Biorefinaria de pinhão-manso (Jatropha curcas L.): armazenamento, extração de óleo e produção sustentável de biodiesel com etanol

Abstract

Biorefinaria é uma estrutura conceitual no qual processos diferentes de transformação são colocados lado a lado de modo que o produto de um processo se torne a matéria-prima do processo seguinte. O biodiesel, combustível renovável obtido através da transesterificação de óleos vegetais ou gordura animal tem sido inserido na matriz energética do Brasil de forma gradativa. A diversificação da matéria-prima para a produção de biodiesel com a utilização de culturas de elevada produtividade em óleo como a do pinhão-manso, e o aproveitamento dos co-produtos da cadeia produtiva com a aplicação do conceito de biorefinaria podem auxiliar na redução de custos e no suprimento da demanda por este combustível. Considerando o potencial do pinhão-manso como matéria-prima para a produção de biodiesel, o presente trabalho teve como objetivo geral contribuir para a estruturação da cadeia produtiva do biodiesel de pinhão-manso e redução dos custos de produção, utilizando o conceito de biorrefinaria. Para isto o trabalho foi organizado em seis artigos com os seguintes objetivos específicos: Artigo I avaliar o acúmulo de matéria seca e de óleo nas sementes de pinhão-manso e a qualidade do óleo extraído em diferentes estádios de maturação do fruto; Artigo II obter dados de equilíbrio higroscópicos de grãos de pinhão-manso e avaliar os parâmetros termodinâmicos do processo de dessorção; Artigo III avaliar o efeito das condições de armazenamento sobre a qualidade dos grãos, óleo e biodiesel de pinhão manso; Artigo IV avaliar o efeito da temperatura, do tamanho de partículas, do teor de água dos grãos e do tempo sobre o rendimento do processo de extração de óleo de pinhão-manso, utilizando o delineamento composto central rotacional e metodologia de superfície de resposta para a identificação das condições ótimas; Artigo V avaliar o efeito da temperatura, teor de água e tamanho de partículas sobre o rendimento e sobre os parâmetros cinéticos e termodinâmicos do processo de extração de óleo de pinhão-manso; Artigo VI avaliar o potencial energético de co-produtos da cadeia produtiva do biodiesel de pinhão-manso. No estudo realizado para avaliar o acúmulo de matéria seca e de óleo em grãos de pinhão-manso em diferentes estádios de maturação concluiu-se que: a colheita dos frutos com coloração marrom-amarela, além de possibilitar bons rendimentos em óleo e em matéria seca permite a obtenção de óleo com índice de acidez menor. Este é o estádio de maturação mais indicado para a realização da colheita dos frutos e sementes de pinhão-manso para fins industriais. No setor de pós-colheita, o conhecimento do teor de água de equilíbrio é fundamental para a realização de secagem, aeração e armazenagem de grãos. O modelo de Henderson Modificado foi considerado adequado para representar e estimar o teor de água de equilíbrio em processos de dessorção de grãos de pinhão-manso. O teor de água de equilíbrio dos grãos de pinhão-manso é diretamente proporcional à umidade relativa. Para um mesmo valor de umidade relativa, o teor de água decresce com o aumento de temperatura. Os valores positivos de entalpia e entropia diferencial mostraram que o processo de dessorção dos grãos de pinhão-manso é endotérmico e irreversível. O valor negativo da variação de energia livre de Gibbs indicou que o processo de dessorção em grãos de pinhão-manso ocorre de forma espontânea para as condições de temperatura avaliadas. Durante o armazenamento, as alterações qualitativas tanto nos grãos de pinhão-manso quanto no óleo mantido nos grãos foram menos acentuadas para a condição de temperatura de 15 ºC. No óleo bruto armazenado em recipientes de vidro lacrado e na ausência de luz, as alterações no índice de acidez, no índice de saponificação, na viscosidade e na densidade relativa foram menores quando comparadas aos do óleo mantido dentro dos grãos durante o armazenamento. O armazenamento do óleo desidratado em recipientes devidamente lacrados na ausência de luz e oxigênio pode contribuir de forma mais efetiva para manutenção da qualidade deste produto, quando comparado à manutenção do óleo dentro dos grãos. Os resultados da avaliação dos parâmetros de qualidade do biodiesel etílico de pinhão-manso indicaram que a temperatura influenciou apenas o índice de acidez e viscosidade cinemática ao longo do armazenamento, sendo que as alterações nestes parâmetros foram mais acentuadas para as condições de temperatura de 25 °C e ambiente (22,9 ± 0,6°C). O tempo foi determinante para a perda da qualidade do biodiesel etílico de pinhão-manso, causando mudanças significativas em todos os parâmetros avaliados. O uso de temperatura controlada em 15 °C não foi efetivo no controle da degradação do biodiesel e manutenção da sua qualidade durante o armazenamento por períodos prolongados, sendo necessário o uso de antioxidantes para retardar os processos deteriorativos e mantê-lo dentro dos padrões de qualidade exigidos pela ANP. No processo de extração, os fatores temperatura, teor de água dos grãos, tamanho de partículas e tempo influenciaram o rendimento em óleo extraído. Para as condições avaliadas, o rendimento em óleo extraído aumentou com o aumento da temperatura, com a diminuição do teor de água dos grãos bem como do tamanho das partículas. As condições para a maximização do rendimento em óleo extraído com etanol foram: temperatura de 68 °C, teor de água de 0 %, tamanho médio de partículas igual ou inferior a 0,50 mm e tempo de 120 minutos. Sob estas condições o rendimento estimado foi de 73,8 % do total de óleo contido nos grãos. No estudo cinético do processo de extração foi possível concluir que, para todas as condições avaliadas, valores de rendimento em óleo na fase líquida próximos ao equilíbrio podem ser obtidos em aproximadamente 20 minutos. Após este tempo, a troca do solvente saturado por solvente puro na operação em batelada é necessária para prosseguir com a extração e recuperação do óleo restante nas partículas, aumentando desta forma o rendimento final e minimizando os custos do processo. Os valores da entalpia diferencial e da entropia diferencial foram positivos mostrando que o processo é endotérmico e irreversível. Os valores obtidos para a variação da energia livre de Gibbs indicaram que o processo de extração utilizando etanol como solvente é espontâneo e termodinamicamente favorável para teor de água de 0 %, sendo que a redução do tamanho médio das partículas favorece a espontaneidade do processo. Os co-produtos da cadeia de produção de biodiesel de pinhão-manso na forma de cascas, torta e farelo, apresentam características energéticas que tornam possível o seu aproveitamento para a produção de energia para uso em diferentes processos. As cascas podem ser aproveitadas para queima direta e geração de calor para processos como a secagem dos grãos de pinhão-manso. A torta e o farelo apresentam poder calorífico semelhante à madeira de eucalipto e ao bagaço-decana, muito utilizado em sistemas de co-geração de energia na indústria sucroalcooleira. Sendo assim, podem ser utilizados in natura ou compactados, para geração de calor para processos como secagem de grãos quebrados na indústria processadora, extração e refino de óleo, transesterificação e recuperação de solventes e destilação do biodiesel, entre outros.