Obtención de un biocombustible a base de aceite de ricino


Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Computación e Informática

Asesor: Marisa Calle Monroy.

Miembros del equipo:
Erick Gabriel Juárez Thierry(2do), Cozumel,
Miguel Ángel Hernández Gutiérrez(2do), Cozumel,
Andrés Jiménez Munguía(2do), Cozumel,

Resumen

Un biocombustible puede estar elaborado a base de un aceite de ricino, o aceite de higuerilla, este tipo de planta se puede encontrar en terrenos baldíos. El biocombustible a base de aceite de ricino se está probando para sustituirlo por la gasolina, ya que la gasolina está hecha de petróleo y este se nos está acabando, y es por eso que se quiere sustituir a la gasolina. Como nosotros sabemos la gasolina causa un alto nivel de contaminación, en cambio lo que se sabe del biocombustible es que su nivel de contaminación es muy bajo. Estudios recientes de doctores en química han confirmado que el biocombustible es 10 veces menor su grado de contaminación que el de la gasolina. Y si se logrará reducir el uso de biocombustible, no contaminaría el ambiente y a las generaciones futuras les dejaríamos un buen lugar para vivir ya que no estaría contaminado y ellos pudieran seguir teniendo petróleo, un buen ambiente y podrían vivir mejor. El biodiesel esta hecho de aceites vegetales y es por eso que el biocombustible esta hecho de aceite de ricino ya que es un aceite vegetal y natural, por eso se cambiaría en vez de la gasolina ya que la gasolina no es natural ye biocombustible que vamos a elaborar va a ser natural ya que cuidaría el medio ambiente. La higuerilla es una planta que tiene aceite, solo que la semilla es tóxica y no se pude extraer el aceite de ahí, y utilizaremos aceite de ricino ya procesado.

Pregunta de Investigación

¿Cómo elaborar un biocombustible a base de aceite de ricino?

Planteamiento del Problema

Tanto los combustibles fósiles como los biocombustibles, tienen origen biológico. Toda sustancia susceptible de ser oxidada puede otorgar energía. Si esta sustancia procede de plantas, al ser quemada devuelve a la atmósfera dióxido de carbono que la planta tomó del aire anteriormente. Las plantas, mediante la fotosíntesis, fijan energía solar y dióxido de carbono en moléculas orgánicas.

El petróleo es energía proveniente de fotosíntesis realizada hace millones de años concentrada. Al provenir de plantas de hace millones de años, su cantidad es limitada. En el caso de los biocombustibles, la sustancia al ser quemada proviene de fotosíntesis reciente, por eso se afirma que la utilización de biocombustibles no tiene impacto neto en la cantidad de dióxido de carbono que hay en la atmósfera.

Algunos la consideran energía renovable en el sentido que el ciclo de plantación y cosecha se podría repetir indefinidamente, teniendo en cuenta que no se agoten suelos ni se contaminen los campos de cultivo.

En la búsqueda de combustibles menos contaminantes, el uso del aceite ricino (Ricinus communis) tiene beneficios ambientales y técnicos y representa una gran oportunidad de desarrollo para zonas áridas y empobrecidas.

Antecedentes

Un biocarburante o biocombustible es una mezcla de hidrocarburos que se utiliza como combustible en los motores de combustión interna. Deriva de la biomasa, materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.

 

Para muchos autores, lo correcto para referirse a este tipo de combustibles es hablar de agro combustibles, el prefijo “bio” se utiliza en toda la UE para referirse a los productos agrícolas en cuya producción no intervienen productos de síntesis. La palabra biocombustible, por lo tanto, se presta a confusión y dota al término de unas connotaciones positivas de las que carece.

 

El biodiesel, se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. En este último caso se suele usar colzacanola, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito. El principal productor de biodiesel en el mundo es Alemania, que concentra el 63% de la producción. Le sigue Francia con el 17%, Estados Unidos con el 10%, Italia con el 7% y Austria con el 3%.

