WO2008009772A1 - Procedimiento de producción de biodiesel mediante el uso de lipasa pancreática del cerdo como biocatalizador enzimático - Google Patents

Procedimiento de producción de biodiesel mediante el uso de lipasa pancreática del cerdo como biocatalizador enzimático Download PDF

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Diego Luna Martinez
Felipa María BAUTISTA RUBIO
Verónica CABALLERO MARTÍN
Juan Manuel CAMPELO PÉREZ
José María MARINAS RUBIO
Antonio Ángel ROMERO REYES
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Universidad De Cordoba
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    • Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock

Definitions

  • the present invention belongs to the field of production of fuels from organic materials, namely, from oils or fats.
  • the transesterification reaction of oils and fats can be carried out - in an acidic or basic medium, as well as by the action of specific enzymes such as Lipases.
  • operating in a basic medium implies important advantages over the application of acid catalysis, since the kinetics of the reaction is more favorable in a basic medium (x 4000), which allows operating with lower amounts of alcohol and at atmospheric pressure.
  • alkalis are less corrosive than
  • the quality of the glycerin obtained, as a byproduct of the main reaction of obtaining the mixture of methyl (or ethyl) esters that constitute the biodiesel, is very low due to being seriously contaminated with the alkaline remains of very difficult elimination.
  • heterogeneous procedures based on alkaline earth metals in the form of oxides and / or carbonates are being developed: CaO, SrO, BaO, MgO, CaC ⁇ 3 , and in very diverse mixtures between them or even participating in these mixtures alkali metals K 2 O, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , KHCO 3 etc.
  • Lipases of various microorganisms have been extensively investigated in this process since they constitute the specific enzymes that execute hydrolysis or synthesis reactions of triglyceride ester bonds in living beings. Therefore the comparison of Lipases with any of the methods described only has advantages: since the operating conditions are much more -soft, operating at temperatures of the order of 30-50 ° C, pH 6-9 and atmospheric pressure. In addition it is not necessary -the removal of any impurities (acid or alkaline) so. The phase separation is simplified, obtaining biodiesel and high purity glycerin, suitable for pharmaceutical uses, and thus reducing the environmental impact of the process. [WH Wu, TA Foglia, WN Marmer-, " - JG Phillips, J. Am.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) isopropanol, etc., which present greater difficulty than methanol for their transesterification by conventional catalysis (acidic or basic).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Inorganic and some functional group of the enzymatic protein is more complicated than achieving this with a functionalized organic support (polystyrene, for example).
  • Spanish application P-9601847 discloses a process of covalent immobilization of enzymes to inorganic supports, which has been successfully applied to the immobilization of triacylglycerol Lipase (EC 3.1.1.3) or pig pancreatic lipase (PPL) [FM Bautista, MC Bravo, JM Campelo, A. Garc ⁇ a, D. Luna, JM Marinas, AA Romero, J. Chem. Technol. Biotechnol, 72 (1998) 249].
  • pancreatic lipase of the pig PPL
  • triacylglycerol Lipase (EC 3.1.1.3) is a biomolecule known and applied for years ["Lipases” eds. H. L
  • Patent application P9601847 describes its immobilization in inorganic supports.
  • PPL is used more and more for the enzymatic resolution of very diverse racemic mixtures, either by hydrolysis or to a lesser extent by transesterification, although at the moment it has not been applied to the production of bio ⁇ iesel.
  • the " use of this enzyme is due to its easy
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) accessibility (in the international market it is marketed by several supplier firms), high stability, in addition to not requiring the use of co-factors, but on the other hand, its very low price, when compared to the rest of the lipases (Table 1) , since 10 6 U can be purchased for only € 0.5, according to the Sigma catalog.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the present invention aims to solve the drawbacks that obtaining biodiesel currently poses and improve its performance in all aspects.
  • the present invention relates to a process for the production of biodiesel characterized in that it comprises carrying out a transesterification reaction of a starting product selected from one or more oils, one or more fats, and mixtures thereof, in the presence of pancreatic lipase ⁇ of pork as a biocatalyst, at a pH of at least, preferably at least 10.
  • the pig pancreatic "lipase" can be free or fixed to an organic or inorganic support, for example it can - " be adsorbed on an organic or inorganic support.
  • the PPL is used " immobilized by chemical fixation of the enzyme to an inorganic solid, which acts as a support, allowing its easy recovery at the end of the process and its subsequent reuse.
