Biodiesel, hacia un futuro energético más verde

Tema: El ritmo de vida actual hace necesario el uso de grandes cantidades de combustibles incrementando la necesidad de mayor volumen de producción. Sin embargo, debido a los efectos del cambio climático por la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmosfera, existe una clara necesidad de pasar de los combustibles fósiles a fuentes de energía renovables o más amigables con el ambiente. Es aquí donde los biocombustibles como el biodiésel son una excelente opción para el futuro. El biodiésel es un combustible renovable que reduce las emisiones de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarburos y partículas a la atmósfera. En esta revisión, te explicaremos un poco más sobre qué es el biodiésel, cómo se produce y que ventajas tiene con respecto a los combustibles fósiles.

1. Introducción.

El cambio climático representa uno de los mayores desafíos de nuestro tiempo, causado en gran parte por la quema excesiva de combustibles fósiles que libera gases de efecto invernadero a la atmósfera. Hay evidencia abrumadora que confirma que la actividad humana es la causa principal del cambio climático, cuyas consecuencias afectan la producción de alimentos, los patrones migratorios y la estabilidad económica y política global. Esta situación ha generado un acuerdo global sobre la necesidad urgente de cambiar hacia fuentes de energía más limpias y sostenibles. Entre las opciones disponibles, los biocombustibles destacan por su capacidad para disminuir la contaminación y ofrecer nuevas formas de obtener energía. En especial, el biodiésel ha ganado importancia como una alternativa viable al diésel tradicional, ya que proviene de materiales naturales, es menos tóxico y puede utilizarse en motores diésel sin necesidad de modificaciones (Liu et al., 2021). En este contexto, los biocombustibles como el biodiésel ofrecen una opción interesante para cuidar el ambiente. El biodiésel es un tipo de combustible renovable que se obtiene a partir de materiales naturales como aceites vegetales, grasas animales o algas. Su gran ventaja es que, al usarse en lugar del diésel tradicional, ayuda a reducir contaminantes como el monóxido de carbono, el dióxido de carbono y otras partículas dañinas que afectan el aire que respiramos. Además, es una alternativa más sostenible porque puede producirse con recursos que se regeneran y no depende del petróleo. Su fabricación se logra mediante procesos químicos, en el que los aceites naturales se transforman en biodiésel y glicerina, utilizando alcohol y un catalizador para facilitar la reacción (Elgharbawy et al., 2021).

En los últimos años, el interés por el biodiésel ha crecido en gran medida por sus beneficios ambientales y por su potencial para impulsar economías locales mediante la producción descentralizada de energía. Esta capacidad de generar combustible a partir de recursos regionales fomenta la seguridad energética y puede impulsar sectores agrícolas e industriales, ofreciendo oportunidades sostenibles en contextos rurales y urbanos. A diferencia de los combustibles fósiles, el biodiésel es biodegradable, no tóxico y puede ser producido localmente, lo que lo convierte en una opción atractiva para reducir la dependencia de los combustibles convencionales (Fargione et al., 2008; Duran, 2020). La historia del biodiésel se remonta a finales del siglo XIX, primeros años del XX, cuando se realizó la primera experimentación con aceites vegetales en motores. El primer uso documentado de aceite vegetal como combustible para un motor diésel se produjo en la Exposición Mundial de París de 1900, cuando se utilizó aceite de maní para impulsar uno de los motores diésel expuestos (Knothe, 2010). El primer automóvil producido en serie, el Ford modelo T, funcionaba con etanol derivado del maíz. Sin embargo, a medida que la producción de automóviles se fue industrializando a principios del siglo XX, se hizo evidente que el sistema de producción de etanol ya no podía satisfacer la creciente demanda de combustible para los motores de combustión interna (Liu et al., 2021). Por consiguiente, su uso se limitó por mucho tiempo debido a los parámetros técnicos y económicos. Desde entonces, numerosos estudios han subrayado sus ventajas medioambientales, tales como, la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. A pesar de sus beneficios, la producción de biodiésel enfrenta varios desafíos, entre ellos, el impacto ambiental, los costos de producción y la competencia por tierras agrícolas, ya que algunas materias primas utilizadas para obtenerlo, como el maíz o la soya, también se cultivan para alimentar a la población. Sin embargo, con el avance de tecnologías innovadoras y normativas que promueven el uso de biocombustibles, el biodiésel tiene un futuro prometedor en el ámbito energético. Estos biocombustibles se pueden clasificar en naturales, de primera generación, de segunda generación y de tercera generación (Duran, 2020).

