Abstract

Introduction. Jatropha curcas L. (JC) is a multipurpose species with biological, pharmacological, and industrial applications. Its oil is recognized by the dominant composition of oleic-linoleic fatty acids that make it suitable as biofuel in internal combustion engines, without making major changes to the engine design. Objective. To identify in the oil of five JC genotypes in Colombia the cetane, peroxide, iodine, the acidity value, the calorific value indixes and to verify if they comply with standards for biodiesel production. Materials and methods. An experiment was carried out in Espinal, Colombia, in a randomized complete block design with five treatments and three repetitions. The treatments consisted of five JC genotypes. The fruit from the fifth harvest in 2015 was used. Five fatty acids (oleic, linoleic, linolenic, palmitic, and stearic) and five chemical properties (cetane index, acidity, peroxide, iodine, and calorific value) were determined from the oil. Results. The oil from the five JC genotypes evaluated in Colombia presented a lipid profile with a predominance of monounsaturated (oleic C18: 1) and polyunsaturated (linoleic C18: 2) fatty acids. The JC genotypes evaluated in Colombia presented a low cetane, peroxide, and iodine indexes, low acidity, and high calorific value. Conclusions. The properties of cetane and iodine indexes, of the genotypes evaluated complied with the specifications of the American Society for Testing and Materials (ASTM) and the European Norm for biofuel production, so they are classified as appropriate raw material for biofuel production.

Introducción

El agotamiento gradual de los combustibles de origen fósil, indica que para cubrir la demanda energética a nivel mundial será necesario el uso de otras energías alternativas renovables con la ventaja de una reducción sustancial de la contaminación ambiental y el calentamiento global (Abobatta, 2019; Achten et al., 2008; Soliman & He, 2015). La calidad de un aceite se determina por las propiedades químicas y físicas; sin embargo, las propiedades químicas basadas en el perfil de ácidos grasos y algunos índices químicos (cetano, acidez, peróxido y yodo) son las más importantes (Abobatta, 2019).

Cada especie vegetal tiene uno o dos ácidos grasos específicos dominantes, por ejemplo: la palma africana (Elaeis guineensis) está asociada con el ácido palmítico, la higuerilla (Ricinus communis) con el ricinoleico, el coco (Cocos nucífera) con el láurico, la oliva (Olea europaea), cacahuate (Arachis hypogaea) y el sésamo (Sesamum indicum) con el oleico, la colza (Brassica napus) con el behénico y eurícico, el cacao (Theobroma cacao) con el esteárico y palmitoleico, el algodón (Gossypium hirsutum), el cártamo (Carthamus tinctorius) y el lino (Linum usitatissimum) con el linoleico y la Jatropha (Jatropha curcas) con el oleico y linoleico. No obstante, la composición de estos en cada especie puede variar según el genotipo, las condiciones de clima y el manejo agronómico como la nutrición y el riego (Benatti et al., 2004).

La composición de los ácidos grasos, longitud de la cadena de carbono y el grado de saturación e insaturación, además de modular las propiedades del biodiésel, determinan algunas propiedades químicas del aceite como los índices de cetano, peróxido y yodo, y el valor de acidez (García-Dávila et al., 2014), las cuales repercuten en las propiedades del biodiésel, en los procesos de la transesterificación, en el funcionamiento de los motores diésel y en el almacenamiento del producto (Aminul et al., 2012; Zhu et al., 2016).

El aceite de palma africana (Elaeis guineensis) es el referente de los biocombustibles de primera generación, por su alta productividad de aceite (2 t ha-1 año-1) (Rincón & Martínez, 2009); no obstante, este presenta contenidos bajos de ácido linoleico, bajo índice de cetano y acidez baja, que repercuten en un bajo desempeño en propiedades de flujo en frío (Jain & Sharma, 2011).

