Biodiesel synthesis by transesterification via ethyl route: a comparison performance of heterogeneous catalysts

O presente trabalho teve como objetivo estudar a síntese do biodiesel por transesterificação etílica de diferentes matérias-primas lipídicas empregando catalisadores heterogêneos (químico e bioquímico). Para cumprir com os objetivos propostos foram selecionadas matérias-primas lipídicas de baixo impacto no setor alimentício, entre as quais destacam-se: óleos vegetais (andiroba, babaçu, macaúba, palma e pinhão manso) e gordura residual (sebo bovino) e catalisadores de comprovada potencialidade como óxido de nióbio impregnado com sódio (químico) e a lipase de Burkholderia cepacia imobilizada em suporte híbrido sílicaalcool polivinílico (bioquímico). O trabalho foi desenvolvido em três etapas. Inicialmente, foram determinadas as propriedades físico-químicas das diferentes matérias-primas lipídicas, algumas ainda pouco exploradas, para verificar se apresentavam potencial para serem utilizadas na reação de transesterificação. Em seguida foram preparados os catalisadores propostos por protocolos já estabelecidos, sendo obtido para o catalisador químico elevado teor de sódio impregnado no óxido de nióbio (25,43 ± 0,29%) e para catalisador bioquímico elevada atividade hidrolítica (1814 ??281 U/g). Na segunda etapa, as reações de transesterificação foram conduzidas em regime de batelada em condições adequadas para cada catalisador em termos de temperatura, tempo e proporção de catalisador. Na terceira etapa, os produtos obtidos foram purificados e quantificados por cromatografia gasosa, RMN 1H, viscosimetria e análise termogravimétrica (TGA). O conjunto de dados obtidos demonstrou que a formação de ésteres etílicos a partir das diferentes matérias-primas é viável para os catalisadores testados. Ambos os catalisadores (químico e bioquímico) atuaram de forma eficiente convertendo os ácidos graxos presentes nas matérias-primas lipídicas nos ésteres etílicos correspondentes e apresentaram elevada estabilidade em bateladas consecutivas, com destaque para o catalisador bioquímico que revelou um tempo de meiavida de 290 h. Entretanto, a qualidade da matéria-prima lipídica interferiu a atuação dos catalisadores de maneira diferenciada. Enquanto, o catalisador químico foi sensível a presença de níveis elevados de acidez, como o constatado no óleo de macaúba, a atuação do catalisador bioquímico sofreu influência da presença de peróxidos indicativo de oxidação apresentada pelo óleo de andiroba. Com exceção dos óleos de macaúba e andiroba que apresentaram qualidade comprometida, todas as matérias-primas lipídicas originaram amostras de biodiesel com características adequadas para serem usadas como combustível, incluindo valores de viscosidade entre 3,9 a 6,0 (cSt) que atendem as especificações estabelecidas na ASTM 6751- 02. Apesar do desempenho similar dos catalisadores testados, a via química foi superior em termos de produtividade em relação à via bioquímica. Entretanto, essa baixa produtividade pode ser incrementada utilizando métodos não convencionais de aquecimento, como por exemplo, irradiação de micro-ondas e ultrassom. Os resultados obtidos neste trabalho demonstram ainda que os catalisadores heterogêneos testados possuem potencial para substituir os sistemas homogêneos normalmente empregados na síntese do biodiesel. Essa substituição oferece vantagens, que podem propiciar um aumento considerável nas perspectivas de sustentabilidade sócio-ambiental de todo o processo de produção.The present work aimed at studying the biodiesel synthesis by transesterification reaction from several lipidic feedstocks via ethyl route employing heterogeneous catalysts (chemical and biochemical). To attain the proposed objectives non-edible feedstock having low impact in the food segment, among which stand out: vegetable oils (andiroba, babassu, macauba, palm and Jatropha curcas) and residual fat (beef tallow) and potential catalysts as niobium oxide impregnated with sodium (chemical) and lipase from Burkholderia cepacia immobilized on silica-polyvinyl alcohol matrix (biochemical) were previously selected. The work was developed in three steps. Initially, the physico-chemical properties of the different lipidic feedstocks were investigated, some of them still little explored, to identify their potential as reactants in the transesterification reactions. Then the proposed catalysts were prepared by protocols already established, being obtained for the chemical catalyst high level of sodium impregnated in the niobium oxide (25.43 ± 0.29%) and for the biochemical catalyst high hydrolytic activity (1,814± 281 U/g). In the second step, the transesterification reactions were carried out in batch reactors under appropriated conditions for each catalyst in terms of temperature, time and catalyst proportion. In the third step, the obtained products were purified and quantified by gas chromatography, 1H NMR spectroscopy, viscosimetry and thermogravimetric analysis (TGA). The dataset obtained demonstrated that the formation of ethyl esters from the different feedstocks was feasible for the tested catalysts. Both catalysts (chemical and biochemical) were efficient in converting all fatty acids present in the lipidic feedstock into the corresponding ethyl esters and showed high stability under consecutive batch runs, with emphasis for the biochemical catalyst with a half-life time of 290 h. However, the poor quality of the feedstocks strong affected the performance of the catalysts in a different way. While the chemical catalyst was sensitive to high acidity levels, as verified in the macauba oil, the biochemical catalyst performance was influenced by the presence of peroxides indicating oxidation as showed in the andiroba oil. Except for these oils, all the other feedstocks originated biodiesel samples with appropriate characteristics to be used as fuel, including viscosity values between 3.9 to 6.0 (cSt) that are in accordance with specifications recommended by ASTM 6751-02. Even though the catalysts showed similar performances, the chemical route gave higher productivity than that attained by biochemical route. However, such lower productivity can be increased using non conventional heating systems as for instance, micro-wave irradiation and ultrasound. The results obtained in this work demonstrated that the selected heterogeneous catalysts possess potential to replace the homogeneous systems usually employed in the biodiesel synthesis. Such replacement offers advantages that can provided a considerable increase in the perspectives to attain an environmental sustainability of process as a whole