Obtenção e caracterização de biocombustíveis a partir da transesterificação etílica do óleo de soja

Abstract

Resumo: O uso de derivados de petróleo como fonte energética é uma prática amplamente disseminada no mundo moderno. Entretanto, a maior parte de sua produção está centralizada em alguns poucos países. Isso significa que a oferta dessa matéria-prima é regulada pelos interesses econômicos dos países produtores, ou seja, o volume de produção e, consequentemente, o preço do produto, variam de acordo com a sua situação político-econômica. Essa prática acaba sendo extremamente danosa à economia de muitos países, principalmente aqueles em desenvolvimento e que ainda são muito dependentes do petróleo. Os problemas advindos dessa dependência excessiva, aliados à ciência de que a oferta desse produto é finita, tem motivado diversas pesquisas com o intuito de se encontrar fontes energéticas alternativas. Uma das propostas mais iminentes e atuais diz respeito à utilização de óleos vegetais ou de seus derivados como alternativa econômica e ambientalmente correta ao óleo diesel automotivo. Assim, o presente trabalho teve o objetivo de determinar os parâmetros de otimização do processo de produção de ésteres etílicos a partir de óleo de soja degomado e, também, de desenvolver um método analítico para a determinação e controle do rendimento da reação. A etapa de otimização foi baseada na utilização de um planejamento fatorial, onde se observou o efeito de três fatores cinéticos sobre o rendimento do processo: razão molar álcool :óleo, concentração do catalisador (KOH) e temperatura da reação. O acompanhamento das cinéticas e a determinação dos rendimentos de reação foram realizados por cromatografía de exclusão e por espectroscopia no infravermelho associada à técnicas de calibração multivariada (IVTF-CMV). Com base na análise cromatográfica, o processo como um todo apresentou um desvio padrão relativo de ± 1,61%, o que demonstra que os procedimentos adotados são reprodutíveis e que, portanto, assim o são os resultados obtidos. A técnica IVTF-CMV, desenvolvida para possibilitar um controle efetivo da xii reação, também apresentou alta confiabilidade, o que se verificou pelo excelente índice de correlação apresentado para com a técnica cromatográfica (r2 igual a 0,984). Essa nova técnica apresenta-se como uma alternativa analítica mais simples e barata à cromatografía, embora tão eficiente quanto, e que ainda apresenta a possibilidade de ser aplicada no controle in situ do processo. As condições consideradas ótimas para a transesterificação etílica de óleo de soja degomado foram aquelas em que a razão molar álcoolróleo era 12:1 (m/m), a concentração do catalisador de 0,8% em relação à massa de óleo e a temperatura de 40°C, de onde se obteve uma taxa de conversão de 94% em massa de éster. Com respeito aos parâmetros cinéticos testados, observou-se uma limitação na variação entre razão molar álcoolróleo e concentração de catalisador acima da qual uma diminuição no rendimento em éster foi observada. Ainda se observou que o emprego de temperaturas próximas à de ebulição do álcool tem efeito negativo sobre o rendimento, isto é, que maiores rendimentos podem ser obtidos se o processo for conduzido à temperaturas em torno de 30°C a 40°C. Experimentos demonstraram que o óleo de fritura pode também ser utilizado como matéria-prima para a produção de ésteres etílicos, já que foram observados rendimentos em éster semelhantes aqueles obtidos para o óleo degomado. Finalmente, o processo otimizado nesse estudo foi testado em experimentos com ampliação de escala de 43 vezes, sendo que os resultados obtidos demonstraram boas perspectivas de transferência para o setor produtivo. Dessa maneira, pode-se afirmar que o processo de transesterificação etílica do óleo de soja é um processo perfeitamente viável, desde que alguns cuidados sejam tomados em relação à maximização dos rendimentos de reação.

Abstract: In Brazil, as in many other countries, the first oil crisis in 1973 led to political initiatives to deal with the new situation. One such initiative was to allocate funds for the development of alternative motor fuels. Initially, this program was very broad in its character, dealing with various types of raw material, studying different conversion techniques to make different fuels. In all of its diversity, the focal point to be mentioned here was the program carried out to develop vegetable oils and their derivatives for fuels applications. This direction of research received governmental funding up to 1985, when it was discontinued, from economic considerations of the cost of making biofuels from biomass compared to a fossil fuel derived process. In recent years, ever since the Middle East crisis initiated a new cycle, the concept of producing biofuels from renewable resources regained international attention. In a direct attempt to contribute to this process, several projects were initiated in our country to evaluate the production of biodiesel from agro-commodities available nationwide, that is, ethanol and vegetal oils. In this work, the production of ethyl esters from crude soybean oil has been optimized and new analytical methods for process control have been designed to facilitate the in situ evaluation of reaction yields. The optimization study developed herein was based in an experimental design, in which three process parameters were assessed in two leves (23 experimental design): the ethanokoil molar ratio used for transesterification, the concentration of the alkaline catalyst (KOH) and the reaction temperature. The reaction yields were initially monitored by size exclusion chromatography (SEC) and, at the latter stage of the project, by Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR). This method was successfully developed to allow for a direct monitoring of the reaction yields inside the transesterification vessel, providing an easy method to follow the reaction kinetics. The optimal conditions for the one-step transesterification of crude soya oil with ethanol, in which an ester yield of 94% was obtained, were: ethanol:oil molar ratio of 12:1, KOH concentration of 0,8% in relation to the oil mass and reaction temperature of 40°C. These conditions were shown to be adequate for the transesterification of used cooking oil as well, and a first scale up experiment, carried out by a factor of 43 in relation to the bench scale, was also proven perfectably feasible. In respect to the experimental design, there was a certain limitation in increasing both the ethanokoil molar ratio and the concentration of the alkaline catalyst (KOH) for further expanding the reaction yields. Also, for reactions carried out for more than 20 minutes, temperatures above 40°C were detrimental to the amount of ester produced. In this regard, since the reaction was always carried out in one step, it seems that yields could be increased if a two-step transesterification strategy is included. The ethyl esters produced in this work were proven very appropriate for fuels applications. The viability of the process now depends on a further scale up to a pilot plant level, whereby a suitable cost assessment will indicated how far are we from implementing this process in our country.