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MICHELLE MENDES DA ROCHA GOMES
PRODUO DE BIODIESEL A PARTIR DA
ESTERIFICAO DOS CIDOS GRAXOS
OBTIDOS POR HIDRLISE DE LEO RESIDUAL
DE PEIXE
EQ/UFRJ
SETEMBRO DE 2009
II
PRODUO DE BIODIESEL A PARTIR DA
ESTERIFICAO DOS CIDOS GRAXOS
OBTIDOS POR HIDRLISE DE LEO DE PEIXE
MICHELLE MENDES DA ROCHA GOMES
Tese submetida ao corpo docente do Programa de Ps-graduao em Tecnologia de
Processos Qumicos e Bioqumicos da Escola de Qumica da Universidade Federal do
Rio de Janeiro UFRJ, como parte dos requisitos necessrios obteno do grau de
Mestre.
Orientador: Prof. Dr. Donato A. G. Aranda
Co-Orientador: Prof. Denise Maria Guimares Freire
Rio de Janeiro, RJ Brasil
Setembro de 2009
III
PRODUO DE BIODIESEL A PARTIR DA
ESTERIFICAO DOS CIDOS GRAXOS OBTIDOS
POR HIDRLISE DE LEO DE PEIXE
MICHELLE MENDES DA ROCHA GOMES
Tese submetida ao corpo docente do Programa de Ps-graduao em Tecnologia de
Processos Qumicos e Bioqumicos da Escola de Qumica da Universidade Federal do
Rio de Janeiro UFRJ, como parte dos requisitos necessrios obteno do grau de
Mestre.
Aprovada por:
_____________________________ Orientador
Prof. Dr. Donato A. G. Aranda_____________________________ Co-orientador
Prof. Dr. Denise Maria Guimares Freire
_____________________________ Examinador
Prof. Dr. Nei Pereira Junior
_____________________________ Examinador
Prof. Dr. Marta Antunes Pereira Langone
_____________________________ Examinador
Dr. Luciana Camacho Rodrigues
Rio de Janeiro, RJ Brasil
Setembro de 2007
IV
GOMES, Michelle Mendes da Rocha
Produo de biodiesel a partir da esterificao dos cidos graxos obtidos por hidrlise de leo de peixe / Michelle Mendes da Rocha Gomes Rio de Janeiro 2009.
Dissertao (Mestrado em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos) Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ, Escola de Qumica EQ 2009.
Orientadores: Prof. Dr. Donato A. G. Aranda , Prof. Dr. Denise Maria Guimares Freire
1. Hidrlise de triacilglicerdeos sobre cido nibico. 2. Esterificao de cidos
graxos obtidos por hidrolise. 3. Cintica qumica I. Aranda, Donato Alexandre
Gomes (Orientador), Freire, Denise Maria Guimares (co-Orientador). II. Produo
de biodiesel a partir da esterificao dos cidos graxos obtidos por hidrlise de leo
de peixe
VUm dia sem rir um dia desperdiado.
(Charles Chaplin)
No se acostume com o que no o faz feliz,
Revolte-se quando julgar necessrio.
Alague seu corao de esperanas,
Mas no deixe que ele se afogue nelas.
Se achar que precisa voltar, volte!
Se perceber que precisa seguir, siga!
Se estiver tudo errado, comece novamente.
Se estiver tudo certo, continue.
Se sentir saudades, mate-a.
Se perder um amor, no se perca!
Se o achar, segure-o!
(Fernando Pessoa)
Dedico esta dissertao aos meus
pais, Lcia Regina e Jos Alberto pelo
apoio de sempre, pelos sacrifcios
realizados, e por todo o amor e dedicao
com os quais compartilharam minhas
conquistas. AMO MUITO VOCS!
VI
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Alberto e Lcia meus maiores lderes, que sempre me auxiliaram e me incentivaram na busca de meus sonhos, acreditando sempre
em meu potencial.
minha irm, pelo companheirismo e amizade que j duram 18 anos.
Ao meu av querido, por sempre me defender, me bajular e me enaltecer mesmo quando eu no mereo.
Aos amigos, Daniella, Tati, Ritinha, Vnia e Salo, Andrea e Murilo, que se mostraram amigos pra todas as horas.
As minhas amigas de graduao as MAPs, por alegrarem minha vida com mil e um encontros. Agradeo em especial Amina Potter por mostrar que nem a
distancia capaz de diminuir nossa amizade. Amiga, Obrigada por tudo.
Ao meu namorado, Sidney Augusto de Oliveira Jr., por ser muito mais que um namorado, por seu meu amigo, meu companheiro, meu conselheiro, por me
ajudar, saber me ouvir, por estar presente em minha vida e em minha rotina de
uma maneira que eu jamais pude imaginar. Sou muito feliz por te ter em minha
vida.
Ao meu querido professor e orientador Donato Aranda por sempre estimular, incentivar e auxiliar o meu amadurecimento profissional confiando e
acreditando em mim mesmo quando eu me sentia insegura.
Chaline, Jussara, Leonard, Luana e Mara por todos os momentos maravilhosos que passamos dentro e fora do laboratrio, pelos sorvetes,
cafezinhos, caminhadas na praia, por terem pacincia de me ouvir quando tudo
parecia dar errado. Obrigada por entrarem na minha vida! Sem vocs o
Mestrado seria muito mais triste e difcil.
VII
Ao grupo do Laboratrio Greentec que tornaram meus dias mais alegres e divertidos, em especial ao Reinaldo pela ajuda com os reatores, a Carla e a
Paulinha pela ajuda durante os experimentos mais fedorentos de nossas vidas.
Prof. Denise Freire pela alegria, agilidade, simpatia e profissionalismo.
Ao povo do Laboratrio de Biotecnologia Microbiana, em especial Elisa, Melissa e Matheus meus micro companheiros, Jaque pela ajuda com as
enzimas. todos os demais obrigada pelas boas risadas nos intervalos, e por
me receberem de braos abertos.
Ao Waldemar por facilitar meu trabalho doando o resduo de peixe sempre que foi preciso
Deus, por guiar meus passos, iluminar meus caminhos e me dar foras para lutar sempre.
E a todas as outras pessoas que contriburam de forma direta ou indireta para a realizao deste trabalho.
VIII
RESUMO
GOMES, Michelle Mendes da Rocha. Produo de biodiesel a partir da esterificao dos cidos graxos obtidos por hidrlise de leo de peixe. Orientadores: Donato Alexandre Gomes Aranda EQ/UFRJ e Denise Maria Guimares Freire IQ/UFRJ. Rio de Janeiro: UFRJ/EQ; 2009. Mestrado em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos.
Hoje, devido ao progressivo esgotamento das fontes de combustveis
fsseis, o mundo vive com uma possvel crise energtica conduzindo busca
de combustveis alternativos a partir de fontes renovveis e ambientalmente
corretas. Um combustvel alternativo que vem sendo estudado por
pesquisadores de todo o mundo, o biodiesel. O biodiesel, um combustvel
para motores diesel, feita a partir de fontes biolgicas renovveis como leos
vegetais e gorduras animais. biodegradvel, atxico e benfico para o
ambiente. Nesse contexto, a fabricao do biodiesel de resduos de peixe
contribuir duplamente para uma soluo ambiental, sendo uma alternativa
para a reduo destes resduos que descartados agridem o meio ambiente e
reduzindo a emisso de poluentes na atmosfera. Neste trabalho, foi produzido
um biodiesel proveniente de gordura residual de peixe atravs do processo de
hidroesterificao. Este processo permite o uso de qualquer matria-prima
graxa, transformando-os em biodiesel independente da sua acidez e da
umidade. A hidrlise foi realizada de duas maneiras por via qumica, sob uma
temperatura de 300C, e enzimtica, com o uso de lipases provenientes de
Penicillium simplicissimum. Obtendo-se converses mximas de 93,35% e
88,74%. A Esterificao do cido graxo obtida por via enzimtica foi realizada
sob a condio de 200C, com 15% de concentrao de catalisador (cido
nibico) e razo molar de metanol/ cido graxo de 3,0, atingindo uma
converso mxima de 56,57%. Nas reaes de esterificao dos cidos graxos
obtidos por hidrlise qumica, foram observados os efeitos da razo molar
metanol/cido graxo (1,2; 2,1 e 3), da temperatura (150, 175 e 200C) e da
concentrao de catalisador (5, 10 e 15%) sobre a converso e a taxa inicial da
reao, atingindo uma converso mxima de 92%. Nesta reao os dados
foram observados segundo o planejamento experimental (fatorial 23 com 3
IX
pontos centrais) traado e analisado pelo programa Statistic 7.0. As
concentraes de cidos graxos e steres foram monitorados, nos tempos 5,
10, 15, 20, 25, 30, 45 e 60 minutos, por medidas titulomtricas de acidez. Foi
utilizada tambm, a modelagem baseada em conceitos fenomenolgicos e foi
testada com o intuito de possibilitar a extrapolao das condies e elucidar as
taxas de reao para a esterificao do cido graxo estudado, indicando o
limite superior como mais adequado para o processo.
XABSTRACT
GOMES, Michelle Mendes da Rocha. Production of biodiesel from the esterification of fatty acids obtained by hydrolysis of fish oil. Guiding: Donato Alexandre Gomes Aranda, EQ/UFRJ and, Denise Maria Guimares Freire IQ/UFrRJ. Rio de Janeiro, 2009. Dissertation (Master's degree in Technology of Chemical and Biochemical Processes).
Today, because of the gradual depletion of sources of fossil fuels, the
world lives on a possible energy crisis leading to the search for alternative fuels
from renewable feedstocks and environment friendly. One alternative fuel that is
being studied by researchers from around the world is biodiesel. Biodiesel, an
alternative diesel fuel, is made from renewable biological sources such as
vegetable oils and animal fats. It is biodegradable, nontoxic and environmentally
beneficial. In this context, the making of biodiesel from waste fish materials will
double to an environmental solution, and an alternative to the reduction of
waste discarded that attack the environment and reducing the emission of
pollutants in the atmosphere. In this sense, biodiesel was produced from
residual fish fat through the process of hydroesterification. This process allows
the use of any fatty raw material. These materials are processed into biodiesel
independent of acidity and moisture they hold. The hydrolysis was performed in
two ways by chemical route, under a temperature of 300 C, and enzymatic
one with the use of lipase from Penicillium simplicissimum obtaining maximum
conversion of 93.35% and 88.74%. The esterification of the fatty acid obtained
by enzymatic hydrolysis was performed under the condition of 200 C with 15%
concentration of catalyst (niobic acid) and molar ratio of methanol / fatty acid
3.0, reaching a maximum conversion of 56.57%. In the esterification reactions,
the effects of the molar ratio methanol:fatty acid (1,2; 2,1 e 3), temperature
(150, 175 and 200C) and catalyst concentration (5, 10 and 15% m/m) on
conversion and initial rate of reaction, reaching a maximum conversion of 92%.
