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

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.

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.

Cultivo e avaliação do potencial da microalga Chlorella zofingiensis para a produção de biodiesel e produtos de valor acrescentado

O presente trabalho tem como objetivo o cultivo da microalga Chlorella zofingiensis, e a avaliação da sua potencial aplicação na produção de biodiesel e de produtos de valor acrescentado, de entre os quais se destacam os antioxidantes. Com o intuito da produção de biocombustível é necessário efetuar o cultivo da microalga num volume que permita a obtenção de elevada quantidade de biomassa para a concretização do trabalho. Além deste biocombustível, existe ainda a possibilidade de valorização de alguns produtos com valor comercial, como é o caso da astaxantina, a saber na área farmacêutica, alimentar ou até mesmo cosmética. O cultivo da microalga foi feito em meio Bold’s Basal Medium (BBM), inicialmente em matrazes de 5 L e, quando se obteve uma cultura suficientemente densa, inocularam-se fotobiorreatores de 50 L. Conseguiu-se atingir uma concentração máxima de 0,76 g/L, no reator de 5 L, após cerca de 6 semanas de ensaio. Por sua vez, em fotobiorreatores de 50 L, a concentração máxima obtida foi de 0,4 g/L, após 4 semanas de ensaio. Nestas culturas foi possível obter-se uma percentagem lipídica de 7 %, apresentado concentração de pigmentos por litro de cultura na ordem dos 10 mg/L, 4 mg/L e 2 mg/L de clorofila a, clorofila b e carotenoides totais, respetivamente. Com esta percentagem lipídica recuperaram-se 400 mg de óleo, obtendo-se posteriormente 280 mg de biodiesel. Pela análise à amostra de biodiesel obtida foi possível obter o perfil lipídico desta microalga, quando cultivada em meio BBM, sendo 41% de ácido palmítico (C16:0), 9% de ácido esteárico (C18:0), 27% de ácido oleico (C18:1) e 23% de ácido linoleico (C18:2). Os resultados obtidos mostram que a Chlorella zofingiensis é uma microalga com interesse potencial para a produção de clorofila e carotenóides, mas não para o óleo para a produção de biodiesel.

Produção de biodiesel por transesterificação de óleos vegetais sobre guanidinas ancoradas em suportes sólidos

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

Estudo da formação de depósitos e aglomeração de cinzas durante a combustão de biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Energia e Bioenergia

Estudo da reactividade de adsorventes de cálcio para captura de CO2 num processo de pós-combustão

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

Avaliação ambiental do uso de microalgas na produção de biodiesel: revisão bibliográfica sistemática

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Biodiesel production from chicken feather meal, combining biocatalysis and supercritical technology

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Disponibilidade de biomassa florestal residual para combustão na central termoeléctrica de Sines

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Produção de biodiesel a partir de microalgas. Revisão bibliográfica e contribuição para a sua produção em Portugal

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente perfil Engenharia Sanitária

Análise de um sistema de evacuação de produtos da combustão de turbinas a gás utilizadas para propulsão naval

De modo a eliminar a propagação de fissuras ocorridas em condutas de evacuação de produtos da combustão de turbinas a gás utilizadas para propulsão naval, neste estudo é feita a avaliação de diferentes geometrias alternativas para a estrutura mencionada, assim como se avalia a possibilidade de substituição local, nas zonas críticas, do material actualmente utilizado na conduta por uma nova liga de alta resistência. A possibilidade de utilizar um novo aço inoxidável austenítico Cr-Mn, de alta resistência (ThyssenKrupp, 2009), está a ser estudada e alguns resultados experimentais efectuados a este material, obtidos a temperatura ambiente e a alta temperatura, são apresentados. Este trabalho pode ser dividido em duas partes principais. Uma primeira parte onde se apresenta a análise experimental realizada e uma segunda parte, que trata a simulação numérica da conduta por elementos finitos. Na análise experimental foram realizados ensaios de tracção uniaxial, ensaios de dureza e de caracterização geométrica do cordão de soldadura de ligações soldadas de tipo topo a topo entre o aço AISI 316L e o aço Cr-Mn. Alguns dos resultados experimentais obtidos em provetes soldados com combinações dos materiais de base, aço AISI316L e Cr-Mn, a 24ºC e 350ºC, são: a tensão de cedência do aço Cr-Mn é cerca de 66% e 35% mais elevada que a obtida para o aço AISI 316L, a 24 e 350ºC, respectivamente; a tensão de rotura é também 33% e 19% mais elevada que o aço AISI 316L, para as mesmas temperaturas. Os ensaios de dureza revelam valores médios que estão de acordo com as propriedades mecânicas obtidas à temperatura ambiente. Tendo como referência os resultados experimentais obtidos para as propriedades mecânicas dos materiais, assim como a distribuição de temperaturas e de pressão interna devido aos gases resultantes da combustão, foi feita a simulação numérica de diferentes geometrias da conduta, tendo sido determinado o nível das tensões presentes na superfície da conduta. A distribuição de temperatura e pressão introduzidas nas análises numéricas foram calculadas e verificada a sua validade por comparação com os resultados obtidos por (Cruz, 2009). Os resultados das análises numéricas sugerem que a alteração da geometria actual da conduta pode ser benéfica uma vez que as tensões principais máximas induzidas na estrutura podem diminuir mais de 26%, quando comparadas com as tensões termomecânicas induzidas na geometria actual da conduta.

