Projeto e Construção de Usina Didática para Produção de Biodiesel

Brasil, Alex Nogueiraa

a ENERBIO, Grupo de Pesquisa em Energias Renováveis, Universidade de Itaúna, MG , Loregian, Henrique Bernardesa, Nunes, Diego Luizb

b Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento em Café, Departamento de Engenharia Química, UFMG Universidade de Itaúna, Rodovia MG 431 km 45 (Campus Verde), Itaúna, Minas Gerais, 35680-142

brasil@uit.br

RESUMO Vários são os projetos de pequenas usinas de Biodiesel existentes nos mercados nacional e internacional, sendo inclusive fácil adquiri-los via processo de importação. O esforço de concepção de um equipamento similar tem como mérito iniciar um processo cultural de desenvolvimento de equipamentos didáticos dentro das universidades. Esta tarefa não se restringe apenas ao projeto do equipamento, mas envolve desde o estudo de equipamentos similares até a adaptação dos processos já existentes de maneira a permitir a sua execução dentro de um ambiente acadêmico e em pequena escala. Este trabalho apresenta o estudo, projeto e procedimento de construção de um modelo de usina de biodiesel, em escala reduzida, constituindo-se em uma colaboração para a solução de obtenção de equipamentos relacionados a treinamentos e estudos de produção de biocombustíveis. Inicialmente faz-se um estudo dos parâmetros do processo, dimensões e capacidade do reator passível de ser instalado em uma usina didática de produção de ésteres metílicos ou etílicos. Após fez-se uma reflexão acerca dos elementos da usina que deveriam ser projetados de modo a permitir uma visualização do equipamento tanto no que diz respeito às características químicas quanto mecânicas. Em seguida são apresentados os critérios utilizados para a seleção dos materiais de construção utilizados no modelo. Mantendo o princípio da reciclagem, os reatores e demais reservatórios foram construídos a partir de tubos (com costura) de aço inoxidável, reciclado, de forma que todos os reservatórios mantiveram o mesmo volume. Tubulações e registros em aço inox e estrutura de fixação construída em aço carbono. Palavras-chave: biodiesel, usina didática, transesterificação, biocombustível.

1. INTRODUÇÃO

A exemplo da Alemanha e de outros países, o Brasil tem pesquisado e estudado a

produção de biodiesel a partir de óleos e gorduras vegetais in natura e residuais como óleo

de soja, azeite de dendê e óleos usados proveniente de frituras (Almeida Neto, 2006).

As crescentes preocupações econômicas e com o meio ambiente, além das previsões

que as reservas de energia não renováveis esgotem nos próximos 50 anos, têm incentivado

à busca de novas fontes de energia tais como energia solar (painéis com células

fotovoltaicas), energia eólica e os biocombustíveis (Nascimento, 2006).

Biodiesel é um combustível líquido, biodegradável, não tóxico, produzido a partir de

diferentes matérias-primas, tais como óleos vegetais diversos (mamona, dendê, soja,

girassol, amendoim, algodão, etc.), gorduras animais, óleos e gorduras residuais, por meio

de diversos processos. A evolução tecnológica evidencia a adoção da transesterificação

como principal processo de produção. Consiste numa reação química em meio alcalino,

onde se fazem reagir óleos vegetais (ou gorduras animais) e um álcool (etanol ou metanol)

(Macedo, 2005).

O biodiesel é caracterizado como combustível alternativo de queima limpa, produzido

de recursos domésticos, renováveis. Não contém petróleo, mas pode ser adicionado a ele

formando uma mistura. Pode ser usado em motor de ignição a compressão (ciclo diesel)

sem necessidade de modificação mecânica ou, conforme regulamento, para geração de

outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem

fóssil (Macedo, 2006).

Essa reação tem como produto preponderante o biodiesel (éster de ácidos graxos).

Como subproduto, tem-se a glicerina, de alto valor agregado e com aplicações diversas na

indústria química. Além da glicerina, a cadeia produtiva do biodiesel gera ainda uma série de

co-produtos agrícolas (torta, farelo etc.), que podem agregar valor e se constituir em outras

fontes de renda importantes para os produtores agrícolas e industriais.

Hoje, no Brasil, existem algumas empresas que detêm tecnologia para construção de

usinas de biodiesel com alta tecnologia agregada, comercializando usinas com capacidade

de produções em torno de 1000 litros/dia, a preços finais superiores a R$500.000,00

(quinhentos mil reais), o que deixa impraticável aquisição desses equipamentos pelos

pequenos produtores rurais e assentamentos (Nascimento, 2006).