This reaction were treated according to experimental design (factorial 23 with 3
central points) designed and analyzed by the Statistic 7.0 software. The
concentrations of fatty acids and ethers were monitored, in the times 5, 10, 15,
XI
20, 25, 30, 45 and 60 minutes, as measured by acidity. It was also used, the
modeling based on phenomenological concepts and was tested with a view to
making extrapolation to the conditions and to elucidate the reaction rates for
esterification of fatty acid studied, indicating the upper limit is more appropriate
for the process.
XII
LISTA DE FIGURAS
Pgina
Figura 2.1.Comparao da composio de diferentes matrias
primas quanto ao seu teor de cidos graxos.5
Figura 2.2 Composio qumica dos triglicerdeos. 11
Figura 2.3 Craqueamento ou Pirlise de leos e gorduras. 14
Figura 2.4 Reao de transesterificao 16
Figura 2.5 Etapas do processo de hidroesterificao. 17
Figura 2.6 Reao da hidrlise. 18
Figura 2.7 Reao de esterificao. 19
Figura 4.1 Reator autoclave. 29
Figura 5.1Curva cintica de produo de cido graxo por hidrlise
enzimtica44
Figura 5.2
Converses das hidrlises qumicas em
diferentes temperaturas sem catalisador e razo molar
leo/gua 1:25.
46
Figura 5.3
Converso das reaes de hidrlise qumica em
diferentes temperaturas com 10% de catalisador e
razo molar leo/gua 1:25.
46
Figura 5.4
Converso das reaes de hidrlise qumica a 200C na
presena e na ausncia de catalisador e razo molar
leo/gua 1:25.
47
Figura 5.5
Converso das reaes de hidrlise qumica a 250C na
presena e na ausncia de catalisador e razo molar
leo/gua 1:25.
48
Figura 5.6
Converso das reaes de hidrlise qumica a 300C na
presena e na ausncia de catalisador e razo molar
leo/gua 1:25.
48
Figura 5.7Curva cintica de produo de biodiesel com cido
graxo proveniente da hidrlise enzimtica51
Figura 5.8Pontos centrais para esterificao do cido graxo
proveniente da gordura residual de leo de peixe 52
XIII
utilizando metanol.
Figura 5.9
Comparao entre os valores preditos x os valores
observados para o modelo global do cido graxo com
metanol anidro.
57
Figura
5.10
Grfico de Pareto para o modelo global do cido graxo
de peixe com metanol.58
LISTA DE TABELAS
XIV
Pgina
Tabela 2.1 Carga poluidora de indstrias instaladas em Niteri. 4
Tabela 2.2 Estruturas qumicas dos cidos graxos mais
comuns.12
Tabela 2.3 Vantagens do etanol sobre o metanol 19
Tabela 2.4Principais caractersticas de lipases produzidas por
fungos do gnero Penicilium.25
Tabela 4.1 Meio de crescimento para P. simplicissimum 30
Tabela 4.2
Nveis para o planejamento fatorial 23 Processo de
esterificao com cidos graxos provenientes da
hidrlise qumica.
34
Tabela 4.3
Matriz de planejamento fatorial 23 para as reaes
de esterificao com acido graxo proveniente da
hidrlise qumica.
35
Tabela 5.1.
Teor de cidos graxos em percentagem presentes
da amostra de leo residual de indstria
pesqueira.
42
Tabela 5.2Hidrlise da gordura residual de peixe em cidos
graxos pela rota enzimtica44
Tabela 5.3Acidez das amostras secas em diferentes temperaturas
sem e com (10% m/m) de catalisador aps 60 minutos.45
Tabela 5.4 Esterificao qumica de cido graxo obtido por
hidrlise enzimtica.50
Tabela 5.5Converses obtidas para o planejamento da reao
com cido de peixe com metanol.51
Tabela 5.6Parmetros dos coeficientes normalizados, seus erros
e desvio padro do modelo de regresso linear.53
Tabela 5.7 Grficos de valores preditos pelo modelo versus
observados experimentalmente para cada tempo.55
XV
Tabela 5.8
Parmetros obtidos para os modelos de regresso
global para as reaes de esterificao dos cidos
graxos de resduo de peixe com o uso do metanol
anidro.
56
Tabela 5.9
Valores das constantes k1, k2, keq, Xeq e resduos
quadrados obtidos no Simulador de Determinao para
Parmetros Cinticos.
59
Tabela 5.10 Grficos dos dados experimentais e simulados de
todos os experimentos realizados.61
XVI
SUMRIO
1. INTRODUO: ....................................................................................................... 1
2. REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................... 3
2.1. A INDSTRIA PESQUEIRA DA BAA DE GUANABARA................................................................ 32.2. DEFINIO DE BIODIESEL...................................................................................................... 52.3. CONTEXTO HISTRICO.......................................................................................................... 72.3. BIODIESEL NO BRASIL .......................................................................................................... 72.4. VANTAGENS DO BIODIESEL ................................................................................................... 92.5. COMPOSIO E ESTRUTURA DE LEOS E GORDURAS.............................................................112.6. PROCESSOS DE PRODUO DO BIODIESEL............................................................................13
2.6.1. Pirlise ou craqueamento trmico .........................................................................142.6.2. Micro- emulsificao................................................................................................152.6.3. Transesterificao....................................................................................................152.6.4. Hidroesterificao ....................................................................................................17
2.7. NIBIO ................................................................................................................................202.8. LIPASES ..............................................................................................................................21
2.8.1. Aplicao das Lipases.............................................................................................222.8.1.1. Na indstria de leos e gorduras .................................................................................. 222.8.1.2. No tratamento de efluentes............................................................................................ 232.8.1.3. Na produo de biodiesel .............................................................................................. 24
2.8.2. Produo de lipases por Penicillium sp. ...............................................................242.9. ANLISE ESTATSTICA (PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL) .......................................................262.10. MODELAGEM CINTICA.......................................................................................................27
3. OBJETIVOS ........................................................................................................... 28
3.1. GERAIS .............................................................................................................................. 283.2. ESPECFICOS.......................................................................................................................28
4. MATERIAIS E MTODOS...................................................................................... 29
4.1. PREPARO DA SUSPENSO DE ESPOROS ............................................................................... 304.2. FERMENTAO NO ESTADO SLIDO (FES): ..........................................................................304.3. OBTENO DO EXTRATO ENZIMTICO BRUTO........................................................................314.4. QUANTIFICAO DA ATIVIDADE LIPSICA ..............................................................................314.5. DETERMINAO DO TEOR DE GUA. .....................................................................................324.6. HIDRLISE ENZIMTICA - GERAO DE CIDOS GRAXOS ...................................................... 324.7. HIDRLISE QUMICA - GERAO DE CIDOS GRAXOS............................................................ 324.8. ESTERIFICAO GERAO DE STERES METLICOS ........................................................... 334.9. PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS..................................................................................... 34
4.9.1. Matriz de planejamento........................................................................................... 344.9.2. Anlise estatstica do planejamento ..................................................................... 364.9.3. Regresso Linear Mltipla Modelo Global......................................................... 36
4.10. MODELAGEM DA REAO DE ESTERIFICAO .................................................................... 374.11. ANLISE DOS PRODUTOS .................................................................................................. 40
4.11.1. Determinao do ndice de acidez Titulometria de Neutralizao................ 40
XVII
5. RESULTADOS ....................................................................................................... 42
5.1. ANLISE DA MATRIA-PRIMA. .............................................................................................. 425.2. DOSAGEM DA ATIVIDADE LIPASE: ........................................................................................ 435.3. REAES DE HIDRLISE ENZIMTICA:.................................................................................. 435.4. REAES DE HIDRLISE QUMICA ........................................................................................ 455.5. REAES DE ESTERIFICAO.............................................................................................. 49
5.5.1. cidos graxos provenientes da hidrlise enzimtica ......................................... 495.5.2. cidos graxos provenientes da hidrlise qumica .............................................. 51
5.6. ANLISE ESTATSTICA DO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL ................................................... 535.7. ANLISE ESTATSTICA DO PROCESSO GLOBAL ..................................................................... 565.8. CINTICA QUMICA DAS REAES ........................................................................................ 58
6. CONCLUSO......................................................................................................... 63
7. SUGESTES ......................................................................................................... 65
8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS....................................................................... 66
11. Introduo:
H algumas dcadas o mundo tem buscado um desenvolvimento
sustentvel, ambientalmente correto, socialmente justo e economicamente
vivel. No entanto, a maior parte de toda a energia mundialmente consumida
provm do petrleo, do carvo e do gs natural que so fontes limitadas e com
previso de esgotamento em um futuro prximo.
Alm disso, os efeitos provocados pelo uso de combustveis fsseis e
toda a questo ambiental de um modo geral, tm sido objeto de discusso pela
comunidade cientfica, rgos governamentais e sociedade, de forma cada vez
mais intensa. Os temas mais freqentes esto relacionados utilizao do
petrleo para a gerao de energia emitindo gases poluentes para a atmosfera
durante a combusto nos motores contribuindo para o efeito estufa e outros
danos vida na Terra. Tais efeitos tendem a se agravar com o aumento da
necessidade por habitao, alimentao e energia, tendo em vista a
expectativa de crescimento da populao mundial para os prximos cinqenta
anos, que pode atingir cerca dos dez bilhes de habitantes, intensificando
ainda mais a preocupao com as questes ambientais (Okkerse e Van
Bekkum, 1999).
Tendo em vista este desequilbrio ambiental em que o mundo se
encontrava, em 1997, foi assinado o Protocolo de Kyoto, que visava uma ao
coletiva entre os pases signatrios, que se comprometeram em reduzir a
emisso dos gases causadores do efeito estufa.
O Brasil, apesar de no estar entre os signatrios, buscou colaborar com
os objetivos mundiais, adotando o uso de energias limpas e renovveis,
visando busca por combustveis alternativos, substituindo o diesel por
biodiesel em motores de combusto interna.
