ES2206267T3 - Procedimiento para preparar esteres de acidos grasos de alcoholes alquilicos monovalentes. - Google Patents
Procedimiento para preparar esteres de acidos grasos de alcoholes alquilicos monovalentes.Info
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Abstract
Procedimiento para la producción de ésteres de ácidos grasos de alcoholes alquílicos monovalentes por transesterificación catalizada por bases de triglicéridos procedentes de aceites y/o grasas naturales o sintéticos, los cuales, como sustancias concomitantes perjudiciales contienen ácidos grasos libres, según el cual los aceites y/o grasas se tratan primeramente con una fase de glicerina de carácter básico, no miscible, de modo que los ácidos grasos libres se neutralizan y pasan a la fase de glicerina y, después, los triglicéridos, tras la separación de la fase de glicerina, se transesterifican en una caldera con agitador, con alcoholes monovalentes utilizando una base como catalizador, caracterizado porque la fase de glicerina de carácter básico que resulta en la transesterificación de los triglicéridos, se utiliza, después de la separación de los ésteres de ácidos grasos, para el tratamiento de los aceites y/o grasas para la separación de los ácidos grasos libres, calculándose la cantidad mínima de catalizador empleado, referida a 1000 g del aceite a tratar, en función del índice de acidez y de la masa molar media del aceite conforme a las ecuaciones (I) - (III): en el caso de un índice de acidez, la desigualdad (I) cumple SZ < (0, 084 mol/1000 g aceite) * M(KOH) * Y (I) conforme a la ecuación (II) Cantidad mínima de cat/1000 g de aceite = 0, 088 mol/1000 g aceite * Y (II) de otro modo, conforme a la ecuación (III) Cantidad mínima de cat/1000 g de aceite = (III) (SZ / M(KOH) * (0, 088 / 0, 084) con Y = (880 g/mol)/(masa molar media del aceite empleado) y SZ = Índice de acidez del aceite empleado [(g KOH)/(1000 g de aceite)].
Description
Procedimiento para preparar ésteres de ácidos
grasos de alcoholes alquílicos monovalentes.
Los ésteres de ácidos grasos de alcoholes
alquílicos monovalentes encuentran múltiple utilización en la
industria química y farmacéutica, tanto como materia prima como
también como productos intermedios. Además de ello, este tipo de
compuestos se emplea también en la industria de los productos
alimenticios y, desde hace poco tiempo, especialmente también como
combustible Diesel.
Para la producción de estos compuestos se
propusieron diferentes vías partiendo del petróleo o de materias
brutas regenerables. En la práctica, la preparación de tales
ésteres a partir de aceites y grasas vegetales o animales adquiere
un significado especial no sólo por motivos de protección del medio
ambiente.
Los procedimientos actuales se basan, por lo
regular, en la transesterificación de ésteres de ácidos grasos de
alcoholes polivalentes, catalizada por bases, conocida desde hace
tiempo, especialmente de glicéridos de ácidos grasos (véanse, por
ejemplo, J. Am. Oil Chem. Soc. 61 (1984), 343 o Ullmann,
Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4ª edición, tomo 11, página
432).
Los procedimientos técnicos propuestos en los
últimos años para la producción de ésteres de ácidos grasos de
alcoholes alquílicos monovalentes por transesterificación de
ésteres de ácidos grasos de alcoholes polivalentes, catalizada por
bases, tal como se da a conocer, por ejemplo, en el documento
DE-3932514 o DE-4209779, llevan
consigo, en parte, un equipo de aparatos de gran complejidad y/o
trabajan en condiciones de grandes costes, es decir a elevada
temperatura y/o elevada presión, y abarcan también, frecuentemente,
complejas etapas de elaboración, tales como destilaciones. Por
estos motivos, estos procedimientos sólo se pueden llevar a cabo de
forma rentable a gran escala técnica, a partir de aproximadamente
50.000 toneladas anuales o más. Para instalaciones pequeñas de
aproximadamente 500-5.000 toneladas anuales estos
procedimientos no son adecuados.
Procedimientos adaptados especialmente a las
posibilidades de estas pequeñas instalaciones se dan a conocer, por
ejemplo, en los documentos AT-386222,
AT-397966, AT-387399,
DE-3727981, DE-3020612,
DE-3107318 o WO 92/00268. Todos estos procedimientos
se basan en la mencionada reacción de transesterificación y tienden
a conseguir una simplificación lo más amplia posible para disminuir
costes y, así, poder trabajar rentablemente también a pequeña
escala. Estos procedimientos intentan renunciar especialmente a
etapas de separación de gran consumo energético y de equipos de
aparatos complejos, tales como las destilaciones. Como término medio
de elección para la separación del producto o de los productos
intermedios se ha establecido aquí la separación de fases.