Es el biocombustible más común en Europa. Éste es producido por aceites o grasas usando el proceso de transesterificación y su composición líquida es muy similar a la del diesel fósil/mineral. Químicamente, consiste en su mayoría de esteres metílicos de ácido grasos. Sus principales materias primas incluyen grasas de animales, aceites vegetales, soyajatropha, semilla de colza, mahua, mostazalinogirasolaceite de palma, marihuanaalgas, entre otras. El biodiesel puro (B100) es el combustible diésel de menor emisión.

 

El biodiesel puede ser usado en cualquier motor de diésel cuando es mezclado con diésel mineral. En algunos países, las compañías manufactureras construyen sus motores de diésel bajo la garantía de que puedan utilizar el B100. En muchos países Europeos, un 5% de la mezcla de biodiesel es ampliamente usada y está disponible en miles de estaciones de gas. Además, éste es un combustible oxigenado, es decir, que éste contiene una cantidad reducida de carbono y un contenido alto de hidrógeno y oxígeno más que el diésel fósil. Esto mejora la combustión del biodiesel y reduce las partículas de emisión del carbono no quemado.

 

También el biodiesel es seguro de manejar y trasportar, ya que es tan biodegradable como la azúcar, un décimo de tóxico como la sal de meza, y posee un punto de inflamación del alrededor de 148 oC (300 oF) en comparación con el petróleo a base de diésel, el cual contiene un punto de inflamación de 125 oC (52 oC).

 

En Estados Unidos, más del 80% de los camiones comerciales y autobuses de la ciudad funcionan con diésel. El emergente mercado de biodiesel en Estados Unidos estima que tendrá un crecimiento del 200% del 2004 al 2005. “Para finales del 2006, había un estimado que la producción de biodiesel crecería cuatro veces más (a partir del 2004) a más de 1 billón de galones (3, 800, 000 m3).

Diésel Verde

Éste es producido a través del “hydrocraking” biológico de materias primas de aceite, como lo son los aceites vegetales y las grasas animales. “Hydrocraking” es un método de refinería que usa elevadas temperaturas y presiones en presencia de un catalizador para romper grandes moléculas, como las encontradas en aceites vegetales, en pequeñas cadenas hidrocarbonadas usadas en los motores de diésel. El diesel verde posee las mismas propiedades químicas que el petróleo basado en diésel y además no requiere de nuevos motores, oleoductos o infraestructura para ser distribuido y usado. Aunque todavía no ha sido producido a costos competitivos contra el petróleo, las versiones de gasolina están todavía en desarrollo. A su vez el diésel verde está siendo desarrollado en Louisiana y Singapore por Conoco PhillipsNeste Oil, Balero, Dynamic Fuels, y Honeywell UOP.

 

Gasolina de biocombustible

 

En el 2013, investigadores de UK desarrollaron una cepa genéticamente modificada de la Escherichia coli la cual puede transformar glucosa en gasolina de biocombustible que no necesita ser mezclada. Luego en el 2013, investigadores de UCLA diseñaron un nuevo camino metabólico para evitar la glucolisis e incrementar el índice de conversión de azúcar en biocombustible. Se cree que un futuro va ser posible modificar los genes para obtener gasolina de paja o estiércol de animal.

Biocombustibles de segunda generación (avanzados)

Estos son producidos por materia prima sustentable. La sustentabilidad de una materia prima es definida, entre muchas, por la disponibilidad de ésta y su impacto en las emisiones de efecto invernadero y en la biodiversidad y uso del suelo. Sus insumos son cultivos energéticos, es decir, vegetales no alimenticios de crecimiento rápido y con una alta densidad y cantidad energética almacenada en sus componentes químicos. Muchos de los biocombustibles de segunda generación están aún en desarrollo, como lo son el etanol de celulosa, el combustible de Algas, el biohidrógeno, el biometanolDMF, BioDME, diésel del proceso Fischer- Tropsch, el diésel de biohidrógeno, mezclas de alcohol, diésel de madera, entre otros.

