ELABORADO POR: M.A. Alejandra Navarro Hurtado y Dra. Norma Angélica Paniagua Buelnas

INSTITUCIÓN: Dirección Adjunta de Vinculación y Transferencia de Tecnología, CIATEJ.

FECHA: Enero 2019

La producción y utilización de biocombustibles es un tema de controversia cada vez más frecuente en los medios de comunicación tanto científicos como de divulgación general, mostrándose como una opción para la industria de la energía, que permitiría evitar el agotamiento de las reservas petroleras y otras fuentes no renovables de energía como el carbón mineral y el gas natural; y con la que también se haría posible reducir la contaminación producida en la actualidad al utilizar los combustibles convencionales para generar la energía que se requiere en las innumerables actividades industriales y personales cotidianas de la humanidad. Y aunque desde hace varios años se ha venido trabajando intensamente en ámbitos científicos y tecnológicos, no hay a la fecha políticas públicas y tecnologías desarrolladas a un nivel tal que permitan aprovechar al máximo el potencial de las fuentes renovables de energía para la obtención de los biocombustibles, sin derivar en costos sociales, ambientales y/o económicos mayores.

De acuerdo con un reporte de la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la alimentación), la demanda de biocombustibles se ha mantenido gracias a regulaciones establecidas en años recientes en la Unión Europea y en países como Estados Unidos, Brasil y Argentina, en donde en el caso del biodiésel se han implantado mezclas definidas para su uso en combinación con el combustible convencional para las actividades de transportación. Así, en Europa y Estados Unidos se han establecido mezclas con diésel al 5% o 20% (B5, B20), e incluso se utiliza el biodiésel puro (B100). En tanto que en Brasil y Argentina se utiliza la mezcla obligatoria de biodiésel en un 5% respecto del diésel (B5). Pero, la demanda de este tipo de biocombustible es limitada cuando no hay uso obligatorio impuesto, y ante el hecho de que los combustibles convencionales tienen un costo monetario menor^{(1, 2)}.

 

El biodiésel es un tipo de biocarburante, que se ha destinado principalmente a cubrir la demanda energética del sector transporte, en donde se utiliza ya sea mezclado como aditivo de carburantes como la gasolina (nafta, bencina) y el gasóleo (diésel, gasoil), en distintas proporciones; o bien en condiciones ideales para reemplazar en un 100% a los combustibles convencionales antes referidos. La definición estandarizada del biodiésel se estableció desde el 2001 en la norma D6751 por la ASTM (siglas en ingles de: American Society for Testing and Material Standard), en donde se indica que en tal concepto están comprendidos los ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de aceites vegetales o grasas de origen animal, para su uso en motores de combustión por compresión (motor diésel).

Los aceites vegetales, utilizados como materia prima para la producción de biodiésel en principio han consistido en aceites obtenidos de plantas oleaginosas de consumo humano, incluyendo: girasol, colza (canola), soja, coco y palma. Países como Alemania, Austria, Canadá, Estados Unidos, Francia, Italia, España, Brasil, Malasia y Suecia se han destacado como pioneros, en la producción de este tipo de biodiésel para su uso en automóviles. No obstante, a fin de no competir por este tipo de insumos con el sector de la alimentación, la tecnología de producción de biodiésel se ha orientado a la utilización de alternativas menos polémicas como materias primas, tales como: aceites no comestibles procedentes de plantas oleaginosas (Brassica carinata(colza etíope), Cynara curdunculus(cardo comestible), Camelina sativa(sésamo bastardo), Crambe abyssinica(absinia), Pogianusy Jatropha curcas (jatrofa)); con grasas de origen animal (incluyendo pollo o pescado, sebo de vaca, de búfalo, o de cerdos); con aceites comestibles de desecho provenientes de procesos de fritura (de origen doméstico, y de establecimientos como restaurantes y comedores industriales entre otros); con aceites producidos por microorganismos conocidos como microorganismos oleaginosos; y con aceites de microoalgas.

