Baixe Química dos Biocombustíveis e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! Química de Bicombustíveis Química Orgânica é o ramo da Química que estuda os compostos que contêm carbono, chamados de compostos orgânicos. Essa parte da Química, além de estudar a estrutura, propriedades, composição, reações e síntese de compostos orgânicos que, por definição, contenham carbono, pode também conter outros elementos como o oxigênio e o hidrogênio. Muitos deles contêm nitrogênio, halogênios e, mais raramente, fósforo e enxofre. Nomenclatura dos compostos orgânicos Na química orgânica, compostos orgânicos são nomeados de acordo com: Hidrocarbonetos [apresentam somente carbono e hidrogênio em sua fórmula molecular]: Prefixo Nomenclatura dos Alcanos Lineares: nº de Carbonos , Nome: • • 1 : Met • 2 : Et • 3 : Prop • 4 : But • 5 : Pent • 6 : Hex • 7 : Hept • 8 : Oct • 9 : Non • 10 : Dec Intermediário É indicado pela classificação da cadeia quanto à saturação: Saturada (an): Aquelas que possuem apenas ligações simples entre carbonos. Insaturada: aquelas que possuem ligações duplas ou triplas entre carbonos. 1 ligação dupla ---> EN 2 ligações duplas ---> DIEN 3 ligações duplas ---> TRIEN 1 ligação tripla ---> IN 2 ligações triplas---> DIIN 3 ligações triplas---> TRIIN 1 ligação dupla e uma ligação tripla -> ENIN CH4 + H2O(gasosa) F 0A E CO + 3H2 (gás de síntese); ΔT = 850ºC CO + 2H2 → CH3OH (metanol); ΔT = 250ºC • Tem também o álcool fenol. Sua fórmula química é C6H6O. • Álcool anidro é um álcool com até 1% de água (já que é difícil a obtenção de álcool totalmente puro), e pode ser adicionado à gasolina para aumento da octanagem, atuando como "antidetonante", para que a gasolina possa ser comprimida no pistão do motor carburante ao máximo e não entre em combustão antes de acionada a vela do motor. • O álcool bornílico é obtido ligado com o hidroterpendio que corresponde a cânfora. • O álcool desnaturado é uma composição com o metileno. • O álcool natural é obtido pela fermentação e destilação de produtos agrícolas e naturais. • O álcool é uma droga depressora do Sistema Nervoso Central. • Ácidos Carboxílicos A denominação começa com a palavra ácido e sufixo óico. Os ácidos carboxílicos formam ligações de hidrogênio mais fortes que as dos alcoóis uma vez que as suas ligações O-H estão mais polarizadas e o átomo de hidrogênio que serve de ponte pode-se unir a um oxigênio carbonílico, que está carregado muito mais negativamente que o oxigênio do outro grupo hidroxilo, como no caso dos alcoóis. Por este motivo, os ácidos carboxílicos existem na forma de dímeros cíclicos no estado sólido e líquido: • Éteres Formalmente, os éteres (ROR') derivam da substituição dos dois hidrogênios da água por grupos alquilo ou arilo. Os éteres numeram-se indicando em primeiro lugar os dois grupos hidrocarbonados unidos ao oxigênio e acrescenta-se a palavra éter. Assim, o composto CH3 - CH2 - O - CH2 - CH3 denomina-se dietiléter ou éter dietílico. O termo mais importante da série é o éter etílico, que se obtêm desidratando o etanol com ácido sulfúrico. É um líquido incolor, muito volátil e inflamável. Os seus vapores ardem com violência explosiva. Utiliza-se como solvente e anestésico. • Ésteres PAGE 18 Os ésteres são compostos que se obtêm da reação de um ácido carboxílico com um álcool: Este tipo de reação recebe o nome de esterificação. Os ésteres designam-se como se fossem sais de alquilo ou de arilo dos sais ácidos carboxílicos. Assim, por exemplo, o éster CH3 - COO - CH3 chamar-se-á acetato de metilo. Os ésteres, nas condições ambientes, se apresentam como líquidos ou sólidos, dependendo da quantidade de carbono. Os primeiros membros da série, os que apresentam baixa massa molecular, são líquidos incolores, de cheiro agradável. No entanto, à medida que se aumenta a massa molecular, vão se tornando líquidos xaroposos, viscosos e gordurosos, até se tornarem sólidos (aspecto de cera), daí ocorre a perda de cheiro agradável. São compostos insolúveis em água, porém são solúveis em álcool, éter e clorofórmio. Como não apresentam pontes de hidrogênio, os