  • the pig pancreatic lipase can be present in a free form or fixed in a proportion of 1 / -10O0 "with respect to the weight of the oil or fat used, which allows to convert 1 mole of oil in 24 hours, per gram of PPL.
  • Pork pancreatic lipase of any type can be used, for example lipase selected from purified commercial industrial PPL, a commercial enzyme preparation containing it, such as, for example, Sigma Pancreatin, and a PPL preparation directly • extracted from pancreas of pork
  • said starting product - oil or fat - may be selected in one or more • vegetable oils, one or more fats
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) vegetables, one or more animal oils, one or more animal fats and mixtures thereof.
  • fat or oil can be selected from a pure oil or grease and a used oil or grease.
  • said starting product is selected from one or more glycerin esters. This term refers hereinafter to mono-, di- or tri-esters, that is, to one or more ⁇ tonoglycerides, diglycerides, triglycerides or mixtures thereof.
  • the transesterification reaction of said oil or said fat can be carried out with one or more short chain alcohols, that is of the formula C n H 2n + 2 ⁇ , in which n ⁇ 6.
  • the alcohols of formula C n H 2n + 2 ⁇ can be for example methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1- butanol, 2-butanol, 2-methyl-2-pro ⁇ anol and 1-penranol and mixtures thereof .
  • This transesterification reaction is preferably conducted at atmospheric pressure at a temperature between 20-70 0 C, preferably between 20-50 0 C, and a pH between 8 and 13, 'more preferably between 10 and 13.
  • This pH preferably obtained by adding a base selected from NaOH, KOH, NH 4 OH ⁇ Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , K 2 CO 3 , KHCO 3 and mixture thereof.
  • the base is in the form of a concentrated aqueous solution, which acts as an adjuvant.
  • the transesterification reaction can be carried out in a reactor selected between a stirred tank reactor and a flow reactor. According to a particular embodiment of the process, the transesterification reaction is carried out by mixing equimolecular amounts of oil or fat and alcohol, thereby obtaining biodiesel. Preferably when diglycerides or triglycerides are used as starting products and equimolecular amounts thereof are used in relation to the
  • one or more triglycerides are used as starting products and the transesterification is carried out with a control of the operating conditions and with a triglyceride / alcohol molar ratio of 1/2.
  • Another way to control the reaction to obtain preferably, or exclusively, biodiesel is to control conditions such as temperature and reaction time, so that transesterification does not reach its end.
  • Mixing equimolecular amounts of oil or fat and alcohol, for example of diglycerides and / or triglycerides, with a certain temperature and time control, biodiesel is obtained in a single step.
  • it is a consecutive reaction, which is achieved - in the case of using glycerin esters as a starting product - a mixture of one mole of monoglyceride by two esters of the alcohol used, therefore without glycerin , which allows this mixture (biodiesel) to be used directly in a suitable engine
  • the transesterification reaction is carried out during a controlled reaction time so that the transesterification does not reach its end.
  • the reaction of 'transesterification is carried out with a mixture of equimolar amounts of oil or fat-and alcohol, maintaining the reaction for a time comprised between 8 and 72 hours, preferably between 8 and 48 hours at a temperature between • 20 and 70 0 C / preferably between 20 0 C and 50 0 C.
  • esters glice-rina, and transesterifrca Terms is performed with a control operating conditions and with a
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Equimolecular proportion ⁇ e esters of glycerin and alcohol, obtaining biodiesel.
  • one or more glycerin esters are used as starting products and the transesterification is carried out with a control of the operating conditions and with a volumetric proportion of glycerin / alcohol esters greater than or equal to 1.
  • the Volumetric glycerin / alcohol esters ratio is greater than or equal to 10.
  • a further particular embodiment refers to a process in which triglycerides are used as starting products and the transesterification is carried out with -a ⁇ control of the operating conditions and with equimolecular amounts of triglyceride and alcohol, for a time between 8 and 30 hours at a temperature between 20 and 70 ° C, preferably between 20 and 50 ° C.
  • a further especially preferred embodiment for obtaining biodiesel is one in which a transesterification reaction of sunflower oil with ethyl alcohol is carried out using PPL in free form, in a
  • the process of the present invention when carried out in such a way that it comprises a control of the transesterification conditions and with a volumetric proportion alcohol / glycerin esters such that there is an excess of alcohol (for example greater than or equal to 1/10), glycerin is also obtained as a reaction product, together with the mixture of the esters of the alcohols constituting the biodiesel.
