Aprovechamiento de las vísceras de pescado como fuente de energía para minimizar el problema de contaminación ambiental del sector piscícola.
Lina María Pinzón Naranjo1, Carlos Arturo Sánchez Jiménez2, José Aldemar Muñoz Hernández3 & Héctor Mauricio Hernández Sarabia4
1Ingeniera Agroindustrial. 2Ingeniero Mecánico, Especialista en filosofía con énfasis en ética y moral, Magister en Educación. 3Ingeniero de Petróleos, Especialista en Automatización Industrial, Magister en Control Automático. Doctor en Ingeniería Eléctrica. 4Ingeniero Químico, Especialista en Automatización Industrial, Magister en Ingeniería de control industrial. Estudiante de Doctorado en Bio-Ingeniería en la Universidad de Gent.
1, 2, 3, 4Universidad del Tolima, B/ Santa Elena, Ibagué - Colombia
1linitapinzon2004@gmail.com, 2casache@ut.edu.co, amunoz@ut.edu.co3, mauricio.hernandez@unibague.edu.co4
Resumen
Este artículo plantea el potencial que tienen algunos desechos de la industria piscícola -como es el caso de las vísceras de pescado- que pueden ser utilizados como fuentes de energía, para producción de biodiesel, el cual genera un serio problema ambiental en los departamentos del Huila y Tolima. Se evidencia afectación física y química de la estructura del suelo al ser enterrados los desechos en sectores aledaños a la zona de lagos, y cuando se desecha en el agua, reduce la vida acuática al agotar el oxígeno disuelto; por lo tanto es necesaria la búsqueda de alternativas para disminuir el impacto causado por este tipo de residuos, buscando el aprovechamiento de desechos orgánicos como fuentes de energía y de esta manera minimizar el problema de contaminación ambiental, y generar un valor agregado a este desecho piscícola. Se estudia la viabilidad de la obtención de aceite crudo de pescado y la conversión a biodiesel conociendo las características de cada uno para garantizar la eficiente producción del biocombustible. Se presenta la caracterización de la materia prima, desde su recolección hasta la obtención del aceite y la realización de pruebas físico-químicas para la determinación de parámetros de calidad. Posteriormente se aborda la obtención y caracterización del biodiesel, que pretende conocer sus propiedades y compararlas con los rangos establecidos por las normas que rigen este biocombustible. Finalmente, se presenta un análisis estadístico para demostrar la mejor relación molar aceite/alcohol empleada en la fase de transesterificación.
Palabras clave: biodiesel, biomasa, impacto ambiental, transesterificación, residuos.
Introducción
La producción pesquera y acuícola a nivel mundial sumó un total de 158 millones de toneladas en el año 2012, alrededor de 10 millones de toneladas más que en el año 2010 (FAO, 2014). El departamento del Tolima aporta el 8% de la producción pesquera del país (MADR; CCI, 2012). El uso de combustibles fósiles –petróleo- ha conllevado a la decadencia del medio ambiente, por tanto y para mitigar esta problemática ambiental el presente artículo sugiere el uso de residuos pesqueros para la generación de biodiesel, un combustible amigable con el ecosistema, que además de atenuar la problemática dada por el uso del petróleo aminora también la contaminación concebida por los residuos pesqueros.
En la búsqueda de una materia base para la producción de un biocombustible y de la utilización de un desperdicio para mitigar su impacto ambiental, las propiedades del aceite de las vísceras de pescado son ideales para su producción, siendo este un desperdicio de la actividad piscícola que ayudaría a mitigar su impacto ambiental, además de generar valor agregado y contribuir con la producción de biodiesel, favoreciendo a los piscicultores de la región.
De los 23.562 km de superficie del departamento del Tolima, se extrae el 8 % de la producción pesquera del país. Para el año 2012 el departamento del Tolima tuvo un aporte de 2.159 t de pescado. El Tolima es el segundo departamento que se destaca por su producción piscícola a nivel nacional; por tanto la obtención de biodiesel ayudara ambientalmente a la región con la utilización de las vísceras del pescado convertidas en combustible, una fuente de energía útil en la vida cotidiana de las personas, que a futuro podrían emprender el diseño de una planta industrial.
