utilizacion de la glicerina
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EVALUACIÓN AMBIENTAL DE LAS DIFERENTES ALTERNATIVAS EN
LA UTILIZACIÓN DE LA GLICERINA COMO SUBPRODUCTO DE LA
PRODUCCIÓN DE LA PLANTA DE BIODIESEL BIO D S.A. DEL
MUNICIPIO DE FACATATIVÁ
ALEXANDER ORTIZ ORTIZ
C.C.N. 79.531.277
Proyecto de grado para optar al título de ESPECIALISTA EN GERENCIA
AMBIENTAL
Asesor
ING. OSCAR LEONARDO ORTIZ MEDINA
UNIVERSIDAD LIBRE
FACULTAD DE INGENIERÍA
INSTITUTO DE POSGRADOS
ESPECIALIZACION EN GERENCIA AMBIENTAL
BOGOTÁ, DICIEMBRE DE 2013
2
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 8
2. ANTECEDENTES 10
3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 13
4. JUSTIFICACIÓN 15
5. OBJETIVOS 17
5.1 OBJETIVO GENERAL 17
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 17
6. MARCO REFERENCIAL 18
6.1 MARCO TEÓRICO 18
6.1.1 Generalidades sobre el biodiesel 19
6.1.2 Producción de biodiesel 22
6.1.2.1 Transesterificación 22
6.1.2.2 Principios químicos de la reacción de transesterificación 22
6.1.2.3 Proceso discontinuo (batch) 23
6.1.2.4 Producción de glicerol 24
6.2 MARCO CONCEPTUAL 25
6.2.1 Glicerina 25
6.2.2 Compuesto químico 1,3 Propanodiol 26
6.2.3 Combustible biogás 26
6.2.4 Carbonato de glicerol 27
6.3 MARCO LEGAL 28
6.3.1 Leyes 28
6.3.2 Decretos 29
6.3.3 Resoluciones 29
7. ALCANCE Y LIMITACIÓN 30
3
8. METODOLOGÍA 31
8.1 TECNICAS E INSTRUMENTOS 31
8.2 FASES DE LA INVESTIGACIÓN 32
8.2.1 Fase documental 32
8.2.2 Fase descriptiva 32
8.2.3 Fase de resultados 33
9. RESULTADOS 34
9.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE ESTUDIOS QUE SE
HAN REALIZADO A NIVEL NACIONAL E INTERNACIONAL SOBRE LA
UTILIZACIÓN DE LA GLICERINA 34
9.1.1 Alternativas de estudios que se han realizado a nivel nacional 34
9.1.2 Alternativas de estudios que se han realizado a nivel internacional 42
9.2 ALTERNATIVAS DESARROLLADAS Y COMPATIBLES CON LAS
CONDICIONES DE TECNOLOGÍA COLOMBIANA 47
9.2.1 Aspecto Económico 47
9.2.2 Aspecto social 51
9.2.3 Planta de Biodiesel Bio D S.A. 52
9.2.4 Evaluación de las 4 alternativas seleccionadas 56
9.2.5 Alternativa seleccionada 64
9.3 SOCIALIZACIÓN DE LA IMPLEMENTACION DE LA ALTERNATIVA
SELECCIONADA PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA DE
SOBREPRODUCCIÓN DE LA GLICERINA 66
10. CONCLUSIONES 72
11. RECOMENDACIONES 73
BIBLIOGRAFÍA 74
ANEXOS 79
4
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Estimación de la producción mundial de biodiesel por países
en 2009 20
Tabla 2. Principales países productores de aceite de palma y sus
Producciones 21
Tabla 3. Producción de cantidad de aceite/hectárea/año de diferentes
cultivos oleaginosos 21
Tabla 4. Rendimiento productivo de pollo de engorde alimentado con
diferentes niveles de inclusión de glicerina cruda en la dieta 35
Tabla 5. Desempeño productivo de pollo de engorde alimentado con
diferentes niveles de tierras de glicerina en la dieta 36
Tabla 6. Desempeño productivo de pollo de engorde alimentado con
diferentes niveles de tierras usadas en la dieta 36
Tabla 7. Calidad de la carne de cerdos alimentados con diferentes
niveles de glicerina cruda, durante un ciclo completo 37
Tabla 8. Caracterización de la glicerina 42
Tabla 9. Producción promedio de Biogás en litros por serie por día 43
Tabla 10. Configuración de la vivienda por estratos sociales y áreas
(rural y urbano). Municipio de Facatativá 51
Tabla 11. Distribución por veredas de los predios rurales estratificados.
Municipio de Facatativá 52
Tabla 12. Plantas productoras en Colombia de Biodiesel en
Funcionamiento 54
Tabla 13. Producción de Biodiesel de la empresa Bio D S.A. 55
5
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Estimación de la producción mundial de biodiesel 19
Figura 2. Reacción de transesterificación 23
Figura 3. Proceso de transesterificación en discontinuo 24
Figura 4. Cinética de fermentación de la cepa Clostridium sp.
IBUN 158 B 40
Figura 5. Cinética de fermentación de la cepa control Clostridium
butyricum DSM 2478 41
Figura 6. Producción promedio de Biogás en litros por serie por día 44
Figura 7. Variación en la conversión y rendimiento a carbonato de glicerol
con el tiempo para una reacción catalizada con H2SO4 46
Figura 8. Proceso de producción de biodiesel en la planta Bio D S.A. 53
Figura 9. Mapa de ubicación de Proceso de la planta Bio D S.A. 55
Figura 10. Plataforma de producción de bioproductos derivados de
glicerina cruda 59
Figura 11. Estructura de costos para la obtención de 1,3 PD por diversas
rutas 60
Figura 12. Análisis de la mejor alternativa según el capital de inversión y la
tecnología 65
Figura 13. Proceso de recirculación de la glicerina en la planta Bio D S.A. 68
Figura 14. Propuesta de proceso de fermentación para producir 1,3 –
propanodiol en la planta Bio D S.A. 69
Figura 15. Imagen del reactor de laboratorio de 4 litros utilizado para la
producción de 1,3 propanodiol 70
Figura 16. Imagen de un reactor anaeróbico de 1000 litros marca JCT 71
6
LISTA DE CUADROS
pág.
Cuadro 1 Matriz DOFA Glicerina para alimentación animal (GAA) 58
Cuadro 2 Matriz DOFA Producción de 1,3 propanodiol (PPD) 61
Cuadro 3 Matriz DOFA Producción de biogás (PB) 62
Cuadro 4 Matriz DOFA Síntesis de Carbonato de glicerol (SCG) 63
7
ABREVIATURAS
ACPM: Aceite combustible para motores
CCI: Corporación Colombiana Internacional
CRA: Capacidad de retención de agua
DMC: dimetilcarbonato
FAME: Fatty Acid Methyl Ester
FCC: Food Chemicals Codex
Has: Hectáreas
IBUN: Instituto de biotecnología de la Universidad Nacional
ICA: Instituto Colombiano Agropecuario
PD: propanodiol
pH: Potencial de hidrogeno
POT: Plan de ordenamiento territorial
rpm: Revoluciones por minuto
Ton: tonelada
UAF: Unidad agrícola familiar
USP: United States Pharmacopeial
8
INTRODUCCIÓN
Actualmente hay una alta dependencia del petróleo a nivel mundial lo que ha
hecho que se desarrollen hoy día varias políticas de sustitución de dichos
combustibles por otros de fuentes naturales, con el ánimo de encontrar una
posible alternativa más sostenible y amigable con el medio ambiente, tanto así que
en muchos países se han desarrollado combustibles elaborados a partir de aceites
vegetales conocidos con el nombre de biodiesel.
Debido al uso del biodiesel y el alcohol etílico como combustibles alternativos se
han incrementado las necesidades de producción, donde estos procesos de
producción de biodiesel son diseñados e implementados en la industria.
En el caso colombiano el biodiesel se produce a partir de la reacción entre un
aceite vegetal (aceite de palma africana), alcohol (metanol o etanol) y un
catalizador (hidróxido de sodio o de potasio) este proceso se conoce como
transesterificacion, obteniéndose también un subproducto llamado glicerina cruda.
De acuerdo a la estequiometria se genera 1 kg de glicerina cruda por cada 10 kg
de biodiesel producido. Donde actualmente se estima que la capacidad instalada
en Colombia es de 500.000 toneladas de biodiesel / año y con una producción de
glicerina cruda equivalente a 50.000 toneladas.
La glicerina refinada tiene múltiples aplicaciones, entre ellas se encuentran los
alimentos, drogas, cosméticos y la industria del tabaco. Sin embargo, la glicerina
cruda tiene un escaso valor debido a las impurezas que contiene.
9
Además la refinación de la glicerina cruda depende del tipo de equipos de
purificación de glicerol con los que debe contar las empresas de biodiesel. Por lo
general, se trata y se refina a través de filtración, aditivos químicos, y la destilación
fraccionada al vacío para producir diversos grados comerciales.
En este proyecto se hizo una revisión documental para encontrar fundamentos
sobre posibles alternativas de desarrollo no solo económicas, ambientales sino
también tecnológicas, ya que la bioconversión de este tipo de subproductos
residuales (glicerina cruda) es una medida racional para el uso adecuado y
sostenible de los recursos energéticos y materiales que se disponen en la
naturaleza.
Dadas las características del municipio de Facatativá en Cundinamarca y de la
ubicación de una planta de producción de biodiesel en este lugar, se enfoco este
proyecto en el uso de la glicerina cruda que es un producto residual de la
producción de biodiesel.
Se definió como unidad de estudio la empresa Bio D S.A. donde se va a proponer
utilizar la glicerina cruda como sustrato en un proceso de fermentación, con el fin
de plantear un proceso técnico y económico factible, para obtener un producto de
alto valor agregado como el 1,3 - propanodiol (1,3-PD), el cual por sus notables
propiedades tiene importantes aplicaciones que pueden llegar a sustituir muchas
materias primas y aditivos en la industria de los polímeros, pinturas, lubricantes
entre otras.
Se recomienda continuar con la fase de implementación para desarrollar una
nueva línea de producción industrial donde la glicerina cruda sea una materia
prima para un nuevo producto que genere una buena rentabilidad y sea amigable
con el medio ambiente.
10
2. ANTECEDENTES
A nivel internacional el Departamento de Bioquímica e Ingeniería Química de la
Universidad e Dormund (Alemania) esta buscando formas alternativas de
utilización o eliminación de este subproducto (glicerina), con el apoyo del
Ministerio de agricultura de Alemania, asociaciones de consumidores y de la
industria.
Se esta trabajando básicamente en la resolución del problema utilizando la
glicerina como materia prima en plantas químicas que producirían otros productos
químicos de más interés y valor comercial. Así por ejemplo, la glicerina se puede
usar para reacciones de síntesis con catalizadores para obtener acido oxálico u
acido succínico o glutarico, que se emplean para la fabricación de plásticos; o
hacer reaccionar la glicerina con otros compuestos y obtener productos para
fabricar detergentes u oligomeros utilizables por la industria alimenticia o
farmacéutica.1
El biodiesel es un combustible renovable, derivado de aceites vegetales o grasas
animales, generalmente utilizado en vehículos con motores diesel, tales como
camiones, buses, vehículos pequeños y tractores. El biodiesel puede ser utilizado
puro o en mezcla con un combustible de origen fósil como el diesel (ACPM). Es
biodegradable, no tóxico y reduce emisiones de gases efecto invernadero.2
1 BioDieselSpain.com, 207.Centro de debate y MarketPlace de biocombustibles.
http://www.biodieselspain.com/2007/02/09/salidas-para-la-%E2%80%9Cmontana-de-glicerina%E2%80%9D-que-se-
avecina-con-el-biodiesel/
2 FEDEPALMA. Anuario estadístico 2009 - La agroindustria de la palma de aceite en Colombia y el mundo. Bogotá,
Colombia , 2009
11
El biodiesel se produce de la reacción de un aceite vegetal o grasa animal con un
alcohol, a través de un proceso denominado transesterificación que da como
resultado el biodiesel y un subproducto que es la glicerina.
