Simulation and life cycle assessment of process design alternatives for biodiesel production from waste vegetable oils

This study uses the process simulator ASPEN Plus and Life Cycle Assessment (LCA) to compare three process design alternatives for biodiesel production from waste vegetable oils that are: the conventional alkali-catalyzed process including a free fatty acids (FFAs) pre-treatment, the acid-catalyzed process, and the supercritical methanol process using propane as co-solvent. Results show that the supercritical methanol process using propane as co-solvent is the most environmentally favorable alternative. Its smaller steam consumption in comparison with the other process design alternatives leads to a lower contribution to the potential environmental impacts (PEI’s). The acid-catalyzed process generally shows the highest PEI’s, in particular due to the high energy requirements associated with methanol recovery operations.

Utilização de co-solventes na produção de biodiesel a partir de óleo residual e etanol por catálise enzimática

A constante e sistemática subida de preço dos combustíveis fósseis e as contínuas preocupações com o meio ambiente determinaram a procura de soluções ambientalmente sustentáveis. O biodiesel surge, então, como uma alternativa para essa problemática, bem como uma solução para resíduos líquidos e gordurosos produzidos pelo ser humano. A produção de biodiesel tem sido alvo de extensa atenção nos últimos anos, pois trata-se de um combustível biodegradável e não poluente. A produção de biodiesel pelo processo de transesterificação usando álcoois de cadeia curta e catalisadores químicos, nomeadamente alcalinos, tem sido aceite industrialmente devido à sua elevada conversão. Recentemente, a transesterificação enzimática tem ganho adeptos. No entanto, o custo da enzima permanece uma barreira para a sua aplicação em grande escala. O presente trabalho visa a produção de biodiesel por transesterificação enzimática a partir de óleo residual de origem vegetal. O álcool usado foi o etanol, em substituição do metanol usado convencionalmente na catálise homogénea, pois a atividade da enzima é inibida pela presença deste último. As maiores dificuldades apresentadas na etanólise residem na separação das fases (Glicerol e Biodiesel) após a reação bem como na menor velocidade de reação. Para ajudar a colmatar esta desvantagem foi estudada a influência de dois cosolventes: o hexano e o hexanol, na proporção de 20% (v/v). Após a escolha do co-solvente que permite obter melhor rendimento (o hexano), foi elaborado um planeamento fatorial no qual se estudou a influência de três variáveis na produção de biodiesel por catálise enzimática com etanol e co-solventes: a razão molar óleo/álcool (1:8, 1:6 e 1:4), a quantidade de co-solvente adicionado (30, 20 e 10%, v/v) e o tempo de reação (48, 36 e 24h). A avaliação do processo foi inicialmente seguida pelo rendimento da reação, a fim de identificar as melhores condições, sendo substituída posteriormente pela quantificação do teor de ésteres por cromatografia em fase gasosa. O biodiesel com teor de ésteres mais elevado foi produzido nas condições correspondentes a uma razão molar óleo:álcool de 1:4, com 5g de Lipozyme TL IM como catalisador, 10% co-solvente (hexano, v/v), à temperatura de 35 ºC durante 24h. O rendimento do biodiesel produzido sob estas condições foi de 73,3%, traduzido em 64,7% de teor de ésteres etílicos. Contudo o rendimento mais elevado que se obteve foi de 99,7%, para uma razão óleo/álcool de 1:8, 30% de co-solvente (hexano, v/v), reação durante 48h a 35 ºC, obtendo-se apenas 46,1% de ésteres. Por fim, a qualidade do biodiesel foi ainda avaliada, de acordo com as especificações da norma EN 14214, através das determinações de densidade, viscosidade, ponto de inflamação, teor de água, corrosão ao cobre, índice de acidez, índice de iodo, teor de sódio (Na+) e potássio (K+), CFPP e poder calorífico. Na Europa, os ésteres etílicos não têm, neste momento, norma que os regule quanto à classificação da qualidade de biodiesel. Contudo, o biodiesel produzido foi analisado de acordo com a norma europeia EN14214, norma esta que regula a qualidade dos ésteres metílicos, sendo possível concluir que nenhum dos parâmetros avaliados se encontra em conformidade com a mesma.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

