Biodiésel a partir de grasas residuales

La producción de aceites y grasas residuales es elevada en todas las áreas metropolitanas del país y con frecuencia representa problemas técnicos, económicos y ambientales. Por ejemplo, su disposición sin tratamiento en las redes de alcantarillado puede causar bloqueos en las líneas de conducción, corrosión de tuberías y malos olores, entre otras. También, afectan la eficiencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales, puesto que requieren procesos específicos para su eliminación (^{Tacias Pascacio et al. 2016}, ^{Wallace et al. 2017}).

Para el manejo y control de estos residuos se han establecido acciones diversas, las cuales van desde la concientización para reducir su producción, hasta el desarrollo de procesos para su revaloración (^{Wallace et al. 2017}). Entre estos últimos, la producción de biodiésel es considerada una de las alternativas con mayores ventajas (^{Mandolesi de Araújo et al. 2013}, ^{Talebian-Kiakalaieh et al. 2013}, ^{Yaakob et al. 2013}, ^{Hajjari et al. 2017}). En efecto, este biocombustible presenta características técnicas favorables para su aplicación en motores diésel. Además, su producción ha demostrado ser rentable. No obstante, la producción de biodiésel a partir de grasas residuales está condicionada por la calidad de la materia prima.

La grasa amarilla (aceite vegetal residual producido en la cocción de alimentos) contiene impurezas que deben ser retiradas antes de la transesterificación. También pueden contener un alto porcentaje de ácidos grasos libres, lo que conduce a un requerimiento mayor de metanol para evitar la formación de jabones.

La grasa café (obtenida de trampas de grasa) contiene una concentración elevada de materia orgánica, lo que provoca malos olores y presenta altos porcentajes de ácidos grasos libres que pueden hacer inviable la transesterificación directa. Todo lo anterior implica un pretratamiento mayor que aumenta los costos de producción.

En cuanto al aspecto ambiental, es importante identificar ventajas y desventajas, así como estrategias para minimizar eventuales riesgos. En este sentido, el análisis de ciclo de vida (ACV) es un método útil para este efecto, por lo que ha sido aplicado en diversos estudios (^{Talens Peiró et al. 2010}, ^{Yano et al. 2015}, ^{Caldeira et al. 2016}, ^{Siegel Moecke et al. 2016}, ^{Lombardi et al. 2018}).

Aplicación del ACV en la obtención de biodiésel a partir de grasas residuales

El ACV permite cuantificar y caracterizar los impactos potenciales sobre el medio ambiente asociados con un producto o un proceso durante su ciclo de vida (^{Guinée 2002}, ^{Muralikrishna y Manickam 2017}). Este método ha sido estandarizado en las normas ISO 14040 (^{ISO 14040 2006}, ^{ISO 14044 2006}) y se resume en la figura 1.

Fig. 1 Esquema general del método análisis del ciclo de vida 

Entre las fortalezas de dicho método se encuentran las siguientes (^{Finnveden et al. 2009}, ^{Curran 2014}):

Algunas de las limitantes son (^{Finnveden et al. 2009}, ^{Curran 2014}):

No obstante, el ACV es una herramienta aceptada por la comunidad científica para la evaluación de productos y procesos. Es un tópico de investigación con amplia actividad, lo cual implica que sigue evolucionando.

En el caso de la producción de biodiésel a partir de grasas residuales, se han reportado varios estudios basados en el ACV. Algunos de ellos se describen brevemente a continuación.

En una investigación se analizó la producción de 1 t de biodiésel considerando cuatro etapas: recolección, pretratamiento, transporte y transesterificación. Los autores concluyeron que la transesterificación contribuye con 68 % del impacto total. Esto se debe principalmente al uso de energía eléctrica, la cual se genera con fuentes no renovables (^{Talens Peiró et al. 2010}).

