ES2289943A1

ES2289943A1 - Procedimiento de produccion de biodiesel mediante el uso de lipasa pancreatica de cerdo como biocatalizador enzimatico.

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Publication number: ES2289943A1
Application number: ES200601948A
Authority: ES
Inventors: Diego Luna Martinez; Felipa Maria Bautista Rubio; Veronica Caballero Martin; Juan Manuel Campelo Perez; Jose Maria Marinas Rubio; Antonio Angel Romer Reyes
Original assignee: Universidad de Cordoba
Current assignee: Universidad de Cordoba
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-02-01
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: EP2050823A4; EP2050823A1; EP2050823B1; ES2289943B1; WO2008009772A1

Abstract

Procedimiento de producción de biodiesel mediante el uso de lipasa pancreática de cerdo como biocatalizador enzimático. La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de biodiesel que comprende realizar una reacción de transesterificación de un producto de partida seleccionado entre uno o más aceites, una o más grasas, y mezclas de ellos, en presencia de lipasa pancreática de cerdo como biocatalizador enzimático, a un pH de al menos 8; preferentemente, al menos 10, y al uso de dicho procedimiento para obtener biodiesel, así como glicerina.

Description

Procedimiento de producción de biodiesel mediante el uso de lipasa pancreática de cerdo como biocatalizador enzimático.

Campo técnico de la invención

La presente invención pertenece al campo de producción de combustibles a partir de materiales orgánicos, concretamente, a partir de aceites o grasas.

Estado de la técnica anterior a la invención

El incesante aumento del precio del petróleo ha hecho que desde hace más de 20 años el Biodiesel (mezcla de ésteres metílicos o etílicos obtenidos por transesterificación de aceites o grasas) se venga utilizando de forma creciente en muy diversos países, incluyendo España de forma más reciente, donde se emplea mezclado con diesel convencional de origen fósil (30-36%). De hecho el mercado mundial de este combustible está experimentando un continuado crecimiento debido fundamentalmente a las fuertes subvenciones que recibe, en base a su inocuidad medioambiental, ya que no computa (Tratado de Kioto) a efectos del CO_{2}, reduciendo además de forma importante el nivel de partículas que generan los combustibles de origen fósil, cuando se encuentran mezclados con ellos.

La reacción de transesterificación de aceites y grasas, aplicada a la obtención de biodiesel, puede efectuarse en medio ácido o básico, así como por la acción de enzimas específicas como las lipasas. En este sentido, operar en medio básico implica importantes ventajas respecto a la aplicación de catálisis ácida, ya que la cinética de la reacción es más favorable en medio básico (x 4000) lo que permite operar con menores cantidades de alcohol y a presión atmosférica. Además, en medio homogéneo los álcalis son menos corrosivos que las disoluciones ácidas. Este último aspecto no es de considerar si se emplean catalizadores heterogéneos, pero se observa por los resultados publicados por muy diversos autores, que al final suelen necesitarse condiciones comparativamente mucho más enérgicas (presiones superiores a 5 atm y temperaturas elevas, 100ºC) cuando se emplean sólidos ácidos como catalizadores.

En la actualidad, casi todos los procesos industriales emplean como catalizador en fase homogénea diferentes metales alcalinos, fundamentalmente NaOH o KOH, ya que es el que proporciona mejores rendimientos, y en condiciones relativamente menos enérgicas (70ºC y alcohol/aceite 2-4/1). No obstante, presenta determinados puntos débiles asociados a su carácter homogéneo, lo que no sólo supone la pérdida del catalizador (se usa una sola vez), sino la necesidad de la eliminación de los restos alcalinos del biodiesel, antes de su uso como combustible. Esto implica varios pasos adicionales de lavado lo que supone el empleo de una gran cantidad de agua, que posteriormente hay que tratar, con el fin de eliminar los residuos alcalinos contenidos en la misma, tras el proceso de lavado. Ello inevitablemente incrementa el costo final de la producción. Además, la calidad de la glicerina obtenida, como subproducto de la reacción principal de obtención de la mezcla de ésteres metílicos (o etílicos) que constituyen el biodiesel, queda muy mermada al estar seriamente contaminada de los restos alcalinos de muy difícil eliminación.

Es por ello que se están desarrollando procedimientos heterogéneos basados en metales alcalinotérreos en forma de óxidos y/o carbonatos: CaO, SrO, BaO, MgO, CaCO_{3}, y en muy diversas mezclas entre ellos o incluso participando en estas mezclas metales alcalinos K_{2}O, Na_{2}CO_{3}, K_{2}CO_{3}, KHCO_{3} etc. En general se consigue operar en fase heterogénea, consiguiendo una mejor calidad del biodiesel y glicerina, simplificando al mismo tiempo el proceso al eliminar las operaciones de lavado. Como contrapartida se obtiene siempre una importante caída en la actividad catalítica, lo que obliga a operar en condiciones de mayor temperatura y presión. Por el momento los resultados más prometedores se han descrito con CaCO_{3}, ya que se trata de un material de bajo precio que, permite su reutilización durante varias semanas [J.G. Suppes, K. Buchwinkel, S. Lucas, J.B. Botts, M.H. Máson, J.A. Heppert, J. Am. Oil Chem. Soc, 78 (2001) 139]. No obstante es necesario operar a presiones y temperaturas elevadas (240-269ºC) con una elevada proporción de alcohol, 19/1 alcohol/aceite, lo que por el momento desaconseja su aplicación a escala industrial.