Metanólise de óleo de soja em biodiesel através de um reactor de membrana

Com o aumento das necessidades energéticas, bem como dos cada vez mais conhecidos efeitos nocivos dos combustíveis fósseis, tornou-se imperativo pesquisar e desenvolver alternativas sustentáveis e verdes a esses recursos. O biodiesel é considerado como o melhor substituto para o combustível diesel convencional de base petroquímica. A transesterificação de óleos vegetais revela-se como uma importante via de obtenção do biodiesel. Na produção de biodiesel com catalisadores básicos homogéneos, como o hidróxido de sódio, deparamo-nos com um problema na hidrólise de triglicéridos, levando à formação de sabões e emulsões. Mesmo quando são usados reagentes secos, há formação de água devido à reacção do hidróxido com o álcool. Estes problemas podem ser solucionados com a utilização de catalisadores heterogéneos. Este estudo incidiu na preparação de membranas catalíticas de álcool polivinílico (PVA) incorporadas com um catalisador heterogéneo sólido básico (óxido de cálcio) obtido de resíduos industriais (casca de ovo). Caracterizaram-se as membranas catalíticas através da determinação da espessura, ângulos de contacto, grau de inchamento e espectroscopia de infravermelho. As membranas de PVA foram testadas na metanólise de óleo de soja em reactor batch e reactor de membrana catalítica. Estudou-se o efeito da reticulação química e por irradiação gama, nas propriedades das membranas e na actividade catalítica.

Optimização de catalisadores básicos provenientes de casca de ovo activos na produção de biodiesel

Uma das dificuldades no que concerne à utilização e produção do biodiesel e que ainda persiste, diz respeito ao recurso a bases fortes como catalisadores num processo homogéneo. Para além destes serem nocivos para o ambiente, possuem o inconveniente de produzirem sabões, os quais dificultam a separação do biodiesel formado. Assim sendo, neste trabalho foi estudada a transesterificação de triglicéridos com metanol, recorrendo a um processo catalítico heterogéneo. Os catalisadores que foram testados são sustentáveis do ponto de vista ambiental e económico, pois foram preparados a partir de casca de ovo. Os catalisadores preparados podem ser agrupados em três diferentes grupos:  ESC1: grupo de amostras catalíticas calcinadas uma vez  ESC2: grupo de amostras catalíticas sujeitas a tratamentos com água durante diferentes tempos  ESCUS: grupo de amostras catalíticas sujeitas ao tratamento em ultrassons durante diferentes tempos Durante o trabalho efectuado, foram realizados testes catalíticos com todos os catalisadores preparados, a fim de perceber a influência das diferentes condições de preparação na actividade catalítica demonstrada para a reacção estudada. Todos os catalisadores preparados e testados laboratorialmente revelaram ser activos na reacção de transesterificação do óleo de soja. No grupo ESC2 foi efectivamente criada porosidade e no grupo ESCUS foram fragmentadas as partículas do catalisador. A fim de perceber a influência da actividade catalítica com as modificações estruturais dos catalisadores, algumas das amostras pertencentes aos diferentes grupos foram caracterizadas mediante difracção de Raio-X (XRD), microscopia electrónica de transmissão (TEM) e caracterização textural através da obtenção das isotérmicas de adsorção e dessorção de azoto. Palavras-chave: Transesterificação; Biodiesel; Actividade Catalítica; Calcinação; Tratamento com água; Tratamento no ultrassons.