 

La producción de etanol de celulosa usa cultivos o desechos de productos no comestibles. Además no desvía alimentos de la cadena alimentaria animal o humana. La Lignocelulosa es una estructura material “boscosa” de las plantas. Está materia es abundante y diversa, y en algunos casos (como cáscaras de cítricos o aserrín) es en sí misma un problema significativo para su eliminación.

 

La producción de etanol por celulosa es un problema técnico de gran dificultad por resolver. En la naturaleza, la materia prima rumiante (como lo es el ganado) come pasto y después usan procesos digestivos enzimáticos lentos para romper dentro de la glucosa. En los laboratorios de etanol por celulosa, varios procesos de experimentación están siendo desarrollados para hacer el mismo proceso, y así las azúcares liberadas puedan ser fermentadas para realizar combustible de etanol. El uso de altas temperaturas ha sido identificado como un importante factor para incrementar la viabilidad económica global de la industria de los biocombustibles y la identificación de enzimas que sean estables y puedan ser utilizadas con eficiencia a temperaturas extremas es un área activa de investigación.

 

El reciente descubrimiento del hongo Glocladium roseum apunta hacia la producción del tan llamado myco- diésel de celulosa. Estos organismos (recientemente descubiertos en los bosques tropicales del norte de la Patagonia) tienen la capacidad única de convertir la celulosa en hidrocarbonos de longitud media típicamente encontrados en el combustible de diésel. Los científicos también trabajan en el diseño experimental de la recombinación genética del DNA de ciertos organismos que pueda incrementar su potencial como biocombustibles. Científicos que trabajan con la compañía Nueva Zelandesa Lanzatech han desarrollado una tecnología para usar los gases industriales, como lo es el monóxido de carbono, como materia prima para producir etanol a través de un proceso de fermentación microbiano. En octubre 2011, Virgin Atlantic anunció que se unía con Lanzatech para encargarse de una planta de demostración en Shanghái que produciría un combustible de aviación a partir de los gases residuales de la producción de acero.

 

Higuerilla

 

Es una planta arbustiva de 1 a 5m de altura, con los tallos huecos, ramificados y de color verde o rojizos. Las hojas están partidas de 5 a 8 segmentos, en forma de estrella, con los nervios de color rojizo, sus bordes tienen dientecillos de tamaño irregular. Sus flores se encuentran en racimos, y los frutos son cápsulas espinosas que contienen 3 semillas grandes, lisas algo aplanadas y jaspeadas.

 

Es originaria de África tropical y habita en climas cálido, semicálido y templado, desde el nivel del mar hasta los 3000msnm. Planta en ocasiones cultivada, crece en terrenos de cultivo abandonados, a orillas de caminos, ríos y riachuelos, está asociada a bosques tropicales caducifolio, su caducifolio y perennifolio, bosque espinoso, matorral xerófilo y bosques mesófilo de montaña, de encino y de pino.

 

La higuerilla se usa frecuentemente para bajar la calentura en Guerrero, Veracruz, Estado de México, Morelos, Puebla y Quintana Roo. Es síntoma de diversas enfermedades y puede adquirirse por diferentes causas; por ejemplo, puede ocasionarse por padecer empacho, al comer alimentos duros o por comerlos rápidamente, por resfriados, infecciones o golpes en la cabeza o en la cintura. Quienes la padecen presentan escalofrío y temperatura alta, “las venas, la sangre y los huesos se desmayan”, los huesos duelen y hay comezón.

 

La planta es mencionada por primera vez en el Códice Florentino del siglo XVI, donde describe que se usa untada la semilla para la gota y para el cuerpo hinchado. Posteriormente, Nicolás Monardes en el mismo siglo, la señala como que “cura todas las enfermedades causadas por tumores fríos o ventosos. Resuelve todas las durezas con molificación y todas las inflaciones ventosas. Quita todo dolor de cualquier parte que sea. Ventosidades principalmente del vientre, hidropesía ventosa y todo género. Evacua flema, principalmente. En dolores de articulaciones (pasiones de junturas) es buena. Así como cura las úlceras de antiguas de la cabeza queman mucha materia. También es usada para otros malestares del estómago y quitan las señales en cualquier parte que sean principalmente del rostro”. Contemporáneo a Monardes, Francisco Hernández refiere que “la raíz, es de naturaleza glutinosa y refrescante, contiene la diarreas y disenterías”.