Sin embargo, en el caso de utilizar aceites de
partida sin refinar tales como, por ejemplo, aceites nativos,
aparecen en este procedimiento dos importantes problemas. Los
aceites nativos, especialmente los de origen vegetal, contienen por
lo regular sustancias mucoides tales como fosfátidos. Estas
sustancias son tensioactivas y, por ello, se utilizan en parte en
la industria alimentaria como emulsionantes. En relación con el
procedimiento para la producción de ésteres de ácidos grasos, aquí
mencionado, de esta propiedad surge el problema de que estos
compuestos influyen negativamente sobre la separación de fases. De
forma correspondiente, para un transcurso del procedimiento exento
de problemas se tienen que emplear aceites de partida eliminados ya
de las sustancias mucoides, o se tienen que llevar a cabo etapas de
procedimiento adicionales, las cuales requieren también, por lo
regular, partes adicionales en la instalación para disminuir las
pérdidas de rendimiento ocasionadas por la lenta o incompleta
separación de fases. Por lo tanto, elevados contenidos en
sustancias mucoides y, especialmente, de fosfátidos en el aceite de
partida, condicionan en los procedimientos convencionales costes más
elevados.
Además, los aceites anteriormente citados
contienen también frecuentemente cantidades no insignificantes de
ácidos grasos libres, cuya presencia resulta también negativa. A
saber, como ácidos libres estas sustancias reaccionan, bajo
formación de jabones, con el catalizador de carácter básico añadido
para la transesterificación. Por ello, una parte del catalizador se
neutraliza y, por consiguiente, ya no está a disposición de la
reacción de transesterificación. Para resolver este problema, los
ácidos grasos libres se pueden neutralizar y/o separar antes de la
verdadera transesterificación o hay que añadir una cantidad
correspondiente mayor de catalizador de carácter básico (WO
92/00268).
Sin embargo, este proceder tiene como
consecuencia que, debido a la mayor necesidad de catalizador, se
crean costes adicionales, y que, por ello, en la mezcla de reacción
se forman cantidades no despreciables de jabones. Puesto que también
estos compuestos poseen propiedades tensioactivas, dificultan la
separación de las fases y tienen que ser separados, por lo que de
nuevo se originan costes adicionales.
El documento
EP-A-0 131 991 da a conocer un
procedimiento para la transesterificación de ésteres de ácidos
grasos, el cual se lleva a cabo bajo catálisis de bases. Además, en
este procedimiento los ésteres de ácidos grasos empleados se liberan
de sustancias concomitantes perjudiciales por un tratamiento previo
con una base. La reacción de transesterificación se lleva a cabo en
un reactor de contracorriente y, por consiguiente, no es
practicable para instalaciones pequeñas.
Por lo tanto, el presente invento se fundamenta
en la misión de poner a disposición un procedimiento para la
producción de ésteres de ácidos grasos de alcoholes alquílicos
monovalentes, lo más sencillo y rentable posible, que en lo posible
demande escasas exigencias a los aceites de partida y, al mismo
tiempo, garantice elevados rendimientos.
Este problema se soluciona por un procedimiento
para la producción de ésteres de ácidos grasos de alcoholes
alquílicos monovalentes por transesterificación, catalizada por
bases, de triglicéridos de aceites y/o grasas naturales o
sintéticos, los cuales contienen ácidos grasos libres y fosfátidos
como sustancias concomitantes perjudiciales, tratando primeramente
los aceites y/o grasas con una fase de glicerina, de carácter
básico, no miscible, de modo que los ácidos grasos libres se
neutralizan y se trasladan a la fase de glicerina y, después, los
triglicéridos, tras la separación de la fase de glicerina, se
trasesterifican con alcoholes monovalentes en una caldera con
agitador utilizando una base como catalizador, dando los ésteres de
ácidos grasos, caracterizado porque la fase de glicerina, de
carácter básico, que resulta en la transesterificación de los
triglicéridos, se utiliza, después de la separación de los ésteres
de ácidos grasos, para el tratamiento de los aceites y/o grasas
para la separación de los ácidos grasos libres, calculándose la
cantidad mínima del catalizador empleado, referida a 1000 g del
aceite a tratar, en función del índice de acidez y de la masa
molecular media del aceite conforme a las ecuaciones (I) -
(III):
en el caso de un índice de acidez, la desigualdad
(I) cumple
(I)SZ < (0,084 mol/1000
g aceite) * M(KOH) *
Y
conforme a la ecuación
(II)
(II)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = 0,088 mol/1000 g aceite *
Y
de otro modo conforme a la ecuación
(III)
(III)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = (SZ / M(KOH) * (0,088 /
0,084)
con
Y = (880 g/mol)/(masa molar media del aceite
empleado)
y
SZ = Índice de acidez del aceite empleado [(g
KOH)/(1000 g de aceite)].
