Produção e análise de biodiesel do óleo frito

Produção e análise de Biodiesel de óleo residual

usado em frituras

Por Carlos Augusto C. Kramer (IC - PET) Laboratório de Química Orgânica aplicada

Artigo de Base

Aspectos técnicos da produção e análise de biodiesel a partir deóleo de cozinha - Uma revisão

Revista Elsevier

Conteúdo

•Introdução;•Óleo vegetal como combustível em motores a Diesel;•Óleo vegetal;•Reação de Transesterificação; •Biodiesel produzido a partir de óleo usado em frituras; • Transesterificação catalisada por álcalis;•Preparo do óleo antes da Transesterificação;•Efeitos de parâmetros da reação no rendimentos de biodiesel;•Processamento e purificação do Biodiesel;•Análise do biodiesel obtido;•Viabilidade econômica do Biodiesel;•Biodiesel no Brasil;•Conclusões.

Introdução

A humanidade nunca esteve tão dependente de energia, pois esta é vital a nossa existência, além dos confortos que ela nos oferece.

Aonde olharmos a energia estará evolvida.

Introdução

Contudo as fontes tradicionais de energia não conseguem mais atender à demanda cada vez maior, e tendem ao fim. É o que está acontecendo com o petróleo, uma fonte finita e extremamente danosa ao meio ambiente, pois a combustão de seus derivados desequilibram o ciclo do carbono, além de poluírem o solo e a atmosfera.

Introdução

Introdução

Por tais motivos, a busca por novas fontes de energia deve ser constante, e nesse aspecto o biodiesel pode se tornar bastante vantajoso por vários benefícios, como ser renovável, biodegrabilidade, controle do ciclo do carbono, baixa toxidade, possuir alto ponto de fulgor (que garante mais segurança no armazenamento/transporte) e mínima emissão de óxido de enxofre.

Contudo a maior crítica à produção deste bicombustível é a competição injusta com a produção de gênero alimentícios voltados à alimentação, como a soja e milho. Nesse aspecto à produção de biodiesel a partir do óleo usado em frituras se torna uma possibilidade alternativa a ser avaliada.

Óleo vegetal como combustível em motores a Diesel

Numa exibição mundial em Paris (1900), Rudolf Diesel (imagem) testava óleo vegetais, como o de amendoim, para sua ignição do seu novo motor de compressão.

Mas com o barateamento dos derivados refinados do petróleo o uso de óleo vegetal era inviável

Óleo vegetal

O óleo vegetal consiste basicamente em uma mistura de ácidos graxos livres e

triglicerídeos .

Estrutura de um ácido Graxo Estrutura de um triglicerídeo

Reação de Transesterificação

O óleo vegetal bruto pode ser utilizado em motores, contudo causa inúmeros problemas, tais como saponificação do material e formação de borras. Para superar esses problemas o óleo vegetal pode passar vários tipos de tratamentos, um deles é a reação de transesterificação, que consiste em reagir óleo ou gorduras animais com um álcool de cadeia curta, produzindo ésteres alquílicos (biodiesel) e o glicerol.

Reação de Transesterificação

Mecanismo da Reação de transesterificação não catalisada

Triglicerídeo + 3 Álcool ------ 3 Ésteres Alquílicos + Glicerol

Biodiesel produzido a partir de óleo usado em frituras

O óleo usado em frituras muitas vezes acaba sendo descartado, poluindo o meio ambiente e contaminado águas do solo e de rios.

Um destino mais nobre para esse óleo usado é a sua transformação em energia limpa – biodiesel.



Contudo um dos grandes problemas é o alto custo de produção em comparação aos derivados de petróleo, ou grande desafio de se usar o óleo usado em frituras, são suas diferentes propriedades em comparação ao óleo virgem de antes da fritura. Pois ao ser aquecido, o óleo em contato com a água (proveniente da comida) acaba por sofrer reações de hidrólise , formando ácidos graxos livres que têm um efeito negativo na reação.

Hidrólise do óleo (triglicerídeo)


Os ácidos graxos livres aumentam consideravelmente a densidade do óleo por causa da formação de mono e diglicerídeos, além de aumentarem o nível de saponificação da reação em presença de catálise básica, com Hidróxido de sódio ou de potássio.

Mecanismo da reação de Saponificação


O método aplicado na produção de biodiesel do trabalho publicado não foge ao método convencional de transesterificação, usando catálise alcalina, ácida e enzimática. Contudo, devido a grande riqueza de detalhes abordaremos neste seminário apenas a catálise alcalina, já que é a mais utilizada no meio industrial.