Las vísceras de pescado de agua dulce constituyen entre el 5 y 11% del peso corporal. Su composición química promedio es 67% agua, 10% proteína, 14% extracto etéreo y 3% minerales (Mahendrakar & javeed Ahamed, 1997); esto demuestra que aproximadamente el 11% de la producción total son residuos –vísceras- de pescado a los cuales no se les aprovecha y se convierten en un problema ambiental en la región.
El aceite de pescado se obtiene del procesamiento y prensado de pescados enteros y subproductos de la industria pesquera. Contiene altos porcentajes de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga responsables de su inestabilidad ante la oxidación y de la comunicación de sabores anómalos a los productos finales de los animales que los consumen.
En general, son ricos en ácidos grasos omega-3 -triglicéridos y fosfolípidos-; Esto se traduce en mayor rendimiento en la conversión de aceite de pescado a biodiesel; dependiendo del nivel de ácidos grasos libres que posea la materia prima a procesar.
Varias tecnologías están disponibles para la fabricación de biodiesel, como transesterificación, amidación con dietilamina, pirólisis, y la transesterificación en metanol supercrítico. De estas técnicas, transesterificación es la más comúnmente utilizada en la producción de biodiesel industrial (Y. Zhang, 2003) (Chang-Yuan & Rong-Ji, 2009)
En algunos países se han hecho estudios sobre los recursos, la situación y perspectiva del aceite de pescado y de sus residuos como fuente de energía sostenible para la producción de biodiesel (R. Yahyaee, 2013). En la Universidad de Alaska en conjunto con el departamento de agricultura de los Estados Unidos, se han conducido estudios que reportan la viabilidad de producción de biodiesel a partir del aceite crudo de salmón, en procesos de transesterificación con metanol, dando como resultado un biodiesel que cumple con los estándares de la Norma ASTM D751 (Taku Renewable Resources, 2010).
Materiales y Métodos
Para la caracterización del aceite y la producción de biodiesel fueron utilizadas vísceras de Las vísceras de pescado de las especies cachama, bagre, tilapia roja, bagre y bocachico, fueron recolectadas en los cultivos piscícolas de la asociación de piscicultores del norte del Tolima, Asopiscinorte ubicada en el municipio de Lérida en el departamento del Tolima, Colombia. De las vísceras recolectadas parte se refrigeró para traslado al laboratorio y otra se utilizó para la extracción in situ del aceite por calentamiento de tejidos a 100 °C. El aceite crudo obtenido fue almacenado en recipientes plásticos y trasladado al laboratorio para posterior análisis.
A las vísceras se le realizo análisis bromatológico en los laboratorios de la Universidad del Tolima utilizando las normas técnicas Colombianas y metodologías AOAC estándar, como se relaciona en la Tabla 1.
Tabla 1. Métodos estándar para análisis de vísceras de pescado
NTC: Norma técnica colombiana; AOAC: Association of official analytical Chemists.
El aceite crudo fue sometido a un proceso de filtrado al vacío para remoción de sólidos y fue llevado al rotavapor para remoción de humedad en los laboratorios de la Universidad de Ibagué. Para identificar las propiedades del aceite se realizó caracterización, aplicando metodologías estándar que se relacionan en la Tabla 2.
Tabla 2. Métodos utilizados para análisis de aceite crudo
NTC: Norma técnica colombiana; AOAC: Association of official analytical chemists
El aceite filtrado y seco, fue sometido a proceso de eliminación de fosfátidos (desgomado) aplicando el proceso descrito por Martins (Martins , Ferreira, & Peixoto, 2013) y a neutralización de ácidos grasos libres, utilizando solución de NaOH al 20% v/v, calentamiento y centrifugación a 20000 rpm por 20 minutos, para la separación de la fracción de Oleina.
