Solvent assisted decomposition of the tetrahedral intermediate of the transesterification reaction to biodiesel production. A density functional study

B3LYP/6-31 + G(d) calculations were employed to investigate the mechanism of the transesterification reaction between a model monoglyceride and the methoxide and ethoxide anions. The gas-phase results reveal that both reactions have essentially the same activation energy (5.9 kcal mol(-1)) for decomposition of the key tetrahedral intermediate. Solvent effects were included by means of both microsolvation and the polarizable continuum solvation model CPCM. Both solvent approaches reduce the activation energy, however, only the microsolvation model is able to introduce some differentiation between methanol and ethanol, yielding a lower activation energy for decomposition of the tetrahedral intermediate in the reaction with methanol (1.1 kcal mol(-1)) than for the corresponding reaction with ethanol (2.8 kcal mol(-1)), in line with experimental evidences. Analysis of the individual energy components within the CPCM approach reveals that electrostatic interactions are the main contribution to stabilization of the transition state. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Optimization of the Transesterification Reaction in Biodiesel Production and Determination of Density and Viscosity of Biodiesel/Diesel Blends at Several Temperatures

Waste frying oil has been used to optimize the production of biodiesel. Biodiesel was prepared through sodium ethoxide catalyzed methanolysis from the transesterification of recycled waste frying oil. Optimization of the transesterification reaction for biodiesel production was carried out by means of statistical analyses using ANOVA. The optimum conditions for reaction were the following: a oil methanol mole ratio of 1:9, temperature of 50 degrees C, catalyst mass fraction of 0.9 %, and reaction time of 40 min, which enabled a yield of 98.7 % determined by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) analysis. The density and viscosity of biodiesel/diesel blends have been determined as a function of composition at several temperatures.

Production and characterization of lipases and immobilization of whole cell of the thermophilic Thermomucor indicae seudaticae N31 for transesterification reaction

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Synthesis and characterisation of hydrotalcite-like compounds for transesterification reaction

A series of templated [Mg(1-x)Alx(OH)2]x+(CO3)x/n2- with different structural properties have been synthesised using an alkali-free coprecipitation route. The macroporous materials were been obtained using two different kind of templating agents, polymeric materials, in order to cover a bigger size range (750-70 nm). All the materials have been characterized by different techniques: porosimetry, SEM-EDX, TEM-EDX, MP-AES, XRD, CO2 titration before and after the calcinations process. All the materials have been tested for transesterification reaction of C4-C8 triglycerides with methanol for biodiesel production.

Multiscale modelling of heterogeneously catalysed transesterification reaction process:an overview

Biodiesel is fast becoming one of the key transport fuels as the world endeavours to reduce its carbon footprint and find viable alternatives to oil derived fuels. Research in the field is currently focusing on more efficient ways to produce biodiesel, with the most promising avenue of research looking into the use of heterogeneous catalysis. This article presents a framework for kinetic reaction and diffusive transport modelling of the heterogeneously catalysed transesterification of triglycerides into fatty acid methyl esters (FAMEs), unveiled by a model system of tributyrin transesterification in the presence of MgO catalysts. In particular, the paper makes recommendations on multicomponent diffusion calculations such as the diffusion coefficients and molar fluxes from infinite dilution diffusion coefficients using the Wilke and Chang correlation, intrinsic reaction kinetic studies using the Eley-Rideal kinetic mechanism with methanol adsorption as the rate determining steps and multiscale reaction-diffusion process simulation between catalytic porous and bulk reactor scales. © 2013 The Royal Society of Chemistry.

Study on the glycerolysis reaction of high free fatty acid oils for use as biodiesel feedstock

Biodiesel is the main alternative to fossil diesel and it may be produced from different feedstocks such as semi-refined vegetable oils, waste frying oils or animal fats. However, these feedstocks usually contain significant amounts of free fatty acids (FFA) that make them inadequate for the direct base catalyzed transesterification reaction (where the FFA content should be lower than 4%). The present work describes a possible method for the pre-treatment of oils with a high content of FFA (20 to 50%) by esterification with glycerol. In order to reduce the FFA content, the reaction between these FFA and an esterification agent is carried out before the transesterification reaction. The reaction kinetics was studied in terms of its main factors such astemperature, % of glycerin excess, % of catalyst used, stirring velocity and type of catalyst used. The results showed that glycerolysis is a promising pretreatment to acidic oils or fats (> 20%) as they led to the production of an intermediary material with a low content of FFA that can be used directly in thetransesterification reaction for the production of biodiesel. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Enzymatic transesterification of soybean oil with ethanol using lipases immobilized on highly crystalline PVA microspheres

