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Avaliação do óleo e biodiesel de soja (glycine max) a partir de parâmetros físico-químicos / Evaluation of soybean oil and biodiesel (glycine max) from physical- chemical parameters

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761

Avaliação do óleo e biodiesel de soja (glycine max) a partir de

parâmetros físico-químicos

Evaluation of soybean oil and biodiesel (glycine max) from physical-

chemical parameters

DOI:10.34117/bjdv6n3-218

Recebimento dos originais: 16/02/2020 Aceitação para publicação: 16/03/2020

Tassio Lessa do Nascimento

Mestre em Química Inorgânica pela Universidade Federal do Ceará

Instituição: Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia (IFRN)

Endereço: UFRN (Centro de Biociências - Campus Universitário, Lagoa Nova- CEP: 59078-900 | Natal / IFRN (RN 233, Km-02, Nº 999, Bairro Chapada do Apodi | Apodi-RN | CEP:

59700-000)

E-mail: tassio.lessa@ifrn.edu.br Maria Aparecida Medeiros Maciel

Doutora em Química Orgânica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro

Instituição: Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e Universidade Potiguar (UNP)

Endereço: UFRN (Centro de Biociências - Campus Universitário, Lagoa Nova- CEP: 59078-900 | Natal / UNP (Av. Sen. Salgado Filho, 1610 - Lagoa Nova, Natal - RN, 59056-000)

E-mail: mammaciel@hotmail.com Luciana Medeiros Bertini

Doutora em Química Orgânica pela Universidade Federal do Ceará Instituição: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia (IFRN)

Endereço: RN 233, Km-02, Nº 999, Bairro Chapada do Apodi | Apodi-RN | CEP: 59700-000)

E-mail: luciana.bertini@ifrn.edu.br Maria Alexsandra de Sousa Rios

Doutora em Química Inorgânica pela Universidade Federal do Ceará Instituição: Universidade Federal do Ceará

Endereço: Av. Mister Hull, s/n - Pici - CEP 60455-760 - Fortaleza – CE E-mail: alexsandrarios@ufc.br

RESUMO

A maior parte de toda a energia consumida no mundo provém do petróleo, do carvão e do gás natural. Essas fontes são limitadas e com previsão de esgotamento no futuro, portanto, a busca por fontes alternativas de energia é de suma importância. Neste contexto, os óleos vegetais aparecem como uma alternativa para substituição ao óleo diesel. A soja é uma das oleaginosas

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 mais utilizada no Brasil, como fonte de matéria-prima para a produção do biodiesel. Desse modo, cada vez se investe mais em metodologias analíticas para avaliar a qualidade dos reagentes utilizados na reação de transesterificação. O objetivo do presente trabalho foi caracterizar através de análises químicas, físicas e cromatográficas o biodiesel produzido a partir do óleo da soja.

Palavras-chave: Biodiesel. Soja. Cromatografia. ABSTRACT

Most of the energy consumed in the world comes from oil, coal and natural gas. These sources are limited and are expected to deplete in the future, so the search for alternative sources of energy is of paramount importance. In this context, vegetable oils appear as an alternative to replacing diesel oil. Soybean is one of the most used oilseeds in Brazil, as a source of raw material for biodiesel production. Thus, more and more analytical methodologies are being invested to evaluate the quality of reagents used in the transesterification reaction. The objective of the present work was to characterize through chemical, physical and chromatographic analysis the biodiesel produced from soybean oil.

Keywords: Biodiesel. Soy. Chromatography

1 INTRODUÇÃO

A crise do petróleo, que ocorreu no ano de 1973, devido a fatores políticos e econômicos fez com que países importadores de produtos fóssil, como o Brasil, fossem afetados. Desde então, visando a substituição gradual desses combustíveis por fontes energéticas renováveis, a classe científica de vários países passara a buscar novas fontes alternativas de energia e consequentemente o melhoramento de suas tecnologias. Nos tempos atuais, devido a fatores climáticos, econômicos e sociais, as pesquisas por essas fontes vêm acelerando (CANDEIA,2008).

Estudos mostram que a redução da emissão de gases tóxicos ao efeito estufa, como hidrocarbonetos (HCs), monóxido de carbono (CO) e gás carbônico (CO2), são realizadas através do uso de biocombustíveis (TEREZO; LANZA, 2017), desse modo investimentos tecnológicos e científicos nesses combustíveis são válidos.

