Como é o processo de produção de biodiesel

Ao contrário do difícil e trabalhoso processo de refino de petróleo e produção de diesel, o processo de produção de biodiesel é relativamente fácil, podendo ser reproduzido até mesmo de forma caseira, com um liquidificador e os “ingredientes” imprescindíveis à reação química.

Entretanto, para que seja feito numa escala industrial, será preciso ter uma estrutura mínima de equipamentos que possam reproduzir o processo de produção de biodiesel da forma mais comumente praticada pela indústria no Brasil e no mundo, conforme mostrado no fluxograma abaixo, com base na literatura científica^1,2.

Para se produzir o biodiesel é preciso reagir três “ingredientes” principais:

1) matéria-prima (geralmente oriunda de uma planta oleaginosa);
2) álcool (metanol ou etanol);
3) catalisador (geralmente o hidróxido de sódio ou de potássio). Dessa reação saem o biodiesel (como produto principal) e o glicerol ou glicerina (como coproduto).

A matéria-prima (ou óleo de entrada) é adicionada ao reator junto com o álcool e o catalisador (estes dois podem ser misturados antes da reação, como mostra o fluxograma acima, ou podem ser adicionados ao reator de forma separada).

Após a finalização da reação, a mistura é enviada para o tanque de separação pelo processo de decantação, no qual o glicerol é separado do éster (nome técnico dado ao biodiesel antes do processo ser concluído).

No próximo passo, o éster segue para o tanque de destilação para que parte do álcool contido nele seja evaporado e recuperado pela condensação, para depois ser enviado de volta ao tanque de origem.

Da mesma forma, o glicerol segue para outro tanque no qual o álcool contido nele também seja recuperado, enquanto que a água e o glicerol seguem para um tanque no qual serão separados um do outro; a água é direcionada para o tanque de lavagem do éster, o catalisador é descartado e o glicerol segue para seu tanque de armazenamento.

O éster quase puro (sem o álcool) deve ser lavado com água tratada (geralmente com ácido fosfórico) para que o catalisador seja neutralizado e também para que sejam retirados do éster as impurezas e o sabão resultante da ação do catalisador com a matéria-prima, caso esta seja rica em gordura³.

Feita a lavagem, o éster já pode ser chamado de biodiesel, o qual segue para a secagem numa centrífuga à temperatura aproximada de 118°C. Em alguns casos, ele pode passar por um filtro para a retirada das últimas impurezas.

A partir de então, o biodiesel purificado deve se enquadrar nos parâmetros de densidade, viscosidade, acidez e índice de iodo, estabelecidos pela norma vigente³. Neste ponto, o biodiesel estará apto para ser comercializado.

Atualmente, há várias formas de se produzir o biodiesel, dentre as quais estão a pirólise, micro emulsão⁴, esterificação ácida, método do fluido supercrítico⁵, hidroesterificação e transesterificação, sendo este último o processo mais comumente utilizado⁶.

Transesterificação

A transesterificação é a etapa durante a qual de fato se dá a conversão dos óleos ou gorduras em ésteres que resultam no biodiesel e na glicerina, após esta ser removida dos triglicerídeos presentes na matéria-prima⁷. O biodiesel resultante é quimicamente definido como ésteres alquílicos de ácidos graxos, ao passo que a glicerina é definida como glicerol⁸.

O tempo de reação em um processo de transesterificação varia em função da temperatura, podendo ser de 1–2 horas a 55°C ou de até 8 horas à temperatura ambiente⁹.

A transesterificação pode ser ácida ou alcalina (básica). Uma das grandes desvantagens da alcalina é que ela promove a formação de sabão¹⁰. Isso acontecesse quando a matéria-prima apresenta um alto conteúdo de água e gordura (também chamada de FFA, ou ácidos graxos livres)¹¹, o que implica em maior consumo de catalisador e menor rendimento de éster¹².