Para la obtención del biodiesel, se usaron 200 ml de aceite para cada ensayo (nueve) los cuales se llevaron hasta 70 °C de temperatura; posteriormente se realizó la mezcla del metanol en relaciones molares de 4:1, 7:1 y 9:1 alcohol/aceite e hidróxido de sodio al 0,7 % p/p respectivamente, por un tiempo de diez (10) minutos con agitación. Este producto fue vertido lentamente al aceite en donde se produce una reacción química (transesterificación de los triglicéridos), el tiempo de cada una de las reacciones fue de una hora y la velocidad de agitación de 2000 rpm. El producto de la reacción, compuesto por el metil éster y la glicerina fue dejado en un embudo de separación por un tiempo de 12 horas; la fase ligera (biodiesel) fue luego lavada con agua a 40 °C, secada a temperaturas entre los 90 y 100 °C y posteriormente almacenada.
Los datos se procesaron empleando el programa estadístico SPSS Statistics versión 17.0. Se compararon las relaciones molares de aceite-metanol en el proceso de transesterificación (obtención de biodiesel). Se evaluaron las relaciones molares aceite–alcohol (metanol) así: 1:4, 1:7 y 1:9, aplicando análisis de varianza (ANOVA) unifactorial y una prueba de comparación múltiple mediante diferencias mínimas significativas de Tukey HSD (P< 0.05).
Resultados
Los resultados de la caracterización fisicoquímica de las vísceras de las diferentes especies trabajadas se presentan en la Tabla 3.
Tabla 3. Resultados análisis de vísceras de diferentes variedades de pescado
ND: No detectable
Uno de los parámetros más importante para la producción de biodiesel es el contenido de lípidos en las vísceras, la cachama tiene un porcentaje alto de grasa, lo cual muestra que generaría buenos rendimientos para producir biodiesel.
El método utilizado para la extracción de aceite a partir de las vísceras de pescado fue el calentamiento simple de los tejidos, en la Figura 1, se describen las condiciones y el rendimiento promedio obtenido para una mezcla en campo de vísceras. La obtención del aceite fue realizada in situ y la mezcla fue definida por las variedades que se cosecharon en el momento para tener datos aproximados a las condiciones reales de proceso de producción piscícola de la asociación.
Figura 1: Obtención de aceite por calentamiento de tejidos
Los resultados de la extracción se pueden observar en la Tabla 4.
Tabla 4. Resultados extracción aceite crudo por calentamiento de tejidos
En este método de extracción no se hace necesario el uso de solventes orgánicos, lo que lo hace un método limpio que permite la separación del aceite y los residuos viscosos líquidos fácilmente, y además sus costos de operación son muy bajos.
El análisis físico del aceite extraído se presenta en la Tabla 5.
Tabla 5. Análisis fisicoquímico del aceite de vísceras de pescado
De acuerdo con datos de los productores de la asociación Asopiscinorte, la producción de vísceras de algunas de las variedades anteriormente mencionadas y el potencial de aceite producido por las mismas se relaciona en la Tabla 2. Para el cálculo de la relación molar utilizada para la producción de biodiesel se utilizan los datos reportados de perfil de ácidos grasos para especies similares en la Universidad Popular del Cesar (Morales García, Navarro Alturo, & Rodriguez Loperena, 2013) que se relacionan en la Tabla 3. Para el proceso de obtención del biodiesel a partir del aceite extraído de vísceras de pescado, se emplearon 200 ml de aceite previamente extraído de las vísceras de pescado. La Composición de ácidos grasos del aceite de vísceras de pescado se presenta en la Tabla 6.
Tabla 6. Perfil de ácidos grasos
Fuente: (Morales García, Navarro Alturo, & Rodriguez Loperena, 2013), compilación Autores.
Con los datos hallados, se procedió al cálculo de cada uno de los reactivos para el proceso de transesterificación: Metanol (CH4O): se trabajó con tres relaciones molares aceite-alcohol (1:4, 1:7 y 1:9), correspondientes a (38.34 ml, 67.10 y 86.29 ml de metanol respectivamente) mezclado con una solución de Hidróxido de Sodio 0,7% p/p, (NaOH=1.3 g), para un volumen de aceite definido de 200 ml. La Figura 2 muestra el diagrama de proceso utilizado en la obtención de biodiesel. Las relaciones molares aceite-alcohol se realizaron por triplicado.