Estudos realizados em 1983 por Pryde e colaboradores mostraram que os
triglicerdeos de leos vegetais e gorduras animais seriam uma alternativa
promissora. Entretanto os principais problemas para o uso direto como
combustveis eram: a alta viscosidade, a baixa volatilidade e capacidade de
lubrificao, a polimerizao durante a estocagem, e a grande quantidade de
resduos de carbono aps a combusto. Por essa razo, o desenvolvimento de
derivados de leos vegetais e gorduras animais mais similares em relao aos
2derivados do petrleo tm sido amplamente estimulados (Fukuda; Kondo e
Enoda; 2001).
Nesse contexto, a produo de biodiesel vem sendo majoritariamente
produzida por transesterificao. de um leo vegetal com um lcool. A
transesterificao industrial ocorre por catlise alcalina gerando
inevitavelmente sabes, exigindo invariavelmente matrias primas semi-
refinadas (mais caras). Este problema, afeta o rendimento e dificultam a
separao da glicerina do biodiesel. Para resolver esse problema, a
transesterificao utiliza grandes quantidades de cidos para quebrar a
emulso, elevando o custo operacional..
O processo de hidroesterificao (hidrlise seguida de esterificao)
uma boa alternativa na produo de biodiesel. Esse processo permite o uso de
qualquer matria prima graxa (gordura animal, leo vegetal, leo de fritura
usado, borras cidas de refino de leos vegetais, entre outros) que ser
totalmente transformada em biodiesel independente da sua acidez e umidade.
Esse um grande diferencial quando comparado ao processo convencional de
transesterificao (Rocha, 2008).
Assim, leos residuais, como o leo de resduos de peixes tornam-se uma
opo para a obteno do biodiesel, j que a produo pesqueira mundial gera
anualmente um montante de aproximadamente 66,5 milhes de toneladas
mtricas de resduos, que implicam em problemas sociais, ambientais e
econmicos. A fabricao do biodiesel utilizando estes resduos de peixe
contribuir duplamente para o ambiente, pois alm de reduzir a liberao
destes resduos para o ambiente, reduziremos tambm a emisso de poluentes
na atmosfera (Arajo, 2008).
Aliado esta biotecnologia no podemos deixar de citar a importncia que
as enzimas vm adquirindo como alternativa catlise qumica no apenas por
no ser ambientalmente correta, mas tambm por trabalharem em condies
mais brandas, proporcionando a diminuio de gastos com energia e
minimizando a degradao trmica dos compostos, alm de evitar a formao
de subprodutos, que posteriormente tero que ser removidos (Castro et al.,
2004; Freire e Castilho, 2000).
32. Reviso bibliogrfica
2.1. A Indstria pesqueira da Baa de Guanabara
Ao longo dos anos, a Baa de Guanabara vem sendo afetada pelo
lanamento de efluentes lquidos de origem domstica e industrial. Em alguns
trechos o acmulo desses resduos resulta em uma alterao significativa na
qualidade das guas, pois sua capacidade de autodepurao inferior
necessria para absorver tal carga orgnica.
As indstrias de processamento de pescado em conserva contribuem de
modo expressivo para o quadro descrito acima. Os despejos industriais
apresentam altas concentraes de matria orgnica, slidos em suspenso e
leos e graxas (O&G), que na maioria das vezes, so lanados na Baa aps
tratamento em grau incompatvel com seu potencial poluidor (Silva e Batista,
2003).
Um estudo realizado pelo Programa de Despoluio da Baa de
Guanabara (PDBG) relata que existem mais de 14.000 indstrias lanando
seus efluentes, dentre elas 26 no atendem a nenhum dos parmetros de
lanamento considerados prioritrios pela Fundao Estadual de Engenharia e
Meio Ambiente FEEMA. Destas 26 empresas que no atendem aos parmetros
de lanamento, seis so indstrias de conservas de pescado (Silva e Batista,
2003).
Na maioria dos casos, os despejos do processamento do pescado so
lanados nos cursos de gua adjacentes s indstrias sem um tratamento
adequado, contribuindo para a poluio do meio ambiente (Aguiar, 1987). Alm
disso, ocorre a reduo do nvel de oxignio dissolvido pela ao de
microrganismos aerbios consumidores da matria orgnica. A presena de
leos e graxas pode formar filmes oleosos na superfcie dos corpos receptores,
impedindo a difuso do oxignio da atmosfera para a gua e causando a morte
da biota.
A localizao espacial dessas empresas um agravante dos problemas
de poluio, particularmente no que se refere ao lanamento de efluentes
lquidos no corpo receptor da Baa de Guanabara. A tabela 2.1 apresenta a
carga poluidora, em termos de matria orgnica biodegradvel, ou seja,
4demanda bioqumica de oxignio (DBO), gerada por indstrias instaladas em
diversas localidades do municpio de Niteri/RJ.
Tabela 2.1. Carga poluidora de indstrias instaladas em Niteri.
Localidade Carga poluidora (kg DBO/dia)
Gardim 4.174
Neves 5.678
Jurujuba 2.025
Barreto/i. Do caju 3.319
Mercado So Sebastio 2.617
Total 17.813
Fonte: Aguiar (1987).
A principal matria prima da indstria de pescado so as sardinhas e os
atuns. As sardinhas so classificadas como pescado de mdio teor oleoso (5
15%) e elevados teores de protenas (15 20%) sendo o componente
majoritrio a gua (70 80%). Entretanto, esta composio mdia varia
significativamente com as estaes do ano e a regio de captura (Silva e
Batista, 2003).
Na figura 2.1, podemos observar as diferentes composies quanto ao
teor de ster das matrias primas hoje utilizadas para a produo de biodiesel,
dentre elas a gordura de peixe que apresenta 28% de sua composio em
mega 3, ou seja cido linolico.
Figura 2.1. Comparao da composio de diferentes matrias primas
quanto ao seu teor de cidos gra
2.2. Definio de Biodiesel
No Brasil, a definio estabelecida pela l
de 2005, na qual o biodiesel o
renovvel para uso em motores a combusto interna com ignio por
compresso ou, conforme regulamento para gerao de outro tipo de energia,
que possa substituir parcial ou totalmente os combustveis de origem fssil.
Esta definio, bastante ampla, inclui diversas opes tecnolgicas como o uso
de:
leos vegetais Misturas binrias leo/diesel, lcool/diesel e steres/diesel; Micro-emulses; Hidrocarbonetos derivados da pirlise de biomassa vegetal como o
bagao de cana (algo que muitos vm denominando biodiesel doce);
leos vegetais craqueados Misturas ternrias l
Comparao da composio de diferentes matrias primas
quanto ao seu teor de cidos graxos.
2.2. Definio de Biodiesel
No Brasil, a definio estabelecida pela lei n 11.097, de 13 de janeiro
de 2005, na qual o biodiesel o biocombustvel derivado de biomassa
renovvel para uso em motores a combusto interna com ignio por
o ou, conforme regulamento para gerao de outro tipo de energia,
que possa substituir parcial ou totalmente os combustveis de origem fssil.
Esta definio, bastante ampla, inclui diversas opes tecnolgicas como o uso
leos vegetais in natura;
sturas binrias leo/diesel, lcool/diesel e steres/diesel;
emulses;
Hidrocarbonetos derivados da pirlise de biomassa vegetal como o
bagao de cana (algo que muitos vm denominando biodiesel doce);
leos vegetais craqueados
Misturas ternrias lcool/diesel/co-solventes. (Ramos, 2006)
5
Comparao da composio de diferentes matrias primas
ei n 11.097, de 13 de janeiro
biocombustvel derivado de biomassa
renovvel para uso em motores a combusto interna com ignio por
o ou, conforme regulamento para gerao de outro tipo de energia,
que possa substituir parcial ou totalmente os combustveis de origem fssil.
Esta definio, bastante ampla, inclui diversas opes tecnolgicas como o uso
sturas binrias leo/diesel, lcool/diesel e steres/diesel;
Hidrocarbonetos derivados da pirlise de biomassa vegetal como o
bagao de cana (algo que muitos vm denominando biodiesel doce);
solventes. (Ramos, 2006).
6O biodiesel um combustvel proveniente de fontes renovveis como
leos vegetais, gorduras animais ou resduos industriais que, estimulados por
um catalisador, reagem quimicamente com o lcool metlico ou etlico. Existem
diferentes espcies de oleaginosas no Brasil das quais se pode produzir o
biodiesel, entre elas mamona, dend, girassol, babau, soja e algodo.
Esse combustvel destaca-se por ter muitas vantagens em relao ao
diesel convencional: seguro, renovvel, no txico e biodegradvel, contm
quantidades de enxofre insignificantes e sua maior lubricidade aumenta a vida
til dos motores diesel. Alm disso, tem um nmero de cetano elevado (acima
de 60 comparado a somente 40 para o diesel regular), um ponto de fulgor
elevado (acima de 130 C) e na sua queima emite 70% a menos de
hidrocarbonetos, 80% menos dixido de carbono e 50% menos de particulados
(Parente, 2003). Os benefcios ambientais com o uso do biodiesel podem,
ainda, gerar vantagens econmicas para o pas. O Brasil poderia enquadrar o
biodiesel nos acordos estabelecidos no protocolo de Kyoto (Lima, 2004).
Na Unio Europia, a definio de biodiesel mais restrita e define
biodiesel como sendo; steres metlicos produzidos a partir de leos vegetais
ou animais, com qualidade de combustvel para motores diesel, para utilizao
como biocombustvel (Diretiva 2003/30/CE do Parlamento Europeu, 2003).
Assim sendo, o biodiesel europeu tem de ser obtido utilizando-se metanol no
processo de produo.
Segundo a norma, ASTM D 6751, 2008 (ASTM American Society of
Testing and Materials), nos Estados Unidos, o biodiesel definido como sendo
mono-alquil steres de cidos graxos de cadeia longa, produzidos a partir de
leos vegetais ou animais, para ser utilizado em motores de ciclo diesel. Esta
norma tambm delimita as especificaes para este produto.
As especificaes para biodiesel no Brasil, reguladas pela Resoluo
ANP 7, de 19 de maro de 2008, so menos restritivas que na Europa, de
forma a permitir a produo do biodiesel com base em diversas matrias
primas.
72.3. Contexto Histrico
A idia de aproveitar os leos vegetais como matria prima para
combustveis no nova. Em 1895, Rudolf Diesel inventou um motor de
injeo indireta que funcionava base de uma variedade de leos vegetais. No
ano 1900, o prprio Rudolph Diesel, apresentou um prottipo de motor na
Exposio Universal de Paris, que foi acionado com leo de amendoim. Alm
deste, foi usado tambm leo cru (petrleo filtrado) e leo de peixe como
combustvel. (Gazzoni, 2008).