  • the glycerin obtained dissolved in the alcoholic phase can be separated from biodiesel by decantation.
  • the glycerin obtained dissolved in the alcoholic phase can be separated from the alcohol by distillation of said alcohol.
  • glycerin of optimum purity it can be obtained starting, for example, from a 2/1 volumetric oil / alcohol mixture, operating under certain conditions of temperature for a period longer than that required to obtain biodiesel exclusively, in order to bring the reaction to an end.
  • a mixture of three " moles of esters of the alcohol used per mole of glycerin is obtained, which when dissolved in excess of alcohol, will dissolve in the alcoholic phase, which will be separated by decantation of the mixture of esters from the alcohols used ( methyl-, ethyl-, etc.).
  • the present invention relates to the use of the process defined above for obtaining biodiesel, as well as to the use of the procedure defined with the characteristics suitable for obtaining glycerin.
  • the method can be applied with clear advantages, since it is enough to incorporate an amount greater than the stoichiometric alcohol, which will serve to obtain two phases, in the densest of which Find glycerin, along with alcohol. Glycerin will be obtained very easily by simple distillation of alcohol. The absence of alkaline salts in the enzymatic process determines the purity of the glycerin obtained, without the need for further purification steps.
  • the process of the invention by controlling the time and operating conditions (pH, temperature, etc.), as a reaction product, the mixture of the esters and the corresponding monoglycerides can be obtained without practically generating glycerin, which avoids the need for its elimination by washing, thus simplifying the obtaining of biodiesel, while reducing the environmental impact of the process.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) catalytic
  • these are carried out under milder reaction conditions: atmospheric pressure, temperature (30-50 ° C) and pH in the range 8-13, preferably 9-13, which means very simple instrumental simplicity and ease of handling , which ultimately resulted in a reduction in production costs.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) large scale, as in discontinuous processes on a smaller scale, since everyone benefits from the minimization of the post-synthesis process of biodiesel, a process that today constitutes the most uneconomic factor in the process. Without this handicap, it would be possible to think that some agricultural cooperatives would dare to produce their own biodiesel, since in general they have the raw materials, and the required reactor technology, a commercial fading (or interserification) plant would be sufficient, once saved the problem of waste generation, and mainly the high cost of lipases so far investigated.
  • the procedure presented contemplates its possible application not only with any commercial industrial PPL, either purified or present in low-cost commercial enzymatic preparations, containing Lipases, such as, for example, Sigma's Pancreatin, but even with those PPL preparations directly extracted from the pancreas of the pig, including also the variations that affect the parameters that determine the operating conditions: temperature, pH, type of alcohol (methanol, ethanol, isopropanol etc,) and oil (sunflower, soy, etc, and used oil) and its molar ratios.
  • any commercial industrial PPL either purified or present in low-cost commercial enzymatic preparations, containing Lipases, such as, for example, Sigma's Pancreatin, but even with those PPL preparations directly extracted from the pancreas of the pig, including also the variations that affect the parameters that determine the operating conditions: temperature, pH, type of alcohol (methanol, ethanol, isopropanol etc,) and oil (sunflower, soy, etc, and used oil
  • the process of the present invention allows obtaining the product known as biodiesel in a very simple way, while economically profitable, by reacting any oil or fat (pure or used) with any short chain alcohol (methanol, ethanol, propanol, etc) in the desired volumetric ratio, preferably oil / alcohol> 1/1, (and preferably 10/1, corresponding approximately to the 1/3 molar ratio), at atmospheric pressure, at a temperature between 20-70 0 C , preferably 20-50 0 C, at a pH in the range 8-13, preferably 10-13 (obtained by adding any base: NaOH, KOH, NH 4 OH, Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , K 2 CO 3 ,
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) KHCO 3 etc, or mixtures thereof) and an amount of free or immobilized PPL, of the order of 1/1000, with respect to the weight of the oil used.
  • the process of the present invention has general characteristics similar to those of the processes cited in Table 1, with an important difference being the use of lipase from the pig pancreas; and it presents essential advantages such as: high stability, easy accessibility in the international market, not requiring the use of co-factors, and above all, its low cost (compare € 0.5, for 10 ° U, with the values given in the Table 1 for the remaining lipases of microbial origin), which can be decisive economic advantages for their application in the production of biodiesel.
