Análise do processo de produção de biodiesel a partir de linhaça e proposta de processo industrial

Análise do processo de produção de biodiesel a partir de linhaça e proposta de...

(Parte 3 de 5)

Figura 12: Reação de formação de triacilglicerídeos

De uma maneira geral, monoésteres alquílicos de ácidos graxos podem ser produzidos a partir de qualquer óleo vegetal. No entanto, existem restrições a alguns tipos de óleos considerados não ideais. Uma propriedade indesejada é o alto índice de iodo, que torna o biodiesel mais susceptível à oxidação e inadequado para uso direto em motores do ciclo diesel. Entretanto, este problema pode ser superado pela adição de

Outra questão importante está relacionada às propriedades de fluxo do biodiesel a baixas temperaturas. O biodiesel produzido a partir de matérias-primas com alto teor de ácidos graxos saturados tende a apresentar problemas de solidificação quando utilizados nestas condições. Assim, as quedas bruscas de temperatura são responsáveis pelo aumento da viscosidade de ésteres saturados que, eventualmente, podem causar o entupimento dos filtros de óleo e do sistema de injeção. Este mesmo problema é observado no diesel de petróleo pela presença de materiais parafínicos, e pode ser minimizado em ambas as matrizes pelo uso de aditivos. 12,26

Como já visto, todos os óleos vegetais, além de gorduras animais, podem ser transformados em biodiesel. Dessa forma, assim como o grão de amendoim, a semente de girassol, a baga de mamona, dentre outros muitos vegetais em forma de sementes, amêndoas ou polpas, a semente de linhaça pode ser utilizada com a finalidade de obtenção do biodiesel.

A linhaça (Linum usitatissimum L) é a semente do linho, é originária da Ásia e cultivada no Canadá, Argentina, Brasil e Uruguai. 28 No Brasil, cultiva-se a linhaça marrom e sua produção está concentrada na região sul do país, em especial no estado do Rio Grande do Sul, responsável por quase a totalidade do cultivo da semente no país, durante o período mais frio do ano.

Sua importância maior se dá pela produção para extração de sementes oleaginosas que são retiradas do linho e utilizadas como complemento alimentar. A semente toda geralmente contém de 3 a 43% em peso de óleo. 24 Na composição do óleo, ácidos graxos saturados variam de 6-1%, oleico 13-29%, linoleico 17-30%, e linolênico 47-5%, o que faz do óleo de linhaça um dos mais ricos em ácidos graxos

Figura 13: Óleo e semente de linhaça

Como notável antioxidante e imunoestimulante, o óleo de linhaça apresenta propriedades medicinais diversas, além de reduzir as probabilidades de alguns cânceres. É também usado na indústria cosmética e farmacêutica, e é importante na fabricação de tintas, vernizes, sabões e cremes, além de ser combustível e lubrificante de

O emprego da linhaça como matéria-prima para produção de biodiesel tem como vantagem o fato de que essa oleaginosa é pouco utilizada como fonte alimentícia. Isso significa que o cultivo de linhaça com fins energéticos não representa um risco ao seu abastecimento no mercado alimentício, ao contrário, por exemplo, da soja. Outro aspecto positivo na inserção da linhaça na cadeia do biodiesel é o custo de produção da semente, que é relativamente baixo, na faixa de R$ 85,0 pela saca de 60 quilos. 3

Uma crítica comum à indústria de biocombustíveis no Brasil está no desmatamento de importantes ecossistemas, em especial o Pantanal e a Floresta Amazônica, provocado pela expansão das culturas usadas como fonte de matéria-prima. Nesse aspecto, a linhaça leva vantagem em relação a outras culturas tradicionalmente empregadas pelo setor de combustíveis renováveis, como a soja e a cana-de-açúcar, uma vez que sua produção está concentrada no extremo sul do país, afastada de tais biomas.

