Biodiésel y técnicas de producción

En las últimas décadas, la producción de biodiésel ha presentado un notable aumento debido a la creciente necesidad de reducir la dependencia actual de los combustibles fósiles tradicionales, así como la mitigación de los impactos ambientales asociados a su uso [²²-²³]. En respuesta a estos desafíos, se han venido desarrollando diversas técnicas de producción con el objetivo de lograr una producción eficiente, sustentable y respetuosa con el medio ambiente a través del biodiésel [²⁴]. Ante esto, las técnicas de producción están centradas en la conversión de materias primas, tales como grasas animales, aceites vegetales y aceites usados, en un producto renovable y respetuoso con el medio ambiente tal como lo es el biodiésel [²⁵]. Es por ello, que resulta imprescindible analizar las diferentes tecnologías y técnicas empleadas en los procesos de producción de biodiésel para determinar las respectivas concentraciones, materias primas, elementos y características propias del biodiésel producido, así como sus implicaciones en los sectores económicos, sociales y ambientales [²⁶-²⁷]. Por otra parte, se debe tener presente el constante aumento de los bicombustibles en el sector energético y de transporte a nivel mundial, siendo el biodiésel uno de los biocarburantes que más ha llamado la atención de los países para asegurar una transición energética sostenible y viable de acuerdo a los requerimientos establecidos en los acuerdos ambientales internacionales [²⁸-²⁹]. De acuerdo con los investigadores Awogbemi O y Von Kallon [³⁰], se presenta diversas estrategias para la generación de biodiésel, con la finalidad de sintetizar la materia prima teniendo en cuenta sus propiedades físico-químicas, las cuales se clasifican en técnicas físicas y químicas.

Figura 1 (a) Evolución del número de artículos de investigación publicados entre 2018 y 2023, (b) Distribución porcentual de los artículos de investigación publicados en un período de seis años según sus áreas temáticas. (Datos obtenidos de Scopus). 

Técnicas Físicas: este es un método de producción de biodiésel que no implica ninguna reacción química, en cambio, se centra en modificar físicamente los componentes para lograr la síntesis del biocombustible. En este contexto, se encuentran dos técnicas relevantes como lo son las Microemulsiones y la Cavitación Hidrodinámica.

Microemulsiones: esta técnica de producción de biodiésel busca reducir la viscosidad del aceite y prevenir la formación de depósitos de carbón, así como disminuir las emisiones nocivas de NOx y CO. Sin embargo, aunque esta técnica permita sintetizar biodiésel con una baja viscosidad, no resulta eficiente su inyección en los motores de combustión interna debido a que genera una combustión incompleta [³¹-³²].

Cavitación hidrodinámica: es empleada en la síntesis de biodiésel con el propósito de mejorar la eficiencia del proceso de transesterificación, al incrementar la velocidad de reacción y conversión de aceites vegetales o grasas animales en ésteres metílicos o etílicos (biodiésel). La metodología se basa en la generación y colapso controlado de burbujas de vapor en un líquido, tras inducir condiciones extremas de presión y temperatura en el gas. Ante esto, en la síntesis de biodiésel este fenómeno se produce al propagar ondas de presión a través de una mezcla de materia prima, alcohol y catalizador, creando zonas de alta energía y temperatura durante el colapso de las burbujas [³³].

Técnicas Químicas: en estas la producción de biodiésel se consigue mediante la modificación química de aceites y grasas naturales, en el cual se alteran las propiedades fisicoquímicas de la materia prima para la generación de ésteres [³⁴]. Entre estos métodos se encuentra la pirólisis, superfluido/supercrítico y transesterificación.

Pirolisis: el método de pirolisis para la producción de biodiésel es un proceso de degradación térmico, el cual se caracteriza por la ausencia de oxígeno y altas temperaturas (300°C a 800°C) bajo presión atmosférica sin producirse combustión, con lo que se producen gases tales como, CO, CO₂, CH₄, H₂ y residuos sólidos [³⁵-³⁶].

