Material Vegetal

Las semillas de J. dioica, en estado de madurez y sin daño físico, fueron colectadas durante los meses de junio y julio de 2017 en la localidad de Buenavistilla, Municipio de San José Iturbide, Guanajuato, México, a una elevación de 2,100 m. El ejemplar fue identificado y depositado en el Herbario-Hortorio ¨Jorge Espinoza Salas¨ del Departamento de Preparatoria Agrícola de la Universidad Autónoma Chapingo. Las semillas se dejaron secar al sol, después se obtuvieron los cotiledones y se almacenaron bajo refrigeración a 4 ˚C por 24 h.

Caracterización morfológica de las semillas de J. dioica

Un total de 30 semillas con pericarpio fueron pesadas en una balanza digital OHAUS CS200 (precisión de 0.0001 g). Las dimensiones geométricas se determinaron como: largo (L), ancho (W) y espesor (T) con un vernier digital TRUPER CALDI-6MP (precisión 0.01 mm). Adicionalmente, se usaron métodos estadísticos para analizar los datos de diámetro aritmético, diámetro geométrico y esfericidad de las semillas utilizando las ecuaciones 1, 2 y 3:

Obtención y caracterización del aceite de J. dioica

Las semillas de J. dioica (previamente molidas, 50 g) se empaquetaron en cartuchos de papel filtro y se sometieron a extracción utilizando 150 mL de hexano por método Soxhlet durante 18 h y por maceración por 48 h. La mezcla de aceite con hexano, previamente secada con 20 g de Na₂SO₄ anhidro, se evaporó al vacío en un rota-evaporador marca Buchi modelo R-210 a una temperatura de 50 ˚C. El proceso se hizo por triplicado y se determinó el rendimiento de aceite. Las propiedades fisicoquímicas que se determinaron en el aceite fueron: viscosidades, dinámica y cinemática (Viscosímetro Anton Parr SVM 3000) e índices de acidez y saponificación (^{AOAC, 1990}) y su calor de combustión se llevaron a cabo en un calorímetro marca Anton Parr modelo 6400

Preparación y caracterización de Biodiesel y mezclas de biodiesel-diésel

Para la obtención de biodiesel, primero se preparó una mezcla de metanol con hidróxido de potasio a una concentración de 0.028 g mL^-1. A esta mezcla se adicionó el aceite de J. dioica en una proporción 0.25:1 (v/p). La mezcla se agitó y calentó bajo reflujo con metanol durante 1 h. Transcurrido dicho tiempo se transfirió a un embudo de separación y se dejó reposar durante 12 h, hasta observar dos fases consistentes en biodiesel y glicerina. El biodiesel (Fase superior) fue tratado con ácido cítrico al 0.1 % (dos lavados en proporción 1:1), después se lavó con agua caliente, finalmente se secó con 20 g de sulfato de sodio anhidro y se guardó protegido de la luz a 4 °C hasta su procesamiento. La composición de ácidos grasos se determinó por cromatografía de gases en un cromatógrafo Agilent 6890, equipado con un detector de ionización de flama y una columna AT-FAME (30 m x 0.25 mm x 0.25 mm). La temperatura inicial del horno fue de 170 °C (1 min), rampa 10 °C min^-1, temperatura final 240 °C. Temperatura del inyector y detector 260 °C. Se utilizó helio como gas acarreador, a una velocidad de flujo de 1.8 mL min^-1. Una mezcla de FAME se utilizó como estándar y los tiempos de retención se utilizaron para la detección de picos de las muestras, Los ácidos grasos fueron estimados como porcentaje del área total de los picos de FAME (Figura 1).

Figura 1 Cromatograma del análisis de cromatografía de gases del aceite de semillas de J. dioica. 

Se prepararon mezclas de biodiesel-diésel denominadas B05, B10, B20, B30, B40 y B100 donde el número indica el porcentaje de biodiesel en la mezcla. Las viscosidades cinemáticas, dinámica y la densidad del biodiesel y de cada una de las mezclas fueron medidas a presión atmosférica a 20 y 40 °C en un Viscosimétro-densimétro Anton Parr rotacional Stabinger SVM 3000. La medición de los calores de combustión del biodiesel y las mezclas B10, B20, B30, B40 y B50 se llevaron a cabo en un calorímetro marca Anton Parr modelo 6 400, utilizando aproximadamente 0.5 g de muestra.

