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OBTENÇÃO DE ÓLEO DE AMÊNDOAS DE Jatropha curcas
ATRAVÉS DE UM EXTRATOR DESCONTÍNUO –
DETERMINAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO
UTILIZANDO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
S. DUVOISIN Jr1, C. V. LIMA
1 e B. A. D. RIBAS
1
1 Universidade do Estado do Amazonas, Escola Superior de Tecnologia, Engenharia Química
E-mail para contato: duvoisin66@hotmail.com
RESUMO – Visando determinar o rendimento de extração de óleo de Jatropha curcas
com o solvente etanol em diferentes condições, foram realizados experimentos em um
extrator descontínuo em escala de laboratório, segundo um planejamento experimental
avaliando tempo de contato entre as fases, temperatura, proporção sólido/solvente e
granulometria da amostra. O rendimento máximo (21,14%) foi alcançado em um tempo
de 10h, a 50ºC, com a proporção sólido/líquido de 0,067 g.mL-1
e granulometria de 1,41
mm. Constatou-se que os quatro parâmetros avaliados influenciaram significativamente o
rendimento. A proporção sólido/líquido manifestou a maior influência, inferindo-se que
na extração de óleo a solubilidade do óleo no solvente prepondera sobre os demais fatores.
Foi derivado um modelo matemático e confeccionaram-se as superfícies de resposta. O
modelo apresentou um coeficiente de correlação de 0,99071, demonstrando elevada
correspondência entre os rendimentos experimentais.
1. INTRODUÇÃO
O setor energético apresenta ainda nos dias de hoje, forte dependência dos combustíveis
fósseis que, como bem se sabe, não são renováveis (Kibahozi e Sangwan, 2011). Além disso,
deve-se considerar que os produtos resultantes do processo de combustão completa – gás
carbônico e vapor de água – e os subprodutos resultantes de combustão incompleta – como o
monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos leves – têm papel determinante no efeito estufa,
responsável em parte, pelo fenômeno de aquecimento global (Makkar e Becker, 2009).
Há uma forte tendência atualmente no sentido de minimizar a emissão de gases estufa e o
consumo de combustíveis através da melhoria da eficiência de motores, tornando-os, desta forma,
mais econômicos. Paralelamente, destaca-se o desenvolvimento de novos equipamentos e
processos que aproveitam a energia de fontes menos poluentes. Ainda sob o aspecto tecnológico,
tem-se buscado realizar a substituição dos combustíveis derivados de petróleo e o carvão mineral
por alternativas renováveis e ambientalmente sustentáveis. Para tanto, os combustíveis vegetais
Área temática: Engenharia das Separações e Termodinâmica 1
como bioetanol e biodiesel, produzidos a partir de recursos naturais renováveis, revelam
excelente potencial como substitutos (Koh e Mohd. Ghazi, 2011).
A síntese do biodiesel é realizada através da reação de transesterificação entre
triacilgliceróis –TAGs – provenientes de óleos vegetais (Nazir et al., 2009), e um álcool, sendo
metanol e etanol os tipos mais usados. Há um vasto número de espécies adequadas à extração de
óleo vegetal e, à vista desse fato, as oleaginosas utilizadas na indústria de biodiesel são
classificadas, quanto à sua utilização alternativa como fonte de alimento, em comestíveis (edible)
e não-comestíveis (non edible).
Todas as variedades de espécies vegetais utilizadas na extração de óleo possuem destinação
alternativa, na indústria alimentícia ou no plantio de culturas destinadas à produção de fibras
(como é o caso das sementes de algodão e linho), ao fornecimento de óleo para a síntese de
biodiesel. Neste aspecto, a espécie Jatropha curcas é vantajosa sobre diversas oleaginosas, como
a mamoma, o girassol, o amendoim, a canola o gergelim, entre outras.
A J. curcas tem se tornado objeto de diversas pesquisas em todo o mundo por conta das
diversas utilidades atribuídas a cada um de seus componentes (folhas, casca do tronco e galhos,
frutos e sementes) e principalmente pelo seu notável potencial como fonte de óleo para produção
de biodiesel. O pinhão manso é um arbusto angiosperma pertencente à família Euphorbiaceae,
nativo da América tropical, podendo também ser encontrado em diversas áreas tropicais e
subtropicais, em especial na África e Ásia (Openshaw, 2000). O vegetal em questão é impróprio
ao consumo humano, pois apresenta efeito tóxico devido principalmente a substâncias
denominadas ésteres de forbol (Goel, 2007).
O teor de óleo (em % de matéria seca) vale 36% para a semente com casca e 56% para as
amêndoas (Karaj e Müller, 2010), enquanto o poder calorífico associado a cada uma destas partes
da oleaginosa é de 25,5 e de 37,5 a 38,0 MJ.kg-1
(Makkar e Becker, 2009) respectivamente.