Los aceites o grasas utilizados como materia prima para la producción de biodiesel tienen entre sus componentes ácidos grasos unidos a moléculas de glicerol formando mono-, di-, o triglicéridos, éstos últimos que están presentes en mayor proporción, tienen la capacidad de reaccionar con un alcohol primario (metanol o etanol) bajo la acción de un catalizador para producir una mezcla de ésteres de ácidos grasos y glicerina. Estas reacciones son conocidas bajo el nombre de transesterificación, y constituyen la manera más habitual de obtención de biodiesel. Aunque, hay otras tecnologías de obtención de biodiésel conocidas como la microemulsión y la pirolisis⁽³⁾.

En las reacciones de transesterificación, además de la materia prima utilizada para la selección del biodiésel, otro factor clave es la determinación del tipo y cantidad de catalizador para desarrollar las reacciones; en los procesos realizados a nivel industrial, se han utilizado por décadas catalizadores ácidos incluyendo ácido sulfúrico, ácido sulfónico, y ácido clorhídrico; o bases como hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, y carbonatos, siendo la catálisis alcalina la más frecuente. Estos catalizadores químicos, han dado resultados aceptables aunque se ha cuestionado el impacto ambiental derivado de su uso y que además al ser un recurso irrecuperable, representa también un impacto económico negativo en los procesos tradicionales de producción del biodiésel. Una opción se ha encontrado en la biocatálisis, en donde las reacciones de transesterificación son mediadas por enzimas aisladas o sistemas de células completos, conocidos como biocatalizadores, los cuales han demostrado su capacidad de acelerar las reacciones químicas bajo condiciones controladas, con alta selectividad, gran eficiencia catalítica y requerimientos de pH y temperatura amigables con el ambiente. Dentro de las ventajas que ofrece la implementación de las reacciones biocatalíticas en los procesos de producción del biodiésel es que los biocatalizadores son sustancias naturales, biodegradables, renovables y que podrían contribuir a que la producción del biodiésel a nivel industrial logre satisfacer la demanda y con precios competitivos.

Otra estrategia tecnológica que se ha desarrollado para optimizar las reacciones de esterificación es mediante la utilización de metanol supercrítico. En las reacciones convencionales de transesterificación, los aceites vegetales y grasas animales reaccionan con metanol, etanol o bioetanol, para su conversión en biodiésel con la mediación de un catalizador. La utilización del metanol supercrítico permite prescindir del catalizador, teniendo ventajas como evitar la formación de jabones, simplificar el paso de purificación del biodiesel y recuperación del metanol, favoreciéndose también los procesos de producción de biodiesel en los que se utilizan aceites comestibles de desecho como materia prima. Sin embargo, este tipo de tecnología requiere de grandes consumos de energía y metanol para mantener las condiciones de presión y temperatura necesarias, por lo que la producción de biodiésel en condiciones supercríticas se vuelve poco viable en términos energéticos y económicos⁽⁴⁾.

Habitualmente para proporcionar las condiciones de temperatura de las reacciones químicas para la producción de biodiesel se recurre al calentamiento eléctrico o por la quema de combustibles fósiles, en ambos casos teniendo efecto negativo en los costos económico-ambientales. La posible solución se ha encontrado en la utilización de la energía solar como fuente de energía. La radiación solar es un tipo de energía renovable, limpia, que no representa impacto ambiental negativo al no producir gases de efecto invernadero ni emisiones contaminantes de otra naturaleza, y a la que se tiene acceso desde cualquier lugar del planeta ya que es parte de la energía que transfiere el sol a la tierra de manera continua a través de las radiaciones electromagnéticas.

