Estudio de las variables de proceso mediante superficie de respuesta para la optimización de la producción de biodiesel utilizando aceite de palma africana (Elaeis guineenis Jacq) como materia prima

Abstract

El aceite de palma africana (Elaeis guineensis Jacq) representa una opción atractiva para emplearse como materia prima en la fabricación de biodiesel. El Objetivo de este trabajo fue maximizar el rendimiento de biodiesel sintetizado a partir de oleína cruda de palma africana en el laboratorio. La síntesis de biodiesel se realizó en dos etapas: a) una esterificación ácida realizada con ácido sulfúrico y b) una transesterificación alcalina empleando hidróxido de sodio. Para hallar las condiciones óptimas en la tapa de transesterificación, se empleó un diseño central rotatorio compuesto. Se establecieron como factores de estudio la temperatura de reacción, la concentración de catalizador y el tiempo de reacción; el rendimiento de biodiesel fue la variable de respuesta. El análisis de varianza mostró que la temperatura y tiempo de reacción, la concentración de catalizador, y las interacciones concentración de catalizador*temperatura de reacción y concentración de catalizador*tiempo de reacción fueron los factores que tuvieron efecto significativo en el rendimiento de biodiesel. Las condiciones óptimas para la etapa de esterificación se establecieron en 2.5 % peso de ácido sulfúrico, 150 min de reacción y 64.5 °C. Para la etapa de transesterificación las condiciones óptimas fueron: 0.65 % peso para la concentración de catalizador, 56 °C para la temperatura de reacción y 110 min de tiempo de reacción. Bajo estas condiciones de reacción se tuvieron rendimientos de 90 % peso con un tiempo global de 260 min. El control de calidad de biodiesel y de mezclas diesel/biodiesel es de suma importancia, por lo que es necesario contar con técnicas eficientes, rápidas y económicas. En este trabajo se construyeron modelos de calibración basados en la tecnología UV-visible y FTIR para determinar la concentración de biodiesel en mezclas con petrodiesel. Para determinar la robustez de los modelos se realizó una validación interna y una validación externa. Con seis PCs, el modelo de calibración PLS-UV-visible presentó un error estándar de calibración (SEC)=1.41 y un error estándar de validación (SEV)=1.84; los valores del coeficiente de correlación de calibración fue (r Cal)=0.998 y del coeficiente de correlación de validación (r Val)=0.999. Para el modelo de calibración PLS-FTIR los valores fueron (SEC)=1.81, (SEV)= 1.94, (r Cal)= 0.998 y (r Val)=0.998. Los resultados muestran que ambos modelos de calibración, son métodos analíticos que se pueden usar para predecir la concentración de biodiesel de palma en mezclas con petrodiesel en un rango de concentraciones de 0-100 % peso. _______________ ABSTRACT: The African crude palm oil (Elaeis guineensis Jacq) represents a viable option for use as a raw material in the manufacture of biodiesel. The objective of this study was to maximize the yield of synthesized biodiesel from African crude palm oil in the laboratory. The synthesis of biodiesel was realized in two stages: a) an esterification performed with sulfuric acid, and b) an alkaline transesterification using sodium hydroxide. A central composite rotatable design was used to find the optimum conditions in the transesterification stage. Reaction temperature, catalyst concentration and the reaction time were established as study factors, whereas the yield of biodiesel was the response variable. The analysis of variance showed that the reaction temperature, catalyst concentration, reaction time, as well as the catalyst concentration*reaction temperature and the catalyst concentration*reaction time interactions were the factors having significant effect on the yield of biodiesel. The optimum conditions for the esterification stage were set at 2.5 wt % of sulfuric acid, a 150 min reaction time and 64.5 °C to the reaction temperature. For the transesterification stage, the optimum conditions were: 0.63 wt% for the catalyst concentration, 56 °C for the reaction temperature and 110 min reaction time. A 90 wt % yield was obtained under these reaction conditions in a total time of 260 min. The quality control of biodiesel and the blends diesel/biodiesel is extremely important; hence, it is necessary to have efficient, fast and economical techniques. In this work were built models calibration based on UV-visible and FTIR spectroscopy, to determine the concentration of palm biodiesel in blends with petrodiesel. To determine the robustness of the prediction models were realize an internal and external validation. The calibration model PLS-UV-visible with six PCs have a standard error of calibration (SEC)=1.41, and the standard error of validation (SEV)=1.84; the value of the correlation coefficient of calibration was (r Cal)=0.998 and the correlation coefficient of validation (r Val)=0.999. The calibration model PLS-FTIR was (SEC)=1.81, (SEV)=1.94, (r Cal)=0.998 and (r Val)=0.998. The results showed that both calibration models are practical analytical methods that can be used to predict the concentration of palm biodiesel in blends with petrodiesel in a concentration range from 0 to 100 % weight.