En este trabajo de tesis se estudió la síntesis de ésteres metílicos y de monoglicéridos de ácidos grasos, teniendo en cuenta la importancia de investigar nuevas tecnologías para la valorización de aceites vegetales y haciendo foco en catalizadores y procesos más amigables con el medio ambiente. Previamente fue estudiada la síntesis de ésteres metílicos de ácidos grasos catalizada por carboxilatos de zinc. En ese contexto, la presente tesis reporta la investigación del efecto de las variables de operación, carga de catalizador y relación molar inicial de reactivos, en la conversión de triglicéridos y rendimiento a ésteres metílicos en la transesterificación de aceite de soja con metanol a 100 °C catalizada por estearato de zinc. Se estudió el comportamiento del catalizador en el medio de reacción y se encontró que el mismo forma parte de una macroemulsión, lo que dificulta el contacto entre los reactivos. Se desarrollaron dos modelos matemáticos del reactor, uno donde se considera que el catalizador está disuelto y perfectamente mezclado en el medio reactivo, y otro donde se tiene en cuenta sus propiedades químicas como surfactante. Los parámetros ajustados se utilizaron para simular la metanólisis de aceite de soja y generar estrategias operativas que maximicen la producción de ésteres metílicos de ácidos grasos. Posteriormente se investigó la síntesis de biodiesel de segunda generación, empleando el mismo catalizador. Se utilizó como materia prima aceite de orujo crudo. Debido a las propiedades ácidas del aceite, el biodiesel se obtuvo a partir de las reacciones simultáneas de esterificación de ácidos grasos libres y transesterificación de triglicéridos con metanol. El aceite fue caracterizado y se estudió las condiciones óptimas para la remoción del color. Se encontró que el estearato de zinc es activo y selectivo con este tipo de materia prima, a la vez que se investigaron las condiciones operativas para obtener los valores óptimos de conversiones de triglicéridos y ácidos grasos libres y rendimiento a ésteres metílicos. También en este caso se efectuó el modelado del reactor, teniendo en cuenta las dos reacciones que ocurren simultáneamente. La síntesis de monoglicéridos de ácidos grasos fue investigada a partir de la transesterificación de ésteres metílicos de ácidos grasos y de triglicéridos con glicerol, utilizando glicerolato de zinc como catalizador. Se estudiaron las condiciones óptimas de operación y la estabilidad del catalizador durante la reacción. El catalizador investigado presentó una baja performance en la glicerólisis de metil oleato, pero exhibió alta actividad, selectividad y estabilidad cuando el sustrato fue aceite de soja. / In this doctoral thesis, the synthesis of methyl esters and monoglycerides of fatty acids was studied, taking into account the importance of investigating new technologies for the valorization of vegetable oils and focusing on catalysts and processes more friendly to the environment. The synthesis of fatty acids methyl esters catalyzed by zinc carboxylates was previously studied. In this context, this thesis reports the investigation of the effect of the operation variables, catalyst loading and initial molar ratio of reagents, in the triglycerides conversion and methyl esters yield in the transesterification of soybean oil with methanol at 100 °C catalyzed by zinc stearate. The behavior of the catalyst in the reaction medium was studied and it was found that it forms part of a macroemulsion, which makes contact between the reagents difficult. Two mathematical models of the reactor were developed, one where it is considered that the catalyst is dissolved and perfectly mixed in the reactive medium, and another where its chemical properties as a surfactant are taken into account. The adjusted parameters were used to simulate the methanolysis of soybean oil and generate operational strategies that maximize the production of fatty acids methyl esters. Subsequently, the synthesis of a second-generation biodiesel, using the same catalyst, was investigated. Crude pomace oil was