Entre as diversas matérias-primas utilizadas no Brasil para a produção de biodiesel, a soja se destaca pelo fato de ser uma oleaginosa facilmente explorada e cultivada, isso ocorre devido suas condições edafoclimáticas. Nosso país é considerado um grande produtor mundial desse grão, desse modo, possibilitou a entrada dos óleos vegetais como fonte de matérias-primas para a produção dos biocombustíveis e consequentemente fortaleceu a implantação do regime de mistura de biodiesel ao diesel no Brasil. (REIS; MATEUS; COUTO, 2013) (HIRAKURI; LAZZAROTTO; ÁVILA, 2010).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 Existem pesquisas que dissertam sobre as vantagens e desvantagens referentes ao biodiesel de soja, que vai desde obtenção dessa oleaginosa, passando pela produção do biodiesel por vários processos químicos (transesterificação, craqueamento etc.), incluindo, também, as propriedades físico-químicas do biodiesel. Assim, o objetivo desse estudo foi caracterizar através de análises químicas, físicas e cromatográficas o biodiesel produzido a partir do óleo da soja.

2 REFERENCIAL TEÓRICO

Biocombustíveis são biomassas renováveis utilizadas para substituição de combustíveis fósseis. Apesar de liberar o CO2 na atmosfera, após sua combustão, esse gás é consumido por suas matérias-primas durante o seu desenvolvimento, inalterando a concentração de gás carbônico no ar. Podemos citar várias vantagens no uso dos biocombustíveis, tais como: menor índice de poluição com a sua queima e processamento, podem ser cultivados, logo, são renováveis; geram empregos em sua cadeia produtiva; diminuem a dependência em relação aos combustíveis fósseis e proporcionam o aumento dos índices de exportação do País, favorecendo, assim, a balança comercial.

O biodiesel é um combustível renovável adquirido a partir de processos químicos denominado transesterificação e derivado de fontes renováveis, como óleos vegetais e gorduras animais. Nesses processos, os triglicerídeos presentes nos óleos e gordura animal reagem com um álcool primário, metanol ou etanol, gerando dois produtos: o éster e a glicerina. Podendo ser comercializado e utilizado de duas maneiras, puro ou em mistura com óleo diesel, em diferentes proporções, conforme a legislação vigente da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). (ANP, 2020)

Os maiores componentes do óleo vegetal e gordura animal são os triglicerídeos (TAG). Os triglicerídeos são considerados, até hoje, uma das melhores opções como fonte renovável de matéria-prima para o biodiesel. Os TAG são ésteres de ácido graxos com glicerol e, para que o biodiesel seja produzido, esses TAG são submetidos à reação química chamadas transesterificação (KNOTHE et al, 2006).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761

Figura 01: Reação de transesterificação de óleo vegetal

Fonte: KNOTHE et al, 2006

O biodiesel possui características parecidas ao diesel de petróleo em quase todas as propriedades. O biodiesel mostra várias vantagens adicionais em comparação ao combustível fóssil, como apresenta emissões baixas de material particulado, compostos com enxofre e dióxido de carbono, é derivado de matéria-prima renovável, é biodegradável. Uma das fontes de matérias-primas mais utilizadas no Brasil é soja (ANP, 2020).

A soja domina o mercado mundial tanto de proteína vegetal como de óleo comestível. E o Brasil desde 2004, ocupa o segundo lugar de maior produtor de soja do mundo, perdendo apenas para os Estados Unidos, com uma produção estimada pela EMBRAPA de aproximadamente 113,92 milhões de toneladas (safra 2016/2017), que vem a suprir o seu mercado interno e ainda exportar para diversos países do mundo.

Desse modo, o presente trabalho irá produzir o biodiesel a partir do óleo de soja e em seguida será realizado a caracterização física, química do produto produzido.