Jatropha curcas (JC), además de presentar la ventaja de la composición de sus ácidos grasos que lo hacen apto como combustible, tiene fácil adaptación en áreas con suelos con limitaciones nutricionales y baja precipitación, lo cual le da más ventajas sobre aceites obtenidos de otros vegetales (Abobatta, 2019). Los reportes a nivel mundial destacan el aceite de JC como materia prima para la producción de biodiésel, por sus características fisicoquímicas (Martínez-Díaz et al., 2017; Martiñón et al., 2018; Wani et al., 2012), que ha mostrado tener mejor constitución en su perfil lipídico del aceite, calificado como oleico-linoleico con predominancia de ácidos grasos insaturados (monoinsaturados y poliinsaturados), constitución que le confiere al biodiésel un mejor desempeño en propiedades de flujo en frío (Campuzano-Duque & Cardeño-López, 2020). En condiciones de Colombia, JC mostró un desempeño productivo con un costo de US$1,07 (Caribe seco) y US$1,24 (Valle interandino), en comparación con el costo del aceite de palma africana de US$0,89 (Campuzano-Duque et al., 2020).

Los altos contenidos de ácido oleico y linoleico encontrados en los genotipos colombianos (Campuzano-Duque & Cardeño-Lopez, 2020), están asociados con un alto índice de cetano y buena estabilidad oxidativa del biodiésel, dos características indicadoras de la calidad del producto (Nascimento et al., 2015). La acidez está considerada como una de las propiedades químicas más importante de un aceite y su valor está asociado con el proceso de transesterificación (Azees et al., 2019); valores bajos, menores al 1 % como es el caso del aceite de los genotipos de JC estudiados en Colombia, son considerados óptimos para una transesterificación directa, a diferencia de los valores altos que con frecuencia son reportados en otros estudios (superior al 4 %), esta cualidad hace que el biodiésel obtenido pueda ocasionar deterioro a los elementos metálicos del motor y provoca corrosión, oxidación, decapado y daños a los inyectores (García-Muentes et al., 2018; Okullo & Noah, 2017); por esta razón, el aceite requiere de una transesterificación ácida para disminuir el porcentaje de ácidos libres, seguida de una transesterificación alcalina (García-Muentes et al., 2018; Verma et al., 2019).

En Colombia, aun no se han caracterizado las propiedades químicas del aceite de JC en los genotipos de la colección Jatropha Colombia. Por ello, se realizó esta investigación con el objetivo de identificar en el aceite de cinco genotipos de JC en Colombia los índices de cetano, peróxido y yodo, el valor de acidez, el poder calorífico y verificar si cumplen con las normas internacionales para producción de biodiésel.

Materiales y métodos

Localización

El experimento en campo fue realizado en el Centro de Investigación Nataima, de la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA), ubicado en el municipio del Espinal, departamento del Tolima, Colombia, con una localización de 04º 09’ latitud norte y 74º 53’ longitud oeste. Se encuentra a una altura de 323 msnm, con una temperatura promedio de 29 ºC, precipitación anual de 1380 mm, humedad relativa promedio de 74 %.

Diseño experimental

Se utilizó un diseño de bloques completos al azar con cinco tratamientos y tres repeticiones. Los tratamientos se constituyeron por cinco genotipos denominados CJC3, CJC4, CJC7, CJC8, CJC9, que hacen parte de la Colección Jatropha Colombia, en custodia de AGROSAVIA, conformada por cuatrocientos accesiones colectadas por AGROSAVIA en el año 2008. Estos genotipos fueron seleccionados durante la cosecha del año 2014 por su alto rendimiento (Campuzano-Duque et al., 2020). La unidad experimental se constituyó de veinte plantas, establecidas a una distancia de siembra de 3 x 2 m.