used as raw material. Due to the acidic properties of the oil, the biodiesel was obtained from the simultaneous reactions of the free fatty acids esterification and the triglycerides transesterification with methanol. The oil was characterized and the optimal conditions for color removal were studied. It was found that zinc stearate is active and selective with this type of raw material, while the operating conditions were investigated to obtain the optimal triglycerides and free fatty acids conversion and methyl esters yield. Also, the modeling of the reactor was performed, taking into account the two simultaneous reactions. The synthesis of monoglycerides of fatty acids was investigated from the transesterification of methyl esters of fatty acids and triglycerides with glycerol, using zinc glycerolate as a catalyst. The optimal operating conditions and the stability of the catalyst during the reaction were studied. The investigated catalyst showed a poor performance in the glycerolysis of methyl oleate, but exhibited high activity, selectivity and stability when the substrate was soybean oil.

The objective of this study was to analyze comparative ly the kinetics of transesterification of soy bean oils and castor oil mixed with respect to the submitted oil to the interesterification process of the same starting oils. Initially, it was done the transesterification of the mixture of oils and determination of their income; then, the starting oils were subjected to interesterification process and the obtained oil was transesterified by determining incomes of it as methylesters (biodiesel). In both cases, the reactions were carried out under the same reaction conditions, but at different times. Transesterifications were performed at 5, 10, 15, 30, 45, 60, 120 and 180 minutes. Both the mixture of those oils and the interesterified oil were subjected to chromatographic analysis, infrared spectroscopy Fourier transform, nuclear magnetic resonance of hydrogen, determination of kinematic viscosity. Analogous procedures have been developed for biodiesel obtained from the mixture and the interesterified oil. For purposes of obtaining the correction factor were produced biodiesel standards (B100) for both the mixture and for the interesterified oil. In the latter, the standard had to be done again five times to obtain the desired B100. The result of analyzes confirmed that the transesterification of interesterified oil is not the best route for the production of biodiesel, for comprise more costly and time consuming, complex and presents greater difficulties in reaction than the transesterification of the mixture of soy bean oil and castor oil. / O objetivo deste trabalho foi analisar, comparativamente, a cinética da transesterificação de óleos de soja e de mamona misturados em relação ao óleo gerado no processo de interesterificação desses mesmos óleos de partida. Inicialmente, fez-se a transesterificação da mistura dos óleos e determinação do seu rendimento; em seguida, os óleos de partida foram submetidos ao processo de interesterificação e o óleo obtido foi transesterificado, determinando-se os seus rendimentos em termos de ésteres metílicos (biodiesel). Nos dois casos, as reações foram realizadas nas mesmas condições reacionais, sendo variados apenas os tempos reacionais. Foram feitas transesterificações em 5, 10, 15, 30, 45, 60, 120 e 180 minutos. Tanto a mistura de óleos quanto o óleo interesterificado foram caracterizados porcromatografia gasosa, viscosidade cinemática e índice de acidez. Os biodieseis obtidos, a partir da mistura e do óleo interesterificado, foram caracterizados por cromatografia gasosa,espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier e ressonância magnética nuclear de hidrogênio. Para fins de obtenção do fator de correção foram produzidos padrões de biodiesel (B100) tanto para a mistura quanto para o óleo interesterificado. Desse último, o padrão precisou ser refeito cinco vezes até a obtenção do B100 desejado. Verificou-se que a simples obtenção da composição em ácidos graxos de uma mistura de óleos, não é suficiente para a previsão cinética da reação. Verificou-se, igualmente, que o óleo interesterificado a partir da mistura de óleos de mamona e soja (1:1) tem características diferentes, quanto a sua composição em TAGs, daquele da simples mistura original. A viscosidade desses óleos e a cinética de reação são significativamente diferentes, mesmo que levem ao mesmo produto final.