Construção de curvas binodais para sistemas ternários, contendo biodiesel, álcool e água

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Produção de biodiesel a partir da transesterificação de óleo de soja ácido por via enzimática

Neste trabalho, foi estudada a transesterificação enzimática do óleo de soja com álcool catalisada por lipase comercial imobilizada. Inicialmente foram investigados os efeitos da temperatura, do tipo de enzima (Novozym 435, Lipozyme RM-IM e Lipozyme TL-IM) e do tipo de álcool (etanol ou butanol) na síntese de biodiesel utilizando óleo de soja refinado. A melhor temperatura observada para as reações empregando Lipozyme TL IM e Lipozyme RM IM foi de 50C, enquanto que para a Novozym 435, a temperatura ótima foi de 70C. O maior teor em biodiesel (~60%) foi obtido na etanólise do óleo de soja a 70C utilizando Novozym 435 a 5% m/m. Também foi avaliada a síntese de biodiesel por via enzimática a partir da etanólise de óleos ácidos com índice de acidez (IA) (de 8,5, 54,4 e 93,7). A conversão do ácido graxo livre foi superior a 90% nas reações conduzidas com Novozym 435 nas reações com os três óleos ácidos testados. O teor em biodiesel foi próximo a 50% na etanólise do óleo de soja com índice de acidez de 8,5 empregando Lipozyme TL IM, porém para índices de acidez maiores este rendimento diminuiu. Para as reações conduzidas com Lipozyme RM-IM, o teor em biodiesel manteve-se em torno de 30% para todos os óleos ácidos investigados. A etanólise do óleo de soja refinado empregando reator de leito fixo em modo contínuo, a 50C, foi investigada variando a velocidade espacial dos reagentes (0,255 e 0,508 h-1), o tipo de lipase (Novozym 435, Lipozyme RM-IM e Lipozyme TL-IM) e a possibilidade de reuso do biocatalisador após lavagem com butanol. Na reação com Novozym 435, o teor em biodiesel foi de aproximadamente 50% e se manteve estável durante 4,5 h para as duas velocidades espaciais testadas. A lipase Lipozyme TL-IM apresentou teor em biodiesel maior do que o obtido nas reações com os outros biocatalisadores (~80%), porém não apresentou a mesma estabilidade. Foi observada uma queda significativa na produção de biodiesel nas reações empregando o reuso do biocatalisador

Estudo das variáveis operacionais dos processos de separação na produção de biodiesel, a partir do óleo de palma bruto (Elaeis guineensis, Jacq) em escala de laboratório

Neste trabalho investigaram-se de forma sistemática as variáveis operacionais de processo envolvidas nas operações de separação aplicadas no pré-tratamento do óleo de palma bruto (Elaeis guineensis, jacq) e na purificação do biodiesel produzido via transesterificação etanólica utilizando NaOH como catalisador, em escala de laboratório. Na etapa de pré-tratamento foram investigados os processos de Filtração e Decantação, sendo a filtração do produto da neutralização realizada a 40ºC, 50ºC e 60ºC, enquanto que na Decantação, avaliaram-se as temperaturas de 40ºC e 60ºC em 120 minutos. Em seguida, investigou-se a influência do tempo de decantação de 60, 90 e 120 minutos no processo de lavagem do óleo neutralizado a 40ºC e 60ºC, seguida de Desidratação sob vácuo a 80ºC, tendo sido investigado nesta etapa a influência da pressão. Após a reação de transesterificação, avaliou-se o processo de Evaporação do etanol em excesso, onde em um primeiro momento investigou-se as temperaturas de 70 e 80ºC, mantendo-se o tempo de evaporação constante em 20 minutos, no intervalo de 613,30 a 80,00 mbar, e em um segundo momento analisou-se as pressões de operação de 480,00 e 346,66 mbar. Em seguida, investigou-se a influência do tempo no processo de decantação da fase rica em glicerol a 70ºC, para tempos de 60, 120 e 180 minutos. Sendo realizada a lavagem da fase rica em ésteres a 70ºC, para os tempos de 60, 90 e 120 minutos de decantação da água residual. Avaliou-se ainda a eficiência do processo de centrifugação da mistura biodiesel e glicerol a 60 e 70ºC a 2000 rpm, para um tempo de 15 minutos. Em seguida, procedeu-se a lavagem da fase rica em ésteres com água a 60 e 70ºC, sendo a separação realizada via centrifugação a 60 e 70ºC. As fases ricas em ésteres, obtidas via decantação e centrifugação, foram submetidas à Desidratação sob vácuo, e caracterizadas em conformidade com as especificações da ANP. De acordo com os resultados experimentais, com base na qualidade do óleo neutro e rendimento do processo, observou-se que a Filtração a 50ºC gerou os melhores resultados para o pré-tratamento do óleo. Em relação à Evaporação do etanol, o melhor percentual de recuperação foi obtido a 80ºC e 346,6 mbar. Com relação à separação da fase ricas em ésteres e glicerol, o processo de Centrifugação a 60ºC gerou um biodiesel de melhor qualidade e maior rendimento. Observou-se ainda, a necessidade de uma segunda etapa de centrifugação de forma a minimizar a perdas de biodiesel na fase rica em glicerol.