Superfluido/Supercrítico: otra técnica empleada para mejorar la eficiencia del proceso de producción de biodiésel es a partir del uso de fluidos supercríticos. En este contexto, al trabajar con esta técnica química de síntesis se debe considerar el uso de un disolvente supercrítico, tal como lo es el CO₂, el cual se comprime en un estado intermedio entre un líquido y gas, por lo que presenta altas temperaturas y presiones [³⁷,³⁸]. Este método presenta ciertas ventajas, como la eliminación de los catalizadores químicos en el proceso, esto debido a que es utilizado como un solvente para la extracción del aceite de la materia prima, como en el caso de las semillas de plantas oleaginosas [³⁹]. Por otra parte, permite una reducción en la cantidad de subproductos no deseados y en el consumo energético. Además, los fluidos supercríticos tienden a mejorar la velocidad de reacción, lo que conduce a una mayor eficiencia y pureza del producto Anal [⁴⁰].

Transesterificación: en cierta medida la técnica de transesterificación es la reacción química más utilizada en el proceso de producción de biodiésel, la cual consiste en la reacción de un aceite vegetal con un alcohol de cadena corta como metanol o etanol y en presencia de un catalizador, el cual puede ser tanto ácido como básico, con el propósito de acelerar la reacción [⁴¹-⁴²]. Por otro lado, en el proceso de transesterificación se transforma la materia prima en ésteres de alquilo (biodiésel) y glicerina como subproducto [⁴³-⁴⁴]. Además, esta reacción también contribuye a la reducción de la viscosidad de los aceites vegetales, lo que facilita su uso como biocombustible en motores diésel convencionales [⁴⁵].

Ante esto, entre las diferentes técnicas mencionadas, la transesterificación es considerada como el método más utilizado en los procesos de producción de biodiésel, debido a su alta eficiencia en la conversión de los lípidos presentes en la materia prima (aceites vegetales y grasas animales) en ésteres metílicos o etílicos de ácidos grasos, lo cual permite aprovechar de manera eficiente los insumos en la síntesis del biodiésel, como lo reafirman los investigadores [⁴⁶].

Tipos de reactores y características técnicas de los sistemas de producción de biodiésel Tanto en la industria como en el ámbito de laboratorio, los procesos de transesterificación se llevan a cabo en reactores químicos, cuyas condiciones de reacción deben ser controladas de tal manera que se obtenga un producto final (biodiésel) que cumpla con los requerimientos de calidad necesarios [⁴⁷,⁴⁸]. Así mismo, los sistemas de producción de biodiésel se clasifican según el tipo de reactor empleado para llevar a cabo la transformación de la materia prima (aceite vegetal) y los respectivos reactivos a través del proceso de transesterificación, teniendo en cuenta el tipo de flujo en la entrada y salida que presente el sistema, para con ello determinar las características del proceso de producción, como lo es el caso de los reactores continuos y por lotes (batch) [⁴⁹].

Además, dependiendo de la naturaleza química de la materia prima y del producto Anal, las condiciones operativas de cada reactor varían considerablemente. Por lo tanto, al seleccionar un reactor químico para la producción de biodiésel, es crucial considerar principalmente las condiciones de operación, requerimientos de espacio, tiempos de ejecución, volúmenes de producción, calidad, eficiencia energética y económica [⁵⁰]. En cuanto a la clasificación de dichos sistemas de producción, estos se determinan en función del modo de operación del reactor de transesterificación, el cual puede ser de tres tipos: por lotes (batch), semicontinuo (semi-batch), y sistemas de producción continua [⁵¹-⁵²]. Ante esto, la elección del tipo de sistema a implementar resulta fundamental al momento adaptarse a situaciones o requisitos específicos del sistema de producción. En la Tabla 1, se presenta una comparativa entre los diferentes modos de operación de los reactores químicos, teniendo en cuenta su aplicabilidad en los procesos de producción de biodiésel al considerar factores como el tipo de suministro de los reactivos y materia prima, los costos de operación, el control de temperatura, la transferencia de calor y la tasa o volumen de producción.

Ante la comparativa, los sistemas de producción continua sobrepasan en cierta medida la producción por lotes y sistemas semicontinuos, debido a su mayor eficiencia y productividad en la generación de biodiésel. La producción continua garantiza un proceso ininterrumpido, para minimizar los tiempos muertos en la adicción de reactivos de los procesos por lotes, lo cual mejora considerablemente la eficiencia operativa, así como los volúmenes de producción. En la Figura 2, se presentan los reactores comúnmente empleados en el proceso de transesterificación para la síntesis de biodiésel, en el cual se clasifican según el tipo de sistema de calentamiento o flujo.