Polyvinyl alcohol (PVA) microspheres with different degree of crystallinity were used as solid supports for Rhizomucor miehei lipase immobilization, and the enzyme-PVA complexes were used as biocatalysts for the transesterification of soybean oil to fatty acid ethyl esters (FAEE). The amounts of immobilized enzyme on the polymeric supports were similar for both the amorphous microspheres (PVA4) and the high crystalline microspheres (PVA25). However, the enzymatic activity of the immobilized enzymes was depended on the crystallinity degree of the PVA microspheres: enzymes immobilized on the PVA4 microspheres have shown low enzymatic activity (6.13 U mg-1), in comparison with enzymes immobilized on the high crystalline PVA25 microspheres (149.15 U mg-1). A synergistic effect was observed for the enzyme-PVA25 complex during the transesterification reaction of soybean oil to FAEE: transesterification reactions with free enzyme with the equivalent amount of enzyme that were immobilized onto the PVA25 microspheres (5.4 U) have yielded only 20% of FAEE, reactions with the pure highly crystalline microsphere PVA25 have not yielded FAEE, however reactions with the enzyme-PVA25 complexes have yielded 66.3% of FAEE. This synergistic effect of an immobilized enzyme on a polymeric support has not been observed before for transesterification reaction of triacylglycerides into FAEE. Based on ATR-FTIR, 23Na- and 13C-NMR-MAS spectroscopic data and the interaction of the polymeric network intermolecular hydrogen bonds with the lipases residual amino acids a possible explanation for this synergistic effect is provided. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Mass transfer and chemical reaction on a distillation plate

A multistage distillation column in which mass transfer and a reversible chemical reaction occurred simultaneously, has been investigated to formulate a technique by which this process can be analysed or predicted. A transesterification reaction between ethyl alcohol and butyl acetate, catalysed by concentrated sulphuric acid, was selected for the investigation and all the components were analysed on a gas liquid chromatograph. The transesterification reaction kinetics have been studied in a batch reactor for catalyst concentrations of 0.1 - 1.0 weight percent and temperatures between 21.4 and 85.0 °C. The reaction was found to be second order and dependent on the catalyst concentration at a given temperature. The vapour liquid equilibrium data for six binary, four ternary and one quaternary systems are measured at atmospheric pressure using a modified Cathala dynamic equilibrium still. The systems with the exception of ethyl alcohol - butyl alcohol mixtures, were found to be non-ideal. Multicomponent vapour liquid equilibrium compositions were predicted by a computer programme which utilised the Van Laar constants obtained from the binary data sets. Good agreement was obtained between the predicted and experimental quaternary equilibrium vapour compositions. Continuous transesterification experiments were carried out in a six stage sieve plate distillation column. The column was 3" in internal diameter and of unit construction in glass. The plates were 8" apart and had a free area of 7.7%. Both the liquid and vapour streams were analysed. The component conversion was dependent on the boilup rate and the reflux ratio. Because of the presence of the reaction, the concentration of one of the lighter components increased below the feed plate. In the same region a highly developed foam was formed due to the presence of the catalyst. The experimental results were analysed by the solution of a series of simultaneous enthalpy and mass equations. Good agreement was obtained between the experimental and calculated results.

Enzymatic Kinetic Resolution of tert-Butyl 2-(1-Hydroxyethyl)phenylcarbamate, A Key Intermediate to Chiral Organoselenanes and Organotelluranes

The enzymatic kinetic resolution of tert-butyl 2-(1-hydroxyethyl) phenylcarbamate via lipase-catalyzed transesterification reaction was studied. We investigated several reaction conditions and the carbamate was resolved by Candida antarctica lipase B (CAL-B), leading to the optically pure (R)- and (S)-enantiomers. The enzymatic process showed excellent enantioselectivity (E > 200). (R)- and (S)-tert-butyl 2-(1-hydroxyethyl) phenylcarbamate were easily transformed into the corresponding (R)and (S)-1-(2-aminophenyl)ethanols.

New heterogeneous catalysts for trans-esterification of triglycerides

This paper describes preliminary work done towards the development of new metallic heterogeneous catalysts to be used in the transesterification reaction of triglycerides, which is of considerable interest in the production of biodiesel. Biodiesel, is a mixture of mono-alkyl esters of fatty acids, and is currently manufactured by transesterification of triglycerides with methanol using NaOH or KOH as liquid base catalyst. Catalysts as such are corrosive to the equipment, and as these catalysts are in liquid phase must be neutralized after the completion of the reaction, typically using HCl, thus producing salt streams. Moreover, due to the presence of free fatty acids it reacts to form soaps as unwanted by-products, hence requiring more expensive separation processes. Therefore, there is a great need on the development of industrial processes for biodiesel production using solid acid catalysts. The key benefit of using solid acid catalysts is that no polluting by-products are formed and the catalysts do not have to be removed since they do not mix with the biodiesel product.

Study on the use of MgAl hydrotalcites as solid heterogeneous catalysts for biodiesel production

This paper, reports experimental work on the use of new heterogeneous solid basic catalysts for biodiesel production: double oxides of Mg and Al, produced by calcination, at high temperature, of MgAl lamellar structures, the hydrotalcites (HT). The most suitable catalyst system studied are hydrotalcite Mg:Al 2:1 calcinated at 507 degrees C and 700 degrees C, leading to higher values of FAME also in the second reaction stage. One of the prepared catalysts resulted in 97.1% Fatty acids methyl esters (FAME) in the 1st reaction step, 92.2% FAME in the 2nd reaction step and 34% FAME in the 3rd reaction step. The biodiesel obtained in the transesterification reaction showed composition and quality parameters within the limits specified by the European Standard EN 14214. 2.5% wt catalyst/oil and a molar ratio methanol:oil of 9:1 or 12:1 at 60 -65 degrees C and 4 h of reaction time are the best operating conditions achieved in this study. This study showed the potential of Mg/Al hydrotalcites as heterogeneous catalysts for biodiesel production. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Produção de biodiesel por catálise heterogénea

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Preparação de catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel

A produção de biodiesel como combustível para motores diesel, aumentou fortemente nos últimos anos e espera-se que cresça mais e mais num futuro próximo. O aumento do consumo de biodiesel exige processos de produção optimizados que permitam grandes capacidades de produção, operações simplificadas, rendimentos altos, bem como a utilização de matérias-primas mais económicas. Por isso, o desenvolvimento de processos de produção de baixo custo exige a especificação de catalisadores heterogéneos eficientes na promoção da reacção de transesterificação, permitindo a imediata separação da glicerina pura, não necessitando de uma purificação dispendiosa deste subproduto. Os xerogéis de carbono surgem então como materiais promissores para aplicação como catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel, devido às suas excelentes propriedades ao nível da sua textura e superfície química. Neste trabalho o principal objectivo foi a preparação de um xerogel de carbono, com o intuito de posteriormente ser aplicado na produção de biodiesel por catálise heterogénea. Amostras de xerogel de carbono foram preparadas pelo método sol-gel e oxidadas em fase líquida sendo posteriormente caracterizados os seus grupos funcionais e a sua área específica. Os resultados obtidos mostram que é possivel obter um xerogel de carbono com área superficial alta, tendo sido atingido um valor máximo para a amostra número dois (803 m2/g). Os resultados atingidos ao nível da preparação do catalisador permitem concluir que as condições de operação influenciam a estrutura final do xerogel de carbono. Quanto à caracterização da química superficial do xerogel, foi possível verificar que a diferença do número de acidez entre as amostras oxidadas e não oxidadas do mesmo lote é alta, o que permite afirmar que a oxidação do material de carbono incrementa a concentração de grupos oxigénio à superfície do xerogel. O valor máximo para o número de acidez foi obtido com a amostra número três (Amostra oxidada - 916 μmol/g, Amostra não oxidada - 207 μmol/g). Apesar de terem sido realizados ensaios para a produção de biodiesel os resultados obtidos foram nulos. A escolha das condições de reacção para a catálise heterogénea com este tipo de material poderá não ter sido a mais indicada, assim como a quantidade e o tipo de grupos funcionais introduzidos no catalisador não terem acidez suficiente para permitir uma catálise efectiva.

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.