Hidroesterificação

A hidroesterificação se caracteriza por ser um processo que acontece em duas etapas distintas: a hidrólise e a esterificação¹³. Enquanto o primeiro se encarrega de transformar todos os materiais em FFA e glicerol¹⁴, o segundo promove a reação dos FFAs com um álcool de cadeia curta para se tornar biodiesel e água¹⁵.

Independentemente do teor de acidez e de água presentes na matéria-prima, na hidroesterificação por catálise enzimática o óleo vai direto para o processo reativo após simples tratamento com ácido.

Se por um lado este processo é indiferente a tais restrições de acidez e água^16,11, por outro as reações são muito demoradas¹⁷ e podem representar um maior consumo energético¹⁸ do que na transesterificação.

No entanto, diferentemente do que acontece com tecnologias que produzem o biodiesel pela transesterificação via catálise básica (que promove a saponificação e a consequente necessidade de lavagem do éster¹⁵), o processo de hidroesterificação enzimática não gera sabão.

Além disso, o catalisador também pode ser recuperado e usado outras vezes sem prejuízo para o processo ou rendimento do éster^13,14, o que pode resultar numa redução de custo de produção. Estima-se que o custo para produzir o biodiesel pelo processo de hidroesterificação possa representar metade do custo para produzi-lo pela transesterificação¹⁹.

Um processo típico de transesterificação (ou de hidroesterificação) geralmente produz um volume de biodiesel equivalente ao volume do óleo usado como matéria-prima^20,21,22, a qual pode ser gordura animal ou de frango, óleo vegetal ou óleo residual de fritura.

Batelada e processo contínuo

Em geral, o processo de produção de biodiesel pode ocorrer de duas formas: por batelada ou por processo contínuo.

O processo por batelada pressupõe que as reações aconteçam num mesmo reator e que a próxima reação química só acontecerá após a retirada dos produtos e coprodutos da reação anterior.

A produção é em escala pequena e sua versatilidade permite que óleos de matérias-primas diferentes sejam adicionados a cada batelada, caso este seja o desejo. Desse modo, por ser mais simples, o processo por batelada não requer grandes investimentos financeiros.

Já no processo contínuo, como o nome sugere, a reação é feita sem paradas para que componentes da reação sejam adicionados. Como a reação é feita ininterruptamente e requer uma grande quantidade de matéria-prima, presume-se que esse processo demande um custo mais alto.

Álcool

Na produção de biodiesel, vários tipos de álcool podem ser usados, como propanol, butanol, etanol e metanol. Entre estes, os dois últimos são os mais comuns, sendo que o metanol é o mais comumente usado no Brasil e no mundo¹, por diversas razões, mencionadas a seguir.

Metanol

O metanol é um composto químico de baixa densidade, incolor, bastante tóxico e inflamável. De fórmula química CH₃OH, ele pode ser usado como solvente, reagente, anticongelante ou combustível¹⁰.

Embora o metanol possa ser feito de fontes renováveis como a biomassa, resíduos sólidos urbanos⁷, ou de madeira e águas residuais²³, ele é considerado um combustível fóssil em virtude de sua principal matéria-prima ser o gás natural, cuja extração está representada no gráfico abaixo.

Após passar por um processo para a retirada de enxofre, chamado de dessulfurização, o gás natural é reformado com vapor para a obtenção do gás de síntese²⁴, o qual é submetido a um processo catalítico antes de se transformar em metanol cru.

A primazia do uso do gás natural como matéria-prima para a produção de metanol decorre de seu estado gasoso, cuja extração e transformação se tornam bem mais fáceis do que as apresentadas por outras matérias-primas. Além disso, o gás natural é uma fonte tradicional que já alcançou o nível de maturidade que outras fontes ainda não alcançaram²⁵.

Como o uso do metanol no processo de produção de biodiesel é largamente predominante, o biodiesel resultante da reação é comumente chamado na linguagem científica internacional de FAME, sigla para Fatty Acid Methyl Ester, ou Éster Metílico de Ácido Graxo¹.

Pontos positivos do metanol

O metanol é particularmente o álcool preferido para reagir com um catalisador no processo de produção de biodiesel por causa de suas vantagens físicas e químicas e por sua fácil diluição no hidróxido de sódio²³.