Na dcada de 30, o governo francs incentivava as experincias com o
leo de amendoim visando conquistar a independncia energtica, pois esta
cultura era muito difundida em suas colnias na frica.
A II Guerra Mundial limitou as rotas de abastecimento causando uma
aguda escassez de combustveis, estimulando pesquisas na rea com o intuito
de descobrir e desenvolver novos substitutos para o petrleo. Com isso, o
combustvel de origem vegetal foi utilizado extensamente em vrios pases,
incluindo a China, a ndia e a Blgica. Em 1941 e 1942, havia uma linha de
nibus entre Bruxelas e Louvain, que utilizava combustvel obtido a partir do
leo de palma (Knothe, 2001). Porm, o desenvolvimento dos combustveis
alternativos foi praticamente abandonado quando o fornecimento de petrleo
foi restabelecido no final da Guerra, principalmente devido a abundncia de
petrleo importado do Oriente Mdio, por preos muito accessveis.
No Brasil, nos anos 60, as indstrias Matarazzo buscavam produzir leo
atravs dos gros de caf. Para tanto, usavam o lcool da cana-de-acar na
lavagem do caf para retirar impurezas imprprias para o consumo humano. A
reao entre o lcool e o leo de caf resultou na liberao de glicerina,
formando em ster etlico que hoje conhecido por biodiesel (Silva, 2008)
2.3. Biodiesel no Brasil
No Brasil, a utilizao de combustveis lquidos obtidos de vegetais
cultivados para motores a fim de diminuir dependncia do petrleo, foi utilizada
como uma interessante alternativa devido s sucessivas crises do petrleo, de
1973 a 1974 e de 1979 a 1980. Somado crise do petrleo, a crise do acar
8dava impulso ao programa de governo denominado Pr-lcool. Assim sendo,
passou-se a produzir lcool em grande escala e, em 1979, aproximadamente
80% da frota de veculos produzida no pas eram movidas com motores a
lcool (Silva, 2008).
Ainda receosas com a crise do petrleo, vrias universidades brasileiras
se dedicaram a estudar a produo de combustveis que pudessem substituir o
diesel aproveitando diversas matrias primas de origem vegetal. A
transesterificao no Brasil foi iniciada na Universidade Federal do Cear, em
1979, com o objetivo, de desenvolver as propostas do Prof. Melvin Calvin
(Prmio Nobel de Qumica), apresentadas no Seminrio Internacional de
Biomassa, em Fortaleza, em 1978 (Parente 2003). Em 1980 foi feito o depsito
da 1 patente de Biodiesel no Brasil (PI 8007957), pelo Dr. Expedito Parente.
No entanto, a prioridade poltica foi concedida, naquele momento, para o
desenvolvimento do programa do lcool (PROLCOOL), que teve seu auge a
meados da dcada de 80. A complexidade de montar um programa de
produo, processamento e distribuio do combustvel alternativo, sem o
apoio oficial, determinou que a crise transcorresse sem que o programa de
combustveis alternativos para o diesel fosse implantado.
O Prof. Goldemberg (1988) sinalizou para as vantagens de instalar uma
indstria de combustveis derivados dos leos vegetais. No entanto, ele alertou
para a necessidade de obter- se bons rendimentos agrcolas, j que, de outra
forma, o gasto de energia nas operaes de colheita e de transporte da matria
prima seria muito elevado (STI- MIC, 1985).
O combustvel normalmente utilizado para o transporte de cargas e
passageiros no Brasil o diesel de petrleo, que importado em elevada
proporo, em funo das limitaes da capacidade de refino. O
aproveitamento dos leos vegetais transesterificados como combustveis,
permitiria evitar a importao de diesel de petrleo, fortalecendo a
independncia energtica do pas.
A escassez de petrleo estimulou a realizao de diversos estudos que
aconselharam a utilizao de bicombustveis, como substitutos do combustvel
diesel. Um dos documentos mais representativos foi o relatrio do MIC (1985)
sobre o uso de combustveis lquidos como substitutos do diesel de petrleo. A
principal concluso desses estudos foi que os leos vegetais representam uma
9alternativa tecnicamente vivel, sendo que sua rentabilidade depende da
relao de preos em cada momento (Pinto et al., 2005).
A partir de 1998 os setores de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D)
retomaram os projetos para uso de biodiesel no Brasil. Em dezembro de 2004
o Programa de Produo e Uso do Biodiesel lanado e em janeiro de 2005 foi
sancionada a Lei 11.097, que dispe sobre a introduo do biodiesel na matriz
energtica brasileira, estabelecendo percentuais mnimos de mistura de
biodiesel.
Entre os anos de 2005 a 2007 estabeleceu-se como meta a adio de
2% de biodiesel ao diesel mineral. De 2008 a 2012, estes 2% tornam-se
obrigatrios, gerando a necessidade de aproximadamente 1 bilho de litros por
ano. Porm, no dia 1 de julho de 2008, o leo diesel comercializado em todo o
Brasil passou a conter, obrigatoriamente, 3% de biodiesel. Esta regra foi
estabelecida pela Resoluo n 2 do Conselho Nacional de Poltica Energtica
(CNPE), publicada em maro de 2008, que aumentou de 2% para 3% o
percentual obrigatrio de mistura de biodiesel ao leo diesel. A partir de 2013,
torna-se obrigatria a adio de 5% de biodiesel ao diesel, o que significa um
mercado de aproximadamente 2,4 bilhes de litros (Pinto et al., 2005).
A produo e o uso do biodiesel no Brasil propiciam a reduo das
importaes de diesel resultando em uma economia de US$ 410 milhes por
ano, alm de reduzir a dependncia externa referente ao produto de 7% para
5%.
A dimenso do mercado no Brasil e no mundo assegura grande
oportunidade para o setor agrcola. Com a ampliao do mercado do biodiesel,
milhares de famlias brasileiras sero beneficiadas, principalmente agricultores
do semi-rido brasileiro, com o aumento de renda proveniente do cultivo e
comercializao das plantas oleaginosas utilizadas na produo do biodiesel. A
produo de biodiesel j gerou cerca de 600 mil postos de trabalho no campo,
de acordo com dados do Ministrio do Desenvolvimento Agrrio.
2.4. Vantagens do Biodiesel
O biodiesel apresenta vrios pontos positivos quando comparados ao
diesel. Sua principal caracterstica ser renovvel, alm de possuir um alto
10
valor energtico, baixo contedo de enxofre, o que permite uma queima limpa
do combustvel, reduzindo assim as emisses de SOx, CO, hidrocarbonetos
no- queimados e partculas slidas. (Ma e Hanna, 1999) Alm disso,
apresenta excelentes propriedades lubrificantes podendo ser utilizado nos
motores a diesel com pequenas ou at mesmo nenhuma modificao
(Ratanawilai et al., 2005).
Dentre as vantagens ambientais destaca-se a reduo de 78% das
emisses poluentes como o dixido de carbono, que o principal gs
responsvel pelo efeito de estufa que est alterando o clima escala mundial.
A liberao de material particulado 50% menor e as emisses de xidos de
enxofre tambm so reduzidas j que o biodiesel puro no contm enxofre.
Alm disso, o biodiesel renovvel e biodegradvel (Aranda, 2005).
De fato, os bicombustveis surgem como resposta s necessidades de
reduo de emisses de gases de efeito de estufa, acentuadas pelos objetivos
a atingir no mbito do Protocolo de Kyoto.
Desta forma, podemos destacar as seguintes vantagens ambientais,
associadas ao biodiesel (Srivastava e Prasad, 2000):
uma fonte limpa e renovvel de energia que vai gerar emprego e renda para o campo, pois o pas abriga o maior territrio tropical do
planeta.
O uso como combustvel proporciona ganho ambiental para todo o planeta, pois colabora para diminuir a poluio e o efeito estufa.
Possibilidade de utilizao dos crditos de carbono vinculados ao Mecanismo de Desenvolvimento Limpo decorrentes do Protocolo de
Kyoto.
Tem alto poder lubrificante e pode aumentar a vida til do motor. Tem risco de exploso baixo. Ele precisa de uma fonte de calor acima
de 150C para explodir, facilitando seu transporte e armazenamento.
Pouca emisso de partculas de carbono. O biodiesel um ster e, por isso, j tem dois tomos de oxignio na molcula facilitando a
combusto completa.
Contribui ainda para a gerao de empregos no setor primrio, que no Brasil de suma importncia para o desenvolvimento social e prioridade
11
de nosso atual governo. Com isso, reduz o xodo rural e favorecendo o
ciclo da economia auto-sustentvel essencial para a autonomia do pas.
Reduo da emisso de poluentes locais com melhorias na qualidade de vida e da sade pblica.
Cetanagem mnima de 51. No contm aromticos (benzeno). Estvel e com boa atividade.
2.5. Composio e estrutura de leos e gorduras
Os leos e gorduras so substncias de origem vegetal, animal ou
microbiana, so solveis em solventes orgnicos e insolveis em gua.
Segundo Moretto & Fett (1989) a principal diferena entre um leo e uma
gordura na sua aparncia fsica. De um modo geral, os leos so descritos
como substncias lquidas temperatura ambiente, enquanto as gorduras
caracterizam-se como substncias slidas.
Como podemos observar na figura 2.2, os leos e gorduras so
formados, principalmente, por triglicerdeos ou triacilgliceris, resultante da
combinao entre trs molculas de cido graxo e uma molcula de glicerol
(glicerina).
Figura 2.2 - Composio qumica dos triglicerdeos
A anlise da composio dos cidos graxos constitui o primeiro passo
para a avaliao da qualidade do leo bruto e/ou seus produtos de
12
transformao. Para determinar a composio, em cidos graxos, mtodos
cromatogrficos (cromatografia lquida e gasosa) e ressonncia magntica
nuclear de hidrognio podem ser utilizados (Wust, 2004).