En el caso de los procesos de producción de biodiésel, estos sistemas hacen referencia a las diferentes configuraciones utilizadas para llevar a cabo el proceso de transformación de las materias primas en biodiésel. Para ello, los sistemas de producción continuos suelen involucrar el uso de reactores continuos, donde las reacciones químicas ocurren de manera continua y se pueden lograr mayores tasas de producción [⁵⁵]. Cabe resaltar, que los sistemas mencionados anteriormente pueden ser diseñados de diferentes formas, como por ejemplo los reactores continuos de tanque agitado, por flujo de chorro, de microcanales, ultrasonido o por irradiación de microondas. Sin embargo, los criterios de selección de los sistemas de producción dependen en cierta medida de diversos factores, como el volumen de producción, las características de las materias primas, los requisitos de calidad del biodiésel, la eficiencia energética y la rentabilidad [⁵¹].

En la Tabla 2, se presentan las principales características de los diferentes tipos de reactores comúnmente utilizados en el proceso de producción de biodiésel.

Figura 2 Clasificación de los reactores químicos empleados en la producción de biodiésel. Tomado y adaptado de [⁵⁴].  

En los reactores continuos, un aspecto crucial para lograr un rendimiento óptimo de biodiésel es asegurar una adecuada mezcla de los reactantes, especialmente cuando se enfrenta a resistencias en la transferencia de masa. La correcta homogeneización de los componentes de reacción se convierte en un requisito primordial para obtener un alto rendimiento en la producción de biodiésel en estos sistemas continuos [⁵⁷]. Así mismo, es crucial destacar que en los sistemas de producción de biodiésel existen diversos factores que desempeñan un papel fundamental en el proceso de transesterificación. Estos factores incluyen elementos como la proporción entre la cantidad de alcohol y aceite o relación molar, el tipo y concentración de catalizador, el tiempo de residencia o de reacción, la transferencia de masa u homogeneidad de la mezcla y el tipo de alcohol y aceite empleado como materia prima. Es por ello, que la integración eficiente de estos factores determina en cierta medida el rendimiento y la calidad deseada en la síntesis del biodiésel [⁵⁸]. Sin embargo, una de las características más importantes dentro del proceso de producción de biodiésel es el tipo de reactor con el que se lleva a cabo la reacción química, ya que facilitan la reacción de transesterificación que convierte las materias primas (aceites vegetales) en biodiésel. Estos reactores operan bajo ciertas condiciones de reacción, las cuales son controladas con la finalidad de obtener un biocombustible que cumpla con los requisitos de calidad y rendimientos necesarios para su posterior uso en los motores de combustión [⁵⁹].

Ante esto, la selección del tipo de reactor y el modo de operación del mismo son parámetros fundamentales a la hora de establecer un sistema de producción de biodiésel. La elección del reactor dependerá de ciertos factores como la capacidad de producción del sistema, la eficiencia, la calidad del biodiésel y los recursos disponibles para la implementación del sistema de producción de biodiésel [⁶⁰].

Reactores de tanque agitado Los reactores de tanque agitado son equipos esenciales en la producción de biodiésel, caracterizados por presentar un sistema de agitación mecánica que asegura una mezcla homogénea entre los reactivos y la materia prima, así como una transferencia de calor y masa eficiente [⁶¹]. Estos reactores son utilizados comúnmente en el proceso de transesterificación debido a su versatilidad para funcionar tanto en sistemas por lotes como continuos, por lo que pueden adaptarse a diferentes volúmenes de producción, lo cual resulta fundamental a la hora de seleccionar reactores para sintetizar biodiésel [⁶²]. Así mismo, su sencillo control de parámetros, la capacidad de utilizar una gran variedad de materias primas y un mantenimiento relativamente sencillo han sido características de su excelente implementación en el sector industrial [⁶³]. Además, son reconocidos por su flexibilidad en la escala de producción, desde operaciones de laboratorio hasta operaciones industriales a gran escala, así como por su rentabilidad a la hora de producir biodiésel. Por otra parte, los reactores de tanque agitado se clasificación dependiendo del tipo de sistema empleado, tal como es el caso de los Reactores Batch de Tanque Agitado (BSTR), los Reactores Continuos de Tanque Agitado (CSTR) y los Reactores Agitados por Flujo de Chorro (JSR), siendo los (CSTR) los más utilizados en la industria debido a su operación continua que permite la entrada y salida constante de reactivos y productos, así como por su eficiencia y productividad a la hora de implementarlos a gran escala [⁶⁴].