El procedimiento conforme al invento se explica
más detalladamente a través de la Fig. 1. Las ventajas apuntadas
consisten especialmente en que aceites de partida con un elevado
contenido en ácidos grasos libres, que adicionalmente pueden
contener también sustancias mucoides, se puedan elaborar sin
problemas a ésteres de ácidos grasos de alcoholes alquílicos
monovalentes. Además, en el procedimiento conforme al invento sólo
se necesitan cantidades catalíticas de base, de modo que, por lo
regular, se suprimen los costes adicionales de material catalítico
para la neutralización de los ácidos libres, puesto que la cantidad
de catalizador resultante en la etapa de transesterificación está a
disposición en la etapa de extracción para la etapa de
neutralización. A pesar de estas simplificaciones, el procedimiento
conforme al invento proporciona un producto de elevada pureza y con
muy buen rendimiento. El empleo de la fase de glicerina de carácter
básico, resultante de la etapa de transesterificación y separable
como pesada fase polar, la cual contiene esencialmente glicerina y
catalizador de carácter básico, tiene especialmente la ventaja en
la etapa de neutralización de que no se aportan impurezas
adicionales con una nueva base a la etapa de neutralización.
En el procedimiento conforme al invento se pueden
elaborar como material de partida triglicéridos de origen
arbitrario. Como ejemplo, se citan aquí grasas y aceites de origen
animal o vegetal tales como los que convencionalmente se utilizan
para la producción de ésteres de ácidos grasos. Un material de
partida particularmente preferido es aceite de colza.
Sorprendentemente, se encontró que la fase de
glicerina de carácter básico procedente de la transesterificación es
extraordinariamente adecuada para extraer los ácidos grasos libres
de la sustancia de partida en una etapa de tratamiento previo. El
agente químico que actúa en este caso es el catalizador alcalino de
transesterificación, el cual, en esta etapa de reacción, disuelve en
la glicerina polar los ácidos grasos libres, no polares, en forma
de jabones iónicos. Hasta aquí, el catalizador se emplea
primeramente en la transesterificación y, a continuación, en la
neutralización y extracción de los ácidos grasos libres.
Las ventajas apuntadas conforme al invento se
encuentran especialmente en que los aceites de partida con un
elevado contenido en ácidos grasos libres se pueden elaborar sin
problemas y con mínimas pérdidas de rendimiento a ésteres de ácidos
grasos de alcoholes alquílicos monovalentes. Además, no es
necesaria una separación previa de las sustancias mucoides de los
aceites vegetales, necesaria en otros procedimientos.
Conforme al invento, en una primera etapa del
procedimiento el material de partida se mezcla agitando con la fase
de glicerina de carácter básico. Con ello, se extraen ampliamente
los ácidos grasos libres y el agua residual.
Para este tratamiento previo el material de
partida se mezcla con la fase de glicerina de carácter básico
durante
1 - 60 min, preferentemente 5 - 15 min, para lo cual se emplea preferentemente una caldera con agitación.
1 - 60 min, preferentemente 5 - 15 min, para lo cual se emplea preferentemente una caldera con agitación.
Las condiciones de reacción de este tratamiento
previo están limitadas únicamente por el punto de solidificación de
la materia prima. Bajo el punto de vista de la rentabilidad, esto
debería tener lugar a la temperatura ambiente y presión ambiente y,
en caso de puntos de solidificación más elevados, aproximadamente
10ºC por encima de este punto y a la presión ambiente.
La elección de la fase de glicerina de carácter
básico, es variable. Únicamente se debe garantizar que al menos
exista aún tanto catalizador libre como para poder neutralizar
todos los ácidos grasos libres. Por lo regular, la proporción de
catalizador libre procedente de la fase de glicerina de carácter
básico de la trasestrificación alcanza también para materias primas
con gran proporción de ácidos grasos libres. La fase de glicerina
de carácter básico tiene un contenido en glicerina de 20 - 99%,
preferentemente 40 - 60%. El contenido en catalizador se sitúa
entre 1 - 30%, preferentemente 5 - 10%. La proporción de alcohol de
transesterificación se sitúa entre 5 - 40%, preferentemente entre
15 - 25%. La cantidad a añadir de fase de glicerina de carácter
básico, referida a la materia prima, oscila entre
1 - 100%, preferentemente 5 - 15%. En caso necesario, la fase de glicerina de carácter básico se puede completar también por adición de catalizador alcalino sólido o de una mezcla de alcohol/catalizador. El agente de extracción a base de glicerina se puede preparar también mezclando directamente glicerinas de diferentes calidades, desde glicerina técnica hasta glicerina farmacológica, y el catalizador alcalino con o sin alcoholes. Como catalizador alcalino entran en consideración todos los catalizadores empleados para las reacciones de transesterificación, hidróxidos metálicos y/o alcoholatos metálicos, especialmente de metales del grupo principal I a III del sistema periódico, preferentemente NaOH, KOH y alcoholatos de sodio tales como, por ejemplo, etilato de sodio.
1 - 100%, preferentemente 5 - 15%. En caso necesario, la fase de glicerina de carácter básico se puede completar también por adición de catalizador alcalino sólido o de una mezcla de alcohol/catalizador. El agente de extracción a base de glicerina se puede preparar también mezclando directamente glicerinas de diferentes calidades, desde glicerina técnica hasta glicerina farmacológica, y el catalizador alcalino con o sin alcoholes. Como catalizador alcalino entran en consideración todos los catalizadores empleados para las reacciones de transesterificación, hidróxidos metálicos y/o alcoholatos metálicos, especialmente de metales del grupo principal I a III del sistema periódico, preferentemente NaOH, KOH y alcoholatos de sodio tales como, por ejemplo, etilato de sodio.