Apesar de ter origem fóssil, o metanol é isento de água e rende mais²⁶.  Ele possui cadeia mais curta, sua recuperação leva menos tempo e seu consumo na reação é 45% menor do que o do etanol².  O biodiesel produzido com ele é menos viscoso e tem custo menor²⁷.

Um dos motivos que fazem com que o custo do álcool fóssil seja menor do que o do renovável, é que no Brasil o etanol é classificado como matéria-prima para a indústria química, a qual tem uma maior incidência de impostos porque a tributação favorece os importados²⁸.

Pontos negativos do metanol

Apesar de apresentar vários pontos positivos, o metanol também apresenta alguns pontos negativos. É difícil de enxergar sua chama azul-claro quando na presença da luz do sol²⁵, o que pode facilitar sua inalação. Por ser mais tóxico, ele pode causar a morte de quem o inala. 

O caráter mais inflamável do metanol faz com que ele queime de forma mais perigosa e apresente um risco maior de incêndio²⁷. Como é de origem fóssil, seu uso pode prejudicar a saúde humana e o meio ambiente – o que motiva a busca por alternativas menos prejudiciais²³.

Etanol

O etanol é um álcool cuja produção ocorre em um processo biológico de fermentação alcoólica pela ação de leveduras. As enzimas convertem em energia celular os açúcares que apresentam cadeias média e longa, tais como frutose, glicose e sacarose, conferindo ao etanol condições técnicas que possibilitam seu uso como combustível²⁹.

Pontos positivos do etanol

O etanol é produzido a partir de matéria-prima renovável, a cana-de-açúcar, cujos principais produtos são álcool, aguardente e açúcar; e principais coprodutos são vinhaça e bagaço.

A vinhaça é usada na produção de fertilizantes agrícolas; o bagaço, na cogeração de energia e na produção de etanol de segunda geração³⁰.

No Brasil, o etanol é produzido em várias regiões, o que faz sua presença se disseminar por praticamente todo o território nacional e resultar numa logística de fretes mais baixos e, consequentemente, na possibilidade de custos mais baixos⁷.

Pontos negativos do etanol

Além de ter recuperação mais demorada e apresentar maior consumo do que o do metanol no processo produtivo do biodiesel, o que pode resultar em maiores custos de produção, há questões ambientais que precisam ser analisadas.

Durante a etapa de cultivo da cana é possível que o solo seja fertilizado com os nutrientes NPK (nitrogênio, fósforo e potássio) ou que precise da aplicação de vinhaça para a complementação da fertilização³¹. Quando isso ocorre, tais fertilizantes produzem impactos ambientais na fase da agricultura que são contabilizados para o etanol e, consequentemente, para o biodiesel produzido por esta rota.

A produção de etanol também consome combustível fóssil (geralmente, diesel) que é usado nos equipamentos para a coleta e transporte da cana do campo à usina ou destilaria para que a mesma seja transformada em açúcar e/ou álcool³⁰.

Catalisador

Catalisadores são substâncias usadas para acelerar o tempo de reação em um processo produtivo. Eles podem ter caráter ácido (como os ácidos sulfúrico e fosfórico), básico ou alcalino (como os hidróxidos de sódio e potássio) ou enzimático (como a enzima mucor miehei)³².

A escolha do catalisador vai depender da natureza desta e da quantidade de ácidos graxos livres presentes na matéria-prima⁵. Qualquer que seja o catalisador escolhido, sempre haverá vantagens e desvantagens, seja do ponto de vista ambiental, econômico ou de velocidade na reação¹⁸.

De acordo com a literatura, os catalisadores mais usados na produção de biodiesel são o hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH), metóxido de sódio (CH₃ONa) e o metóxido de potássio (CH₃OK)³³.

Embora o hidróxido de sódio seja o preferido para uso em escala industrial, o metóxido de sódio (ou metilato de sódio) promove mais rapidez à reação³. Já o hidróxido de potássio apresenta menos problemas relacionados com a formação de sabão e ainda pode produzir fosfato de potássio (K₃PO₄) para ser usado como fertilizante, se neutralizado com o ácido fosfórico (H₃PO₄)³⁴.

