Continuous catalyst free production of biodiesel from agro industrial waste with green solvents

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Projeto de uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico pela via supercrítica

A concretização deste estágio na INCBIO teve como principal objetivo o projeto e dimensionamento de uma unidade de produção de biodiesel por transesterificação nãocatalítica num reator ultrassónico com condições supercríticas de pressão e temperatura. Com vista à concretização do trabalho, iniciou-se a realização do estudo do estado da arte relativo à produção de biodiesel, com particular enfoque na produção de biodiesel por via catalítica e por via supercrítica e na produção de biodiesel com uso de tecnologia ultrassónica. Conclui-se que nenhum estudo contempla a combinação simultânea da produção de biodiesel por via supercrítica através da tecnologia ultrassónica. Este estudo do estado da arte permitiu ainda definir as condições de temperatura, pressão e rácio mássico (250 °C, 95 bar e 1:1 respetivamente) a considerar no projeto da unidade de produção de biodiesel deste trabalho. Com base no estudo do estado da arte efetuado e com base nas características da matéria procedeu-se à definição do processo de produção de biodiesel. Para a definição do processo começou-se por elaborar o diagrama de blocos do processo (BFD) e o diagrama de fluxo do processo (PFD). Com base nos diagramas e na composição da matéria-prima, procedeu-se à quantificação dos reagentes (metanol) com base na estequiometria das reações envolvidas e ao cálculo do balanço de massa. O balanço de massa foi calculado com base na estequiometria das reações envolvidas e foi também calculado através do software de simulação ASPEN PLUS. Após o cálculo do balanço de massa elaborou-se o diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID), que contém todos os equipamentos, válvulas, instrumentação e tubagens existentes na unidade. Após a definição do processo e cálculo do balanço de massa procedeu-se ao dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico dos tanques, tubagem, bombas, permutador de calor, reator ultrassónico, válvulas de controlo e instrumentação de acordo com as normas ASME. Nesta fase do trabalho foram consultados diversos fornecedores possíveis para a compra de todo o material necessário. O dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico efetuados permitiram, entre outras informações relevantes, obter as dimensões necessárias à construção do layout e à elaboração do desenho 3D. Com os resultados obtidos e desenhos elaborados, é possível avançar com a construção da unidade, pelo que pode-se inferir que o objetivo de projetar uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas foi alcançado. Por fim, efetuou-se uma análise económica detalhada que possibilita a comparação de uma unidade de produção de biodiesel por via catalítica (unidade de produção da INCBIO) com a unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas (unidade projetada neste trabalho). Por questões de confidencialidade, não foram revelados maior parte dos resultados da análise económica efetuada. No entanto, conclui-se que os custos de construção da unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas são mais baixos cerca de 35 a 40%, quando comparados com os custos de construção da unidade de produção de biodiesel por via catalítica, evidenciando assim que a combinação em simultâneo das condições supercríticas com a tecnologia ultrassónica possibilita a diminuição dos custos de produção.

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 Growth and Direction of the Biodiesel Industry in the United States, 2007

The biodiesel industry in the United States has realized significant growth over the past decade through large increases in annual production and production capacity and a transition from smaller batch plants to larger-scale continuous producers. The larger, continuous-flow plants provide operating cost advantages over the smaller batch plants through their ability to capture co-products and reuse certain components in the production process. This paper uses a simple capital budgeting model developed by the authors along with production data supplied by industry sources to estimate production costs, return-on-investment levels, and break-even conditions for two common plant sizes (30 and 60 million gallon annual capacities) over a range of biodiesel and feedstock price levels. The analysis shows that the larger plant realizes returns to scale in both labor and capital costs, enabling the larger plant to pay up to $0.015 more per pound for the feedstock to achieve equivalent return levels as the smaller plant under the same conditions. The paper contributes to the growing literature on the biodiesel industry by using the most current conversion rates for the production technology and current price levels to estimate biodiesel production costs and potential plant performance, providing a useful follow-up to previous studies.

