Otimização multivariada da síntese e do processo de purificação de biodiesel de babaçu

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Química Tecnológica

Autores

Pinheiro, J.F. (UFMA) ; Viegas, I.M.A. (UFPE) ; Barradas Filho, A.O. (UFMA)

Resumo

A produção de biodiesel envolve diversos parâmetros que influenciam no rendimento do produto. No presente trabalho, os planejamentos fatorial completo e Doehlert foram utilizados para realizar otimização multivariada da síntese de biodiesel de babaçu, obtido por transesterificação com catálise básica homogênea, e do processo de purificação do produto obtido. As melhores condições de síntese encontradas foram razão molar A:O de 6,5:1, tempo reacional de 90 min e temperatura de 30 °C, levando a um rendimento médio de 97,18% ± 2,31%, e na purificação do biodiesel pode-se empregar 20% (m/m) de água e 10 min de decantação entre as lavagens do produto. Essas condições possibilitam a maximização do rendimento em massa e a redução da geração de resíduos e do tempo consumido na etapa de purificação

Palavras chaves

Biodiesel de babaçu; Otimização multivariada; Redução de resíduos

Introdução

O óleo de babaçu (Attalea speciosa) é composto predominantemente de triglicerídeos de ácido láurico, o que potencializa a sua aplicação como matéria-prima para produção de biodiesel pois favorece a formação de um produto final com boas propriedades físico-químicas (LIMA et al., 2007; VIEGAS et al., 2018). Contudo, a qualidade do biodiesel e o rendimento da reação de transesterificação são influenciados também por outros fatores além da composição química da matéria-prima, dentre os quais destacam-se: temperatura e tempo de reação, teor de ácidos graxos livres e de água no óleo, estrutura química do álcool e razão molar álcool:óleo (A:O), tipo e quantidade de catalisador, intensidade de agitação e o uso de cossolventes (ENWEREMADU e MBARAWA, 2009). Portanto, faz-se necessária uma análise minuciosa de todo o processo produtivo do biodiesel para assegurar a obtenção de um produto com qualidade ambiental e de combustão. Nesse contexto, a utilização de ferramentas quimiométricas, como técnicas de planejamento experimental e metodologia de superfície de resposta, para investigar e otimizar variáveis da reação possibilita determinar melhorias significativas em todo o procedimento de síntese. Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo otimizar a síntese de biodiesel de babaçu, obtido por transesterificação com catálise básica homogênea, e o processo de purificação do produto obtido, visando a maximização do rendimento em massa bem como a redução da quantidade de água utilizada, da geração de resíduos e do tempo consumido nas etapas de lavagem. Para isso, serão utilizados os planejamentos experimentais fatorial completo e Doehlert associados ao tratamento estatístico adequado dos resultados obtidos.

Material e métodos

Inicialmente, foi determinado o índice de acidez (IA) do óleo de babaçu em triplicata pelo método 325/IV (INSTITUTO ADOLFO LUTZ, 2008). Em seguida, o rendimento da síntese de biodiesel de babaçu foi otimizado utilizando-se um planejamento fatorial completo com os fatores temperatura, tempo e razão molar A:O de acordo com os níveis especificados na Tabela 1-A e, posteriormente, foi delineado um planejamento Doehlert para investigação de novos níveis para razão molar A:O e tempo, conforme Tabela 1-B, com a temperatura fixada em 30 °C. Após a determinação das condições experimentais ótimas para maximizar o rendimento da transesterificação, o estudo foi centrado na etapa de purificação do biodiesel, e um novo planejamento Doehlert foi realizado para avaliar os fatores tempo de decantação e quantidade de água para lavagem (% m/m em relação à quantidade de óleo utilizado para a síntese), conforme níveis especificados na Tabela 1 C. As sínteses e purificações de biodiesel de babaçu foram realizadas obedecendo- se rigorosamente as condições estabelecidas pelos planejamentos experimentais, iniciando se com a obtenção do catalisador metóxido de potássio pela reação de hidróxido de potássio (1,5% m/m) com metanol nas razões molares A:O definidas pelos planejamentos, sob agitação até a completa homogeneização. Em seguida, o catalisador foi adicionado ao óleo de babaçu previamente seco em estufa a 80 °C, misturando-se de acordo com o tempo reacional estabelecido para cada síntese sob agitação constante em agitador magnético e, posteriormente, foi colocado em um funil de separação por 24 h. Ao término desse período, foram feitas uma lavagem com ácido clorídrico 0,5 % v/v e três lavagens com água deionizada com quantidades e tempos de decantação definidos pelo planejamento Doehlert.