Figura 2. Producción de biodiesel
La Tabla 7 presenta los resultados de las propiedades físicas y químicas del biodiesel y la comparación con la norma técnica colombiana.
Tabla 7. Resultados de los análisis físico-químicos del biodiesel.
**N.R: No reporta.
En la Figura 3, se encuentran los resultados de la producción de biodiesel para cada una de las relaciones molares utilizadas
Figura 3. Mililitros de biodiesel producidos – tratamientos (relaciones molares aceite-metanol de 1:4, 1:7 y 1:9).
En la Figura 2 Se observan las producciones de biodiesel bajo las diferentes relaciones estequiometria aceite-alcohol evidenciando mayor transformación de los ácidos grasos a biodiesel con la relación molar 1:9 (aceite-alcohol). Este resultado significa que por ser una grasa de origen animal contiene ácidos grasos saturados, lo cual se ha corroborado con la experimentación.
Conclusiones
El proceso de obtención de biodiesel tuvo un rendimiento del 56% que equivale a 112 ml de biodiesel a partir de 200 ml de aceite extraído de vísceras de pescado, este rendimiento se obtuvo con el porcentaje más alto de catalizador planteado (0,7% p/p) y con la relación molar 1:9 aceite-alcohol; la relación molar óptima para la transesterificación de aceites vegetales es 6, pero si hay un contenido de ácidos grasos saturados como es el caso de las grasas animales, la relación optima es de 9:15 (Hong, 2012).
La densidad del biodiesel se encuentra en los rangos estipulados por la NTC 5444; esta es muy tenida en cuenta para los parámetros de funcionamiento del motor, potencia y consumo del combustible, por tanto es conveniente que el biodiesel sea más denso, para compensar en parte su menor contenido de energía por unidad de masa.
El índice de refracción del biodiesel es de 1,3023. La viscosidad del biodiesel obtenido se encuentra en el rango establecido por la normatividad colombiana (NTC 5444) que establece un rango de viscosidad cinemática entre 1.9 – 6.0 mm2/s.
En comparación con la Norma EN 14214-03, ASTM D 6751-08, el biodiesel procedente de aceite de pescado cumple con los requisitos exigidos encontrándose dentro del rango exigido.
De acuerdo con el análisis de varianza realizado entre las tres relaciones molares aceite-alcohol, se concluye que la relación molar si tiene influencia en la producción de biodiesel, encontrando diferencias significativas (P>0.05) entre las relaciones estequiometrias con un 95% de confianza. Sin embargo, con el fin de determinar cuáles medias son estadísticamente diferentes de otras se realizó la prueba de Tukey HSD para cada parámetro por cada relación molar aceite-alcohol empleada, mostrando que para todos los parámetros existen diferencias significativas (P >0.05). En el caso de la relación estequiometria aceite-alcohol 1:9, si existen diferencias significativas entre todas las relaciones molares estudiadas, es decir, el tratamiento empleado (relación molar aceite-alcohol 1:9) influye significativamente en la mayor obtención de biodiesel (P= 0.062).
La extracción de aceite de vísceras de pescado por el método de calentamiento de los tejidos arrojó un rendimiento del 78,65%; su utilización a nivel industrial puede ser adecuada por sus bajos costos y facilidad de operación. La caracterización de las vísceras de pescado demuestra que poseen un alto porcentaje de material graso ideal para la producción de biodiesel.
Se hizo necesaria la refinación del aceite crudo por su alto contenido de ácidos grasos libres lo cual se traduce en conversión de jabones y agua en el proceso de transesterificación.
El rendimiento en la reacción de transesterificación del aceite de vísceras de pescado usando metanol (CH3OH) e hidróxido de sodio (NaOH) como catalizador fue del 56%. El porcentaje obtenido de glicerina en la fase de transesterificación fue del 44%.
Agradecimientos
Los autores manifiestan sus agradecimientos al piscicultor Oscar García Ruiz de la Asociación de piscicultores del norte del Tolima ASOPISCINORTE. A la Universidad del Tolima y a la Universidad de Ibagué por el apoyo financiero del proyecto.
Literatura citada