Por otra parte, las lipasas de diversos microorganismos han sido ampliamente investigadas en este proceso ya que constituyen las enzimas específicas que ejecutan en los seres vivos las reacciones de hidrólisis o síntesis de los enlaces éster de los triglicéridos. Por tanto la comparación de las lipasas con cualquiera de los métodos descritos sólo comporta ventajas: ya que las condiciones de operación son mucho más suaves, operando a temperaturas del orden de 30-50ºC, pH 6-9 y presión atmosférica. Además no es necesaria la eliminación de ningún tipo de impurezas (ácidas o alcalinas) por lo que la separación de fases se simplifica, obteniéndose biodiesel y glicerina de gran pureza, adecuada para usos farmacéuticos, y reduciendo por tanto el impacto medioambiental del proceso. [W.H. Wu, T.A. Foglia, W.N. Marmer, J.G. Phillips, J. Am. Oil. Chem. Soc., 76 (1999) 517]. Además, su aplicación es especialmente adecuada con aceites con una elevada proporción de ácidos grasos libres, como ocurre con el aceite de palma o en los aceites usados (con los que pueden emplearse sin pretratamiento), o con alcoholes de cadena superior y/o más ramificada que el metanol, como el etanol, isopropanol, etc., que presentan mayor dificultad que el metanol para su transesterificación por catálisis convencional (ácida o básica).

El principal y decisivo inconveniente que presentan las enzimas en general, y por tanto las lipasas, para su aplicación a escala comercial es su muy elevado precio. De aquí que, el consenso actual respecto a la aplicabilidad industrial de las enzimas implique necesariamente su fijación o inmovilización en cualquier tipo de soporte, compatible con el proceso al que se desee aplicar, es decir su "heterogeneización", de forma que su elevado precio se compense con la reutilización de las mismas. Tras la inmovilización se han descrito incrementos en la actividad y estabilidad de las enzimas respecto a su comportamiento en forma homogénea, [M. Iso, B. Chen, M. Eguchi, T. Kudo, S. Sherestha, J. Mil. Catal., 16 (2001) 53].

En este sentido, los resultados descritos son muy variables, jugando un papel primordial la compatibilidad del medio de reacción con el procedimiento de inmovilización, o fijación, y el tipo de soporte. Así, hay descritos, e incluso comercializados, diversos preparados enzimáticos que emplean como soportes resinas de intercambio aniónico o incluso diversos polímeros orgánicos, tipo polietileno o poliestireno, que dan muy buenos resultados cuando operan en medios acuosos, no sólo porque éste sea el sustrato natural de las enzimas, sino principalmente porque al operar con disolventes orgánicos, como sucede en el caso particular del biodiesel, se producen efectos de interacción (o ataque) del mismo, con fenómenos de "sweling" (deformación) y/o "leaching" (pérdida) de las enzimas. Es por esto que hay descritos diversos intentos de aplicar soportes inorgánicos, normalmente sílice donde la inmovilización suele efectuarse por confinamiento sol-gel, ya que la generación de un enlace covalente entre el soporte inorgánico y algún grupo funcional de la proteína enzimática es más complicado que lograr esto con un soporte orgánico (poliestireno, por ejemplo) funcionalizado.

Sin embargo, la solicitud española P-9601847 divulga un procedimiento de inmovilización covalente de enzimas a soportes inorgánicos, que ha sido aplicado con éxito a la inmovilización de la triacilglicerol Lipasa (EC 3.1.1.3) o lipasa pancreática del cerdo (PPL) [F.M. Bautista, M.C. Bravo, J.M. Campelo, A. García, D. Luna, J.M. Marinas, A.A. Romero, J. Chem. Technol. Biotechnol, 72 (1998) 249].

De acuerdo con los citados resultados es factible la inmovilización covalente de varias enzimas, incluyendo una Lipasa a un soporte inorgánico, obteniéndose en todos los casos buenos resultados de actividad catalítica y, especialmente la reutilización de las enzimas inmovilizadas. De hecho, resultados recientemente publicados [A. Macario, G. Giordano, V. Calabro, A. Parise, D. Luna, V. Caballero, J.M. Campelo, J.M. Marinas, International Symposium on Environmental Biocatalysis, p. 8, Córdoba, 23-26 de abril de 2006], indican excelentes perspectivas en la obtención de biodiesel, a partir de aceite de oliva, empleando una Lipasa comercial, Rhizomucor Miehei (RML), anclada covalentemente en Sepiolita, aplicando el referido método de inmovilización.

Sin embargo, hasta el momento el precio de la enzima ha hecho inviable los intentos de aplicar a escala industrial el procedimiento enzimático (tanto con enzimas libres como fijadas por diversos métodos). En la tabla 1, se recogen algunas publicaciones representativas de los diferentes tipos de lipasas hasta ahora investigadas en la producción de biodiesel, (bien en forma libre o fijada) y el precio estimado (según el catálogo de Sigma de 2006) de 10^{6} unidades de actividad enzimática (U), donde 1 U representa la cantidad de lipasa necesaria para hidrolizar 1 microequivalente de aceite de oliva en 1 hora, a 37ºC y valores de pH en el intervalo 7-8, dependiendo del tipo de enzima.