Resultado e discussão

O IA obtido para o óleo de babaçu foi de 1,12 mg KOH/g, valor relativamente baixo que viabiliza a síntese de biodiesel por transesterificação com catálise básica. Os efeitos dos fatores razão molar A:O, tempo reacional e temperatura e as interações entre eles foram avaliadas pelo planejamento fatorial 2³, onde se verificou que as melhores condições para aumentar o rendimento da síntese são: razão molar A:O de 6:1, tempo de 30 min e temperatura de 30 °C. A partir dessas condições, um planejamento Doehlert foi realizado para avaliar melhor os efeitos lineares e quadráticos da razão molar A:O e do tempo de agitação, fixando-se a temperatura em 30 °C. Os resultados evidenciaram que somente o efeito quadrático da razão molar A:O foi significativo a 95% de confiança, e pela superfície de resposta da Figura 1-A foi possível estabelecer as condições de maximização do rendimento da síntese: razão molar A:O de 6,5:1 e tempo reacional de 90 min. Com o procedimento otimizado de transesterificação, um novo planejamento por matriz de Doehlert foi delineado e novas sínteses foram realizadas para investigar o efeito do tempo de decantação e da quantidade de água na purificação do biodiesel por lavagem. Os resultados indicaram que estas variáveis não demonstraram significância a 95% de confiança, o que evidencia que o procedimento de lavagem é robusto no domínio experimental estudado e não afeta significativamente o rendimento da transesterificação. Dessa forma, os rendimentos obtidos são semelhantes para quaisquer níveis estudados de quantidade de água e tempo de decantação, conforme representado na superfície de resposta da Figura 1-B, o que possibilita a diminuição do tempo para 10 min e a utilização de apenas 10% (m/m) de água para lavagem, promovendo a redução nos resíduos gerados.

(A) Planejamento fatorial 2³ e (B) Planejamento Doehlert para otimização da síntese; (C) Planejamento Doehlert para otimização da etapa de purificação


Superfícies de resposta do rendimento em massa de biodiesel de babaçu para a otimização (A) da síntese e (B) do processo de purificação

Conclusões

As melhores condições de síntese para o aumento de rendimento do biodiesel de babaçu foram razão molar A:O de 6,5:1, tempo reacional de 90 min e temperatura de 30 °C, levando a um rendimento médio de 97,18% ± 2,31%. Na otimização da purificação do biodiesel, verificou-se que o tempo de decantação e a quantidade de água da lavagem não influenciaram significativamente no rendimento do biodiesel, portanto rendimentos satisfatórios podem ser alcançados com 20% (m/m) de água e 10 min de decantação entre as lavagens do produto, possibilitando redução do tempo de purificação e dos resíduos gerados.

Agradecimentos

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

Referências

ENWEREMADU, C. C.; MBARAWA, M. M. Technical aspects of production and analysis of biodiesel from used cooking oil—a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 13, n. 9, 2205-2224, 2009.
INSTITUTO ADOLFO LUTZ. Métodos físico-químicos para análise de alimentos. 4. ed. 1. ed. digital. São Paulo: Instituto Adolfo Lutz, 2008.
LIMA, J. R. D. O.; DA SILVA, R. B.; DA SILVA, C. C. M.; DOS SANTOS JR, J. R.; MOURA, E. M.; DE MOURA, C. V. R. Biodiesel de babaçu (Orbignya sp.) obtido por via etanólica. Quim. Nova, v. 30, n. 3, 600-603, 2007.
VIEGAS, I. M. A.; BARRADAS FILHO, A. O.; MARQUES, E. P.; PEREIRA, C. F.; MARQUES, A. L. B. Oxidative stability of biodiesel by mixture design and a four-component diagram. Fuel, v. 219, 389-398, 2018.