O crescimento da muda de linho se dá em baixas temperaturas, no período de inverno. Como consequência, a safra da linhaça ocorre no final do ano, nos meses de novembro e dezembro, majoritariamente.31 O cultivo da soja, por outro lado, tem início em janeiro, chegando ao ápice em março. Portanto, a adoção combinada da linhaça como matéria-prima para obtenção de biodiesel proporciona à cadeia produtora desse biocombustível o funcionamento por períodos mais longos sem necessidade de importação da fonte de óleo.

3.7.1.1. Extração do óleo da semente de linhaça

Para a obtenção do óleo da semente de linhaça, é necessário primeiramente realizar um preparo da amostra, constituído pelo processamento e caracterização da matéria-prima, para que depois se execute a extração. A caracterização da amostra é realizada em termos de umidade, distribuição do tamanho das partículas, e densidade real e aparente do sólido. 31

Existem diferentes técnicas que possibilitam a extração do óleo, dentre elas a extração por solvente orgânico e a supercrítica. A extração supercrítica utiliza normalmente CO2 pressurizado como solvente, e conquistou um lugar de destaque nos processos industriais, por apresentar importantes vantagens. Diferentemente do que ocorre nas técnicas convencionais, essa técnica permite a obtenção de produtos livres de solvente, já que os extratos são separados apenas por redução na pressão do sistema, ou ajuste da temperatura. Além disso, ela melhora a qualidade dos produtos extraídos, como a elevação de seu potencial antioxidante. 31

Apesar dos pontos positivos relacionados à extração supercrítica, estudos indicam que a extração por solvente apresenta maiores rendimentos (da ordem de 30%), tendo como melhor composto o éter etílico, devido à sua capacidade de extrair, além de triacilglicerídeos, vitaminas, esteroides, resinas e pigmentos. Já extrações com CO2 pressurizado apresentam rendimentos de extração de óleo da ordem de 1 a 4% apenas, o que exigiria uma demanda muito maior de matéria-prima para que se obtivesse a mesma quantidade de óleo referente à extração por solvente. 29

Contudo, ambas as técnicas exigem um tratamento preliminar da semente de linhaça para se tornarem viáveis. Este consiste na redução do grão até que seja formado um farelo de tamanho aplicável com os métodos de extração. Nesse sentido, uma alternativa pode ser encontrada na moagem da semente, que também possibilita a obtenção preliminar de uma significativa fração do óleo desejado.

4. METODOLOGIA

4.1. Proposta de projeto – Diagrama de blocos

A primeira etapa para o desenvolvimento do fluxograma de processo consistiu na escolha das operações unitárias envolvidas, sendo que inicialmente, deve-se extrair o óleo da linhaça. Nesse sentido, tomando como base as técnicas mais comuns e eficazes para obtenção do óleo, foi sugerido o diagrama de blocos abaixo para essa etapa do processo:

Figura 14: Diagrama de blocos proposto para extração do óleo de linhaça 29,31

Considerando que o óleo de linhaça foi extraído conforme descrito na figura 14, o próximo passo consistiu na avaliação da capacidade desse óleo na produção de biodiesel. Com base nas referências consultadas, foi proposto o segundo diagrama de blocos (figura 15) para a produção industrial do biodiesel a partir do óleo de linhaça:

Figura 15: Diagrama de blocos proposto para o processo de produção de biodiesel 21,24

4.2. Análise econômica preliminar

Inicialmente, definiu-se a capacidade de produção do projeto, estipulada em aproximadamente 37500 m³ por mês. Esse valor foi determinado a partir da capacidade de produção das maiores fábricas atualmente em operação no Brasil. A escolha por uma dimensão elevada tem como objetivo proporcionar um maior lucro operacional em função da escala de produção.

