Otimização multivariada do rendimento da síntese de biodiesel de dendê

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Iniciação Científica

Autores

Lima, Y.M.M. (UFMA) ; Viegas, I.M.A. (UFPE) ; Barradas Filho, A.O. (UFMA) ; da Silva, L.M.S. (UFMA) ; Marques, A.L.B. (UFMA) ; Marques, E.P. (UFMA)

Resumo

As técnicas de planejamento experimental estão sendo cada vez mais utilizadas como estratégias de otimização multivariada. No presente trabalho, um planejamento fatorial completo 2³ foi utilizado para maximizar o rendimento da síntese de biodiesel de dendê pela transesterificação por rota metílica e catálise básica homogênea, variando-se simultaneamente os fatores temperatura, tempo reacional e razão álcool:óleo (A:O). Analisando-se graficamente os sentidos de aumento do rendimento na superfície de resposta, foi possível obter um rendimento da transesterificação de até 96,33% em massa.

Palavras chaves

Planejamento experimental; Biodiesel de dendê; Superfície de resposta

Introdução

A crescente busca por recursos energéticos renováveis tem sido estimulada para garantir o desenvolvimento sustentável nas áreas ambiental, social e econômica, motivada tanto por questões ambientais quanto pelas limitações de reservas petrolíferas (LÔBO, FERREIRA e DA CRUZ, 2009; LOPES et al., 2017). Tal conjuntura desperta o interesse na utilização de biocombustíveis, especialmente o etanol e o biodiesel, como principais alternativas ao uso dos combustíveis derivados do petróleo. O biodiesel é obtido pela reação de transesterificação de triglicerídeos, de origem vegetal ou animal, com um álcool de cadeia curta na presença de um catalisador, gerando uma mistura de ésteres monoalquílicos de ácidos graxos. Em busca de melhores rendimentos na síntese de biodiesel, pode-se recorrer à otimização multivariada das condições (fatores) experimentais e, para isto, uma estratégia muito empregada é a utilização de planejamento experimental. Para a obtenção de melhores resultados, há uma combinação entre os fatores estudados e uma seleção entre seus melhores níveis com o auxílio de técnicas quimiométricas, que consistem na aplicação de métodos estatísticos, matemáticos e computacionais para extrair o máximo de informações de dados de origem química (FERREIRA, 2015). O presente trabalho tem por objetivo utilizar o planejamento fatorial completo como estratégia de otimização multivariada para maximizar o rendimento da síntese de biodiesel de dendê por transesterificação. A preferência pelo óleo de dendê ocorreu especialmente pela produtividade e rendimento de óleo da cultura e pelo baixo custo de produção, o que potencializa o uso dessa oleaginosa para a produção de biodiesel (BERGMANN et al., 2013).

Material e métodos

A síntese do biodiesel foi realizada pela transesterificação de óleo comercial de dendê por rota metílica e catálise básica homogênea com hidróxido de potássio. Para cada síntese, o óleo foi previamente aquecido, homogeneizado e pesado, sendo submetido a secagem em estufa por 2 h a 80 °C. O catalisador, metóxido de potássio, foi obtido misturando-se metanol com hidróxido de potássio (1,5% m/m) sob sonicação até a homogeneização completa. O catalisador foi adicionado ao óleo de dendê seco e a transesterificação foi realizada sob agitação mecânica e aquecimento em banho-maria. Para a otimização multivariada, foi realizado um planejamento fatorial completo 2³ e adicionaram-se quatro pontos centrais, resultando em 12 experimentos. Os três fatores variados simultaneamente e otimizados foram a razão molar A:O (fator que determina a quantidade de metanol na preparação do catalisador), a temperatura e o tempo de reação. Os níveis variados para cada fator são mostrados na Tabela 1. O planejamento experimental e o tratamento estatístico dos dados foram realizados pelo software STATISTICA 12 (Statsoft^®). Ao final do tempo de reação de cada síntese, a mistura foi colocada em funil de separação e, após o período de 24 h, retirou se o subproduto da reação (glicerol), prosseguindo- se a etapa de lavagem do biodiesel com solução de ácido clorídrico (0,5% v/v) e com água deionizada. Em seguida, o biodiesel foi colocado na estufa durante 4 h a 100 °C para a evaporação de água e álcool residuais. O rendimento de cada transesterificação, que foi a resposta otimizada no presente trabalho, foi calculado pela razão entre a massa do biodiesel seco e a massa de óleo pesada antes da síntese.