En otro trabajo se determinó que el uso de biodiésel producido a partir de grasas residuales ofrece un menor impacto en categorías como el calentamiento global, consumo de combustibles fósiles, contaminación del aire y acidificación de suelos (^{Yano et al. 2015}). También se ha evaluado el impacto de los métodos de recolección de grasas (contenedores, casa por casa y restaurantes). Se ha encontrado que esta etapa influye de manera considerable en el impacto global del sistema de producción de biodiésel, por lo que es importante implementar mecanismos óptimos para la recolección (^{Caldeira et al. 2016}). En tanto que ^{Siegel Moecke et al. (2016)} reportan que en una planta de producción de 200 L por día, la recolección de materia prima es la etapa que más emisiones contaminantes genera (92 %). Mientras que la fase de producción contribuye con el 7 % de emisiones.

Por otro lado, ^{Lombardi et al. (2018)} evaluaron diferentes catalizadores [hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), ácidos y fluidos supercríticos]. Concluyeron que tanto el NaOH como el KOH, inducen un mejor desempeño, principalmente por su menor consumo de energía. También, se determinó que el NaOH resulta una mejor opción respecto al potencial de calentamiento global y al consumo acumulativo de energía.

De lo anterior se muestra que existe un interés amplio por la evaluación del desempeño ambiental de la producción de biodiésel a partir de grasas residuales. En este sentido, el ACV es una herramienta para evaluar impactos ambientales, identificar problemáticas (áreas de oportunidad) y comparar escenarios.

Caso de estudio

En este trabajo se presentan resultados de una investigación relacionada con la evaluación del impacto ambiental de un proceso industrial de producción de biodiésel. De acuerdo con la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente (^{SEMARNAT 2017}), el impacto ambiental se define como la modificación del ambiente ocasionada por la acción del hombre o de la naturaleza. Así se entenderá en el resto del documento.

La materia prima consiste en grasas residuales generadas por la industria restaurantera de la zona metropolitana de Tijuana, Baja California. Las grasas son procesadas por la empresa Enremex S. de R.L. de C. V. Se producen 1 200 000 L de biodiésel y alrededor de 240 000 L de glicerol crudo por año.

Como una alternativa al catalizador homogéneo actualmente utilizado (KOH), basado en una zeolita natural, la finalidad es mejorar aspectos del proceso, tales como la facilidad de separación del biodiésel y la glicerina. También se espera una disminución en la generación de agua residual y de residuos sólidos. En la figura 2 se presenta un esquema del proceso bajo estudio.

Fig. 2 Esquema del proceso de producción de biodiésel bajo estudio 

El desempeño del proceso actual y de la propuesta de este trabajo se evalúa a partir de un estudio de ACV. El objetivo de esta investigación es establecer ventajas y/o desventajas técnicas y ambientales del proceso de obtención de biodiésel, así como plantear estrategias para la mejora del mismo.

Definición de objetivos y alcances del estudio de impacto ambiental

El objetivo de este trabajo es evaluar el desempeño, mediante el ACV, de un proceso de producción de biodiésel a partir de aceite vegetal residual para identificar áreas de mejora. Lo que implica minimizar impactos ambientales de los dos escenarios considerados:

Por otro lado, es importante señalar que no se consideran mecanismos de aprovechamiento de biodiésel, únicamente la producción del mismo con una calidad similar a la indicada por las normas de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés).

Conformación del inventario

La información empleada en el ACV del proceso de producción de biodiésel se divide en tres apartados:

En el cuadro I se muestran los resultados del análisis químico del biodiésel obtenido con el catalizador heterogéneo en laboratorio y del biodiésel producido por Enremex S. de R.L. de C.V. Como puede apreciarse, la cantidad de ésteres metílicos es superior en el biodiésel obtenido con la zeolita. De la misma manera, la cantidad de ácidos grasos libres sin reaccionar es menor para el caso del catalizador heterogéneo, lo mismo que los mono y diglicéridos presentes en el producto final.

En los experimentos a nivel laboratorio se realizaron pruebas de reutilización de la zeolita en tres ciclos. El biodiésel obtenido presenta características fisicas y químicas muy similares. El rendimiento de biodiésel no varió más allá de 2 % en cada ciclo. Por lo cual, se considera que la zeolita se puede reutilizar por varios ciclos.