Os cidos graxos presentes nos leos e gorduras so constitudos,
geralmente, por cidos carboxlicos que contm de 4 a 30 tomos de carbono e
podem ser saturados ou insaturados. (Wust, 2004). As estruturas de cidos
graxos comuns e sua nomenclatura so dadas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2: Estruturas qumicas dos cidos graxos mais comuns
cidos graxos Nomenclatura IUPAC Estrutura Frmula
Lurico Dodecanico 12:0 C12H24O2
Mirstico Tetradecanico 14:0 C14H28O2
Palmtico Hexadecanico 16:0 C16H32O2
Esterico Octadecanico 18:0 C18H36O2
Araqudico Eicosanico 20:0 C20H40O2
Behnico Docosanico 22:0 C22H44O2
Ligonocrico Tetracosanico 24:0 C24H48O2
Oleico Cis-9-Octadecenico 18:1 C18H34O2
Linoleico Cis-9,cis-12-Octadecadienico 18:2 C18H32O2
Linolnico Cis-9, cis-12 cis15-Octadecatrienico 18:3 C18H30O2
Ercico Cis-13-Docosenico 22:1 C22H42O2
Fonte: (Srivastava, 1999).
A distino dos leos com base no seu grau de insaturao, no tamanho
das molculas e pela presena ou no de grupos qumicos reflete diretamente
nas qualidades do biocombustvel produzido.
13
Dessa forma, quanto maior a cadeia hidrocarbnica, maior o nmero de
cetano, a lubricidade do combustvel, o ponto de nvoa e o ponto de
entupimento. Conseqentemente molculas exageradamente grandes devido
ao processo de pr-aquecimento tornam o combustvel de uso difcil em
regies com temperaturas baixas.
Quanto s insaturaes, quanto menor o nmero de duplas ligaes,
maior a cetanagem do combustvel, ocasionando uma melhor qualidade da
combusto. Por outro lado, um aumento no nmero de cetano ocasiona
tambm um aumento no ponto de nvoa e de entupimento (maior sensibilidade
aos climas frios). Entretanto a armazenagem ou transporte de combustvel com
nmero de insaturaes elevado (menos estveis) provocam a oxidao,
degradao e polimerizao do mesmo, ocasionando um menor nmero de
cetano ou formao de resduos slidos.
Dessa forma, tanto os steres alqulicos de cidos graxos saturados
(lurico, palmtico, esterico) como os de poli-insaturados (linolico, linolnico)
possuem alguns inconvenientes, uma vez que so pouco resistentes
oxidao e o nmero de cetano geralmente baixo. Porm, so mais
facilmente degradados desaparecendo do meio ambiente em perodos de
tempo mais curtos, sendo mais vantajosos do ponto de vista ambiental.
Os leos saturados do tipo esterico ou palmtico so pouco fludos
(grande viscosidade), mas so resistentes oxidao. Encontram-se
normalmente no estado slido temperatura ambiente. Geralmente,
apresentam um ndice de cetano excelente. Porm sua alta viscosidade,
aliados resistncia oxidao dificultam a sua degradao, remoo e
limpeza.
De uma forma geral, um biodiesel com predominncia de cidos graxos
combinados mono-insaturados (olico, ricinolico) so os que apresentam os
melhores resultados.
2.6. Processos de produo do biodiesel
Os processos mais investigados para a produo do biodiesel so a
pirlise, a micro-emulsificao e a transesterificao (Ferrari et al., 2005;
Sharma et al., 2001). O biodiesel tambm pode ser obti
processos tais como a hidroesterificao na qual foi baseada esta di
2.6.1. Pirlise ou craqueamento trmico
O processo de craqueamento ou pirlise de leos e gorduras, conforme
ilustrado na reao (i) da Figura 2
outra atravs do aquecimento desta, seja a presso atmosfri
ausncia de ar ou oxignio, a temperaturas superiores a 450C
1979 apud Ma & Hanna,
Nas condies reacionais, o triglicerdeo decomposto, levando
formao de cidos carboxlicos, acrolena e cetenos, conforme descrito na
Equao (i) da Figura 2.
carboxlico, facilmente
carboxlicos e hidrocarbonetos (Chang
Na seqncia, a decomposio trmica dos cidos carbox
acontecer por descarbonilao ou descarboxilao, conforme ilustrado,
respectivamente, pelas equaes (ii) e (iii) da Figura 2.
ocorre a formao de gua, CO
insaturao terminal, enquanto q
hidrocarboneto, sem a formao de novas insaturaes.
Figura 2.3 Craqueamento ou
A pirlise de triglicerdeos (1), leva formao de cidos carboxlicos
(2), cetenos (3), acrolena (4)
O biodiesel tambm pode ser obtido a partir de outros
processos tais como a hidroesterificao na qual foi baseada esta di
2.6.1. Pirlise ou craqueamento trmico
O processo de craqueamento ou pirlise de leos e gorduras, conforme
ilustrado na reao (i) da Figura 2.3, a converso de uma substncia em
outra atravs do aquecimento desta, seja a presso atmosfri
ausncia de ar ou oxignio, a temperaturas superiores a 450C
Ma & Hanna, 1999).
Nas condies reacionais, o triglicerdeo decomposto, levando
formao de cidos carboxlicos, acrolena e cetenos, conforme descrito na
2.3, que, por serem bem menos estveis que o cido
facilmente decompostos levando formao de steres, cidos
carboxlicos e hidrocarbonetos (Chang e Wan, 1947).
Na seqncia, a decomposio trmica dos cidos carbox
acontecer por descarbonilao ou descarboxilao, conforme ilustrado,
respectivamente, pelas equaes (ii) e (iii) da Figura 2.3. No primeiro caso,
ocorre a formao de gua, CO2 e um hidrocarboneto com uma nova
insaturao terminal, enquanto que no segundo so gerados CO
hidrocarboneto, sem a formao de novas insaturaes.
Craqueamento ou pirlise de leos e gorduras.
irlise de triglicerdeos (1), leva formao de cidos carboxlicos
(2), cetenos (3), acrolena (4) e hidrocarbonetos com (5) ou sem (6)
14
do a partir de outros
processos tais como a hidroesterificao na qual foi baseada esta dissertao.
O processo de craqueamento ou pirlise de leos e gorduras, conforme
, a converso de uma substncia em
outra atravs do aquecimento desta, seja a presso atmosfrica ou na
ausncia de ar ou oxignio, a temperaturas superiores a 450C (Weisz et al.,
Nas condies reacionais, o triglicerdeo decomposto, levando
formao de cidos carboxlicos, acrolena e cetenos, conforme descrito na
, que, por serem bem menos estveis que o cido
decompostos levando formao de steres, cidos
Na seqncia, a decomposio trmica dos cidos carboxlicos pode
acontecer por descarbonilao ou descarboxilao, conforme ilustrado,
No primeiro caso,
e um hidrocarboneto com uma nova
ue no segundo so gerados CO2 e um
irlise de leos e gorduras.
irlise de triglicerdeos (1), leva formao de cidos carboxlicos
e hidrocarbonetos com (5) ou sem (6)
15
insaturaes terminais. Note que as equaes no esto balanceadas e que os
grupos R podem ser diferentes em cada caso (Suarez et al, 2007).
Apesar da simplicidade do uso de altas temperaturas para realizar o
craqueamento, a grande desvantagem a obteno de compostos oxigenados
no produto final, que o tornam levemente cido (Suarez et al, 2007).
O leo pirolizado apresenta nveis aceitveis de enxofre, gua e material
particulado, porm possui nveis inaceitveis de cinzas, depsitos de carbono e
alto ponto de nvoa (Sharma et al., 2001). Alm disso, o equipamento para
pirlise possui elevado custo e a remoo do oxignio diminui seus benefcios
ambientais produzindo um combustvel mais prximo ao da gasolina que do
diesel (Pinto et al., 2005).
2.6.2. Micro- emulsificao
Micro emulses so disperses isotrpicas, termodinamicamente
estveis, formadas por leo, gua, surfactante e geralmente uma molcula
pequena anfiflica, chamada co-surfactante (Schwab et al., 1987).
Apresentam inconvenientes tais como formao de coque e combusto
incompleta, dificultando seu uso em larga escala (Ferrari et al., 2005).
2.6.3. Transesterificao
Este processo, tambm conhecido com alcolise, consiste na reao de
uma gordura ou de um leo com um lcool, dando origem a uma mistura de
steres (biodiesel) e glicerol. Geralmente so utilizados leos / gorduras com
acidez menores ou iguais a 1%, pois estes apresentam uma maior
concentrao de triacilglicerdeos.
Para melhorar a taxa da reao e, portanto, o rendimento pode-se fazer
uso de um catalisador. Por ser uma reao reversvel, utiliza-se lcool em
excesso para deslocar o equilbrio para obter o mximo de ster. Entre os
alcois, o metanol e o etanol so os mais usados principalmente o metanol por
apresentar cadeia polar e curta (Ma & Hanna, 1999).
Aps a transesterificao, teremos no meio reacional uma mistura de
steres, glicerol, lcool, catalisador e tri-, di- e mono glicerdeos. O co-produto,
glicerol, deve ser recuperado devi
indstrias farmacuticas e de cosmticos
A Figura 2.4 ilustra a reao de transesterificao com metanol.
Figura 2.4 - Reao de transesterificao
A mesma reao se realizada com etanol mai
maior tempo reacional, e um etanol isento de gua (o etanol anidro possui
cerca de 7000 ppm de gua, muito mais que o metanol, que possui 100
assim como uma matria prima
al, 2005).
A reao pode ser catalisada por bases (NaOH, KOH, carbonatos ou
alcxidos), cidos (HCl, H
alcalina ocorre de maneira mais rpida apresentando maior rendimento,
seletividade, e menores problemas relacionados
Os catalisadores mais eficientes para esse propsito so KOH e NaOH, que
so os mais empregados comercialmente (
O processo de transesterificao catalisada por cidos
rendimento muito elevado em
precisando de temperaturas acima de 100C e mais de 3 h para alcanar
converso completa. Alm
gerar corroso nos motores fazendo
desses cidos, o que implica em muitas etapas de purificao
Gerpen, 1999).
A utilizao de lipases isoladas e lipases imobilizadas como
catalisadores enzimticos vm sendo uma das alternativas propostas na
literatura para a obteno
glicerol, deve ser recuperado devido ao seu valor como um insumo para as
s farmacuticas e de cosmticos (Ma & Hanna, 1999).
ilustra a reao de transesterificao com metanol.
Reao de transesterificao
A mesma reao se realizada com etanol mais complexa, pois requer
maior tempo reacional, e um etanol isento de gua (o etanol anidro possui
ppm de gua, muito mais que o metanol, que possui 100
matria prima isenta de umidade (Vieira, 2005 e Candeia
A reao pode ser catalisada por bases (NaOH, KOH, carbonatos ou
alcxidos), cidos (HCl, H2SO4 e HSO3-R) ou enzimas (lipases). A catlise
alcalina ocorre de maneira mais rpida apresentando maior rendimento,
seletividade, e menores problemas relacionados corroso dos equipamentos.