Después de la etapa de extracción anteriormente
descrita, la mezcla de reacción se puede separar por simple
sedimentación y, a continuación, se puede aportar inmediatamente a
la transesterificación. Tiempos de sedimentación habituales son 15
min - 72 h, preferentemente 1 - 3 h. La temperatura de la materia
prima se debería situar por encima del punto de solidificación. En
el caso de aceites vegetales tales como aceite de colza, soja y
girasol es suficiente una temperatura ambiente de 20ºC y, en caso de
grasas corporales de animales y grasas de freidurías son
realistas
40 - 50ºC. En general, la temperatura de sedimentación se debería situar entre 0 - 100ºC, preferentemente 20 - 40ºC.
40 - 50ºC. En general, la temperatura de sedimentación se debería situar entre 0 - 100ºC, preferentemente 20 - 40ºC.
Para optimizar el aprovechamiento de la materia
prima se ofrece, además, separar los ácidos grasos libres o,
respectivamente, sus sales, contenidos en la fase de glicerina de
carácter básico, conforme al documento WO 95/02661, y esterificarlos
con alcohol alquílico. Esto sucede preferentemente bajo catálisis
ácida. La mezcla de reacción obtenida en esta esterificación ácida
posterior, se puede añadir, hacia el final de la reacción de
transesterificación, a la mezcla de transesterificación descrita en
los siguientes apartados. En este caso, sin embargo, se debe tener
en cuenta que el catalizador de carácter ácido de la esterificación
posterior de los ácidos grasos libres neutraliza una parte del
catalizador de carácter de carácter básico necesario para la
transesterificación.
Tras finalizar el tratamiento previo, el
triglicérido obtenido se puede hacer reaccionar directamente con la
base para llevar a cabo la transesterificación de los ésteres de
ácidos grasos de alcoholes polivalentes a ésteres de ácidos grasos
de alcoholes alquílicos monovalentes. Para este fin, se traspasa a
una caldera con agitador.
La cantidad de alcohol alquílico que se emplea
para la transesterificación se distribuye en 1 a 10, preferentemente
2 etapas de transesterificación. En total, para el procedimiento
conforme al invento se emplean aproximadamente
1,05 - 2 mol de alcohol por cada mol de partes unidas de ácido graso, preferentemente 1,2 - 1,4 mol. En la realización habitual en dos etapas del procedimiento, en la primera etapa se emplea 40 - 99%, preferentemente 90 - 95% y, en la segunda etapa 1 - 60%, preferentemente 5 - 10%.
1,05 - 2 mol de alcohol por cada mol de partes unidas de ácido graso, preferentemente 1,2 - 1,4 mol. En la realización habitual en dos etapas del procedimiento, en la primera etapa se emplea 40 - 99%, preferentemente 90 - 95% y, en la segunda etapa 1 - 60%, preferentemente 5 - 10%.
El tipo de alcohol alquílico a emplear no se
limita más en el presente procedimiento. Preferidos son, sin
embargo, alcoholes alquílicos lineales, ramificados o cíclicos con
1 - 10 átomos de carbono y, particularmente preferido es
metanol.
La base que cataliza la reacción de
transesterificación, en cuyo caso se trata ventajosamente de
hidróxidos metálicos y/o alcoholatos metálicos, especialmente de
metales del grupo principal I a III del sistema periódico, se puede
añadir a la mezcla de reacción tanto en forma sólida como también
en forma de una solución alcohólica. Como base es particularmente
preferido el hidróxido de potasio.
En el caso de utilizar una solución alcohólica,
son preferidas las que contienen 25 - 50% en peso de base, referido
al peso total de la solución. Naturalmente, la cantidad de alcohol
incorporada por esta vía hay que considerarla incluida en la
cantidad total de alcohol.
La cantidad total de base, que se añade en esta
etapa del procedimiento, depende nuevamente de la ulterior
conducción del procedimiento y de la constitución del material de
partida. Naturalmente, en el caso de una transesterificación en una
etapa, en esta etapa se emplea la cantidad total de catalizador de
transesterificación de carácter básico, mientras que en una
transesterificación en dos etapas, en esta etapa sólo se utilizan 20
- 95% y, preferentemente, 80 - 90% de la cantidad total.
La cantidad mínima de catalizador de
transesterificación de carácter básico, en el caso de un bajo
contenido de ácidos grasos libres (bajo índice de acidez; se cumple
la desigualdad (I)) viene dada previamente por la reacción de
transesterificación, y se puede determinar conforme a la ecuación
(II). En el caso de índices de acidez más elevados (la desigualdad
(I) no se cumple), la neutralización de los ácidos grasos libres es
la etapa determinante para el cálculo de la cantidad necesaria de
catalizador. En este caso, la cantidad mínima de base a emplear se
debería calcular con ayuda de la ecuación (III). El valor numérico
0,088 mol/1000 g de aceite es un valor mínimo calculado
empíricamente, el cual se determinó de manera a que se garantizara
una velocidad de reacción aceptable. De esta cantidad, quedan
disponibles 0,084 mol/1000 g de aceite para la neutralización de
los ácidos grasos libres; la relación 0,084/0,088 se puede entender,
por consiguiente, como rendimiento de reciclaje.
