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dc.contributor.authorSantos, Silmara Bispo dos
dc.date.accessioned2015-03-26T12:31:17Z-
dc.date.available2012-07-13
dc.date.available2015-03-26T12:31:17Z-
dc.date.issued2011-07-01
dc.identifier.citationSANTOS, Silmara Bispo dos. Jatropha (Jatropha curcas L.) biorefinery: storage, oil extraction, and sustainable production of biodiesel with ethanol. 2011. 187 f. Tese (Doutorado em Construções rurais e ambiência; Energia na agricultura; Mecanização agrícola; Processamento de produ) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2011.por
dc.identifier.urihttp://locus.ufv.br/handle/123456789/701-
dc.description.abstractBiorefinaria 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.pt_BR
dc.description.abstractBiorefinery is a conceptual structure in which different processes of transformation are put side by side, so that the product of one process becomes the raw material of the next process. Biodiesel, a renewable fuel obtained by transesterification of vegetable oils or animal fat has been inserted in the energetic matrix of Brazil gradually. The raw material diversification for biodiesel production with the use of crops with high oil yield like Jatropha, and the use of by-products by applying a biorefinery concept can contribute for reducing costs and meet demand for this fuel oil. Considering Jatropha potential as raw material for biodiesel production, this study aimed to contribute for structuring production chain of biodiesel from Jatropha and reduction of production costs, using the biorefinery concept. For this purpose, this work was organized in six articles with the following specific objectives: Article I - Evaluate the accumulation of dry matter and oil in the Jatropha seeds and quality of oil extracted at different stages of fruit ripening. Article II Get hygroscopic equilibrium data of Jatropha oilseeds and evaluate the thermodynamic parameters of the desorption process. Article III evaluate the effect of storage conditions on the quality of jatropha oilseeds, oil and ethylic biodiesel of jatropha. Article IV - Evaluate the temperature effect, particles size, grains water content, and time on the yield about the extracting process of oil from Jatropha, using central composite rotatable design and response surface methodology to identify the optimal conditions. Article V Evaluate the temperature effect, water content, and particles size on yield and on the kinetic and thermodynamic parameters of the extracting process of oil from Jatropha. Article VI Evaluate the energetic potential of co-products from chain of biodiesel production from Jatropha. In study to evaluate the dry matter and oil accumulation from Jatropha oilseeds at different maturation stages, it was concluded that the harvest of brown-yellow and brown fruits provided higher yields in dry matter and oil of seeds. The brown-yellow ruits presented higher oil yield and dry matter, lower acid value, so its represent the more suitable ripening stage for harvesting fruits and seeds for industrial uses. In the post-harvest sector, equilibrium moisture knowledge is essential for drying, aeration, and grains storage. The modified Henderson's model was considered adequate to represent and estimate the equilibrium moisture in desorption process of Jatropha oilseeds. Equilibrium moisture content of Jatropha oilseeds is directly proportional to relative humidity and for the same value of relative humidity, decreases as temperature increases. Enthalpy and entropy change were found to be positive, indicating that the desorption of Jatropha oilseeds is endothermic and irreversible process. A negative change of free energy was obtained, indicating the spontaneous nature of the desorption process in Jatropha oilseeds for conditions evaluated. During storage, changes in Jatropha oilseeds quality were lower for 15 °C temperature. In the crude oil stored in glass containers sealed and in the absence of light, changes in acid value, saponification value, viscosity and relative density were lower when compared to the oil held within the grains during storage. Storage of dry oil in sealed container in the absence of light and oxygen can contribute more effectively to maintain the quality of this product compared to the maintenance of the oil within the grains. The temperature influenced only the acidity value and kinematic viscosity of ethylic biodiesel of Jatropha during the storage and the changes in these parameters were more pronounced for the conditions of 25 ° C and at room temperature (22.9 ± 0.6 °C). The time was crucial to quality loss of ethylic biodiesel of Jatropha, causing significant changes in all evaluated parameters. Controlled temperature use at 15°C was not effective in controlling biodiesel degradation and maintenance of its quality during storage for extended periods, necessitating antioxidants use to slow the deteriorating processes and keep it within the standards quality required by the NPA (National Petroleum Agency). In the extracting process, the factors temperature, grains moisture content, particles size, and time influenced significantly the extracted oil yield. For the evaluated conditions, the yield of extracted oil increased with increasing temperature and with the decrease of grains moisture content and particles size. The conditions to maximize the extracted oil yield with ethanol were: temperature of 68 °C; moisture content of 0 %, average particle size of 0.5 mm or less, and time of 120 minutes. Under these conditions, the yield of extracted oil was estimated to be 73.8 % of oil in the samples. In the kinetic study of the extraction process, it was concluded that for all evaluated conditions the yield of oil in liquid phase close to equilibrium can be obtained in approximately 20 minutes. After this time, the exchange of saturated solvent for pure solvent is necessary to continue the process and retrieval of oil remaining in the particles, thereby increasing the final yield and minimizing the process costs. Enthalpy and entropy change was found to be positive, indicating the endothermic and irreversible nature of extraction process. The obtained values from the change of free energy indicated that the extraction process using ethanol as solvent is spontaneous and thermodynamically favorable for 0 % of moisture content and the spontaneity was favored with an increase in temperature. Coproducts of the biodiesel production chain from Jatropha under shells, cake, and bran form have energetic characteristics that make possible its use for energy production for used in different processes. Shells can be used for direct combustion and heat generation for processes such as drying the Jatropha oilseeds. The cake and bran have high heating value similar to eucalyptus wood and sugar cane bagasse, widely used in systems of cogeneration power in the sugar and alcohol industry. Thus, they can be used raw or compressed to heat generation for processes such as drying of broken grains in the processing industry, oil extraction and refining, transesterification and solvent recovery, biodiesel distillation among others.eng
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.formatapplication/pdfpor
dc.languageporpor
dc.publisherUniversidade Federal de Viçosapor
dc.rightsAcesso Abertopor
dc.subjectQualidade grãospor
dc.subjectQualidade de óleopor
dc.subjectCadeia produtivapor
dc.subjectCo-produtospor
dc.subjectGrain qualityeng
dc.subjectOil qualityeng
dc.subjectSupply chaineng
dc.subjectCo-productseng
dc.titleBiorefinaria de pinhão-manso (Jatropha curcas L.): armazenamento, extração de óleo e produção sustentável de biodiesel com etanolpor
dc.title.alternativeJatropha (Jatropha curcas L.) biorefinery: storage, oil extraction, and sustainable production of biodiesel with ethanoleng
dc.typeTesepor
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/1531926411008959por
dc.contributor.advisor-co1Coimbra, Jane Sélia dos Reis
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4798752J6por
dc.contributor.advisor-co2Dias, Luiz Antonio dos Santos
dc.contributor.advisor-co2Latteshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4763137P6por
dc.publisher.countryBRpor
dc.publisher.departmentConstruções rurais e ambiência; Energia na agricultura; Mecanização agrícola; Processamento de produpor
dc.publisher.programDoutorado em Engenharia Agrícolapor
dc.publisher.initialsUFVpor
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::ENGENHARIA AGRICOLApor
dc.contributor.advisor1Martins, Márcio Arêdes
dc.contributor.advisor1Latteshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4798288T8por
dc.contributor.referee1Oliveira, Leandro Soares de
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7570834418239102por
dc.contributor.referee2Faroni, Lêda Rita D'antonino
dc.contributor.referee2Latteshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4783317H2por
dc.contributor.referee3Cecon, Paulo Roberto
dc.contributor.referee3Latteshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788114T5por
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