Equilíbrio líquido-líquido dos sistemas biodiesel de castanha do Brasil + metanol + (glicerina ou água): determinação experimental e modelagem termodinâmica

O biodiesel é definido como sendo uma mistura de monoésteres de ácidos graxos derivados de gorduras animal ou óleos vegetais, obtido por meio do processo de transesterificação com alcoóis de cadeia curta. Durante a sua produção é utilizada uma quantidade em excesso de álcool e um catalisador para favorecer a reação de formação dos ésteres; desta forma a corrente de saída do reator contém o catalisador, o álcool que não reagiu e os produtos da transesterificação, biodiesel e glicerina, formando um sistema bifásico; dependendo do grau de solubilidade desses compostos, pode haver quantidades de biodiesel na fase rica em glicerina e quantidades de glicerina na fase rica em biodiesel. Durante o processo de purificação do biodiesel é necessário executar uma lavagem com água, para promover a retirada do catalisador e impurezas do produto de interesse. Devido à quantidade de compostos envolvidos na produção e purificação é essencial conhecer os dados de equilíbrio líquido-líquido para poder predizer as proporções em que os compostos coexistem e, posteriormente, proceder com a purificação sob condições adequadas para obtenção do biodiesel com maior rendimento e auxiliar no projeto do reator e sistemas de separação. Os objetivos desse trabalho foram produzir o biodiesel a partir de uma planta oleaginosa nativa da região, a castanha do Brasil (Bertholletia excelsa H. B. K.) e, determinar dados de equilíbrio líquido-líquido (ELL) para os sistemas ternários: biodiesel de castanha do Brasil + metanol + glicerina e biodiesel de castanha do Brasil + metanol + água nas temperaturas de 30°C e 50°C. O biodiesel produzido foi inicialmente caracterizado segundo as normas da Agência Nacional de Petróleo (ANP) utilizando métodos físico-químicos. Os dados obtidos foram posteriormente correlacionados com os modelos termodinâmicos NRTL e UNIQUAC para o calculo do coeficiente de atividade de cada componente na fase liquida, com estimativa de novos parâmetros de interação energética. Os resultados obtidos com a modelagem foram satisfatórios, e foi observado que o modelo NRTL representou melhor os dados experimentais.