Considerado según aspectos económicos, tiene poco
sentido sobrepasar en 10 veces la cantidad mínima a emplear
teóricamente. Como particularmente ventajosa ha resultado la
utilización de 1 a 4 veces la cantidad mínima de catalizador de
transesterificación de carácter básico que se ha de emplear
teóricamente.
El tiempo de reacción en esta etapa es de 5 - 60
min y, preferentemente, 25 - 35 min. Puesto que también esta etapa
se lleva a cabo preferentemente a la temperatura y presión
ambiente, la duración exacta de la reacción se ha de adaptar a las
condiciones en cada caso.
Especialmente en el caso de índices de acidez
bajos, es posible otra reducción de la necesidad de catalizador
volviendo a utilizar para la reacción de transesterificación una
parte X de la fase de glicerina de carácter básico resultante en la
transesterificación, después de la separación de los ésteres de
ácidos grasos. Esta forma de conducir el procedimiento se
representa esquemáticamente en la Fig. 2.
Una reutilización de este tipo de la fase de
glicerina de carácter básico únicamente tiene sentido en el caso de
un índice de acidez que cumpla la desigualdad (IV):
(IV)SZ < (0,084 mol/1000 g
de aceite) * M(KOH) *
Y
La cantidad mínima de catalizador a emplear
(referida a 1000 g del aceite a tratar), así como la proporción X
de la fase de glicerina, de carácter básico, a emplear de nuevo
para la transesterificación, se tienen que elegir en función del
índice de acidez y de la masa molar media del aceite de tal modo
que se cumplan al mismo tiempo las ecuaciones (V) y (VI):
(V)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = (0,088 mol/1000 g de aceite - (X *
0,084 mol/1000 g de aceite) *
Y
(VI)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = (SZ / M(KOH) * (0,088 / (0,084 * (1 -
X))
con
Y = (880 g/mol) / (masa molar media del aceite
empleado)
SZ = índice de acidez del aceite empleado [(g
KOH/(1000 g de aceite)]
X = proporción de la fase de glicerina de
carácter básico que se vuelve a utilizar para la
transesterificación
La ecuación (V) corresponde a la ecuación (II),
el segundo miembro tiene en cuenta la cantidad de fase de glicerina
de carácter básico nuevamente utilizada en la etapa de
transesterificación. La ecuación (VI) es dependiente de la ecuación
(III). Según esta ecuación, la cantidad mínima necesaria es mayor
que la de la ecuación (III), puesto que únicamente se emplea la
parte 1-X de la fase de glicerina de carácter
básico para la neutralización de los ácidos grasos libres. La
reutilización de la fase de glicerina de carácter básico para la
transesterificación encuentra sus límites allí donde ya no existe
suficiente base para la neutralización de los ácidos grasos libres
en la parte 1-X. Por lo tanto, se tiene que
determinar la combinación óptima de la cantidad de base empleada y
la parte reutilizable X teniendo en cuenta al mismo tiempo las
ecuaciones (V) y (IV).
Igualando las ecuaciones (V) y (VI) y
transformándolas se puede obtener una ecuación de segundo orden,
cuya única solución física, con sentido, proporciona un valor de X
en el intervalo de 0 a 1. Esta posible parte X a emplear de forma
máxima para la transesterificación se puede emplear entonces, en lo
sucesivo, en las ecuaciones (V) o (VI) para determinar la cantidad
mínima necesaria de catalizador.
Si se pone para: | SZ / (M(KOH) * Y = a |
0,088 mol/1000 g = b | |
0,084 mol/1000 g = c |
entonces la parte X máxima, con sentido, se puede
expresar por la ecuación (VII):
(VII)X = (c^{2} + bc -
((c^{2}+ bc) ^{2} - 4bc^{2} * (c - a))
^{0,5})/(2c^{2})
Naturalmente, también es posible la
reutilización, para la transesterificación, de partes más pequeñas
de la fase de glicerina de carácter básico. Esta circunstancia se
ha representado gráficamente en la Fig. 3 para una masa molar media
del aceite de 880 g/mol: las partes X, que se encuentran en la zona
sombreada de claro de la Fig. 3, garantizan una suficiente cantidad
de catalizador en la parte restante (1-X) para la
neutralización de los ácidos grasos libres.
Después de la etapa de transesterificación
anteriormente descrita, la mezcla de reacción puede ser elaborada de
manera adecuada, resultando la separación de fases como
particularmente ventajosa.
Para ello, la mezcla obtenida en la etapa de
transesterificación se lleva a un recipiente, el cual,
ventajosamente, es varias veces mayor que el reactor utilizado para
el tratamiento previo y la transesterificación. La ventaja de este
dimensionado está en que este depósito de sedimentación se puede
usar como depósito de reserva, por lo que, por una parte los
tiempos de sedimentación pueden ser más largos que el tiempo
necesario para el tratamiento previo y la transesterificación y,
por otra parte, es posible una sustracción continua de
producto.