O desenvolvimento e utilização de um módulo didático de produção de biodiesel estão

inseridos em um esforço direcionado para a melhoria do ensino de disciplinas da área de

energias renováveis ministradas nos cursos de graduação em engenharia da UIT

(Universidade de Itaúna). A reconhecida importância do estudo experimental, principalmente

para biocombustíveis, nos cursos de graduação é reforçada face o atual contexto em termos

de geração e aproveitamento de energia (Brasil, 2002).

Fazendo uso do módulo didático de biocombustíveis, torna-se possível a realização de

estudos experimentais de produção de biodiesel, podendo variar facilmente os tipos de

óleos, alcoóis e catalisadores utilizados no processo. O módulo foi concebido e construído

tomando como base uma estrutura laboratorial para produção de biodiesel em bancada já

existente na Faculdade de Engenharia da Universidade de Itaúna. Tanto o laboratório, como

a micro-usina foram construídos dentro do mesmo espírito de se empregar equipamentos

que apresentem facilidade de operação, de transporte, instalação e manutenção.

O Grupo de Energias Renováveis (ENERBIO) da Universidade de Itaúna vem

otimizando os processos de produção de Biodiesel a partir de vários tipos de óleos vegetais

(nabo forrageiro, crambe, pinhão-manso, etc.) e gorduras animais in natura e residuais tanto

pela rota metílica, quanto etílica com a colaboração dos laboratórios de biocombustíveis da

UFMG e da própria Instituição.

Portanto, este trabalho tem como objetivo divulgar informações sobre a construção e

montagem de uma mini-usina de biodiesel de baixo custo e de fácil operação, capaz de

produzir 1 litro de biodiesel por batelada, pelo processo de transesterificação usando

qualquer tipo de óleo vegetal ou gordura animal com metanol ou etanol. Esse protótipo visa

o ensino de produção de biocombustíveis para alunos de graduação em engenharia

mecânica, produção, química e ciências biológicas da Universidade de Itaúna a um baixo

custo e com tecnologia nacional.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

A usina didática em questão foi projetada e construída tendo como parâmetro básico a

necessidade de um equipamento versátil e que pudesse ser usado em salas de aulas

convencionais. A mobilidade, facilidade de utilização foram fatores primordiais para o

desenvolvimento do projeto.

A usina de produção de biodiesel em escala reduzida seguiu a filosofia de dispor para

utilização um equipamento de baixo custo, relativo àqueles industriais nacionais ou

importados, de fácil utilização e fácil transporte. O reator tem capacidade de produzir 1 litro

de biodiesel por batelada, o que permite sua utilização em estruturas que possam ser

montadas em laboratórios de produção e análise de biocombustíveis.

A micro-usina, Figura 1, foi projetada para trabalhar com qualquer tipo de oleaginosa

incluindo os óleos oriundos de processos de cocção de alimentos. No caso específico tem-

se a proposta inicial de se trabalhar com as seguintes oleaginosas: soja, girassol, pinhão

manso, nabo forrageiro, crambe e suas respectivas misturas. Os alcoóis etílico e metílico

serão utilizados como reagentes no processo, dando prioridade ao etanol por ser oriundo de

fontes renováveis e porque o Brasil possui grande disponibilidade deste insumo. Como

catalisadores, tem-se a proposta de se trabalhar com NaOH e metilato de sódio (30%) como

já está sendo utilizado nas sínteses em bancada, não impedindo que outros catalisadores

possam ser utilizados.

No projeto da mini-usina foram considerados diversos fatores que estão ligados

diretamente com a parte técnica e econômica do processo de produção do biodiesel.

Pesquisa da compatibilidade dos materiais utilizados nas tubulações, conexões, registros,

confecção dos tanques. Foi utilizado tubo de aço inox com costura (reciclado) e diâmetro de

4” para construção dos reservatórios. Para redução dos custos, todos os reservatórios

possuem as mesmas dimensões, com volumes de 1,3 litros cada. As tubulações, conexões

e registros também em aço inox, estrutura de fixação foi construída em aço carbono. Foram

utilizados dois motores de agitação mecânica com hélice trabalhando a 500rpm. Para o

reator e evaporador foram utilizadas resistências encapsuladas para aquecimento.