El estudio propuesto por Kouzu et al. [⁶⁵], se enfoca en la producción continua de biodiésel mediante transesterificación catalizada heterogéneamente, se aborda una problemática asociada con la limitación de la transferencia de masa en la reacción de transesterificación y el hecho de implementar catalizadores heterogéneos en los reactores (CSTR). Es por ello, que para abortar dicha situación dentro de la investigación, se implementa el proceso de transesterificación de aceite de colza con un catalizador de CaO en polvo dentro de un reactor continuo de tanque agitado (CSTR), el cual se caracteriza por un flujo constante para el mezclado de los reactivos. Este enfoque del reactor CSTR dentro del proceso de transesterificación, logra alcanzar un estado estacionario, según lo corroborado por la investigación. Sin embargo, a pesar de obtener una eficiencia en el flujo de mezclado para la transesterificación, se presenta una limitación en el rendimiento de FAME de aproximadamente el 90 %, debido a la amplia variabilidad en el tiempo de residencia, la cual se debe a la agitación y mezcla intensa dentro del reactor. Sin embargo, en esta investigación se propone una solución prometedora para mejorar el rendimiento del biodiésel producido, al implementar reactores de tanque agitado continuos en serie.

Reactores de membrana

La investigación llevada a cabo por los investigadores Gao et al. [⁶⁶], se centra en el modelado de la producción de biodiésel utilizando un reactor de membrana con un catalizador alcalino sólido KF/Ca-Mg-Al, aceite de soja y metanol. Los resultados obtenidos revelaron que el sistema de membrana puede dividirse en dos etapas distintas: la acumulación de biodiésel a través del proceso de transesterificación y la separación de la membrana del biodiésel, lo que proporciona una buena transferencia de masa entre las fases inmiscibles del producto, sin embargo, se necesita de un tratamiento de aguas abajo simple para obtener un biodiésel libre de triglicéridos [⁶⁷]. En general, la implementación de reactores de membrana permite una separación continua los productos, mejorando la velocidad de reacción y permitiendo un incremento significativo en la temperatura para la síntesis de biodiésel. Estos hallazgos contribuyen significativamente al entendimiento de las dinámicas de producción de biodiésel en reactores de membrana y proporcionan una base valiosa para futuras investigaciones y optimizaciones de procesos. Por otra parte, tras realizar experimentos destinados a la evaluación de reactores de membrana en los procesos de síntesis de biodiésel, con el propósito de optimizar la velocidad de producción, la concentración de glicerina en el producto final y la velocidad de reacción de la mezcla, se implementó un sistema de producción de biodiésel que incorpora un reactor de contacto de membrana de fibra hueca, diseñado y construido por el equipo de investigación de Bello Yaya et al. [⁶⁸]. El estudio demostró que la disposición contracorriente del contacto de membrana de fibra hueca resulta eficaz al momento de extraer la glicerina de la fase final del biodiésel, eliminando así la necesidad de una etapa adicional de separación entre el biodiésel y el glicerol. Así mismo, esta investigación resalta las limitaciones de la producción convencional de biodiésel, el cual implica la posterior separación del glicerol y la reducción de la carga de contaminantes en la purificación o lavado del biodiésel. Además, se destaca que el método tradicional no favorece un contacto entre las fases y conlleva un consumo significativo de energía. Es por ello, que la integración de reactores de membrana ofrece una alternativa prometedora ante los desafíos asociados a los métodos tradicionales, tras mejorar la eficiencia del proceso de producción de biodiésel.

En los reactores de membrana existe una característica de gran interés, la cual radica en la combinación del proceso de reacción de transesterificación y separación de los esteres por medio de membranas, las cuales permiten el paso de glicerol y metanol. Así mismo, el uso de reactores de membrana que utilizan un nano catalizador MnO₂ Trachyspermum ammi, destaca una alta conversión de esteres en un 94% con una temperatura de 90 °C, una relación 8:1 y un tiempo de reacción de 2 horas, lo cual es descrito en los estudios realizados por Rozina et al. [⁶⁹]. Otro aspecto de interés dentro de la investigación es la implementación de nano catalizadores heterogéneos reutilizables de MnO2 para acelerar la reacción de transesterificación dentro de la producción de biodiésel, así como el uso de aceite de semilla no comestible de carom (Trachyspermum ammi). Como resultado, la tecnología de reactores de membrana puede presentarse como una técnica prometedora en la producción ésteres metílicos de manera más eficiente, debido a la adecuada transferencia de masa del sistema.

