¿De qué está compuesto el biodiesel que echamos a nuestros coches?
Autora: Carmen Jarne Lardiés. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica de Madrid, CSIC
Los mercados energéticos mundiales siguen dependiendo en gran medida de los combustibles fósiles como el carbón, el gas natural y el petróleo. Según la Agencia Internacional de la Energía, los productos petrolíferos proporcionan casi el 80% del suministro de energía primaria del mundo [1]. Sin embargo, estos combustibles fósiles son una de las fuentes más importantes de gases de efecto invernadero y de contaminación ambiental, ya que cuando se queman producen dióxido de carbono (CO2). Las emisiones mundiales anuales de CO₂ procedentes del petróleo son de unos 5.000 millones de toneladas y se producen unos 4,2 millones de muertes humanas al año debido a la contaminación del aire ambiente [2]. Ante esta situación, muchos países están avanzando hacia la reducción de su dependencia de los combustibles fósiles promoviendo el uso de energías renovables alternativas más limpias. En este sentido, los biocombustibles se consideran una de las estrategias más eficaces para alcanzar este reto. La consultora Goldstein Market Intelligence ha pronosticado que se espera que los biocombustibles satisfagan el 30% de la demanda mundial de energía en 2050.
El biodiésel es un combustible renovable compuesto por lípidos (ésteres metílicos de ácidos grasos o FAME) y diésel de origen fósil. Tiene un alto poder calorífico, es respetuoso con el medio ambiente, tiene una baja toxicidad y es de naturaleza líquida, lo que lo convierte en una atractiva alternativa para sustituir al gasóleo fósil sin necesidad de realizar grandes modificaciones en los motores convencionales de los coches [3]. Los FAMEs pueden utilizarse en su forma pura (denominada B100) o mezclados con el gasóleo de origen fósil en diferentes proporciones (BX, siendo X el porcentaje en volumen en la mezcla). Pero, ¿de dónde proceden estos lípidos (FAME) que forman parte del biodiésel? Los FAMEs se producen a partir de numerosas fuentes de ácidos grasos (aceites) mediante una reacción de transesterificación con un alcohol y en presencia de un catalizador. Se ha investigado la producción de FAMEs a partir de diferentes materias primas, que se clasifican en primera, segunda y tercera generación. Las materias primas de primera generación incluyen plantas comestibles (aceites vegetales de soja, colza, girasol, palma, etc.) que compiten con la alimentación humana. Sin embargo, las materias primas de segunda y tercera generación incluyen recursos no comestibles, como los residuos lignocelulósicos, los residuos municipales orgánicos, las grasas animales, los aceites de cocina reciclados o las algas, que pueden paliar los inconvenientes de sostenibilidad asociados a la primera generación. La calidad de los FAMEs depende, entre otros factores, de la naturaleza de los lípidos utilizados como materia prima, ya que, dependiendo de ella, los FAMEs pueden contener diferentes impurezas como glicerol, monoglicéridos (MG), diglicéridos (DG), triglicéridos (TG), ácidos grasos (AG) e incluso colesterol que pueden provocar graves problemas en el motor, como corrosión, formación de depósitos en los inyectores y la obstrucción de los filtros de combustible. Para evitar estos problemas, es necesario conocer en profundidad cuál es la composición molecular de los FAMEs obtenidos tras la reacción de transesterificación de las diferentes materias primas. Esta información permitirá una adecuada selección de las materias primas a utilizar, así como la optimización de los parámetros operativos en los procesos de producción (pretratamientos de los aceites, catalizadores, etc.) y logísticos (sistemas de almacenamiento, transporte, distribución, etc.).
En este contexto, este proyecto se centra en el desarrollo de nuevos métodos analíticos que permiten una completa caracterización de los FAMEs (B100) y de sus mezclas con diésel (Bx). Esto se lleva a cabo mediante el diseño e implementación de una avanzada plataforma analítica basado en cromatografía en capa fina de alta resolución (HPTLC) acoplada a espectrometría de masas (MS). Esta plataforma modular totalmente automatizada, consta de diferentes instrumentos que controlan cada una de las etapas cromatográficas: inyección de las muestras por nebulización sobre la placa cromatográfica, separación en gradiente (mezclas de hasta 5 disolventes), detección por densitometría de barrido UV-vis o por inducción de fluorescencia (FDIC) [4] y trasferencia directa de las muestras separadas desde la placa cromatográfica al espectrómetro de masas para su identificación utilizando diferentes métodos de ionización como ionización por electrospray (ESI) e ionización química a presión atmosférica (APCI). Finalmente, para una inequívoca identificación estructural de las muestras se hacen espectros ESI-MSn (fragmentación de iones seleccionados) y espectros de alta resolución ESI-HRMS (m/z con cuatro decimales). Mediante este procedimiento se ha conseguido la determinación de MG, DG y AG en muestras de biocombustibles de diferente procedencia (aceites vegetales, grasas animales o aceites de cocina reciclados,) pudiendo establecer perfiles cromatográficos cualitativos (por HPTLC) y semicuantitativos (por ESI-MS) de las diferentes especies de lípidos identificados en las muestras. Gracias a este trabajo hemos afianzado el uso de la plataforma HPTLC-MS en la determinación de impurezas, presentes en muy bajas concentraciones (por ejemplo, por debajo de 0.7% para MG) en muestras de biocombustibles, logrando, de esta manera, el objetivo final de nuestro estudio que consistía en la optimización final de las formulaciones de los FAMEs (B100) y del biodiésel (BXs), la cual es necesaria para mejorar la sostenibilidad de estos biocombustibles, su producción rentable y su rendimiento.
Agradecimientos
Esta investigación forma parte de un proyecto financiado por la empresa petrolera francesa TOTAL RAFFINAGE MARKETING a través del Instituto de Carboquímica del CSIC de Zaragoza
Referencias
[1] Energy Transitions: Global and National Perspectives. ISBN: 144085324X
[2] World Health Organisation. Ambient air pollution: health impacts 2018. http://www.who.int/airpollution/ambient/health- impacts/en/ (Accessed 5 April 2020)
[3] Nigam PS, Singh A. Production of liquid biofuels from renewable resources. Prog Energy Combust Sci 2011;37:52–68
[4] Cebolla VL, Jarne C, et al. Fluorescence detection by intensity changes for highperformance thin-layer chromatography separation of lipids using automated multiple development. Journal of Chromatography A, 2011. 1218(19): p. 2668-2675.
[5] Carmen Jarne et al. Separation, quantitative determination, and composition profile of monoglycerides in biodiesel using a hyphenated technique based on high-performance thin-layer chromatography. Fuel, 177, 244-250, 2016
[6] Carmen Jarne et al. High-Performance Thin-Layer Chromatography Coupled to Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry for Identifying Neutral Lipids and Sphingolipids in Complex Samples. Journal of AOAC International, 101 (6), 1993-2000, 2018
Contacto
Carmen Jarne Lardiés, investigadora del grupo FCF del programa FotoArt-CM – c.jarne@csic.es
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.