Otimização Energética na Produção de Biodiesel

Enquadrado num contexto cada vez mais marcado pela necessidade imperiosa de adoção e desenvolvimento de práticas ambientais e energeticamente sustentáveis, este trabalho visa contribuir para a caracterização e otimização do consumo de energia na produção de biodiesel. O biodiesel pode ser encarado como uma boa resposta aos graves problemas que os combustíveis fósseis estão a provocar nas sociedades modernas, pois é uma fonte de energia biodegradável, não-tóxica e sintetizada a partir de várias matérias-primas. Porém, o elevado custo de produção, como consequência do elevado preço das matérias-primas, constitui o maior problema para a sua implementação e comercialização a grande escala. A produção de biodiesel é, em sua quase totalidade, conduzida por via de reação de transesterificação, usando óleo vegetal e álcool como matérias-primas. O objetivo geral deste trabalho é otimizar energeticamente um processo de produção de biodiesel, via catálise homogênea alcalina (BCHA). Para alcançar esse objetivo, um fluxograma típico de produção foi construído e analisado, tanto do ponto de vista energético como econômico. Posteriormente oportunidades de otimização do processo foram identificadas, no sentido de reduzir o consumo de utilidades, impacto ambiental e aumentar a rentabilidade econômica. A construção do processo, a caracterização da alimentação, os critérios de operacionalidade, a obtenção de resultados e demais fatores foram efetuados com auxílio de um software de simulação Aspen Plus versão 20.0 criado pela Aspen Technology products. Os resultados do trabalho revelaram que o processo BCHA produz uma corrente com 99,9 % em biodiesel, obedecendo às normas internacionais em vigor. Na parte energética, o processo BCHA base necessitou de 21.405,1 kW em utilidades quentes e 14.886,3 kW em utilidades frias. A integração energética do processo BCHA, segundo a metodologia pinch, permitiu uma redução das necessidades quentes para 10.752,3 kW (redução de 50 %) e frias para 4.233,5 kW (redução de 72 %). A temperatura no ponto de estrangulamento (PE) foi de 157,7 ºC nas correntes quentes e 147,7 ºC nas correntes frias. Em termos econômicos, o custo total é reduzido em 35% com a integração energética proposta. Essa diminuição, deve-se sobretudo à redução do custo operacional, onde as necessidades de vapor de muita alta pressão (VMAP), vapor de alta pressão (VAP) e água de resfriamento (AR) apresentaram quebras de 2 %, 92 % e 71 %, respectivamente. Como conclusão final, salienta-se que a integração do processo BCHA estudado é energética e economicamente viável.

Life cycle analysis of biodiesel production

Biodieselhas attracted considerable attention as a renewable, biodegradable, and nontoxic fuel and can contribute to solving the energy problems, significantly reducing the emission of gases which cause global warming. The first stage of this work was to simulate different alternative processes for producing biodiesel. The method used for the production of biodiesel is the transesterification of vegetable oilswith an alcohol in the presence of a catalyst. The raw materials used were palm oils and waste cooking oil. The second stage was a life cycle analysis for all alternatives under study, followed by an economic analysis for the alternatives that present minor impacts and which are more promising from an economic point of view. Finally,we proceeded to compare the different alternatives fromboth the point of view of life cycle and economic analysis. The feasibility of all processes was proven and the biodiesel obtained had good specifications. From the standpoint of life cycle analysis, the best alternative was the process of alkaline catalysiswith acid pretreatment for waste cooking oil. The economic analysis was done to the previous mentioned process and to the process that uses raw virgin oils, methanol, and sodium hydroxide. This process has lower investment costs but the process of alkaline catalysis with acid pre-treatment, whose main raw material is waste oil, is much more profitable and has less environmental impacts.

Contribution of different vegetable types to exogenous nitrate and nitrite exposure

This study reports the levels of nitrate and nitrite of 34 vegetable samples, including different varieties of cabbage, lettuce, spinaches, parsley and turnips, collected in several locations of an intensive agricultural area (Modivas, Vila do Conde, northern Portugal). Nitrate levels ranged between 54 and 2440 mg NO-3 kg-1, while nitrite levels ranged between 1.1 and 57 mg NO-2 kg-1. The maximum residue levels established for nitrate in spinach and lettuce samples were not exceeded. Nitrate and nitrite levels reported in the literature for the same type of samples are reviewed, as well as the contribution of vegetables to nitrate and nitrite dietary exposure of populations.

Level monitoring system for waste oil containers: an EPS@ISEP project

Waste oil recycling companies play a very important role in our society. Competition among companies is tough and process optimization is essential for survival. By equipping oil containers with a level monitoring system that periodically reports the level and alerts when it reaches the preset threshold, the oil recycling companies are able to streamline the oil collection process and, thus, reduce the operation costs while maintaining the quality of service. This paper describes the development of this level monitoring system by a team of four students from different engineering backgrounds and nationalities. The team conducted a study of the state of the art, draw marketing and sustainable development plans and, finally, designed and implemented a prototype that continuously measures the container content level and sends an alert message as soon as it reaches the preset capacity.