Reactores de microcanales

Los reactores de microcanales (MCR) representan un campo de innovación en la producción de biodiésel, tras caracterizarse por presentar una configuración de innumerables canales o tuberías estrechas con diámetros en el rango de los milímetros [⁷⁰]. Así mismo, estos reactores destacan por su capacidad de mejorar significativamente la transferencia de masa y calor durante la conversión del biodiésel, así como la aceleración de la velocidad de reacción en el proceso de transesterificación [⁷¹]. Es por ello, que los reactores de microcanales están siendo sometidos a pruebas a escala de laboratorio con una visión futura hacia su implementación en la producción industrializada de biocombustibles, debido a que proporcionarían una mayor eficiencia y control en la síntesis de biodiésel, lo cual permite optimizar las condiciones de reacción y garantizar una producción más rentable y sostenible. A través de la investigación desarrollada por Gholami et al. [⁷²], se destaca la implementación de reactores de microcanales como una alternativa que ha despertado la curiosidad de los investigadores en los últimos años para la síntesis de biodiésel. Estos reactores tienen la característica de aumentar significativamente la velocidad de reacción dentro del proceso de transesterificación, al optimizar la transferencia de masa y calor de la mezcla, tras aprovechar una relación intrínseca entre la superficie y el volumen del reactor, el cual se presenta en pequeñas cantidades. Es por ello, que la comunidad científica ha dedicado ciertos estudios al análisis y mejoramiento de la producción de biodiésel a través de los reactores de microcanales, lo cual resalta su importancia en la generación de biocombustibles. Así mismo, el uso de un catalizador liquido iónico de hidróxido de colina (ChOH) al 6,11% en peso mejoro considerablemente la eficiencia del proceso en un 4,9%. La materia prima empleada fue aceite no comestible de Norouzak (Salvia leriifolia), con el cual se obtuvieron rendimientos del 93,36%, a través de una relación molar de metanol y oleo de 9:1 y tiempos de reacción de 12,48 minutos. La investigación realizada por Mohd Laziz et al. [⁷³] plantea la producción de biodiésel en un reactor de microcanales continuo compacto a temperatura ambiente, con el objetivo de obtener una alta conversión de aceite de palma refinado con metanol como reactivo en una reacción de transesterificación. La reacción se llevó a cabo en un reactor microfluídico de canal o tubo capilar de 1 metro de longitud y 690 μm de diámetro interno, donde se produjo la transesterificación de forma casi inmediata en un corto período de 40 segundos de tiempo debido a la mejora del comportamiento de la mezcla en la fase con metanol tras utilizar un modelo de volumen en fluido. Por otra parte, la tasa de flujo volumétrico, la relación molar y la temperatura de reacción fueron controladas de tal forma que la concentración de catalizador KOH y el tiempo de residencia fueran variables para estudiar el efecto de estos parámetros en la conversión del aceite para la producción de biodiésel.