Verifica-se, portanto, que as propriedades da J. curcas, principalmente a resistência a condições
adversas de cultivo, o teor de óleo de suas amêndoas e o conteúdo energético de seu óleo,
conferem esta espécie notável potencial como fonte de óleo para a síntese de biodiesel.
A operação unitária de lixiviação ou lavagem consiste na extração bifásica, por meio da
ação de um solvente líquido, de determinado soluto contido em um sólido. Este tipo de operação
é largamente empregado na indústria, em especial na obtenção de óleo vegetal, e possui
fundamento nos fenômenos de transferência de massa (Cussler, 2009). O modo de operação da
lixiviação determinará o tipo de equipamento adequado para as especificações estabelecidas para
o produto final.
Na extração de óleo por batelada destacam-se dois desenhos de extratores. Um deles
constitui um leito fixo com recirculação de solvente, e é formado por um tanque vertical
subdividido em duas partes por uma placa perfurada inclinada (Richardson, Harker e Backhurst,
2002). O segundo é um extrator com agitação mecânica formado por um tanque cilíndrico
vertical ou horizontal, subdividido em duas seções por uma placa perfurada plana. Neste tipo,
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solvente e sementes são alimentados simultaneamente, através de uma única abertura, sendo estas
fases propelidas por uma hélice. A transferência de massa nesse equipamento é promovida
essencialmente pelo mecanismo convectivo, sendo o processo final de retirada do resíduo e
extrato realizado da mesma forma que no primeiro tipo de equipamento (Treybal, 1981).
Em extratores contínuos, apesar de ser possível a alimentação de sementes e solvente em
corrente paralela, a modalidade em contracorrente ou corrente cruzada predomina no desenho de
equipamentos. As operações em estágios, por seu turno, normalmente consistem em uma
sequência de equipamentos dispostos em série com o objetivo de se incrementar a eficiência do
processo, no caso da extração do óleo de sementes, o rendimento da extração (McCabe, Smith e
Harriott, 1993). Conforme já destacado, a operação em contracorrente é mais comum nas
operações de lixiviação, logo, é de se esperar que nos processos por estágios também o seja.
A eficiência da recuperação de óleo vegetal sofre influência de uma série de fatores,
também denominados variáveis de processo. Temperatura, granulometria do sólido, tempo de
processo, tipo de solvente empregado e proporção sólido/líquido são exemplos de fatores
investigados com maior frequência na otimização de processos. A temperatura, por exemplo, é
um parâmetro cuja variação provoca alterações significativas no rendimento de obtenção de óleos
vegetais. De modo geral, o aumento da temperatura de extração provoca aumento no rendimento
de obtenção do óleo correspondente.
Neste trabalho foram avaliadas as condições de operação de um extrator descontínuo de
óleo de amêndoas de Jatropha curcas utilizando etanol como solvente. Foi verificado o
rendimento da extração variando-se o tempo de contato entre fases, temperatura, razão
sólido/líquido e granulometria da amêndoa.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O presente trabalho foi baseado em um planejamento fatorial do tipo 2k com 2 níveis (-1 e
1) e k=4 fatores: tempo de contato entre as fases (X1), temperatura (X2), proporção sólido/líquido
(X3) e granulometria da amêndoa (X4). Foram ainda realizados ainda experimentos em triplicata
em um terceiro nível (0), tomado como referência. A correspondência entre os níveis e os fatores
associados é exibida na Tabela 1.
Tabela 1 – Parâmetros investigados e respectivos níveis correspondentes.
-1 0 1
Tempo (X1) 3 h 6 h 10 h
Temperatura (X2)Ambiente
(aprox. 28 ºC)40 ºC 50 ºC
Proporção S/L (X3) 0,200 g.mL-1
0,100 g.mL-1
0,067 g.mL-1
Granulometria (X4) 11,09 mm 4,00 mm 1,41 mm
NíveisParâmetros
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O conjunto formado pela variação dos 4 parâmetros nos níveis +1 e -1 equivale a 16
experimentos além dos que foram realizados no nível 0, em triplicada, totalizando 19
experimentos. O óleo de J. curcas foi extraído apenas das amêndoas contidas nas sementes deste
vegetal, cujos frutos foram cedidos pela Unidade Demonstrativa de Produção de Oleaginosas
para Biodiesel via Sistemas Agroflorestais como Tecnologia para Recuperação de Áreas
Degradadas. Este é um projeto executado pelo Instituto Amazônia – Organização da Sociedade
Civil de Interesse Público (OSCIP) do Estado do Amazonas – e é resultado do convênio com o
Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA). Os frutos de pinhão manso foram
cultivados no Município de Itacoatiara, Rodovia AM-010, em uma comunidade de 400
agricultores familiares, tendo sido colhidos no primeiro trimestre de 2011.