La radiación electromagnética o radiación solar se ha aprovechado desde muchos años como energía luminosa o como energía calorífica para una diversidad de procesos más o menos rudimentarios, incluyendo procesos simples de secado; y en la actualidad  se han desarrollado tecnologías más complejas que permiten transformar la energía solar en energía térmica (tecnología fototérmica) o energía eléctrica (tecnología fotovoltáica). En los últimos años, la tecnología fotovoltáica es la que ha tenido mayor avance científico y tecnológico; particularmenteen relación al objetivo de alcanzar la eficiencia energética en los procesos de producción de biodiésel, se han desarrollado tecnologías que permiten captar, almacenar y transformar la energía solar en la energía eléctrica necesaria para tales procesos; por ejemplo la utilización de paneles solares fotovoltáicos que proveen la electricidad necesaria a celdas electrolíticas para alcanzar las altas temperaturas requeridas en las reacciones de esterificación de ácidos grasos libres y transesterificación de los triglicéridos, sin necesidad de llevar a cabo el calentamiento con resistencias eléctricas o por la quema de combustibles fósiles⁽⁵⁾.

 

Otra estrategia para aprovechar la energía solar y lograr la eficiencia energética en los procesos de producción de biodiesel se ha mostrado en las tecnologías en las que se hace uso de fotocatalizadores, que al ser excitados por la energía luminosa solar pueden acelerar las reacciones de transesterificación⁽⁶⁾.

Muchos son los retos tecnológicos en los que se ha trabajado intensamente y que al momento no se han superado en su totalidad para determinar las materias primas más adecuadas, optimizar los diseños de los biorreactores, seleccionar y manipular óptimamente los sistemas de catálisis, biocatálisis o fotocatálisis; desarrollar procesos de extracción y purificación de aceites y subproductos, etc. Estos retos tecnológicos han dado lugar a una abundante cantidad de desarrollos tecnológicos para los cuales se ha buscado protección en el sistema de patentes; los documentos de patente del campo tecnológico de la energía solar para la producción de biodiésel son fieles indicadores de la actividad tecnológica, colaboraciones o vinculaciones establecidas entre inventores, entre empresas y/o instituciones de investigación y universidades; y proporcionan asimismo un panorama de la evolución, tendencias de I+D, líderes tecnológicos, usos y aplicaciones, indicadores industriales y potenciales alianzas, con respecto al campo tecnológico de este análisis.

La primera patente relacionada al biodiésel y su proceso de obtención, se concedió en Bélgica en 1937 a Charles George Chavanne.

Las tecnologías resultantes, que continúan en evolución, pretenden la ventaja competitiva de salvar desventajas de técnicas anteriores proporcionando procesos con una relación costo-beneficio favorable en términos social, económico y de impacto al ambiente. Los registros de invenciones hallados corresponden a tecnologías en donde se aborda la selección y óptimo uso de la materia prima para la producción de biodiésel con objetivos entre otros de reducir la presencia de ácidos grasos libres, desarrollar métodos de pretratamiento de la materia prima para su mejor aprovechamiento, desarrollar fuentes alternativas de materia prima que no afecten los recursos destinados al sector agroalimentario, etc. De acuerdo con los hallazgos encontrados en relación al tema biodiésel y ácidos grasos, sobresale la actividad de China en el desarrollo de tecnologías orientadas a los aspectos antes mencionados; y es seguida por Estados Unidos, aunque es conocido que la mayor parte del biodiésel producido por este país se obtiene a partir de la soja, y sus tecnologías de producción de biodiésel están asimismo orientadas a la utilización de la soja como materia prima. Y destaca también la actividad de Brasil en el desarrollo de tecnologías en relación al tema biodiésel y ácidos grasos, hallazgo que se ajusta al hecho de que por las condiciones climáticas y geográficas de Brasil, este país cuenta con vastas extensiones territoriales aptas para cultivo, así como una amplia variedad de materias primas que pueden aprovecharse para la producción del biocarburante.