ésteres têm ponto de ebulição menor que o dos álcoois e ácidos de mesma massa molecular. Os sabões e os detergentes são formados por moléculas que contêm grupos hidrocarbonados repelentes de água (hidrófobos) e um ou vários grupos polares afins de água (hidrófilos). As partes não polares destas moléculas dissolvem-se nas gorduras ou óleos e as partes polares dissolvem-se na água. A ação de limpeza dos sabões baseia-se na sua capacidade para formar emulsões com as substâncias solúveis nas gorduras, naquelas em que as moléculas de sabão ou do detergente rodeiam a sujidade até incluí-la num invólucro solúvel em água, dispersando na emulsão as partículas sólidas da sujidade. Vejamos para que são utilizadas cada uma dessas formas: Essências: são usadas para imitar o sabor e o aroma de algumas frutas, são também chamadas de flavorizantes ou aromatizantes e muito usadas em indústria de alimentos para dar cheiro e sabor aos produtos. Exemplo: o flavorizante acetato de pentila é um ingrediente do grupo dos ésteres, e é usado para dar sabor artificial de banana em alimentos. Óleos e gorduras: são os ésteres mais usados em nosso dia-a-dia, são encontrados em produtos como óleo de soja, margarina e azeite de oliva. Ceras: usadas na fabricação de graxas para sapatos, cera para dar brilho a pisos, papel manteiga, velas, etc. A cera de abelha e a cera de carnaúba também fazem parte da classe de ésteres. A esterificação é uma das reações utilizadas para a obtenção do biodiesel que consiste na reação entre os ácidos carboxílicos, encontrados nos óleos vegetais, com metanol ou etanol para formar ésteres metílicos ou etílicos, respectivamente e água. No entanto, há uma grande dificuldade de encontrar, na literatura, os dados termodinâmicos das substâncias envolvidas, que permitam identificar os principais parâmetros que influem nessa reação. Assim, buscou-se estimar esses dados termodinâmicos e simular a conversão no equilíbrio para a molécula de ácido oléico com metanol e etanol, comparando-a com dados experimentais de sistemas mais simples. PAGE 18 Substituição de combustíveis fósseis: aspectos ambientais • Alternativas para os combustíveis fósseis; • Todas as fontes de energia afetam o meio ambiente; • Energias renováveis impõe danos mais leves do que energia convencional; • Como optar por energias mais “limpas“? Impactos ambientais dos combustíveis fósseis • Poluicao do ar A queima de combustíveis fósseis libera gases e partículas no ar: • Óxidos de enxofre e nitrogênio; • Monóxido de carbono; • Pequenas quantidades de metais tóxicos; • Material particulado; • Chuva ácida Além de riscos a saúde humana, os composto de enxofre e nitrogênio liberados pela queima de combustíveis fósseis causam danos aos ecossistemas e construções quando estes retornam a superfície da terra em forma de chuva ácida. • Alterações no ciclo do nitrogênio • Efeitos da precipitação de compostos de nitrogênio: • No solo: contribui para reduzir o nível de nutrientes no solo (cálcio, magnésio, potássio) limitando o crescimento das plantas. • Nos lagos e estuários: causa um explosivo crescimento de algas (eutrofizacao). • Abrangência da poluição para além das fronteiras que a originaram; • Mudanca climática e aquecimento global • Efeito Estufa • Dióxido de carbono (CO2) representa o mais importante gás causador do efeito estufa. • Dióxido de carbono é em grande parte gerado pela queima de combustíveis fósseis e no Brasil, pelo desmatamento de florestas. • Metano PAGE 18 aos seguintes procedimentos: 1. Moagem da cana: A cana passa por um processador, nessa etapa obtém-se o caldo de cana, também conhecido como garapa que contém um alto teor de sacarose, cuja fórmula é: C12H22O11. 2. Produção de melaço: O produto obtido no primeiro passo (garapa) é aquecido para se obter o melaço, que consiste numa solução de 40% (aproximadamente), em massa, de sacarose. O açúcar mascavo é produzido quando parte dessa sacarose se cristaliza. 