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Title in Portuguese: Estudo da produção enzimática de biodiesel utilizando óleo residual e etanol
Title: Study of enzymatic production of biodiesel using residual oil and ethanol
Author: Costa Filho, Edilson Holanda
Advisor(s): Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Keywords: Engenharia química
Biodiesel
Óleos - Residuos
Etanol
Lipase
Issue Date: 9-Oct-2008
Citation: COSTA FILHO, E. H. Estudo da produção enzimática de biodiesel utilizando óleo residual e etanol. 97 f. 2008. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2008.
Abstract in Portuguese: O biodiesel é uma mistura de ésteres alquílicos de ácidos graxos resultante da reação entre óleos vegetais e álcoois de cadeia curta, como metanol ou etanol, auxiliada por um catalisador, que pode ser ácido, básico ou enzimático. Entretanto, o alto custo da matéria-prima quando se utiliza óleo vegetal de grau alimentício tem inviabilizado economicamente a produção desse biocombustível. Por isso, as pesquisas com óleo residual tem aumentado, mostrando a viabilidade técnica da produção de biodiesel a partir de resíduos residenciais e industriais. Outro fator que influencia a reação de produção de biodiesel é o tipo de álcool. No Brasil, o uso do etanol é interessante desde que o nosso país se tornou um dos maiores produtores mundiais de etanol vegetal, um produto mais barato e menos tóxico que o metanol, diminuindo assim a nossa dependência do petróleo. O catalisador também exerce influência nesse tipo de reação. Os catalisadores mais usados industrialmente são as bases, mas quando o óleo vegetal tem um alto teor de ácidos graxos livres, o que acontece, geralmente, com os óleos residuais, não é possível usar catalisador básico por favorecer a formação de sabão e diminuir o rendimento em ésteres. Nesse caso, usa-se um catalisador ácido ou enzimático. Partindo dessa premissa, os resultados constantes nessa dissertação correspondem ao estudo da produção enzimática de biodiesel utilizando óleo residual e etanol. Avaliou-se o comportamento da lipase comercial imobilizada de Cândida antarctica tipo B (Novozym 435) na esterificação do ácido oléico comercial, estudando as variáveis que influenciam no processo. As variáveis escolhidas foram: temperatura (30-50o C), razão molar ácido:álcool (1:1-1:6) e a concentração de água presente no meio (0-20%). As reações foram conduzidas em erlenmeyers de 250 mL fechados contendo 10 g de óleo e a quantidade de álcool pré-determinada pelo planejamento de experimentos, mantendo-se a agitação fixa em 200rpm e a concentração de enzima em 5% m/m baseada na massa de óleo medida, obtendo-se uma conversão máxima de 88,36% na condição de maior razão molar, menor temperatura e menor concentração de água. Entretanto, pelo estudo cinético concluí-se que não é necessário um excesso de álcool para conseguir boas conversões. Em seguida, avaliou-se o comportamento de uma lípase do tipo B de Cândida antarctica imobilizada em quitosana na esterificação do ácido oléico, observando um comportamento semelhante ao da Novozym 435 mas com uma taxa inicial de reação mais lenta. Avaliou-se também o comportamento das duas lípases na esterificação do óleo de coco residual ácido, observando uma boa estabilidade para ambos os biocatalisadores que forneceram uma conversão acima de 80% com 60 minutos de reação e puderam ser reutilizados por no mínimo 10 vezes consecutivas sem perda considerável de atividade. Para comparar o comportamento da Novozym 435 em dois meios distintos, realizou-se um planejamento experimental fatorial com um óleo de algodão residual de baixa acidez livre, observando a mesma influência negativa da temperatura e da razão molar entre reagentes, mas com um tempo de reação maior, pois uma conversão máxima de 82,66% só foi atingida com 72 horas de reação. Para o cálculo da conversão, utilizou-se a redução do índice de acidez quando a matéria-prima tinha um alto teor de ácidos graxos livres e o método do periodato de sódio na determinação da glicerina quando a matéria-prima tinha uma baixa acidez livre.
Abstract: Biodiesel is a mixture of fatty acid alkyl esters produced by the reaction between vegetable oils and short chain alcohols, like methanol and ethanol, using a catalyst that can be acid, basic or enzymatic. However, the high cost of the raw material when refined vegetable oil is used, have made biodiesel production economically unattractive. Therefore, research with waste oils has increased, showing the technical viability of the production of biodiesel using the residential and industrial residues as raw material. Another variable that has influenced this type of reaction is the type of alcohol. In Brazil, the use of ethanol is interesting because the country has become one of the top worldwide producers of ethanol from vegetables sources, a cheaper and less toxic product than methanol, decreasing our petroleum dependence. The type of catalyst also influences biodiesel production. Alkali is the catalysts that is more often used in industry, but when the vegetable oil has a high acid value, it can not be used because soap is produced, diminishing the esters yield. In this case an acid or an enzyme is used as a catalyst. Based on the previous explanation, the results of this work correspond to the study of enzymatic production of biodiesel using waste oil and ethanol. The immobilized Candida antarctica lipase (Novozym 435) behavior was studied in the oleic acid esterification, studying the effect of the variables that has influence in the process. The variables chosen were: temperature (30 – 50oC), molar ratio acid:alcohol (1:1 – 1:6) and water content (0 – 20%). The reaction were performed in closed reactors with a capacity of 250 mL containing 10 g of oil, a known amount content of alcohol, pre-determined by experimental design and enzyme content of 5% p/p, based on the oil mass. The reaction medium was kept under constant stirring, 200 rpm. Maximum conversion of 88,36% was achieved when high molar ration, the lower temperature and water content values were used. However, by the kinetic study, it can be concluded that it is not necessary to use an alcohol excess to achieve good conversions. After that, the behavior of Candida Antarctica lipase B immobilized in chitosan was studied in acid oleic esterification. A slower initial rate of reaction was observed in comparison to Novozym 435. The behavior of both lipases was also studied in the esterification of waste coconut oil, showing good stability and giving a conversion of about 80% in 60 minutes. Both biocatalyst could be reused 10 times, keeping the same activity. In order to compare the behavior of Novozym 435 in two different mediums, an experimental design was performed with waste cotton oil, which had a low acid value. The same negative influence of the temperature and molar ratio was observed, but with a high reaction time, getting a maximum conversion of 82,66% in 72 hours of reaction. To calculate the conversions, the decreasing of the acid value was used when the raw material had a high acid value, and when the raw material had a low acid value the glycerol production was used.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/15749
metadata.dc.type: Dissertação
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