Transesterificação catalisada por álcalis

As reações foram conduzidas usando Metanol e Hidróxido de sódio (catálise)

O uso de catálise básica na transesterificação deve ser rigidamente controlada, pois esta juntamente com a umidade presente no óleo favorece a reação de saponificação, que além de consumir o óleo, aumenta a viscosidade e gera emulsões entre o biodiesel e o glicerol.

Alguns fatores foram investigados

•Temperatura de reação (30, 45, 50, 60 e 65 °C);•Quantidade de Metanol em relação ao óleo;•Quantidade Hidróxido de sódio (m/m) em relação ao óleo; (0,1% 0,5% e 1,0%)

Hidróxido de sódio (soda cáustica) usado como catalisador


Todas estas reações foram realizadas usando irradiação de microondas , investigando se a conversão (óleo/biodiesel) é acelerada. E De fato foi o que aconteceu, o tempo da reação é reduzido cerca 10 vezes em comparação ao método convencional de transesterificação. Os melhores resultados com rendimento teórico de 94% foram obtidos à temperatura de 60 – 65%, 0,5% (m/m) de catalisador e duas vezes a quantidade estequiométrica de metanol, atingindo conversão de 94,5% (óleo/biodiesel) em apenas 20 minutos de reação.

Outra vantagem do uso de irradiação de microondas é a possibilidade de conversão completa de ácidos graxos livres em biodiesel, contudo são necessários altas temperaturas e pressão, além da alta equivalência molar do álcool em relação ao óleo.


Esquema do Reator Contínuo de Microondas

Preparo do óleo antes da Transesterificação

A análise mostra que, na maioria dos cas0s, o óleo usado está misturada à partículas sólidas e água, nesse sentido um pré aquecimento do óleo (para eliminação da água) e uma filtração simples, já são suficientes para se obter um óleo transesterificável. Contudo, em casos mais raros, dependendo do tipo de fritura a que o óleo foi submetido, os produtos da decomposição da fritura causam danos ao óleo, que levam a formação de produtos indesejados e rendimento reduzidos dos ésteres alquílicos.

O artigo relata vários tipos de pré-tratamentos possíveis para o óleo usado em frituras, como Cromatografia por coluna, filtração à vácuo, evaporação de água e neutralização de ácidos graxos livres, além de vários outros tipos de tratamentos ainda não descritosna literatura.

Efeitos de parâmetros da reação no rendimentos de biodiesel

A reação de transesterificação envolve alguns parâmetros críticos que influenciam o rendimento final. Estes parâmetros não influenciam apenas a transesterificação do óleo de cozinha usado, mas para óleos em geral. As variáveis mais relevantes são:

•Ácidos graxos livres e água presente no óleo;•Temperatura da reação;•Tipo de catalisador;•Concentração de catalisador;•Agitação das moléculas envolvidas na reação;•Uso de co-solventes na separação dos ésteres.

Processamento e purificação do Biodiesel

Separação do Biodiesel

Após o fim da reação, o biodiesel está misturado ao excesso de metanol, glicerol, resto de catalisador. A separação destes ocorrerá pela gravidade, gerando uma mistura de duas fases, o biodiesel está na fase superior. As impurezas na matéria prima, assim como a formação de sabão podem gerar emulsões que comprometem a separação, nestes casos deve-se passar por um tratamento com solução saturada cloreto de sódio ou centrifugação para quebrar as emulsões.

O funil decantação,

separa o biodiesel.Glicerol resultante de uma

transesterificação


Recuperação do excesso de álcool

Para deslocar o equilíbrio da reação para o lado dos produtos, ou seja, para aumentar a conversão óleo/biodiesel, deve-se aumentar a quantidade de álcool. Obviamente sobrará álcool não reagido no fim da reação, e por fins econômicos deve-se recuperá-lo.

O método mais comum para se recuperar o álcool, a através da evaporação deste nas fases do glicerol e do biodiesel em um rota-evaporador rotativo, ou através de destilação, seguindo os diferentes pontos de ebulição.

Rotaevaporador Rotativo


Lavagem do Biodiesel

A lavagem do biodiesel é um procedimento bastante significativo para se obter um produto de boa qualidade, pois elimina resto de catalisador homogêneo, resto de álcool impregnado no biodiesel e no glicerol, sabão (no caso de catalisador alcalino) e impurezas em geral. Dos métodos de lavagem, destacam-se lavagem simples: Lava-se o biodiesel com água destilada, adicionada lentamente sobre o biodiesel, arrastando todas impurezas solúveis em água. Neste momento o biodiesel apresenta a uma turbidez, que vai se desfazendo com o tempo de decantação, caso isso não ocorra,deve-se lavar com solução saturada de cloretode sódio.