Caracterización morfológica de semilla de J. dioica

Las semillas de J. dioica están compuestas por una drupa, con un pericarpio firme de color café obscuro. Dentro se encuentra una semilla color blanco la cual se divide en dos cotiledones con un embrión en el medio. Para mejorar el aprovechamiento en la obtención de biodiésel a partir del aceite de semillas, es necesario establecer variables físicas (diámetro aritmético, diámetro geométrico y esfericidad), mecánicas y químicas que sean de utilidad para un mejor diseño y funcionamiento de los equipos, así como de los procesos de extracción de aceites (^{Betancur-Prisco et al., 2014}). En la Tabla 1 se observan las características físicas de las semillas de J. dioica. Medidas como largo, ancho y espesor de las semillas, son significativamente similares, lo que asemeja a una esfera. Además, el valor obtenido de la esfericidad del 91.82 %, indica su forma más esférica comparada con J. curcas.

Contenido y caracterización de aceite y bio-diesel de semilla de J. dioica

El rendimiento promedio de la extracción de aceite de semilla de J. dioica por método Soxhlet fue de 55.8 ± 1.2 %y por maceración 43.5 ± 0.7 %. En la Tabla 2 se muestran algunos parámetros fisicoquímicos de aceite crudo y biodiesel obtenidos de semillas de J. dioica. Se observa que el contenido de aceite extraído es comparable con otros cultivos oleaginosos; como higuerilla, 64.84 % (^{Goytia-Jiménez et al., 2010}), Soya, 35.5 % (^{Mosquera et al., 2016}) e incluso similares a otras especies del género Jatropha, 44.4 % y 56.5 % (^{Pradhan et al., 2012}; ^{Prasad et al., 2012}).

El alto contenido de aceite extraído de la semilla, indica que es un recurso potencialmente útil para ser transformado en biocombustible. Sin embargo, esto puede estar relacionado con el origen y el estado de madurez fisiológica, que en este caso se emplearon semillas obtenidas después de la dehiscencia natural de los frutos de esta planta, presentando un pericarpio café oscuro, que corresponde aproximadamente a 60 días de maduración.

La determinación de calor de combustión de una substancia permite estimar la cantidad de energía que se libera cuando ésta se quema (^{Knothe, 2010}). El calor de combustión obtenido en aceite crudo y biodiesel registran, en ambos casos, cantidades menores a 39.500 MJ kg^-1, límite establecido por la norma internacional ASTM D240 Método de prueba estándar para calor de combustión en hidrocarburos, mediante una bomba calorimétrica para el uso de biodiesel; de modo que, tanto el aceite crudo como el biodiesel obtenido en este trabajo pueden considerarse aptos para su uso en motores de combustión interna.

El índice de acidez permite determinar el porcentaje de ácidos grasos en una muestra de aceite, además de evaluar si la reacción de transesterificación que se llevará a cabo es de manera satisfactoria. Con el índice de saponificación se obtiene una estimación del largo de las cadenas de los ácidos grasos (^{Nielsen, 2010}) además indica si el aceite es potencialmente útil para la elaboración de jabones líquidos, así como en la industria de champú (^{Akbar et al., 2009}).

El índice de acidez obtenido (0.63 mg KOH g^-1 ± 0.03) supera ligeramente el límite establecido en la norma de la Unión Europea EN 14214 para la producción de biodiesel (0.0-0.5 mg KOH g^-1). Los resultados de saponificación corresponden a los obtenidos por otras investigaciones en especies del género Jatropha (^{Adebowale et al., 2006}), lo que sugiere que el aceite es potencialmente útil para elaboración de biodiesel o bien para su uso directo como biocombustible.

La viscosidad cinemática se define como la resistencia de un fluido al movimiento, esta característica tiene diferentes comportamientos según el peso molecular del aceite y proporción de sus ácidos grasos instaurados (^{Akbar et al., 2009}). Esta característica tiene un gran impacto en el motor ocasionando altos arrastres en la bomba de inyección, causando altas presiones y volúmenes de combustible, especialmente operando a bajas temperaturas (^{Pinzi et al., 2009}).