3 METODOLOGIA

3.1 CARACTERIZAÇÃO DO ÓLEO DE SOJA 3.1.1 Índice de acidez

Pesou-se em um erlenmeyer de 250 mL 10 g de óleo de soja. Em seguida, adicionou-se o álcool etílico P.A neutralizado e 2 mL de fenolftaleína na amostra para posterior titulação com solução de hidróxido de sódio (NaOH) a 0,1mol/L até o aparecimento da coloração levemente rósea. O volume de NaOH foi anotado para posterior cálculo utilizando a equação 01 a seguir:

Á𝑐𝑖𝑑𝑜 Ó𝑙𝑒𝑖𝑐𝑜 (%)=

𝑉gasto 𝑥 𝐶NaOH 𝑥 𝐹 𝑥 28,2

𝑚amostra Equação (1) Onde:

CNaOH = concentração da solução de NaOH (mol/L); Vgasto = volume de NaOH 0,1 M gasto na titulação (mL);

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 mamostra = massa da amostra (g);

F = Fator da solução de NaOH 0,1 M;

28,2 corresponde ao fator de conversão (equivalente em gramas) do ácido oleico.

3.1.2 Teor de Sabão

Inicialmente preparou-se o solvente neutralizado para a análise de teor de sabão misturando acetona e água na proporção de 50:1, em seguida adicionou-se 0,5 mL de solução de azul de bromofenol 1,0 % em água. A solução preparada foi neutralizada com NaOH 0,01 mol/L até que a cor da solução passe do amarelo para o verde. Em seguida adicionou lentamente HCl 0,01 mol/L até que o solvente se torne novamente amarelo.

Para a determinação dos teores de sabão, foi pesado em um erlenmeyer de 500 mL 40 g da amostra e adicionado aproximadamente 1 mL de água destilada. Em seguida, a amostra fo i aquecida em banho-maria a 60 ºC por 2-5 minutos. Adicionou-se 50 mL do solvente neutralizado seguida de agitação. Posteriormente, realizou-se a titulação com HCl 0,01 mol/L até que ocorreu a mudança de coloração da solução de verde para amarelo. Retornou para aquecimento até que a coloração amarela tenha persistido por 30 segundos, anotando o volume gasto da solução titulante.

Para calcular o teor de sabão, empregou-se a equação 02 mostrada a seguir: 𝑇𝑒𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑏ã𝑜 (𝑝𝑝𝑚) =𝑉gasto 𝑥 𝐶HCl 𝑥 𝐹 𝑥 304,400

𝑚amostra Equação (02) Onde:

CHCl : Concentração da solução de HCl (mol/L); Vgasto: Volume de HCl gasto na titulação (mL); mamostra: Massa da amostra (g);

F: Fator da solução de HCl;

304,400: Massa molar de oleato de sódio (g/mol)

3.1.3 Teor de Umidade

Aproximadamente 2,0 g da amostra do óleo foi colocado em um cadinho previamente pesado e colocado na estufa por 02h a uma temperatura aproximada de 110 °C. Ao completar o tempo, o cadinho era retirado e levado para um dessecador por 30 minutos e pesado em seguida. Repetiu-se a operação até atingir uma massa constante. O procedimento foi realizado em duplicata.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 3.2 OBTENÇÃO DO BIODIESEL DE SOJA

A síntese do biodiesel ocorreu através da reação de transesterificação proposta por Veloso, Nascimento e Bertini (2018), em que foi utilizada uma amostra de 100 mL do óleo, que foi colocado em um balão de fundo chato para a ocorrência da reação. A amostra foi agitada com o auxílio de uma barra magnética e aquecida em banho-maria até uma temperatura próxima de 60 °C, logo após foi inserido o catalisador, o metóxido de potássio, esperou-se o tempo de 60 minutos para a ocorrência da reação. Após isso, o produto reacional foi depositado em um funil de separação para decantar e assim, separar os mesmos da glicerina formada durante a reação.

Em seguida, os ésteres passaram pela etapa de lavagem, em que foi utilizada 50 mL de uma solução aquosa de ácido clorídrico a 0,5 % (v/v), logo após, e por fim, 50 mL de água destilada, respectivamente. Após esse procedimento, os ésteres foram secados na estufa e caracterizados.

3.3 CARACTERIZAÇÃO DO BIODIESEL DE SOJA 3.3.1 Acidez do Biodiesel

Para a determinação do índice de acidez presente nos ésteres metílicos foi utilizado o mesmo procedimento realizado para os teores de acidez do óleo de soja, porém os resultados foram expressos em mg de KOH/g de amostra, unidade regulamentada pela ANP para este parâmetro.