Preparación de la muestra

La cosecha se realizó en el año 2015, a los 36 meses de establecido el cultivo, en 20 plantas y 50 frutos por planta con coloración amarilla-café, de acuerdo con el índice de color del epicarpio (Campuzano & Cardeño, 2017). De forma manual, se realizó la separación de los componentes del fruto en: cáscara, semilla y almendra. De la almendra se obtuvo el aceite por el método Soxhlet (Jensen, 2007), descrito así: se pesaron entre 8 a 10 g de la semilla molida de Jatropha, los cuales se llevaron a un cartucho soxhlet con su respectivo montaje que tenía hexano como solvente de extracción; el sistema se llevó hasta una temperatura de 70 ºC y se dejó durante 12 h. Se verificó durante todo el tiempo la recirculación continua del solvente y, de esta manera, garantizar que todo el aceite fuera extraído. Una vez terminado el tiempo de extracción definido, se desmontó el sistema soxhlet y se separó el extracto, mediante destilación al vacío en un rotoevaporador. En este proceso se recuperó todo el solvente (que puede ser empleado en otro proceso de extracción).

Determinación de ácidos grasos y propiedades químicas de aceite

Se determinaron cinco propiedades en el aceite: a) índice de cetano: se utilizó la ecuación de regresión con un ajuste del modelo R2=0,953 (Sánchez-Borroto et al, 2012) a partir del perfil de cinco ácidos grasos: CI (índice de cetano) = 0,342 (linoleico) + 0,427 (linolénico) + 0,561 (oleico) + 0,742 (palmítico) + 0,858 (esteárico) y expresado en cetanos. Los ácidos grasos se determinaron por cromatografía GC-MS y CG-FID en los cinco genotipos de JC para los ácidos grasos oleico (monoinsaturado), linoleico y linolénico (poliinsaturado), palmítico y esteárico (saturados); b) valor de acidez: calculado con base en los establecido por ASTM D974, proceso que implicó el uso de un estándar volumétrico de KOH, junto con un disolvente de valoración y una solución indicadora (ASTM D974) para determinar la cantidad total, medida en mg de KOH que fueron necesarios para neutralizar los ácidos libres presentes en 1 g de aceite; c) índice de peróxido: determinado por valoración, tal como se describe en Ekop et al. (2007), se expresó como los miliequivalentes (meq) de peróxido por kg de aceite; d) índice de yodo: determinado por el método 993,20 AOAC (Association of Oficcial Analytical Chemists, 1990), calculado con la fórmula índice yodo (IY)=(VB-VM) x N (Tiosulfato) x 0,127 g meq-1 x 100, donde VB= volumen de tiosulfato de sodio gastado en la valoración de blanco y VM= volumen de tiosulfato de sodio gastado en la valoración de la muestra, el resultado se expresó en mg g-1 y, e) poder calorífico: determinado con el uso de un calorímetro (bomba oxígeno IKA200; 30 bar y 97,7 % oxígeno) y la aplicación del procedimiento descrito en ASTM E711-87.

Análisis estadístico

Con los datos de las variables determinadas se verificaron los supuestos teóricos del análisis de varianza: 1) la prueba de Shapiro & Wilk (1965), para la homogeneidad de varianza, 2) análisis individual de varianza y 3) comparación de medias, que se realizó con la prueba de Tukey (p=0,01). Los procedimientos y análisis estadísticos se realizaron con el programa SAS versión 9.4 (Statistical Analysis Systems Institute, 2016).

Resultados

El factor genotipo en las variables ácidos grasos oleico, linoleico, linolénico y palmítico, presentaron diferencias significativas (α<0,05) y no significativas para esteárico y diferencias significativas para los parámetros de índices de cetano, peróxido y yodo, acidez y poder calorífico. Los coeficientes de variación en todos los casos no superaron el 10 %, lo cual indicó buen grado de confiabilidad de los datos.