Resultado e discussão

A análise estatística dos resultados foi realizada utilizando-se um modelo com termos lineares dos fatores, termos de interações entre dois fatores (tempo x temperatura, tempo x razão A:O, temperatura x razão A:O) e um termo de interação entre os três fatores (tempo x temperatura x razão A:O). Pela estimativa dos efeitos, verificou-se que, apesar de os efeitos principais dos fatores não terem sido significativos, o efeito da interação entre os três fatores foi significativo, logo é necessário fazer a interpretação conjunta dos três fatores. Para possibilitar uma melhor visualização da resposta em função da variação dos fatores experimentais, foi elaborado o gráfico de superfície de resposta (Figura 1). Como só é possível visualizar dois fatores além da resposta, optou-se por exibir o gráfico em função do tempo e da temperatura, visto que o efeito da razão A:O foi o menor dentre os efeitos principais dos fatores. Mas como o rendimento está variando em função dos três fatores, ainda que somente dois sejam apresentados no gráfico, foi preciso fixar um valor de razão A:O para desenhar a superfície de resposta. O efeito da razão A:O foi 0,365, o que indica que o rendimento da reação aumenta 0,365%, em média, quando a razão A:O passa do seu nível inferior (6:1) para seu nível superior (18:1). Portanto, a razão A:O foi fixada no seu nível superior, visto que o objetivo deste trabalho é aumentar o rendimento da transesterificação. A superfície de resposta nos fornece dois sentidos de maximização do rendimento indicados pelas setas em amarelo na Figura 1. Contudo, dentro das condições experimentais exploradas (Tabela 1), os níveis decodificados que levaram ao rendimento de 96,33% (melhor resposta obtida) são temperatura de 60 °C, tempo reacional de 60 min. e razão A:O de 18:1.

Níveis variados para cada fator do planejamento fatorial completo.


Superfície de resposta do rendimento da síntese de biodiesel de dendê por transesterificação.

Conclusões

O uso de planejamento experimental como estratégia de otimização multivariada associado ao tratamento estatístico dos resultados possibilitou encontrar as melhores condições experimentais, dentro dos níveis de temperatura, tempo e razão A:O estudados, para maximizar o rendimento da reação de síntese de biodiesel de dendê. Pela superfície de resposta obtida para os resultados do planejamento fatorial completo 2³, as melhores condições experimentais encontradas foram temperatura de 60 °C, tempo reacional de 60 min. e razão A:O de 18:1, resultando em um rendimento de 96,33% da transesterificação.

Agradecimentos

Os autores agradecem à UFMA (PIBIC, LPQA e LAPQAP), à UFPE (PPG Química) e ao CNPq.

Referências

BERGMANN, J. C.; TUPINAMBÁ, D. D.; COSTA, O. Y. A.; ALMEIDA, J. R. M.;
BARRETO, C. C.; QUIRINO, B. F. Biodiesel production in Brazil and alternative biomass feedstocks. Renewable and Sustainable Energy Reviews, n. 21, 411 420, 2013.
FERREIRA, S. L. C. Introdução às técnicas de planejamento de experimentos. 1ª. ed. Salvador: Vento Leste, 190 p., 2015.
LÔBO, I. P.; FERREIRA, S. L. C.; DA CRUZ, R. S. Biodiesel: parâmetros de qualidade e métodos analíticos. Química Nova, n. 6, 1596-1608, 2009.
LOPES, M. V.; BARRADAS FILHO, A. O.; BARROS, A. K., VIEGAS, I. M. A.; SILVA, L. C. O.; MARQUES, E. P.; MARQUES, A. L. B. Attesting compliance of biodiesel quality using composition data and classification methods. Neural Computing and Applications, no prelo, 2017.