Todo lo anterior implica que la zeolita favorece la calidad del biodiésel. Las características del producto final son mejores que con el KOH. Aunque las condiciones de reacción de laboratorio no han sido optimizadas, por lo que es posible obtener mejores resultados. Aunado a esto, la recuperación del catalizador heterogéneo y la limpieza del biodiésel son más fáciles de realizar.

También es importante mencionar que la desactivación de la zeolita será causada principalmente por la acumulación de carbono. Por lo tanto, es posible reutilizar el catalizador como suplemento en la formulación de alimento para animales o como componente de fertilizantes.

Por otro lado, es conveniente remarcar que la empresa productora de biodiésel sigue un plan de mejora continua en su proceso. En la actualidad, el producto se comercializa a bajo costo (aún competitivo) y el comprador lo mezcla con biodiésel obtenido a partir de aceites vírgenes para aumentar el contenido de ésteres metílicos. De la misma manera, se trabaja en la modificación de parámetros y pretratamientos que mejoren la calidad del biodiésel directamente en la producción.

En el cuadro II se presenta el inventario utilizado para la realización del presente estudio. Es importante señalar que el factor de emisión del aceite residual a cualquier categoría de impacto ambiental es 0 (cero). Esto se debe a que en el proceso bajo estudio se considera la recuperación de un residuo para ser transformado en un producto de valor agregado.

Evaluación de impactos del análisis

El análisis se efectuó con el programa openLCA versión 1.6.3, el cual cuenta con una base de datos que se adapta a las necesidades del estudio y utiliza los procedimientos estandarizados para el procesamiento de datos.

Se utilizó el método de cálculo desarrollado por el Instituto de Ciencias Ambientales (CML, por sus siglas en holandés) de la Universidad de Leiden, Holanda (^{Guinée 2002}), específicamente la versión marcada en el programa como “CML (baseline) [v4.4, January 2015]”. Se eligió este método debido a que permite determinar el impacto sobre las categorías de interés para la empresa.

Dada la existencia de un coproducto, se utilizó el método físico por masa para la asignación de impactos. Las categorías de impacto consideradas corresponden a la evaluación de potencial de:

Impactos ambientales por escenario

En las figuras 3 y 4 se encuentran los resultados del ACV para los dos escenarios. Se presenta la contribución de cada etapa al impacto total del escenario correspondiente.

Fig. 3 Impactos del escenario 1: transesterificación con catalizador homogéneo 

Fig. 4 Impactos del escenario 2: transesterificación con catalizador heterogéneo 

En el cuadro III se muestran los valores numéricos de los impactos ambientales potenciales del proceso estudiado para cada escenario. Los datos están relacionados con la unidad funcional, es decir, corresponden al procesamiento de 1000 L de grasa residual.

En la figura 3 se incluyen los resultados para el escenario actual. Se observa que la etapa de producción tiene la mayor contribución en todas las categorías consideradas. Esto se debe principalmente a dos factores: el consumo de electricidad y la preparación del catalizador homogéneo (mezcla de hidróxido de potasio con metanol).

La electricidad de la región se produce a partir de combustibles fósiles y el metanol es un derivado del petróleo, lo cual se refleja en el agotamiento de los recursos.

Asimismo, los procesos involucrados en la obtención de estos insumos (electricidad, metanol y KOH) provocan emisiones al aire, suelo y agua. Las primeras contribuyen al cambio climático por la liberación de gases con efecto invernadero. Los efectos de las emisiones al suelo y agua se observan a través de las categorías de eutrofización, acidificación y ecotoxicidad. De la misma manera, los tres tipos de emisiones contribuyen en la toxicidad humana.

Respecto al potencial de daño a la capa de ozono, es importante señalar que el escenario 1 emite apenas 1.03 × 10^-11 en kilogramos de equivalentes químicos de clorofluorocarbono 11 (kg CFC11 eq). La etapa de producción contribuye con 50 % y se debe principalmente al uso de derivados del petróleo.