Reactores de microondas

En la búsqueda de tecnologías más eficientes para la producción de biodiésel, se ha explorado el uso de la tecnología de irradiación por microondas. La cual ha demostrado aumentar los parámetros del proceso de producción de biodiésel, lo que a su vez mejora la eficiencia de la reacción [⁷⁴]. Este método resulta ser eficiente energéticamente en comparación con otros métodos de calentamiento utilizados para la producción de biodiésel. Ante esto, los sistemas de calentamiento por microondas tienen la capacidad de acelerar las reacciones químicas a través de la transferencia de calor por radiación, a diferencia de los métodos convencionales de calentamiento que dependen de la conducción y convección térmica [⁷⁵]. Esto se debe a que la tecnología de microondas permite un calentamiento selectivo del material, tiempos de calentamiento reducidos y un proceso sin contacto físico con el reactor o la sustancia, por lo que se caracteriza como un sistema eficiente en el tratamiento térmico de la materia prima y los reactivos en la producción de biodiésel [⁷⁶]. Las características de un reactor de microondas de flujo continuo incluyen una rápida transferencia de calor, una alta eficiencia energética y una distribución homogénea de la temperatura en el interior del reactor que puede aumentar la eficiencia de la producción. Además, también se ha comprobado que esta tecnología puede ser más económica en comparación con otros procesos de producción de biodiésel [⁷⁷]. Así mismo, los métodos de calentamiento convencional pueden ser complementados al combinar el calor generado por la tecnología de radiación de microondas y así aumentar la velocidad de reacción y eficiencia en la producción de biodiésel. Con el fin de abordar los costos elevados asociados al proceso de calentamiento por microondas, cabe resalar las investigaciones pioneras en este campo de acción, en el cual hacen parte los investigadores Lertsathapornsuk y Pairintra en [⁷⁸], donde llevaron a cabo modificaciones en hornos microondas convencionales por medio de dos orificios en los costados para optimizar el flujo de los reactivos y reducir los tiempos de carga y descarga, así como para permitir una mayor eficiencia en el proceso de calentamiento, lo que contribuye a una mejora general en la eficiencia del sistema de calentamiento por microondas utilizado en la producción de biodiésel.

La investigación realizada por Khedri B y Mostafaei [⁷⁹], presenta un análisis detallado sobre los sistemas de producción continua de biodiésel, tomando un enfoque en las tecnologías de calentamiento hibrido (irradiación por microondas y campos magnéticos), así como la combinación de catalizadores y alcoholes con el objetivo de mejorar la eficiencia de la síntesis del biodiésel. Es por ello, que los parámetros de transferencia de calor y reacción de la mezcla son parámetros a considerar al momento de establecer la eficiencia del proceso de transesterificación. Así mismo, se investigaron diversos factores que influyen en la integración de tecnologías de calentamiento, abarcando la intensidad de campo magnético en niveles de 0, 0,225 y 0,450 T, la potencia del microondas en un rango de entre 400 y 1200 W, así como los porcentajes de catalizadores KOH y NaOH, ambos con una concentración constante del 1 % en peso. Además, en la investigación se examinó que la relación molar de 6:1 y los porcentajes de la mezcla de alcoholes como el etanol y metanol. Ante esto, el enfoque integrador de dos tecnologías destaca la innovación del campo científico en la búsqueda de soluciones que mejoran significativamente la eficiencia y sostenibilidad para la producción de biodiésel de forma continua.

Según las investigaciones realizadas por Silitonga A y Shamsuddin [⁸⁰], se adoptó un sistema de irradiación por microondas para la generación de biodiésel a partir de una mezcla de aceite de Ceiba Pentandra, empleando un algoritmo de optimización y pronóstico de las condiciones óptimas, con el objetivo de lograr un rendimiento significativo en la síntesis del biodiésel. Los resultados obtenidos indican que la radiación por microondas facilita un calentamiento eficaz al aumentar la velocidad de la reacción química debido a la transferencia de calor por parte de la radiación electromagnética del sistema de microondas hacia la mezcla de forma directa. Así mismo, el modelo planteado ofrece rendimientos del 95,42 %,con un tiempo de reacción de 6.45 minutos en el proceso de transesterificación. Así mismo, autores como Groisman y colaboradores [⁸¹], plantean el acoplamiento de las reacciones de transesterificación mediante un horno microondas doméstico (DMO) con una bomba de circulación para crear un sistema de microondas de flujo circulante continuo, lo cual permite que los reactivos y los productos circulen dentro y fuera del reactor del microondas hasta el final de la síntesis. Por otra parte, en el sistema DMO continuo se presenta diversas ventajas sobre hornos microondas discontinuos, en el cual se tiene la capacidad de trabajar con grandes cantidades de reactivos, para la posibilidad de retirar muestras del producto sin detener el proceso y la agitación persistente de los reactivos durante la reacción. En la Figura 3, se presenta un sistema para la producción de biodiésel en flujo continuo por radiación de microondas en etapas. Cabe resaltar el estudio presentado por Phromphithak et al. [⁸²], en el cual se destaca la generación de biodiésel mediante la transesterificación de aceite de palma en un sistema de flujo continuo, empleando la tecnología de radiación por microondas. En el cual la investigación se centra en la optimización de variables fundamentales a través del diseño experimental Box-Behnken, con el objetivo de mejorar significativamente el rendimiento del biocombustible obtenido. Los resultados indican que las condiciones más eficientes, considerando la relación molar, la potencia, la cantidad de catalizador y el flujo fueron, 13.2:1, 800 W, 6 %p, y 20 ml/min, respectivamente, logrando con ello un rendimiento del 90 %. Este enfoque destaca la importancia de ajustar a través de un análisis experimental los parámetros de operación adecuados para maximizar la eficiencia en la producción de biodiésel mediante la tecnología de microondas en un sistema de flujo continuo y resulta ser un antecedente fundamental hasta la fecha. Por otra parte, a través del diseño y construcción de un sistema de producción de biodiésel en un reactor continuo asistido por microondas se evaluaron los efectos de un catalizador activado a base de piedra caliza (LBC), con aceite de cocina usado en un horno microondas, esto con el objetivo de caracterizar el biodiésel producido y determinar los índices de conversión y rendimiento del proceso. El banco de pruebas fue realizado a partir de la investigación de Mohd Ali M y Yunus [⁸³]. En este estudio se logran plasmar las condiciones óptimas para la generación de biodiésel a través de un diseño factorial de dos niveles, con una metodología de superficie de respuesta para establecer dichos puntos óptimos en el proceso. Así mismo, los resultados de la investigación arrojaron rendimientos del 96,65 % en base del 5,47 % de catalizador en peso y una reducción de casi el 77 % del tiempo de reacción en comparación con los procesos convencionales.