2. Producción de biodiésel.

En un mundo que busca reducir su impacto ambiental sin renunciar a la forma de vida moderna, el biodiésel surge como una alternativa práctica e inmediata. Este biocombustible permite avanzar hacia una movilidad más limpia sin necesidad de reinventar los motores actuales. El uso de biodiésel ha ganado gran atención porque puede usarse en motores diésel sin ninguna modificación. Para su producción existen varias estrategias a partir de diversas materias primas (Duran et al., 2020).

Figura 1: Producción de biodiésel a partir de diferentes materias primas: a) cultivos como el maíz, soja o caña de azúcar; b) residuos de lignocelulosa como la madera; c) microorganismos como microalgas. c) Producción industrial por el proceso de pirólisis y transesterificación.  d) Distribución para su uso en vehículos con motores a diésel.

2.1 Materias Primas para la producción de biodiésel: El biodiésel de primera generación se preparó utilizando como materia prima cultivos comestibles como maíz, soja y caña de azúcar. Estos materiales mostraron un bajo rendimiento y requieren grandes cantidades de agua y suelo, lo que implica competir con recursos esenciales para la producción de alimentos y otras necesidades humanas. El biodiésel de segunda generación se produjo principalmente utilizando como materia prima lignocelulosa, como paja, heno, residuos de madera y otros productos no alimentarios, sin embargo, su procesamiento implica el uso de grandes cantidades de energía. Finalmente, el biodiésel de tercera generación se produce a partir de microalgas, que producen lípidos mediante la fijación de carbono durante la fotosíntesis y tienen un rendimiento de lípidos de hasta el 70%. Esta materia prima ha resultado ser muy interesante puesto que las microalgas viven en el agua, no ocupan tierras de cultivo y pueden ser cultivadas en grandes cantidades en espacios pequeños (Zhang et al., 2022).

2.2 Producción (pirólisis y transesterificación): Para obtener biodiésel se usan principalmente dos procesos: la pirólisis y la transesterificación. La pirólisis consiste en calentar aceites o grasas sin la presencia de oxígeno para romper sus moléculas grandes en otras más pequeñas que pueden transformarse en combustible. Por otro lado, la transesterificación es el método más común y práctico. En este proceso los aceites se mezclan con alcoholes como el metanol o etanol, junto con una sustancia que acelera la reacción (como hidróxido de sodio o potasio) que es un catalizador de la reacción química, para convertirlos en biodiésel y glicerina. Este método es más sencillo y rentable, y permite producir biodiésel de forma eficiente. El metanol suele ser el alcohol más utilizado por su disponibilidad y buen rendimiento (Ishak y Kamari, 2019).

3. Beneficios del Biodiésel.

El biodiésel se ha posicionado como una opción estratégica dentro del panorama de energías renovables, particularmente en el transporte, debido a su capacidad para reemplazar al diésel convencional sin alterar los motores existentes (Duran et al., 2020). Esta compatibilidad técnica representa una ventaja significativa, ya que permite su uso inmediato sin grandes inversiones en infraestructura. Además, el biodiésel puede mezclarse en distintas proporciones con combustibles fósiles, lo que facilita su integración progresiva en los mercados actuales (Ishak y Kamari, 2019). Otro beneficio clave es su versatilidad: puede obtenerse a partir de una amplia gama de materias primas, desde aceites vegetales hasta residuos orgánicos o microalgas, lo que permite adaptar su producción a los recursos disponibles en distintas regiones (Zhang et al., 2022). Su uso contribuye, además, a reducir las emisiones de gases contaminantes, promueve el aprovechamiento de residuos y fomenta el desarrollo de economías circulares más sostenibles (Demirbas, 2009).