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3150509 bytes, checksum: cf7874482452595653f1051a5680bdf0 (MD5) Previous issue date: 2010-09-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, computational chemistry calculations and thermal analysis experiments were performed in order to determine the oxidative stability of four fatty acid methyl esters (stearate, oleate, ricinoleate and linoleate), whose fatty chains may be inserted in oils and biodiesel. In the computational chemistry investigation the sequence of stabilities, based on the dissociation energy of the C-H bond was: C18:2 < C18:1 < C18:1;12-OH < C18:0, for the B3LYP 6-31G(d) and MP2 6-311++G(2d,p); and C18:2 < C18:1;12-OH < C18:1 < C18:0, for the B3LYP 6-311++G(2d,p). The spin density analysis allowed stating that the ricinoleate hydroxyl does not act as a pro-oxidizing, as the radicals formed in C-12 or OH are not stabilized by the unsaturation in C9, showing, thus, the behavior of a secondary alkyl alcohol in relation to these sites, whereas their allylic hydrogen display an energy similar to the oleate hydrogens. In the experimental investigation carried out TG, it was possible to observe the formation of hydroperoxides by means of the mass gain in an oxygen atmosphere for oleate, linoleate and ricinoleate, but only volatilization for the stearate. In this investigation, a small heating rate (2 ºC/min) was utilized. The kinetic calculations based on PDSC, in the dynamic and isothermal modes showed that the oxidation susceptibility is quite dependent of temperature, atmosphere and the method employed, being more critical in relation to the methyl ricinoleate. In the dynamic mode, in an air atmosphere at 110ºC, the relative susceptibility was 1 : 17 : 17 : 226 (C18:0 : C18:1 : C18:1;12-OH : C18:2). In an O2 atmosphere this proportion was 1 : 11 : 1 : 102. In the isothermal mode PDSC, at the same temperature, the proportion was 1 : 1230 : 1585 : 23001 in an air atmosphere, and 1 : 33 : 40 : 445 in an O2 atmosphere. Performing a structure/property relationship, the oxidation temperature determined at a heating rate of 10 ºC/min was shown to be strongly correlated with the BDE (C-H) obtained by DFT and MP2, confirming the relationship between the first exothermic event of PDSC in the dynamic mode and the C-H bond strength. Therefore, PDSC is shown as a accelerated testing technique able to determine the true oxidative stability of lipids, as it supplies information on the rate controlling step of auto-oxidation (L-H + R1● → L● + R1-H), whereas the Rancimat method does not supply such information. Ternary ester blends were made and their oxidative stabilities were assessed by means of PDSC in a synthetic air atmosphere. Four equations were obtained with high linear correlation coefficients (R2 > 0.98). A biodiesel representation model was also developed, expressing its main oxidation sites and molecular descriptors for several physico-chemical properties. This representation is expressed by the molecular formula Ca Hb H*c Hd** He***(O2)f (0H)g and shows as one of its advantages the easy display of biodiesel data, what makes more evident the study of structure/property relationship. Its application for the four FAME s and twenty-three blends allowed determining the oxidation temperature (OT) in an air atmosphere, based on the descriptors for allylic hydrogen (H*) and bis-allylic hydrogens (H**). From such model a program in language C was elaborated, whose input is the FAME mole fraction and whose output is the OT in a synthetic air atmosphere. Keywords: Auto-oxidation, FAME (fatty acid methyl esters), Biodiesel, PDSC, DFT. / Nesse trabalho, cálculos de