En general, se emplean aceites de origen vegetal y animal (soja, girasol, palma, coco, de semillas, de sebo, de pescado, etc) incluyendo aceites ya usados, y diversos alcoholes de cadena corta: metanol, etanol, 1 y 2 propanol, 1 y 2-butanol y otros como el 2-etil-l-hexanol. En la mayoría de los casos se obtienen conversiones > 90%, operando a temperaturas en el intervalo 35-50ºC, tiempos de reacción de 12 a 70 horas y relaciones alcohol/aceite 3/1 o superiores. Sin embargo, en ningún caso se ha descrito con anterioridad la aplicación de la "lipasa pancreática del cerdo" (PPL o pig pancreatic lipase) a algún proceso de transesterificación, relacionado con la producción de biodiesel.

La lipasa pancreática del cerdo (PPL), "triacilglicerol Lipasa (EC 3.1.1.3)" es una biomolécula conocida y aplicada desde hace años ["Lipases" eds. H.L Bergstron y H. Brockman, Elsevier, Amsterdam, 1984] en la resolución quiral mediante hidrólisis, no sólo de compuestos directamente relacionados con su sustrato natural, como son los ésteres glicéricos de ácidos grasos de cadena larga, sino también de mezclas racémicas de compuestos quirales, por su capacidad de efectuar las hidrólisis enantioselectivas de todo tipo de ésteres racémicos, pudiéndose encontrar la quiralidad tanto en el alcohol como en el ácido. La solicitud, de patente P9601847 describe su inmovilización en soportes
inorgánicos.

La PPL se usa cada día más para la resolución enzimática de mezclas racémicas muy diversas, bien por hidrólisis o en menor medida por transesterificación, si bien por el momento no se ha aplicado a la producción de biodiesel. El empleo de esta enzima se debe a su fácil accesibilidad (en el mercado internacional está comercializada por varias firmás proveedoras), elevada estabilidad, además de no requerir la utilización de co-factores, pero sobre todo su muy bajo precio, sí se le compara con el resto de las lipasas (Tabla 1), ya que pueden adquirirse 10^{6} U por solo 0.5

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, según el catálogo de Sigma. TABLA 1 Diferentes tipos de lipasas empleadas en la producción de biodiesel y costo estimado de las mismas

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^{1} Catálogo Fluka.

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La presente invención tiene como objeto resolver los inconvenientes del estado que la obtención de biodiesel plantea actualmente y mejorar el rendimiento de la misma en todos los aspectos.

Descripción detallada de la invención

La presente invención, se refiere a un procedimiento para la producción de biodiesel caracterizado porque comprende realizar una reacción de transesterificación de un producto de partida seleccionado entre uno o más aceites, una o más grasas, y mezclas de ellos, en presencia de lipasa pancreática de cerdo como biocatalizador, a un pH de al menos 8, preferentemente al menos 10.

La lipasa pancreática de cerdo puede estar libre o fijada a un soporte orgánico o inorgánico, por ejemplo puede estar adsorbida sobre un soporte orgánico o inorgánico.

Preferentemente la PPL se usa inmovilizada mediante fijación química del enzima a un sólido inorgánico, que actúa como soporte, permitiendo su fácil recuperación al final del proceso y su posterior reutilización. La lipasa pancreática de cerdo puede estar presente en forma libre o fijada en una proporción de 1/1000 respecto al peso del aceite o grasa empleado, lo que permite convertir 1 mol de aceite en 24 horas, por gramo de PPL.

Se puede utilizar lipasa pancreática de cerdo de cualquier tipo, por ejemplo lipasa seleccionada entre PPL industrial comercial purificada, un preparado enzimático comercial que la contenga, como por ejemplo, la Pancreatina, de Sigma, y un preparado de PPL directamente extraído de páncreas de cerdo.

En el procedimiento de la invención dicho producto de partida - aceite o grasa - puede estar seleccionado entre uno o más aceites vegetales, una o más grasas vegetales, uno o más aceites animales, una o más grasas animales y mezclas de ellos.

Además dicha grasa o aceite puede estar seleccionado entre un aceite o grasa puro y un aceite o grasa usado. Según una realización particular, dicho producto de partida está seleccionado entre uno o más ésteres de glicerina. Este término se refiere en adelante a mono-, di- o triésteres, es decir, a uno o más monoglicéridos, diglicéridos, triglicéridos o mezclas de ellos.

La reacción de transesterificación de dicho aceite o dicha grasa puede realizarse con uno o más alcoholes de cadena corta, es decir de fórmula C_{n}H_{2n+2}O, en la que n \leq6.

Los alcoholes de fórmula C_{n}H_{2n+2}O pueden ser por ejemplo metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-metil-2-propanol y 1-pentanol y mezclas de ellos.

Dicha reacción de transesterificación se realiza preferentemente a presión atmosférica, a una temperatura comprendida entre 20-70ºC, preferentemente entre 20.50ºC, y a un pH comprendido entre 8 y 13, más preferentemente entre 10 y 13. Este pH se obtiene preferentemente mediante la adición de una base seleccionada entre NaOH, KOH, NH_{4}OH, Na_{2}CO_{3}, NaHCO_{3}, K_{2}CO_{3}, KHCO_{3} y mezcla de las mismas. La base está en forma de una disolución acuosa concentrada, que actúa como coadyuvante.

