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Optimización estadística de la producción de biodiésel a partir de aceite residual comestible utilizando CaO como catalizador en un reactor tipo Robinson-Mahoney

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dc.contributor.author Soria Figueroa, Erick
dc.date.accessioned 2021-04-26T17:04:11Z
dc.date.available 2021-04-26T17:04:11Z
dc.date.created 2020-09-09
dc.date.issued 2021-04-21
dc.identifier.citation Soria Figueroa, Erick. (2020). Optimización estadística de la producción de biodiésel a partir de aceite residual comestible utilizando CaO como catalizador en un reactor tipo Robinson-Mahoney. (Maestría en Ingeniería en Producción más Limpia). Instituto Politécnico Nacional, Centro Mexicano para la Producción más Limpia. México. es
dc.identifier.uri http://tesis.ipn.mx/handle/123456789/28851
dc.description Tesis (Maestría en Ingeniería en Producción más Limpia), Instituto Politécnico Nacional, CMPL, 2020, 1 archivo PDF, (86 páginas). tesis.ipn.mx es
dc.description.abstract RESUMEN: En este estudio se presenta una optimización estadística basada en un diseño experimental realizada con variables operativas relevantes en la producción de biodiésel utilizando óxido de calcio (CaO, grado industrial) como catalizador heterogéneo y aceite comestible residual (ACR) como fuente de triglicéridos. El ACR fue caracterizado física y químicamente utilizando espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), análisis termogravimétrico (TGA), viscosidad dinámica, densidad, contenido de ácidos grasos libres (1.382%) y número ácido. Los experimentos se llevaron a cabo en un reactor comercial tipo Robinson-Mahoney (600 cm3) utilizando una canastilla anular fija para examinar las ventajas potenciales que posee su diseño como son: contacto óptimo entra fases, fácil recuperación del catalizador y transferencia de calor. Como pretratamiento, el catalizador se calcinó a 700 °C durante 2 horas. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta Box-Behnken (BB) para determinar la influencia de la cantidad de catalizador alimentado (3, 6, 9 p/p %), diámetro de partícula (1.18, 1.41 y 2 mm) y la relación molar metanol-aceite (6, 9 y 12), a temperatura fija de 60 °C, agitación de 700 rpm y tiempo de reacción de 2 horas. La conversión de los triglicéridos del ACR a éster metílicos fue determinada por espectroscopía infrarroja mediante una curva de calibración generada a partir de mezclas de concentración conocida de materia prima (ACR) y producto (metil oleato, estándar Sigma-Aldrich) utilizando el programa Spectrum Quant del fabricante Perkin Elmer. Los resultados del diseño experimental mediante la metodología de Box-Behnken muestran que la variable con mayor influencia en el proceso es la cantidad de catalizador alimentado, seguido por la relación molar metanol-aceite y por último el diámetro de partícula del catalizador. Se lograron conversiones a ésteres metílicos superiores al 98.5% p/p en las condiciones optimizadas por la metodología Box-Behnken de cantidad alimentada de catalizador 8.75% p/p, 2 mm de tamaño de partícula y 8.72:1 de relación molar metanol-aceite. El producto obtenido en las condiciones óptimas fue caracterizado mediante FT-IR y resonancia magnética nuclear (RMN 1H), los resultados de estos estudios revelan que el producto obtenido no contiene carboxilatos, glicerol libre ni glicerol total y cuenta con un poder calorífico superior de 39.13 MJ/kg. Por otra parte, se caracterizó de acuerdo con la norma ASTM D6751 cumpliendo con los límites establecidos para muestras B100 en las propiedades de: agua y sedimento, viscosidad cinemática, densidad, carbono residual, glicerol libre, glicerol total y estabilidad a la oxidación. Adicionalmente se obtuvieron indicadores de química verde como factor ambiental (E-factor), intensidad másica del proceso (IMP), índice de salud y seguridad ambiental (ISSA) y carga ambiental del proceso de transesterificación (CAT); los resultados obtenidos fueron comparados con 4 procesos de obtención de biodiésel de segunda generación, demostrando que el proceso propuesto en el trabajo de investigación aporta una carga ambiental 27 veces menor comparado con el proceso con mejores resultados obtenidos en los estudios comparables. ABSTRACT:This study presents a statistical optimization based on an experimental design carried out with relevant operational variables in the production of biodiesel using calcium oxide (CaO, industrial grade) as a heterogeneous catalyst and residual edible oil (ACR) as a source of triglycerides. The ACR was physically and chemically characteristic using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric analysis (TGA), dynamic viscosity, density, free fatty acid content (1,382%) and acid number. The experiments were carried out in a commercial Robinson-Mahoney type reactor (600 cm3) using a fixed annular basket to examine the potential advantages of its design, such as: optimal contact between phases, easy recovery of the catalyst and heat transfer. As a pretreatment, the catalyst was calcined at 700 °C for 2 hours. A Box-Behnken design (BBD) is used to account for the catalyst dosage (3,6 and 9wt. %), particle size (1.18, 1.41 and 2 mm) and the methanol-oil molar ratio (6, 9 and 12), at fixed temperature of 60 °C, stirring of 700 rpm and reaction time of 2 h. Conversion to methyl esters was determined by infrared spectroscopy using a calibration curve generated from mixtures of known concentration of raw material (WCO) and product (methyl oleate, Sigma-Aldrich standard) using Perkin Elmer Spectrum Quant software. The results of the experimental design using the Box-Behnken methodology determine that the variable with the greatest influence on the process is the catalyst dosage, followed by the methanol-oil molar ratio and finally the particle size. Reaction conversions greater than 98.5% w/w to methyl esters were achieved for the optimized conditions estimated through the BBD at 8.75% w/w catalyst dosage, 2 mm of particle size, and 8.72:1 of methanol-oil molar ratio. The product obtained under optimal conditions was characterized by FT-IR and nuclear magnetic resonance (1H NMR), the results of these studies reveal that the product obtained does not contain carboxylates, free glycerol or total glycerol and has a higher calorific value of 39.13 MJ/kg. On the other hand, the FAME sample was characterized according to the ASTM D6751 standard, complying with the limits established for B100 mixtures in the properties of: water and sediment, kinematic viscosity, density, residual carbon, free glycerol, total glycerol and stability to oxidation. Additionally, green chemistry indicators such as environmental factor (E-factor), process mass intensity (PMI), environmental-health-safety index (EHSIX) and transesterification environmental burden (TEB) were obtained; the results obtained were compared with 4 processes of obtaining second generation biodiesel, the results obtained show that the proposed process provides a 27 times lower TEB compared to the process with the best results obtained in the comparative studies. es
dc.language.iso es es
dc.subject Biodiésel es
dc.subject Programa Spectrum Quant es
dc.subject Química verde es
dc.title Optimización estadística de la producción de biodiésel a partir de aceite residual comestible utilizando CaO como catalizador en un reactor tipo Robinson-Mahoney es
dc.contributor.advisor Hernández Altamirano, Raúl
dc.contributor.advisor Vázquez Arenas, Jorge Gabriel


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