química computacional e experimentos de análise térmica foram realizados para determinar a estabilidade oxidativa de quatro ésteres metílicos de ácidos graxos (estearato, oleato, ricinoleato e linoleato), cuja cadeia graxa pode estar inserida em óleos e biodiesel. Na investigação por química computacional a seqüência de estabilidade com base na energia de dissociação da ligação C-H foi: C18:2 < C18:1 < C18:1;12-OH < C18:0, para o B3LYP 6-31G(d) e MP2 6-311++G(2d,p); e C18:2 < C18:1;12-OH < C18:1 < C18:0, para o B3LYP 6-311++G(2d,p). A análise da densidade de spin permitiu afirmar que a hidroxila do ricinoleato não age como pró-oxidante, pois os radicais formados no C-12 ou OH não são estabilizados pela insaturação no C9, comportando-se, portanto, como um álcool alquílico secundário em relação a esses sítios, enquanto que seus hidrogênios alílicos possuem energia próxima aos do oleato. Na investigação experimental por TG foi possível observar a formação dos hidroperóxidos através do ganho de massa em atmosfera de oxigênio para o oleato, linoleato e ricinoleato, mas apenas volatilização para o estearato. Para tanto, uma pequena taxa de aquecimento (2 ºC/min) foi utilizada. Os cálculos cinéticos obtidos por PDSC nos modo dinâmico e isotérmico mostraram que a susceptibilidade relativa à oxidação é bastante dependente da temperatura, da atmosfera e do método empregados, sendo mais crítica em relação ao ricinoleato de metila. No modo dinâmico, em atmosfera de ar à 110ºC, a susceptibilidade relativa foi de 1 : 17 : 17 : 226 (C18:0 : C18:1 : C18:1;12-OH : C18:2). Em atmosfera de O2 essa proporção foi de 1 : 11 : 1 : 102. Na PDSC modo isotérmico nessa mesma temperatura a proporção foi de 1 : 1230 : 1585 : 23001 em atmosfera de ar, e 1 : 33 : 40 : 445 em atmosfera de O2. Fazendo uma relação estrutura-propriedade, a temperatura de oxidação na taxa de aquecimento de 10 ºC/min mostrou-se bastante correlacionada com a BDE (C-H) obtidas por DFT e MP2, confirmando a relação entre o primeiro evento exotérmico da PDSC no modo dinâmico e a força da ligação C-H. Nesse sentido, a PDSC apresenta-se como a técnica de ensaio acelerado capaz de determinar a verdadeira estabilidade oxidativa de lipídeos, pois fornece informações sobre a etapa contraladora da velocidade de autoxidação (L-H + R1● → L● + R1-H), enquanto que o método Rancimat não fornece essa informação. Foram realizadas misturas ternárias dos ésteres e verificadas suas estabilidades oxidativas por PDSC em atmosfera de ar sintético. Quatro equações foram obtidas com elevada correlação linear (R2 > 0.98). Foi desenvolvido também um modelo de representação do biodiesel expressando seus principais sítios de oxidação e descritores moleculares para diversas propriedades físico-químicas. Essa representação é dada pela fórmula molecular Ca Hb H*c Hd** He***(O2)f (0H)g e tem como uma das vantagens a simplificação de apresentação dos dados para biodieseis, o que torna mais palpável o estudo de relação estrutura-propriedade. Sua aplicação para os quatro FAMEs e vinte e três misturas permitiu determinar a temperatura de oxidação (OT) em atmosfera de ar com base nos descritores para hidrogênios alílicos (H*) e bis-alílicos (H**). A partir desse modelo foi elaborado um programa em linguagem C, tendo como dados de entrada a fração molar dos FAMEs e como saída a OT em atmosfera de ar sintético.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the use of the oil extracted from seeds and the leaves of Moringa oleifera Lam for the production of biodiesel and ethanol extracts, respectively. The extracted oil was characterized to give yield of 33% (w / w), saponification number of 179 mg KOH g-1, kinematic viscosity of 44.5 mm2s-1, acid value of 13.2 mg KOH g-1, peroxide value of 10.4 meq kg-1, water content of 840 ppm and oxidative stability > 60 hours. This oil was used for biodiesel production in a two-step catalysis, acid (H2SO4) and alkaline (KOH) in methanol, to yield ester 96.8% (w/w) being the predominant ester oleic (81. 