Este depósito debe estar dispuesto, además, de
modo que la fase residual que se forma, la cual contiene entre otros
los alcoholes polivalentes, y la fase rica en ésteres de ácidos
grasos de alcoholes monovalentes puedan ser evacuadas por dos
salidas dispuestas en lugares diferentes.
Ha resultado favorable hacer llegar la mezcla de
reacción aproximadamente a la altura del límite de fases
líquido-líquido, lo cual se puede conseguir por una
entrada dispuesta o conformada de forma correspondiente, y sustraer
la fase rica en ésteres lo más lejos posible del límite de fases,
es decir que la salida para la fase rica en ésteres se debería
disponer, a ser posible, en la proximidad del límite del nivel de
llenado del depósito utilizado para la separación de fases.
Esta optimación encuentra naturalmente su límite
en el hecho de que una salida dispuesta demasiado arriba sólo
permite pequeñas cantidades de evacuación, mientras que una salida
dispuesta más abajo permite ciertamente mayores cantidades de
evacuación, pero también condiciona un producto menos puro. Aquí, el
compromiso necesario para una instalación dada puede ser
determinado, sin más, por un experto en la materia. Habitualmente,
la salida se situará en el tercio superior del depósito.
Del depósito utilizado para la separación de
fases se puede sustraer, por encima del límite de fases
líquido-líquido, una fase rica en ésteres de ácidos
grasos de alcohol alquílico monovalente y, a continuación, se puede
elaborar según procedimientos convencionales o se puede someter a
una segunda transesterificación.
Una segunda transesterificación se ofrece siempre
que se desee una transformación lo más completa posible de los
restos de ácidos grasas contenidos en el producto de partida, en
ésteres de ácidos grasos de alcoholes alquílicos monovalentes. Para
ello, la fase separada se lleva a un segundo reactor, el cual está
diseñado ventajosamente como caldera con agitador, y se hace
reaccionar con un alcohol alquílico y una base bajo las mismas
condiciones de reacción que en la primera etapa de
transesterificación.
En este punto, se tiene que añadir alcohol
alquílico en una cantidad de 5 - 80%, preferentemente de 10 - 20% de
la cantidad total anteriormente mencionada, puesto que el alcohol
alquílico añadido en las etapas anteriores emigra esencialmente
durante la separación de fases a la fase de glicerina.
La cantidad de alcohol necesaria se puede añadir
bien sea directamente o bien mezclada primeramente con la base y
aportada después al reactor. También aquí se debería emplear
ventajosamente el mismo alcohol alquílico o, respectivamente, la
misma mezcla de alcoholes alquílicos que en las etapas
anteriores.
Como base entran aquí en consideración los mismos
compuestos que en la primera etapa de transesterificación, siendo
preferidos nuevamente, en cuanto a la capacidad de manipulación, 25
- 50% en peso de soluciones alcohólicas.
El tiempo de reacción en esta etapa es de
15-45 min y, preferentemente, 25-35
min.
También la mezcla de reacción obtenida después de
la segunda transesterificación se puede elaborar según una de las
maneras conocidas, habiendo resultado nuevamente ventajosa una
separación de fases del modo descrito anteriormente.
Particularmente ventajoso es lavar la mezcla de reacción, antes de
la última separación de fases, con al menos 5% en peso de agua,
referido al peso de la mezcla que contiene ácidos grasos empleada
en esta etapa.
Además, después de la última separación de fases
se pueden evacuar los componentes de bajo punto de ebullición de la
fracción rica en ésteres de ácidos grasos de alcoholes alquílicos
monovalentes. Para ello, se emplea ventajosamente un evaporador, en
el cual la fracción separada en último lugar se lleva sobre una
primera superficie calentada a 90 hasta 120ºC, y los componentes de
bajo punto de ebullición se condensan sobre una segunda
superficie.
A continuación, el procedimiento conforme al
invento se explica con más detalle con ayuda de ejemplos y ejemplos
comparativos.
Ejemplo comparativo
1
500 g de aceite de colza prensado en frío con un
contenido en ácidos grasos libres (contenido en FFA) de 0,3% se
mezclan bajo agitación en un matraz, a 293ºK, con 52,5 g de metanol
(99,7%) y 25 g de una solución al 30% en peso de KOH (al 85%) en
metanol. Tras aproximadamente 25 minutos se detiene el mecanismo de
agitación. La mezcla se traspasa a un embudo de separación, de
manera que al cabo de aproximadamente 3 horas las dos fases
líquidas se pueden recoger en dos depósitos. El biodiesel se
transesterifica completamente por adición de 2 g de una solución al
30% de KOH en metanol y, a continuación, se lava y se seca. El
rendimiento es 495 g (99%) de éster metílico de colza y 82,5 g de
fase de glicerina de carácter básico de la siguiente composición:
aproximadamente 65% de glicerina, aproximadamente 18% de metanol,
aproximadamente 17% de KOH libre y jabones de potasio.