Biodiesel a partir de óleos de alta acidez: desenvolvimento de um processo catalítico homogêneo

O presente trabalho visa o desenvolvimento de um processo para a produção de biodiesel partindo de óleos de alta acidez, aplicando um processo em duas etapas de catálise homogênea. A primeira é a reação de esterificação etílica dos ácidos graxos livres, catalisada por H2SO4, ocorrendo no meio de triglicerídeos e a segunda é a transesterificação dos triglicerídeos remanescentes, ocorrendo no meio dos ésteres alquílicos da primeira etapa e catalisada com álcali (NaOH) e álcool etílico ou metílico. A reação de esterificação foi estudada com uma mistura modelo consistindo de óleo de soja neutro acidificado artificialmente com 15%p de ácido oleico PA. Este valor foi adotado, como referência, devido a certas gorduras regionais (óleo de mamona advinda de agricultura familiar, sebos de matadouro e óleo de farelo de arroz, etc.) apresentarem teores entre 10-20%p de ácidos graxos livres. Nas duas etapas o etanol é reagente e também solvente, sendo a razão molar mistura:álcool um dos parâmetros pesquisados nas relações 1:3, 1:6 e 1:9. Outros foram a temperatura 60 e 80ºC e a concentração percentual do catalisador, 0,5, 1,0 e 1,5%p, (em relação à massa de óleo). A combinatória destes parâmetros resultou em 18 reações. Dentre as condições reacionais estudadas, oito atingiram acidez aceitável inferior a 1,5%p possibilitando a definição das condições para aplicação ótima da segunda etapa. A melhor condição nesta etapa ocorreu quando a reação foi conduzida a 60°C com 1%p de H2SO4 e razão molar 1:6. No final da primeira etapa foram realizados tratamentos pertinentes como a retirada do catalisador e estudada sua influência sobre a acidez final, utilizando-se de lavagens com e sem adição de hexano, seguidas de evaporação ou adição de agente secante. Na segunda etapa estudaram-se as razões molares de óleo:álcool de 1:6 e 1:9 com álcool metílico e etílico, com 0,5 e 1%p de NaOH assim como o tratamento da reação (lavagem ou neutralização do catalisador) a 60°C, resultando em 16 experimentos. A melhor condição nesta segunda etapa ocorreu com 0,5%p de NaOH, razão molar óleo:etanol de 1:6 e somente as reações em que se aplicaram lavagens apresentaram índices de acidez adequados (<1,0%p) coerentes com os parâmetros da ANP.

Síntese e caracterização de biodiesel metílico e etílico a partir de blendas dos óleos de tungue e de soja

No presente trabalho foi investigada a transesterificação de blendas dos óleos de soja e de tungue com metanol ou etanol empregando catalisador alcalino (NaOH ou KOH). Foi investigado o tempo reacional, a proporção da blenda, a concentração e o tipo de catalisador, tipo de álcool e razão molar, temperatura e metodologia empregada no tratamento da reação. Nas reações com metanol obtiveram-se melhores conversões com tempo reacional de 1,5h; temperatura de 60°C; proporção blenda dos óleos de soja e de tungue de 90:10 (m/m); concentração de NaOH de 0,5% em relação a massa da blenda e razão molar metanol:blenda de 6:1. O tratamento dos ésteres metílicos produzidos na reação foi realizado por lavagem com água a 60°C após o processo de decantação das fases, metodologia C. O rendimento de ésteres metílicos foi superior a 96% e, o teor de mono-, di- e triacilglicerídeos, glicerol livre e total ficou abaixo dos limites estabelecidos pela ANP, indicando boa conversão (> 96,5%). Nas reações com etanol verificou-se que as melhores condições reacionais foram com uma concentração de catalisador de 0,8% de NaOH em relação a massa da blenda, razão molar etanol:blenda de 9:1, tempo de 1,5h e temperatura de 60°C. O tratamento dos produtos da reação foi realizado por lavagem com água a 60°C após o processo de remoção do etanol e decantação das fases, metodologia D. A concentração do catalisador foi um fator determinante na separação das fases. Uma maior concentração de catalisador favorece a saponificação, dificultando a separação das fases e afetando o rendimento do biodiesel sintetizado, tanto para o metílico quanto o etílico. O índice de acidez, tanto para o biodiesel metílico como o etílico, para qualquer proporção da blenda dos óleos de soja e tungue, ficaram dentro das normas da ANP, com valores abaixo de 0,5 mg.g-1 de KOH.