6%), kinematic viscosity of 4.5 mm2s-1, acid number of 0.21 mg KOH g-1, density of 882.5 kg m-3, the water content of 257.3 ppm and stability oxidation of 19.3 h, which is the last highlight parameter compared to other biodiesels presenting not greater than 4-6 h. The ethanol extracts of Moringa leaves were evaluated for their antioxidant activity (total phenols, proanthocyanidin content, by the method of DPPH radical sequestration and differential pulse voltammetry) and used as additives to various types of biodiesel, and it was checked the increase in oxidative stability of all biodiesels with superior efficiency in comparison with the synthetic antioxidant tert-butylhydroquinone (TBHQ). Furthermore, it was produced in larger quantity methyl biodiesel from Moringa oleifeira Lam refined oil of Indian origin, which, due to its reduced acidity (0.13 mg KOH g-1), did not require a two-step catalysis (only alkaline reaction). The corrosivity of the biodiesel was assessed by immersion tests (3, 7, 14, 21, 28, 56 and 84 days) with two types of carbon steel (AC1015 and AC4140) in the absence and presence of TBHQ antioxidant in 500 ppm, at room temperature in the dark and without agitation (static testing). The presence of TBHQ led to smaller variations of peroxide index and induction period values and at the same time decreased the corrosion of the metallic coupons (indicated by the low content of iron released to biodiesel in comparison with control experiments). Furthermore, in the absence of TBHQ, the variations of the same parameters were low during the corrosion experiments, which indicated compatibility of Moringa oleifera Lam biodiesel with the evaluated steels. / O presente trabalho apresenta a utilização do óleo vegetal extraído das sementes e das folhas de Moringa oleifera Lam para produção de biodiesel e extratos etanólicos, respectivamente. O óleo vegetal extraído foi caracterizado, obtendo-se rendimento de 33% (m/m), índice de saponificação de 179 mg KOH g-1, viscosidade cinemática de 44,5 mm2 s-1, índice de acidez de 13,2 mg KOH g-1, índice de peróxido de 10,4 meq Kg-1, teor de água de 840 ppm e estabilidade oxidativa > 60 h. Este óleo vegetal foi utilizado para a produção de biodiesel em uma catálise em duas etapas, ácida (H2SO4) e alcalina (KOH) em metanol, com rendimento em ésteres de 96,8% (m/m), sendo predominante o éster oleico (81,6%), viscosidade cinemática de 4,5 mm2 s-1, índice de acidez de 0,21 mg KOH g-1, massa específica de 882,5 Kg m-3, teor de água de 257,3 ppm e estabilidade à oxidação de 19,3 h, sendo este o último parâmetro de grande destaque em comparação a outros biodieseis que apresentam valores não superiores a 4-6 h. Os extratos etanólicos das folhas de Moringa foram avaliados em relação a sua atividade antioxidante (teor de fenóis totais, teor de proantocianidina, pelo método do sequestro do radical DPPH e voltametria por pulso diferencial) e utilizados como aditivos em diferentes tipos de biodiesel, sendo verificado aumento da estabilidade oxidativa de todos os biodieseis com eficiência superior a do antioxidante sintético tert-butilhidroquinona (TBHQ). Adicionalmente, produziu-se em maior quantidade biodiesel metílico a partir de óleo vegetal refinado de Moringa oleifeira Lam de origem indiana, que devido à acidez reduzida (0,13 mg KOH g-1) não exigiu a catálise em duas etapas (apenas a alcalina). A corrosividade deste biodiesel foi avaliada por meio de testes de imersão (3, 7, 14, 21, 28, 56 e 84 dias) com dois tipos de aço carbono (AC1015 e AC4140) na ausência e presença do antioxidante TBHQ em 500 ppm, à temperatura ambiente, na ausência de luz e sem agitação (ensaios estáticos). A presença de TBHQ levou a menores variações dos valores de índice de peróxido e período de indução e ao mesmo tempo retardou a corrosão das peças de aço (indicado pelo baixo teor de ferro liberado ao biodiesel em comparação aos ensaios controle). Mesmo assim, na ausência de TBHQ, as variações dos mesmos parâmetros foram baixas ao longo do experimento de corrosão, o que indicou compatibilidade do biodiesel de Moringa oleifeira Lam com os aços avaliados. / Doutor em Química