En Colombia se han adelantado algunas investigaciones para utilizar los
subproductos (glicerina) de la producción de biodiesel, dentro de la información
encontrada se ha propuesto utilizarla en la suplementación alimenticia de pollos
de engorde, ponederas y cerdos, que permitan disminuir los costos de producción
de carne y huevos sin alterar el desempeño productivo de los animales. Cabe
resaltar que hasta la fecha esta alternativa está en fase experimental.3
En Bogotá, el Grupo de Bioprocesos y Bioprospección, del Instituto de
Biotecnología de la Universidad Nacional de Colombia, IBUN, encontró un
microorganismo que es capaz de transformar la glicerina en un producto favorable
y de alto valor agregado. Por eso inició su búsqueda en suelos colombianos con el
apoyo de Colciencias; y después de mucho investigar encontró la bacteria
solventogénica Clostridium sp, el primer microorganismo nativo colombiano,
aislado y capaz de trasformar la glicerina en 1,3 - Propanodiol.4
La necesidad de obtener fuentes energéticas alternativas que sean amigables con
el medio ambiente ha hecho que se desarrolle una expansión de la producción de
biocombustibles, dentro de los que se encuentra el biodiesel, el cual se obtiene a
3 ARIZA, Claudia. Glicerina y subproductos del biodiesel: Alternativa energética para la alimentación de aves y cerdos,
Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria, Corpoica, Bogotá, 2012
4 UNIDAD DE MEDIOS DE COMUNICACIÓN UNIMEDIOS. Universidad Nacional de Colombia. Grupo de Bioprocesos y
Bioprospección, del Instituto de Biotecnología de la UN, 2012.
http://historico.unperiodico.unal.edu.co/ediciones/105/10.html
12
partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso
previo y mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación con
la subsecuente producción de glicerina. A partir de este proceso se producen 10
toneladas de glicerina por cada 100 toneladas de biodiesel. 5 El glicerol como
subproducto pierde valor comercial debido a la presencia de impurezas cuya
remoción implica un alto costo.
5 CANACKI, M., SANLI, H., Biodiesel production from various feedstocks and their effects on the fuel properties. Journal of
Industrial Microbiology and Biotechnology. 35, pág 431- 441, 2008.
13
3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En Colombia con el auge en la producción de biodiesel se ha planteado la
pregunta de ¿qué hacer con la gran cantidad de glicerina cruda que se genera
como subproducto en el proceso de fabricación de este biocombustible?, que cada
vez crece más como resultado de la creciente demanda de biodiesel para la
mezcla con el diesel del petróleo.
Por cada 100 ton de biodiesel se generan 10 ton de glicerina, solamente la
producción de la Planta Bio D S.A. en el municipio de Facatativá se producen
cerca de 100.000 ton de biodiesel al año genera 10.000 ton de glicerina y a nivel
nacional las 6 plantas extractoras que operan actualmente en Colombia reportaron
50.000 ton de glicerina, más que el total del consumo nacional estimado en
32.000 ton anuales.
La glicerina se ha venido empleando hasta ahora en cosmética y en algunos
productos alimenticios y farmacéuticos. No obstante, estos usos tradicionales son
insuficientes para la cantidad de glicerina que se esta produciendo a nivel
nacional, debido a la sobreoferta de este producto y su bajo costo en el mercado
internacional el cual ha estado disminuyendo en los últimos años.
El problema que tiene la glicerina es que es una sustancia biodegradable, que no
se puede almacenar por periodos prolongados de tiempo, cuando se descompone
y no es apta para consumo humano, su residuo se dispone incinerándolo, lo cual
por su bajo poder calórico y por su alto contenido de impurezas, arde a
temperaturas inferiores de 300°C, lo que puede producir humos tóxicos de
14
acroleína que en los seres humanos puede causar ardor en la nariz, la garganta y
puede a largo plazo dañar los pulmones.
¿Qué efecto tendría el mal manejo de la glicerina en los procesos de producción
de biodiesel que generarán en el futuro una producción tan elevada que no
podremos controlar?
15
4. JUSTIFICACIÓN
Este trabajo propone realizar una evaluación ambiental de las diferentes
alternativas para utilizar la glicerina como materia prima para otras industrias,
debido a su bajo precio en el mercado nacional e internacional y como solución a
problemas ambientales acarreados por su gran producción en las plantas de
biodiesel, puesto que la glicerina en Colombia en el mediano plazo se puede
convertir en un problema ambiental.
Debido a que la industria de los biocombustibles es muy reciente y el problema
hasta ahora está surgiendo, el propósito de esta investigación es analizar, evaluar
y plantear posibles soluciones con base en las investigaciones ya desarrolladas y
presentar la mejor alternativa que genere un menor impacto ambiental y una mejor
opción técnica y económica que beneficie a la planta de biodiesel Bio D S.A. y a
los habitantes del municipio de Facatativá.
Esta investigación pretende concientizar a las empresas productoras de biodiesel,
específicamente a la empresa Bio D S.A. del municipio de Facatativá sobre la
importancia de realizar un estudio para evaluar y brindar alternativas sobre la
utilización de la glicerina como subproducto de la producción de biodiesel.
Además, se busca presentar un marco teórico y metodológico que sirva para ser
aplicado en los procesos de producción de biodiesel para desarrollar una solución
al problema ambiental que se tiene con la glicerina.
Con la ejecución de este proyecto de investigación se busca beneficiar a la
población de la zona rural de la vereda Mancilla de Facatativá, ya que se conocerá
y describirá la problemática ambiental relacionada con el tema de la acumulación
de la glicerina residual y su disposición o uso industrial que se le está dando, de
16
esta manera se va a identificar las acciones que está tomando en la actualidad la
empresa Bio D S.A para la solución de este problema, y al final se harán las
recomendaciones necesarias encaminadas a solucionar o minimizar la
problemática de forma integral, para lo cual se va a realizar una propuesta de una
nueva línea de producción en la empresa Bio D S.A. del municipio de Facatativá.
17
5. OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un estudio de evaluación ambiental de las diferentes alternativas en la
utilización de la glicerina como subproducto de la producción de la planta de
biodiesel Bio D S.A. del municipio de Facatativá
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar todas las alternativas de estudios que se han realizado a nivel nacional
e internacional sobre el tema de utilización de la glicerina y adaptarla a la
problemática de la planta de biodiesel Bio D S.A. del municipio de Facatativá.
Establecer a partir del grupo de alternativas desarrolladas las que sean más
compatibles con las condiciones de tecnología Colombiana y además sea
amigable con el medio ambiente.
Socializar la implementación de la mejor alternativa resultante de la evaluación
para solucionar el problema que tiene la planta de biodiesel Bio D S.A. del
municipio de Facatativá con la sobreproducción de glicerina.
18
6. MARCO REFERENCIAL
El marco referencial de este proyecto, está constituido por un marco teórico donde
se describen todos los aspectos teóricos de investigaciones realizadas por sobre
el tema de los biocombustibles, un marco conceptual donde se definen algunos
términos técnicos que se ven frecuentemente en este documento, también un
marco legal o normativo que cita todas las leyes o reglamentaciones que regulan
la producción de biodiesel en Colombia.
6.1 MARCO TEÓRICO
Se definen como biocombustibles aquellos combustibles obtenidos a partir de
biomasa que se encuentran en estado líquido en condiciones normales de presión
y temperatura. Se emplean en calderas para la producción de calor y electricidad o
en motores de combustión interna, en cuyo caso se denominan biocarburantes.6
Bajo el término de biocarburante se recoge un amplio abanico de productos
resultantes de procesos muy diversos y con un grado de desarrollo muy diferente.
Algunos están todavía en etapa experimental, mientras que otros se comercializan
desde hace décadas. Los productos utilizados actualmente, denominados “de
primera generación”, pertenecen a dos grandes familias:
La primera familia de los biocarburantes la constituye el bioetanol obtenido de
materias primas azucaradas (caña de azúcar, remolacha), amiláceas (maíz, yuca)
o la celulosa.
6 BALLESTEROS PERDICES, MERCEDES. Los Biocarburantes. Unidad de Biomasa. Departamento de Energía CIEMAT .
España. Julio, 2008
19
La segunda familia de biocarburantes en la cual se centra esta investigación, está
constituida por el biodiesel, obtenido inicialmente a partir de plantas oleaginosas
convencionales, tales como la palma africana, la soja, la colza entre otras.
6.1.1 Generalidades sobre el biodiesel
El biodiesel o FAME (Fatty Acid Methyl Ester) es un combustible renovable
proveniente de aceites vegetales o grasas de origen animal, que puede ser usado
total o parcialmente para reemplazar el combustible diesel de los motores de
autoignición.7
Los aceites vegetales y también las grasas animales están constituidos por
moléculas (ésteres) de ácidos grasos y glicerol. Mediante la transesterificación se
reemplaza el glicerol (alcohol trivalente) por un alcohol monovalente, usualmente
metanol o etanol, formando moléculas más pequeñas (ésteres monoalquílicos o
FAME) con una viscosidad similar a la del combustible diesel derivado del
petróleo.
Figura 1. Estimación de la producción mundial de biodiesel
Fuente: GRFA.GHG Emission reductions from world biofuel production and use, 2009.
7 NBB. National Biodiesel Board. 2009. http://www.biodiesel.org/resources/definitions/.
20
La producción mundial de biodiesel ha tenido un aumento exponencial desde su
primera producción industrial hace unos 20 años. Este comportamiento se puede
observar en la Figura 1 y en la Tabla 1 según un reporte hecho en Canadá.
Tabla 1. Estimación de la producción mundial de biodiesel por países en 2009 (GRFA).
Fuente: GRFA.GHG Emission reductions from world biofuel production and use. 2009.
Según esta investigación la producción mundial se aceleraría a partir de enero del
2010, impulsada por programas obligatorios de mezcla del biocombustible con
diesel para la protección del medioambiente en Europa, Brasil, Colombia,
Tailandia y Argentina. La elaboración de biodiesel también subiría en Estados
Unidos, Canadá, Ucrania e Indonesia.8
8 GRFA.GHG Emission reductions from world biofuel production and use. Global Renewable Fuels Alliance. 2009.
http://www.globalrfa.org/pdf/120809_final_report_ghg_emissions_biofuels_1.pdf
21
En la estimación del mes de noviembre de 2009 el Departamento de Agricultura
de Estados Unidos reportó una producción mundial de aceite de palma de 45.02
millones de ton, es decir 2.7 millones de ton superior a lo estimado el año anterior.
Tabla 2. Principales países productores de aceite de palma y sus producciones
País Cantidad (millones de ton)
Indonesia 20.750
Malasia 18.500
Tailandia 1.300
Nigeria 0.820
Colombia 0.800
Otros 2.852
Fuente: USDA. Oilseeds: World Markets and Trade, 2009.
El cultivo de palma aceitera se caracteriza por ser el cultivo de mayor
productividad por hectárea/año (ver Tabla 3). Su aceite tiene un precio bajo y
estable en el mercado mundial comparado con otros aceites vegetales.9
Tabla 3. Producción de cantidad de aceite/hectárea/año de diferentes cultivos oleaginosos
Aceites vegetales Producción (kg aceite/Ha/año)
Aceite de soja 375
Aceite de girasol 800
Aceite de colza 1000
Aceite de palma 5000
Fuente: MITTELBACH, M. Fatty acid methyl esters from animal fat as oleochemical feedstock, 2004.
9 MITTELBACH, M. Fatty acid methyl esters from animal fat as oleochemical feedstock. Abstracts of Papers of the
American Chemical Society 227: pág. 049, 2004.