Figura 3 Sistema Continuo de Flujo por Microondas. 

En la Figura 4, se presenta el diagrama de flujo del banco de pruebas para la producción de biodiésel en flujo continuo por radiación de microondas desarrollado por Phromphithak et al. [⁸²].

Figura 4 Sistema Continuo De Producción De Biodiésel utilizando la tecnología de radiación por microondas. Tomado de [⁸⁴]. 

Así mismo, existen diversos factores que podrían afectar su producción de biodiésel realizado por el microondas, cómo por ejemplo el tipo y la concentración del catalizador, la potencia de los microondas, su temperatura de reacción, tipo de alcohol-aceite, los ácidos grados libres y el contenido de agua del aceite, así como la velocidad de agitación [⁸⁵]. Debido a esto es necesario tener un conocimiento en profundidad sobre el impacto de estos factores en el proceso de producción de biodiésel. Esto daría como resultado valores óptimos de estos factores y por lo tanto mejoraría la eficacia de la reacción. Según la investigación realizada por Falowo et al. [⁸⁶], los catalizadores básicos homogéneos y las potencias de microondas más elevadas, la igual que las temperaturas y los altos contenidos de alcohol podrían mejorar la producción de biodiésel. En la Figura 5, se presenta la distribución referencial de la producción de biodiésel a partir de la tecnología de radiación por microondas. En este contexto, el proceso de calentamiento a través de la tecnología de irradiación por microondas tiende a presentar tiempos y velocidades de reacción óptimos, lo cual demuestra su aptitud para impulsar la reacción de transesterificación de manera más ágil y controlada, lo cual contribuye a la obtención de biocombustibles líquidos (biodiésel) de manera más eficiente. Así mismo, cabe resaltar que en los últimos años el proceso de transesterificación para la producción de biodiésel ha experimentado avances significativos, con un enfoque particular en la utilización de tecnologías innovadoras como el calentamiento por irradiación de microondas los métodos convencionales de calentamiento, con el objetivo de mejorar la eficiencia y sostenibilidad del proceso.

En este sentido, la Tabla 3 recopila informes que abarcan el período entre 2019 y 2023, destacando los avances, las metodologías y los resultados obtenidos en el proceso de transesterificación para la producción de biodiésel mediante el uso de calentamiento por irradiación de microondas. Esta tabla ofrece en cierta medida una visión general de investigaciones en este campo, proporcionando una referencia útil para aquellos interesados en explorar esta tecnología en el sector de los biocombustibles.

Figura 5 Distribución de tiempo de las referencias relevantes de la producción de biodiésel a partir de la tecnología de radiación por microondas. 