Combining phospholipases and a liquid lipase for one-step biodiesel production using crude oils

Background Enzymatic biodiesel is becoming an increasingly popular topic in bioenergy literature because of its potential to overcome the problems posed by chemical processes. However, the high cost of the enzymatic process still remains the main drawback for its industrial application, mostly because of the high price of refined oils. Unfortunately, low cost substrates, such as crude soybean oil, often release a product that hardly accomplishes the final required biodiesel specifications and need an additional pretreatment for gums removal. In order to reduce costs and to make the enzymatic process more efficient, we developed an innovative system for enzymatic biodiesel production involving a combination of a lipase and two phospholipases. This allows performing the enzymatic degumming and transesterification in a single step, using crude soybean oil as feedstock, and converting part of the phospholipids into biodiesel. Since the two processes have never been studied together, an accurate analysis of the different reaction components and conditions was carried out. Results Crude soybean oil, used as low cost feedstock, is characterized by a high content of phospholipids (900 ppm of phosphorus). However, after the combined activity of different phospholipases and liquid lipase Callera Trans L, a complete transformation into fatty acid methyl esters (FAMEs >95%) and a good reduction of phosphorus (P <5 ppm) was achieved. The combination of enzymes allowed avoidance of the acid treatment required for gums removal, the consequent caustic neutralization, and the high temperature commonly used in degumming systems, making the overall process more eco-friendly and with higher yield. Once the conditions were established, the process was also tested with different vegetable oils with variable phosphorus contents. Conclusions Use of liquid lipase Callera Trans L in biodiesel production can provide numerous and sustainable benefits. Besides reducing the costs derived from enzyme immobilization, the lipase can be used in combination with other enzymes such as phospholipases for gums removal, thus allowing the use of much cheaper, non-refined oils. The possibility to perform degumming and transesterification in a single tank involves a great efficiency increase in the new era of enzymatic biodiesel production at industrial scale.

Cadeia do biodiesel da bancada à indústria: uma visão geral com prospecção de tarefas e oportunidades para P&D&I

Contextualized overview of the Biodiesel Production Chain, from the lab bench to the industry, with critical evaluation of state-of-art and technological development through scientific articles and patents, focusing on feedstock, reaction/production, first and second generation processes, specification and quality, transport, storage, co-products (effluents and sub-products), and emissions. Challenges are identified and solutions are proposed based on the Brazilian feedstock, edaphoclimatic conditions, process monitoring in remote regions, state policy, and environment preservation, among others. Forecasts are made based on the technology assessment, identifying future trends and opportunities for R&D&I.

Biodiesel: parâmetros de qualidade e métodos analíticos

The establishment of quality standards for biodiesel was a key step to win the confidence of the market and the automotive industry, thus ensuring the success of the new fuel. In this review are presented standard methods and other analytical methods suggested for analysis of biodiesel. The methods of analysis were divided into groups according to information that may be provided on the contaminants from the raw material of the production process, the molecular structures of biodiesel and its degradation during storage.

Alternativa potencial para aproveitamento do glicerol gerado na produção de biodiesel: síntese enzimática de monolaurina por esterificação

Esterification reactions of glycerol with lauric acid in solvent free system were carried out using lipases from several sources. All lipases were immobilized on polysiloxane-polyvinyl alcohol particles by covalent binding with high activity recovered. Among the tested enzymes, the Candida antarctica lipase allowed to attain the highest molar conversion (76%), giving similar proportions of monolaurin, dilaurin and low amount of trilaurin. To further improve the process, the Response Surface Methodology (RSM) was used and optima temperature and molar ratio glycerol to lauric acid were found to be 45 ºC and 5:1, respectively. Under these conditions, 31.35% of monolaurin concentrations were attained and this result was in close agreement with the statistical model prediction.

Avaliação de metodologia eletroquímica no monitoramento da conversão de óleo de girassol em biodiesel

The development of analytical procedures to evaluate transesterification process is still a challenge in biodiesel production. Then, this paper shows an electroanalytical methodology to transesterification process assessment, proposing the application of nanostructured TiO2 electrodes. The results showed, for sunflower oil - methanol reaction catalyzed by KOH, a reduction peak in - 1050 mV and the gradual appearance of a second peak at - 1160 mV. This peak was observed as originated by the transesterification process and is probably related to intermediates. By measuring the intensity of this peak a kinetic profile was determined, showing that the conversion is almost finished in 2 h.

Tratamento do efluente do biodiesel utilizando a eletrocoagulação/flotação: investigação dos parâmetros operacionais

Electrocoagulation/flotation process was applied to treat biodiesel wastewater using aluminium electrodes. Firstly, a literature survey was conducted to choose the process variables and then, operational parameters including initial pH, electrode distance and reaction time were tested. Experimental results showed the best parameter that can be used in a factorial design for further studies. The results indicate that electrocoagulation/flotation is very efficient to reduce oil and grease, the effluent was very clear after treatment and small amount of sludge was produced.