22
El excelente potencial de crecimiento de este cultivo en los principales productores
a nivel mundial como Indonesia, Malasia, Tailandia, Nigeria y Colombia, unido a su
bajo precio (ver Tabla 2), lo hacen altamente competitivo en el mercado mundial y
económicamente viable para la producción de biodiesel.10
6.1.2 Producción de biodiesel
6.1.2.1 Transesterificación
Tradicionalmente el biodiesel es obtenido mediante una reacción de
transesterificación de aceites o grasas, haciendo reaccionar un alcohol de cadena
corta (usualmente metanol) en presencia de un catalizador (usualmente NaOH).
Las materias primas más frecuentes para la producción de biodiesel son los
aceites de las oleaginosas de producción mundial, tales como girasol, soja, palma
africana y otros.11
6.1.2.2 Principios químicos de la reacción de transesterificación
La reacción de transesterificación depende principalmente de la naturaleza de la
materia prima, la concentración del catalizador, la relación molar alcohol-aceite, la
temperatura, la agitación, presión y tiempo de reacción, el contenido de humedad,
y de ácidos grasos libres.
10 USDA. Oilseeds: World Markets and Trade. United States Departament of Agriculture, Foreign Agricultural Service,
Circular series FOP 11-09, 2009. http://www.fas.usda.gov/oilseeds/circular/2009/November/oilseedsfull1109.pdf 11 KNOTHE, G., KRAHL, J., VAN GERPEN, J. The biodiesel handbook. USA: AOCS Press , 2005
23
Figura 2. Reacción de transesterificación
Fuente: AVELLANEDA V., FREDDY A. Producción y caracterización de biodiesel de palma, 2010.
6.1.2.3 Proceso discontinuo (batch)
El proceso discontinuo es el método más simple para la producción de biodiesel.
Sin embargo para obtener un biodiesel que cumpla con las normas existentes se
requiere de tecnologías y condiciones apropiadas que pueden dificultar la
producción a pequeña escala. Este tipo de proceso se realiza en reactores tipo
“batch” que están equipados con agitación y con un condensador de reflujo.
Las condiciones de operación son establecidas previamente de acuerdo a la
calidad de la materia prima. Es necesaria una agitación rápida para una correcta
mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Luego en etapas
posteriores se realiza la separación, purificación y estabilización del biodiesel 11.
El tiempo de reacción suele variar entre 20 minutos y dos horas, y varios autores
han estudiado la cinética de esta reacción en modo batch. En la Figura 3 se
reproduce un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación en
discontinuo.
24
Figura 3. Proceso de transesterificación en discontinuo
Fuente: MILIARIUM. Biodiesel, 2009
6.1.2.4 Producción de glicerol
Todo el glicerol producido en el mundo hasta 1949, provenía de la industria del
jabón. Actualmente, el 70 por ciento de la producción de glicerol le pertenece a los
Estados Unidos, y proviene de los glicéridos (grasas y aceites naturales), y el resto
de la producción de glicerina sintética (subproducto del propileno), la producción
de ácidos grasos y ésteres de ácidos grasos (biodiesel).
La glicerina se producía mediante saponificación de las grasas, como un
subproducto de la fabricación del jabón. También puede obtenerse como un
subproducto durante la producción del biodiesel mediante transesterificación.
Así, como coproducto de la producción de biodiésel se obtendría glicerina, de
calidades farmacéutica e industrial. Estas glicerinas tienen un valor económico
apreciable y su comercialización forma parte de la rentabilidad del biodiésel. Sin
embargo, la creciente oferta de glicerina está provocando una disminución de los
25
precios de venta, con la consiguiente problemática de baja de rentabilidad que ello
supone para el sector del biodiésel. 12
6.2 MARCO CONCEPTUAL
6.2.1 Glicerina
La glicerina es un líquido viscoso incoloro, inodoro, higroscópico y dulce. Los
términos glicerina o glicerol son utilizados indistintamente para referirse al
compuesto. La molécula se muestra a continuación:
Es higroscópico (absorbe agua del aire), su punto de ebullición con
descomposición es a 290°C, y es miscible con agua y etanol. La glicerina puede
ser quemada, sin embargo su combustión debe ser realizada a temperaturas
mayores a su punto de ebullición, de lo contrario puede emitir gases tóxicos
(acroleína), los cuales se forman entre los 200 y 300 °C.11
Las distintas calidades de glicerina son:
Glicerina cruda: Es el producto contenido en la corriente de salida del proceso de
transesterificación y contiene una gran cantidad de metanol, agua 8% a 12%,
jabones y sales. Normalmente tiene un contenido de glicerol entre 40 y 88% en
peso.
12 MILIARIUM. Biodiesel, 2009. http://www.miliarium.com/Monografias/Biocombustibles/Biodiesel/Biodiesel.asp.
26
Glicerina grado técnico: Es un producto de alta pureza con la mayoría de sus
contaminantes completamente removidos. La concentración no debe ser inferior al
98%
Glicerina USP: Con una concentración del 99,7% es la que cumple con la norma
USP (United States Pharmacopeia) y el Food Chemicals Codex (FCC) y por lo
tanto es apta para uso alimenticio, farmacéutico y cosmético. 11
6.2.2 Compuesto químico 1,3 - Propanodiol
El 1,3-PD o trimetilen glicol es un compuesto intermediario usado como monómero
para nuevos poliésteres y plásticos biodegradables, en los cuales es posible
modificar sus propiedades físicas, con el fin de obtener los productos deseados.
Hacia 1995 la situación del mercado del 1,3-PD cambió de modo significativo
cuando la compañía Shell anunció la comercialización de un nuevo poliéster
llamado CorterraTM PTT compuesto por ácido tereftálico y 1,3-PD. Este nuevo
polímero politrimetilentereftalato (PTT), combina excelentes propiedades de
resistencia con una producción favorable en términos ambientales. Cabe destacar
que ésta es una tecnología en ascenso y que el 1,3-PD es usado directamente por
los productores del mismo, pero no se vende en el mercado como materia prima.13
6.2.3 Combustible biogás
El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en
dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia
orgánica, mediante la acción de microorganismos y otros factores y en ausencia
de aire, a este proceso se le conoce también como digestión anaerobia. El gas
13 SAXENA, R., ANAND, P., SARAN, S., ISAR, J. Microbial production of 1, 3- propanediol: Recent developments and
emerging opportunities. Biotechnology Advances. 27, pág. 895-913, 2009.
27
resultante está formado por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), y trazas de
otros gases.
El biogás se utiliza como combustible de origen renovable alternativo al gas de
origen fósil. Actualmente, su uso más común es el de alimentar motores
generadores para producir electricidad limpia. La electricidad producida puede ser
transmitida a la red eléctrica, o autoconsumirse. Al mismo tiempo el calor
generado en el motor, puede aprovecharse en procesos industriales, para
calefacción e incluso para la producción de frío.14
Existen dos formas principales de producción de biogás, una es la de captar las
emisiones que se dan en los rellenos sanitarios de residuos sólidos urbanos por
medio de pozos de recogida y la otra por medio de la degradación de la materia
orgánica en digestores.
6.2.4 Carbonato de glicerol
De acuerdo con la literatura, el carbonato de glicerol a temperatura ambiente es un
líquido, incoloro, presenta un leve olor, con una densidad mayor a la del agua y
con una solubilidad que ésta entre 1 y 10%.15
El carbonato de glicerol no se considera tóxico para la salud, aunque en caso de
exposición prolongada puede causar irritación en ojos, piel, garganta y en caso de
ingestión puede provocar malestar estomacal.
14 BIOENERGÍA AGRÍCOLA S.L. CNAF. El biogás y sus usos. Valencia. España, 2012. http://www.bioenergia-agricola.es
15 BARRAGÁN H. JORGE. Valorización de glicerina a partir de la producción de carbonato de glicerol. Tesis, Universidad
del Valle, Cali , 2011
28
Entre las aplicaciones industriales del carbonato de glicerol se ha encontrado que
por su baja toxicidad, índice de evaporación e inflamabilidad y su alta capacidad
de hidratación, esta sustancia posee las características requeridas de un agente
humectante para arcillas cosméticas y de disolvente para activos medicinales y
productos de cuidado personal.
El carbonato de glicerol también se utiliza como componente de membranas para
separación de gases, componente surfactante, solvente para varios tipos de
materiales o solvente no volátil en pinturas, componente de detergentes, fuente de
nuevos materiales poliméricos y electrolito en baterías de litio. También puede
utilizarse como activador de plantas en el sector agrícola entre otros usos.16
6.3 MARCO LEGAL
En el marco legal relacionado con la producción de Biodiesel en Colombia para la
empresa Bio D S.A. del municipio de Facatativá, se identifican una serie de
requisitos legales aplicables, los cuales se relacionan a continuación:
6.3.1 Leyes
Ley 939 de 2004 (diciembre 31): Expedida por el Congreso de Colombia. Por la
cual se estimula la producción y comercialización de biocombustibles para uso en
Motores diesel. El combustible diesel que se utilice en el país podrá contener
biocombustibles de origen vegetal o animal para uso en motores diesel en las
calidades que establezcan el Ministerio de Minas y Energía y el Ministerio de
Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial.
16 NEXTFUEL. Glicerina y carbonato de glicerol en la producción de biodiesel. Artículo, 8 feb. 2010
http://biodiesel.com.ar/2199/glicerina-y-carbonato-de-glicerol-en-la-produccion-de-biodiesel
29
6.3.2 Decretos
Decreto 2629 de 2007. Expedida por la Presidencia de la Republica. Por medio
del cual se dictan disposiciones para promover el uso de biocombustibles en el
país, así como medidas aplicables a los vehículos y demás artefactos a motor que
utilicen combustibles para su funcionamiento.
Decreto 383 de 2007 Estímulos tributarios (zonas francas). Se establece estímulos
para la implementación de zonas francas para proyectos agroindustriales en
materia de biocombustibles – Tasa de renta diferencial y beneficios en materia de
exenciones de aranceles en bienes de capital.
6.3.3 Resoluciones
Resolución 1499 de 2011. Expedida por el Ministerio de Minas y Energía y
Ministerio de Ambiente, vivienda y desarrollo territorial por la cual se regula los
criterios ambientales de calidad de los combustibles líquidos y sólidos utilizados en
hornos y calderas de uso comercial e industrial y en motores de combustión
interna de vehículos automotores.
30
7. ALCANCE Y LIMITACIÓN
El presente proyecto está estructurado para presentar una propuesta de viabilidad
de una alternativa de uso para la glicerina residual solamente para la planta de
biodiesel ubicada en el área rural del municipio de Facatativá, el tiempo
establecido para efectuar la propuesta es de aproximadamente 4 meses donde
solo se llegará a la formulación de una propuesta para implementar en un futuro
una nueva línea de producción.
Para su efecto se utilizarán algunas cifras actualizadas de la producción de
biodiesel de la planta para determinar el nivel de cobertura y la utilidad que tendría
la implementación de una nueva línea de producción.
Entre las limitaciones que restringe esta investigación se encuentran la ausencia
de instrumentos de medición disponibles para la medición técnica por ejemplo la
afectación que la producción de biodiesel produce en el suelo, aire, agua,
vegetación, etc.
Este proyecto no incluirá costos de implementación debido a que no se cuenta con
parámetros de referencia a escala industrial, ni tampoco estudios económicos y de
mercado.
Con todo esto se estaría abriendo paso a la siguiente etapa que es usar los
resultados de este proyecto para diseñar e implementar una línea de producción
para crear un nuevo producto utilizando como materia prima la glicerina cruda
residual.
31
8. METODOLOGÍA
Identificar todas las alternativas de estudios e investigaciones sobre el tema de
utilización de la glicerina; para su efecto se va a revisar y a recolectar toda la
documentación e información referente a este tema haciendo uso de las
búsquedas en las bibliotecas e internet.