  • composition of the biodiesel obtained in the transesterification of 0.1 mol (120 mL) of sunflower oil with 0.1 g of PPL and different proportions of oil / ethanol of 96%, at 45 0 C, pH 12 and different reaction times.
  • Example 2 Application of the method using the PPL in free form with pure or used oil and different alcohols Table 3 shows results corresponding to the behavior of the PPL, with pure sunflower oil, or used oil, and with different chain alcohols short: methanol (MeOH), 96% ethanol (EtOH), 1-propanol (1-PrOH), 2-propanol (2-PrOH), 1-butanol (1-BuOH), 2- butanol (2-BuOH) , 2-methyl-2-propanol (t-BuOH) and 1- pentanol (1-PeOH).
  • any alcohol is useful for transesterification. It can also be seen how the application of recycled oils entails a slight decrease in conversion, as has been proven when using other lipases.
  • Example 3 Application of the method using as commercial biocatalyst of Sig ⁇ ta called Pancreatina, which contains the PPL, along with other enzymes.
  • Tables 5 and 6 show the results obtained by applying the PPL in immobilized form, on an inorganic solid, a commercial sepiolite, applying for this a method described in P9601847.

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Abstract

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 seleccionada 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

TITULO DE LA INVENCIÓN
PROCEDIMIENTO DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL MEDIANTE EL USO DE LIPASA PANCREÁTICA DEL 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 esteres metílicos o etílicos obtenidos por transestéirificación 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'V 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 CO2, reduciendo además de forma importante el nivel de partículas que generan los combustibles de origen fósil, cuando se encuentran mezclados con ellos.
La • reacción αe 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 acida, 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) disoluciones acidas. 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, 1000C) 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 (700C 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 •eliminar1 los residuos alcalinos contenidos en la misma, tras el proceso de lavado. Ello inevitablemente incrementa el costo final de la producción. Ademas, la calidad de la glicerina obtenida, como subproducto de la reacción principal de obtención de la mezcla de esteres metílicos (o etílicos) que constituyen el biodiesel, queda ϊnuy mermada al estar seriamente contaminada de ios 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, CaCθ3, y en muy diversas mezclas entre ellos o -incluso participando en estas mezclas metales alcalinos K2O, Na2CO3, K2CO3, KHCO3 etc. En general se consigue operar en fase heterogénea, consiguiendo una mejor calidad<del biodiesel y glicerina, simplificando al
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) mismo tiempo el proceso al eliminar las operaciones de lavado. Como contrapartida se obtiene siempre una importante caida 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 CaCO3, 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. OiI Chem. Soc, 78 (2001)- 139]. No obstante es necesario operar a presiones y temperaturas elevadas (240-269 0C) 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 30-50°C, pH 6-9 y presión atmosférica. Además no es necesaria -la eliminación de ningún tipo de impurezas (acidas 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. OiI. 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,
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) isopropanol, etc., que presentan mayor dificultad que el metanol para su transesterificación por catálisis convencional {acida o básica) .
El principal y decisivo inconveniente que presentan 5 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 10 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 15 respecto a su comportamiento en forma homogénea, [M. Iso, 3. 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 20 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 5 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 op'e'rar con disolventes orgánicos, como sucede en el caso particular del 0 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 5 suele efectuarse por confinamiento sol-gel, ya que la generación de un enlace covalente entre el soporte
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 cizados 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, Rhizoirucor Miehei (RML) , anclada covalentemente en Sepiolira, 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 106 unidades de actividad enzimática (U) ,
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) donde 1 U representa la cantidad de lipasa necesaria para hidrolizar 1 microequivalente de aceite de oliva en 1 hora, a 37 °C 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 35-50 0C, 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, Amsterαam, 1984] en la resolución quiral mediante hidrólisis, no sólo de compuestos directamente relacionados con su sustrato natural, como son los esteres 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 esteres racémicos, pudiéndose encontrar la qüiralidaα tanto en el alcohol como en el ácido. La solicitud de patente P9601847 describe su inmovilización en soportes inorgánicos .
La PPL se usa cada dia 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 bioαiesel. El "empleo de esta enzima se debe a su fácil
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) accesibilidad (en el mercado internacional está comercializada por varias firmas proveedoras) , elevada estabilidad, además de no requerir la utilización de co- factores, pero sobre rodo su muy bajo precio, si se le compara con el resto de las lipasas (Tabla 1), ya que pueden adquirirse 106 U por solo 0.5 €, 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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1Catálogo Fluka .
