BIODIESEL PRODUCTION FROM VEGETABLE OILS, WASTE OILS AND ANIMAL FAT: A SYSTEMATC REVIEW.
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8136573
Mayara Rodrigues Estevam1
Claudio Augusto Kelly2
Alessandra Maria Nerozi Aguiar3
Georges Michael Prandt Neto4
Thaina Rodrigues da Silva Oliveira5
Renato dos Santos Amorim6
Rodrigo Ramos de Oliveira7
Ricardo Alexandre de Carvalho8
Ricardo de Souza Silva9
RESUMO
Com o aumento crescente da população, associado ao aumento da energia consumida, os impactos ambientais resultantes da utilização de combustíveis fósseis e sua natureza finita, têm intensificado a necessidade de desenvolver novas fontes de energias renováveis. Em decorrência dessa necessidade, o biodiesel tem se tornado um excelente combustível alternativo e renovável em substituição aos combustíveis fósseis, como o diesel convencional. O biodiesel é obtido através de reações de transesterificação, craqueamento e hidroesterificação utilizando como matérias-primas: óleos vegetais, gorduras animais, óleos alimentares usados, entre outras fontes. Este trabalho baseou-se em uma revisão sistemática utilizando-se de diversas fontes de consulta, com o objetivo de mostrar os meios mais utilizados para produção e obtenção do biodiesel. Concluiu-se que os óleos residuais oriundos de frituras apresentam vantagens como matéria-prima na produção de biodiesel, pois dispensa o processo de extração do óleo (cunho tecnológico), custo da matéria-prima (cunho econômico) e destinação adequada de um resíduo (cunho ambiental). Dentre os processos utilizados na produção de biodiesel destaca-se o da transesterificação, principalmente os que utilizam de catálise básica, o qual permite diminuição do tempo de reação e aumento de velocidade da mesma.
Palavras-chave: Biodiesel. Transesterificação. Craqueamento. Hidroesterificação.
ABSTRACT
With the continuous growth of population, associated with the increase in energy spents, the environmental impacts resulting from the use of fossil fuels and their finite nature, have enhanced the need to develop new sources of renewable energy. As a result of this urge, biodiesel has become an excellent alternative of renewable fuel to replace fossil fuels, such as conventional diesel. Biodiesel is obtained through transesterification, cracking and hydroesterification reactions using raw materials: vegetable oils, animal fats, used cooking oils, among other sources. The present work is a systematic review based on different sources of consultation with the aim of showing the most used means for producing and obtaining biodiesel. It was concluded that residual oils from frying have advantages as a raw material, in the production of biodiesel, as it doesn’t require the oil extraction process (technological nature), raw material cost (economic nature) and appropriate disposal of residues (environmental nature). Among the processes used in the production of biodiesel, transesterification stands out, especially those that use basic catalysis, which allows a reduction in the reaction time and increases its speed.
Keywords: Biodiesel. Transesterification. Cracking. Hydroesterification
1. Introdução
Atualmente, a busca por recursos energéticos ecologicamente viáveis e eficientes tanto quanto aos atuais tem se intensificado a cada ano. Dentro desta conjuntura, o biodiesel tem sido usado em adição ou substituição ao diesel nos setores de transporte e geração de energia, minimizando os impactos ambientais causados pelos combustíveis fósseis (KNOTHE et al, 2006).
A utilização do biodiesel em substituição total ou parcial ao diesel contribui não somente na redução de poluentes como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarbonetos (HC), compostos orgânicos voláteis (COV) e material particulado, como também na redução das emissões de enxofre e de compostos aromáticos tóxicos (como o benzeno). Além disso, devido ao maior percentual de oxigênio nas moléculas que o compõem, o biodiesel apresenta uma combustão mais completa se comparado aos combustíveis fósseis (KOZERSKI, HESS, 2006; FERNANDO et al, 2006).
As pressões dos órgãos ambientais ao setor automotivo devido à emissão de gases poluentes e as turbulências em relação ao mercado internacional do petróleo levaram o Governo Federal a intensificar a pesquisa sobre a utilização do biodiesel na matriz energética nacional (KOZERSKI, HESS, 2006; FERNANDO et al, 2006).
Devido à sua grande biodiversidade e riqueza em plantas oleaginosas, o Brasil possui um grande potencial a ser explorado, tanto em relação ao aproveitamento energético de culturas temporárias e perenes, como em relação ao uso de óleos residuais.