Establecer a partir de la base de datos desarrollada, alternativas que sean
compatibles con la tecnología Colombiana ajustándolas a la problemática que
presenta la planta de biodiesel Bio D S.A. del municipio de Facatativá.
Emitir un concepto técnico y proponer la mejor alternativa que se ajuste a las
condiciones de operación de la planta de biodiesel Bio D S.A., que genere el
menor impacto ambiental y represente un valor agregado para la empresa.
Realizar la consolidación del documento después de definir y evaluar la
coherencia técnica de la revisión documental producto de los estudios realizados
sobre el tema de utilización de la glicerina residual.
Difundir el resultado de esta investigación y socializar la implementación de la
mejor alternativa resultante de la evaluación sobre el problema de la
sobreproducción de glicerina a todos los interesados.
8.1 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS
Las técnicas presentadas en este proyecto proponen ordenar las fases del
proceso de investigación, de tal manera que proporcione instrumentos de
32
recolección, clasificación, medición y análisis de datos. A continuación se
presentan las diferentes fases que se siguieron en este proyecto.
8.2 FASES DE LA INVESTIGACIÓN
8.2.1 Fase documental
En esta fase se busca hacer una revisión bibliográfica en varias fuentes
documentales, tales como internet, libros en las bibliotecas y todos los estudios
que se hayan realizado sobre el tema de la utilización de la glicerina residual en
diferentes procesos industriales.
Esta fase es importante para crear la base sobre la cual está construido este
proyecto, durante este proceso se ha revisado diferentes documentos entre los
cuales están tesis de pregrado y posgrado, artículos de revistas científicas,
trabajos a nivel industrial de empresas privadas y también estudios de entidades
gubernamentales del orden nacional e internacional.
Además en esta fase se encontraron ciertos conceptos teóricos muy importantes
los cuales se presentan en el marco conceptual, para que el lector tenga una idea
de los diferentes productos que se han desarrollado.
8.2.2 Fase descriptiva
Esta etapa conlleva una recolección de información y datos de fuentes primarias
donde se organizan y sistematizan para lograr con estos nuevos conocimientos.
Durante el análisis de la información se encontró que algunos de ellos fueron
estudios muy hipotéticos y teóricos que no llegaron a resultados positivos, otros
fueron modelamientos teóricos con supuestos resultados sin aplicación en la
33
práctica. La idea es seleccionar los estudios que contengan la información más
completa donde también se tuvo como criterio de escogencia el idioma de la
investigación y su ubicación geográfica.
8.2.3 Fase de resultados
Con base en los documentos revisados se escogieron algunas alternativas para
evaluarlos y determinar cuales de ellas son más efectivas y se pueden aplicar en
la industria colombiana.
En esta fase final se realizó un análisis utilizando una matriz DOFA, para cada una
de las alternativas seleccionadas y se determinó las ventajas y desventajas de
cada una de ellas. Por último se cruzaron las matrices y se determinó según las
oportunidades y fortalezas la que mejores beneficios tiene, luego se evalúo las
debilidades y amenazas para determinar cual alternativa genera los menores
impactos a nivel económico, tecnológico y ambiental.
34
9. RESULTADOS
El incremento de la glicerina cruda proveniente de la industria del biodiesel, ha
impactado negativamente su comercialización, desestimulando el precio y ha
disminuido la rentabilidad que podrían obtener los productores. Su purificación a
glicerol USP (para consumo humano) es muy costosa debido al nivel de
contaminantes e impurezas que trae la glicerina cruda. Esta situación es una
oportunidad para hacer del glicerol un producto importante dentro de los
intermediarios químicos para los procesos químicos y biotecnológicos, generando
un menor impacto ambiental. Hay estudios que indican que productos como
etanol, hidrógeno, butanol y 1,3-propanodiol, pueden ser obtenidos desde la
glicerina cruda sin necesidad de purificarla.
9.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE ESTUDIOS QUE SE HAN
REALIZADO A NIVEL NACIONAL E INTERNACIONAL SOBRE LA UTILIZACIÓN DE
LA GLICERINA
9.1.1 Alternativas de estudios que se han realizado a nivel nacional
En años recientes en Colombia se ha estado investigando sobre el tema de
desarrollar procesos químicos para transformar la glicerina cruda en productos de
mayor valor agregado donde dos de ellos han alcanzado la etapa de desarrollo
investigativo y con la posibilidad de implementación industrial, a continuación se
presenta estos estudios y algunos resultados de los mismos.
I. Uso de la glicerina en la alimentación de aves y cerdos – Investigación
Colombiana
Revisando en la literatura se encontró que en el año 2012 se realizó un proyecto
financiado por COLCIENCIAS y ECOPETROL, donde se analizó el uso del glicerol
35
para ser utilizado como un recurso alimenticio alternativo en los sistemas de
alimentación durante los ciclos de producción comercial de pollos de engorde y
cerdos, donde dicha investigación se realizó en las instalaciones de CORPOICA. 3
a) Utilización de subproductos de la producción de biodiesel en dietas para
pollos de engorde, durante el ciclo comercial
En esta investigación se realizaron algunos ensayos donde se evaluó el efecto de
la inclusión de glicerina cruda, tierras usadas y tierras de glicerina en las dietas de
engorde de pollos durante su ciclo comercial.
- Utilización de la glicerina cruda
La inclusión de glicerina cruda en la dieta afecto negativamente la ganancia de
peso corporal de los pollos, durante la fase de iniciación, pero no durante la fase
de engorde (tabla 4). Los resultados de este estudio contrasta con estudios
previos que reportan tasa de ganancia de peso corporal optimas con una inclusión
de glicerina de 10%. 17 , y un desempeño productivo negativo y patologías con
inclusiones superiores al 20%.
Tabla 4. Rendimiento productivo de pollo de engorde alimentado con diferentes niveles de inclusión de glicerina cruda en la dieta
Nivel (%) Ganancia de
peso(g/d)
Consumo de
alimento(g/d)
Conversión
alimenticia
0 76,6 158,4 2,07
2 75,5 165,4 2,19
4 77,3 170,2 2,20
6 74,4 167,4 2,25
Fuente: ARIZA, C. Glicerina y subproductos del biodiesel: Alternativa energética para la alimentación de aves y cerdos
17 SIMON, A.; SCHWABE, M.; BERGNER, H. Glycerol supplementation to broilers rations with low crude protein conten.
Archives of Animal nutrition. 50: pag.271 – 282, 1997.
36
- Utilización de tierras de glicerina
Los pollos de engorde que recibieron 4% de tierras de glicerina durante la fase de
engorde consumieron 7,8 g menos por día, comparados con los pollos que
recibieron 2% de este subproducto (tabla 5). Las tierras de glicerina no afectaron
el rendimiento en canal, al momento del beneficio de los pollos.
Tabla 5. Desempeño productivo de pollo de engorde alimentado con diferentes niveles de tierras de glicerina en la dieta
Nivel (%) Ganancia de
peso(g/d)
Consumo de
alimento(g/d)
Conversión
alimenticia
0 69,8 151,2 2,17
2 75,5 162,6 2,16
4 67,1 155,3 2,32
6 67,8 157,2 2,32
Fuente: ARIZA, C. Glicerina y subproductos del biodiesel: Alternativa energética para la alimentación de aves y cerdos
- Utilización de tierras usadas
La inclusión en dietas para pollos de engorde afecto el consumo de alimento,
observándose que los pollos con 6% de tierras usadas consumieron de 6 a 8,3 g
más de alimento al día durante la fase de engorde comparado con los alimentados
con 2%. (Tabla 6)
Tabla 6. Desempeño productivo de pollo de engorde alimentado con diferentes niveles de tierras usadas en la dieta
Nivel (%) Ganancia de
peso(g/d)
Consumo de
alimento(g/d)
Conversión
alimenticia
0 69,8 152,9 2,20
2 70,2 147,5 2,10
4 67,9 150,4 2,22
6 69,5 155,8 2,25
Fuente: ARIZA, C. Glicerina y subproductos del biodiesel: Alternativa energética para la alimentación de aves y cerdos
37
b) Utilización de glicerina y subproductos de la producción de biodiesel en
cerdos en crecimiento
En el centro agropecuario MARENGO de la Universidad Nacional UN – Bogotá, se
adelantó un ensayo productivo con cerdos durante un ciclo completo. La inclusión
de glicerina cruda en la dieta hasta un nivel del 10%, no afecto el desempeño
productivo de los cerdos.
La inclusión de glicerina cruda al 10% durante un ciclo completo de crecimiento de
cerdos disminuyo el área del lomo de los cerdos en un 12% con respecto a los
cerdos que no recibieron glicerina cruda en su dieta; sin embargo, la inclusión de
glicerina al 5% no afecto el área del lomo. En la tabla 7 se puede observar algunas
variables de la carne de los cerdos estudiados.
Tabla 7. Calidad de la carne de cerdos alimentados con diferentes niveles de glicerina
cruda, durante un ciclo completo. (i Capacidad de Retención de Agua)
Variable 0% 5% 10%
Área del lomo (cm2) 57,7 54,7 49,4
Profundidad del lomo (cm) 70,8 71,0 67,6
CRAi carne (%) 3,17 2,55 2,67
pH 5,5 5,5 5,4
Fuerza de corte (kfc) 4,9 6,3 5,8
Perdidas por cocción (%) 25,0 30,4 29,3
Fuente: ARIZA, C. Glicerina y subproductos del biodiesel: Alternativa energética para la alimentación de aves y cerdos
- Resultado de estas investigación
El uso de tierras de glicerina o tierras usadas no afecto el desempeño
productivo, ni el rendimiento de los pollos de engorde; sin embargo los pollos
alimentados con 4% o 6% de tierras de glicerina, presentaron 13,3% más de
supervivencia comparado con los grupos de control.
38
La glicerina cruda en cerdos registro una digestibilidad del 87%, mientras que la
digestibilidad para glicerina USP (para uso humano) fue del 96%. Por otro lado
para las tierras de glicerina los cerdos en crecimiento tuvieron una
digestibilidad del 74% y las tierras usadas registraron una digestibilidad del
68%.
La inclusión de glicerina cruda, en niveles hasta el 10%, en las dietas para
cerdos no afecto el desempeño productivo, ni la composición corporal de los
cerdos; sin embargo, aquellos animales que consumieron dietas con 10% de
glicerina presentaron 12% menos de área del lomo.
II. Uso de la glicerina para producir el 1,3 – propanodiol – Investigación
Colombiana
Entre los años 2005 a 2010 el Grupo de Bioprocesos y Bioprospección, del
Instituto de Biotecnología en la Universidad Nacional, ha desarrollado varios
estudios sobre el tema de la glicerina cruda, es por esto que en la actualidad se
están generando tecnologías alternativas para su aprovechamiento que no
requieren de purificación, tal es el caso de la fermentación microbiana para
producir compuestos de alto valor agregado como el 1,3 - propanodiol (1,3-PD).18
El 1,3-PD también llamado trimetilenglicol, es un compuesto orgánico con una
amplia variedad de usos, puede emplearse como monómero para la síntesis de
varios poliésteres y poliuretanos mejorando sus propiedades químicas y
mecánicas, en el diseño de refrigerantes y tintas acuosas, en la fabricación de
18 SAXENA, R., ANAND, P., SARAN, S., ISAR, J. Microbial production of 1, 3- propanediol: Recent developments and
emerging opportunities. Biotechnology Advances. 27, pag.895-913, 2009.