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) La presente invención tiene como objeto resolver los inconvenientes 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, preferentemente al menos 10.
La" lipasa ' pancreática de cerdo puede esiar 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/-10O0" 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 enere -uno o más • aceites vegetales', una o más grasas
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) vegetales, uno o más aceites animales, una o más grasas animales y mezclas de ellos.
Además dicna 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 esteres de glicerina. Este término se refiere en adelante a mono-, di- o triésteres, es decir, a uno o más πtonoglicéridos, 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 CnH2n+2θ, en la que n < 6.
Los alcoholes de fórmula CnH2n+2θ pueden ser por ejemplo metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, 1- butanol, 2-butanol, 2-metil-2-proρanol y 1-penranol y mezclas de ellos.
Dicha reacción de transesterificación se realiza preferentemente a presión atmosférica, a una temperatura comprendida entre 20-700C, preferentemente entre 20-500C, 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, NH4OH^ Na2CO3, NaHCO3, K2CO3, KHCO3 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 esteres- de glicerina - una mezcla de un mol de monoglicérido por dos de esteres del alcohol empleado, por- tanto sin glicerina, lo que permite emplear ya esta mezcla (biodiesel) directamente en un motor adecuado
(diesel) .
Asi, 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 700C/ preferentemente entre 200C y 500C.
' Según una realización particular adicional se utilizan como productos de partida- uno o más esteres de glice-rina, y la transesterifrcación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) proporción equimolecular αe esteres de glicerina y alcohol, obteniéndose biodiesel.
Según una realización particular adicional se utilizan como productos de partida uno o más esteres de glicerina y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una proporción volumétrica esteres de glicerina/alcohol mayor o igual a 1. De manera preferente la proporción volumétrica esteres 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 70°C, preferentemente entre 20 y 50°C. 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-buτ:anol, 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 etano, con una proporción volumétrica de aceite/etanol, de al menos 8/1, a una temperatura de entre 35°C y 500C, preferentemente a 45°C, 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) reactor de tanque agitado, en forma discontinua, a 45 °C 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/esteres 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 esteres 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 óptima (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 esteres del alcohol empleado por mol de glicerina, que al onerar en exceso de alcohol, se disolverá en la fase alcohólica, la cual se separará por decantación de la mezcla de esteres de los alcoholes empleados (metílicos, etílicos, etc.). Por tanto cuando se utilizan como productos de partida uno o más esteres de glicerina y la transesterificación se realiza con cantidades alcohol superiores a 'las estequiométricas, con respecto a los esteres de glicerina, y durante un tiempo de reacción suficiente para que la transesterificación llegue a su término se obtiene glicerina como producto de reacción.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Cuando se utilizan como productos de partida uno o más esteres de glicerina y la transesterificación se realiza con una proporción volumétrica alcohol/esteres 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, asi 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 bastarla 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 esteres y los correspondientes monoglicéridos sin prácticamente generar glicerina, lo que evita la necesidad de su eliminación mediante lavados, simplificándose asi 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) catalíticas. Así, éstas se efectúan bajo condiciones de reacción más suaves: presión atmosférica, temperatura (30-50 °C) 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 solo 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 esteres de los ácidos grasos y sus correspondientes monoglicéridos, ya que esie 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) gran escala, como en procesos discontinuos a menor escala, pues a todos beneficia la minimización del proceso de lavado post-sintesis del biodiesel, proceso que hoy constituye el factor más antieconómico del proceso. Sin este handicap, seria 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 interesrerificación) 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 20-700C, preferentemente 20-50 0C, a un pH en el intervalo 8-13, preferentemente 10-13 (obtenido mediante la adición de cualquier base: NaOH, KOH, NH4OH, Na2CO3, NaHCO3, K2CO3,
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) KHCO3 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 caracteristicas 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 €, por 10° 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 45°C, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción, indicando las cantidades relativas de esteres etílicos (fatty acid esters, FAEs) , monoglicérido (MG), diglicéridos (DG) y triglicéridos (TG) . Se distinguen los parámetros de conversión (Conv. ) 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 esteres 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 ÜM (25m x 0.32 mmín) SGE, aplicando un programa de temperaturas en rampa, que se inicia a 90 0C, hasta 200 0C a 5 °C/minuto, donde se mantiene durante 10 minutos y se inicia de nuevo el calentamiento hasta 350 0C (a 10 0C/ minuto, manteniéndose finalmente dicha temperatura durante otros diez minutos. Las temperaturas del inyector y detector son 3800C y 4000C, 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 obtienen para las relaciones equimoleculares aceite/alcohol, • que corresponden (dependiendo del tipo de aceibe 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 parrida, 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 45 0C, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción.
