Descripción general
Una vez que la reacción de transesterificación se aproxima a su finalización, la mezcla del reactor contiene ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME, por sus siglas en inglés), glicerol crudo, alcohol residual, catalizador, jabones y mono-, di- y triglicéridos incompletamente convertidos. El acabado comprende operaciones posreacción vinculadas entre sí. En una ruta de lavado húmedo, estas incluyen la separación del glicerol, el lavado para reducir los contaminantes residuales y el secado posterior, también son posibles otras configuraciones de acabado. Cada etapa influye en si el B100 terminado puede cumplir con los límites de propiedades establecidos en ASTM D6751, la especificación estadounidense resumida en las tablas públicas del AFDC.
Separación de glicerina
La separación éster-glicerol aprovecha la diferencia de densidad entre las fases. Sus densidades reales dependen de la composición y la temperatura, incluidos el metanol, el agua y el catalizador presentes en el glicerol crudo. Esta diferencia es suficiente para llevar a cabo una separación por gravedad, aunque la velocidad a la que las dos fases se separan depende de varios factores. La mezcla intensa durante la reacción puede dispersar el glicerol en forma de finas gotículas a lo largo de la fase éster, lo que prolonga considerablemente el tiempo de coalescencia. La agitación, los residuos de catalizador y el grado de conversión afectan a la separación. Su control debe ajustarse al diseño real del proceso, en lugar de aplicar un cambio genérico de agitación o un objetivo de pH acuoso a una mezcla no acuosa. La presencia de cantidades significativas de mono-, di- y triglicéridos en el producto puede generar una capa de emulsión en la interfase, lo que representa una pérdida de producto y puede comprometer el cumplimiento de la especificación.
Equipos de separación
La guía de producción analiza decantadores por gravedad, centrífugas e hidrociclones para la separación éster-glicerol. Los sistemas de decantación se basan exclusivamente en el tiempo de residencia y la gravedad, para operaciones pequeñas o por lotes, el tiempo de retención de varias horas que se requiere puede ser aceptable, aunque las plantas de operación continua necesitan recipientes proporcionalmente más grandes. Los sistemas de centrífuga generan un campo de alta gravedad artificial que acelera la separación de manera sustancial, si bien conllevan un mayor costo de capital y requieren un mantenimiento cuidadoso y frecuente. Los sistemas de hidrociclón parecen ser sensibles a los componentes volátiles: el metanol residual puede vaporizarse por la rápida reducción de presión en el interior del dispositivo, perturbando la separación, este riesgo debe evaluarse en función de la presión, la temperatura, la composición y el diseño del equipo reales.
Lavado con agua de la fase FAME
El propósito principal del lavado es eliminar los jabones formados durante la transesterificación. El agua también proporciona el medio para añadir ácido que neutralice el catalizador básico residual, así como para eliminar las sales resultantes, el glicerol libre y el metanol que permanecen en la fase éster. En condiciones ideales, el metanol residual se elimina antes de la etapa de lavado para evitar que pase a las aguas residuales, aunque algunos procesos eliminan el metanol junto con el agua de lavado. Se prefiere agua tibia y ablandada: la temperatura reduce el riesgo de precipitación de ésteres saturados, y una acción de lavado suave es igualmente importante para limitar la formación de emulsiones y lograr una separación de fases eficaz. El tratamiento adecuado del agua de lavado contribuye a evitar la introducción de iones de dureza y otros contaminantes, el agua ablandada por sí sola no garantiza que se hayan eliminado todos los metales indeseables. Tras la separación visible del agua de lavado, puede quedar agua disuelta. El resumen del AFDC establece un límite de agua y sedimentos de 0,050% en volumen mediante D2709, pero dicho ensayo en centrífuga no determina el contenido de agua disuelta. El secado debe verificarse con el método apropiado para el requisito de calidad del agua aplicable.
Secado y calidad en etapas posteriores
Tanto los secadores de vacío como los evaporadores de película descendente se utilizan para eliminar el agua de lavado de la fase éster. La operación a presión reducida permite la evaporación a temperaturas más bajas, en los evaporadores de mayor temperatura se debe actuar con precaución, ya que el calor excesivo puede provocar la polimerización de los ésteres metílicos poliinsaturados, oscureciendo el combustible de manera visible. El glicerol libre que permanece tras un lavado o una separación insuficientes puede precipitarse durante el almacenamiento, formando una capa viscosa que obstruye los filtros de combustible y provoca problemas de combustión. El resumen público actual del AFDC sobre ASTM D6751 establece un límite de glicerol libre de 0,020% en masa y un límite de glicerol total de 0,240% en masa (ambos determinados por D6584), así como un límite de índice de acidez de 0,50 mg KOH/g (D664), aplicables a todos los grados. El metanol residual es también una preocupación: el metanol puede reducir sustancialmente el punto de inflamación del combustible terminado. ASTM D6751 aborda el control del alcohol bien mediante un límite de contenido de metanol de 0,2% en masa como máximo (EN14110), bien mediante un requisito de punto de inflamación mínimo de 130 °C (D93), siendo necesario cumplir una de las dos condiciones.
Fase de glicerina y gestión de jabones
Los jabones se forman principalmente cuando los ácidos grasos libres presentes en la materia prima reaccionan con el catalizador básico, un exceso de catalizador puede incrementar la formación de jabones. Los jabones complican la separación del glicerol al favorecer la emulsificación, y los jabones que permanecen en la fase éster deben eliminarse durante el lavado. La formación de jabones consume material alcalino, reduciendo la cantidad disponible para la transesterificación. El agua puede, de manera independiente, promover la hidrólisis y complicar aún más el procesamiento. Mantener los niveles de ácidos grasos libres de la materia prima dentro del intervalo adecuado para la química de reacción elegida, y usar únicamente el catalizador estrictamente necesario, contribuyen a limitar la generación de jabones. El coproducto de glicerol crudo contiene metanol, agua, sales de catalizador, ésteres residuales y glicéridos no reaccionados, además del propio glicerol, su composición varía según las condiciones del proceso, ya que la cantidad de metanol, agua y catalizador disueltos en él influye directamente en su densidad y características.