La reacción de transesterificación se puede llevar a cabo en un reactor seleccionado entre un reactor de tanque agitado y un reactor de flujo.

Según una realización particular del procedimiento la reacción de transesterificación se lleva a cabo mezclando cantidades equimoleculares de aceite o grasa y alcohol, obteniéndose de esta forma preferentemente biodiesel. Preferentemente cuando se usan diglicéridos o triglicéridos como productos de partida y se usan cantidades equimoleculares de éstos en relación con el alcohol se obtiene sólo biodiesel.

Según una realización particular adicional del procedimiento se utilizan como productos de partida uno o más triglicéridos y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una proporción molar de triglicéridos/alcohol de 1/2.

Otro modo de controlar la reacción para obtener preferentemente, o exclusivamente, biodiesel es controlar las condiciones como la temperatura y el tiempo de reacción, para que la transesterificación no llegue a su término. Mezclando cantidades equimoleculares de aceite o grasa y alcohol, por ejemplo de diglicéridos y/o triglicéridos, con un control de temperatura y tiempo determinado, se obtiene biodiesel en un solo paso. Se trata en este caso de una reacción consecutiva, con la que se consigue - en el caso de usar como producto de partida ésteres de glicerina - una mezcla de un mol de monoglicérido por dos de ésteres del alcohol empleado, por tanto sin glicerina, lo que permite emplear ya esta mezcla (biodiesel) directamente en un motor adecuado (diesel).

Así, según una realización particular adicional del procedimiento la reacción de transesterificación se realiza durante un tiempo de reacción controlado para que la transesterificación no llegue a su término.

Según una realización particular adicional del procedimiento la reacción de transesterificación se realiza con una mezcla de cantidades equimoleculares de aceite o grasa y alcohol, manteniendo la reacción durante un tiempo comprendido entre 8 y 72 horas, preferentemente entre 8 y 48 horas a una temperatura comprendida entre 20 y 70ºC, preferentemente entre 20ºC y 50ºC.

Según una realización particular adicional se utilizan como productos de partida uno o más ésteres de glicerina, y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una proporción equimolecular de ésteres de glicerina y alcohol, obteniéndose biodiesel.

Según una realización particular adicional se utilizan como productos de partida uno o más ésteres de glicerina y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una proporción volumétrica más ésteres de glicerina/alcohol mayor o igual a 1. De manera preferente la proporción volumétrica más ésteres de glicerina/alcohol es mayor o igual a 10.

Una realización particular adicional se refiere a un procedimiento en el que se utiliza como productos de partida triglicéridos y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con cantidades equimoleculares de triglicérido y alcohol, durante un tiempo comprendido entre 8 y 30 horas a una temperatura comprendida entre 20 y 70ºC, preferentemente entre 20 y 50ºC.

Una realización especialmente preferida para obtener biodiesel es una en la que se lleva a cabo una reacción de transesterificación de un aceite seleccionado entre aceite de girasol puro y aceite de girasol usado, con un alcohol seleccionado entre metanol, etanol 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-metil-2-propanol, y 1-pentanol, en la proporción molar 1/3 y utilizando PPL libre o inmovilizada. Más preferentemente se realiza una reacción de transesterificación de aceite de girasol con etanol, con una proporción volumétrica de aceite/etanol de al menos 8/1, a una temperatura de entre 35ºC y 50ºC, preferentemente a 45ºC, a pH entre 9 y 13, más preferentemente
a pH = 12.

Una realización adicional especialmente preferida para obtener biodiesel es una en la que se lleva a cabo una reacción de transesterificación de aceite de girasol con alcohol etílico utilizando PPL en forma libre, en un reactor de tanque agitado, en forma discontinua, a 45ºC y pH = 12.

Por otro lado, según una realización adicional cuando el procedimiento de la presente invención se lleva a cabo de modo que comprende un control de las condiciones de la transesterificación y con una proporción volumétrica alcohol/ésteres de glicerina tal que haya un exceso de alcohol (por ejemplo mayor o igual a 1/10), se obtiene además glicerina como producto de reacción, junto con la mezcla de los ésteres de los alcoholes que constituyen el biodiesel. La glicerina obtenida disuelta en la fase alcohólica se puede separar del biodiesel por decantación. La glicerina obtenida disuelta en la fase alcohólica se puede separar del alcohol por destilación de dicho alcohol. En el caso de que interese obtener glicerina de pureza optima (aplicable en farmacia y de elevado precio), según esta realización del procedimiento se puede conseguir partiendo, por ejemplo, de una mezcla volumétrica aceite/alcohol 2/1, operando en determinadas condiciones de temperatura durante un tiempo superior al requerido para la obtener exclusivamente biodiesel, con objeto de llevar la reacción a su término. Se obtiene así una mezcla de tres moles de ésteres del alcohol empleado por mol de glicerina, que al operar en exceso de alcohol, se disolverá en la fase alcohólica, la cual se separará por decantación de la mezcla de ésteres de los alcoholes empleados (metílicos, etílicos, etc.).