Produção de biodiesel mediante ecovalorização de óleos alimentares: otimização de estratégias de produção e de controlo de qualidade

Os biocombustíveis são combustíveis com origem em matérias-primas naturais e renováveis, como óleos vegetais, gorduras animais, óleos e gorduras residuais entre outros, utilizados como substitutos de combustíveis minerais, como o gasóleo ou gasolina. Esta alternativa aos combustíveis de origem fóssil, tem-se vindo a revelar cada vez mais atrativa, sobretudo devido aos seus benefícios ambientais, destacando-se entre ele s o facto de serem biodegradáveis, não tóxicos e emitirem menos gases aquando da sua combustão, não contribuindo deste modo para o aumento do efeito de estufa na atmosfera. Na execução do presente trabalho, assume-se como finalidade o desenvolvimento de procedimentos laboratoriais sistemático de modo, com o intuito de elaborar um controlo de qualidade para a produção do biodiesel que permita a implementação de novas medidas processuais melhorando a produção de biodiesel. Este trabalho é resultado do estágio no Ecoparque Braval Valorização e Tratamento de Resíduos Sólidos, S.A. Com a avaliação sistemática e contínua, tanto da matéria-prima usada na produção do biodiesel, como do produto final em si, através de procedimentos laboratoriais específicos para o efeito, visa-se que em distintas fases do processo de produção do biodiesel seja compreendido o que ocorre de forma efetiva, e assim se assumam medidas preventivas e corretivas com o intuito de melhorar a qualidade do produto final. Na elaboração deste trabalho foram também reunidos esforços no sentido de controlar as especificações do óleo à entrada das instalações e iniciar o controlo de qualidade do produto final através de análises comparativas elaboradas no laboratório da Unidade de Produção de Biodiesel do Ecoparque Brava! - Valorização e Tratamento de Resíduos Sólidos, S.A. Outra abordagem do trabalho em questão, incide no estudo do efeito da variação das condições operatórias, nomeadamente a razão molar metanol/óleo , quantidade de catalizador na produção de biodiesel, nomeadamente, na quantidade de glicerina obtida como subproduto da reação e na facilidade de separação de fases. Neste sentido, o trabalho proposto pretende controlar a qualidade da matéria-prima usada, a qualidade do produto final e apresentar os aspetos-chave que deve m ser considerados para urna melhor gestão do s recursos de produção do biocombustível.

Assessment of nutritional and metabolic profiles of pea shoots: The new ready-to-eat baby-leaf vegetable

Pea-shoots are a new option as ready-to-eat baby-leaf vegetable. However, data about the nutritional composition and the shelf-life stability of these leaves, especially their phytonutrient composition is scarce. In this work, the macronutrient, micronutrient and phytonutrients profile of minimally processed pea shoots were evaluated at the beginning and at the end of a 10-day storage period. Several physicochemical characteristics (color, pH, total soluble solids, and total titratable acidity) were also monitored. Standard AOAC methods were applied in the nutritional value evaluation, while chromatographic methods with UV–vis and mass detection were used to analyze free forms of vitamins (HPLC-DAD-ESI-MS/MS), carotenoids (HPLC-DAD-APCI-MSn) and flavonoid compounds (HPLC-DAD-ESI-MSn). Atomic absorption spectrometry (HR-CS-AAS) was employed to characterize the mineral content of the leaves. As expected, pea leaves had a high water (91.5%) and low fat (0.3%) and carbohydrate (1.9%) contents, being a good source of dietary fiber (2.1%). Pea shoots showed a high content of vitamins C, E and A, potassium and phosphorous compared to other ready-to-eat green leafy vegetables. The carotenoid profile revealed a high content of β-carotene and lutein, typical from green leafy vegetables. The leaves had a mean flavonoid content of 329 mg/100 g of fresh product, mainly composed by glycosylated quercetin and kaempferol derivatives. Pea shoots kept their fresh appearance during the storage being color maintained throughout the shelf-life. The nutritional composition was in general stable during storage, showing some significant (p < 0.05) variation in certain water-soluble vitamins.