Figura 1: Desenho esquemático da micro-usina de biodiesel

Legenda:

1 Reservatório de Óleo 2 Reator A 3 Reator B 4 Recuperador 5 Condensador 6 7 8

Separador Lavador Secador

A Figura 1 apresenta um desenho esquemático do modelo em escala reduzida,

identificando seus diversos equipamentos e reservatórios. O módulo didático em questão foi

projetado e construído tendo como parâmetro básico a necessidade de um equipamento

versátil e que pudesse ser utilizado em salas de aulas convencionais. Assim, observaram-se

os seguintes aspectos para o projeto mecânico do equipamento:

(1) Reservatório de óleo: armazena o óleo até que se termine a etapa de mistura do

catalisador mais álcool;

(2) Reator A: ocorre a mistura álcool (etanol ou metanol) mais catalisador (NaOH ou

Metóxido de Sódio 30%);

(3) Reator B: é o coração da usina onde ocorre a transesterificação (reação do óleo com

catalisador mais álcool). A reação é realizada por um agitador mecânico de haste em

1 2

3

4 5

6

7

8

temperatura controlada, para isto foi utilizado uma resistência encapsulada e um

termopar para medição e controle da temperatura;

(4) Recuperador: após a reação de transesterificação, a mistura é encaminhada para o

recuperador para evaporação do álcool em excesso, processo realizado por

aquecimento com resistência encapsulada.

(5) Condensador: neste caso foi utilizado um trocador de calor que realizará a condensação

do álcool em excesso podendo ser coletado em um Becker;

(6) Separador: onde ocorre a separação das fases por decantação (Éster e glicerina Bruta).

A glicerina de maior densidade permanecerá no fundo do recipiente e será retirada

através do registro de esfera;

(7) Lavador: o éster contendo impurezas será então lavado por pulverização de água em

temperatura controlada para retirada de impurezas como, por exemplo, resíduos de

catalisador e glicerina;

(8) Secador: finalmente resíduos de água serão evaporados por aquecimento, e então, o

biodiesel será coletado em reservatório próprio para posterior análise de qualidade.

Figura 2: Foto da usina didática

A Figura 2 apresenta uma foto da mini-usina de biodiesel já em uso no laboratório de

Energias Renováveis da Faculdade de Engenharia da Universidade de Itaúna.

3. CONCLUSÃO

Toda a usina foi construída com tecnologia do Grupo de Energias Renováveis da UIT.

A planta foi montada no laboratório de usinagem da própria Instituição com custo total de

R$3.500,00 (três mil e quinhentos reais), com volume médio de produção de biodiesel 1 litro

por batelada. Este custo ainda pode ser reduzido caso as tubulações, registros e acessórios,

atualmente em aço inox sejam trocados por PVC.

Testes preliminares com óleo refinado de soja, álcool etílico anidro e metilato de sódio

(30%) demonstraram bons resultados no que diz respeito à separação da glicerina e

produção de éster. Ainda não foram realizadas análises do biocombustível produzido. Uma

correção deverá ser realizada em relação à troca de posição dos reservatórios 6 (separador)

e 4 (recuperador) pois, a glicerina deve ser separada antes da recuperação do álcool.

Apesar de o equipamento construído ser relativamente simples, o “Know-How”

adquirido abre caminho para novos projetos e permitirá em médio prazo formar uma cultura

cooperativa interdisciplinar que pode permitir um efetivo crescimento em termos de

conhecimento e desenvolvimento. Além disso, a apresentação da metodologia utilizada para

a concepção do equipamento, bem como os passos para a construção física do modelo são

contribuições que permitirão a diversas escolas construírem um equipamento semelhante,

de baixo custo e adaptado às suas necessidades e potencialidades.

4. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Biominas Biodiesel pelo financiamento das pesquisas.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Almeida Neto, J.A. et al., Produção de Biodiesel em Escala Piloto: Parte 3 – Aspectos Ambientais, 1º Congresso da Rede Brasileira de Tecnologia de Biodiesel, Brasília, Brasil, Ago. 2006, pp. 280-284.

Brasil, A.B. et al., Projeto e Construção de um Modelo de Turbina Pelton em Escala Reduzida, II Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, João Pessoa, Brasil, Ago. 2002, pp. 01-10.

Cruz, R.S. et al., Produção de Biodiesel em Escala Piloto: Parte 1 – Aspectos Tecnológicos e Controle da Qualidade, 1º Congresso da Rede Brasileira de Tecnologia de Biodiesel, Brasília, Brasil, Ago. 2006, pp. 269-274.

Macedo, I.C. e Nogueira, L.A.H., Biocombustíveis, Núcleo de Assuntos Estratégicos da Presidência da República, Cadernos NAE, Brasília, Brasil, Jan. 2005, 235p.

Macedo, I.C. e Nogueira, L.A.H., Diretrizes de Política de Agroenergia 2006-2011, Ministério da Ciência e Tecnologia, Ministério de Minas e Energia, Brasília, Brasil, 2006, 34p.

Nascimento, U.M. et al., Montagem e Implantação de Usina Piloto de Baixo Custo para Produção de Biodiesel, 1º Congresso da Rede Brasileira de Tecnologia de Biodiesel, Brasília, Brasil, Ago. 2006, pp. 147-150.

Suarez, P.A.Z., Produção de Biodiesel na Fazenda, Centro de Produções Técnicas, Viçosa, Brasil, 2006, 220p.