Engenheiro químico desenvolve microdispositivo que purifica biodiesel

Equipamento feito com polímero permite a remoção do excesso de álcool no combustível

Em artigo publicado recentemente na Chemical Engineering Research and Design, periódico de grande impacto, o engenheiro químico Harrson Silva Santana apresenta um microdispositivo que permite a remoção do excesso de álcool do biodiesel, normalmente realizada em rotaevaporadores em laboratório e em colunas de destilação na escala industrial.

Foto: Antonio Scarpinetti
O professor Osvaldir Taranto, coordenador da linha de pesquisa: “Não existia nenhuma simulação computacional na área, daí a ideia de implementá-la”

Nessas colunas a mistura álcool/biodiesel, introduzida na base, é submetida a aquecimento e o álcool vaporizado sai pela extremidade superior e depois volta à fase líquida por resfriamento. Agora, todo esse processo poderá vir a ser realizado, com alta eficiência, com o emprego de microdispositivos.

Os microdispositivos, fabricados com a utilização de um polímero e que não ocupam mais de 5 cm2, possuem uma entrada pela qual é introduzida a mistura e duas saídas, uma inferior e outra superior, pelas quais saem, respectivamente, o biodiesel líquido e o álcool vaporizado por aquecimento e que também pode voltar à fase líquida por resfriamento. A diferença é que neste caso o processo ocorre em canais com diâmetros hidráulicos de cerca de 300 micrometros, ou seja, 3 vezes maiores que o diâmetro médio de um fio de cabelo. Segundo o pesquisador, no futuro poderão ser desenvolvidos microdispositivos que agrupem as operações de aquecimento e resfriamento, responsáveis, respectivamente, pela separação dos componentes e condensação dos vapores do álcool.  Esses dois efeitos combinados podem ser viabilizados com a utilização de placas de Peltier.

Foto: Antonio Scarpinetti
O engenheiro químico Harrson Silva Santana: “O estudo teve três fases distintas: a computacional, que envolveu simulações, a construção dos microrreatores para a produção do biodiesel e a construção do evaporador para a retirada do álcool em excesso”.

O trabalho faz parte de uma linha de pesquisa orientada e mantida pelo professor Osvaldir Taranto, do Departamento de Engenharia de Processos, da Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Unicamp.

Explicações

O biodiesel normalmente é produzido pela reação de transesterificação com excesso de álcool para deslocar o equilíbrio da reação na direção dos produtos. Depois o álcool em excesso é removido por destilação e pode ser reaproveitado no processo. Embora a tese desenvolvida pelo pesquisador concentre-se, conforme diz o titulo, na “Síntese de biodiesel em microcanais”, (veja abaixo a relação de artigos dela oriundos), ela aborda também a purificação do produto, o que deu origem à publicação inicialmente mencionada.

Foto: Antonio Scarpinetti
Figura 1. Foto do microdispositivo/evaporador desenvolvido para evaporação de álcool

O trabalho realizado deteve-se, assim, na investigação computacional e experimental dos processos tanto de síntese como de purificação do biodiesel em microcanais, a partir do produto obtido da reação de óleo vegetal e álcool em presença de catalizador básico.  Harrson enfatiza: “O estudo teve três fases distintas: a computacional, que envolveu simulações, a construção dos microrreatores para a produção do biodiesel e a construção do evaporador para a retirada do álcool em excesso”.

Foto: Antonio Scarpinetti
Figura 2. Visão lateral do evaporador

Os pesquisadores esclarecem que na literatura são encontrados estudos que avaliam a aplicação de microdispositivos na síntese de biodiesel, porém poucos trabalhos aplicam a microescala na purificação desse combustível, apresentam as técnicas de modelagem, ou melhor, se dedicam às simulações que podem vir a permitir a otimização dos processos de síntese e separação e dos microdispositivos utilizados.

Na realidade, diz o professor Osvaldir, “não existia nenhuma simulação computacional na área, daí a ideia de implementá-la. Além do que, embora a produção do biodiesel fosse já  estudada em microdispositivos, para a separação do álcool consideravam-se os equipamentos convencionais. Tivemos então a ideia de estudar todo o processo com o emprego de microdispositivos”. Por isso, após os ensaios numéricos e experimentais da síntese, estudou-se da mesma forma a purificação do biodiesel em microcanais e foram simultaneamente desenvolvidos processos para produção dos microdispositivos utilizados em ambas as situações.