39
ciertos solventes, adhesivos, detergentes y cosméticos, así como en la producción
de biocidas para la desinfección industrial y el tratamiento de aguas residuales.19
Para cumplir con la demanda comercial, la producción de 1,3- PD se ha venido
realizando mediante vías químicas y biotecnológicas. Químicamente lo produce
empresas como DuPont en cuyo proceso se parte de la acroleína para generar
hidroxopropionaldehído (HPA) el cual es posteriormente hidrogenado hasta 1,3-
PD.
a- Producción bacteriana de 1,3 - Propanodiol (1,3 –PD)
El glicerol puede ser biotransformado a 1,3–PD, que como se mencionó
anteriormente en un solvente con importantes aplicaciones en la industria química
y textil. Esta conversión puede llevarse a cabo por bacterias dentro de las que se
encuentran enterobacterias como Klebsiella sp. (K. Pneumonie), Enterobacter sp.
(E. Agglomerans) y Citrobacter sp. (C. Freundii), además de bacilos gram positivos
como Lactobacillus y Clostridium (C. butyricum y C. pasteurianum). 20
El grupo de Bioprocesos y Bioprospección del Instituto de Biotecnología de la
Universidad Nacional de Colombia cuenta con cepas nativas de Clostridium sp.,
con potencial para producir 1,3-PD a partir de glicerol, en la actualidad sus
investigaciones están encaminadas hacia la generación de conocimiento en
19 PAPANIKOLAOU, S., FAKAS, S., FICK, M., CHEVALOT, I., GALIOTOU, M., KOMAITIS, M., MARC, I., AGGELIS, G.
Biotechnological valorization of raw glycerol discharged after bio-diesel (fatty acid methyl esters) manufacturing process:
Production of 1, 3-propanediol, citric and single cell oil. Biomass and Bioenergy. 32, pág. 60-71, 2008.
20 PING, A., BIEBL, H. Bulk chemicals from biotechnology: the case of 1, 3- propanediol production and the new trends.
Advances in Biochemical Engineering and Biotechnology. 74, pág. 240-257, 2002.
40
aspectos relacionados con genómica y proteómica en el mecanismo de
producción de 1,3-PD.21
- Resultados de esta investigación
La cinética de la fermentación se realizó durante 36 horas de fermentación,
mostrando los resultados que se pueden observar en la figura 4, para el caso de la
cepa nativa Clostridium sp. IBUN 158 B en un reactor de 4 L a las 36 horas de
fermentación creciendo en medio de cultivo industrial, condiciones de anaerobiosis
por burbujeo constante con N2, temperatura de 37°C, 200 rpm y pH 7.0.
Figura 4. Cinética de fermentación de la cepa Clostridium sp. IBUN 158 B
Fuente: COMBA G., NATALIA B. Evaluación de la expresión del proteoma intracelular de una cepa nativa colombiana de clostridium sp, 2011.
En la figura 4 se puede observar que después de pasados 36 horas de reacción
se puede llegar a una conversión de 37 gramos de (1,3 - Propanodiol) por cada
litro de glicerina cruda tratada.
21 MONTOYA, D. Producción de solventes de alto valor agregado por cepas nativas de Clostridium spp. Revista
Colombiana de Biotecnología. 10 (1), pág.139-142, 2008.
41
En la figura 5 para la cepa control Clostridium butyricum DSM 2478 en un reactor
de 4L a las 36 horas de fermentación creciendo en medio de cultivo industrial,
condiciones de anaerobiosis por burbujeo constante con N2, temperatura de 37°C,
200 rpm y pH 7.
Figura 5. Cinética de fermentación de la cepa control Clostridium butyricum DSM 2478
Fuente: COMBA G., NATALIA B. Evaluación de la expresión del proteoma intracelular de una cepa nativa colombiana de clostridium sp, 2011.
En la figura 5 se puede observar que después de pasados 36 horas de reacción
se puede llegar a una conversión de 42 gramos de (1,3 - Propanodiol) por cada
litro de glicerina cruda tratada.
En ambas fermentaciones la fase de latencia se presentó entre las 0 y las 12
horas, mientras que la fase exponencial de crecimiento estuvo entre las 12 y las
21 horas de fermentación para la cepa nativa y entre las 12 y las 23 horas de
fermentación para la cepa control (Figuras 4 y 5).
42
9.1.2 Alternativas de estudios que se han realizado a nivel internacional
I. Utilización de la glicerina residual como cosubstrato para la producción de
biogás – Investigación Argentina
En esta investigación desarrollada en Argentina en el año 2010, se utilizan
reactores anaeróbicos que fueron cargados con concentraciones variables de
glicerina cruda y orujo de uva que fueron inoculados con líquido ruminal.
1) Sustrato utilizado
Como sustrato se utilizó orujo agotado de uva, este es un residuo obtenido en la
industria vitivinícola, con una concentración de orujo de uva del 8% al 12%. Como
aditivo o cosubstrato se utilizó glicerina cruda, desmetanolizada, obtenida en el
proceso de transesterificación de aceite de colza22 de una planta piloto de
biodiesel.
2) Inoculo utilizado
Para la producción de biogás se requiere un inoculo activo y estabilizado, rico en
bacterias metanogénicas. En este caso se utilizó líquido ruminal de ganado bovino
obtenido en un matadero local.
En la tabla 8 se observan las características más de la glicerina utilizada.
Tabla 8. Caracterización de la glicerina
Muestra % Glicerol % Humedad % Metanol % Cenizas
Glicerina cruda
63,72 2,6 7,78
7,78
Fuente: INDIVERI, MARIA E. Utilización de glicerina residual de producción de biodiesel como cosubstrato
para la producción de biogás, 2011.
22 INDIVERI, MARIA ELISA. Utilización de glicerina residual de producción de biodiesel como cosubstrato para la
producción de biogás. Universidad Nacional de Cuyo. Mendoza, Argentina, 2011.
43
3) Rendimiento del Biogás
La prueba fue de la siguiente manera, los 7 ensayos se cargaron con 200 gramos
de sustrato de orujo de uva cada uno y se clasificaron así:
Serie A, Control de Inoculo: Se cargaron los reactores solamente con líquido
ruminal para medir el biogás producido por el inoculo.
Serie B, Control de orujo: Los reactores se cargaron con orujo e inoculo para
medir la cantidad de biogás producida solamente por el orujo.
La serie C, Control de Glicerina: Los reactores fueron cargados con inoculo y
glicerina para medir la actividad de la glicerina pura.
Tabla 9. Producción promedio de Biogás en litros por serie por día
Ensayo 05-Nov 08-Nov 09-Nov 10-Nov 11-Nov 12-Nov
A 0% 0,05 0,81 0,14 0,22 0,32 0,55
B 0% 0,03 0,79 0,11 0,18 0,23 0,41
C100% 0 0,38 0 0,06 0,01 0,05
D 5% 1,71 1,71 0,76 0,38 0,21 0,16
E10% 1,4 1,41 1,19 1,43 1,12 0,39
F15% 1,71 1,71 0,171 2,05 1,9 0,89
G20% 1,71 1,71 0,171 2,05 1,72 1,35
Fuente: INDIVERI, MARIA E. Utilización de glicerina residual de producción de biodiesel como cosubstrato
para la producción de biogás, 2011.
Algunos de los resultados de producción de biogás se muestran para los 7
primeros días del ensayo. Cuando las siete series se comparan entre sí, hay una
clara diferencia entre los 3 testigos y los cuatro tratamientos con 5%, 10%, 15%, o
20% de glicerina cruda agregada al sustrato (Tabla 9). Desde el día 0 los cuatro
tratamientos con glicerina agregada comenzaron a producir biogás de inmediato.
44
Figura 6. Producción promedio de Biogás en litros por serie por día
Fuente: INDIVERI, MARIA E. Utilización de glicerina residual de producción de biodiesel como cosubstrato
para la producción de biogás, 2011.
En la figura 6 se observa como los tratamientos con glicerina (D, E, F y G) van
disminuyendo la producción diaria de biogás conforme avanza el tiempo. Las
series con glicerina difieren mucho cuando se las compara con los tratamientos
control de orujo (B) o de inóculo puro (A) que tardan más tiempo en comenzar la
producción de biogás. En el caso de la serie C (Glicerina 100%) se observa que su
producción es nula.
En los primeros 7 días se observa en los biodigestores con glicerina adicionada
un marcado aumento de la velocidad de producción de biogás comparados con los
que no se les aplico glicerina.
En conclusión según las cifras reportadas y el comportamiento de las curvas de
producción de biogás es evidente que la adición optima seria del 15% de glicerina
cruda para una producción máxima de 2 litros de biogás por cada 200 gramos de
orujo de uva.
45
II. Síntesis del Carbonato de glicerol a partir de glicerina cruda –
Investigación Española
Durante el año 2010 investigadores españoles utilizaron el glicerol y el CO2 que
son dos compuestos orgánicos que hoy en día revisten gran relevancia ya que
pueden ser materias primas alternativas al petróleo para la síntesis de numerosos
productos derivados, entre los que se encuentra el carbonato de glicerol.
En Tecnalia que es una empresa privada se ha llevado a cabo una tesis doctoral
en la que se han estudiado diferentes rutas indirectas de producción de carbonato
de glicerol a partir de intermedios derivados de glicerol (3-cloro-1,2-propanodiol) y
CO2 (K2CO3 y KHCO3 y DMC) fácilmente sintetizables y mucho más reactivos que
los primeros.
La síntesis directa de carbonato de glicerol a partir de glicerol y CO2 supondría un
hito en la industria química ya que implicaría obtener un producto de elevado valor
agregado a partir de dos fuentes económicas y cuyo origen es distinto al fósil. Sin
embargo, los rendimientos hasta ahora obtenidos son inferiores al 10% como
consecuencia de la baja reactividad del dióxido de carbono.
Se han desarrollado procesos técnicos y ambientalmente eficientes, aplicando
procesos catalíticos y en ausencia de disolventes. Tras un análisis comparativo de
las rutas estudiadas (en el que se consideran aspectos técnicos, económicos y
ambientales), la más apropiada para la síntesis de carbonato de glicerol resulta la
transesterificación de glicerol y el DMC (dimetilcarbonato).23
23 GOMEZ DE MIRANDA JIMÉNEZ DE ABERASTURI, OLGA. Síntesis de carbonato de glicerol a partir de glicerol, CO2 y
sus derivados. Universidad del País Vasco, España, 2012.
46
Resultados de esta investigación
Para establecer si la reacción está termodinámica (equilibrio) o cinéticamente
controlada, se llevó a cabo una reacción con H2SO4 como catalizador en las
mismas condiciones experimentales, pero durante un tiempo de 24 horas, tal y
como puede comprobarse en la Figura 7, se obtuvo una conversión de 94,5% y un
rendimiento de 50% y no se alcanzó el equilibrio. Esto demuestra que la reacción
catalítica se encuentra cinéticamente controlada.
Figura 7. Variación en la conversión y rendimiento a carbonato de glicerol con el tiempo para una reacción catalizada con H2SO4
Fuente: GOMEZ, OLGA. Síntesis de carbonato de glicerol a partir de glicerol, CO2 y sus derivados, 2012
La baja selectividad observada hacia el carbonato de glicerol probablemente sea
debida a que el producto mayoritario obtenido sea el intermedio de reacción y que
la etapa de reacción más lenta sea la ciclación de este compuesto (Figura 7).
Los resultados obtenidos concuerdan con los de la producción de biodiesel a partir
de aceites vegetales y metanol, en la que los procesos catalizados por ácidos son
considerablemente más lentos que los catalizados por bases.
47
9.2 ALTERNATIVAS DESARROLLADAS Y COMPATIBLES CON LAS CONDICIONES
DE TECNOLOGÍA COLOMBIANA
Para determinar la situación de tecnología colombiana es importante conocer las
condiciones del entorno del municipio de Facatativá donde se encuentra ubicada
la planta de Biodiesel Bio D S.A., para lo cual se tomo información del Plan de
ordenamiento territorial del año 2011 de este municipio. A continuación se
presentan el Aspecto económico y social de esta región.