O extrator descontínuo, por seu turno, foi construído utilizando-se materiais de laboratório
de química e engenharia química, e é mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Extrator descontínuo de óleo de amêndoas de Jatropha curcas.
Ao final de cada experimento, a mistura bifásica contida no balão de fundo redondo foi
separada por filtração gravitacional. A solução filtrada foi, em seguida, levada à estufa a uma
temperatura de 64ºC, ali permanecendo até que o solvente fosse inteiramente evaporado. A
massa de óleo de amêndoas extraída é calculada de acordo com a Equação 1.
𝑀𝑒𝑥𝑡 = 𝑀𝐵𝐶𝑂 −𝑀𝐵𝑆
(1)
Em que Mext é a massa extraída de óleo de amêndoas de pinhão-manso, MBCO é a massa
do béquer contendo óleo após a secagem, MBS é a massa previamente aferida do béquer seco. O
rendimento de extração do óleo foi calculado conforme a Equação 2.
𝑀𝑒𝑥𝑡 = 𝑀𝐵𝐶𝑂 −𝑀𝐵𝑆 (2)
Funil de vidro
Agitador mecânico Suporte
Haste de latão Mandril
Garras Condensador
Balão de fundo redondo de 250 mL
Amêndoas e solvente em
agitação Controle de aquecimento
Béquer de 1L
Controle de agitação magnética
Área temática: Engenharia das Separações e Termodinâmica 4
Em que Y representa a eficiência percentual (w/w) da extração de óleo, Mi é a massa de
amêndoas alimentada inicialmente no extrator em cada experimento.
As Análises de Variância (ANOVAs), estimativas de efeitos e coeficientes do modelo
matemático, correlações entre valores reais e previstos foram obtidos através do tratamento de
dados no software Statistica® versão 6.0.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Determinação das Condições Ótimas de Operação
A Tabela 2 apresenta os resultados dos experimentos realizados utilizando etanol 95%
(v/v). O máximo rendimento vale 21,14 %, tendo sido encontrado, considerando a faixa de
valores investigados, na extração durante o maior intervalo de tempo (10 h), de amêndoas com a
granulometria mais reduzida (1,41 mm), à temperatura mais elevada (50 ºC), e à mais baixa
proporção entre sólido e solvente (0,067 g.ml-1
). O rendimento mínimo, correspondente ao valor
de 2,63 %, por sua vez foi obtido nas condições opostas, ou seja, extração por 3 h, de amêndoas
inteiras (granulometria de 11,09 mm), a 28 ºC, em uma proporção sólido/líquido de 0,200 g. A
média de rendimento associada às experiências repetidas no nível 0 foi de 11,123%, sendo os
valores desvio padrão e do coeficiente de variação respectivamente iguais a 1,308% e 11,755%.
A amplitude da faixa de valores na qual se encontram dispersos os resultados vale 18,51%.
Tabela 2 – Valores de rendimentos de extração resultantes de cada experimento.
Nº do experimento X1 - Tempo (h)X2 -Temperatura
(ºC)
X3 - Razão S/L
(g.mL-1
)
X4 - Granulometria
(mm)Mi (g) Mext (g) Mext/Mi(%)
1 3 (-1) 28 (-1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,286 0,271 2,63
2 3 (-1) 28 (-1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,488 0,932 8,89
3 3 (-1) 28 (-1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,128 0,640 6,32
4 3 (-1) 28 (-1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,385 1,340 12,90
5 3 (-1) 50 (1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,208 0,527 5,16
6 3 (-1) 50 (1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,521 1,596 15,17
7 3 (-1) 50 (1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,348 0,678 6,55
8 3 (-1) 50 (1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,325 2,030 19,66
9 6 (0) 40 (0) 0,100 (0) 4,00 (0) 10,686 1,046 9,79
10 6 (0) 40 (0) 0,100 (0) 4,00 (0) 10,224 1,143 11,18
11 6 (0) 40 (0) 0,100 (0) 4,00 (0) 10,047 1,246 12,40
12 10 (1) 28 (-1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,276 0,449 4,37
13 10 (1) 28 (-1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,041 1,337 13,32
14 10 (1) 28 (-1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,088 0,566 5,61
15 10 (1) 28 (-1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,252 1,573 15,34
16 10 (1) 50 (1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,426 0,602 5,77
17 10 (1) 50 (1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,223 2,056 20,11
18 10 (1) 50 (1) 0,200 (-1) 11,09 (-1) 10,255 0,595 5,80
19 10 (1) 50 (1) 0,067 (1) 1,41 (-1) 10,104 2,136 21,14
2,136 21,14
0,271 2,63
1,865 18,51
Valor Máximo
Valor Mínimo
Amplitude (Valor Máximo - Valor Mínimo)
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3.2 Análise de Variância (ANOVA)
A ANOVA aplicada aos dados das extrações com etanol 95º GL foi capaz de identificar o
conjunto de fatores que influenciam de modo estatisticamente relevante o rendimento do
processo. Todos os quatro termos das influências individuais foram significativos de acordo com
o teste do parâmetro F, no intervalo de 95% confiança estipulado (p<0,05). Destaca-se que, sendo
o parâmetro F>1,0 , haverá relação significativa entre as variáveis dependente e independente, e,
sendo F>4,0 , o modelo matemático derivado a partir dos dados da ANOVA terá utilidade
preditiva (Barros Neto et al., 1996). Nos termos de influência conjunta, por outro lado, somente
três, dentre as seis combinações possíveis, influem significativamente na extensão do rendimento
de extração com o solvente oxigenado. São os seguintes termos: tempo-granulometria (X1·X4),
tempo-proporção S/L (X1·X3) e temperatura- proporção S/L (X2·X3). Os resultados acima
descritos são sistematizados na Tabela 3.