 

Por otra parte, se observó una gran cantidad de desarrollos tecnológicos enfocados a materiales fotocatalíticos que pueden ser utilizados como catalizadores para las reacciones de transformación de la materia prima en biodiésel. En este tema de Biodiesel y fotocatálisis, se encontró que es en Estados Unidos en donde se ha tenido la mayor actividad de protección de este tipo de tecnologías, y que son empresas de la talla de ExxonMobil y Shell oil (presencia de Royal Dutch Shell en Estados Unidos) quienes están apostando con mayor intensidad a ofrecer una ventaja tecnológica en este aspecto de los procesos de producción de biodiésel.  Se encontró también que, aunque China ha mostrado también en este tema tecnológico de Biodiésel y fotocatálisis una presencia importante, su actividad de protección de estas tecnologías ha sido hasta ahora significativamente menor que la de Estados Unidos.

Cabe mencionar que, se encontró que la Benemérita Universidad Autónoma de Pueblas está figurando en los registros de invenciones en México con desarrollos tecnológicos que involucran la fotocatálisis.

 

Con respecto a las tecnologías orientadas al aprovechamiento máximo de la energía solar como fuente de energía renovable para alcanzar la eficiencia energética en los procesos de producción de biodiesel, se encontró que en las invenciones relacionadas se abordan además los aspectos de aprovechamiento de la energía eléctrica obtenida de la radiación electromagnética solar, que puede ser utilizada

 

para los pasos eléctrico-dependientes implicados en la producción del biodiésel, incluyendo pasos de calentamiento y suministro de energía para aparatos, entre otros, mediante el empleo de la tecnología fotovoltáica (paneles solares).  En este tema de análisis de Biodiésel, ácidos grasos, aceites vegetales y radiación solar, se encontró que China aparece con una posición líder, mostrando participación tanto por parte de la iniciativa privada como por parte del sector académico; sin que predomine en particular alguno de ellos, como se deriva del hecho de que los registros de invenciones que involucran los conceptos de análisis se distribuyen entre muchos solicitantes sin sobresalir particularmente alguno. Y, lo mismo ocurre con las invenciones protegidas en Estados Unidos, país que figura como otro líder tecnológico en desarrollos en donde están comprendidos los conceptos de Biodiésel, ácidos grasos, aceites vegetales y radiación solar. Por debajo de estos países líderes se hallan otros miembros de la comunidad Europea como Alemania, Austria, España, Gran Bretaña y Francia, pero con una actividad más bien baja.

Brasil también figura entre los países con más invenciones protegidas en relación a las tecnologías de producción de biodiesel maximizando la utilización de la energía solar, aunque su participación está considerablemente por debajo de la mostrada por China y Estados Unidos; sin embargo, no hay participación representativa por parte de otros países de América Latina en cuanto a desarrollos tecnológicos comprendidos bajo los conceptos de estudio Biodiésel, ácidos grasos, aceites vegetales y radiación solar. Es de destacar que México está posicionado por debajo de Brasil en relación a la protección de tecnologías desarrolladas y protegidas en el campo de análisis.

BIBLIOGRAFÍA:

1. OCDE/FAO (2017), “Biocombustibles”, en OCDE-FAO Perspectivas Agrícolas 2017-2026, OECD Publishing, París. DOI: http://dx.doi.org/10.1787/agr_outlook-2017-13-es.
2. Biocombustibles líquidos, Red Mexicana de Bioenergía. http://rembio.org.mx/areas-tematicas/biocombustibles-liquidos/
3. Tejada et al. 2013. http://www.scielo.org.co/pdf/luaz/n36/n36a02.pdf)
4. León Valdéz, J. A., et al. 2016. https://www.researchgate.net/publication/307881402_APROVECHAMIENTO_DE_ENERGIA_SOLAR_PARA_LA_PRODUCCION_DE_BIODIESEL_EN_CONDICIONES_SUPERCRITICAS

5. MX/a/2013/007861, Corro Hernández
6. MX/a/2016/016249, Corro Hernández
7. © 2017 Derwent Innovation Analytics. All rights reserved, https://www.derwentinnovation.com/login/, Consultada en Enero 2019.