9.2.1 Aspecto económico Este municipio esta conformado por los tres sectores de la economía, primario,
secundario y terciario. Por su ubicación, el municipio es alternativa de localización
industrial, centro de servicio regional, sitio de producción y suministro de alimentos
para la capital del país y demás municipios de la Sabana de Occidente.24
El sector Primario hace referencia a aquellas actividades que están representadas
con el sistema natural. Este sector cubre la mayor parte del Municipio, un 97.28%;
dentro de estas actividades se encuentra:
Minería. El municipio ha implementado un
plan de explotación técnica y ordenada
igual que un plan de manejo ambiental y
paisajístico complementado en la
rehabilitación morfológica de las áreas
explotadas, según lo determina el Plan de
Ordenamiento Territorial. El material
explotado es recebo y piedra.
Fuente: http://www.canteradecombia.com/detalles_productos1.php?
24 ALCALDÍA MUNICIPAL DE FACATATIVÁ. Secretaria de Salud, Análisis de la situación de salud del municipio de
Facatativá, Cundinamarca, 2011.
http://Facatativá-cundinamarca.gov.co/apc-aa-files/37643232356235323930323362656264/perfil-facatativ-2011.pdf
48
Agricultura. En el municipio la agricultura está
representada básicamente por cultivos
transitorios de papa y arveja. También se cultiva
maíz y hortalizas en menor escala. Existen pocos
cultivos permanentes de fresa. La totalidad de la
superficie agrícola ocupa 6485 Hectáreas y se
establecen principalmente en las veredas de Los
Manzanos, Mancilla sector centro-norte, Prado,
San Rafael, La Selva, Corzo, Moyano, Cuatro
esquinas, Tierra grata y Tierra Morada.
A nivel de cultivos bajo Invernaderos (Flores),
éstos se encuentran en las veredas El Corzo,
Paso Ancho, Moyano, Cuatro esquinas, Prado,
Tierra Grata, La Selva, Los Manzanos, San
Rafael, Mancilla, con una ocupación del 1.08%
del territorio, equivalente a 165 Has.
Fuente: http://facatativa.wikispaces.com/Economia
Silvicultura. El municipio cuenta
con bosque natural secundario y
bosques plantados en una
proporción así: Bosque natural
1135 hectáreas, bosque plantado
con Eucaliptos globulus1567
hectáreas.
Fuente: http://www.google.com.co/Piedras_de_Tunja_en_Facatativa_Colombia.jpg
49
Otras actividades. Se presentan
otras actividades como avicultura:
aves de engorde 50.000, aves de
postura 50.000, y producción de
huevos.
Dentro del sector secundario se
agrupa la transformación de la
materia prima proveniente del
sector primario.
Fuente: http://www.italcol.com/
El municipio cuenta con varias fábricas dentro de la cobertura urbana, pero, a
diferencia de otras ciudades, no cuenta con una zona industrial definida ya que
estas fábricas se encuentran dispersas en diferentes lugares de la ciudad. Estas
son algunas de las fábricas más importantes de la ciudad y su ubicación
localizadas en la zona urbana y las veredas Prado, Mancilla y La Tribuna.
Yanbal (En el Occidente).
Bio D S.A. (En el Occidente).
Alpina (En Grandes Zonas Verdes (Nororiente)).
Alimentos Polar (Zona de Periferia (Sur-occidente))
Ecopetrol (En el Occidente).
Arrocera de la Sabana (En la Zona de Periferia).
Empresa Raza (En la Zona de Periferia).
Inagro (En el Occidente).
50
Los proyectos de organización territorial buscan crear una zona industrial en
donde se ubiquen todas las industrias con el fin de apartarlas de las áreas
residenciales.
El sector terciario integra actividades que están relacionadas con el comercio, los
servicios y el turismo entre otras. La actividad económica urbana destacada es el
comercio, con aproximadamente 4480 establecimientos, que proporcionan 11.908
empleos: el sector financiero con 14 sucursales ocupa cerca de 250 personas; en
el área de transporte urbano e inter municipal operan 11 compañías que generan
alrededor de 560 empleos.
Mercado de Trabajo Local
A nivel del empleo, no existe una oferta de puestos de trabajo significativa para la
población de Facatativá. Algunos aspectos indicadores de esta situación son:
• La población económicamente activa es de 50.143 personas.
• La población con empleo es de 36.223 personas.
• La distribución de empleo es: agroindustrias 21.5%, comercio 9.7%, mercado
informal 3.9%.
La relación de Facatativá con la región de la Sabana, se desarrolla a través de
corredores viales de carácter nacional: la calle 13 y la Autopista Bogotá –
Medellín.
Con base en los flujos de mercancías, se encuentra que Facatativá solo orienta
hacia la capital el 49.6% de éstos, lo que quiere decir que la mayoría de sus flujos
tienen como destino otros municipios del país.
51
9.2.2 Aspecto social
Estratificación
La estratificación urbana del Municipio de Facatativá muestra que 34,44% de la
población se encuentra en estrato 1, el estrato 2 corresponde al 46,30%, mientras
que el estrato 4 y 5 sólo ocupan un 2,89% y 0,01% respectivamente. El estrato 6
no aparece registrado, según las estadísticas municipales (tabla 10).
Tabla 10. Configuración de la vivienda por estratos sociales y áreas
(rural y urbano). Municipio de Facatativá. Año 2011.
NUMERO DE PREDIOS POR ESTRATO
ESTRATO URBANO Nº DE PREDIOS ESTRATO RURAL Nº DE PREDIOS
1 2851 1 829 2 7896 2 568 3 5152 3 790 4 2209 4 254
TOTAL URBANO
18108
5 143 6 77
TOTAL RURAL 4111 Fuente: ALCALDÍA MUNICIPAL DE FACATATIVÁ. Secretaria de Salud. Planeación Municipal, 2011
Aunque la estratificación es un sistema que aplica sólo al área urbana, según el
Plan de Ordenamiento Territorial (POT), en el Municipio se encuentran algunas
zonas rurales clasificadas por estratos.
Se observa que el estrato predominante es el 1 (Bajo –Bajo), con una participación
del 38.88%, seguido del estrato 3 (medio-bajo) con el 23.18%, el estrato 2 (bajo)
con el 20.39% y en menor proporción se encuentran los estratos 4 (medio), 5
(medio–alto) y 6 (alto), con el 8,14%, 6,01% y 3,41% respectivamente. En la tabla
de distribución por veredas, la vereda que presenta mayor número de viviendas en
estrato alto es Prado y seguida por La Tribuna. Contrariamente las que muestran
mayor número de viviendas en estrato bajo–bajo son El Corso y Cuatro Esquinas.
52
Tabla 11. Distribución por veredas de los predios rurales estratificados.
Municipio de Facatativá. Año 2011.
Vereda Estrato 1 Estrato 2 Estrato 3 Estrato 4 Estrato 5 Estrato 6 TOTAL
La Tribuna 90 35 32 19 8 11 195
La Selva 73 30 52 35 18 9 217
Mancilla 95 51 52 15 11 5 229
4 Esquinas 147 109 104 22 25 6 413
Prado 37 41 60 43 41 22 244
Moyano 121 63 53 14 7 8 266
El Corso 159 69 101 10 9 7 355
Pueblo
Viejo
100 33 36 14 8 4 195
Porcentaje 38,88% 20,39% 23,18% 8,14% 6,01% 3,41% 100%
TOTAL 822 431 490 172 127 72 2114
Fuente: ALCALDÍA MUNICIPAL DE FACATATIVÁ. Secretaria de Salud. Planeación Municipal, 2011
De acuerdo a la clasificación de los predios teniendo en cuenta la productividad
del suelo y tomando como medida la UAF (Unidad Agrícola Familiar) se encuentra
que el 71,24% de los predios fue clasificado en estrato 1; el 6,9% de los predios se
clasificó en estrato 2 y el 8,04% de los predios se encuentra en estrato 3. El
86,73% de los predios estratificados se localizan en los estratos 1, 2 y 3 y el
13,7% se localizado en estratos 4, 5 y 6.
9.2.3 Planta de Biodiesel Bio D S.A.
Bio D S.A. es una compañía colombiana de producción de Biodiesel constituida
por 13 compañías de cultivadores de palma de aceite, que en el año 2008
iniciaron la construcción de una planta de producción en la Vereda Mancilla del
Municipio de Facatativá, iniciando producción el 10 de febrero de 2009.
53
Productos que se fabrican en la planta:
Biodiesel de Palma africana, Glicerina USP, Glicerina Técnica Grado 1 y Ácidos
Grasos de Glicerina.
Figura 8. Proceso de producción de biodiesel en la planta Bio D S.A.
Fuente: Ecopetrol, planta de biocombustible.
En la figura 8 se puede apreciar de forma esquemática como se inicia el ciclo de
vida del biodiesel desde su inicio en las plantaciones y su proceso de refinación en
la planta en Facatativá, y luego como se divide la producción donde una parte es
biodiesel para consumo vehicular y otra parte es la glicerina que se forma que se
destina como glicerina USP para el sector de alimentos y farmacéutico, la que no
se puede despachar se almacena por tiempo indefinido hasta que los clientes
solicitan glicerina refinada para sus procesos.
54
Producción de Biodiesel a nivel nacional
Tabla 12. Plantas productoras en Colombia de Biodiesel en funcionamiento
Región Empresa Capacidad
(Ton/Año)
Área sembrada (has)
Empleos directos
Empleos
indirectos
Fecha entrada en operación
Codazzi Oleoflores 70.000 15.555 2.222 4.444 Enero
2008
Santa Marta
Odín Energy 36.000 8.000 1.142
2.284 Junio 2008
Santa
Marta
Biocomb del
Caribe
100.000
22.222 3.174 6.348 Marzo 2009
Facatativá Bio D S.A. 100.000 22.222 3.174 6.384 Febrero 2009
Central,
B/bermeja
Ecodiesel de
Colombia
100.000 22.222 3.174 6.384 Junio
2010
San Carlos de Guaroa, Meta
Aceites
Manuelita
100.000 22.222 3.174 6.348 Julio 2009
TOTAL 507.000
112.443 16.060 32.120
Fuente: FEDEBIOCOMBUSTIBLES. Boletín informativo No. 94 miércoles 14 de Agosto de 2013
Empleos generados en esta región del sector rural
En Bio D S.A., trabajan alrededor de 130 personas, y a través del aceite de palma
generan en el sector agrícola más de 3600 empleos rurales directos. Para la
producción de la planta se dispone de un área cultivada de más de 22.000
hectáreas de palma de aceite en los llanos orientales; en las que se producen más
de 100.000 toneladas al año de aceite crudo para igual producción de Biodiesel de
Palma, logrando una participación alrededor del 23% del mercado nacional.
Ubicación de la Planta: Terminal de Combustible de la Sabana – Vereda Mancilla
– Facatativá, Cundinamarca y las Oficinas Cra 11 Nº 93-53 Oficina 602 Bogotá
55
Figura 9. Mapa de ubicación de Proceso de la planta Bio D S.A.
Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:MAPA_DE_FACATATIVA.jpg
Para encontrar la mejor alternativa hay que determinar la cantidad de Biodiesel
que produjo la planta Bio D S.A. entre los año 2009 a 2012 que son las únicas
cifras con que se cuenta.
Tabla 13. Producción de Biodiesel de la empresa Bio D S.A.
Año Biodiesel
B100 (ton)
Glicerina
USP(ton)
Glicerina cruda
residual (ton)
2009 48446 59 4800
2010 25882 1079 2580
2011 31823 2126 3170
2012 32964 5289 3270
Fuente: El autor, adaptado de FEDEBIOCOMBUSTIBLES
Con la información del estimativo de la cantidad de glicerina cruda residual que se
produce en la planta y que queda en etapa de almacenamiento, se determina la
56
producción anual que es de aproximadamente 3515 toneladas al año, cuyo valor
indica la cantidad de glicerina cruda que se necesita disponer adecuadamente.