En la Tabla 3, se muestra la comparación de estándares para biodiesel (EN 1424) y mezclas de biodiesel (ASTM D 6751) de las propiedades de viscosidad cinemática y densidad de mezclas preparadas con biodiesel-diésel (B05, B10, B20, B30, B40 y B100), de Jatropha dioica.

Los resultados indican que la viscosidad cinemática decrece de forma no lineal mientras la temperatura aumenta. Las altas viscosidades en los combustibles no favorecen un buen desempeño en motores, por lo que se busca que éstas tengan características específicas, y no afecten en el flujo y la atomización del combustible (^{Akbar et al., 2009}). La viscosidad cinemática de J. dioica disminuyó al aumentar la temperatura de los 20 ˚C a 90 ˚C (7.38 a 2.07 mm² s^-1). Se observa que a 40 ˚C, el biodiesel (B100; 4.57 mm² s^-1) cubre los requerimientos en norma EN 14214 (3.5-5.0 mm² s^-1). Además, las mezclas B05, B10, B20, B30 y B40 de biodiesel-diésel son aptas para su uso según los estándares establecidos en la norma ASTM D 6751-09 (1.9-6.0 mm² s^-1). Los datos se acercan a los resultados obtenidos por ^{Prasad et al., (2012)} quienes reportan 5.14 mm² s^-1. La densidad de las mezclas de bioidiesel-diésel tiene un comportamiento lineal que corresponde cada vez más al aumentar porcentualmente la mezcla de diésel y temperatura hasta los 70 ˚C. ^{Gunstone (2004)} menciona que la densidad de un aceite disminuye de acuerdo con su peso molecular, pero aumenta por el contenido de ácidos grasos insaturados. La densidad a 15 ˚C de biodiesel obtenido de J. dioica (888.8 kg m^-3) cumple con los estándares establecidos en la normal EN 14214 (860-900 kg m^-3) para biodiesel facilitando así una forma de manejar diferentes mezclas de biodiesel-diésel.

Perfil de ácidos grasos de J. dioica

En la Tabla 4 se observan los principales porcentajes obtenidos en el análisis de cromatografía de gases y su comparativa con otras especies oleaginosas. El cromatograma utilizado para la obtención de los datos de la composición de ácidos grasos mediante los tiempos de retención de FAME correspondientes, se muestran en la Figura 1.

Los ácidos grasos predominantes en las semillas de J. dioica son los de tipo poliinsaturados (60 %) y superiores a los saturados (15.4 %) y monoinsaturados (24.36 %), en estos últimos se encuentran los ácidos grasos linoleico, oleico y palmitoleico. Estos datos son comparables con los determinados en J. curcas por algunos otros investigadores (^{Akbar et al., 2009}; ^{Pradhan et al., 2012}). Los ácidos palmitoleicos, esteárico y linolenico están presentes en pequeñas cantidades. J. dioica contiene un mayor porcentaje de ácido linoleico (57.80 %) respecto a J. curcas (32.8 %), ambas Jatrophas se componen de una menor cantidad de ácido palmítico con respecto al de palma de aceite (Elaeis guineesis) (^{Syamsuddin et al., 2016}).

A nivel industrial, una desventaja del biodiesel de J. dioica es que contiene altos niveles de ácidos grasos poliinsaturados (ácido linoleico 57.80 %) el cual tiene efectos negativos al disminuir su estabilidad y reducir el número de cetano (^{Pinzi et al., 2009}). Además de ser susceptible a la aparición de olores y sabores indeseables ocasionados por la formación de aldehídos y alcoholes causados por los peróxidos e hidroperóxidos. Sin embargo, una ventaja es que presenta fluidez a bajas temperaturas por el bajo contenido de ácidos grasos saturados (^{Bahadur et al., 2013}) como ácido palmítico (9.31 %) y esteárico (6.09 %). Por lo tanto, el uso del biodiesel derivado de los aceites de esta especie es potencialmente útil como fuente de energía renovable en climas fríos.