Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

The decrease of oil reserves and the environmental consequences resulting from the use of fossil fuels in diesel engines led to the search for alternative fuels. The research for non fossil fuels has become the target goal, based on renewable energy sources, owing to the growing demand for energy and the limited supply of fossil fuels. Cooking oil, animal fat, and other biological residues such as spent coffee grounds, are examples of raw materials for the biodiesel production. Its valorization has interest both on the environmental and on the economic perspective because not only it increases the flexibility and diversification of raw materials, but also contributes to the stability of prices and changes in agricultural policies and land use. It is in this context that the biodiesel and the spent coffee grounds are included, therefore it is the aim of this work to study biodiesel production from spent coffee grounds, on a laboratory scale, through enzymatic transesterification, aiming at finding the best reaction conditions. The characterization of the spent coffee grounds was made before and after the spent coffee grounds oil extraction. Among various parameters stands out the moisture content (16.97% and 6.79%), ash content (1.91 and 1.57%), nitrogen content (1.71 and 2.30%), protein content (10.7 and 14.4%), carbon content (70.2 to 71.7%), crude fiber content (14.77 and 18.48%), lignin content (31.03% and 30.97%) and high power heating value (19.5 MJ / kg and 19.9 MJ / kg). Briefly, it was found that most of the parameters do not differ substantially from the results found in the literature, and it was noticed the potential use of this biomass as a heating source for burning and power generation. The characterization of the oil extracted from coffee grounds is one of the prior objectives in the production of biodiesel, it is intended to evaluate its different parameters. Regarding the characterization of oil extracted, it can be highlighted its kinematic viscosity (38.0 mm2 / s), density 0.9032 g / cm3, calorific value 37.9 kcal/kg, iodine number equal to 63.0 g I2 / 100 g oil, oil water content was 0.15%, index acidity equal to 44.8 mg KOH / g oil, the flash point greater than 120 °C and the fatty acid content of 82.80%. Initially preliminary experiments were performed, in order to select the lipase (Lipase RMIM, 100L TL and CALB L) and alcohol (methanol or ethanol) more suited to the production of biodiesel, whereby the yield of 83.5% was obtained using lipase RMIM and ethanol as alcohol. The optimization of the enzymatic process was one of the objectives, using a central composite design of three variables (molar ratio ethanol: oil enzyme temperature and concentration), using the JMP 8.0 software, it was determined as optimum conditions, molar ratio ethanol : oil 5: 1, adding 4.5% (w/w) enzyme and a 45 °C temperature, leading to an experimental performance equivalent to 96.7% and 87.6% esters content. Accordingly, the theoretical yield was 99.98%. It was intended to further investigate the effect of adding water to the ethanol, i.e., the variation of the ethanol content by adding water to values ranging from 92%, 85% and 75%. It was found that 92% would increase transesterification (97.2%) to a content of esters of (92.2%) and therefore to higher levels of added water (75% and 85%) there was a decrease in esters content (77.2% and 89.0%) and the yield of the reaction (84.3% and 91.9%). This suggests the occurrence of the hydrolysis reaction, which leads to the deviation of equilibrium in the opposite direction for the formation of the reaction products, i.e., esters. Finally, regarding the costs associated with the biodiesel production process in this work, they were evaluated for the set of 27 assays that were run, where 767,4 g of biodiesel was produced. Thus the cost of reactants was higher than that of energy, which was of 156.16 € and 126.02 €, respectively. It must be stated that it is not expected that, under na industrial scale, costs are so high as there will be reduction in costs due to scale up and to the reusability of enzymes.