Os catalisadores mais eficientes para esse propsito so KOH e NaOH, que
so os mais empregados comercialmente (Khan et al, 2002).
O processo de transesterificao catalisada por cidos
rendimento muito elevado em alquilster, mas as reaes costumam ser
temperaturas acima de 100C e mais de 3 h para alcanar
Alm disso, a contaminao com cidos residuais pode
gerar corroso nos motores fazendo-se necessrio a eliminao c
desses cidos, o que implica em muitas etapas de purificao (Canakci
A utilizao de lipases isoladas e lipases imobilizadas como
catalisadores enzimticos vm sendo uma das alternativas propostas na
literatura para a obteno de altas converses em steres. Porm, o alto custo
16
do ao seu valor como um insumo para as
ilustra a reao de transesterificao com metanol.
s complexa, pois requer
maior tempo reacional, e um etanol isento de gua (o etanol anidro possui
ppm de gua, muito mais que o metanol, que possui 100 ppm),
(Vieira, 2005 e Candeia et
A reao pode ser catalisada por bases (NaOH, KOH, carbonatos ou
R) ou enzimas (lipases). A catlise
alcalina ocorre de maneira mais rpida apresentando maior rendimento,
corroso dos equipamentos.
Os catalisadores mais eficientes para esse propsito so KOH e NaOH, que
O processo de transesterificao catalisada por cidos apresenta um
costumam ser lentas,
temperaturas acima de 100C e mais de 3 h para alcanar
, a contaminao com cidos residuais pode
se necessrio a eliminao completa
(Canakci e Van
A utilizao de lipases isoladas e lipases imobilizadas como
catalisadores enzimticos vm sendo uma das alternativas propostas na
de altas converses em steres. Porm, o alto custo
destes catalisadores aliado sua rpida desativao na presena de lcool
tem inviabilizado o seu uso comercial (Vieira, 2005)
2.6.4. Hidroesterificao
O processo de hidroesterificao uma inter
produo de biodiesel. um processo que envolve uma etapa de hidrlise
seguida de esterificao (Figura
convencional de produo de biodiesel, pois favorece a utilizao de
primas (leos de plantas oleaginosas, resduos gordurosos industriais, e leos
de frituras) de qualquer teor de cidos graxos e umidade, uma vez que todos
os triacilglicerdeos presentes no leo se
2006). Como cerca de 80% do custo
custo da matria prima, a hidroesterificao permite um significativo salto na
viabilidade da produo de biodiesel
Figura 2.5 Etapas do processo de hidroesterificao.
Um dos primeiros passos
leos vegetais a hidrlise, que conduz a glicerol, mono e diglicerdeos e uma
mistura de cidos graxos.
predominantemente baseadas em processos qumicos convencionais (Ro
destes catalisadores aliado sua rpida desativao na presena de lcool
tem inviabilizado o seu uso comercial (Vieira, 2005).
2.6.4. Hidroesterificao
O processo de hidroesterificao uma interessante alternativa na
produo de biodiesel. um processo que envolve uma etapa de hidrlise
seguida de esterificao (Figura 2.5). uma alternativa ao processo
convencional de produo de biodiesel, pois favorece a utilizao de
de plantas oleaginosas, resduos gordurosos industriais, e leos
de frituras) de qualquer teor de cidos graxos e umidade, uma vez que todos
os triacilglicerdeos presentes no leo sero transformados por hidrlise
2006). Como cerca de 80% do custo de produo do biodiesel proveniente do
, a hidroesterificao permite um significativo salto na
viabilidade da produo de biodiesel (Aranda, 2005)
Etapas do processo de hidroesterificao.
Um dos primeiros passos para a obteno de derivados qumicos de
leos vegetais a hidrlise, que conduz a glicerol, mono e diglicerdeos e uma
mistura de cidos graxos. As transformaes de leos e gorduras so
predominantemente baseadas em processos qumicos convencionais (Ro
17
destes catalisadores aliado sua rpida desativao na presena de lcool
essante alternativa na
produo de biodiesel. um processo que envolve uma etapa de hidrlise
). uma alternativa ao processo
convencional de produo de biodiesel, pois favorece a utilizao de matrias
de plantas oleaginosas, resduos gordurosos industriais, e leos
de frituras) de qualquer teor de cidos graxos e umidade, uma vez que todos
ro transformados por hidrlise (Dario,
de produo do biodiesel proveniente do
, a hidroesterificao permite um significativo salto na
para a obteno de derivados qumicos de
leos vegetais a hidrlise, que conduz a glicerol, mono e diglicerdeos e uma
As transformaes de leos e gorduras so
predominantemente baseadas em processos qumicos convencionais (Rooney
e Weatherley, 2001). No caso da hidrlise, o processo mais utilizado o
Colgate-Emery, que opera sob temperaturas e presses elevadas,
ocasionando reaes secundrias que exigem posteriores operaes de
separao e purificao (Gunstone, 1999; Rooney
A hidrlise em si uma reao qumica que ocorre entre um
triacilglicerdeo e a gua produzindo cidos grax
glicerol (Figura 2.6). Esta reao pode ocorrer na presena de catalisadores
cidos ou bsicos.
Figura 2.6 Reao da hidrlise.
Aps a hidrlise, os cidos graxos gerados, so esterificados com
metanol ou etanol, obtendo
glicerol no sofre qualquer alterao por parte de interao com o metanol ou
com o biodiesel, uma vez que removido ao final do processo de hidrlise.
Alm disso, a glicerina obtida mais pura que a glicerina advinda do processo
de transesterificao.
A esterificao gera ento o biodiesel e como subproduto a gua, que
pode ser reutilizada no processo de hidrlise, fechando o ciclo
Isso evita problemas de contaminao do biodiesel com resduos de glicerina
livre ou total (mono, di e triglicerdeos). Gera
pureza, sem necessidade de etapas de
elevado consumo de compostos qumicos.
No caso da hidrlise, o processo mais utilizado o
Emery, que opera sob temperaturas e presses elevadas,
ocasionando reaes secundrias que exigem posteriores operaes de
separao e purificao (Gunstone, 1999; Rooney e Weatherley, 2001).
A hidrlise em si uma reao qumica que ocorre entre um
triacilglicerdeo e a gua produzindo cidos graxos e como subproduto o
). Esta reao pode ocorrer na presena de catalisadores
Reao da hidrlise.
Aps a hidrlise, os cidos graxos gerados, so esterificados com
metanol ou etanol, obtendo-se o metil ou etil ster com elevada pureza. O
glicerol no sofre qualquer alterao por parte de interao com o metanol ou
biodiesel, uma vez que removido ao final do processo de hidrlise.
glicerina obtida mais pura que a glicerina advinda do processo
A esterificao gera ento o biodiesel e como subproduto a gua, que
zada no processo de hidrlise, fechando o ciclo
Isso evita problemas de contaminao do biodiesel com resduos de glicerina
livre ou total (mono, di e triglicerdeos). Gera-se um biodiesel de mais elevada
pureza, sem necessidade de etapas de lavagem que geram
consumo de compostos qumicos.
18
No caso da hidrlise, o processo mais utilizado o
Emery, que opera sob temperaturas e presses elevadas,
ocasionando reaes secundrias que exigem posteriores operaes de
e Weatherley, 2001).
A hidrlise em si uma reao qumica que ocorre entre um
os e como subproduto o
). Esta reao pode ocorrer na presena de catalisadores
Aps a hidrlise, os cidos graxos gerados, so esterificados com
ster com elevada pureza. O
glicerol no sofre qualquer alterao por parte de interao com o metanol ou
biodiesel, uma vez que removido ao final do processo de hidrlise.
glicerina obtida mais pura que a glicerina advinda do processo
A esterificao gera ento o biodiesel e como subproduto a gua, que
zada no processo de hidrlise, fechando o ciclo (Figura 2.7).
Isso evita problemas de contaminao do biodiesel com resduos de glicerina
se um biodiesel de mais elevada
lavagem que geram efluentes e o
Figura 2.7 Reao de esterificao.
Rittner (1995) avaliou que a eficincia das reaes de hidrlise pode
alcanar cerca de 98 a 99 % de converso, em condies de processamento
apropriadas.
O processo de esterificao pode ser realizado com metanol ou com
etanol. Na tabela 2.3
metanol dentre as quais se destacam auto
(Jaeger,et al, 1999).
Tabela 2.3: Vantagens do etanol sobre o metanol
Caractersticas
Auto-suficincia
Despesas com importao
Gerao de empregos no pas
Impacto na cadeia produtiva
Tecnologia de transesterificao dominada
Potencial de exportao da tecnologia
Compatibilidade com materiais
Toxicidade
Impacto em caso de acidentes
Renovvel
Viabilidade econmica comparativa
No entanto, o metanol ainda o lcool mais utilizado devido a seu baixo
custo e por reagir mais rapidamente com o leo vegetal do que os outros
alcois. A literatura praticamente unnime em relatar que a rota etlica mais
Reao de esterificao.
avaliou que a eficincia das reaes de hidrlise pode
alcanar cerca de 98 a 99 % de converso, em condies de processamento
O processo de esterificao pode ser realizado com metanol ou com
so apresentadas as vantagens do etanol sobre o
metanol dentre as quais se destacam auto-suficincia e
antagens do etanol sobre o metanol
Etanol Metanol
Sim No
Despesas com importao No Sim
Gerao de empregos no pas Muitos Poucos
Impacto na cadeia produtiva Grande Pequeno
Tecnologia de transesterificao dominada Sim Sim
Potencial de exportao da tecnologia Sim No
Compatibilidade com materiais Maior Menor
Moderada Elevada
Impacto em caso de acidentes Baixo Alto
Sim No
Viabilidade econmica comparativa Equivalente Equivalente
o, o metanol ainda o lcool mais utilizado devido a seu baixo
custo e por reagir mais rapidamente com o leo vegetal do que os outros
. A literatura praticamente unnime em relatar que a rota etlica mais
19
avaliou que a eficincia das reaes de hidrlise pode
alcanar cerca de 98 a 99 % de converso, em condies de processamento
O processo de esterificao pode ser realizado com metanol ou com
so apresentadas as vantagens do etanol sobre o
baixa toxidez.
