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)

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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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