3. Fermentação do melaço: Neste momento, é acrescentado ao melaço fermentos biológicos, como a Saccharomyces, que é um tipo de levedura que faz com que a sacarose se transforme em etanol. A ação de enzimas é que realiza esse trabalho. Após esse processo, se obtém o mosto fermentado, que já contém até 12% de seu volume total em etanol. 4. Destilação do mosto fermentado: Aqui o produto, no caso o mosto, vai passar pelo processo de destilação fracionada e vai dar origem a uma solução cuja composição será: 96% de etanol e 4% de água. Existe uma denominação que é dada em graus, é o chamado teor alcoólico de uma bebida. No caso do etanol é de 96° GL (Gay-Lussac). Processo de fermentação alcoólica A levedura e outros miroorganismos fermentam a glicose em etanol e CO2. A glicose é convertida em piruvato pela glicólise e o piruvato é convertido em etanol e CO2 em um processo de dois passos. Atualmente, por fermentação alcoólica se entende um conjunto de reações bioquímicas provocadas por microorganismos chamados leveduras, que atacam fundamentalmente os açucares da uva (glicose e frutose), transformando-os principalmente em álcool etílico e gás carbônico. Na superfície da casca da uva, existe grande quantidade de deles. O bagaço da uva não é liso; sua epiderme é recoberta por uma matéria cerosa chamada previna, que retém os microorganismos. Na previna, junto às leveduras úteis se encontram diversos outros microorganismos, sendo alguns deles desfavoráveis do ponto de vista técnico, como é o caso da bactéria acética. Atualmente a indústria enológica vai se direcionando casa vez mais para a utilização de fermento selecionado (leveduras selecionadas), no processo de vinificação. A fermentação alcóolica ocorre devido ao fato de que as células de levedo produzem a energia que lhes é necessária para sobreviver, através de dois fenômenos de degradação da matéria orgânica: a respiração que necessita do oxigênio do ar ou a fermentação que ocorre na ausência de oxigênio do ar. A fermentação alcóolica corresponde a uma má utilização de energia. Assim, a levedura necessita transformar muito açúcar e álcool, para assegurar suas necessidades energéticas. Nessas condições a multiplicação da levedura é pequena; ao contrário, o rendimento da transformação do açúcar em álcool é grande, em relação ao peso da levedura. A composição exata do açúcar foi determinada por Gay-Lussac. PAGE 18 C6H12O6 F 0E 8 2C2H5OH + 2CO2 Principais fatores que afetam a fermentação: • Substrato – composição química do meio • Produtos: açúcar, álcool, ácidos, etc; • Nutrientes: N, K, P, Mg, Mn, etc. • Microorganismo – constituição e estágio dos microorganismos • Leveduras e contaminantes • Condições físicas e ambientais • Temperatura; • pH (acidez); • Espuma; • Floculação; • Quantidade de nutrientes no melaço; • Contaminação bacteriana. Fatores que limitam a produtividade: • Nutrientes minerais: N, P, K, Mg, Zn, Mn. • Agentes tóxicos: Al, sulfito, excesso de K+ e Ca2+ • Temperatura elevada; • Concentração de etanol; • Acidez (pH); • Pressão osmótica: açúcares e sais; • Contaminação: bactérias e leveduras. Destilação do álcool A destilação é um dos processos de separação mais usados na indústria química. A mistura líquida etanol/água foi separada numa coluna de destilação descontínua de pratos. Esta mistura é introduzida no tanque, onde é aquecida por uma resistência elétrica. Ao passar pela coluna, dá-se a separação dos componentes em destilado, rico em Etanol (que sai no topo da coluna) e resíduo, pobre em Etanol, o qual fica no tanque. O destilado passa posteriormente num condensador, convertendo-se novamente ao estado líquido. A evolução da concentração do etanol no destilado, bem como no resíduo, é medida por refractometria, fazendo-se a conversão de índice de refração em concentração através de uma curva de calibração. O vinho que vem da fermentação possui, em sua composição, 7º a 10°GL (% em volume) de álcool, além de outros componentes de natureza líquida, sólida e gasosa. Dentro dos líquidos, além do álcool, encontra-se a água com teores de 89% a 93%, glicerol, álcoois homólogos superiores, furfural, aldeído acético, ácidos succínico e acético e etc., em quantidades bem PAGE 18 menores. Já os sólidos são representados