Esquema de lavagem do biodiesel


Secagem do Biodiesel

Após as lavagens terminarem e o biodiesel adquirir uma coloração mais translúcida, deve-se iniciar a secagem do biodiesel, que serve para eliminar os últimos resquícios de água. Existem dois meio de se secar o biodiesel:

•Aquecer o biodiesel por determinado tempo até toda água evapore – uma das vantagens deste método é que elimina de vez a presença de álcool que evapora junto à água;

•Fazer uso de agentes secantes, que são geralmente sais, como o sulfato de sódio anidro (Na2SO4) ou sulfato de magnésio anidro (MgSO4), deixando estes em contado com o biodiesel por algumas horas, estes sais se hidratam em Na2SO4.10H2O e em MgSO4.7H2O, secando o biodiesel.

Após a secagem filtra-se o biodiesel, e elimina-se estes sais hidratados, obtendo o biodiesel pronto para o consumo.

Análise do biodiesel obtido

Vários métodos de análise são possíveis para avaliar misturas contendo ácidos graxos livres, ésteres alquílicos, mono-, di-, e triglicerídeos obtidos na reação de transesterificação, tais como Cromatografia gasosa (gas chromatograph – GC), Cromatografia por camada delgada (thin layer chromatography - TLC), cromatografia líquida de alta eficiência (high performance liquid chromatography - HPLC).

Contudo, no laboratório geralmente se utiliza muito cromatografia por camada fina e gasosa

Cromatógrafo a gás

Análise do biodiesel obtido

Cromatografia por camada fina (TLC)

A Cromatografia por camada fina é um método analítico que consiste em arrastar um eluente nas amostras através de uma camada fina de sílica numa plaqueta de vidro. Nas amostras foi usado uma mistura de hexano/éter dietílico/ácido acético como eluente, acompanhando a reação pelo tempo.

A cromatografia mostra presença mínima de ácidos graxos livres, mono-, di-, triglicerídeos.

Viabilidade econômica do Biodiesel

Vários fatores interferem na viabilidade econômica do biodiesel, como o custo do petróleo bruto, transporte e impostos aos derivados do petróleo. É óbvio que o custo destes também estão ligados a oferta e a procura. Um ponto a favor do biodiesel são os futuros regulamentos mais rigorosos sobre os compostos com enxofre e aromáticos presentes no diesel de petróleo.

Atualmente o biodiesel custa mais caro que o diesel de petróleo, contudo o óleo usado em frituras como matéria prima pode ser uma opção para baratear o preço do biodiesel, além das vantagens ecológicas com a destinação do óleo usado para produção de energia limpa.

Biodiesel no Brasil

Conclusões

O uso de irradiação de microondas é bastante viável para reduzir o tempo reacional, contudo, o controle inadequado da temperatura pode degradar o biodiesel. Na reação são comumente utilizados o Metanol e Etanol, justamente por causa do menor custo, há poucos estudos significativos sobre o uso de outros alcoóis. O biodiesel foi caracterizado através da determinação da densidade, valor de viscosidade, teor calórico, índice de cetano, ponto de fulgor. As propriedades características do biodiesel são mesmas que produziu a partir de óleos virgens e são geralmente semelhantes aos do diesel de petróleo.

O Biodiesel tem adquirido importância como candidato para substituir o diesel de petróleo, principalmente por suas vantagens ecológicas, contudo o custo e a disponibilidade de matéria prima são os principais desafios . E nesse sentido o uso de óleos usados em frituras para a transesterificação pode se tornar vantajoso. Mas ainda é preciso driblar os efeitos negativos do óleo usado.

Referências

•C.C. Enweremadu; M.M. Mbarawa - Technical aspects of production and analysis of biodiesel from used cooking oil—A review, Elsevier 2009;

• Gerhard Knothe; Jon Van Gerpen; Jürgen Krahl; Luis Pereira Ramos – Manual do Biodiesel – Editora Bluncher;

• Regina Geris; Nádia Alessandra Carmo dos Santos; Bruno Andrade Amaral; Isabelle de Souza Maia; Vinicius Dourado Castro e José Roque Mota Carvalho - BIODIESEL DE SOJA – REAÇÃO DE TRANSESTERIFICAÇÃO PARA AULAS PRÁTICAS DE QUÍMICA ORGÂNICA, Química Nova.

Engineering

Produção e análise de biodiesel do óleo frito