Desidratação de misturas de ésteres de ácidos graxos usando membrana polimérica modificada

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2019.Estudos de novas tecnologias que permitam a produção de energia empregando menos recursos naturais e matérias-primas não alimentícias são imprescindíveis. A biocatálise é uma técnica de produção de biodiesel, cujo diferencial está no emprego de matérias-primas com baixo valor comercial. Porém, durante o processo de transformação há geração de água que reduz a conversão de ácidos graxos em ésteres, diminuindo o rendimento da reação. O presente trabalho se propõe a investigar o uso de membrana polimérica de microfiltração na desidratação de misturas de ésteres de ácidos graxos. Essa investigação teve como objetivo modificar a superfície de uma membrana hidrofílica PVDF utilizando silazano com intuito de torná-la hidrofóbica, pelo método dip-coating. Diferentes concentrações de silazano e tempos de deposição foram testados. O desempenho das membranas sem e com modificações foi avaliado por meio do fluxo permeado, fator de redução mássica, umidade, acidez e teor de glicerol no permeado. As membranas foram caracterizadas quanto ao ângulo de contato, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), potencial zeta, microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (FESEM), absorção de água na membrana, estabilidade química do silazano à superfície da membrana modificada e compatibilidade química das membranas ao metanol. Misturas com diferentes composições e concentrações de éster metílico, metanol, água, ácido oleico, glicerol e enzima serviram de alimentação nos ensaios de permeação em modo dead-end e tangencial. O tempo de 60 minutos de deposição de silazano com a concentração de 1 mg silazano/g de tolueno resultou nos parâmetros mais desejáveis como fluxo elevado de permeado, maior FRV, considerável redução de umidade e maior concentração de ácido oleico no permeado. A modificação foi capaz de provocar alterações químicas e morfológicas na superfície da membrana suficientes para torná-la hidrofóbica, alterando seu ângulo de contato com a água de 0 para 94o. Para filtração em célula dead-end, as membranas modificadas apresentaram os maiores fluxos independentemente da composição das misturas, o maior fluxo permeado foi obtido para a mistura que continha elevado teor de metanol, reduzidos teores de água e glicerol, e todas as misturas permeadas pela membrana modificada apresentaram em seus permeados redução no teor de água e aumento no teor de ácido oleico. Para filtração em sistema de escoamento tangencial, as membranas modificadas também apresentaram os maiores fluxos e o elevado teor de água na mistura real elevou o fluxo tanto para a membrana controle como para a modificada. Houve redução nos teores de umidade, acidez e glicerol em todos os permeados, não sendo observadas diferenças significativas entre os permeados das membranas controle e modificada, possivelmente pela formação de emulsão nas misturas, reduzindo os fatores de rejeição e, consequentemente, a eficiência da seletividade da membrana modificada. Este trabalho mostrou ser possível a desidratação de ésteres metílicos obtidos via biocatálise por meio do uso de membranas e a modificação da superfície de membrana hidrofílica de PVDF em membrana hidrofóbica utilizando silazano resultou no aumento da eficiência do processo.Abstract: Studies of new technologies that allow energy production using less natural resources and non-food materials are essential. Biocatalysis is a biodiesel production technique, whose differential is in the use of raw materials with low commercial value. However, during the transformation process there is water generation that reduces the conversion of fatty acids into esters, reducing the reaction yield. The present work aims to investigate the use of microfiltration polymeric membrane in the dehydration of fatty acid esters mixtures. This research aimed to modify the surface of a PVDF hydrophilic membrane using silazane in order to make it hydrophobic by the dip-coating method. Different silazane concentrations and deposition times were tested. The performance of membranes without and with modifications will be evaluated by means of permeate flow, volumetric reduction factor, moisture, acidity and glycerol content in the permeate. The membranes were characterized for contact angle, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), zeta potential, field emission scanning electron microscopy (FESEM), membrane water absorption, silazane crosslinking to the membrane surface and chemical compatibility of membranes to methanol. At the end, the membranes was evaluated by permeate flux, mass reduction factor, moisture, acidity and glycerol content in the permeate. as contact angle, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), zeta potential, field emission scanning electron microscopy (FESEM), water absorption membrane, chemical stability of silazane to membrane modified surface and chemical compatibility of membranes to methanol. Mixtures with different compositions and concentrations of methyl ester, methanol, water, oleic acid, glycerol and enzyme were fed in the dead-end cell and cross-flow permeation assays. The 60 minutes silazane deposition time with the concentration of 1 mg silazane/g toluene resulted in the most desirable parameters such as high permeate flux, higher FRV, considerable moisture reduction and higher concentration of oleic acid in the permeate. The modification was able to cause enough chemical and morphological changes in the membrane surface to make it hydrophobic, changing its water contact angle from 0 to 94o. For dead-end cell filtration, the modified membranes had the highest fluxes regardless of the composition of the mixtures, the highest permeate flux was obtained for the mixture containing high methanol content, reduced water and glycerol contents, and all mixtures permeated by the modified membrane showed a reduction in water content and an increase in oleic acid content in their permeate. For filtration in cross flow system, the modified membranes also presented the highest fluxes and the high water content in the real mixture increased the flow for both the control and the modified membrane. There was a reduction in moisture, acidity and glycerol contents in all permeate, not being observed significant differences between the control and modified membrane permeate, possibly by the emulsion formation in the mixtures, reducing the rejection factors and, consequently, the efficiency of the modified membrane selectivity. This work has shown that it is possible dehydrate methyl esters obtained by biocatalysis using membranes and the modification of PVDF hydrophilic membrane surface to hydrophobic membrane using silazane resulted in increased process efficiency