Metanol
No
Sim
Poucos
Pequeno
Sim
No
Menor
Elevada
Alto
No
Equivalente
o, o metanol ainda o lcool mais utilizado devido a seu baixo
custo e por reagir mais rapidamente com o leo vegetal do que os outros
. A literatura praticamente unnime em relatar que a rota etlica mais
20
lenta que a metlica. Na verdade, os estudos cinticos publicados no levam
em conta a diferena no teor de gua entre o metanol e o etanol.
No Brasil o etanol considerado anidro a partir de 99,3% (7000 ppm de
gua), enquanto que o metanol anidro tipicamente com 99,99% (100 ppm de
gua), e em algumas plantas atinge-se 50 ppm de gua. Essa diferena
importante para a velocidade da reao, uma vez que a umidade um forte
promotor da saponificao. Alm disso, outra dificuldade apresentada pelo
etanol est na sua recuperao pois capaz de se ligar a gua formando um
composto azetropo dificultando sua purificao.
2.7. Nibio
O nibio e o tntalo possuem forte afinidade aparecendo na natureza
estreitamente associados em minerais e rochas. Na crosta terrestre, o nibio
participa com 24 g/t e o tntalo com 2g/t. No ocorrem no estado livre,
aparecendo sempre combinados com oxignio (Foggiatto & Lima, 2003).
Mais de 90% do minrio de nibio do mundo est no Brasil, com minas
em Minas Gerais (Arax) e Gois (Catalo). O nibio apresenta significativa
importncia para a balana comercial brasileira, representando 43% do
faturamento externo da indstria nacional de ferroligas. Do consumo total de
nibio explorado, 10% so utilizados na produo de xido de nibio. A maior
parte da produo de xido de nibio hidratado (Nb2O5. nH2O) destinada
indstria de superligas, para fabricao de turbinas pelas indstrias
aeronuticas e aeroespaciais (Foggiatto & Lima, 2003).
O xido de nibio Nb2O5. nH2O considerado um slido cido forte,
exibindo alta atividade cataltica e seletividade para algumas reaes como
esterificao e condensao (Tither, 2001).
Nos ltimos anos a tendncia a substituio de catalisadores
homogneos tradicionais por slidos cidos, pois eles reduzem os gastos do
processo devido possibilidade de regenerao, reduzindo os problemas de
corroso e formao de sal, minimizando a produo de efluentes com a
remoo apenas fsica do processo. (de La Cruz, 2004) No entanto, para
serem viveis, esses catalisadores devem exibir atividades e seletividades
comparveis as da catlise homognea (Wilson e Clark, 2000). .
21
Estudos recentes demonstram que os catalisadores contendo nibio
apresentam melhor desempenho industrial que os sistemas catalticos
tradicionais (Tanabe 1987, 1990, 2003; Nowak & Ziolek, 1999).
Dessa forma, devido sua acentuada acidez e ao fato de ser um produto
nacional, o nibio destaca-se como potencial substituto de catalisadores
homogneos.
2.8. Lipases
As lipases, catalisadores enzimticos utilizados na produo de
biodiesel, so carboxilesterases que catalisam a hidrlise de ligaes ster em
triglicerdeos, produzindo diglicerdeos, monoglicerdeos, glicerol e cidos
graxos (Jaeger et al., 1999).
A hidrlise controlada pela quantidade de gua presente no meio
reacional; podendo ocorrer a sntese reversa, possibilitando diversas reaes
de bioconverso, tais como reaes de interesterificao, esterificaes,
alcolises, acidlises e aminlises. Essas reaes ocorrem com elevada rgio
e/ou enncio seletividade, conferindo a estas enzimas um grande potencial
biotecnolgico (Ferrer et al., 2001; Freire e Castilho, 2000; Pandey et al., 1999).
As lipases apresentam altas concentraes de aminocidos hidrofbicos
que ocupam posies estratgicas na estrutura conformacional da molcula,
conferindo caractersticas peculiares de interao com substratos hidrofbicos.
Dentre as mais diversas fontes de lipase existentes, apenas as de
origem microbianas parecem apresentar significado comercial (Sharma et al.,
2001). Geralmente so extracelulares e contm uma regio N-terminal, que
atua como catalisador na determinao da estrutura final da molcula. Essa
regio permite a translocao da enzima para o exterior celular e protege a
molcula da atuao de proteases no ambiente intracelular (Jaeger et al.,
1999).
A determinao das propriedades das lipases imprescindvel para a
sua utilizao industrial. Elas so selecionadas em funo de algumas
caractersticas, tais como seletividade ao substrato, pH e temperatura tima;
estabilidade trmica ou a solventes orgnicos, entre outras.
22
2.8.1. Aplicao das Lipases
Com o avano do entendimento do metabolismo microbiano, dos
processos de fermentao e dos mtodos de recuperao, as tcnicas de
produo enzimtica tem se tornado cada vez mais satisfatria. Alm disso, os
mtodos que requerem a utilizao destes biocatalisadores em seus processos
tambm vm apresentando um aumento de demanda, tornando-as objeto de
intenso estudo, devido ao seu vasto campo de utilizao (Sharma et al., 2001).
O uso dos catalisadores enzimticos tem sido favorecido, pois os
mesmos possuem maior especificidade que outros catalisadores qumicos,
apresentam menor nmero de etapas da reao, poucos problemas na
separao de subprodutos e menor consumo de energia. (Pandey et al., 1999).
No caso especfico das lipases, estas so altamente versteis, permitindo que
seja utilizada no somente nas indstrias de detergentes, onde sua aplicao
est basicamente relacionada a reaes de hidrlise, mas tambm na indstria
alimentcia, farmacutica, de qumica fina, de cosmticos, de leos e gorduras,
de couros, de polpa e papel, no tratamento de efluentes industriais, e na
produo de biodiesel, com explorao tambm das reaes de sntese e
transesterificao destas enzimas (Sharma et al., 2001).
A seguir, esto descritas algumas informaes descritas na literatura
com relao ao uso para degradao de resduos e produo de
biocombustveis das lipases.
2.8.1.1. Na indstria de leos e gorduras
Na indstria leo qumica, as lipases apresentam vrias aplicaes, uma
vez que reduzem os gastos com energia e diminuem a degradao trmica dos
compostos, quando comparado s vias qumicas tradicionais (Vulfson, 1994).
Uma aplicao relevante consiste na utilizao de lipases para
modificao de leos vegetais contendo um alto teor de cidos graxos
poliinsaturados (PUFAs). Os PUFAs livres e seus monos e diglicerdeos so
utilizados na sntese de produtos farmacuticos, como anticolesterolmicos,
antiflamatrios e trombolticos (Jaeger e Reetz, 1998). As lipases podem,
ainda, ser utilizadas para produo de lipdeos estruturados utilizados na
23
alimentao parenteral e enteral em substituio a leos vegetais (Bjrkling et
al., 1991), e tambm na produo de bio- lubrificantes a partir de reaes de
esterificao, por exemplo, de alcois presentes no rejeito de destilarias com
cido olico (Drm et al., 2004),ou a partir da transesterificao de leos
vegetais (Shieh et al., 2003).
2.8.1.2. No tratamento de efluentes
Os laboratrios de Biotecnologia Microbiana (LaBiM) e de Controle de
Poluio (LCP) da UFRJ, tm se dedicado ao estudo do uso de enzimas no
tratamento de efluentes como alternativa ou complemento aos tratamentos
convencionais. (Camarotta e Freire, 2006). O tratamento de efluentes
gordurosos, tais como os oriundos de abatedouros e de indstrias de laticnios
e pescado representam um vasto campo para o emprego de lipases. Diversos
trabalhos, deste grupo, apontam para o uso de preparados enzimticos obtido
por fermentao no estado slido como excelente alternativa para o tratamento
de efluentes ricos em gorduras oriundos da indstria alimentcia (Leal 2000;
Jung et al., 2002; Leal et al., 2002; Rosa et al., 2006).
As lipases tambm vm sendo utilizadas na degradao de leos no
solo, provenientes de derramamentos, ou converso de resduos de polisteres
a produtos teis como cidos graxos no esterificados e lactonas (Piras et al.,
1994).
As lipases podem ser empregadas no tratamento de efluentes com alto
teor de gorduras como aquelas geradas nas indstrias de laticnios, frigorficos,
matadouros e pescados.
Rosa (2004) operando biorreatores anaerbios com o efluente contendo
elevado teor de gordura (1200 mg O&G/L) previamente hidrolisada obteve
resultados com boa eficincia de remoo de DQO (87 a 95%), comprovando a
contribuio efetiva da etapa de pr hidrlise enzimtica na seqncia de
tratamento.
Efluentes de matadouros contm alto teor de slidos, que representam
30 a 75% de sua carga poluidora, dificultando a aplicao dos processos
anaerbios para o tratamento desses efluentes. A aplicao de pr-tratamentos
24
para hidrolisar os slidos em suspenso, especialmente gorduras, pode
melhorar a digesto anaerbia.
O emprego de pools enzimticos produzidos por fermentao no estado
slido (FES) a partir de rejeitos industriais de custo reduzido pode representar
importante contribuio como adjuvante no tratamento de efluentes ricos em
material lipdico e protico como, por exemplo, os gerados nas indstrias de
pescados, transformando-os em substncia mais facilmente assimilvel pelo
consrcio microbiano presente no tratamento posterior.
2.8.1.3. Na produo de biodiesel
Outra aplicao das lipases que tem gerado grande interesse na
produo de biodiesel. Atualmente a via qumica de produo de biodiesel a
partir de leos vegetais j se encontra bem estabelecida industrialmente, j a
via enzimtica, catalisada especificamente por lpases uma alternativa
interessante para reduo dos impactos ambientais.
Apesar de existirem diversas lipases sendo produzidas em larga escala
e aplicadas comercialmente, a plena utilizao industrial destas enzimas passa
necessariamente pela reduo dos custos de produo, principalmente em
aplicaes que demandam elevadas concentraes de enzimas e que o
produto possua baixo valor agregado, como tratamento de efluentes e
produo de biodiesel (Cammarota e Freire, 2006).
Desta forma, o emprego da FES como sistema produtivo pode
representar uma alternativa interessante para a produo de enzimas
industriais a custos reduzidos (Hlker et al., 2004; Castilho et al., 2000), devido
principalmente possibilidade de utilizao de resduos agroindustriais como
meio de cultivo.