4. Desafíos en la Producción de Biodiésel

La producción de biodiésel es una alternativa prometedora dentro de las energías renovables. Sin embargo, la implementación y expansión de su producción se enfrenta a varios desafíos significativos. Para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero y, al mismo tiempo, satisfacer la demanda mundial de combustible, los avances en la tecnología de biocombustibles como el biodiésel, deben centrarse en: 1) la optimización de la tecnología actual de producción de biocombustibles para lograr una mayor productividad y eficiencia en la conversión de biomasa; 2) la diversificación de las materias primas para garantizar la viabilidad de la producción de biocombustibles dentro de las limitaciones ecológicas y económicas existentes (por ejemplo, la fijación de carbono a través de medios fotosintéticos y electroquímicos, así como la conversión de biorresiduos en productos de valor agregado); y 3) la expansión del espacio químico hacia moléculas de diseño que mejoren la economía y el rendimiento del combustible al tiempo que reducen las emisiones de carbono. Es necesario dedicar grandes esfuerzos a superar las barreras tecnológicas y a integrar factores sociales, económicos y ambientales para proporcionar sistemas de producción confiables, rentables y a largo plazo para la industria de los biocombustibles (Liu et al., 2021).

4.1 Suministro Insuficiente de Materias Primas: Los biocombustibles de primera generación requieren fertilización, agua y suelo, por lo que compiten directamente con la producción de alimentos. Así mismo, las estrictas regulaciones en algunos países sobre la aplicación de pesticidas y la siembra de cultivos modificados genéticamente limitan aún más su uso para la producción con este fin. Para mitigar estas deficiencias, se empezaron a utilizar los biocombustibles de segunda generación que se derivan de restos lignocelulósicos no comestibles de plantas, que consisten en hasta un 70% de azúcares polimerizados y constituyen la forma más abundante de biomasa en la Tierra, ya que se generan a partir de residuos agrícolas y forestales como astillas de madera blanca. Estos biocombustibles son atractivos porque su huella de carbono neta (carbono emitido – carbono consumido) puede ser neutra o incluso negativa. Sin embargo, el uso de lignocelulosa (por ejemplo madera) para la producción de biocombustibles requiere una extracción energética y financieramente costosa de azúcares fermentables, como el pretratamiento térmico, químico y/o bioquímico (Liu et al., 2021).

4.2 Costos de Producción: Los costos de producción del biodiésel, a menudo, superan los de los combustibles fósiles, debido a factores como el tipo de materia prima empleada, el método de recolección y la eficiencia del proceso industrial. En México, por ejemplo, producir un litro de biodiésel a partir de aceites usados puede costar entre 11.10 y 13.70 pesos mexicanos, mientras que si se utilizan grasas animales como el sebo de res, el costo puede ascender hasta los 18.22 pesos por litro (REMBIO, 2016; Infobae, 2024). En contraste, los precios promedio de venta al público del diésel convencional en México alcanzaron los 24.67 pesos por litro en 2024, lo que sugiere que, a pesar de sus mayores costos de producción, el biodiésel podría representar una alternativa económicamente competitiva cuando se consideran los precios finales al consumidor. En muchos casos, el biodiésel depende de subsidios gubernamentales para ser competitivo en el mercado (Knothe, 2010).

4.3 Eficiencia de Conversión: Uno de los principales retos en la producción de biodiésel es mejorar la eficiencia con la que los aceites vegetales y las grasas animales se transforman en combustible útil. El proceso más utilizado para lograrlo se llama transesterificación, una reacción química en la que los triglicéridos (componentes de las grasas y aceites) se combinan con un alcohol, como el metanol, en presencia de una sustancia que acelera la reacción, llamada catalizador. El resultado es biodiésel (ésteres metílicos) y un subproducto llamado glicerina (Ishak y Kamari, 2019). Aunque esta técnica se emplea regularmente a nivel industrial por su simplicidad y buenos resultados, aún tiene limitaciones que afectan su eficiencia y sostenibilidad.