Por su parte, el transporte contribuye de manera notoria en cinco de las siete categorías consideradas. Aunque los vehículos utilizan combustibles fósiles, su contribución al agotamiento de recursos es menor a 1 %. Esto se debe a que el consumo de combustible es muy poco en proporción con los recursos consumidos en la generación de electricidad y derivados del petróleo. No obstante, las emisiones de CO₂ eq generadas por la combustión de diésel y gasolina contribuyen con 17 % del potencial de cambio climático. La contribución en las otras categorías está asociada con el proceso de obtención de ambos combustibles a partir del petróleo.

La etapa de manejo de residuos es la que menor contribución tiene en el impacto ambiental. Esto se debe principalmente a que los volúmenes son bajos y a la neutralización de los residuos sólidos y líquidos. De esta manera, la mayor contribución proviene del desplazamiento de los residuos a sus lugares de venta o disposición.

Los resultados del análisis para el escenario 2 aparecen en la figura 4. Aunque la producción sigue siendo la que más contribuye al impacto total, el transporte y el manejo de residuos tienen una aportación mayor en cinco de las siete categorías. Esto se deriva de la sustitución del catalizador homogéneo por el heterogéneo.

La etapa de producción contribuye con 96 % al agotamiento de recursos debido, otra vez, al consumo de electricidad y metanol. Además, el potencial de daño a la capa de ozono se atribuye completamente a esta etapa. La razón es que la zeolita requiere de un lavado con agua destilada, la cual pasa por procesos como purificación con luz ultravioleta y desozonización. Esto explica también el aumento en las emisiones de CFC11-eq, las cuales alcanzan un valor de 2.46 × 10^-7 kg. La contribución de la producción en las otras cinco categorías se debe a las mismas razones expuestas para el escenario 1.

El transporte, al igual que en el caso anterior, requiere de combustibles fósiles. La producción de éstos, así como su aplicación en motores de combustión interna contribuyen en las categorías de eutrofización, acidificación del agua, toxicidad humana, ecotoxicidad y cambio climático. El mayor porcentaje del transporte en estas cinco categorías se debe a que los valores numéricos de la producción se reducen drásticamente (un porcentaje mayor que el de las otras etapas).

En relación con el manejo de residuos, los volúmenes de producción de éstos son casi nulos. El principal residuo es el agua utilizada en el proceso de lavado de la zeolita. Su neutralización es una de las causas de la contribución de esta etapa en las diferentes categorías. La otra es el transporte del glicerol al lugar de venta.

Finalmente, en la figura 5 se muestra una comparación de los dos escenarios. En cada categoría se tomó el máximo valor como el 100 %, los porcentajes para los otros escenarios se calcularon en función de este valor máximo. Se observa que el escenario 1 tiene el mayor impacto en las primeras seis categorías. Existe una disminución notable en el escenario 2.

Fig. 5 Comparación de escenarios. Escenario 1 = transesterificación con catalizador homogéneo. Escenario 2 = transesterificación con catalizador heterogéneo 

Como se ha indicado previamente, la disminución de los valores numéricos entre un escenario y otro se debe en gran medida al remplazo de insumos. Por ejemplo, se deja de utilizar hidróxido de potasio y se favorece la recuperación de metanol. Adicionalmente, el uso de la zeolita en más de un ciclo de producción reduce también el consumo de insumos. Además de lo anterior, de acuerdo con los datos presentados en el cuadro III, el proceso analizado (escenario 1) contribuye al agotamiento de recursos con un consumo de 390.39 MJ. Si se considera que el poder calorífico del biodiésel es alrededor de 35 MJ/L, el proceso bajo estudio genera 31 500 MJ (900 L de biodiésel). La razón de energía (energía útil generada/energía fósil consumida) es de 80.68, lo cual significa que se compensa el agotamiento de recursos.