La participación de ácidos grasos en el aceite de los genotipos de JC fue mayor en los monoinsaturados (oleico) y poliinsaturados (linoleico). Los valores de ácido oleico variaron entre 47,93 % (CJC3) y 40,38 % (CJC9); mientras que los del ácido linoleico estuvieron entre 35,89 % (CJC3) y 28,91 % (CJC9), en ambos casos diferentes estadísticamente (α<0,05). En menor proporción se obtuvieron los ácidos palmítico y esteárico (saturados) y linolénico (poliinsaturado); en el caso del palmítico los valores variaron entre 13,44 % (CJC3) y 11,19 % (CJC9), el esteárico varió entre 8,26 % (CJC3) y 7,05 % (CJC9) y el linolénico estuvo entre 0,26 % (CJC3) y 0,17 % (CJC9), diferente estadísticamente (α<0,05). CJC9 fue el genotipo que presentó los menores valores para todos los ácidos grasos determinados (Cuadro 1).

Cuadro 1 Valores promedio de ácidos oleico, linoleico, linolénico, palmítico y esteárico del aceite de cinco genotipos de Jatropha curcas. Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015. Table 1. Average values of oleic, linoleic, linolenic, palmitic, and stearic acids in oil of five Jatropha curcas genotypes. Corporacion Colombiana de Investigacion Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015. Cuadro 1 Valores promedio de ácidos oleico, linoleico, linolénico, palmítico y esteárico del aceite de cinco genotipos de Jatropha curcas. Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015.

El índice de cetano como índice relativo de la mayor o menor inflamabilidad de un biocombustible para motores de combustión interna (tipo diésel), presentó los valores más altos e iguales estadísticamente entre sí, en los genotipos CJC3 (56,34), CJC4 (54,81) y CJC7 (51,18) y los de menor valor con los genotipos CJC8 (46,97) y CJC9 (49,99), sin diferir estos dos últimos estadísticamente. El valor de acidez presentó valores de 0,72 mgKOH g-1 para el genotipo CJC3 y 0,52 mgKOH g-1 para el genotipo CJC9, diferentes estadísticamente (p=0,05) (Cuadro 2). El índice de peróxido presentó valores que variaron entre 3,66 meq kg-1 (CJC3) a 2,81 meq kg-1 (CJC9), los cuales fueron diferentes estadísticamente (α<0,05; Cuadro 2).

Cuadro 2 Comparación de las medias de los índices de cetano, peróxido y yodo, acidez, y poder calorífico del aceite de cinco genotipos de Jatropha curcas. Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015. Table 2. Average comparison of cetane, peroxide and iodine indexes, acidity, and calorific power of the five Jatropha curcas genotypes oil. Corporacion Colombiana de Investigacion Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015. Cuadro 2 Comparación de las medias de los índices de cetano, peróxido y yodo, acidez, y poder calorífico del aceite de cinco genotipos de Jatropha curcas. Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015.

El índice de yodo, como una medida de los ácidos grasos insaturados, presentó el mayor valor con el genotipo CJC3 con 97,25 mg g-1 y el menor valor 87,97 mg g-1 con el genotipo CJC9 (Cuadro 2). El poder calorífico presentó el mayor valor con el genotipo CJC4 con 47 117 J g-1 y el menor con el genotipo CJC9 con 40 853 J g-1, ambos resultados diferentes estadísticamente (p=0,05; Cuadro 2).

El aceite de los genotipos de JC en este estudio presentó tres veces más de contenido de ácido linoleico, casi el doble del ácido esteárico y tres veces menos de ácido palmítico en comparación con el aceite de palma; esta constitución lipídica del aceite de los genotipos de JC estudiados mostró una superioridad de 1,4 veces más del índice de cetano, dos veces más del valor de acidez y 1,7 veces más en el índice de peróxido y yodo, en comparación con el aceite de palma; el poder calorífico del aceite de JC fue superior al aceite de palma de aceite (Cuadro 3).

