de ese metanol está en fase gaseosa. Pues bien, a medida que el reactor se enfría, ese metanol gaseoso se condensa, con lo cual su volumen disminuye drásticamente. El resultado es que en el interior del reactor se construye un vacío creciente que termina por dejar totalmente "chupado", implosionado al reactor. Y a pesar de que el reactor está hecho con plancha de 5 mm de acero, créeme que el reactor se quedará hecho una pena.


Moraleja:
Deja la válvula (2) abierta nada más terminar la agitación para evitar que se construya un vacío en el interior del reactor y te lo deje hecho un churro.


A continuación voy a poner un hipotético cronograma-ejemplo con las distintas acciones realizadas hasta ahora.


VIERNES
15:00 h Preparo los dos bidones de metóxido. De vez en cuando les doy un “meneo” para disolver
20:00 h. Comienzo a verter el aceite en el tanque pretratamiento
23:00 h. Termino de verter el aceite en el tanque pretratamiento
23:01 h. Conecto la resistencia calefactora tanque pretratamiento
SABADO
02:00 h. Desconecto la resistencia calefactora tanque pretratamiento
10:30 Inicio trasvase aceite tanque pretratamiento --> al reactor
10:40 Final trasvase aceite tanque pretratamiento --> al reactor
10:40 Comienzo a verter metóxido al reactor
10:55 Final vertido metóxido al reactor. Compruebo que todo está en orden
11:00 Inicio bomba de agitación. Inicio transesterificación
12:30 Paro bomba de agitación. Final transesterificación
dejamos reposar, fase de decantación de la glicerina.


Como es lógico, la hora a la que se realizan todas las tareas depende de la hora escogida para realizar la primera trans, porque todo va encadenado. El horario anterior no es caprichoso. Está confeccionado para conseguir que la fase de agitación o trans. se haga en una hora del día en que no se moleste con el ruido. La bomba de agitación hace cierto ruido. No es que sea un ruido exagerado pero a las 4 de la mañana pues molestaría. También se intenta aprovechar las horas centrales del día (mas calurosas) para la trans, para mejor eficiencia energética.




¿PORQUÉ UNA HORA Y MEDIA DE PROCESO DE AGITACIÓN?
Algunos biodieseleros dicen que con media hora de proceso es suficiente. Pero habría que ver si su BD cumple los estándares. Resulta que, efectivamente, en esa primera media hora reacciona el 80% del aceite y se convierte a BD. Pero....¿y el 20% restante?


Tenemos que pensar a nivel atómico o molecular. Para que una molécula de aceite y otra molécula de metanol reaccionen, tienen que estar juntas. No pueden hacerlo "por telepatía, a distancia". A medida que mas y mas moléculas han reaccionado, resulta que las que quedan sin reaccionar ven cada vez menos probable encontrarse mutuamente. Esa es la finalidad de la agitación mecánica: Hacer que todas las moléculas se muevan y terminen por "encontrar" a "su pareja" permitiéndoles reaccionar. Y para esto también hace falta tiempo.


Imaginemos que llenamos el suelo de una habitación con bolas blancas y negras. Todas las negras juntas, y todas las blancas juntas. Pero se trata de mezclarlas de tal manera que toda bola blanca tenga a su lado una negra, y toda bola negra tenga una blanca. Y las vamos a mezclar agitándolas. A patadas. Seguro que con unas pocas patadas no conseguiremos el objetivo, porque habrán zonas con sólo bolas blancas, y zonas con sólo bolas negras. Para estar seguros de conseguir el objetivo habría que estar un buen tiempo pateando bolas.