Cabe resaltar que en la Tabla 3 se presentan y analizan críticamente factores como la materia prima, el tipo de alcohol, la relación molar, la potencia, el catalizador, la temperatura y tiempo de reacción, así como el rendimiento en función de estos parámetros. Así mismo, la revisión general del estado del arte abarca ciertos estudios específicos que investigan la combinación de diversas tecnologías de calentamiento y mezclado para la producción de biodiésel, como lo es la investigación de Khedri B y Mostafaei [⁷⁹]. Tal es el caso de los sistemas de radiación por microondas y microcanales, reactores ultrasónicos con sistemas de cavitación hidrodinámica y reactores de flujo tubular/pistón con reactores PBR. Ante esto, la incorporación de más de una tecnología para la generación de biodiésel permite mejorar la eficiencia en la transferencia de calor y masa tras asegurar un calentamiento o mezclado rápido y uniforme de los reactivos. En otras palabras, la tecnología de irradiación por microondas, al ser aplicada en el proceso de producción de biodiésel, ha demostrado ser una solución termoquímica efectiva que aumenta la eficiencia de la reacción.

Perspectivas futuras de los sistemas continuos de producción de Biodiésel

A futuro, el desarrollo e innovación de reactores en flujo continuo basados en la incorporación de múltiples tecnologías de calentamiento, facilitara la aceleración de los procesos de reacción y activación interna de las sustancias (materia prima, catalizador y alcohol) de tal forma que mejoren la calidad del biodiésel producido [⁹⁴]. Por otra parte, la geometría de los reactores afecta directamente en la transferencia de calor y masa de los reactivos dentro del proceso de producción, por lo que la selección del reactor depende del tipo de sistema (batch/ continuo) y la tecnología solvotérmica de calentamiento [⁹⁵]. Así mismo, se debe considerar el uso de catalizadores más eficientes, tal como es el caso de los biocatalizadores para el proceso de transesterificación, con el objetivo de mejorar la conversión y calidad del biodiésel, al tiempo que reduzcan los costos de producción y residuo. Además, se debe incursionar en el uso de aceites de segunda (no comestibles, aceites usados) y tercera generación (microalgas) para la producción de biodiésel [⁹⁶]. Es por ello, que las microalgas, residuos agrícolas, aceites no comestibles y grasas animales recicladas se posicionan como fuentes alternativas de materia prima ante la actual demanda de aceites comestibles como la palma, soja y colza para la producción de biodiésel, lo cual permitirá diversificar las fuentes de suministro [⁹⁷]. Por otra parte, la optimización de los parámetros operativos es otra perspectiva crucial para la producción de biocombustibles como el biodiésel. Esto es posible gracias a la investigación y desarrollo de mejores prácticas y metodologías para maximizar la eficiencia del proceso de transesterificación y minimizar la formación de subproductos no deseados, como jabones, aguas residuales del lavado, geles, entre otros. Esto es posible mediante el empleo de técnicas avanzadas de simulación y procesos de validación por medio de experimentos a escala de laboratorio en la producción de biodiésel [⁹⁸], permitiendo una optimización más fiable y efectiva en el proceso. Además, se presenta la posibilidad de integrar los sistemas continuos de producción de biodiésel con fuentes de energía renovable o tecnologías verdes. Aunque actualmente la producción de biodiésel se realiza a través de energías no renovables, lo cual sigue siendo la práctica más extendida. Sin embargo, teniendo en cuenta una visión a futuro de los respectivos cambios asociados a la sostenibilidad y reducción en la huella ambiental, se considera la utilización de energía solar, eólica o biomasa para alimentar los procesos de calentamiento y agitación, así como el aprovechamiento del calor residual mediante técnicas de cogeneración, los cuales ofrecen una alternativa prometedora [⁹⁹]. No obstante, otro factor a considerar son las tecnologías emergentes en la producción de biodiésel, las cuales se centran en mejorar continuamente la eficiencia del proceso de transesterificación, tras optimizar los catalizadores y condiciones de reacción para aumentar rendimientos y reducir costos [¹⁰⁰]. Además, se espera un mayor énfasis en tecnologías emergentes, como la producción de biodiésel a partir de algas y la exploración de procesos más sostenibles y económicamente viables, para impulsar la implementación de estos sistemas a gran escala [¹⁰¹]. Es por ello, que el desarrollo de métodos más eficientes, respetuosos con el medio ambiente y económicamente rentables seguirá siendo un objetivo clave en investigaciones futuras sobre el biodiésel.