Por tanto cuando se utilizan como productos de partida uno o más ésteres de glicerina y la transesterificación se realiza con cantidades alcohol superiores a las estequiométricas, de respecto a los ésteres de glicerina, y durante un tiempo de reacción suficiente para que la transesterificación llegue a su término se obtiene glicerina como producto de reacción.

Cuando se utilizan como productos de partida uno o más ésteres de glicerina y la transesterificación se realiza con una proporción volumétrica alcohol/ésteres de glicerina con exceso de alcohol, por ejemplo, de 10/1 o mayor, durante un tiempo de reacción suficiente para que la transesterificación llegue a su término se obtiene glicerina como producto de reacción.

Además, la presente invención se refiere al uso del procedimiento definido anteriormente para la obtención de biodiesel, así como al uso del procedimiento definido con las características adecuadas para la obtención de glicerina.

En el caso de que interese la obtención de glicerina de alta pureza, el método puede aplicarse con claras ventajas, ya que bastaría incorporar una cantidad mayor que la estequiométrica de alcohol, que servirá para obtener dos fases, en la más densa de las cuales se encuentra la glicerina, junto con el alcohol. La glicerina se obtendrá muy fácilmente por simple destilación del alcohol. La ausencia de sales alcalinas en el proceso enzimático determina la pureza de la glicerina obtenida, sin necesidad de posteriores pasos de purificación.

Por otra parte, según el procedimiento de la invención mediante el control del tiempo y condiciones de operación (pH, temperatura, etc) puede obtenerse, como producto de reacción, la mezcla de los ésteres y los correspondientes monoglicéridos sin prácticamente generar glicerina, lo que evita la necesidad de su eliminación mediante lavados, simplificándose así la obtención del biodiesel, reduciendo a la vez el impacto medioambiental del proceso.

El presente procedimiento de obtención del biodiesel tiene muchas ventajas, dado que, en general, las reacciones enzimáticas, como se ha indicado, son experimentalmente mucho más asequibles que las catalíticas. Así, éstas se efectúan bajo condiciones de reacción más suaves: presión atmosférica, temperatura (30-50ºC) y pH en el intervalo 8-13, preferentemente 9-13 lo que supone una simplicidad instrumental y una facilidad de manejo muy elevados, que al final redundaran en un abaratamiento de los costes de producción.

En contra de lo que sucede en los procesos catalizados que operan con excesos de alcohol, normalmente (1:3), en las transesterificaciones que emplean lipasas puede operarse con relaciones molares aceite alcohol (1:1) sin afectar el rendimiento del proceso, lo que asegura la obtención del biodiesel en un solo paso, partiendo de la mezcla equimolecular del aceite y el alcohol. Además, aparte de poderse aplicar cualquier tipo de aceite o grasa (puro o usado) puede emplearse cualquier alcohol de cadena corta (metanol, etanol, propanol, etc.,) a diferencia del proceso catalítico que funciona adecuadamente sólo con el metanol. Por último, la suavidad del proceso con que se conducen las transesterificaciones efectuadas con lipasas permiten controlar el momento en que hay que detener la reacción, a fin de obtener la mezcla más adecuada de los ésteres de los ácidos grasos y sus correspondientes monoglicéridos, ya que este biodiesel, prácticamente no contendrá glicerina.

El procedimiento descrito para la producción de biodiesel podrá prácticamente aplicarse en cualquiera de las (aun escasas) instalaciones actualmente existentes, o bien empleando reactores enzimáticos comerciales disponibles en el mercado para otros fines.

Así, dadas las virtualidades de la catálisis enzimática (tanto en forma libre como inmovilizada) supondrían una notable simplificación en la producción de biodiesel, tanto desde el punto de vista económico como medioambiental, pues este tipo de catalizadores permitiría su aplicación tanto en procesos en continuo, a gran escala, como en procesos discontinuos a menor escala, pues a todos beneficia la minimización del proceso de lavado post-síntesis del biodiesel, proceso que hoy constituye el factor más antieconómico del proceso. Sin este handicap, sería posible pensar que algunas cooperativas agrícolas se atreverían a producir su propio biodiesel, pues en general cuentan con las materias primas, y la tecnología del reactor exigido, una planta de decoloración (o de interesterificación) comercial serían suficientes, una vez salvado el problema de la generación de residuos, y principalmente el elevado costo de las lipasas hasta ahora investigadas.

Así mismo, el procedimiento que se presenta contempla su posible aplicación no sólo con cualquier PPL industrial comercial, bien purificada o presente en preparados enzimáticos comerciales de bajo precio, que contengan lipasas, como por ejemplo, la Pancreatina, de Sigma, sino incluso con aquellos preparados de PPL directamente extraídos del páncreas del cerdo, incluyendo también las variaciones que afectan los parámetros que determinan las condiciones de operación: temperatura, pH, tipo de alcohol (metanol, etanol, isopropanol etc,) y aceite (girasol, soja, etc, y aceite usado) y sus relaciones molares.