La presencia de humedad o ácidos grasos libres en los aceites puede interferir con la reacción, disminuyendo la cantidad de biodiésel producido o generando compuestos no deseados. Por eso, los investigadores están desarrollando nuevos tipos de catalizadores, como los heterogéneos (que no se mezclan con los reactivos) y los enzimáticos (basados en proteínas naturales), que permiten una mejor separación del producto final (Elgharbawy et al., 2021). Además, están surgiendo métodos innovadores como la transesterificación asistida por ultrasonido, microondas o incluso en condiciones supercríticas (altas presiones y temperaturas), que aceleran la reacción, aumentan el rendimiento y reducen el consumo de energía (Zhang et al., 2022).

Otro aspecto importante es el uso de materias primas alternativas, como aceites de cocina usados o grasas animales de baja calidad. Aunque requieren procesos de limpieza o pretratamiento, estas fuentes reducen costos y aprovechan residuos que, de otro modo, se desperdiciarían. Por eso, cuando hablamos de eficiencia de conversión además de referirnos a la cantidad de biodiésel que se obtiene, también nos referimos a qué tan viable y sostenible es el proceso en términos económicos, ambientales y sociales (Demirbas, 2009; Liu et al., 2021).

4.4 Impacto Ambiental: Aunque se considera que el biodiésel es menos contaminante que los combustibles fósiles, su producción puede llevar a efectos adversos sobre el medio ambiente. El uso de productos químicos en el cultivo de materias primas puede resultar en la contaminación del suelo y del agua. Además, el cambio de uso de la tierra para la producción de biodiésel puede liberar carbono y otros gases, lo que reduce sus beneficios ambientales (Knothe, 2010). Ante estas limitaciones, los investigadores han puesto su atención en fuentes alternativas como las microalgas, que no requieren suelos agrícolas ni grandes extensiones de tierra fértil. Su uso representa una oportunidad para producir biodiésel de forma más sostenible y con un menor impacto ambiental.

5. Producción de biodiésel a partir de microalgas:

El biodiésel derivado de microalgas es una de las alternativas más prometedoras a los combustibles fósiles ¿la razón?, estas diminutas plantas acuáticas tienen un alto contenido de lípidos, crecen rápidamente y pueden desarrollarse en entornos no convencionales, lo que las convierte en una fuente sostenible y eficiente de energía renovable. A diferencia de cultivos tradicionales como la caña de azúcar, el maíz o la soja, las microalgas pueden generar una cantidad significativamente mayor de biomasa por unidad de superficie. Además, su producción no compite con la agricultura destinada a la alimentación, lo que refuerza su papel como una solución viable para la transición energética (Zhang et al., 2022). Entre las especies más estudiadas para la producción de biodiésel destacan Chlorella, Nannochloropsis y Botryococcus braunii, conocidas por su gran capacidad de acumulación de lípidos (Elgharbawy et al., 2021). Lo más interesante es que, su cultivo no requiere tierras agrícolas fértiles: pueden crecer en aguas residuales, salinas o en sistemas cerrados como fotobiorreactores. Esto optimiza su producción, y al mismo tiempo ayuda a reducir el impacto ambiental y el uso excesivo de recursos naturales (Liu et al., 2021).

Figura 2: Producción de biodiésel a partir de microalgas a través del uso de bioreactores.

El proceso de producción de biodiésel a partir de microalgas involucra varias etapas clave: La cosecha de la biomasa en donde se recolectan las algas cultivadas, la extracción de lípidos que significa retirar los aceites de las microalgas mediante métodos mecánicos o químicos, y finalmente la conversión de los aceites en biodiésel con un proceso llamado transesterificación. En este proceso, los lípidos se transforman en compuestos llamados ésteres metílicos de ácidos grasos y son el principal componente del biodiésel. En los últimos años, han surgido enfoques innovadores para hacer este proceso más eficiente y ecológico. Métodos como la extracción asistida por microondas o el uso de enzimas están en desarrollo para reducir costos y minimizar el impacto ambiental (Ishak y Kamari, 2019). La cantidad de lípidos que acumulan las microalgas depende de factores como la luz, la temperatura y los nutrientes disponibles. Un método ampliamente estudiado para aumentar la producción de grasas es la limitación de nitrógeno, que aunque favorece la acumulación de lípidos, puede disminuir el crecimiento de las microalgas (Demirbas, 2009).