Environmental aspects and challenges of oilseed produced biodiesel in Southeast Asia

Research on alternative fuel for the vehemently growing number of automotivesis intensified due to environmental reasons rather than turmoil in energy price and supply. From the policy and steps to emphasis the use of biofuel by governments all around the world, this can be comprehended that biofuel have placed itself as a number one substitute for fossil fuels. These phenomena made Southeast Asia a prominent exporter of biodiesel. But thrust in biodiesel production from oilseeds of palm and Jatropha curcas in Malaysia, Indonesia and Thailand is seriously threatening environmental harmony. This paper focuses on this critical issue of biodiesels environmental impacts, policy, standardization of this region as well as on the emission of biodiesel in automotive uses. To draw a bottom line on feasibilities of different feedstock of biodiesel, a critical analysis on oilseed yield rate, land use, engine emissions and oxidation stability is reviewed. Palm oil based biodiesel is clearly ahead in all these aspects of feasibility, except in the case of NOx where it lags from conventional petro diesel.

A physico-chemical characterisation of particulate emissions from a compression ignition engine : the influence of biodiesel feedstock

This study undertook a physico-chemical characterisation of particle emissions from a single compression ignition engine operated at one test mode with 3 biodiesel fuels made from 3 different feedstocks (i.e. soy, tallow and canola) at 4 different blend percentages (20%, 40%, 60% and 80%) to gain insights into their particle-related health effects. Particle physical properties were inferred by measuring particle number size distributions both with and without heating within a thermodenuder (TD) and also by measuring particulate matter (PM) emission factors with an aerodynamic diameter less than 10 μm (PM10). The chemical properties of particulates were investigated by measuring particle and vapour phase Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and also Reactive Oxygen Species (ROS) concentrations. The particle number size distributions showed strong dependency on feedstock and blend percentage with some fuel types showing increased particle number emissions, whilst others showed particle number reductions. In addition, the median particle diameter decreased as the blend percentage was increased. Particle and vapour phase PAHs were generally reduced with biodiesel, with the results being relatively independent of the blend percentage. The ROS concentrations increased monotonically with biodiesel blend percentage, but did not exhibit strong feedstock variability. Furthermore, the ROS concentrations correlated quite well with the organic volume percentage of particles – a quantity which increased with increasing blend percentage. At higher blend percentages, the particle surface area was significantly reduced, but the particles were internally mixed with a greater organic volume percentage (containing ROS) which has implications for using surface area as a regulatory metric for diesel particulate matter (DPM) emissions.

Optimisation of bio-oil extraction process from Beauty Leaf (Calophyllum inophyllum) oil seed as a second generation biodiesel source

The Beauty Leaf tree (Calophyllum inophyllum) is a potential source of non-edible vegetable oil for producing future generation biodiesel because of its ability to grow in a wide range of climate conditions, easy cultivation, high fruit production rate, and the high oil content in the seed. This plant naturally occurs in the coastal areas of Queensland and the Northern Territory in Australia, and is also widespread in south-east Asia, India and Sri Lanka. Although Beauty Leaf is traditionally used as a source of timber and orientation plant, its potential as a source of second generation biodiesel is yet to be exploited. In this study, the extraction process from the Beauty Leaf oil seed has been optimised in terms of seed preparation, moisture content and oil extraction methods. The two methods that have been considered to extract oil from the seed kernel are mechanical oil extraction using an electric powered screw press, and chemical oil extraction using n-hexane as an oil solvent. The study found that seed preparation has a significant impact on oil yields, especially in the screw press extraction method. Kernels prepared to 15% moisture content provided the highest oil yields for both extraction methods. Mechanical extraction using the screw press can produce oil from correctly prepared product at a low cost, however overall this method is ineffective with relatively low oil yields. Chemical extraction was found to be a very effective method for oil extraction for its consistence performance and high oil yield, but cost of production was relatively higher due to the high cost of solvent. However, a solvent recycle system can be implemented to reduce the production cost of Beauty Leaf biodiesel. The findings of this study are expected to serve as the basis from which industrial scale biodiesel production from Beauty Leaf can be made.