 

A inicios del siglo XVIII, Juan Esteyneffer describe que su aceite se usa como purgante, para extirpar las verrugas y para descuajar la leche materna. A finales del mismo siglo, Vicente Cervantes refiere que “la semilla es drástica, inflamatoria y antihelmíntica. El aceite es muy laxante, y usado con prudencia, aprovecha en la pasión ilíaca, en la cólica pictonum, en los dolores nefríticos y para matar la tenia”.

 

En el siglo XIX, la Sociedad Mexicana de Historia Natural la reporta como catártico.

 

Mayor información se encuentra a mediados del siglo XX, cuando Alfonso Herrera la señala como purgante y galactógena. Paul Stanley, informa que es ampliamente utilizada en medicina por sus propiedades purgantes. Narciso Souza la menciona para la península de Yucatán diciendo: “sus grandes hojas son usadas como sudoríficas, contra las fiebres y su aceite como purgante”. Luis Cabrera, por los mismos años, la indica como catártica y galactógena. Finalmente, la Sociedad Farmacéutica de México la consigna como anti neurálgica, antiparasitaria, antirreumática, catártica y para los abscesos y contusiones.

 

El aceite de la semilla de la higuerilla tiene propiedades laxantes debido a su alto contenido en ácido ricinoléico. Se conocen con precisión otros dos principios activos tóxicos en la semilla, la ricina que es una proteína sumamente tóxica, y glicoproteínas de bajo peso molecular con actividad alergénica.

 

La toxicidad de los diferentes órganos de la higuerilla, particularmente de las semillas, está bien documentada. La ingestión de las hojas produjo la muerte en ocho de doce reses a una dosis de 20.0g/Kg. De manera similar el extracto acuoso de las hojas fue tóxico para el cuyo por vía intraperitoneal, a una dosis de 25.0g/Kg. y para el ratón y el hombre por vía oral.

Estudios de toxicidad de las semillas en caballo, conejo y puerco, administradas por vía gástrica indicaron que la dosis letal media fue de 1.0g/Kg.

 

En patos, la dosis letal media fue de 3 a 4 semillas por animal. Un extracto acuoso de la semilla produjo un efecto embriotóxico en pollos y cito tóxico en células de sarcoma (Yoshida ascites).

 

El aceite de la semilla y un extracto etanolico-acuoso del tallo, también ejercieron una actividad en cultivo de células de fibroblasto de rata el primero, a una concentración de 1.0% y de células de carcinoma humano 9KB el segundo, indicando una dosis efectiva media de 120mcg/ml.

 

Los diversos reportes de toxicidad de la higuerilla en el hombre que se encuentran en la literatura, se refieren particularmente al envenenamiento producido por la ingesta equívoca o consciente (por intentos de suicidio) de la semilla o del aceite cuando se ingieren dosis más altas de las que producen el efecto purgante. O a problemas de tipo alergénico sobre la piel, causando una dermatitis por contacto con la semilla o el aceite.

Los síntomas tóxicos se presentan al ingerir desde diez semillas en adelante para adultos y desde una semilla en niños y consisten en la aparición de vómito y diarrea (a veces sanguinolenta) con dolor abdominal y fiebre, se nubla la vista ocurren calambres en las piernas y se puede presentar colapso respiratorio, con cianosis en las extremidades y en los casos extremos, llegar hasta la muerte.