2.8.2. Produo de lipases por Penicillium sp.
A fermentao no estado slido (FES) muito similar ao habitat natural
dos fungos, por isso estes fungos filamentosos possuem uma grande facilidade
de se adaptar FES, principalmente devido as suas caractersticas fisiolgicas
(Holker et al., 2004). As hifas presentes em sua estrutura fsica permitem uma
25
maior acessibilidade aos nutrientes, principalmente nos estgios finais da
fermentao, quando os nutrientes da superfcie encontram-se exauridos
(Mitchell et al., 2002).
Alm disso, a maioria dos fungos possui capacidade de crescer em
meios com baixo pH e produzem enzimas extracelulares hidrolticas para
degradar as macromolculas presentes no substrato slido, favorecendo assim
o seu uso em FES (Rahardjo et al., 2006).
Em 1996, Freire isolou em torta de babau, uma cepa do fungo
filamentoso Penicillium sp., que se mostrou uma excelente produtora de lipase.
Trs anos mais tarde, Jesus e colaboradores (1999), demonstraram que as
etapas de purificao da lipase produzida por esta cepa em fermentao
submersa contribuam para o aumento da sua estabilidade quando havia
variaes de pH, provavelmente devido retirada de substncias que
influenciavam na sua estabilidade. Foi observado tambm, que todos os
preparados enzimticos (brutos ou purificados) apresentam maior estabilidade
em pH 7,0.
Na Tabela 2.4, Guttarra (2007) apresenta as principais caractersticas
das lipases produzidas por diversos fungos do gnero Penicilium quanto ao pH
e temperatura ideais ao crescimento e tambm a faixa de estabilidade do pH e
da temperatura suportadas por este gnero.
Tabela 2.4: Principais caractersticas de lipases produzidas por fungos
do gnero Penicilium.
pH timo
Temperatura tima (C)
Estabilidade ao pH
Estabilidade trmica (C/min)
Referncia
P. simplicissimum 5,0 37 5-7 50/15
Sztajer et al., 1992
P. expansum 9,0 45 6-10 30/60Stcklein et al.,
1993
P. wortmanii 7,0 45 - 50/60Costa e Peralta,
1999
P. abeanum 7-8 25-30 - -Sugihara et al.,
1996
P. restrictum 7 37 7-8 45/240Freire et al.,
1997b
P. camembertii 8,0 48 4-8 - Tan et al., 2004
Fonte: Gutarra, (2007)
26
Segundo Jesus et al. (1999), esta lipase possui elevados nveis de
atividade hidroltica sobre triacilgliceris de cadeia longa e mdia e baixos
nveis de atividade hidroltica sobre triacilgliceris de cadeia curta. Como as
gorduras do leite apresentam em sua composio cidos graxos de cadeia
mdia e longa, esta enzima interessante para utilizao na sua hidrlise.
2.9. Anlise estatstica (planejamento experimental)
O planejamento de experimentos uma ferramenta de anlise
estatstica que tem por objetivo desenvolver e aperfeioar processos, pois
determinam quais variveis exercem maior influncia no desempenho deste.
Dessa forma melhorias como o aumento de rendimento, reduo do tempo de
reao, reduo da variao do processo e melhor concordncia entre valores
obtidos experimentalmente e os previstos podem ser aplicadas, possibilitando a
reduo do custo operacional. Esse mtodo permite resolver, eficientemente,
esses problemas durante os estgios iniciais do processamento do produto
(Montgomery, 2003).
O planejamento fatorial usado para descrever um fenmeno atravs de
um modelo matemtico, realizando o mnimo de experimentos possveis,
permitindo eficincia e economia no processo experimental com a seleo do
modelo plausvel e estimao eficiente dos parmetros do modelo selecionado
(Calado & Montgomery, 2003).
A escolha dos critrios, tais como, as variveis independentes
envolvidas (controladas no processo, tambm chamadas de fatores ou
regressores), a faixa de variao destas (que delimita a quantidade de nveis) e
a varivel de resposta (grandeza medida), devem ser pr-definidas para dar
objetividade realizao do planejamento (Calado & Montgomery, 2003).
Algumas caractersticas so consideradas para verificao da
adequabilidade do modelo calculado, como: baixo desvio padro, tanto dos
parmetros quanto do modelo, coeficiente de determinao prximo unidade,
anlise dos resduos atravs dos grficos de valores previstos versus
observados ou probabilidade normal de resduos, por exemplo, onde ambos
devem apresentar valores prximos linha da normalidade, significncia dos
parmetros e suas interaes.
27
Normalmente, a modelagem iniciada com um modelo linear, se no
caso em estudo, este modelo no se adequar, modelos mais complexos devem
ser utilizados (quadrtico ou cbico). importante ressaltar que todas as
variveis independentes (ou fatores) so analisadas nas suas formas
codificadas (ou escalonadas).
Muitos pesquisadores utilizam o planejamento experimental para a
realizao de experimentos para a produo de biodiesel. O objetivo destes
pesquisadores reduzir o tempo necessrio para o desenvolvimento de
processos, reduzirem custos e aumentar a produtividade.
2.10. Modelagem cintica
O estudo da modelagem cintica tem por objetivo a capacidade de
estimar parmetros referentes a uma reao. Com o uso desta ferramenta
possvel fornecer informaes sobre as condies em que a reao ocorre isto
implica em variaes nas concentraes de reagentes e tambm na formao
do produto ao longo do tempo.
Desse modo, a realizao de um estudo prvio da cintica da reao de
esterificao pode de certa forma, fornecer resultados prximos aos resultados
experimentais, obtendo-se valores aproximados para converses e
rendimentos de reaes. Na literatura, a aplicao da modelagem cintica no
estudo de reaes de transesterificao bem difundida (Darnoko & Cheryan.,
2000; Noureddini & Zhu., 1997; Wenkel, et al., 2006) o que mostra o potencial
dessa abordagem de modelagem que pode ser estendida ao estudo das
reaes de esterificao.
No presente trabalho a modelagem cintica aplicada no estudo da
cintica da produo de biodiesel sendo analisada sobre trs diferentes
abordagens da reao de esterificao. Nestes casos, analisa-se a influncia
do excesso de lcool, a remoo de gua e tambm presena de compostos
envenenantes. A validao da modelagem proposta foi realizada
correlacionando os resultados experimentais com os dados simulados.
28
3. Objetivos
3.1. Gerais
O objetivo deste trabalho foi estudar a sntese de steres metlicos (biodiesel) de leo residual de indstria pesqueira, atravs do
processo de hidroesterificao (processo de esterificao precedido pelo
processo de hidrlise).
3.2. Especficos
Avaliar a gerao de cidos graxos usando o processo de hidrlise do leo residual de indstria pesqueira. Avaliar os efeitos da
temperatura reacional, presso, agitao e o uso de lpases como catalisador.
Avaliar a gerao de steres metlicos a partir da esterificao dos cidos graxos do leo residual de peixe obtido como produtos da hidrlise,
utilizando como catalisador o xido de nibio em pellet. Avaliaram-se os efeitos
da temperatura reacional, razo molar metanol/cido graxo e quantidade de
catalisador.
Analisar as condies reacionais da esterificao atravs de ferramentas estatsticas para prever de forma mais eficiente, a influncia das
principais variveis do processo sobre a converso da reao e a qualidade do
produto final.
Verificar a influncia do excesso de lcool, a remoo de gua e tambm presena de compostos envenenantes atravs da anlise da
modelagem cintica da reao de esterificao.
Correlacionar os resultados experimentais com os dados simulados.
29
4. Materiais e mtodos
As reaes de hidrlise e esterificao qumica foram realizadas em
reator batelada (Parr Instruments Inc. - Modelo 4842), do tipo autoclave, feito
em ao inoxidvel, de volume til de 600mL e presso mxima de trabalho de
10.000psi. Esse reator possui tubo para a retirada de amostras, bem como
sistema de agitao e manta externa para aquecimento (Figura 4.1).
Figura 4.1 - Reator autoclave. (Lima, 2007)
Para a produo de cidos graxos (reaes de hidrlise) foi utilizado
como matria prima, o leo residual de indstria pesqueira. Como a matria
prima usada j continha em sua composio um excesso de gua (agente
hidrolisante), no foi necessrio adicionar mais desta na reao. J para a
produo de biodiesel (reaes de esterificao) foram utilizados como
matrias primas, os cidos graxos provenientes da hidrlise do leo de peixe.
Reator Autoclave
1 Agitador mecnico;
2 Coletor de amostras;
3 Manta aquecedora;
4 Corpo do reator (em ao
inoxidvel com volume de 600mL);
5 Termmetro (Termopar);
6 Manmetro (mmHg e psi);
7 Aparelho de monitoramento da
reao.
7
4
2
1
3
6
5
30
4.1. Preparo da suspenso de esporos
A cepa de Penicillium simplicissimum utilizada neste trabalho foi isolada
da fermentao natural de rejeitos da amndoa de babau e selecionada como
produtora de lipase tanto por fermentao submersa (Freire, 1996), quanto por
fermentao no estado slido (Gutarra, 2003). A cepa que estocada em
nitrognio lquido foi cedida para este trabalho por Melissa Limoeiro Estrada
Gutarra pertencente equipe da Professora Denise Maria Guimares Freire
A obteno de esporos foi realizada atravs do crescimento do fungo a
30C por 7 dias em meio conforme mostrado na tabela abaixo.
Tabela 4.1: Meio de crescimento para P. simplicissimum
Reagente Concentrao (% m/v)
Sulfato de amnio 0,5%
Amido solvel 2%
Fosfato de potssio monobsico 0,05%
Carbonato de Ca 0,5%
Sulfato de Magnsio 0,025%
Extrato de levedura 0,1%
Agar 2,5%
leo de oliva 1%
Os esporos foram raspados e suspensos em tampo fosfato estril
(0,05M, pH 7,0), formando a suspenso de esporos. A concentrao de
esporos foi determinada atravs de contagem ao microscpio ptico em
cmara de Neubauer.
4.2. Fermentao no estado slido (FES):
Foram empregados biorreatores do tipo bandeja (cilndricos) com 15 g
de torta de babau, perfazendo uma altura de leito de 1 cm. A torta de babau
foi usada como meio basal para a fermentao no estado slido suplementada
com leo de oliva, melao a 6,25% (m/m). Os meios foram inoculados com 2 x
31
104 esporos/mL e as fermentaes foram conduzidas a 30C por 3 dias, em
estufas com injeo de ar mido com 95% de saturao.
4.3. Obteno do extrato enzimtico bruto
Em FES, ao final da fermentao