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Figura 3. Microrreator utilizado na síntese de biodiesel: dispositivo foi descrito em artigo publicado na Energy Conversion and Management (DOI: 10.1016/j.enconman.2016.03.089)

Esse processamento exigiu que Harrson trabalhasse também na construção dos microdispositivos que obedecessem a uma arquitetura previamente estudada, tanto no processo de síntese como de separação dos componentes do biodiesel obtido. Isto o levou inclusive a um estágio na Universidade de Glasgow, Escócia.

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Figura 4. Imagem conceitual de uma microplanta química que ilustra como a multiplicação do microdispositivo pode substituir os métodos tradicionais de purificação de biodiesel

Expectativas

O professor Osvaldir considera com entusiasmo que se trata de um estudo que está apenas começando e que vai avançar muito, em razão dos investimentos nessa área em outros países. As unidades de processamento podem vir a utilizar quantos microdispositivos forem necessários para, por exemplo, substituir uma coluna de destilação para produção em escala. Microreatores, já produzidos, podem atender às necessidades de uma indústria farmacêutica em que o princípio ativo dos medicamentos se mede em microgramas. Com a obtenção e utilização de micropeneiras, viáveis hoje com as impressoras 3D, os microcanais poderão viabilizar a dessalinização da água do mar para atender a pequenas comunidades ou mesmo a  produção de água altamente pura para procedimentos médicos.

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Colunas de destilação industrial típica

 

Trabalhos publicados

As simulações computacionais e experimentos realizados levaram a seis publicações em periódicos internacionais, produzidos inclusive antes da defesa da tese, fato que impressionou os componentes da banca que consideraram a leitura da tese apenas uma formalidade, já que os artigos publicados atestavam sua qualidade. São eles:

SANTANA, H. S.; SANCHEZ, G.B.; TARANTO, O. P. Evaporation of excess alcohol in biodiesel in a microchannel heat exchanger with Peltier module. Chemical Engineering Research & Design, v. 124, p. 20-28, 2017.

SANTANA, H. S.; TORTOLA, D. S.; SILVA Jr, J. L.; TARANTO, O. P. Biodiesel synthesis in micromixer with static elements. Energy Conversion and Management, v. 141, p. 28-39, 2017.

SANTANA, H. S.; TORTOLA, S.; REIS, É. M.; SILVA, J. L.; TARANTO, O. P. Transesterification reaction of sunflower oil and etanol for biodiesel synthesis in microchannel reactor: Experimental and simulation studies. Chemical Engineering Journal, v. 302, p. 752-762, 2016.

SANTANA, H. S.; SILVA Jr, J. L.; TARANTO, O. P. Numerical simulations of biodiesel synthesis in microchannels with circular obstructions. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, v. 98, p. 137-146, 2015.

SANTANA, H. S.; AMARAL, R. L.; TARANTO, O. P. Numerical study of mixing and reaction for biodiesel production in spiral microchannel. Chemical Engineering Transactions, v. 43, p. 1663-1668, 2015.

SANTANA, H. S.; SILVA Jr, J. L.; TARANTO, O. P. Numerical simulation of mixing and reaction of Jatropha curcas oil and ethanol for synthesis of biodiesel in micromixers. Chemical Engineering Science, v.132, p. 159-168, 2015.

Da tese resultou também a publicação de um capítulo de livro:

SANTANA, H. S.; SILVA Jr, J. L; TORTOLA, D. S ; ANDREOLA, K.; LOPES, M. G. M.; TARANTO, O. P. Synthesis of Biodiesel from Sunflower Oil in Microreactor with Circular Obstructions. Sunflower Oil: Interactions, Applications and Research. 1ed.: Nova Science Publishers, 2017; e o depósito de patente:

SANTANA, H. S.; TARANTO, O. P. MICRORREATOR, USO DO MICROREATOR, PROCESSO MICROFLUÍDICO DE SÍNTESE DE BIODIESEL E BIODIESEL ASSIM OBTIDO. 2016, Brasil. Patente: Privilégio de Inovação. Número do registro: BR1020160285089, título: “MICRORREATOR, USO DO MICROREATOR, PROCESSO MICROFLUÍDICO DE SÍNTESE DE BIODIESEL E BIODIESEL ASSIM OBTIDO”, Instituição de registro: INPI – Instituto Nacional da Propriedade Industrial. Depósito: 05/12/2016.

 

SERVIÇO

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