O óleo de soja é a matéria prima mais abundante para a produção de biodiesel no Brasil. No entanto, o governo tem incentivado o uso de outras fontes na produção de biodiesel, como por exemplo, a mamona e a palma que são culturas típicas das regiões semiáridas nordestinas (BARBOSA, 2020). Porém, o custo elevado dos óleos vegetais tornou o biodiesel não competitivo frente ao diesel de petróleo, visto que combustíveis alternativos ao diesel devem expor além da competitividade econômica, uma técnica de produção definida e aceita ambientalmente. A redução do custo da matéria-prima utilizada na produção de biodiesel torna-se essencial.
O uso de matérias primas de menor custo, como óleos residuais e gorduras animais tem chamado a atenção dos produtores de biodiesel devido ao seu baixo custo. Além disso, o uso destas matérias primas é bem visto ambientalmente, pois não somente retiraria um composto indesejável do meio ambiente, como também permitiria a geração de uma fonte de energia alternativa, renovável e menos poluente.
As principais vantagens decorrentes da utilização de óleos residuais oriundos de frituras, como matéria prima na produção de biodiesel, são: dispensa do processo de extração do óleo (cunho tecnológico), custo da matéria prima (cunho econômico) e destinação adequada de um resíduo (cunho ambiental).
Este trabalho baseou-se em uma revisão sistemática, utilizando-se de diversas fontes de consulta, com o objetivo de mostrar os meios mais utilizados para produção e obtenção do biodiesel.
2. Referencial Teórico
Com o surgimento da necessidade de estudar novas alternativas para a geração de energia elétrica, na década de 70, surgiu o biodiesel, um biocombustível oriundo de fontes renováveis e ambientalmente correto, que substitui o óleo diesel. Devido à queda do preço do barril de petróleo na década de 80, o projeto foi abandonado (POUSA et al, 2007). No início do século XXI, foi retomada a produção do biodiesel no Brasil e em 13 de janeiro de 2005 foi promulgada a lei nº 11.097 e posteriormente criado o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PNPB). Após a retomada, o biodiesel vem sendo explorado no cenário brasileiro, onde em 2013 era estabelecido a obrigatoriedade da adição de 5% no óleo diesel.
Atualmente no Brasil existem diversos óleos vegetais utilizados para a produção de biodiesel, sendo os principais: soja, polpa de dendê, amêndoa do coco de dendê, amêndoa do coco de babaçu, baga de mamona, semente de girassol, e colza (COSTA et al, 2006). Na Figura 1 é mostrado o gráfico de capacidade de produção de biodiesel por região no Brasil, com destaque para as regiões Centro-Oeste e Sul.
Figura 1. Capacidade de Produção de Biodiesel por Região no Brasil.
Fonte: Adaptado de dos Santos et al, (2015).
Óleo e gordura animal também podem ser utilizados na produção de biodiesel, pois apresentam estruturas químicas semelhantes aos óleos vegetais, sendo moléculas triglicerídeas de ácidos graxos. Devido aos grandes abatedouros, essa matéria prima é amplamente encontrada no território brasileiro, podendo ser sebo bovino, óleo de peixe, óleo de mocotó, banha de porco, sebo de aves, entre outros.
Inclui-se como matéria prima para a produção de biodiesel também, os óleos e as gorduras residuais de processos domésticos ou industriais, essa matéria prima é encontrada em lanchonetes ou em cozinhas industriais e residenciais, onde são realizadas frituras; esgotos municipais, onde a nata é rica em matéria graxa; e em águas residuais da indústria de pescados, couros e indústrias alimentícias. Os óleos vegetais e a gordura animal são moléculas de triglicerídeos, constituídas de três moléculas de ácidos graxos de cadeia longa, ligados a uma molécula de glicerol (GERIS et al, 2007).
Três das técnicas de produção de biodiesel mais conhecidas são: a transesterificação, craqueamento e hidroesterificação.
O processo mais utilizado é a transesterificação, por trabalhar em temperaturas menores, de forma simples e mais barata (KNOTHE et al, 2006). Esse processo consiste na redução da viscosidade dos trigliceróis, misturando com um álcool e separando os ácidos graxos do glicerol conforme demonstrado na Figura 2.
Figura 2. Reação total de transesterificação.
Fonte: Om Tapanes et al, (2013).