Ejemplos comparativos
2-5
Los demás ejemplos comparativos se llevaron a
cabo de forma correspondiente a la prescripción del Ejemplo
comparativo 1. Los datos relevantes de todos los Ejemplos
comparativos se han recopilado en la Tabla 1.
(Tabla pasa a página
siguiente)
Etapa
a
500 g de aceite de colza prensado en frío con un
contenido en FFA del 1% y un contenido en agua del 0,2% se mezclan
bajo agitación en un matraz, a 293ºK, con 50 g de fase de glicerina
de carácter básico (60% de glicerina, 20% de metanol, el resto
jabones y KOH libre) y, a continuación, se remueve intensamente
durante 10 minutos. La mezcla se traspasa a un embudo de separación
y, finalmente, al cabo de 3 horas de sedimentación se separan entre
sí por simple desagüe. El rendimiento fue de 495 g con un contenido
en FFA y un contenido en agua menor que 0,1%.
Ejemplo 2 -
5
Etapa
a
En principio, el modo de proceder corresponde a
la del Ejemplo 1. Todos los datos relevantes se han recopilado en la
Tabla 2.
Etapa
b
Los 495 g de aceite de colza prensado en frío del
Ejemplo 1 (etapa a) se mezclan bajo agitación en un matraz a 293ºK
con 59,3 g de metanol (99,7%) y 12 g de una solución al 33% en peso
de KOH (al 85%) en metanol. Al cabo de aproximadamente 25 minutos
se detiene el mecanismo de agitación y la mezcla se traspasa a un
embudo de separación. Al cabo de aproximadamente 1 hora las dos
fases líquidas se recogen en dos depósitos. El biodiesel se
transesterifica completamente por adición de 3 g de una solución al
33% de KOH en metanol, la fase de glicerina que se forma se separa y
se reúne con la primera y, a continuación, el biodiesel se lava y
se seca. El rendimiento es 492,5 g (99,5%) de éster metílico de
colza y 73 g de fase de glicerina de carácter básico de la
siguiente composición:
aproximadamente 68% de glicerina, aproximadamente
20% de metanol, aproximadamente 4% de jabones de potasio,
aproximadamente 7% de KOH libre y aproximadamente 1% de agua. El
rendimiento total, referido a la materia prima antes de la
extracción, es 98,5%.
Ejemplos
2-5
Etapa
b
Se aplicó el protocolo del Ejemplo 1 (etapa b).
Las cantidades empleadas, condiciones de reacción y rendimientos se
han recopilado en la Tabla 3.
La comparación de los rendimientos conseguidos en
los Ejemplos de comparación en la Tabla 1, con los rendimientos
totales según la Tabla 3 muestra, que los procedimientos
convencionales pueden competir con el presente invento únicamente
en el caso de un contenido muy bajo en ácidos grasos libres (Ejemplo
1 y Ejemplo comparativo 1).
Cuanto mayor sea el contenido en ácidos grasos
libres en el material de partida empleado, tanto mayor es la ventaja
del presente invento.
En el caso de un contenido idéntico en ácidos
grasos de 5% en el Ejemplo 4 y en el Ejemplo comparativo 4, el
rendimiento total según el procedimiento del presente invento, del
92,6%, es claramente superior que el del método convencional
(80%).
Igualmente, el rendimiento total del 86,6% de la
transesterificación de grasa corporal animal según el procedimiento
del presente invento (Ejemplo 5) es sensiblemente mejor que el de
los métodos convencionales (60%; Ejemplo comparativo 5), y esto
incluso en el caso de una mayor proporción de ácidos grasos libres
(Ejemplo 5: 12% de FFA; Ejemplo comparativo 5: 9% de FFA).
Claims (20)
1. Procedimiento para la producción de ésteres de
ácidos grasos de alcoholes alquílicos monovalentes por
transesterificación catalizada por bases de triglicéridos
procedentes de aceites y/o grasas naturales o sintéticos, los
cuales, como sustancias concomitantes perjudiciales contienen
ácidos grasos libres, según el cual los aceites y/o grasas se
tratan primeramente con una fase de glicerina de carácter básico, no
miscible, de modo que los ácidos grasos libres se neutralizan y
pasan a la fase de glicerina y, después, los triglicéridos, tras la
separación de la fase de glicerina, se transesterifican en una
caldera con agitador, con alcoholes monovalentes utilizando una base
como catalizador, caracterizado porque la fase de glicerina
de carácter básico que resulta en la transesterificación de los
triglicéridos, se utiliza, después de la separación de los ésteres
de ácidos grasos, para el tratamiento de los aceites y/o grasas para
la separación de los ácidos grasos libres, calculándose la cantidad
mínima de catalizador empleado, referida a 1000 g del aceite a
tratar, en función del índice de acidez y de la masa molar media
del aceite conforme a las ecuaciones (I) - (III):
en el caso de un índice de acidez, la desigualdad
(I) cumple
(I)SZ < (0,084 mol/1000
g aceite) * M(KOH) *
Y
conforme a la ecuación
(II)
(II)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = 0,088 mol/1000 g aceite *
Y
de otro modo, conforme a la ecuación
(III)
(III)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = (SZ / M(KOH) * (0,088 /
0,084)
con
Y = (880 g/mol)/(masa molar media del aceite
empleado)
y
SZ = Índice de acidez del aceite empleado [(g
KOH)/(1000 g de aceite)].