 

El fruto es globuloso, trilobulado, casi siempre cubierto por abundantes púas, que le dan un aspecto erizado; tiene tres cavidades, cada una con una semilla, grande y jaspeada, de superficie lisa y brillante, rematada por una excrecencia y que contiene una toxina llamada ricina. Al secarse los frutos, la cubierta espinosa se tensa progresivamente produciendo finalmente un efecto de resorte que lanza la semilla a distancias superiores a los diez metros, siendo ésta la forma de esta planta para extenderse.

 

Requiere un clima cálido sin heladas, está disperso por casi todas las regiones cálidas del globo, habiéndose naturalizado por ser una planta cultivada desde la antigüedad. Parece ser originaria del cuerno de África (Abisinia).

 

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos alifáticos obtenida del petróleo por destilación fraccionada, que se utiliza como combustible en motores de combustión interna con encendido por chispa convencional o por compresión (DiesOtto), así como en estufas, lámparas, limpieza con solventes y otras aplicaciones. En ArgentinaParaguay y Uruguay, la gasolina se conoce como «nafta» (del árabe «naft»), y en Chile, como «bencina».

 

Tiene una densidad de 680 g/L1 (un 20 % menos que el gasoil, que tiene 850 g/L). Un litro de gasolina proporciona al arder una energía de 34,78 mega julios, aproximadamente un 10 % menos que el gasoil, que proporciona 38,65 megajulios por litro de carburante. Sin embargo, en términos de masa, la gasolina proporciona un 3,5 % más de energía.

 

En general se obtiene a partir de la gasolina de destilación directa, que es la fracción líquida más ligera del petróleo (exceptuando los gases). La nafta también se obtiene a partir de la conversión de fracciones pesadas del petróleo (gasoil de vacío) en unidades de proceso denominadas FCC (craqueo catalítico fluidizado) o hidrocraqueo.

 

La gasolina es una mezcla de cientos de hidrocarbonos individuales desde C4 (butanos y butenos) hasta C11 como, por ejemplo, el metilnaftaleno.

 

Gasolina de destilación directa: ausencia de hidrocarburos no saturados, de moléculas complejas aromáticas – nafténicas. El contenido aromático se encuentra entre 10-20 %.

 

¿Qué es el biodiesel?

El término “bio” se refiere a su naturaleza renovable y “diesel” se refiere a su uso en motores de ese tipo. El biodiesel es un combustible  líquido que no contiene azufre, ni compuestos aromáticos como el benceno, no es tóxico y es biodegradable. Se puede obtener a partir de las grasas vegetales y animales nuevas o usadas.

El biodiesel es un producto alternativo que se puede utilizar en motores diesel como en camiones, ómnibus, automóvil, embarcaciones acuáticas, locomotoras, así como en equipos de combustión abiertos como calentadores, calderas, etc. aumenta la eficiencia y durabilidad de los equipos sin requerir modificaciones mayores especialmente cuando se trata de motores modernos. Los esteres que lo componen son mejores lubricantes que el diesel del petróleo. No es tóxico para la salud humana, ni para el ambiente, el biodiesel es biodegradable en el agua tan rápido como el azúcar, su afección a los seres vivos es menor comparada con el diesel del petróleo si se produce una ingesta del producto en los peces o mamíferos. El biodiesel es menos peligroso para el medio ambiente que el diesel del petróleo, es un combustible oxigenado ya que contiene este elemento en su estructura molecular, produce menos olores nocivos y humo visible. No daña la capa de ozono (una de las preocupaciones primordiales del mundo entero), lo cual ha llevado a buscar combustibles alternativos, por ello, el biodiesel se propone como una opción energética, aunque de ningún modo es la solución para terminar con la contaminación global. El biodiesel se produce mediante una reacción de transesterificación. En ella una grasa (como el aceite de ricino) combinado con un alcohol, (en mi caso metanol, porque es la molécula de alcohol más pequeña y reaccionara con mayor facilidad) en presencia de un catalizador (en mi caso sosa cáustica) reaccionaran para formar una mezcla de metil esteres (biodiesel) y como subproducto glicerina  contaminada principalmente con agua y jabones. Un catalizador ayuda a que la reacción química se realice con mayor velocidad, la nuestra en particular tarda aproximadamente 20 minutos en llevarse a cabo.