Influence of fatty acid structure on fuel properties of algae derived biodiesel

Physical and chemical properties of biofuel are influenced by structural features of fatty acid such as chain length, degree of unsaturation and branching of the chain. A simple and reliable calculation method to estimate fuel property is therefore needed to avoid experimental testing which is difficult, costly and time consuming. Typically in commercial biodiesel production such testing is done for every batch of fuel produced. In this study 9 different algae species were selected that were likely to be suitable for subtropical climates. The fatty acid methyl esters (FAMEs) of all algae species were analysed and the fuel properties like cetane number (CN), cold filter plugging point (CFPP), kinematic viscosity (KV), density and higher heating value (HHV) were determined. The relation of each fatty acid with particular fuel property is analysed using multivariate and multi-criteria decision method (MCDM) software. They showed that some fatty acids have major influences on the fuel properties whereas others have minimal influence. Based on the fuel properties and amounts of lipid content rank order is drawn by PROMETHEE-GAIA which helped to select the best algae species for biodiesel production in subtropical climates. Three species had fatty acid profiles that gave the best fuel properties although only one of these (Nannochloropsis oculata) is considered the best choice because of its higher lipid content.

The use of artificial neural networks for identifying sustainable biodiesel feedstocks

Over the past few decades, biodiesel produced from oilseed crops and animal fat is receiving much attention as a renewable and sustainable alternative for automobile engine fuels, and particularly petroleum diesel. However, current biodiesel production is heavily dependent on edible oil feedstocks which are unlikely to be sustainable in the longer term due to the rising food prices and the concerns about automobile engine durability. Therefore, there is an urgent need for researchers to identify and develop sustainable biodiesel feedstocks which overcome the disadvantages of current ones. On the other hand, artificial neural network (ANN) modeling has been successfully used in recent years to gain new knowledge in various disciplines. The main goal of this article is to review recent literatures and assess the state of the art on the use of ANN as a modeling tool for future generation biodiesel feedstocks. Biodiesel feedstocks, production processes, chemical compositions, standards, physio-chemical properties and in-use performance are discussed. Limitations of current biodiesel feedstocks over future generation biodiesel feedstock have been identified. The application of ANN in modeling key biodiesel quality parameters and combustion performance in automobile engines is also discussed. This review has determined that ANN modeling has a high potential to contribute to the development of renewable energy systems by accelerating biodiesel research.

The influence of oxygenated organic aerosols (OOA) on the oxidative potential of diesel and biodiesel particulate matter

Generally, the magnitude of pollutant emissions from diesel engines running on biodiesel fuel is ultimately coupled to the structure of respective molecules that constitutes the fuel. Previous studies demonstrated the relationship between organic fraction of PM and its oxidative potential. Herein, emissions from a diesel engine running on different biofuels were analysed in more detail to explore the role different organic fractions play in the measured oxidative potential. In this work, a more detailed chemical analysis of biofuel PM was undertaken using a compact Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (c-ToF AMS). This enabled a better identification of the different organic fractions that contribute to the overall measured oxidative potentials. The concentration of reactive oxygen species (ROS) was measured using a profluorescent nitroxide molecular probe 9-(1,1,3,3-tetramethylisoindolin-2-yloxyl-5-ethynyl)-10-(phenylethynyl)anthracene (BPEAnit). Therefore the oxidative potential of the PM, measured through the ROS content, although proportional to the total organic content in certain cases shows a much higher correlation with the oxygenated organic fraction as measured by the c-ToF AMS. This highlights the importance of knowing the surface chemistry of particles for assessing their health impacts. It also sheds light onto new aspects of particulate emissions that should be taken into account when establishing relevant metrics for assessing health implications of replacing diesel with alternative fuels.