Catalisadores ácidos também podem ser usados na transesterificação, mas quase nunca o são porque são lentos³⁴, demandam mais tempo de reação e maior quantidade de álcool, resultando em maiores custos.

Entretanto, os catalisadores ácidos podem ser indicados quando houver a necessidade de transformar em biodiesel os óleos e gorduras que apresentem altos índices de acidez³⁵ e também quando se quer evitar o efeito de saponificação produzido pela catálise alcalina¹⁶.

Glicerol ou glicerina

É comum perceber que os termos glicerina e glicerol geralmente causam certa confusão entre as pessoas. Não é para menos. A diferença entre eles é tão pequena que muitas pessoas os consideram essencialmente o mesmo produto, embora não o sejam por conta dessa pequena diferença.

O glicerol é a denominação técnica para um composto químico de fórmula C₃H₈O₃ e que apresenta um teor de pureza mais baixo. A glicerina, por sua vez, também tem a mesma fórmula química e propriedades que a do glicerol, mas seu teor de pureza é mais alto.

De forma simplificada, o produto menos puro é tecnicamente chamado de glicerol na literatura científica, enquanto que o mais puro é comercialmente chamado de glicerina. O conteúdo de metanol presente no glicerol bruto faz com que ele seja considerado um resíduo perigoso^34,36 em função de seu caráter inflamável. De acordo com a literatura, é possível extrair 10 kg de glicerol bruto de 100 kg de biodiesel^7,20,36,37.

Descarte do glicerol

Além do metanol, algumas outras impurezas presentes no glicerol são: sabão, ácidos graxos livres e triglicérides não reagidos³⁷. Com estas impurezas, o glicerol tem pouco valor comercial e seu descarte em aterros sanitários deve obedecer a padrões mundiais de tratamento³⁶.

Diante dos perigos ambientais que o descarte do glicerol pode causar, uma alternativa é torná-lo substrato para a fermentação na produção de hidrogênio²². Outra é comercializá-lo para que uma empresa possa extrair o metanol contido nele para deixá-lo com um teor de pureza em torno de 85%.

Com tal teor de pureza, o glicerol passa a ser chamado de glicerina loira, cujas características são de um líquido viscoso, cor amarelada, inodoro e pH neutro, miscível em álcool e fácil dissolução em água, porém insolúvel em clorofórmio, éter, óleos fixos e voláteis³⁸.

Como glicerina loira, o glicerol já não é mais enquadrado como produto perigoso pelo Sistema de Classificação (NBR 14725) da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), condição que o torna apto para uso na produção de polipropileno e espuma de poliuretano³⁸.

Se usado como insumo para ração animal (na complementação ou substituição de grãos, como o milho³⁹), a quantidade usada deve obedecer aos critérios de segurança para o consumo animal, determinados pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária.

Se este for o caso, deve-se considerar a possibilidade do alimento se deteriorar em função da umidade da glicerina. E se ela for um coproduto do biodiesel oriundo do óleo de mamona, seu uso é proibido por conta do caráter tóxico da enzima ricina, presente nas sementes dessa oleaginosa.

Alternativamente, a glicerina loira pode também ser comercializada para uma empresa refinadora de glicerol, a qual usará o processo de destilação a vácuo (ou outro qualquer) para deixá-la com teor de pureza entre 99,5% e 99,7%, a partir do qual ela passa a ser conhecida como glicerina destilada ou glicerina purificada.

Como glicerina purificada, seu valor comercial é mais alto por ser destinada a produtos com maior valor agregado, como aqueles que são fabricados pelas indústrias química, farmacêutica e de cosméticos³⁹.

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Agradecimento: Freepik por permitir usar neste post a imagem vetorizada conceitual da extração de gás natural. Isometric Gas Extraction Concept by macrovector – www.freepik.com

Sobre o autor | Fernando Oliveira

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• History, evolution, and environmental impact of biodiesel in Brazil: A review
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