Transesterificação

A transesterificação é a reação química em que os triglicerídeos, presentes no óleo vegetal, matéria-prima para produção do biodiesel, reagem com álcoois de cadeia curta – metanol ou etanol – na presença de um catalisador – hidróxido de sódio e hidróxido de potássio são os mais utilizados – para se obter éster e glicerol (CREMONEZ et al., 2015).

Antes de se proceder a reação faz-se necessária a aplicação de uma etapa de refinamento do óleo a ser utilizado como matéria-prima. A preparação do insumo para reação tem finalidade de reduzir a acidez e a umidade através de um processo de neutralização, seguido de desumidificação e secagem. O refino pode ser feito química ou fisicamente. Para este estudo foi escolhido o método físico, este apresenta vantagens de maior rendimento, uso de menos produtos químicos e menor produção de efluentes, a Figura 3.7 ilustra o processo. Esta escolha é comum em outras avaliações de biorrefinarias como em Valderrama (2018) e Ocampo (2019).

A estado atual da tecnologia está associada ao histórico de utilização de óleos vegetais como insumos para bioenergia. Em escala comercial, a exploração destes insumos pode apresentar benefícios quanto ao estabelecimento de produção, entretanto, pode causar dependência de determinada cultura. Quanto ao cenário brasileiro, em que a produção de biodiesel é sujeita a produção de soja e que o segundo insumo mais utilizado é gordura animal, a exploração de outra oleaginosa contribuiria para a diversificação das fontes renováveis. Portanto, o emprego do óleo de palma neste âmbito de biorrefinaria se justifica para a diversificação da matriz energética e pelos frutos de palma oferecerem maior quantidade de óleo para extração do que a maioria das oleaginosas já exploradas, tal como a soja e a canola (KUSS et al., 2015).

Figura 3.7: Fluxograma para o processo de refinamento do óleo.

Fonte: Elaborado pelo autor.

A estequiometria da transesterificação exige três moles de álcool por mol de triglicéride, entretanto pratica-se o excesso de álcool em ordem de aumentar a eficiência de reação, em termos da formação de éster. O procedimento envolve a preparação do insumo – refino –, a reação, a separação de fases, a recuperação de água e álcool e a purificação do éster e do glicerol. Esta metodologia pode produzir biodiesel de primeira e segunda geração, os de primeira estão relacionados aos óleos vegetais e os de segunda à óleo reutilizado e gorduras animais. Trata-se do processo mais utilizado comercialmente para produção de biodiesel (CREMONEZ et al., 2015).

Quanto ao catalisador da reação, opta-se por catalisadores básicos usualmente pela possibi- lidade de conduzir a reação em temperaturas menores e pela velocidade da reação, por razões econômicas e de disponibilidade o mais utilizado é o hidróxido de sódio, insumo escolhido para este estudo. O NaOH apresenta vantagens: uma capacidade de aceleração das reações a baixas pressões e maior rendimento em menor tempo (ZIVKOVIĆ et al., 2017).

Quanto ao álcool utilizado, o metanol é mais comum em países como Estados Unidos e na Europa pela disponibilidade a baixo custo, mesmo motivo pelo qual o etanol é o mais utilizado no Brasil. Entretanto a quantidade de água presente no etanol (700 ppm) é consideravelmente maior que a presente no metanol (50-100 ppm) e este é um fator importante quanto a dinâmica da reação, uma vez que o teor de água pode designar saponificação, uma reação paralela e indesejada (KUSS et al., 2015). A Tabela 3.3 apresenta vantagens e desvantagens da produção de biodiesel por rotas metílica e etílica.