Catalizador:

Un catalizador propiamente dicho es una sustancia que está presente en una reacción química en contacto físico con los reactivos, y acelera, induce o propicia dicha reacción sin actuar en la misma.

Aceites vegetales:

El aceite vegetal es un compuesto orgánico obtenido a partir de semillas u otras partes de las plantas en cuyos tejidos se acumula como fuente de energía. Algunos no son aptos para consumo humano, como el de ricino o algodón.

Como todas las grasas está constituido por glicerina y tres ácidos grasos.

Metanol:

El compuesto químico metanol, también conocido como alcohol metílico o alcohol de madera, es el alcohol más sencillo. A temperatura ambiente se presenta como un líquido ligero (de baja densidad), incoloro, inflamable y tóxico que se emplea como anticongelante, disolvente y combustible. Su fórmula química es CH3OH (CH4O).

Esteres:

Los ésteres se forman por reacción entre un ácido y un alcohol. La reacción se produce con pérdida de agua. Se ha determinado que el agua se forma a partir del OH del ácido y el H del alcohol. Este proceso se llama esterificación
Pueden provenir de ácidos alifáticos o aromáticos.
Se nombran como sales, reemplazando la terminación de los ácidos por oato seguido del nombre del radical del alcohol.

Glicerol:

El propanotriol, glicerol o glicerina (C3H8O3), es un alcohol con tres grupos hidroxilos (–OH). Se trata de uno de los principales productos de la degradación digestiva de los lípidos, paso previo para el ciclo de Krebs y también aparece como un producto intermedio de la fermentación alcohólica.

Decantación:

La decantación es un método mecánico de separación de mezclas heterogéneas, estas pueden estar formadas por un líquido y un sólido, o por dos líquidos.

Objetivo

 

Obtener un biocombustible a base de aceite de ricino y aplicarlo a un motor.

Justificación

Recientemente ha surgido un gran interés por los biocombustibles, principalmente debido a que gobiernos pretenden disminuir su dependencia de los combustibles fósiles y así lograr mayor seguridad energética. Además, se mencionan diversas ventajas de los biocombustibles con respecto a otras energías, como la menor contaminación ambiental, la sustentabilidad de los mismos y las oportunidades para sectores rurales. Los biocombustibles pueden reemplazar parcialmente a los combustibles fósiles. En comparación con otras energías alternativas, como la proporcionada por el hidrógeno, el reemplazo de los combustibles fósiles por biocombustibles en el sector de transporte carretero puede ser realizado con menores costos, debido a que no requieren grandes cambios en la tecnología actualmente utilizada, ni tampoco en el sistema de distribución. Utilizar otro tipo de energía, como la obtenida a través del hidrógeno, que se basa en una tecnología totalmente distinta, requeriría grandes cambios en el stock de capital. Esto no implica que se deban descartar nuevas fuentes de energía, si no que los biocombustibles serán los que tendrán más crecimiento en el corto plazo.

Hipótesis

Si logramos obtener un biocombustible a base de aceite de ricino entonces podríamos aplicarlo en un motor para sustituir el uso de la gasolina.

Método (materiales y procedimiento)

1-. Aceite de ricino (3 botes de 100ml)

2-. Metanol (alcohol metílico, 100ml)

3-. Un termómetro de 0-100 °C

4-. Dos matraces de vidrio de 250ml.

5-.Una probeta de 250ml.

6-. Sosa cáustica (.55 gramos)

7-. Parrilla de agitación.

8-. Vaso de precipitados de 250ml.

9-. Balanza granataria.

10-. Una espátula.

11-. Una caja de Petri.

12-. Cámara fotográfica.

Galería Método

Resultados

u

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

n

Bibliografía



Obtención de un biocombustible a base de aceite de ricino


Obtención de un biocombustible a base de aceite de ricino

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography