APLICAÇÃO DE PLANEJAMENTO FATORIAL NA OTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL DE GIRASSOL
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- Judite Filipe Barros
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1 APLICAÇÃO DE PLANEJAMENTO FATORIAL NA OTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL DE GIRASSOL Suzana Pedroza da Silva 1, Ceci Felinto Vieira de França 2, Breno José Marques de Melo 3, Allan Kardec Ribeiro Teixeira 4, Alexandre Ricardo Pereira Schuler 5 1 Doutoranda em Engenharia Química, Bolsista PRH 28/ANP/MCT, suzanapedroza24@yahoo.com.br 2 Mestranda em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química UFPE, cecifelinto@yahoo.com.br 3 Graduado em Química Industrial, Departamento de Engenharia Química UFPE, breno_mmel@yahoo.com.br 4 Graduando em Química Industrial, Departamento de Engenharia Química UFPE, allan.ribeiro@rocketmail.com 5 Professor Adjunto 4 do Departamento de Engenharia Química UFPE, aschuler@ufpe.br RESUMO O biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, óleos vegetais, que pode ser obtido por diferentes processos, tais como o craqueamento, a esterificação ou pela transesterificação. A transesterificação é processo mais utilizado atualmente para a produção de biodiesel. Consiste numa reação química dos óleos vegetais ou gorduras animais com o álcool comum (etanol) ou o metanol, estimulada por um catalisador. No Brasil existem dezenas de espécies vegetais que podem ser utilizadas na produção de biodiesel, como mamona, dendê (palma), girassol, babaçu, amendoim, pinhão manso e soja. Os benefícios desta energia alternativa são inúmeros, pois além de ser uma tecnologia limpa e não poluente, traz vantagens econômicas e sociais. Por tudo isso nosso trabalho tende a criar um planejamento fatorial que avalie a influência da temperatura e do tipo de álcool utilizado, na produção de biodiesel de girassol. Palavras-Chave: Biodiesel, planejamento fatorial, girassol. INTRODUÇÃO O setor do petróleo já foi marcado por várias crises, logo observa-se a necessidade de diminuir a dependência do petróleo e investir no desenvolvimento de tecnologia de produção e uso de fontes alternativas de energia que contribuam para o desenvolvimento sustentável. A utilização de combustíveis fósseis influencia negativamente a qualidade e o equilíbrio do meio-ambiente. Dois exemplos corriqueiros desse problema são os altos índices de poluição dos grandes centros urbanos e os acidentes com derramamento de petróleo no mar.
2 1 O uso do biodiesel traz uma série de benefícios associados à redução dos gases de efeito estufa, e de outros poluentes atmosféricos, tais como o enxofre, além da redução do consumo de combustíveis fósseis. A maior parte do biodiesel produzido no mundo deriva do óleo de soja e canola (Canakci e Van Gerpen, 2001), porém, segundo Parente (2003), todos os óleos vegetais podem ser transformados em biodiesel. Dentre estes, o óleo de girassol destaca-se por suas excelentes características físico-químicas, cuja produção da oleaginosa está entre as maiores culturas do mundo (Fagundes, 2002), apresentando viabilidade técnico-ambiental para a produção de biocombustíveis (Embrapa, 2003). O girassol é nativo da América do Norte, podendo ser encontrado desde as planícies do noroeste do Canadá até a América do Sul. Sua semente é, botanicamente, um fruto composto por pericarpo (casca) e a semente propriamente dita (polpa). O rendimento de óleo do fruto ou semente inteira é de 48 a 52%. (TAVARES et al, 2006). A grande importância da cultura do girassol no mundo deve-se à excelente qualidade do óleo comestível que se extrai de sua semente, além de ser um cultivo econômico, rústico e que não requer maquinário especializado. Tem um ciclo vegetativo curto e se adapta perfeitamente a condições de solo e clima pouco favoráveis. O girassol tem uma grande produtividade de grãos por hectare se comparada a outras alternativas e seu óleo apresenta uma grande vantagem que é a capacidade de conservação por períodos prolongados, devido ao baixíssimo conteúdo de ácido linoléico (Soares et al, 2001). Utilizando a ferramenta de planejamento fatorial, tem-se uma otimização do número de experimentos para identificar e quantificar a influência dos principais parâmetros relevantes para o processo de produção de biodiesel a partir da transesterificação do óleo de girassol, conseqüentemente reduzindo o tempo e custos necessários para o estudo, além de permitir sugerir novas condições para otimizar a produção. Portanto, este trabalho teve como objetivo otimizar o processo de produção de biodiesel de girassol utilizando o planejamento fatorial completo 2 2 em duplicata, identificando os parâmetros estatisticamente significativos no processo de produção do biodiesel de óleo de girassol e, verificando se há interação estatisticamente significativa para os fatores estudados (temperatura e tipo de álcool). METODOLOGIA Os experimentos foram divididos em 3 etapas. A primeira etapa consiste na produção de biodiesel de girassol com controle de temperatura com metanol, a segunda na produção de biodiesel de girassol com controle de temperatura com etanol; e a terceira etapa que consiste
3 2 na análise quantitativa e qualitativa via cromatografia gasosa dos monoésteres formados seguida de uma avaliação estatística. Os monoésteres (metílicos e etílicos dos ácidos graxos oriundos da matéria-prima) foram quantificados por cromatografia gasosa. A matéria-prima foi submetida à esterificação por um método industrial (com hidróxido de sódio em meio alcoólico). Antes de serem realizados os experimentos, da influência da temperatura e tipo de álcool, foi elaborado um planejamento fatorial 2 2 realizado em duplicata, totalizando oito experimentos, de acordo com as tabelas 1 e 2. Tabela 1 Legenda de Parâmetros e Níveis do Planejamento Fatorial. Parâmetro Identificação Nivel (-) Nível (+) Temperatura T 30 ºC 60 ºC Tipo de Álcool A Metanol Etanol Tabela 2 Planejamento Experimental para influência da temperatura e tipo de álcool. Ensaio Temperatura Tipo de Álcool 1 30 C Metanol 2 60 C Metanol 3 30 C Etanol 4 60 C Etanol Portanto, desenvolveu-se um método de produção de biodiesel por rota metílica e outro por rota etílica; a definição da temperatura e, tipo de álcool; a definição do rendimento destas reações para a oleaginosa e variável estudada; uma avaliação estatística dos desenvolvimentos obtidos; e uma definição de um conjunto de critérios para uma metodologia, com um mínimo de custos associados, para produção de biodiesel como rotina. RESULTADOS E DISCUSSÃO Influência da temperatura e tipo de álcool De acordo com o planejamento experimental da Tabela 2, verifica-se na Figura 1 os valores de rendimento médio de cada ensaio realizado. Percebe-se, portanto que para um experimento a 30 ºC (nível -) e utilizando-se metanol (nível -) o rendimento é menor quando comparado com o rendimento de 30 ºC e etanol e, um pouco maior quando comparado com o rendimento de 60 ºC e etanol. Percebendo ainda que o experimento realizado a 60 ºC com etanol o rendimento é bem maior que quando comparado com o experimento a 60 ºC e metanol.
4 3 Figura 16 Comparação de rendimentos encontrados para avaliação da influência da temperatura e tipo de álcool. Na tabela 3, tem-se a média de rendimento, o desvio padrão e a variância de cada ensaio realizado. Tabela 3 Resumo de dados médios obtidos dos ensaios da influência da temperatura e tipo de álcool. Ensaio T A Rendimento Desvio Variância Médio (%) Padrão (%) (%²) ,0 5,4 28, ,6 6,2 37, ,2 0,4 0, ,3 1,2 1,44 Utilizando o programa Statistica 8.0, calculou-se o valor dos efeitos principais e de interação, bem como o desvio padrão de cada um deles. Os resultados são mostrados na Tabela 4. Tabela 4 Efeitos calculados para o planejamento fatorial 2 2. Estimativa ± Desvio Padrão Efeitos principais: T -6,7 ± 2,9 A 17,9 ± 2,9 Efeitos de interação: TA -1,7 ± 2,9 Através dos resultados calculados, pode-se ver que o efeito da variação de temperatura de 30 para 60 ºC não se mostrou estatisticamente significativo para a reação, visto que o desvio padrão do efeito principal é maior que o valor do mesmo. Isto significa que ao utilizar a temperatura de 30 ºC para a reação de transesterificação de biodiesel o rendimento desta reação fica próximo ou maior ao da mesma reação utilizando a temperatura de 60 ºC. Esta
5 4 constatação é particularmente importante para os custos operacionais do processo, pois uma diminuição da temperatura acarreta numa diminuição dos gastos em energia nas usinas de biodiesel, além de um preço menor do produto final. Já para o efeito do tipo de álcool na reação, precisou-se determinar o valor do intervalo de confiança, com confiabilidade de 95 % e 4 graus de liberdade (t = 2,776). O resultado (IC = 8,05) é menor que o valor do efeito principal do tipo de álcool, portanto, este efeito é estatisticamente significativo para a reação de transesterificação nas condições estudadas. Ao alterar-se o álcool utilizado na reação de metanol para etanol, há um aumento no rendimento da reação em 17,9 %, em média. Esse aumento no rendimento é mais uma das vantagens da utilização do etanol, mesmo com a dificuldade de separação das fases. O etanol possui muitas vantagens frente ao metanol, como não ser tóxico e ser um combustível 100 % renovável, visto que é produzido a partir da biomassa cana-de-açúcar, enquanto o metanol é um álcool feito de gás natural ou extraído do petróleo que por exposição continuada de inalação ou absorção pode causar náuseas, dores de cabeça, dores abdominais, envenenamento sistêmico, perturbações cerebrais, diminuição de visão, cegueira, câncer. O etanol produz biodiesel com um maior índice de cetano e maior lubricidade, se comparado ao biodiesel metílico, além de ter um menor risco de incêndios. E, principalmente, uma grande vantagem da rota etílica no Brasil é a oferta desse álcool, disseminada por todo o território nacional, assim, os custos diferenciais de fretes, para o abastecimento de etanol versus abastecimento de metanol, em certas situações, possam influenciar na decisão. Pelo mesmo motivo do efeito da temperatura, não há interação entre a temperatura e tipo de álcool utilizado para fazer a reação de transesterificação nas condições estudadas. Isto é importante para o processo realizado, pois permite que se possa fazer pequenas variações de temperatura (para menor) no processo, sem causar uma perda no rendimento da reação ao se trabalhar com metanol ou etanol nas condições estudadas. A grande maioria dos trabalhos científicos atuais utiliza temperaturas acima de 60 ºC para o processo de produção de biodiesel e este estudo conseguiu demonstrar que se pode reduzir a temperatura da reação sem que ocorra alteração significativa no rendimento da reação com óleo de girassol. CONCLUSÕES É necessário ter o controle de outras variáveis para se fazer uma comparação entre as oleaginosas, porém, as metodologias aplicadas tanto para transesterificação alcalina quanto para as análises cromatográficas são eficientes para os experimentos propostos.
6 5 Os resultados dos experimentos, avaliados via testes estatísticos, mostram que as diferenças entre os rendimentos encontrados em várias temperaturas no intervalo de 30 o C a 60 o C são desprezíveis. Portanto, o aumento da temperatura não apresenta melhoria significativa no rendimento real da reação, não se justificando o uso de aquecimento para a transesterificação do óleo de girassol, dentro deste intervalo de temperatura. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CANAKCI, M.; VAN GERPEN, J. Biodiesel production from oils and fats with high free fatty acids. Trans. ASAE, 44, p , EMBRAPA - Dados e estatísticas: tecnologias de produção de girassol. Disponível em: < EMBRAPA Embrapa Soja (2003). FAGUNDES, M. H. Sementes de Girassol: alguns comentários. MAPA/Conab/Sugof. Disponível em:< cas/especiais/semente-de- Girassol.pdf.>. Acesso em: 09 Out SOARES, J. J; Araújo, L. H. A.; Batista, F. A. S.; Mamona. Embrapa, Campina Grande, TAVARES, M.L.A.; CONCEIÇÂO, M.M.; Santos, I.M.G.; Souza, A.G. Cinética do biodiesel do girassol e das misturas B5, B10, B15, B20, B25 e B50, Disponível em: f. Acesso em
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