9.2.4 Evaluación de las 4 alternativas seleccionadas
De las cuatro referencias documentadas se realizó un diagnostico inicial de cada
uno de los estudios, teniendo en cuenta ciertas variables para calificar cada una
de las alternativas y determinar cual se puede adaptar a las condiciones de
tecnología colombiana.
Como primera medida se le asignó a cada una de las cuatro investigaciones unas
siglas para facilitar su identificación según el producto desarrollado:
Glicerina para alimentación animal (GAA)
Producción de 1,3 - propanodiol (PPD)
Producción de biogás (PB)
Síntesis de Carbonato de glicerol (SCG)
Caso 1 Glicerina para alimentación animal (GAA)
- Alimentación de pollos
Para este primer caso se concluye que los pollos pueden recibir como máximo en
su alimentación hasta un 4% en peso de alimento mezclado con glicerina cruda.
Se determinó en un informe estadístico de la CCI (Corporación Colombiana
Internacional) donde aparecen los resultados de una encuesta de sacrificio de
pollo en Colombia para el año 2011, para nuestro análisis se toma solamente los
producidos en el departamento de Cundinamarca que fue de 138’846.455 millones
de pollos en el año 2011 equivalente al 29,3% de la producción nacional. 25
25 CCI, Corporación Colombiana Internacional, 2011. Sistema de información de la oferta agropecuaria, resultados
encuesta plantas de sacrificio de pollo. http://www.cci.org.co/oferta/plantas_de_pollo_2011A.pdf
57
Tomando como base que cada pollo consume en promedio en su periodo de
engorde de 42 días solamente 285 gramos de glicerina cruda en su alimentación
suplementada.3
Con los datos anteriores se calculo que esta población de pollos puede consumir
máximo 39.571 toneladas de glicerina cruda en un año, lo que indica que el 8,8 %
de los pollos producidos en el departamento de Cundinamarca pueden consumir
toda la glicerina cruda que se genera en la planta Bio D S.A.
- Alimentación de cerdos
Para el caso de la alimentación de los cerdos en la etapa de engorde se necesitan
100 días en promedio de los cuales cada cerdo puede consumir 1 kilo de alimento
por día en promedio, lo que equivale a que un cerdo puede consumir 100 kilos de
alimento y máximo un 5% de suplementación con glicerina cruda, lo que quiere
decir que se puede consumir en su periodo de engorde 5 kilos de glicerina cruda
por cada cerdo.3
Teniendo en cuenta que la población de cerdos durante el año 2013 fue de
377.965 mil cerdos en el departamento de Cundinamarca (ICA, 2013)26 lo que
equivale a que esta población puede consumir como máximo 1889,8 toneladas de
glicerina cruda en un año, lo que quiere decir que se puede disponer del 53,7%
de glicerina cruda en la alimentación de estos animales.
26 ICA, Instituto Colombiano Agropecuario, Consolidado Nacional por Especies, 2013.
http://www.ica.gov.co/Areas/Pecuaria/Servicios/Epidemiologia-Veterinaria/Censos-2013/Especies-Consolidado-
Nacional.aspx
58
Con el fin de presentar las ventajas y desventajas de la aplicación de alguna de
las alternativas, se realizó también un análisis DOFA (Debilidades, Oportunidades,
Fortalezas y Amenazas) el cual se muestra a continuación.
La primera alternativa sería la medida más fácil para darle una disposición final y
adecuada al problema de la sobreproducción de la glicerina cruda, pero hay que
tener en cuenta que esta glicerina contiene muchas impurezas en cantidades
variables como sales inorgánicas de ácidos grasos (jabones), restos de catalizador
(NaOH, KOH) y del alcohol utilizado para la transesterificación (metanol o etanol).
Cuadro 1 Matriz DOFA Glicerina para alimentación animal (GAA)
ASPECTOS INTERNOS
FORTALEZAS DEBILIDADES
No se necesita tecnología adicional para purificar la glicerina cruda para que esta sea utilizada en alimentación animal
No existen canales de comercialización de este desecho, se vende por demanda de los pocos clientes que son criadores de animales.
Hay que almacenar altos volúmenes de glicerina.
ASPECTOS EXTERNOS
OPORTUNIDADES AMENAZAS
El mercado es nuevo y no está saturado
Precio de venta muy bajo ya que se comercializa como un desecho, por lo tanto la rentabilidad es muy baja.
Fuente: Autor del Proyecto, 2013.
Por el alto contenido de impurezas presentes en la glicerina cruda, a largo plazo
puede acumularse en los animales a los que se les ha suministrado este residuo
en su alimentación y posiblemente afectar la salud de las personas que consuman
este tipo de carnes.
Desde el punto de vista económico no es una actividad rentable por el bajo costo
de comercialización, esta alternativa no es muy beneficiosa para la seguridad
59
alimentaria por lo que la empresa Bio D S.A., tendría que realizar grandes
esfuerzos para impulsar el consumo de la glicerina cruda entre los criadores de
pollos y cerdos.
Caso 2 Producción de 1,3 - propanodiol (PPD)
Para este segundo caso que se encuentra en fase experimental se llegó a producir
37 gramos de 1,3 - propanodiol por cada litro de glicerina cruda en los
experimentos desarrollados en la Universidad Nacional de Colombia.
Figura 10. Plataforma de producción de bioproductos derivados de glicerina cruda
Fuente: VIJAYENDRAN, B. Bio products from bio refineries-trends, challenges and opportunities, 2010
Antes de empezar a analizar este caso, en la figura 10 se puede apreciar las
diferentes sustancias químicas comerciales que se pueden producir a partir de la
Microorganismo
Plantas de
Biodiesel/Bioetanol Glicerina cruda
Biomasa
Químicos 1,3-Propanodiol
Acido Acético Acido Butírico Acido Láctico
Acido Fórmico Acido Propiónico Acido Succínico
Fuente de Nitrógeno y carbono
Combustibles Etanol
Butanol H2
Biogás
60
glicerina cruda, muchas todavía no han sido producidas a nivel industrial por
medios biotecnológicos (utilizando bacterias) sino por síntesis química del petróleo
crudo
Una ventaja que tienen los procesos biotecnológicos es que en la industria la
empresa DuPont viene trabajando hace muchos años produciendo 1,3-
propanodiol a partir de la fermentación de la glucosa del maíz y se conoce
comercialmente como Bio-PDO™ y es materia prima para fabricar plásticos, fibras
sintéticas para textiles y aditivos para pinturas.
En la figura 11 se muestra diferentes métodos para la obtención del 1,3-
propanodiol, algunos de origen petroquímico, otros de origen vegetal como la
glucosa obtenida del maíz y la última que utiliza glicerol, esto demuestra que el
costo de producir 1,3 - propanodiol a partir de glicerol es competitivo.
Figura 11. Estructura de costos para la obtención de 1,3 - PD por diversas rutas
Fuente: Adaptación, (Cameron D.C. 1994)
A continuación se presenta su matriz DOFA de la segunda alternativa:
61
Cuadro 2 Matriz DOFA Producción de 1,3 -propanodiol (PPD)
ASPECTOS INTERNOS
FORTALEZAS DEBILIDADES
Está creciendo el mercado de estos productos en el sector de la industria del plástico.
Ya hay varios estudios adelantados sobre la producción de 1,3 - propanodiol en Colombia por métodos biotecnológicos.
Por lo general estas tecnologías son nuevas y requieren de mucha investigación.
ASPECTOS EXTERNOS
OPORTUNIDADES AMENAZAS
Los productos que se pueden desarrollar tienen un alto valor agregado y pueden representar la base de una futura biorrefineria
Estas tecnologías están en manos de grandes grupos económicos e industriales ya consolidados.
Fuente: Autor del Proyecto, 2013.
Analizando la matriz del cuadro 2, es evidente que esta tecnología está en manos
de grandes grupos industriales como, Dupont Corporation, Basf y Dow Chemical,
que tienen el monopolio de varias sustancias químicas; pero también hay que
tener en cuenta que para producir el 1,3 – propanodiol estas empresas necesitan
como materia prima el maíz, cuya producción está limitada por la presión de la
demanda en la alimentación y la disponibilidad de tierras fértiles para su cultivo.
Por el contrario en el caso colombiano la materia prima que se va a utilizar es un
subproducto residual de un proceso industrial (glicerina cruda), el cual tiene un
bajo costo y está disponible en grandes cantidades, esto último es una ventaja
competitiva a nivel económico al momento de implementar la producción industrial
del 1,3 - propanodiol.
62
Caso 3 Producción de biogás (PB)
Para este tercer caso se utiliza la glicerina cruda como un cosustrato para acelerar
la producción de biogás, como se pudo observar en los resultados la máxima
cantidad que se puede utilizar es del 15% de glicerina cruda para una producción
máxima de 2 litros de biogás por cada 200 gramos de orujo de uva.
La tercera alternativa sobre producción de biogás se esta desarrollando en
Argentina, a continuación se presenta su matriz DOFA:
Cuadro 3 Matriz DOFA Producción de biogás (PB)
ASPECTOS INTERNOS
FORTALEZAS DEBILIDADES
El biogás es una fuente limpia de energía.
La tecnología puede ser utilizada en pequeña escala y puede resolver problemas de residuos orgánicos producidos en la agricultura.
Se requiere almacenar y manipular otros desechos agrícolas.
El proceso solo utiliza el 15% de glicerina cruda en los biodigestores.
ASPECTOS EXTERNOS
OPORTUNIDADES AMENAZAS
Es una tecnología nueva y es una alternativa que se utiliza en granjas agrícolas para proveer de energía eléctrica y calórica.
Tecnología en fase de desarrollo.
Precio de este tipo de gas muy bajo, tiene poca comercialización.
Riesgo ambiental por el manejo de desechos biológicos.
Fuente: Autor del Proyecto, 2013.
Analizando la matriz del cuadro 3 el inconveniente que se ve en este caso es que
Colombia no es un productor de vinos, luego entonces no se cuenta con el
63
sustrato principal que es el orujo de uva, entonces es difícil, replicar los resultados
obtenidos en Argentina.
Además se requiere de otros estudios para determinar que sustrato puede
reemplazar el orujo de uva y que tenga características similares de algún producto
del sector agrícola que genere algún desecho que se pueda fermentar. Por lo
anterior no veo factible esta alternativa ya que no se contaría con las materias
primas adecuadas para iniciar una fase experimental y mucho menos un proceso
industrial.
Caso 4 Síntesis de Carbonato de glicerol (SCG)
La cuarta alternativa sobre producción de Carbonato de glicerol por síntesis
química se esta desarrollando en España, a continuación se presenta su matriz
DOFA.
Cuadro 4 Matriz DOFA Síntesis de Carbonato de glicerol (SCG)
ASPECTOS INTERNOS
FORTALEZAS DEBILIDADES
El método de este proceso es económico, ya que se utiliza CO2 y el producto final no es toxico
Los gastos de capital son elevados por lo sofisticado de los equipos y como se maneja un gas este requiere de grandes contenedores para almacenarlo.
La conversión química es muy baja del orden del 50%.
ASPECTOS EXTERNOS
OPORTUNIDADES AMENAZAS
Este producto químico tiene un alto valor en el mercado
El mercado no está establecido. Esta tecnología está en fase de investigación.
Fuente: Autor del Proyecto, 2013.
64
Para el caso cuatro de producir Carbonato de glicerol a partir de glicerina cruda y
CO2 es un proceso muy novedoso, pero en esta materia no se ha encontrado
suficiente información para realizar cálculos y además está en fase experimental,
aunque lo está patrocinando una empresa privada española como la Corporación
Tecnalia, no presenta detalles de las fases experimentales.
Además esa información está muy sesgada ya que presentan gráficos con ciertas
notaciones que no son muy claras y difícilmente veo que se pueda replicar aquí en
Colombia. Además, en los resultados de esta investigación, el nivel de conversión
es bajo, solamente del 50% y no se conoce con claridad que otras sustancias se
pueden producir de dichas reacciones químicas.