Acei te/
Tiempo FAE MG DG TG Rend. Conv.
Alcohol
(h) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
(ml/ml)
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 1/1 10 32.8 2.5 27.9 36.8 18.2 41.2
24 35.7 3.8 28.1 32.4 21.3 46.1
2/1 10 41.1 0 50.4 8.6 24.8 83.8
24 46.0 0 47.3 6.8 28.9 86.7 4/1 10 29.5 0 70.5 0 17.4 100
24 32.3 0 67.7 0 19.3 100
8/1 10 27.8 0 72.2 0 16.2 100
24 35.3 0 64.7 - o 21.5 100
15/1 10 40.6 0 54.9 4.4 25.0 91.5
24 46.4 0 53.6 0 30.3 100
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) .
Tabla 3^
Composición del biodiesel obtenido en la transesrerificación de 0.1 mol (120 mL) de aceite (girasol o usado) con 0.1 c de PPL, diferentes alcoholes, en la p'roporción volumétrica aceite/alcohol 8/1 [relación molar 1/3], a 45°C, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción.
Alcohol Aceite t FAE MG DG TG Rend. Coπv
(h) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) MeOH Puro 24 65.1 30.0 4.9 90.9 100
EtOH Puro 10 27.8 0 72.2 0 16.2 100 EtOH Puro 24 35.3 0 64.7 0 21.5 100
17.
EtOH Usado 5 20.7 0 61.5 10.7 71.3
15,
EtOH Usado 9 30. - 0 54 .8 16. 5 73.9
2
14.
EtOH Usado 24 11. 6 0 73 .5 11. 6 75.5 9
1-PrOH1 puro 16 56. 9 13. .5 29 .6 0 56. 0 100
1-PrOH1 puro 22 57. 8 15. ,5 26 .7 0 59. 6 100
1-PrOH puro 24 58. 9 17. ,6 23 .5 0 63. 6 100
2-PrOH1 puro 16 22. 9 0 77 .1 0 13. 5 100
2-PrOH1 puro 24 19. 6 0 80 .4 0 11. 4 100
2-PrOH puro 28 56. 4 12. 5 31 .1 0 54. 2 100
1-BuOH puro 16 ¿9. --> 7. 1 35 .0 8.6 39. 7 81.8
10. 1-BuOH puro 24 47. ς 5.4 36.8 36.1 78.7 3
2-BuOH puro 13 59. 6 19. 1 21 .3 0 67. 1 100
2-BuOH puro 22 65. 7 31. 4 2. 9 0 94. 9 100 t-BuOH puro 24 52. 3 14. 0 24 .3 9.4 49. 2 78.9
1-PeOH puro 24 58. 9 18. 0 23 .2 0 65. 5 100
1ReIaCiOn 3.2/1 -. '
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.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Ejemplo 3: Aplicación del método empleando como biocatalizador tan preparado comercial de Sigπta 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.
' - .. 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 45°C, pH = 12 y diferentes tiempos de reacción.
Pancreatina t FAE MG DG • •-. TG Rend. Conv . Xg) (h) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
0.1 24 11.6 0 73.5 14.9 5.8 76.7 48 14.1 0 78.0 8.0 7.3 87.0
72 17. 2 0 82 .8 0 9. 5 100
0 .2 24 52. 0 ¿ . 9 42 .6 0.6 40 .0 98.7
0 .51 23 62. 0 28. .6 5. 3 0 90 .1 100
0 -8 20 56. 4 13. 1 30 .6 .0 54 .0 100
1Se obtiene 4.1% de Glicerina 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.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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, (0.5g) 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, N° 0b) . 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, N° 4) y libre (Tabla 5, N° 0a) 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.
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 (0.5g sólido, 0.04g de lipasa) diferentes tiempos de reacción, diferentes valores de pH y temperatura.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) N° t T pH FAE MG DG TG GLY Rend. Conv.