Tabela 3 – Análise de variância do conjunto de dados experimentais das extrações utilizando o
solvente etanol 95º GL. Fatores estatisticamente significantes em destaque.
FatorSoma dos
quadrados
Graus de
liberdade
Quadrado
médioF p
(X1) Tempo 12,5633 1 12,5633 18,4981 0,002612
(X2) Temperatura 56,2159 1 56,2159 82,7719 0,000017
(X3) Proporção S/L 444,2208 1 444,2208 654,0683 0,000000
(X4) Granulometria 20,0433 1 20,0433 29,5116 0,000622
X1 · X2 0,1626 1 0,1626 0,2394 0,637753
X1 · X3 9,6138 1 9,6138 14,1553 0,005526
X1 · X4 5,3549 1 5,3549 7,8845 0,022916
X2 · X3 28,2947 1 28,2947 41,6610 0,000197
X2 · X4 1,0166 1 1,0166 1,4969 0,255963
X3 · X4 1,7041 1 1,7041 2,5092 0,151844
Erro 5,4333 8 0,6792 - -
Total 584,6233 18 - - -
ANOVA - etanol 95º GL
A ANOVA permite ainda que sejam quantificados os efeitos dos fatores e respectivas
combinações sobre o rendimento do processo extrativo. A partir desta análise é determinada a
equação matemática que melhor descreve o comportamento do sistema à variação dos parâmetros
de processo escolhidos nas correspondentes faixas de valores investigadas, apresentada na
Equação 3. Somente os fatores estatisticamente significantes foram expressos nos termos, sendo
os as variáveis independentes (X1, X2, X3 e X4) pertencentes à faixa de valores de -1 a 1
correspondente aos valores codificados dos fatores. Conforme observado na Equação 3, a
equação matemática deduzida contempla as interações entre as variáveis combinadas duas a duas,
sendo classificado portanto como não linear.
𝑌 = 10,63815 + 0,88612 ∙ 𝑋1 + 1,87443 ∙ 𝑋2 + 5,26914 ∙ 𝑋3 + 1,11924 ∙𝑋4 + + 0,77515 ∙ 𝑋1𝑋3 − 0,57852 ∙ 𝑋1𝑋4 + 1,32982 ∙ 𝑋2𝑋3 (3)
Área temática: Engenharia das Separações e Termodinâmica 6
Este modelo matemático é capaz de explicar 99,071% das variações no rendimento de
extração (R2=0,99071 e R
2ajustado=0,96243) provocadas pela variação dos parâmetros analisados
neste estudo, nos intervalos respectivos. Nota-se, portanto, que esta correlação é bastante
satisfatória, por conta da excelente correspondência entre os valores de rendimento previstos no
modelo e aqueles experimentalmente observados, conforme se vê na Figura 2.
Figura 2 – Gráfico de correlação entre os rendimentos experimentais e os previstos pelo modelo.
4. CONCLUSÃO
Um extrator descontínuo de óleo de amêndoas de Jatropha curcas foi construído utilizando-se
os materiais de laboratórios de química e engenharia química e, a partir deste, se obteve o óleo
desejado utilizando-se o solvente etanol 95% (v/v). Foi possível avaliar as condições de operação do
extrator com relação a 5 (cinco) parâmetros de processo.
Verificou-se que o solvente testado não apresenta boa viabilidade para o emprego em escala
industrial em virtude dos reduzidos valores contidos na faixa de rendimentos observados
experimentalmente (máximo=21,14%, mínimo=2,63%). Tais valores são comparáveis aos
rendimentos encontrados em procedimentos de extração mecânica de óleos vegetais, mais
econômicos em relação à extração química por meio do uso de solventes.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à EST/UEA pela infraestrutura concedida para a realização deste
trabalho.
6. REFERÊNCIAS
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