Treatment for purification water of biodiesel using electrofloculation

Biodiesel was created as a solution for a great economic and enviromental problem of petroleum, a resource with sustainable characteristics. But its production still needs optimization, because it uses a lot of water and generates a large volume of this residue, which appears improper to disposal without correct treatment. This work propose an economic, viable and efficient way to treat the Biodiesel purification water, not only aiming at a proper disposal, but the reuse as input in the process, generating a large industrial economy, and greater environmental progress. For both treatment uses the electrofloculation technique.

Kinetics of oxidation of biodiesel from soybean oil mixed with TBHQ: determination of storage time

Synthetic antioxidants are an alternative to prevent or retard the degradation of biofuels made from vegetable oils. In this study, it was evaluated the oxidative stability of B100 soybean oil biodiesel, in the presence of tercbutylhydroquinone (TBHQ). The results showed that the induction period, that precedes the seeding process, was delayed in the presence of the antioxidant. Moreover, the obtained results suggest that the B100 biodiesel containing TBHQ can present a storage time at 25 ºC, three times longer than the estimated time for the pure B100.

OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE TRANSESTERIFICAÇÃO EM DUAS ETAPAS PARA PRODUÇÃO DE BIODIESEL ATRAVÉS DO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL DOEHLERT

In this work, Doehlert experimental design was used to optimize the Transesterification Double Step Process (TDSP) method of methyl soybean oil biodiesel production which starts with a basic catalysis followed by an acidic catalysis. The conversion values were calculated from NMR spectra. Response surface was used to show the results of the interactions between the variables. This experimental design evaluated variables like catalyst and alcohol amount for the basic catalysis and time and temperature for the acidic catalysis. According to results obtained after Doehlert design application the alcohol amount was the main factor that influenced on the basic catalysis but for the acidic catalysis both time and temperature are important and their effects are opposite. It resulted on excellent conversions for both steps obtaining for the basic catalysis about 100% when was used like optimal conditions catalyst amount equal to 0.40 g and volume of methanol equal to 60 mL and for the acidic catalysis about 99% when was used like optimal conditions temperature of 65 °C and 90 minutes for reaction time.

FAST GC-FID METHOD FOR MONITORING ACIDIC AND BASIC CATALYTIC TRANSESTERIFICATION REACTIONS IN VEGETABLE OILS TO METHYL ESTER BIODIESEL PREPARATION

A fast gas chromatography with a flame ionisation detector (GC-FID) method for the simultaneous analysis of methyl palmitate (C16:0), stearate (C18:0), oleate (C18:1), linoleate (C18:2) and linolenate (C18:3) in biodiesel samples was proposed. The analysis was conducted in a customised ionic-liquid stationary-phase capillary, SLB-IL 111, with a length of 14 m, an internal diameter of 0.10 mm, a film thickness of 0.08 µm and operated isothermally at 160 °C using hydrogen as the carrier gas at a rate of 50 cm s-1 in run time about 3 min. Once methyl myristate (C14:0) is present lower than 0.5% m/m in real samples it was used as an internal standard. The method was successful applied to monitoring basic and acidic catalysis transesterification reactions of vegetable oils such as soybean, canola, corn, sunflower and those used in frying process.

Design and techno-economic evaluation of microbial oil production as a renewable resource for biodiesel and oleochemical production

Experimental results from the open literature have been employed for the design and techno-economic evaluation of four process flowsheets for the production of microbial oil or biodiesel. The fermentation of glucose-based media using the yeast strain Rhodosporidium toruloides has been considered. Biodiesel production was based on the exploitation of either direct transesterification (without extraction of lipids from microbial biomass) or indirect transesterifaction of extracted microbial oil. When glucose-based renewable resources are used as carbon source for an annual production capacity of 10,000 t microbial oil and zero cost of glucose (assuming development of integrated biorefineries in existing industries utilising waste or by-product streams) the estimated unitary cost of purified microbial oil is $3.4/kg. Biodiesel production via indirect transesterification of extracted microbial oil proved more cost-competitive process compared to the direct conversion of dried yeast cells. For a price of glucose of $400/t oil production cost and biodiesel production cost are estimated to be $5.5/kg oil and $5.9/kg biodiesel, correspondingly. Industrial implementation of microbial oil production from oleaginous yeast is strongly dependent on the feedstock used and on the fermentation stage where significantly higher productivities and final microbial oil concentrations should be achieved.