Por otro lado, el uso de aguas residuales y sistemas de cultivo en circuito cerrado ofrece una alternativa sostenible, ya que permite reciclar nutrientes y reducir costos operativos, además de minimizar el impacto ambiental (Liu et al., 2021). Sin embargo, a pesar de su enorme potencial, la producción de biodiésel a partir de microalgas todavía enfrenta desafíos importantes, principalmente los altos costos operativos y la optimización de la cosecha y extracción de lípidos. Para superar estas barreras, se están desarrollando tecnologías emergentes como los fotobiorreactores de circuito cerrado y los modelos de biorefinería integrada, que buscan mejorar la eficiencia y reducir costos (Fargione et al., 2008). Además, el aprovechamiento de residuos industriales como fuente de nutrientes es una estrategia interesante para hacer esta tecnología aún más viable y sostenible (Duran, 2020).

El biodiésel derivado de microalgas es una alternativa ecológica e innovadora a los combustibles fósiles. Sin embargo, para que pueda implementarse a gran escala, es necesario continuar optimizando las tecnologías de cultivo, extracción y conversión. Con avances en ingeniería biológica, reducción progresiva de costos y apoyo en políticas energéticas sostenibles, este biocombustible tiene el potencial de convertirse en el protagonista de la transición hacia un modelo energético más limpio y renovable. A medida que la investigación y la inversión en biotecnología avanzan, las microalgas podrían pasar de ser una promesa a una realidad tangible en la lucha contra el cambio climático y la búsqueda de independencia de los combustibles fósiles (Knothe, 2010).

6. Conclusiones y perspectivas futuras para el biodiésel y los biocombustibles.

Aunque el biodiésel posee un gran potencial como fuente de energía renovable, su producción enfrenta varios desafíos que requieren atención. Así mismo, es necesario dedicar esfuerzos importantes no solo a superar las barreras tecnológicas, sino también a integrar los factores sociales, económicos y ambientales para proporcionar sistemas de producción a largo plazo, rentables y confiables para la industria de los biocombustibles. Abordar estos problemas no solo mejorará la viabilidad económica del biodiésel, sino que también asegurará que contribuya de manera efectiva al desarrollo sostenible y a mitigar los efectos del cambio climático al reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Referencias:

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Duran, S.K. (2020). A review on oil extraction and biofuels production from various materials. Mater. Today Proc., 26, 261-265. doi: 10.1016/J.MATPR.2019.11.223

Elgharbawy, A.S., Wagih, S.A., Olfat, O.M. y  Mosaad, K.A. (2021). A REVIEW ON BIODIESEL FEEDSTOCKS AND PRODUCTION TECHNOLOGIES. Journal of the Chilean Chemical Society, 66(1), 5098-5109. doi: 10.4067/S0717-97072021000105098

Fargione, J., Hill, J., Tilman, D., Polasky, S. y Hawthorne P. (2008). Land clearing and the biofuel carbon debt. Science, 319(5867), 1235-8. doi: 10.1126/science.1152747.

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Ishak, S. y Kamari A. (2019). A review of optimum conditions of transesterification process for biodiesel production from various feedstocks. Int. J. Environ. Sci. Technol. 16, 2481-2502. doi: 10.1007/s13762-019-02279-6

Knothe, G. (2010). Biodiesel and renewable diesel: A comparison. Progress in Energy and Combustion Science, 36, 364–373. doi: 10.1016/j.pecs.2009.11.004  

Liu, Y., Cruz-Morales, P., Zargar, A., Belcher, M.S., Pang, B., Englund, E., Dan, Q., Yin, K. y Keasling J.D. (2021). Biofuels for a sustainable future. Cell, 184(6), 1636-1647. doi: 10.1016/j.cell.2021.01.052.

REMBIO. (2016). Estudio del estado del arte y determinación del potencial de producción de biodiesel a partir de aceites residuales de cocina en México. Secretaría de Energía - Fideicomiso de Ahorro de Energía Eléctrica (FIDE). Recuperado de https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/275444/

Zhang, S., Zhang, L., Xu, G., Li, F. y Li X. (2022). A review on biodiésel production from microalgae: Influencing parameters and recent advanced technologies. Front. Microbiol., 13, 970028. doi: 10.3389/fmicb.2022.970028

Foto de portada: galdzer a través de canva.