El procedimiento de la presente invención permite la obtención del producto conocido como biodiesel de forma muy simple, a la vez que económicamente rentable, por la reacción de cualquier aceite o grasa (puro o usado) con cualquier alcohol de cadena corta (metanol, etanol, propanol, etc) en la proporción volumétrica deseada, preferiblemente aceite/alcohol > 1/1, (y preferentemente 10/1, que corresponde aproximadamente a la relación molar 1/3), a presión atmosférica, a temperatura entre 20-70ºC, preferentemente 20-50ºC, a un pH en el intervalo 8-13, preferentemente 10-13 (obtenido mediante la adición de cualquier base: NaOH, KOH, NH_{4}OH, Na_{2}CO_{3}, NaHCO_{3}, K_{2}CO_{3}, KHCO_{3} etc, o mezclas de las mismas) y una cantidad de PPL, libre o inmovilizada, del orden de 1/1000, respecto al peso del aceite empleado.

El proceso de la presente invención presenta unas características generales similares a las de los procesos citados en la Tabla 1, con una diferencia importante que es el uso de la lipasa procedente del páncreas del cerdo; y presenta ventajas esenciales como: elevada estabilidad, fácil accesibilidad en el mercado internacional, no requerir la utilización de co-factores, y sobre todo, su bajo costo (compárense los 0.5

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, por 10^{6} U, con los valores consignados en la Tabla 1 para las restantes lipasas de origen microbiano), que puede suponer ventajas económicas decisivas para su aplicación en la producción de biodiesel.

Los siguientes ejemplos ilustran la realización práctica de la presente invención.

Modos de realización de la invención Ejemplo 1 Aplicación del método empleando la PPL en forma libre, con diferentes relaciones molares de aceite/etanol

Se recogen en la Tabla 2 los resultados obtenidos con la PPL en forma libre, al operar en un reactor de tanque agitado, en forma discontinua, con aceite de girasol y alcohol etílico del 96%, a 45ºC, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción, indicando las cantidades relativas de ésteres etílicos (fatty acid esters, FAEs), monoglicérido (MG), diglicéridos (DG) y triglicéridos (TG). Se distinguen los parámetros de conversión (Cony.) y rendimiento (Rend.) en función de la consideración con que se estime la presencia de los DG en la mezcla final del biodiesel. Es decir, el parámetro rendimiento contempla la proporción de ésteres y monoglicéridos, como constituyentes deseables del biodiesel.

Para efectuar esta cuantificación se ha empleado un cromatógrafo de gases HP 5890 serie II, con una columna capilar HT5, 0.1 UM (25m x 0.32 mmm)SGE, aplicando un programa de temperaturas en rampa, que se inicia a 90ºC, hasta 200ºC a 5ºC/minuto, donde se mantiene durante 10 minutos y se inicia de nuevo el calentamiento hasta 350ºC (a 10ºC/ minuto, manteniéndose finalmente dicha temperatura durante otros diez minutos. Las temperaturas del inyector y detector son 380ºC y 400ºC, respectivamente.

Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que el rendimiento y la conversión aumentan al disminuir la cantidad de alcohol presente en el medio de reacción (contrariamente a lo que sucede en un proceso catalizado en medio básico (con NaOH o KOH).

Nótese además que los resultados óptimos para que no se obtenga glicerina, se consiguen para las relaciones equimoleculares aceite/alcohol, que corresponden (dependiendo del aceite concreto y del alcohol) a las relaciones volumétricas de aceite/alcohol mayor de 1/1 y preferentemente mayor de 15/1. De acuerdo con estos resultados, se puede concluir que el proceso óptimo permite la obtención del biodiesel en un solo paso, tras la conversión total de los reactivos de partida, aceite y alcohol, no siendo necesaria la eliminación del alcohol en exceso, como habitualmente sucede en los proceso catalizados en medio básico.

TABLA 2

Composición del biodiesel obtenido en la transesterificación de 0.1 mol (120 mL) de aceite de girasol con 0.1 g de PPL y diferentes proporciones de aceite/etanol del 96%, a 45ºC, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción.

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Ejemplo 2 Aplicación del método empleando la PPL en forma libre con aceite puro o usado y diferentes alcoholes

En la Tabla 3 se recogen resultados correspondientes al comportamiento de la PPL, con aceite de girasol puro, o aceite usado, y con diferentes alcoholes de cadena corta: metanol (MeOH), etanol del 96% (EtOH), 1-propanol (1-PrOH), 2-propanol (2-PrOH), 1-butanol (1-BuOH), 2-butanol (2-BuOH), 2-metil-2-propanol (t-BuOH) y 1-pentanol (1-PeOH).

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(Tabla pasa a página siguiente)

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TABLA 3

Composición del biodiesel obtenido en la transesterificación de 0.1 mol (120 mL) de aceite (girasol o usado) con 0.1 g de PPL, diferentes alcoholes, en la proporción volumétrica aceite/alcohol 8/1 [relación molar 1/3], a 45ºC, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción.

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A diferencia de la catálisis básica, cualquier alcohol es útil para efectuar la transesterificación. También se puede observar como la aplicación de aceites reciclados comporta un ligero descenso en la conversión, como viene siendo comprobado al emplear otras lipasas.

Ejemplo 3 Aplicación del método empleando como biocatalizador un preparado comercial de Sigma denominado Pancreatina, que contiene la PPL, junto a otras enzimas

Los resultados obtenidos al efectuar la reacción de transesterificación de aceite de girasol con etanol, empleando diferentes cantidades de Pancreatina, un preparado comercial de Sigma, que contiene la PPL junto a otras enzimas extracelulares, se recogen en la Tabla 4, donde se indican las condiciones experimentales de la reacción.