Cuadro 3 Comparación del perfil lípidico y propiedades químicas de Jatropha curcas y Elaeis guineensis (Palma de aceite). Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015. Table 3. Comparison of the lipidic profile and chemical properties of Jatropha curcas and Elaeis guineensis (Oil Palm). Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015. Cuadro 3 Comparación del perfil lípidico y propiedades químicas de Jatropha curcas y Elaeis guineensis (Palma de aceite). Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA). Espinal, Colombia. 2015. Rincón & Martínez (2009)

Discusión

Los valores de los ácidos grasos en el aceite de los genotipos estudiados, coincidieron con los perfiles lipídico del aceite de JC reportados a nivel mundial (Akbar et al., 2009; Falasca & Ulberich, 2008; Martiñón et al., 2018; Salih & Yahia, 2019; Verma et al., 2019), lo cual indicó que es un aceite con predominancia de ácidos grasos monoinsaturados (oleico C18:1) y poliinsaturados (linoleico C18:2), perfil lipídico que le confiere propiedades químicas al aceite para mayor estabilidad en la oxidación y menor punto de fusión, lo que podría contribuir a que el biodiésel elaborado presente mejor comportamiento de flujo en ambientes fríos (Sarin et al., 2007; Verma et al., 2019).

En relación con el índice de cetano, en Jatropha curcas, por su naturaleza aún silvestre, en proceso de mejoramiento genético (Campuzano et al., 2016), los valores reportados en otras investigaciones presentaron valores amplios entre 38,0 y 51,0 cetanos con una media de 46,3 cetanos (Achten et al., 2008). No obstante, los resultados encontrados en este estudio para este parámetro fueron cercanos con la media de 46,3 cetanos reportada por Achten et al. (2008) y similares a los reportados por otros investigadores de 51,0 (Xuan Ho et al., 2020), 57,1 (Sarin et al., 2007); 58,4 (Knothe & Steidely, 2005); 57,4 (Sarin et al., 2007) y 54,2 a 56,5 (Verma et al., 2019). Contrario a lo anterior, con resultados inferiores a lo encontrado en Colombia, se encontraron reportes por Rodríguez-Acosta et al. (2010) de 43,0 cetanos y por Azeez et al. (2019) de 41,0 cetanos. El aceite de JC en Colombia ha mostrado valores de este índice que están dentro del rango para el funcionamiento apropiado del aceite en motores diésel y cumplen con los estándares internacionales de 47-65 (ASTM D6751) o 51 (EN 14214) (Knothe & Steidely, 2005). No obstante, los motores diésel lentos exigen combustibles con índice de cetano comprendido entre 30 y 50, mientras que los diéseles rápidos los necesitan de 55-70.

La acidez del aceite de JC es una propiedad química que presenta una alta variación con una amplitud de 0,92 a 6,16 mg KOH g-1 y una media de 3,0 mg KOH g-1 (Rodríguez-Acosta et al., 2010). En este trabajo, el aceite de los genotipos de JC estudiados los valores de índice de acidez variaron entre 0,54 y 0,72 mg KOH g-1, datos que fueron menores a los valores reportados por otros estudios en el aceite de JC con 2,73 mg KOH g-1 (García-Muentes et al., 2018), 4,24 mg KOH g-1 (Adebowale & Adedire, 2006), 4,56 mg KOH g-1 (Azeez et al., 2019; Ikyenge et al., 2019), 12,78 mg KOH g-1 (Ong et al., 2013) y 22,76 mg KOH g-1 (Mehmood et al., 2019) y un caso atípico con un valor significativamente alto de 27,78 mg KOH g-1 (Aigba et al., 2021). En todos los casos, el índice de acidez del aceite de los cinco genotipos estudiados estuvo cercano a los límites permisibles en las normas ASTM D6751 y EN 14214 para biodiésel (Sanjid et al., 2013). Los valores hallados de acidez pueden ser aceptados para incluir el aceite como materia prima para la producción de biodiésel con catálisis alcalina, puesto que no se requieren pretratamientos.

