Estudo de viabilidade da produção de biodiesel via esterificação de óleo ácido

Abstract

Resumo: O biodiesel é uma alternativa sustentável aos combustíveis fósseis amplamente utilizados no mundo inteiro, como o carvão, petróleo e gás natural, que além de estarem em relativa escassez, são os principais agentes poluidores ambientais. A produção de biodiesel pela rota etílica é ambientalmente vantajosa, já que o etanol pode ser obtido em fontes biorrenováveis e ainda, sendo o Brasil um dos maiores produtores mundiais de etanol, essa rota também é economicamente atrativa. Diversos processos industriais geram um óleo rico em ácidos graxos livres como resíduo, que necessita passar por processos de separação para retirar os ácidos graxos livres e torná-lo apto à reutilização, descarte ou venda. Porém ao utilizar este óleo ácido para a obtenção do biodiesel, seria possível fazer esta separação através da esterificação da parte ácida seguida da transesterificação da parte neutra restante. Este processo substitui outros de separação que seriam necessários e que são normalmente muito caros. Assim um resíduo industrial torna-se um produto com maior valor agregado. Para desenvolver o processo proposto, primeiramente foi realizado o estudo cinético da esterificação de três ácidos graxos diferentes (láurico, esteárico, oleico) com álcool etílico empregando ácido sulfúrico como catalisador. Também foi estudada a cinética da esterificação de uma mistura de ácido láurico com óleo de soja refinado (Bunge), simulando um óleo ácido. As proporções de 10 % e 40 % de ácido graxo para óleo de soja (m/m) foram analisadas. E por fim, foi realizado o estudo cinético da esterificação do etanol com um óleo residual composto por vários tipos de ácidos graxos, com diferentes tamanhos de cadeia e graus de saturação. Nesses estudos foram avaliados os efeitos dos parâmetros: temperatura (40 a 70 ºC), razão molar álcool:ácido graxo (1:1 a 12:1) e quantidade de catalisador (0,33 a 0,66 % em relação a massa reacional total). Assim, foi observado que o comportamento das cinéticas de esterificação de diferentes ácidos graxos são semelhantes, obtendo uma conversão máxima de aproximadamente 90 % com qualquer ácido graxo estudado em temperaturas acima de 40 ºC em até 6 horas de reação. O modelo cinético foi proposto e os parâmetros cinéticos foram estimados e implementados no simulador Aspen Plus para desenvolvimento e simulação do processo combinado de esterificação e transesterificação. O fluxograma proposto mostrou que este processo combinado tem potencial técnico e econômico para ser uma alternativa viável para a produção de biodiesel através de um óleo ácido. O modelo cinético foi ajustado com os dados cinéticos da esterificação do ácido láurico, e foi extrapolado com sucesso para predizer o comportamento cinético de todos os ácidos graxos estudados, inclusive do óleo ácido residual.

Abstract: Biodiesel is a sustainable alternative to fossil fuels widely used worldwide, such as coal, oil and natural gas, which despite being in relative scarcity, are responsible for much of the environmental pollution. The production of biodiesel by ethanolysis is environmentally advantageous as ethanol can be obtained from biorenewable sources. And it is also an economically attractive route, since Brazil is one of its largest producers. Several industrial processes end up producing some waste, like oily streams with high levels of free fatty acids. This stream needs to pass through separation processes for removing the free fatty acids in order to make it suitable for reuse, disposal or sale. By using this acid oil for biodiesel production, it would be possible to avoid greater expenses in the separation process, through esterification of the acid part followed by transesterification of the remaining neutral part. Moreover, this waste acid oil may become a product with higher added value. In order to develop the proposed process was first carried out a kinetic study of the esterification of three different fatty acids with ethanol employing sulfuric acid as catalyst. It was also studied the esterification kinetics of a mixture of lauric acid with a refined soybean oil (Bunge-Brazil) to represent an acid oil. The proportion of 10 % and 40 % of fatty acid to soybean oil (w/w) were evaluated. Finally, experiments were performed with the esterification reaction of ethanol and an animal tallow residue composed of different types of fatty acids, which differ in the length of the chain and degree of saturation. These studies evaluated the effects of the following parameters: temperature (40 °C to 70 °C), molar ratio ethanol to free fatty acid (1:1 to 12:1) and quantity of catalyst (0.33 to 0.66 % related to the total reactional mass). It was observed that the kinetic behavior of different esterification of fatty acids is similar, obtaining maximum conversion around 90 % with any of the fatty acids studied at temperatures above 40 °C within 6 hours of reaction. The kinetic model was proposed and the kinetic parameters were estimated and these were implemented in the simulator Aspen Plus for the development and simulation of the combined process of esterification and transesterification. The flowsheet proposed showed that the combined process has technical and economical potential to be an alternative to biodiesel production using acid oil. The kinetic model was fitted with the kinetic data of the esterification of lauric acid and was successfully extrapolated to predict the kinetic behavior of all the fatty acids studied, including residual acid oil.