Em seguida, foi realizada uma estimativa inicial da massa de semente necessária para fornecer o volume proposto de biodiesel. Para isso, o primeiro cálculo levou em consideração uma relação de 400 quilos de óleo por tonelada de semente de linhaça, uma vez que a mesma pode conter de 3 a 43% em peso de óleo.24 O rendimento da etapa reacional (reação de transesterificação) foi inicialmente estimado em 94%, a partir de várias fontes encontradas a literatura. Para estimar a quantidade de álcool necessária, considerou-se o etanol como agente transesterificante. Foi definida uma demanda inicial de reagente equivalente a 30% em massa da quantidade de óleo, e que praticamente todo o álcool não reagido é recuperado durante os processos de purificação dos produtos. 34,36 Além disso, foi considerada uma produção de 21 quilos de glicerol para cada 100 quilos de biodiesel, proporção retirada do balanço de massa encontrado na

A análise econômica preliminar se resume em avaliar a viabilidade do processo a partir da diferença entre o lucro alcançável com a venda dos produtos e a despesa necessária para a compra de matéria-prima considerando os rendimentos teóricos mencionados anteriormente. O resultado da análise econômica preliminar pode ser visto na tabela 2:

Tabela 2: Análise econômica preliminar

Produção de biodiesel (m³/mês) 37500

Produção de biodiesel (ton/mês) 30

Rendimento da reação (kg biodiesel/kg óleo) 0,94 Massa de óleo de linhaça necessária (ton/mês) 35106,4 Teor de óleo na semente (kg óleo/kg semente) 0,40

Massa de linhaça necessária (ton/mês) 87760,8

Produção de glicerol (ton/mês) 6929,9

Volume de etanol necessário (m³/mês) 6500,8

Preço de compra da linhaça33 (R$/kg) 1,42

Preço de venda do biodiesel45 (R$/L) 2,7

Preço de venda do glicerol46 (R$/L) 6,61

Preço de compra do etanol47 (R$/L) 1,64

Custo Bruto de Matéria Prima (ao mês) R$135.012.774,91

Receita Bruta do Processo (ao mês) R$149.699.380,52

Margem Bruta (ao mês) R$ 14.686.605,61 Viabilidade do Processo Viável

Com base nos dados da tabela 2, fica comprovada a viabilidade teórica da produção de biodiesel a partir do óleo de linhaça. Contudo, o veredicto definitivo somente pode ser dado após uma análise econômica mais detalhada, que leva em consideração todos os custos envolvidos no processo (impostos, custos com equipamentos, custos gerais, e etc.), e não somente a despesa com as matérias-primas.

4.3. Fluxograma de Processo

Com base nos diagramas apresentados nas figuras 14 e 15, foi elaborado o fluxograma de processo para produção do biodiesel a partir da semente de linhaça. Pela proposta do projeto, tanto metanol quanto etanol podem ser usados como reagentes na transesterificação. Portanto, o fluxograma de processo (apêndice 8.1) foi pensado de modo a comportar métodos para recuperação dos dois álcoois. Abaixo seguem quatro figuras, que são frações do fluxograma, e representam as principais etapas do processo: a obtenção do óleo de linhaça, a reação de transesterificação, e a purificação dos produtos.

Figura 16: PFD – Etapa de extração do óleo de linhaça

32 Figura 17: PFD – Etapa de reação de transesterificação

3 Figura 18: PFD – Etapa de purificação do BIODIESEL

Figura 19: PFD – Etapa de purificação do GLICEROL

4.3.1. Extração do Óleo de Linhaça

Na etapa de obtenção do óleo de linhaça, a semente armazenada em um silo é alimentada continuamente em um triturador por meio de uma fita transportadora (corrente 1). Considerou-se que cada 100 kg de semente de linhaça contém 40 kg de óleo.2 Durante a trituração, são formadas duas correntes. Uma delas, líquida (corrente

2), é composta por 60% do óleo presente na semente de linhaça e 10% da fração de sólidos, e segue para uma centrífuga, cuja eficiência de separação foi considerada como 100%. Da centrífuga são geradas mais duas correntes, uma líquida contendo o óleo

(corrente 4), e uma outra contendo os sólidos (corrente 5). A escolha dos aparelhos para transporte dos componentes sólidos foi feita com base no que é sugerido por Silva et. Al.34