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TABLA 4

Composición del biodiesel obtenido en la transesterificación de 0.1 mol (120 mL) de aceite de girasol con diferentes cantidades de Pancreatina, operando con una proporción volumétrica de aceite/alcohol (8/1), a 45ºC, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción.

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A pesar de necesitar mayor peso de preparado enzimático que la PPL purificada, es posible su aplicación práctica a la obtención de biodiesel, por lo que la PPL purificada se puede usar tanto en forma libre como inmovilizada por cualquier procedimiento o soporte.

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Ejemplo 4 Aplicación del método empleando la PPL inmovilizada en un soporte inorgánico

En las Tablas 5 y 6 se recogen los resultados obtenidos al aplicar la PPL en forma inmovilizada, sobre un sólido inorgánico, una sepiolita comercial, aplicando para ello un método descrito en P9601847.

Para efectuar la inmovilización, basta poner en contacto la cantidad del sólido inorgánico previamente activado, según describe la patente citada, (0.5 g) con la cantidad de PPL elegida (0.04 g) en el matraz de reacción (50 mL) con 6 mL de etanol, agitar manualmente y guardar en frigorífico durante 24 horas, a fin de que se lleve a cabo la interacción covalente de los restos de lisina de la PPL con los grupos activos (carbonilos aldehidicos).

A continuación, con ayuda de otros 6 mL de etanol, se extrae la PPL no inmovilizada (Tabla 5, Nº 0^{b}). La actividad catalítica de esta disolución proporciona el valor de la cantidad de PPL que no ha sido covalentemente inmovilizada, y la comparación de este valor con la actividad de la PPL inmovilizada (Tabla 5, Nº 4) y libre (Tabla 5, Nº 0^{a}) permite determinar la cantidad de enzima inmovilizada, y la eficiencia de la misma. En la Tabla 6 se continúa la reutilización del mismo biocatalizador inmovilizado, realizando una nueva serie de reacciones en las que se emplea metanol.

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TABLA 5

Composición del biodiesel obtenido en la transesterificación de 0.01 mol (12 mL) de aceite de girasol y 6 mL de etanol absoluto (EtOH) con PPL libre (0.01 g) e inmovilizada (0.5 g sólido, 0.04 g de lipasa) diferentes tiempos de reacción, diferentes valores de pH y temperatura.

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TABLA 6

Composición del biodiesel obtenido en la transesterificación de 0.01 mol (12 mL) de aceite de girasol y 6 mL de metanol (MeOH), empleando el mismo biocatalizador ya usado en la Tabla 5, PPL inmovilizada (0.5 g sólido, 0.04 g de lipasa), a diferentes tiempos de reacción, diferentes valores de pH y temperatura.

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Tras estas dos series de experimentos, realizadas a lo largo de dos meses de usos sucesivos, a diferentes temperaturas, pH, alcoholes, etc., el sistema mantiene su actividad catalítica inicial. De hecho, se realizaron otras reacciones que completan y/o repiten las ya indicadas el las Tablas 5 y 6, investigando la influencia de las diferentes proporciones volumétricas aceite/etanol y empleando otros alcoholes, pudiéndose comprobar que el catalizador enzimático empleado mantiene su actividad inicial tras más de 40 experiencias sucesivas y cuatro meses de uso continuado.

Los resultados recogidos en la Tabla 5 ponen de manifiesto que el 75% de la PPL ha quedado fijada covalentemente al soporte, al mismo tiempo la eficiencia de esta enzima queda notablemente reducida (1/3). Sin embargo, la enzima inmovilizada experimenta una mínima influencia del medio de reacción en comparación con la libre (Tablas 2 y 3) y, sobre todo, manifiesta una gran resistencia tanto a la desactivación como al "leaching" (o pérdida de la enzima). Téngase en cuenta que todas las experiencias descritas en las Tablas 5 y 6 se han llevado a cabo con el mismo catalizador de forma sucesiva, a lo largo de 2 meses, y que tras más de 40 experiencias sucesivas y cuatro meses de uso continuado el catalizador con la PPL inmovilizada de forma covalente aún mantenía su actividad inicial.

A pesar de la pérdida de eficiencia de la PPL tras su inmovilización covalente al sólido inorgánico, la aplicación de este sistema inmovilizado ofrece diversas ventajas, como son la reutilización, la facilidad de separación y, sobre todo la extraordinaria estabilidad que adquiere la PPL tras su inmovilización, respecto a los parámetros más habituales de reacción: temperatura, pH, etc., permitiendo el permanente control de la composición de la mezcla de ésteres que constituye el biodiesel, pudiendo así determinar, según interese, producir un compuesto libre de glicerina, u optar por su obtención y posterior separación (Tabla 6, Nº 17, 21, 22 y 24).

Claims

1. Procedimiento para la producción de biodiesel caracterizado porque comprende realizar una reacción de transesterificación de un producto de partida seleccionado entre uno o más aceites, una o más grasas, y mezclas de ellos, en presencia de lipasa pancreática de cerdo como biocatalizador, a un pH de al menos 8.