Properties and Sustainability of Biodiesel from Animal Fats and Fish Oil

This work presents and analyses the fat and fuel properties and the methyl ester profile of biodiesel from animal fats and fish oil (beef tallow, pork lard, chicken fat and sardine oil). Also, their sustainability is evaluated in comparison with rapeseed biodiesel and fossil diesel, currently the dominant liquid fuels for transportation in Europe. Results show that from a technological point of view it is possible to use animal fats and fish oil as feedstock for biodiesel production. From the sustainability perspective, beef tallow biodiesel seems to be the most sustainable one, as its contribution to global warming has the same value of fossil diesel and in terms of energy efficiency it has the best value of the biodiesels under consideration. Although biodiesel is not so energy efficient as fossil diesel there is room to improve it, for example, by replacing the fossil energy used in the process with renewable energy generated using co-products (e.g. straw, biomass cake, glycerine).

Modeling Vegetable Fractals by means of Fractional-order Equations

This paper characterizes four ‘fractal vegetables’: (i) cauliflower (brassica oleracea var. Botrytis); (ii) broccoli (brassica oleracea var. italica); (iii) round cabbage (brassica oleracea var. capitata) and (iv) Brussels sprout (brassica oleracea var. gemmifera), by means of electrical impedance spectroscopy and fractional calculus tools. Experimental data is approximated using fractional-order models and the corresponding parameters are determined with a genetic algorithm. The Havriliak-Negami five-parameter model fits well into the data, demonstrating that classical formulae can constitute simple and reliable models to characterize biological structures.

Produção de Biodiesel em reator de ultrassons

A contínua subida dos preços dos combustíveis fósseis tradicionais aliada à crescente pressão por parte de várias instituições mundiais para uma política “verde” no que diz respeito aos combustíveis, levam a um aumento da procura dos biocombustíveis e é neste contexto que surge o biodiesel como um dos principais intervenientes. O biodiesel pode ser definido como um derivado éster monoalquílico de ácidos gordos de cadeia longa proveniente de fontes renováveis como óleos vegetais ou gorduras animais e que apresenta características semelhantes ao diesel de petróleo, podendo ser utilizado sem qualquer problema em motores de ignição por compressão. Este trabalho apresenta como principal objetivo o estudo da aplicação da tecnologia de ultrassons na produção de biodiesel. Foi utilizado neste trabalho como matéria-prima um óleo doméstico usado. Este óleo foi previamente filtrado sendo depois analisado o seu índice de acidez para avaliar o seu teor em ácidos gordos livres. O valor obtido para o índice de acidez do óleo foi de 1,91 mg KOH/g, um valor relativamente baixo permitindo a sua utilização sem ser necessário um tratamento inicial via esterificação para diminuir a acidez do mesmo. Foram realizados três ensaios de reação independentes, o primeiro recorrendo ao método tradicional de produção de biodiesel através de transesterificação e recorrendo a agitação mecânica e aquecimento, o segundo utilizando uma sonda de ultrassons com a potência de 500 W e um terceiro ensaio de reação utilizando uma sonda de ultrassons de 2000 W. Em todas as reações foi utilizada uma proporção de 1:5 de óleo usado e metanol e 0,5 % (em relação á massa de óleo utilizada) de catalisador metilato de sódio. Todas as alíquotas recolhidas durante os ensaios foram analisadas através de cromatografia gasosa de modo a determinar o conteúdo em ésteres presente em cada uma delas. A reação convencional teve uma duração total de 150 minutos e decorreu a uma temperatura de 65ºC e a agitação constante de 500 rpm. Ao longo da reação foram retiradas alíquotas de cerca de 25 ml, que foram tratadas de imediato e posteriormente analisadas de modo a estudar-se o comportamento da reação ao longo do tempo. A percentagem de ésteres metílicos no biodiesel obtida ao fim de 90 minutos foi de 81,3%. Em seguida realizou-se uma reação utilizando uma sonda de ultrassons de 500 W de potência mergulhada num recipiente reacional devidamente isolado com uma rolha de cortiça de modo a minimizar as perdas de metanol por evaporação. O tempo total de reação foi de 90 minutos e foram-se retirando alíquotas de cerca de 25 ml para acompanhar o desenrolar da reação, tendo-se obtido uma percentagem de ésteres metílicos de 85,9% ao fim dos 90 minutos. Foi realizada por fim um terceiro ensaio de reação utilizando uma sonda de 2000 W com uma duração total de 90 minutos, tendo-se obtido resultados pouco satisfatórios (77,7%), provavelmente devido a algum problema operacional relacionado com a sonda de ultrassons utilizada ou devido a uma geometria do reator pouco eficiente. Os produtos resultantes da reação convencional e da reação utilizando a sonda de ultrassons de 500 W, assim como o óleo utilizado como matéria-prima foram caracterizados em termos de índice de acidez, densidade a 15ºC e viscosidade a 40ºC.