Effect of atmospheric ageing on volatility and ROS of biodiesel exhaust nano-particles

Generally, the magnitude of pollutant emissions from diesel engines is ultimately coupled to the structure of fuel molecules. The presence of oxygen, level of unsaturation and the carbon chain length of respective molecules influence the combustion chemistry. It is speculated that increased oxygen content in the fuel may lead to the increased oxidative potential (Stevanovic, S. 2013). Also, upon the exposure to UV and ozone in the atmosphere, the chemical composition of the exhaust is changed. The presence of an oxidant and UV is triggering the cascade of photochemical reactions as well as the partitioning of semi-volatile compounds between the gas and particle phase. To gain an insight into the relationship between the molecular structures of the esters, their volatile organic content and the potential toxicity of diesel exhaust particulate matter, measurements were conducted on a modern common rail diesel engine. This research also investigates the contribution of atmospheric conditions on the transfer of semi-volatile fraction of diesel exhaust from the gas phase to the particle phase and the extent to which semi-volatile compounds (SVOCs) are related to the oxidative potential, expressed through the concentration of reactive oxygen species (ROS) (Stevanovic, S. 2013)...

Biodiesel with controlled physicochemical properties, a means to further reduce diesel engine particle emissions

The issue of particle emissions from diesel engines is still a matter of concern due its deleterious effects both on human health and environment(Ristovski et al., 2012). Recently, International Agency for Research on Cancer (IARC) inclusion of diesel engine exhaust particles as carcinogenic to human health added a new margin on it. Apart from the use of after treatment technology, biodiesel is also considered as potential way to reduce particle emission alongside with other emissions(Xue, Grift, & Hansen, 2011). Global biodiesel production is still reasonably small compared to its counterpart fossil diesel, but even this small amount comes from a wide variety of feed stocks. Contrary to fossil diesel, the important physicochemical properties of biodiesel vary among different feed stocks(Hoekman, Broch, Robbins, Ceniceros, & Natarajan, 2012).

Microalgal species selection for biodiesel production based on fuel properties derived from fatty acid profiles

Physical and chemical properties of biodiesel are influenced by structural features of the fatty acids, such as chain length, degree of unsaturation and branching of the carbon chain. This study investigated if microalgal fatty acid profiles are suitable for biodiesel characterization and species selection through Preference Ranking Organisation Method for Enrichment Evaluation (PROMETHEE) and Graphical Analysis for Interactive Assistance (GAIA) analysis. Fatty acid methyl ester (FAME) profiles were used to calculate the likely key chemical and physical properties of the biodiesel [cetane number (CN), iodine value (IV), cold filter plugging point, density, kinematic viscosity, higher heating value] of nine microalgal species (this study) and twelve species from the literature, selected for their suitability for cultivation in subtropical climates. An equal-parameter weighted (PROMETHEE-GAIA) ranked Nannochloropsis oculata, Extubocellulus sp. and Biddulphia sp. highest; the only species meeting the EN14214 and ASTM D6751-02 biodiesel standards, except for the double bond limit in the EN14214. Chlorella vulgaris outranked N. oculata when the twelve microalgae were included. Culture growth phase (stationary) and, to a lesser extent, nutrient provision affected CN and IV values of N. oculata due to lower eicosapentaenoic acid (EPA) contents. Application of a polyunsaturated fatty acid (PUFA) weighting to saturation led to a lower ranking of species exceeding the double bond EN14214 thresholds. In summary, CN, IV, C18:3 and double bond limits were the strongest drivers in equal biodiesel parameter-weighted PROMETHEE analysis.