3.3.2 Ésteres Totais em Biodiesel

Empregou-se o método EN 14103 para a determinação do Teor Total de Ésteres Metílicos de Ácidos Graxos (FAMEs) e Éster Metílico de Ácido Linolênico. Neste procedimento, pesou-se em um vial de 10 mL, uma alíquota de aproximadamente 100 mg da amostra de biodiesel e padrão nonadecanoato de metila no mesmo tubo e diluiu com 10 mL de tolueno. Vedou-se o frasco e homogeneizou a solução. Com auxílio de uma pipeta de Pasteur transferiu esta solução para um vial de 2 mL até preenchê-lo totalmente. Em seguida, a amostra foi injetada no cromatógrafo a gás, utilizando os parâmetros que constam da norma EN 14103.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 3.3.2 Glicerina Livre e Total

A determinação dos teores de Glicerina Livre e Total, Mono, Di e Triglicerídeos foi baseada segundo o método ASTM D 6584. Para esta análise, 100mg da amostra foi preparada mediante a adição de: 100 μL de 1,2,4-Butanotriol – solução 1 mg/mL em piridina (padrão interno 1), 100 μL de 1,2,3-Tricaproilglicerol (tricaprina) – solução 2,8 mg/mL em piridina (padrão interno 2) e 100 μL do derivatizante N-metil-N-trimetilsilil-trifluoroacetamida (MSTFA). Os vials com a amostra foram fechados e agitados vigorosamente, deixando em repouso entre 15 a 20 minutos a temperatura ambiente. Em seguida foi adicionado 8 mL de n-heptano em cada vial e homogeneizado para injeção da amostra no cromatógrafo a gás, utilizando os parâmetros que constam da norma ASTM D 6584

4 RESULTADOS ESPERADOS E DISCUSSÕES

4.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DO ÓLEO DE SOJA

Os resultados obtidos para a caracterização do óleo de soja quanto às análises de: acidez, sabão e umidade, estão demonstrados na Tabela 1. A partir da interpretação desta tabela, observa-se que a amostra de óleo apresentou acidez 0,08 %, em que a American Oil

Chemists Society (AOCS) afirma que as amostras de óleos vegetais refinados são consideradas

do Tipo 1 (um), com índice de acidez entre 0,00 a 0,2 %, desta forma, pode ser empregada na reação de transesterificação, pois segundo Knothe (2006), só haveria comprometimento da reação, caso o valor de acidez superasse 1,0 %, tornando-se inadequado para produzir o biodiesel via catálise básica, devido a formação de sabão.

Tabela 1 - Caracterização físico-química do óleo residual tratado.

Ensaio Unidade Metodologia Resultado

Acidez % AOCS Ca 5-40 0,08

Teor de Sabão mg/kg AOCS Cc 17-95 Ausente Teor de Umidade mg/kg ASTM E 203 82

Fonte: Autores.

O teor de sabão na amostra apresentou não foi detectado, desse modo tivemos um excelente resultado, pois segundo Rinaldi e colaboradores (2007), o teor elevado ocasiona problemas como a emulsão do biodiesel/glicerol na reação de transesterificação. Além desta problemática, pode haver consumo da base usada na catálise da transesterificação do óleo

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 vegetal/animal, diminuindo o rendimento do processo. Nesse contexto, a amostra avaliada não apresentou tais problemáticas. O teor de umidade na amostra apresentou resultado de 82 mg/kg, valor abaixo segundo ANP (2020) para a produção de biodiesel que específica 200 mg/kg para o biodiesel final.

4.2 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DO BIODIESEL

O índice de acidez adquire importância devido a presença dos ácidos graxos livres, pois sua presença no biodiesel pode ocasionar corrosão, incrustações e formação de depósitos, devido a oxidação das partes internas do motor. O biodiesel apresentou valor de 0,26 mg de KOH/g de amostra, valor abaixo do limite estabelecido para este parâmetro pela ANP que é de 0,50 mg de KOH/g de amostra.

Na avaliação do teor de ésteres, foi obtido valor médio de 98,5 %. Assim, considera-se elevada a conversão em ésteres metílicos de ácidos graxos, ao superar o limite mínimo estabelecido pela resolução da ANP igual a 96,5%. A Figura 01 apresenta os picos cromatográficos da análise teor de éster, os quais a partir do C6:0 até o C24:0 foram integrados para determinar a concentração dos ésteres totais.

Figura 01: Cromatograma da concentração de Éster em biodiesel

A concentração de glicerina livre foi inferior a 0,005% valor este que esta dentro dos padrões estabelecidos pela ANP. Segundo Lôbo, Ferreira e Cruz (2009) a glicerina livre

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 residual pode ser facilmente eliminada através de lavagens do biodiesel, indicando que um biodiesel com alto teor de glicerina livre pode estar diretamente relacionado a uma lavagem imperfeita do biodiesel.