Los valores obtenidos de índice de yodo expresado en mg g-1, estuvieron dentro del rango reportado por Atchen et al. (2008) de 92-112 con una media de 101. Asimismo, estos tuvieron similitud con los valores reportados de 93,0 (Azam et al., 2005), 96,0 (Naresh et al., 2012), 82,0-98,0 (Belagur & Chitimi, 2013), 90,0 (Crane et al., 2005) y 99,20 (Azeez et al., 2019), pero fueron diferentes a otros trabajos que mostraron resultados de 75,2 (Ansari et al., 2011), 71.5 (Azam et al., 2005), 106,1 (Ikyenge et al., 2019), 111,6 (Adebowale & Adedire, 2006), 103,0 (Marutani et al., 2018), 110,0 (Ita et al., 2018), hasta valores más disímiles de 177,63 (Mehmood et al., 2019) y 216,2 (Akminul et al., 2013). Cuando el índice de yodo es bajo (26 a 48), el aceite está saturado y tiende a solidificarse, pero si aumenta de 94 a 135, el nivel de insaturaciones aumenta en las cadenas carbono, el aceite permanece líquido y esto repercute en la viscosidad. Los valores encontrados en este estudio fueron menores al promedio reportado para JC de 101 (Achten et al., 2008) e indican el grado de insaturación, potencial oxidativo y estabilidad del aceite y/o biodiésel; por lo tanto, es indicativo de que el aceite de los cinco genotipos estudiados tuvo calidad apropiada con base en la especificación europea de biodiésel (EN 14214) que limita el valor máximo de yodo a 120 (Atadashi et al., 2010; Ong et al., 2011).

El índice de peróxido ha mostrado valores en meq kg-1 desde 0,30 (Ita et al., 2018), 3,5 (Adebowale & Adedire, 2006), hasta 11,50 (Mehmood et al., 2019). Los cinco genotipos estudiados en el presente trabajo, presentaron resultados para este parámetro menores a 5,0, considerado apropiado, ya que valores superiores a 5,0 pueden repercutir en la formación de polímeros de alto peso molecular (gomas), que podrían ocasionar problemas en el funcionamiento del motor.

En JC se reportó un valor de poder calorífico expresado en J g-1 que varió entre 37 830 a 42 050, con una media de 39 630 (Achten et al., 2008). Los resultados obtenidos en la presente investigación, concordaron con los reportes de 38 200 a 39 660 (Augustus et al., 2002; Pramanik, 2003), 39 250 (Sahoo & Das, 2009), 38 500 (Sahoo & Das, 2009), 39 230 (Ong et al., 2011), 41 397 (Ong et al., 2011), 39 100 a 43 000 (Belagur & Chitimi, 2013), 39 730 (Xuan Ho et al., 2020) 42 000 a 45 900 (Sanjid et al., 2013), 39 000 a 41 000 (Oliveira & Da-Silva, 2013), 38 500 a 40 100 (Nwokocha & Adegbuyiro, 2017) y 38 240 (Jonas et al., 2018). Contrario a lo anterior, se conoce de un reporte donde el poder calorífico del aceite de JC fue menor con un valor de 19 280 J g-1 (Kethobile et al., 2020). Sobresalió, el poder calorífico del genotipo CJC4 de 47 117, superior al del diésel y keroseno de 45 843, carbón de 33 000, madera de 22 000 y soya-colza de 39 500 (Oliveira & Da-Silva, 2013).

Las propiedades químicas favorables del aceite de JC, además de su constitución lipídica oleico-linoleico, el biodiésel derivado del aceite de los genotipos estudiados tuvo buena estabilidad oxidativa (Verma et al., 2019) y menor punto de fusión y mejor desempeño en frío, así como mayor poder de ignición del biodiésel (Knothe, 2009), en comparación con aceites como el de palma.

Conclusiones

El aceite de los cinco genotipos de JC evaluados en Colombia, presentaron dominancia de los ácidos grasos monoinsaturados (oleico C18:1) y poliinsaturados (linoleico C18:2). Sobresalió el bajo índice de acidez de todos los genotipos, que lo hace adecuado para el proceso de producción de biodiésel sin requerir pretratamientos.

El aceite de todos los genotipos estudiados cumplió con los parámetros de cetano y yodo requeridos por las normas ASTM y EN para el biodiésel, razón por la cual se consideran apropiados para la elaboración de este biocombustible.