(h) ("C) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
0a 24 40 10 11.4 0 47.9 40.8 0 5.1 42.7 ob 24 40 10 10.2 0 48.1 41.8 0 4.5 41.8
1 24 25 10 15.4 0 32.3 52.3 0 • 6.8 28.3
2 24 30 10 9.1 0 50.6 40.4 0 4.0 43.7
3 24 35 10 12.6 0 46.9. 40.5 0 5.7 42.7
4 24 40 10 17.4 0 43.6 39.0 O '8.1 43.3
5 70 40 10 41.2 0 58.8 0.0 0 26.1 100
6 24 45 10 10.4 0 46.8 42.8 0 4.6 40.5
7 24 50 10 22.7 0 66.6 10.7 0 12.3 82.0
8 72 25 12 60.2 24.3 12.0 0 3.5 78.6 100
9 23 30 12 58.9 18.3 22.8 0 0 63.8 100
10 24 35 12 54.3 8.9 36.8 0 0 46.8 100
11 30 40 12 53.6 16.2 21.7 8.6 0 51.6 80.9
12 24 45 12 60.0 20.6 19.4 0 0 68.3 100
13 24 40 8 61.3 23.0 15.7 0 0 73.7 100
14 24 40 9 47.7 0 51.7 0.5 0 31.4 98.9 aEnzima libre (0.01 g) .
DEnzima libre, en el filtrado, tras la inmovilización.
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 (0.5g. sólido, 0.04g de lipasa) , a diferentes tiempos de reacción, diferentes valores de pH y temperatura.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) N° t T pH FAE MG DG TG GLY Rend. Conv (h) (0C) (%) (%) (%) (%) (%) (%) . (%)
15 24 25 12 61.2 21.7 17.1 0 0 70.9 100
16 24 30 12 61.3 21.9 16.8 0 0 71.4 100
17 24 35 12 57.8 28.9 0 0 13.3 100 100
18 24 40 12 62.5 31.2 0.3 0 6.1 99.4 100
19 24 45 12 60.8 30.2 0.3 0 . 8.7 99.3 100
20 72 25 10 55.7 18.9 17.1 0 8.4 68.6 100
21 30 30 10 60.0 30.3 0 0 10.1 100 100
22 26 35 10 55.4 26.2 2.5 0 15.8 94.2 100
23 22 40 10 65.5 32.7 0.1 0 1.7 99.8 100
24 24 45 10 60.3 30.2 0 0 9.5 100 100
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 más1 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 mantenia 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 esteres que constituye el biodiesel, pudiendo asi determinar, según interese, producir un compuesto libre de glicerina, u optar por su obtención y posterior separación (Tabla 6, N° 17,21, 22 y 24) .
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la producción de biodiesel caracterizado porque comprende realizar una reacción de transes berificación de un producto de partida seleccionado entre uno o irás 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 .der.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,
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) grasas animales y mezclas de ellos.
8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho producto de partida está seleccionado entre uno o más esteres 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 CnH2n+2θ, en la que n 5 6.
10. Procedimiento según la reivindicación 1 o 9> caracterizado porque dicho uno o más alcoholes de fórmula CnH2n+2θ 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 20-700C 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 20-500C 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, NH4OH, Na2CO3, NaHCO3, K2CO3, KHCO3 y mezcla de las mismas.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
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 "cransesterificación 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 transesrerificación 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 dé" transesrerificación 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 70°C.
18. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 17, caracterizado porque se utilizan como productos de partida uno o más esteres de glicerina y la transesterificación se realiza con un control de las condiciones de operación y con una proporción volumétrica esteres de glicerina/alcohol mayor o igual a 10/1.
19. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 16, caracterizado porque se utilizan como productos de partida uno o más rriglicéridos y la transeszerificación se realiza con un
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) control de las condiciones de operación y con una proporción molar triglicéridos/alcohol de 1/2.
20. Procedimiento según la reivindicación 18, caracterizado porque la proporción volumétrica esteres 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 7O0C.
22. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se utilizan como productos de partida uno o más esteres de glicerina y la transesterificación se realiza con cantidades estequiométricas de esteres 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 esteres de glicerina y la transesterificación se realiza con una proporción volumétrica alcohol/esteres 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 35°C y 500C, 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 etilico utilizando PPL en forma libre, en un reactor de canque agitado, en forma discontinua, a 450C 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.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
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