A segunda corrente (corrente 3) é formada pelos 90% de sólidos restantes e por 40% de óleo, que deve ser recuperado. Para atender a tal propósito, faz-se uso da técnica de extração empregando éter etílico, para a qual foi adotado um rendimento de 30%.29 O solvente deve ser adicionado em um agitador centrífugo na proporção de 6 L de solvente para cada quilo de semente (corrente 6), de acordo com o proposto por Galvão et. Al. 29

O óleo de linhaça tratado é obtido após a mistura proveniente de o misturador centrífugo ser submetida a uma filtração a vácuo (corrente 7), seguida por um flash para separação do éter (corrente 1). Nessa etapa, assumiu-se que o filtro a vácuo é capaz de reter a totalidade de sólidos que passam por ele, sendo que o resíduo sólido arrasta também 5% da massa de éter etílico adicionado antes do agitador. O arraste do resíduo (corrente 8) é feito através de um transportador helicoidal. O óleo produzido (corrente 10) é armazenado em um tanque (TQ-02), juntamente com a corrente 4, de onde segue para o reator de contato.

4.3.2. Reação de Transesterificação

A reação de transesterificação consiste na principal etapa do processo. É ela que permite avaliar o desempenho dos diferentes álcoois (etanol/metanol), a partir do rendimento reacional. Para isso, foram realizadas duas simulações no software HySys® , uma utilizando o etanol como reagente, e a outra o metanol.

Na modelagem do processo, foi adotada a hipótese de operação em estado estacionário, compatível com a proposta de reator contínuo. Durante as simulações, os coeficientes de atividade das misturas líquidas foram calculados a partir do modelo de dois líquidos não-aleatórios (NRTL), em virtude da boa representação fornecida por esse modelo para sistemas contendo compostos orgânicos.

O banco de dados do simulador dispõe de todas as principais substâncias envolvidas na produção do biodiesel. O óleo de linhaça e o biodiesel produzido, no entanto, não são encontrados na base de dados do simulador e foram criados usando a função para construção de componentes hipotéticos do simulador. A descrição dessa construção pode ser visto no apêndice 8.2.

Com base em proporções de álcool observadas na literatura, foi considerada uma vazão de entrada de etanol de 30% da vazão de óleo de linhaça, e de 20% para o metanol. 34,36,42 Já para a solução de catalisador, sugeriu-se o uso de uma solução aquosa de NaOH, assumindo um total de 1% da mesma vazão de óleo.10 Entretanto, apesar da sua influência direta na formação dos produtos, o tipo de catalisador empregado e sua quantidade não foram avaliados durante as simulações, pois a modelagem termodinâmica do software HySys® não é sensível à sua presença. É importante ressaltar, contudo, que a proporção de catalisador não deve ultrapassar o limite de 2% da vazão mássica de óleo. Caso essa proporção seja excedida, a remoção do agente catalítico pode se tornar demasiadamente complexa, impossibilitando o alcance dos níveis de pureza exigidos para a comercialização dos produtos.

O conjunto reacional engloba dois reatores CSTR dispostos em série, para que se obtenha um maior rendimento de reação. Foi definido que o primeiro reator apresenta uma conversão de 85%, enquanto que o segundo consegue atingir até 98% de conversão global. 36 Nesse sentido, para simular as reações no software mencionado, optou-se pelo reator de conversão.

Antes de entrar no reator, os reagentes (óleo – corrente 14, álcool – corrente 17, e catalisador – corrente 16) passam por um trocador de calor até que se atinja a temperatura ótima de reação (definida como 60 ºC).36 Dessa forma, as correntes 15 e 18 representam os reagentes já aquecidos e então preparados para iniciar a primeira reação de transesterificação. Os produtos do primeiro reator (corrente 20) são resfriados até a temperatura ambiente (25 ºC) e levados a um decantador (corrente 21), onde se assumiu que o produto de fundo corresponde a todo o glicerol produzido (corrente 2), juntamente com a totalidade de catalisador e 60% do excesso de álcool.

(Parte 3 de 5)

Comentários