Em relação à glicerina total, esta é a glicerina combinada, que inclui tanto a glicerina livre como os monoglicerideos, diglicerideos e triglicerídeos. O valor encontrado foi de 0,189% estando dentro do valor fixado pela ANP que é de 0,25% no máximo. Este é um importante parâmetro que pode ser utilizado para avaliar a eficiência da conversão de óleos e gorduras em biodiesel.

No caso dos valores correspondes aos mono, di e triglicerídeos produzidos por este biodiesel foram respectivamente de 0,540%, 0,154% e 0,110%. Todos os resultados encontrados no que se refere aos glicerídeos cumprem aos padrões estipulados pela ANP. Dependendo da concentração em que podem estar presentes no biodiesel, os glicerídeos não reagidos podem aumentar a viscosidade do combustível e, consequentemente, reduzir a eficiência da combustão, provocando entupimento do filtro de combustível e formação de depósitos em partes do motor como pistões, válvulas e bicos injetores (LÔBO; FERREIRA; CRUZ, 2009).

Figura 02: Teor de glicerina livre e total

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O biodiesel foi produzido empregando a reação de transesterificação metílica alcalina a 60 ºC durante tempo reacional de 30 minutos. Foi alcançado elevados rendimentos

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p. 12685-12694 mar. 2020. ISSN 2525-8761 na produção do biodiesel, conforme quantificação do teor de éster igual a 98,4%. Dentre as análises realizadas para a especificação do biodiesel conforme a Resolução nº 45/14 da ANP, foi verificado o atendimento a todos os parâmetros, exceto quanto ao teor de sódio e potássio, requerendo uma melhoria na etapa de neutralização do catalisador.

REFERÊNCIAS

ANP. Biodiesel. 2019. Disponível em: <http://www.anp.gov.br/biocombustiveis/biodiesel>. Acesso em: 13 ago. 2019.

CANDEIA, Roberlucia Araújo. Biodiesel de Soja: Síntese, Degradação e Misturas Binárias.

2008. Disponível em:

file:///C:/Users/Usu%C3%A1rio/Downloads/Tese_Roberlucia_A_Candeia.pdf>. Acesso em: 03 maio 2019

HIRAKURI, Marcelo Hiroshi; LAZZAROTTO, Joelsio JosÉ; ÁVILA, MÁrcio Turra de. AVALIAÇÃO DA RELAÇÃO ENTRE SOJA E PRODUÇÃO DE BIODIESEL. 2010. Disponível em: <https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/30053/1/167.pdf>. Acesso em: 04 maio 2019.

KNOTHE, Gerhard; GERPEN, Jon Van; KRAHL, Jügen; RAMOS, Luiz Pereira. Manual de Biodiesel. São Paulo: Edgard Blücher, 2006. 340 p

PERES, J. R. R.; BELDRANO, N. E. M. Oleaginosas para Biodiesel: Situação e potencial. In : Ferreira, J. R.; Cristo, C. M. P. N. (coord.). O futuro da indústria: Biodiesel- coletânea de artigos. Brasília: MDIC-STI/IEL, 2006. p.67-82.

TEREZO, Ailton J.; LANZA, Marcos R. V. Tratamento Eletroquímico de efluente da produção de biodiesel usando um eletrodo do tipo ADE: Ti/IrO2-Nb2O5. 2017. Disponível

em:<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422018000100017&lang=pt>. Acesso em: 04 maio 2019

REIS, Elton F. dos; MATEUS, Diego L. S.; COUTO, Ródney F. Desempenho e emissões de um motor-gerador ciclo diesel sob diferentes concentrações de biodiesel de soja. 2013

LÔBO, Ivon Pinheiro; FERREIRA, Sérgio Luis Costa; CRUZ, Rosenira Serpa da. Biodiesel: parâmetros de qualidade e métodos analíticos. 2009. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php, Acesso em: 13 ago. 2019

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Figura 01: Reação de transesterificação de óleo vegetal
Tabela 1 - Caracterização físico-química do óleo residual tratado.
Figura 01: Cromatograma da concentração de Éster em biodiesel
Figura 02: Teor de glicerina livre e total

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