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
cual a los triglicéridos obtenidos después del tratamiento previo
con una fase de glicerina de carácter básico, no miscible, se
añaden para la transesterificación base y alcohol alquílico y,
después de la transesterificación, se separa una fracción rica en
ésteres de ácidos grasos de alcoholes alquílicos monovalentes,
mezclándose la primera fracción separada, rica en ésteres de ácidos
grasos de alcoholes alquílicos monovalentes, con la base y el
alcohol alquílico para la ulterior transesterificación, y después
de la transesterificación se separa una segunda fracción rica en
ésteres de ácidos grasos de alcoholes monovalentes.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en la cual como base se utilizan óxidos metálicos y/o alcoholatos
metálicos o sus soluciones alquilalcohólicas.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la separación de las
fracciones ricas en ésteres de ácidos grasos de alcoholes
alquílicos monovalentes se efectúa por separación de fases.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la mezcla de reacción,
antes de la respectiva última separación de fases, se lava con 5%
en peso o más de agua, referido al peso de la mezcla que contiene
los ésteres de ácidos grasos empleada en esta etapa.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el
cual, después de la respectiva última separación de fases, se
evacúan de la fracción rica en ésteres de ácidos grasos de
alcoholes alquílicos monovalente, componentes de bajo punto de
ebullición.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 4 a 6, en el cual para la separación de las
fracciones ricas en ésteres de ácidos grasos de alcoholes
alquílicos monovalentes se utiliza un depósito, al cual se lleva la
respectiva mezcla de partida en o debajo del límite de fases
líquido-líquido, y la fracción a separar se sustrae
en el tercio superior del depósito.
\newpage
8. Procedimiento según la reivindicación 6 ó 7,
en el cual para la evacuación de los componentes de bajo punto de
ebullición se emplea un evaporador, en el cual la fracción separada
en último lugar se lleva sobre una primera superficie calentada a 90
hasta 120ºC, y los componentes de bajo punto de ebullición se
condensan sobre una segunda superficie.
9. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual como material de partida se
utilizan aceites de origen vegetal.
10. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual se utilizan alcoholes
alquílicos con 1 a 10 átomos de carbono.
11. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual el tratamiento previo con
la fase de glicerina de carácter básico se lleva a cabo en una
caldera con agitador durante un tiempo de 1 a 60 min.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, en
donde la duración del tratamiento previo es de 5 hasta 15 min.
13. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual 5 a 15% de la fase de
glicerina de carácter básico originada en la transesterificación se
emplea en la etapa de tratamiento previo.
14. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 12, en el cual a la fase de glicerina de
carácter básico originada en la transesterificación se añaden
adicionalmente más glicerina y/o base para la separación de los
ácidos grasos libres.
15. Procedimiento según la reivindicación 14, en
el cual se añaden adicionalmente glicerina técnica o glicerina
farmacológica, en la cual hay disueltos KOH, NaOH o etilato de
sodio.
16. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la cantidad total de
catalizador de transesterificación de carácter básico empleado es 1
a 4 veces la cantidad mínima de catalizador conforme a la
reivindicación 1.
17. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la cantidad total de
alcohol empleado es 1,2 hasta 1,4 mol por cada mol de partes de
ácido graso unidas.
18. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una parte
X de la fase de glicerina de carácter básico resultante en la
transesterificación de los triglicéridos, se vuelve a utilizar,
después de la separación de los ésteres de ácidos grasos, para la
reacción de transesterificación, cumpliendo el índice de acidez la
desigualdad (IV)
(IV)SZ < (0,084 mol/1000 g
de aceite) * M(KOH) *
Y
y la cantidad mínima de catalizador a emplear
(referida a 1000 g del aceite a tratar), así como la proporción X
de la fase de glicerina de carácter básico a emplear de nuevo para
la transesterificación, se eligen de modo que se cumplan al mismo
tiempo las ecuaciones (V) y
(VI):
(V)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = (0,088 mol/1000 g de aceite - (X *
0,084 mol/1000 g de aceite) *
Y
(VI)Cantidad mínima de
cat/1000 g de aceite = (SZ / M(KOH) * (0,088 / (0,084 * (1 -
X))
con
Y = (880 g/mol) / (masa molar media del aceite
empleado)
SZ = índice de acidez del aceite empleado [(g
KOH/(1000 g de aceite)]
X = proporción de la fase de glicerina de
carácter básico que se vuelve a utilizar para la
transesterificación.
19. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los ácidos
grasos libres o, respectivamente, sus sales, separados con la fase
de glicerina de carácter básico, se esterifican posteriormente con
alcohol alquílico.
\newpage
20. Procedimiento para la producción de
combustible para motores Diesel, que abarca un procedimiento para la
producción de ésteres de ácidos grasos de alcoholes alquílicos
monovalentes conforme a una de las reivindicaciones
1-19.
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