O processo de craqueamento consiste na quebra das moléculas de glicerol formando ésteres, sendo realizada em temperaturas superiores a 350ºC conforme demonstrado na Figura 3.
Figura 3. Reações que ocorrem no craqueamento de triglicerídeos.
Fonte: Om Tapanes et al, (2013).
A hidroesterificação é um processo que envolve uma etapa de hidrólise seguida da esterificação conforme demonstrado na Figura 4.
Figura 4. Balanço de materiais da hidroesterificação por tonelada de biodiesel.
Fonte: Om Tapanes et al, (2013).
3. Metodologia
O presente trabalho apresentou como método a revisão sistemática da literatura. Os critérios de inclusão foram artigos de revisão sistemática, relatos de caso e artigos originais publicados nos últimos quinze anos, nas línguas portuguesa e inglesa, envolvendo a produção do biodiesel por meio do emprego de diversos processos de produção e obtenção. Além disso, foi realizada a comparação das características dos processos mais utilizados.
Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado o banco de dados Scielo, Google Acadêmico e Lilacs. As palavras chave utilizadas para seleção dos artigos envolvidos nesta pesquisa foram: (1) Biodiesel, (2) Transesterificação, (3) Craqueamento, (4) Hidroesterificação.
4. Resultados e Discussão
As descrições dos processos de produção e obtenção, assim como suas características estão sumarizadas no Quadro 1.
Quadro 1. Características dos artigos selecionados sobre os processos de produção e obtenção de biodiesel.
| Autor(es) | Processo de obtenção | Características do Processo |
| Castro et al. (2022) | Transesterificação por catálise heterogênea | Permite a facilidade na separação no fim da reação, permitindo a reutilização desse catalisador para um novo processo. |
| Barbosa, (2020) | Reduz a perda do produto no processo final de recuperação e purificação. | |
| Krause, (2008) | Transesterificação por catálise básica | Método que ocorre mais rápido que o processo de transesterificação por catálise heterogênea, usado em processos industriais é considerado um processo mais econômico que os demais. |
| Barbosa, (2020) | Permite que seja realizada em baixas temperaturas e em um curto período de tempo, variando de 25 a 70°C e 10 min a 2 horas. | |
| Om Tapanes et al.(2013) | Craqueamento | Processo com custo elevado, necessita de altas temperaturas para realizar a reação (acima de 350ºC, na presença ou ausência de catalisador). |
| Oliveira et al. (2008) | Processo que consiste na quebra das moléculas do óleo ou da gordura, levando à formação de uma mistura de hidrocarbonetos, semelhantes ao diesel convencional, e de compostos oxigenados. | |
| Om Tapanes et al.(2013) | Hidroesterificação | Alternativa mais moderna para produção de biodiesel, geração de glicerina, geração de biodiesel da mais elevada pureza. |
| Santos et al. (2015) | Uso de qualquer tipo de matéria prima graxa, com qualquer acidez e umidade (custo mais baixo). |
Com base no Quadro 1 pode-se observar as características dos principais métodos de produção e obtenção do biodiesel, tendo como referência artigos científicos publicados nos últimos quinze anos, sendo eles:
• TRANSESTERIFICAÇÃO
Na reação de transesterificação do triglicerídeo reage com um álcool sendo o metanol ou o etanol, formando ésteres metílico ou etílico, que constituem o biodiesel e glicerol. O álcool é adicionado em excesso para permitir a formação de uma fase separada de glicerol e deslocar o equilíbrio para um máximo rendimento de biodiesel, devido ao caráter reversível da reação. Esse processo ocorre com ou sem catálise, sendo o processo usando catalisador o mais eficiente. A catálise pode ser: básica, ácida ou enzimática (LOSS et al, 2014).
No Quadro 1 o processo de transesterificação por catálise heterogênea descrito por Castro et al, 2022 e Barbosa, 2020, permitiu a facilidade na separação no fim da reação, permitindo a reutilização desse catalisador para um novo processo. E também reduziu a perda do produto no processo final de recuperação e purificação. O catalisador tem como principal objetivo melhorar o rendimento da reação e aumentar a formação de produtos em uma faixa de tempo menor que a da reação sem uso de catalisador. Na produção do biodiesel, a escolha do catalisador vai depender do tipo e da qualidade da matéria-prima que será empregada (DEBONI, 2009).