2. Procedimiento para la producción de biodiesel según la reivindicación 1, caracterizado porque el pH es de al menos 10.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la lipasa pancreática de cerdo está fijada a un soporte orgánico o inorgánico.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la lipasa pancreática de cerdo está presente en forma libre o fijada en una proporción de 1/1000 respecto al peso del aceite o grasa.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la lipasa pancreática de cerdo está seleccionada entre PPL industrial comercial purificada, un preparado enzimático comercial que la contenga y un preparado de PPL directamente extraído de páncreas de cerdo.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha grasa o aceite está seleccionado entre un aceite o grasa puro y un aceite o grasa usado.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos aceites o grasas están seleccionados entre aceites vegetales, aceites animales, grasas vegetales, grasas animales y mezclas de ellos.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho producto de partida está seleccionado entre uno o más ésteres de glicerina.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende realizar una reacción de transesterificación de dicho producto de partida con uno o más alcoholes de fórmula C_{n}H_{2n+2}O, en la que n \leq 6.

10. Procedimiento según la reivindicación 1 o 9, caracterizado porque dicho uno o más alcoholes de fórmula C_{n}H_{2n+2}O está seleccionado entre metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-metil-2-propanol y 1-pentanol y mezclas de ellos.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha reacción de transesterificación se realiza a presión atmosférica, a una temperatura comprendida entre 20-70ºC y a un pH comprendido entre 8 y 13.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha reacción de transesterificación se realiza a presión atmosférica, a una temperatura comprendida entre 20-50ºC y a un pH comprendido entre 10 y 13.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho pH se obtiene mediante la adición de una base en forma de una disolución acuosa seleccionada entre NaOH, KOH, NHç_{4}OH, Na_{2}CO_{3}, NaHCO_{3}, K_{2}CO_{3}, KHCO_{3} y mezcla de las mismas.

14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha reacción de transesterificación se lleva a cabo en un reactor seleccionado entre un reactor de tanque agitado y un reactor de flujo.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la reacción de transesterificación se lleva a cabo mezclando cantidades equimoleculares de aceite o grasa y alcohol.

16. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la reacción de transesterificación se realiza durante un tiempo de reacción controlado para que la transesterificación no llegue a su término.

17. Procedimiento según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque la reacción de transesterificación se realiza con una mezcla de cantidades equimoleculares de aceite o grasa y alcohol, manteniendo la reacción durante un tiempo comprendido entre 4 y 72 horas a una temperatura comprendida entre 20 y 70ºC.

18. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 17, caracterizado porque se utilizan como productos de partida uno o más ésteres de glicerina y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una proporción volumétrica ésteres de glicerina/alcohol mayor o igual a 10/1.

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19. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 16, caracterizado porque se utilizan como productos de partida uno o más triglicéridos y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una proporción molar de triglicéridos/alcohol de 1/2.

20. Procedimiento según la reivindicación 18, caracterizado porque la proporción volumétrica ésteres de glicerina/alcohol es mayor o igual a 15/1.

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 1 a 16, caracterizado porque se utiliza como producto de partida triglicéridos y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con cantidades equimoleculares de triglicéridos y alcohol, durante un tiempo comprendido entre 4 y 72 horas a una temperatura comprendida entre 20 y 70ºC.

22. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se utilizan como productos de partida uno o más ésteres de glicerina y la transesterificación se realiza con cantidades estequiométricas de ésteres de glicerina y alcohol, durante un tiempo de reacción suficiente para que la transesterificación llegue a su término obteniéndose glicerina como producto de reacción.

23. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 22, caracterizado porque se utilizan como productos de partida uno o más ésteres de glicerina y la transesterificación se realiza con una proporción volumétrica alcohol/ésteres de glicerina de 1/10 o mayor, durante un tiempo de reacción suficiente para que la transesterificación llegue a su término obteniéndose glicerina como producto de reacción.

24. Procedimiento según la reivindicación 22 ó 23, caracterizado porque la glicerina obtenida disuelta en la fase alcohólica se separa del biodiesel por decantación.

25. Procedimiento según la reivindicación 22 ó 23, caracterizado porque la glicerina obtenida disuelta en la fase alcohólica se separa del alcohol por destilación de dicho alcohol.

26. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se lleva a cabo una reacción de transesterificación de un aceite seleccionado entre aceite de girasol puro y aceite usado, con un alcohol seleccionado entre metanol, etanol 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-metil-2-propanol, y 1-pentanol, en la proporción molar 1/3 y utilizando PPL libre o inmovilizada.

27. Procedimiento según la reivindicación 26, caracterizado porque se lleva a cabo una reacción de transesterificación de aceite de girasol con etanol, con una proporción volumétrica de aceite/alcohol de al menos 8/1, a una temperatura entre 35ºC y 50ºC, a pH entre 9 y 13.

28. Procedimiento según la reivindicación 27, caracterizado porque se lleva a cabo una reacción de transesterificación de aceite de girasol, con alcohol etílico utilizando PPL en forma libre, en un reactor de tanque agitado, en forma discontinua, a 45ºC y pH = 12.

29. Uso del procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 28 para la obtención de biodiesel.

30. Uso del procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, o 22 a 25, para la obtención de glicerina.