9.2.5 Alternativa seleccionada
La segunda alternativa que es producir 1,3 – propanodiol a partir de glicerina
cruda es la que reúne todas las condiciones necesarias para su aplicación en
Colombia, a continuación se enumeran sus ventajas:
1) Es una investigación que lleva varios años en proceso, la cual ha tenido
bastantes estudios desde el año 2004 hasta el 2013, todos desarrollados en
el área de la biotecnología por profesionales expertos de la Universidad
Nacional y cuyas investigaciones ya suman hasta la fecha 7 proyectos de
grado en la modalidad de maestría.
2) Como es una investigación colombiana, en sus ensayos se utilizaron
materias primas y bacterias nativas, es decir que es una ventaja tecnológica
ya que no hay que importar ningún insumo, escasamente es necesario
adquirir ciertos equipos automatizados.
65
3) Se encuentra bastante información en la literatura y con un buen detalle
que facilita la puesta en marcha y la réplica de los ensayos a escala
industrial. Con todo lo anterior es la alternativa escogida para solucionar el
problema de sobreproducción de glicerina cruda de la planta Bio D S.A. del
municipio de Facatativá.
En la figura 12 se puede visualizar el análisis final donde se establece que la mejor
alternativa que se ajusta a la rentabilidad y a la tecnología con que cuenta la
empresa Bio D S.A. es la de producir 1,3 – propanodiol.
Figura 12. Análisis de la mejor alternativa según la rentabilidad y la tecnología
Fuente: Adaptación del autor del proyecto
66
9.3 SOCIALIZACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA
SELECCIONADA PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA DE SOBREPRODUCCIÓN DE
LA GLICERINA
Después de realizar el análisis correspondiente, se encontró que la mejor
alternativa es la producción de 1,3 – propanodiol, con base en esta selección se
procede a plantear a la empresa Bio D S.A., una propuesta de utilización de esta
alternativa para que ellos la consideren en sus procesos.
Se realizó también una consulta a analistas de dos gremios importantes que
agrupa a las empresas cultivadoras de palma africana y extractoras de aceite
como Fedepalma y Fedebiocombustibles, ambas afirman que es evidente el
problema de la glicerina cruda residual, pero que en Colombia no es tan grave
como en otros países, ya que esta agroindustria hasta ahora está empezando.
Además, este tipo de industria lleva muy poco tiempo en el mercado, apenas van
a completar 5 años, un factor que ha limitado la generación de glicerina cruda han
sido los problemas de tipo ambiental que han frenado la producción de los
biocombustibles, pero los analistas manifiestan que con el tiempo la glicerina
cruda va empezar a ocasionar inconvenientes cuando empiece a aumentar la
producción de biodiesel a nivel nacional.
Para el caso de la empresa Bio D S.A. la primera solución que se les planteo
durante el año 2011, fue la utilización de la glicerina para alimentación animal,
esta primera iniciativa la propuso CORPOICA y ECOPETROL y se trata de la
primera alternativa que se presentó en este proyecto, pero como era de esperarse
esta solución a tenido poca acogida, debido a que la empresa en estos momentos
no cuenta con el equipo humano y logístico para impulsar este proyecto en el
sector pecuario y hay cierta prevención en su utilización, solo se sabe que hay
67
algunos ensayos reales en la alimentación en vacas lecheras de la sabana de
Bogotá, pero con glicerina USP que es la que se conoce como refinada, hasta la
fecha no hay ensayos con glicerina cruda y sus efectos sobre la calidad de la
leche.
La empresa Bio D S.A. es relativamente nueva, empezó operaciones en el año
2009 y el problema de la glicerina cruda y su almacenamiento lo detectaron en los
primeros meses, ya que estaban concentrados en producir biodiesel y este
biocombustible tiene una altísima demanda, pero conforme pasaban los meses se
vieron obligados a encontrarle mercado a la glicerina y empezaron por buscar
clientes dentro del país y encontraron que ese mercado se encontraba saturado.
Hasta el año 2012 se abrió la posibilidad de utilizar la glicerina cruda en
alimentación animal y en la actualidad destinan un 5% para este mercado.
Otro producto que la empresa desarrolla es la glicerina grado técnico, esta
representa el volumen más grande equivalente a más del 50% y se recircula
indefinidamente en la producción de biodiesel, esta medida les garantiza el control
de la glicerina residual, pero no los beneficia económicamente ya que se mantiene
ese residuo en un ciclo cerrado.
La última media que tienen es la producción de glicerina grado USP (para
consumo humano), que equivale al 20%, esta es una glicerina refinada y es grado
farmacéutico, esta se exporta a la China y algunos países europeos.
Teniendo en cuenta la información antes expuesta, la planta Bio D S.A. requiere
convertir un 50% de glicerina cruda en un producto útil y sacarlo de la fase de
recirculación cuya cantidad seria aproximadamente de 1760 toneladas anuales, es
decir que es el equivalente a 4,9 toneladas por día.
68
A continuación en la figura 13 se puede ver como se realiza el proceso de
recirculación de la glicerina conocida como técnica, de esta manera la empresa ha
logrado controlar la sobreproducción de glicerina cruda, esta medida temporal la
adoptaron para evitar almacenarla por periodos prolongados.
Figura 13. Proceso de recirculación de la glicerina en la planta Bio D S.A.
Fuente: Imagen del proceso de la Planta Bio D S.A.
69
Figura 14. Propuesta de proceso de fermentación para producir 1,3 - propanodiol en la
planta Bio D S.A.
1,3 propanodiol
Fuente: Adaptación del autor del proyecto
Como inicialmente se expuso se necesita procesar 4,9 toneladas por día de
glicerina cruda, pero averiguando a nivel comercial el reactor anaeróbico más
adecuado es uno que maneje 1000 litros de glicerina cruda, debido a las
condiciones especiales de temperatura, agitación y el tiempo de residencia (36
horas).
70
Dentro del reactor anaeróbico las bacterias (Clostridium sp. IBUN 158 B) se
alimentaran y degradaran la glicerina cruda y en su proceso llamado fermentación,
producirán después de pasadas 36 horas varias sustancias químicas de interés
(1,3 - propanodiol, acido butírico, acido acético, metanol entre otros).
En la figura 15 se observa el reactor que se utilizó en la Universidad Nacional de
Colombia para los ensayos de laboratorio, este solo tiene capacidad para 4 litros.
Figura 15. Imagen del reactor de laboratorio de 4 litros utilizado para la producción de 1,3
propanodiol
Fuente: COMBA G., NATALIA B. Evaluación de la expresión del proteoma intracelular de una cepa nativa
colombiana de clostridium sp, 2011.
En la figura 16 se puede ver la imagen de un reactor a escala industrial de
capacidad de 1000 litros que tiene las características del que se propone en este
proyecto, esta imagen se descargo de internet de un proveedor chino que los
construye según especificaciones del cliente, con capacidad desde 50 litros hasta
30000 litros.
71
Figura 16. Imagen de un reactor anaeróbico de 1000 litros marca JCT
Fuente: Foshan JCT Machinery Co., Ltd. http://www.fsjct.com/
Esta producción integrada de 1,3 - propanodiol a partir de glicerina cruda puede
ser una manera eficaz y eficiente de mejorar la rentabilidad de todo el proceso de
producción de biodiesel. El 1,3 - propanodiol es un material químico valioso para la
industria del plástico. Y este proceso propuesto de fermentación para su
producción tiene muchas ventajas sobre los métodos químicos donde se utiliza
derivados del petróleo, tales como una inversión relativamente baja y unas
condiciones de operación de presión y temperaturas bajas y lo más importante el
uso de una fuente renovable como material de inicio que es la glicerina cruda
residual.
72
10. CONCLUSIONES
Como se pudo ver en las diferentes investigaciones, las propiedades físico-
químicas de la glicerina cruda y su reactividad química, hace que esta sustancia
tenga una gran cantidad de usos y numerosos procesos químicos en los que
interviene. Esta ventaja, unida al elevado nivel de excedentes de glicerina cruda a
precios muy bajos, puede a futuro ser una gran oportunidad de negocios que
permitirá transformar la glicerina cruda de residuo a materia prima utilizable para
múltiples fines.
Los procesos más atractivos en cuanto a posibilidades de desarrollo a futuro son
sin duda los de base biológica o biotecnológica, especialmente aquellos
destinados al desarrollo de nuevos polímeros (1,3 - propanodiol y carbonato de
glicerol entre otros), en segundo lugar, están los procesos destinados a
generación de energía, como es el caso del biogás utilizando biodigestores y otra
posibilidad ya no industrial es el uso en la alimentación animal, esta última sería
una solución a corto plazo pero muy limitada.
Se debe considerar la posibilidad de proyectar y concretar la instalación de una
nueva línea de producción en la planta de Biodiesel Bio D S.A. en el municipio de
Facatativá, para que a partir de un insumo económico y abundante como la
glicerina cruda, se obtenga polímeros biodegradables u otros productos químicos.
Este proyecto debería ser impulsado por el gobierno nacional con el fin de atraer
inversionistas que trabajen en forma mancomunada con universidades y centros
de investigación para generar nuevas tecnologías que afronten el agotamiento del
petróleo e impulsen la protección del medio ambiente a partir de recursos
renovables.
73
11. RECOMENDACIONES
Después de la realización de este proyecto se han logrado conocer ciertas
particularidades del proceso de producción del biodiesel y el uso de la glicerina y
así mismo han quedado ciertos aspectos por evaluar, los cuales serían de gran
importancia para futuros estudios. Debido a esto se proponen ciertas
recomendaciones para seguir con la investigación, con el fin de que en un futuro
próximo pueda consolidar el 1,3 - propanodiol u otro producto químico en el
mercado de los solventes.
En un principio es necesario realizar estudios de los avances que se han realizado
en el campo de la biotecnología y el uso de bacterias, ya que esta puede ser la
puerta de entrada a una nueva industria, puesto que actualmente los estudios
realizados sobre la producción de 1,3 - propanodiol encontrados en la literatura,
son estudios muy avanzados y dirigidos por profesionales de altos estudios en la
Universidad Nacional de Colombia.
De igual manera es de gran importancia realizar estudios ya a nivel industrial, que
permitan conocer los mecanismos de las reacciones y las condiciones óptimas a
nivel experimental. Por esta razón, es importante que el trabajo de laboratorio
continúe, de esta forma se pueden lograr nuevos descubrimientos.
Por ultimo es necesario evaluar diferentes procesos biotecnológicos partiendo de
glicerina cruda proveniente del biodiesel para encontrar un proceso más
económico y sencillo, ya que la propuesta en este trabajo se basa en
fermentaciones a temperaturas medias que repercuten en altos costos de energía.
74
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79
ANEXOS
Archivo fotográfico de la empresa Bio D S.A.
Foto 1. Logo de la empresa de biocombustibles de Bio D S.A.
Fuente: Empresa Bio D S.A.
Foto 2. Vista completa de la planta de biodiesel de la empresa de Bio D S.A.
Fuente: Empresa Bio D S.A.
80
Foto 3. Vista frontal de la planta de biocombustibles Bio D S.A.
Fuente: Empresa Bio D S.A.
Foto 4. Zona de almacenaje de la semilla de palma africana
Fuente: Empresa Bio D S.A.
81
Foto 5. Zona de extracción de aceite de palma africana
Fuente: Empresa Bio D S.A.
Foto 6. Reactor de refinación de aceite de palma
Fuente: Empresa Bio D S.A.
82
Foto 7. Toma de muestra de biodiesel para llevar al laboratorio
Fuente: Empresa Bio D S.A.
Foto 8. Sala de control de procesos, sistema automatizado
Fuente: Empresa Bio D S.A.
83
Foto 9. Zona de transporte por tubería del biodiesel para su almacenamiento
Fuente: Empresa Bio D S.A.