por bagacilhos, leveduras e bactérias, açúcares não-fermentescíveis, sais minerais, matérias albuminóides e outros, e os gasosos, principalmente pelo CO2 e SO2. O álcool presente neste vinho é recuperado por destilação, processo este que se utiliza dos diferentes pontos de ebulição das diversas substâncias voláteis presentes, separando-as. A operação é realizada com auxílio de sete colunas distribuídas em quatro troncos: · Destilação propriamente dita · Retificação · Desidratação · Recuperação do desidratante Produção de etanol lignocelulósico A rota tecnológica utilizada para o bioetanol utiliza enzimas no processo de obtenção de açúcares a partir da celulose existente nos resíduos como o do bagaço de cana-de-açúcar. O bagaço da cana-de-açúcar é o resíduo mais expressivo do país, sendo a planta experimental capaz de produzir mais litros de etanol por tonelada de bagaço. É um aproveitamento excepcional que ainda pode ser melhorado". O processo de produção do bioetanol 1) O processo de fabricação de etanol a partir de resíduos vegetais é dividido em quatro etapas. Na primeira etapa, há o pré-tratamento do bagaço de cana, há qual são quatro, o físico, o químico, o físico-químico e o biológico. 2) Em seguida, vem a etapa de deslignificação. É retirada a lignina, complexo que dá resistência a fibra e protege a celulose da ação de microorganismos, porém, apresenta grande inibição ao processo fermentativo. 3) Na terceira fase, o líquido proveniente do pré-tratamento ácido, rico em açúcares, é fermentado pela levedura Pichia stipitis adaptada para ser utilizado nesta fermentação. O sólido proveniente da etapa de deslignificação rico em celulose, também é tratado: ele passa por um processo de sacarificação (transformação em açúcares) por meio de enzimas e é fermentado pela levedura Sacharomyces cerevisiae, o mesmo microorganismo utilizado na fabricação de pães. 4) Na etapa final, ambos os líquidos provenientes das diferentes fermentações são destilados. O produto desta destilação é o etanol, que possui as mesmas características daquele fabricado a partir da cana em processo industrial. • Projeto iniciado em 2004; • Parceria altamente promissores; • 220 L/tonelada de bagaço. • Dois pedidos de depósito de patente; • Planta-piloto de bagaço de cana-de-açúcar (2007); • Planta protótipo de bagaço de cana-de-açúcar (2010). PAGE 18 • Produtos e resíduos agrícolas; • Resíduos florestais; • Resíduos pecuários; • Lixo; • Algumas formas de obtenção de derivados; • Prensagem de resíduos: produção de briquetes; • Pirólise parcial: produção de carvão vegetal; • Gaseificação por pirólise: produção de gás pobre; • Fermentação anaeróbica: produção de biogás; • Fermentação enzimática e destilação: produção de álcool; • Processos compostos: produção de óleos vegetais. Vantagens da utilização da Biomassa • É uma fonte de energia renovável e limpa, que pode melhorar a qualidade do ambiente. • Pode contribuir também positivamente para a economia. • Fornece ao mesmo tempo vários postos de trabalho. Desvantagens da utilização da Biomassa • Para aumentar consideravelmente o uso da biomassa, seriam necessárias criar culturas agrícolas apenas com fins energéticos. • Diminuir o desperdício de matéria, por exemplo, sob a forma de gás. • É também necessária a criação de um sistema mais eficiente de transporte de biocombustíveis. • O uso da biomassa, em termos de preço/competitividade é ainda, no presente, menos rentável do que outras fontes de energia mais poluidoras. • A combustão de biomassa produz 3,5 milhões de toneladas de carbono (na forma de dióxido de carbono) todos os anos. Produtos derivados da Biomassa PAGE 18 • Bi-óleo; • Biogás; • Biomass-to-Liquids; • Etanol celulósico; • Bioetanol; • Biodiesel; • Óleo vegetal. Processos de Conversão de Biomassa • Referências bibliográficas: • REIS, Martha; Química Orgânica – volume 3; São Paulo, Editora FTD; 2007. • TITO, CANTO; Química na abordagem do cotidiano – volume único; São Paulo, Editora Moderna, 2007. • http://www.biodieselbr.com/energia/alcool/etanol.htm - acessado dia 13 de junho de 2009. PAGE 18 PAGE 18