O objetivo deste trabalho foi desenvolver um processo efetivo de síntese enzimática de biodiesel em reator de leito fixo, conectados em série, a partir de óleos vegetais operando em modo contínuo. Para o desenvolvimento do projeto, foram selecionados óleos vegetais de baixo impacto na cadeia alimentícia, tais como óleos de babaçu, macaúba e coco que apresentam composição predominantemente láurica (35-47%). A enzima selecionada para condução dos experimentos foi a lipase microbiana de Burkholderia cepacia imobilizada covalentemente em matriz híbrida sílica-PVA com comprovada eficiência na síntese de biodiesel a partir de diferentes matérias-primas lipídicas. Todos os experimentos foram efetuados na ausência de solventes a 50?C utilizando etanol como doador do grupo acila. Foram testados reatores de leito fixo (um estágio) e em série (dois estágios). A etapa inicial do trabalho consistiu em testes de desempenho do reator (um estágio) verificando a influência das propriedades dos óleos vegetais no rendimento do processo e atividade do biocatalisador. Apesar do biocatalisador ter apresentado elevado tempo de meia- vida > 373 h, nas condições testadas, independente do óleo usado a concentração máxima de ésteres esperada não foi alcançada (68,2%) limitando os rendimentos para valores máximos de 87,5%. Para contornar as restrições identificadas foi adotada uma configuração de reator de leito fixo dois estágios incorporando uma coluna recheada com resina catiônica (Lewatit GF 202) para adsorção do glicerol formado como subproduto. O desempenho do reator foi avaliado para substratos constituídos de óleos láuricos na razão molar óleo: etanol de 1:12, definindo os limites de operação em termos de vazão do substrato. Foi quantificado o desempenho do sistema para 4 diferentes vazões volumétricas correspondendo a tempos espaciais entre 7 a 17h e determinadas para cada condição a influência do tempo espacial na concentração de ésteres de etila formados, rendimentos de transesterificação e produtividade. O funcionamento do sistema foi comprovado quantitativamente para tempos espaciais no reator de 14h, fornecendo rendimentos de transesterificação médios de 95,9 ± 4,1% e valores médios de produtividade de 41,5 ± 1,5 mg.g-1.h-1. As amostras de biodiesel purificadas apresentaram viscosidade cinemática média de 5,5 ± 0,3 mm2.s-1, valor que atende a norma americana ASTM (D6751) e a brasileira pela resolução ANP n°14/2012. A lipase imobilizada em SiO2-PVA foi estável quanto à suas características morfológicas e catalíticas revelando tempo médio de meia-vida (t1/2) superior a 500 h. O emprego da configuração de reatores de leito fixo (PBR) em duplo estágio pode elevar os níveis de rendimento de transesterificação, aumentar a produtividade de biodiesel, por consequência reduzir o custo global do processo. As características globais do desempenho do sistema contínuo proposto torna atrativa a continuidade dos estudos em escala ampliada de processo. / The aim of this study was to develop an effective enzymatic continuous process to obtain biodiesel from vegetable oils in two-stage packed bed reactors. For this, non- edible vegetable oils (babassu, macaw palm and coconut) having predominant lauric acid (35-47%) composition were assessed. The selected enzyme was the microbial lipase from Burkholderia cepacia covalent immobilized on hybrid matrix silica-PVA (SiO2-PVA) which showed already satisfactory performance in the biodiesel synthesis from different lipid feedstocks. All experiments were carried out in solvent free system at 50°C using ethanol as acyl acceptor. Packed bed reactors (simple and two-stages) were tested. Preliminary work was focused on the determination of the influence of the properties of the vegetable oils on the process yield and biocatalyst activity using simple packed bed reactor. Under the conditions used, the biocatalyst was found to have high half-life time > 373 h and independent of the used oil the maximum concentration expected esters was not reached (68.2%) limiting the maximum yield to 87.5%. To overcome such constraints a two-stage packed bed reactor incorporating a column with cationic resins (Lewatit GF 202) to remove the glycerol formed as by-product was proposed. The reactor performance was evaluated for substrates consisting of lauric oils at molar ratio of oil-to-ethanol of 1:12, determining its operation limits in terms of substrate flow rate. The system performance was quantified for four different flow rates corresponded to spatial times from 7 to 17 h. For each condition, the influence of spatial times in the ethyl esters formation, transesterification yields and productivities were determined. The reactor operation was demonstrated for spatial time of 14 h, attaining transesterification yields of 95.9 ? 4.1% and productivities of 41.5 ? 1.5 mg.g-1.h-1.The immobilized lipase on SiO2-PVA was found to be stable regarding its morphological and catalytic characteristics, showing half-life time (t1/2) higher than 500 h. Biodiesel purified samples showed average kinematic viscosity of 5.5 ± 0.3 mm2.s-1, value that meets the criteria established by the American National Standard ASTM (D6751) and Brazilian ANP resolution No. 14/2012. Therefore, the continuous packed-bed reactor connected in series and glycerol separation system has a great potential for achieving high level of transesterification yields, raising biodiesel productivity, consequently decreasing industrial process cost. The performance characteristics of the proposed continuous system made attractive to develop further studies aiming at scaling up the process.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-09102013-104245 |
| Date | 09 August 2013 |
| Creators | William Costa e Silva |
| Contributors | Heizir Ferreira de Castro, Adriano Aguiar Mendes, Pedro Carlos de Oliveira |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Química, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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