Tabela 3.3: Vantagens e desvantagens das rotas etílicas e metílicas. O estudo considera a utilização de

metanol oriundo de fontes fósseis. Adaptado de (JONG; JUNGMEIER, 2015)

Rota Vantagens Desvantagens

Metílica (CH3OH)

1. O metanol custa em média a metade do preço do etanol;

1. É tradiocinalmente um insumo fós- sil;

2. O consumo de metanol durante a transesterificação é 45 % menor que o consumo de etanol anidro;

2. Maior volatilidade, portanto, maior risco de incêndios;

3. Para condições de reação e taxas de conversão semelhantes, o tempo da reação por rota metílica é menor em, pelo menos, 50 %.

3. Tem o comércio controlado por ser matéria-prima para sintetização de drogas ilícitas;

4. Para uma produtividade igual, a planta de transesterificação que adota metanol como reagente, tem menores dimensões físicas;

4. Altamente tóxico.

5. Para uma produtividade igual, a planta que opera com metanol, con- some 20 % menos vapor e metade da eletricidade;

Etílica (C2H6O)

1. Considerando o metanol produzido a partir de biomassa, o biodiesel pro- duzido seria 100 % renovável;

1. A separação entre biodiesel e gli- cerol é mais difícil, devido a maior afinidade que os ésteres etílicos tem pela substância, quando comparados aos metílicos;

2. O biodiesel obtido tem maior índice de cetano e maior lubricidade;

2. O volume da planta necessária para a produção de biodiesel pela rota etí- lica tem dimensões quatro vezes maior em volume, para a mesma produtivi- dade e qualidade;

3. Não tem índice de toxidade alto como o metanol.

3. Requer maiores custos energéticos, uma vez que, a reação possui um ponto azeotrópico, dificultando a separação e aumentando os requisitos da desi- dratação do combustível.

Após a reação de transesterificação ser processada são formadas duas fases: a mais pesada é a fase do glicerol e a mais leve é o éster. Ambas podem ser separadas por centrifugação ou

por decantação. A recuperação do excesso de álcool é feita por evaporação, condensação e desidratação. Para a extração da água excedente, o produto é destilado. O glicerol é purificado por destilação a vácuo para retirada de impurezas e o éster é purificado por centrifugação e desumidificação, resultando no biodiesel comercial que deve ser perfeitamente miscível ao diesel fóssil. O Processo descrito está exposto na Figura 3.8.

Figura 3.8: Fluxograma de atividades para obtenção do Biodiesel por meio da reação de

transesterificação. Fonte: Elaborado pelo autor.

Para que sejam atingidos os requisitos de qualidade e padronização do biodiesel produzido, condições adequadas devem ser proporcionadas, tais como a demanda por vapor, eletricidade e condução coerente das quantidades de reagentes. Dito isso, a Tabela 3.4 traz as quantidades de álcool que devem reagir com o óleo de palma para a obtenção dos produtos da transesterificação. A Tabela também apresenta a quantidade de catalisador para que a reação se processe, os requisitos energéticos e os dados de balanço de massa, quanto aos produtos, para as condições

selecionadas.

Tabela 3.4: Parâmetros operacionais utilizados para balanços de massa e energia na reação de

transesterificação. Adaptado de Ocampo (2019)

Processo de Refino e Transesterificação (R&T)

Valor Unidade

Consumo específico de vapor saturado a 250 kPa

564 kg/t-OP

Consumo de eletricidade específico 22 kWh/tOP

Consumo de metanol 138,8 L/tOP

Consumo de etanol 214,2 L/tOP

Rendimento de biodiesel 970 kg/tOP

Rendimento de glicerol 113,6 kg/tOP

A representação gráfica dos dados utilizados para o balanço de massa e energia da estação produtora de biodiesel por transesterificação está na Figura 3.8. A reação é endotérmica. A produção de biocombustível não varia, entretanto, a rota metílica apresenta menor consumo, maior aproveitamento energético e tempo de reação menor. Os aproveitamentos energéticos são de 94 % e 97 % para rotas etílica e metílica, respectivamente. Os altos índices de rendimento da reação são indicadores do nível de prontidão da tecnologia disponível.

Figura 3.9: Fluxograma do processo de transesterificação, considerando o processamento de 1 t/h de

OP.