De la misma manera, el aprovechamiento del biodiésel implicará beneficios ambientales, puesto que su combustión genera emisiones biogénicas. El análisis de esta y algunas otras situaciones se plantea ahora como parte de trabajos futuros, donde se amplíen los alcances del ACV.

La mayor contribución de la etapa de producción encontrada en este análisis concuerda con otros estudios (^{Talens Peiró et al. 2010}, ^{Caldeira et al. 2016}), en los que se atribuye el uso de electricidad y metanol como las principales causas.

De la misma manera, hay coincidencia en cuanto a la contribución del catalizador a base de KOH con otras investigaciones (^{Lombardi et al. 2018}).

Por otro lado, a diferencia de los resultados aquí expuestos, la etapa de recolección y transporte ha sido reportada como la que más contribuye (^{Caldeira et al. 2016}, ^{Siegel Moecke et al. 2016}). Esto se debe principalmente a las mayores distancias consideradas en tales estudios.

Distribución de impactos ambientales

La distribución de impactos totales entre los productos obtenidos se presenta en la figura 6.

Fig. 6 Distribución de impactos ambientales en función de productos y subproductos. E = escenario. Escenario 1 (E1) = transesterificación con catalizador homogéneo. Escenario 2 (E2) = transesterificación con catalizador heterogéneo 

Para el escenario 1, alrededor de 40 % corresponde al biodiésel en todas las categorías evaluadas. Esto se debe a que la asignación de impactos se realizó mediante un método físico considerando la masa de los diferentes flujos. Asimismo, el biodiésel se obtiene en la etapa que presenta los mayores impactos ambientales. Por otro lado, el glicerol es el subproducto con menor asignación de impactos debido a que presenta la menor cantidad de masa respecto a los otros productos.

En el escenario 2, los impactos asignados al biodiésel aumentan en las categorías de agotamiento de recursos, toxicidad humana y daño a la capa de ozono. Esta situación está asociada con el uso de agua destilada en la preparación del catalizador heterogéneo. Por su parte, el porcentaje asignado al glicerol se incrementa en cuatro de las categorías consideradas, esto se debe también en gran medida al uso de agua destilada en el proceso de producción. En el caso de los otros residuos, tienen una asignación menor de impactos en todas las categorías porque su masa ha disminuido gracias al uso del catalizador heterogéneo.

Identificación de áreas de oportunidad

Aún cuando en este trabajo no se realizó una comparación con otros combustibles (diésel fósil, biodiésel de cultivos energéticos, biodiésel de algas), es de esperar que el biodiésel de aceites residuales provea ventajas ambientales. En este sentido, los resultados obtenidos pueden utilizarse como base para realizar un análisis comparativo con otros combustibles.

Respecto al diésel fósil, se evita la emisión de gases de efecto invernadero de origen fósil y se contribuye a la reducción del consumo de recursos. En cuanto a otros tipos de biodiésel, se evita la competencia alimenticia y también la del uso de suelo. Además, se extiende la cadena productiva de los aceites vegetales, propiciando una producción más limpia.

Así, es interesante conocer la contribución potencial del biodiésel de aceites residuales en el cumplimiento de las metas de reducción de gases con efecto invernadero, establecidas por entidades internacionales de certificación, tales como la Directiva Europea de Energía Renovable (EU-RED) o la Mesa Redonda sobre Biocombustibles Sustentables (SBR, por sus siglas en inglés). Para ello, se plantea como un trabajo futuro realizar un estudio adicional relativo a la producción de aceites residuales en el país, así como evaluar las emisiones del biocombustible en la etapa de aprovechamiento (combustión).

Por otro lado, se identifican las siguientes oportunidades para mejorar el desempeño ambiental del proceso de producción de biodiésel:

Finalmente, cabe señalar que para tomar decisiones en torno a las acciones para mejorar el desempeño del proceso, es necesario realizar un análisis tecno-económico de la transesterificación heterogénea. Esto permitirá complementar los resultados del análisis ambiental.