Síntese de acetato de pentila mediante reação de esterificação de Fischer assistida por pervaporação

Orientador: Prof. Dr. Vitor Renan da SilvaCoorientadora: Drª Fabiane HamerskiDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Defesa : Curitiba, 10/08/2018Inclui referências: p.81-87Resumo: Ésteres aromáticos são compostos químicos amplamente disponíveis na natureza, e são constituintes relevantes dos aromas presentes em frutos e flores, dentre os quais se destaca o acetato de pentila, presente comumente em aroma de pera. A síntese orgânica destes ésteres consiste no emprego de reações de esterificação, entretanto, estas são usualmente reversíveis, resultando em conversões limitadas pelo equilíbrio químico. Desta forma, faz-se necessário o estudo de alternativas tecnológicas que favoreçam esta conversão, em condições operacionais mais favoráveis. O objetivo deste trabalho foi avaliar o processo de síntese de acetato de pentila mediante reação catalisada por zircônia sulfata (SO4 -2/ZrO2), assistida por processo de pervaporação, empregando membranas de alginato de sódio. Inicialmente, foram realizadas reações catalíticas heterogêneas de esterificação entre o ácido acético (AC) e o n-pentanol (PE) para produção do éster aromático acetato de pentila. Os estudos cinéticos foram realizados em reator batelada, a diferentes temperaturas (50, 60, 70 e 80 °C), razão molar AC:PE de 1:3 e 10% (m/m) de catalisador, no intervalo de 24 horas. O mecanismo reacional foi estimado a partir da análise dos modelos: elementar, Langmuir- Hinshewoold sítio duplo e Eley-Rideal. A conversão máxima de acido acético observada variou de 62,4% a 87,7%, de 50°C a 80°C. A energia de ativação e o calor de reação foram estimados em 41,16 kJ/mol e +7,049 kJ/mol, caracterizando um processo pouco dependente da temperatura e ligeiramente endotérmico. O modelo cinético que melhor descreveu a reação em estudo foi o de Eley-Rideal, considerando o ácido acético adsorvido no sítio ativo e o n-pentanol livre reagindo na superfície do catalisador. Membranas densas mistas hidrofílicas foram elaboradas a partir de alginato de sódio para aplicação na pervaporação. Ensaios com água e etanol destas membranas foram realizados a fim de confirmar o caráter hidrofílico dos filmes, sendo que todas as formulações se apresentaram seletivas a permeação de água. Por fim, a realização do processo reacional assistido por pervaporação foi realizado, com o objetivo de remover a água formada durante a reação de esterificação e assim aumentar a conversão do ácido acético. Ganhos de aproximadamente 10% foram obtidos nas conversões da reação de esterificação, comparando-se o processo reacional com e sem pervaporação, sem a ocorrência de perdas do éster no permeado. Palavras-chave: Esterificação de Fischer. Ésteres Aromáticos. Catálise Heterogênea. Pervaporação. Alginato de Sódio. Permeabilidade. Membranas Densas.Abstract: Aromatic esters are chemical compounds widely available in nature, and they are relevant constituents the aromas present in fruits and flowers, among which is the pentyl acetate, commonly present in the pear aroma. Organic synthesis of esters consists in the use of esterification reactions, however, these are generally reversible, resulting in limited conversions by chemical equilibrium. In this way, it is necessary to study technological alternatives which favor conversion into products in operations conditions more favorable. Objective of this study was to evaluate a synthesis process of pentyl acetate sulfate (SO4 -2/ZrO2) assisted by pervaporation using sodium alginate membranes. Initially, heterogeneous catalytic reactions was carried out between acetic acid (AC) and n-pentanol (PE) for the production of the pentyl acetate aromatic ester. Kinetic studies were performed in a batch reactor at different temperatures (50, 60, 70 and 80 °C), molar ratio AC:PE of 1:3 and 10% catalyst, within 24 hours. Reaction mechanism was estimated from the analysis of the models: elemental, Langmuir-Hinshewoold double site and Eley-Rideal. The maximum conversion of acetic acid observed ranged from 62,4% to 87,7%, from 50°C to 80°C. Activation energy and heat of reaction were estimated at 41,16 kJ/mol and +7,049 kJ/mol, characterizing a process with low temperature and slightly endothermic. Kinetic model that best described the reaction under study was Eley-Rideal with acetic acid adsorbed on the active site and free n-pentanol reacted on the surface of the catalyst. Hydrophilic mixed nonporous membranes were made from sodium alginate for application in pervaporation. Water and ethanol assays of these membranes were performed to confirm the hydrophilic character of the films, and all formulations were selective for water permeation. Finally, the assisted reactive process was carried out by pervaporation in order to remove the water formed during the esterification reaction and, thus, to increase the conversion of the acetic acid. Gain of approximately 10% was obtained in the conversions of the esterification reaction, comparing the reaction process with and without pervaporation, without the occurrence of ester losses in the permeate. Keywords: Fischer Esterification. Aromatic Ester. Heterogeneous Catalysis. Pervaporation. Sodium Alginate. Permeability. Nonporous Membranes