A catálise heterogênea consegue reagir em uma fase diferente dos reagentes. As vantagens desse tipo de catálise é a facilidade no processo de purificação do produto final, ou seja, ele auxilia na separação do biodiesel e da glicerina, é possível reciclar o catalisador, há redução de perda do produto final no processo de recuperação e a purificação do mesmo, os custos da produção podem ser minimizados, a geração de efluentes reduzida e como eles não são sensíveis aos ácidos graxos livres, não é preciso realizar a etapa de lavagem, não havendo a produção de coprodutos (ALVES, 2011; FERREIRA et al, 2020).
No processo de catálise básica descrito por Barbosa, (2020) e Krause, (2008) são utilizados os hidróxidos, alcóxidos e carbonatos de metais alcalinos e bases não iônicas. É um método usado em processos industriais é considerado um processo mais econômico que os demais, e suas reações químicas ocorrem de modo mais rápido que no processo de transesterificação por catálise heterogênea. Permite que a reação seja realizada em baixas temperaturas, variando de 25 a 70°C, e em um curto período de dez minutos a duas horas e um rendimento de 97%. O uso de catalisadores faz com que a energia de ativação da reação química diminua, consequentemente aumentando sua velocidade (LOSS et al, 2014).
• CRAQUEAMENTO
O craqueamento é um processo que pode ser realizado utilizando ou não catalisadores. Nos artigos desenvolvidos por Om Tapanes et al, 2013 e Oliveira et al, 2008 (Quadro 1) nota-se que o processo de craqueamento ocorre altas temperaturas, acima de 350°C. Para que ocorra a quebra das moléculas da gordura animal/residual ou do óleo vegetal, o produto final deste processo é uma mistura de hidrocarbonetos que possui propriedades semelhantes às do diesel, sendo possível ser utilizado diretamente em motores de ciclo diesel. Também ocorre a geração de moléculas oxigenadas com elevada acidez, necessitando assim de novas reações para especificar o produto (Om Tapanes et al, 2013).
Embora o produto final possua propriedades muito semelhantes ao do diesel, devido a necessidade da utilização de altas temperaturas para realizar a reação, o craqueamento possui um custo elevado (Om Tapanes et al, 2013).
• HIDROESTERIFICAÇÃO
A hidroesterificação é um processo que envolve duas etapas, a hidrólise e a esterificação, consecutivamente. A etapa
de hidrólise, consiste na reação química entre os triacilglicerídeos do óleo vegetal ou da gordura animal/residual com a água. Essa reação ocorre em três etapas, sendo elas: primeira, os triacilglicerídeos são hidrolisados em diacilglicerídeos; segunda, os diacilglicerídeos são hidrolisados em monoacilglicerídeos; e terceira, os monoacilglicerídeos são hidrolisados em glicerol (Om Tapanes et al, 2013). Há a produção de ácidos graxos livre em todas as três etapas, e essa reação pode ser utilizando catalisadores ou não.
Na etapa de esterificação, ocorre a esterificação dos ácidos graxos gerados na etapa anterior. Este processo consiste na formação de ésteres a partir da reação entre um ácido graxo e um álcool de cadeia curta (podendo ser metanol ou etanol), como subproduto deste processo, ocorre a formação de água.
De acordo com Om Tapanes et al, 2013 e dos Santos et al, 2015 o processo de hidroesterificação é considerado uma alternativa mais moderna para produção de biodiesel, geração de glicerina, geração de biodiesel da mais elevada pureza. É um processo que permite o uso de qualquer tipo de matéria prima graxa, com qualquer acidez e umidade (custo mais baixo).
Apesar de ser um processo com baixos custos operacionais, a produção de biodiesel através da hidroesterificação necessita de um investimento inicial elevado, devido a tecnologia utilizada no processo, valor este que varia de acordo com a capacidade de produção instalada e da tecnologia que será implementada.
5. Conclusão
Analisando os três métodos de produção de biodiesel descritos acima, pode-se concluir que a produção de biodiesel utilizando o método de produção de transesterificação é o que apresenta maior viabilidade. Pois nela há a possibilidade de reciclar o catalisador, reduzir a perda do produto final no processo de recuperação e purificação do mesmo, além de necessitar de uma temperatura e período de tempo menor para realizar a reação. Comparado com o método de craqueamento que requer altas temperaturas para realizar a quebra das moléculas (necessitando assim de grande emprego de energia), e com o método de hidroesterificação, que apesar de ter um custo de produção relativamente baixo, necessita de um investimento inicial elevado.
Referências
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