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DENISE MOREIRA DOS SANTOS
Desenvolvimento de método para a obtenção de energia a partir da
produção de biodiesel via extração de óleo de borra de pó de café em
escala laboratorial
Dissertação apresentada ao Programa de
Interunidades de Pós Graduação em
Energia da Universidade de São Paulo
( Escola Politécnica / Faculdade de
Economia e Administração / Instituto de
Eletrotécnica e Energia / Faculdade de
Física) para obtenção de título
em Mestre em Ciências.
Orientação: Profa Dra. Patrícia H.L.S.Matai
São Paulo
2010
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Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho,
por qualquer meio convencional ou eletrônico, para fins de estudo e
pesquisa, desde que citada à fonte.
Ficha Catalográfica
Santos, Denise Moreira dos.
Desenvolvimento de método para a obtenção de
energia a partir da produção de biodiesel via extração de óleo
de borra de pó de café em escala laboratorial./Denise Moreira
dos Santos; orientadora Patrícia Helena Lara dos Santos Matai
São Paulo – 2010.
55p.:; 29,7 cm
Dissertação (Mestrado – Programa de Interunidades de
Pós Graduação em Energia) – EP/FEA/IEE/IF da Universidade
de São Paulo.
1. Biodiesel 2. Energia - Método de obtenção 3.Extração
de óleo I.Título
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“Se um dia você tiver que escolher entre o mundo e o amor,
lembre-se: se escolher o mundo ficará sem amor, mas se você
escolher o amor, com ele conquistará o mundo”
Albert Einstein
Agradecimento
Agradeço a todos aqueles que direta ou indiretamente, colaboraram na elaboração desse
trabalho, e em particular:
Á professora Dra. Patrícia Matai por me guiar em seu conhecimento seguro, prático e
por sua infinita paciência.
A todos os professores que passaram pela minha caminhada, em especial às professoras
Maria Toshiko Suzuki de Oliveira e Ana Maria Aoki Gonçalves que me enriqueceram
com o seu conhecimento.
A todos os professores do curso Técnico em Química da Etec Getúlio Vargas por terem
me apoiado.
Ao Centro Paula Souza, e a direção da Escola Técnica Getulio Vargas, por ter
possibilitado e apoiado a minha participação no curso de mestrado.
Ao Instituto de Eletrotécnica e Energia, Escola Politécnica, Instituto de Física,
Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade da Universidade de São Paulo
pela oportunidade de realização do mestrado.
A todos os professores do Programa de Interunidades de Pós Graduação em Energia que
contribuíram para o meu desenvolvimento acadêmico.
A todos os meus familiares que compreenderem minhas ausências.
Aos meus amigos pelo incentivo e compreensão.
E principalmente a Deus por ter permitido concluir mais esta missão.
Muito Obrigada.
Resumo
Santos, D.M. Desenvolvimento de método para a obtenção de energia a partir da
produção de biodiesel via extração de óleo de borra de pó de café em escala laboratorial.
2010. 55p. Dissertação de Mestrado – Programa de Interunidades de Pos Graduação em
Energia. Universidade de São Paulo.
Muito se fala sobre a origem do café e o hábito de consumi-lo. Durante muitos
séculos, sua utilização esteve restrita ao mundo mulçumano, e foram os holandeses os
primeiros a conseguirem mudas e tentarem cultivá-las. Por conta do clima desfavorável
em toda a Europa, as mudas foram enviadas para teste na América Central e em pouco
tempo a produção se dava em larga escala. Em 1727 o café chegou ao Brasil e se tornou
o principal produto de exportação do país.
O Brasil também é um grande consumidor de café e a sua borra é um resíduo
doméstico diário em quase todas as residências, comércios, bares e restaurante; e seu
destino final serão os lixões e aterros sanitários
Mesmo não sendo uma oleaginosa o grão de café torrado contém cerca de 10 a
15% de ácidos graxos saturados e insaturados. Os óleos vegetais, provenientes grãos de
plantas oleaginosas como de soja, mamona, amendoim, dendê entre outros, são as
fontes mais comuns de triglicerídeos
Os triglicerídeos têm sido considerados opção viável e interessante como fonte
renovável de energia com potencial para substituir parcial ou totalmente o óleo diesel
derivado de petróleo. A alternativa energética está presente no nosso cotidiano.
Na aula de Química poderemos envolver a questão ambiental e a questão
energética, a partir da extração do óleo essencial existente na borra de café, que contém
cerca de 9 a 11% de ácidos graxos saturados e insaturados, valor considerável
comparado aos grãos de oleaginosas e encontrar um destino para o mesmo, o biodiesel.
Estimulando assim a criatividade e sugerindo aplicação do produto obtido.
Palavras Chave: óleo, café, biodiesel
Abstract
Santos, D.M. Development of methods for obtaining of energy biodiesel from coffee
grounds in laboratory scale. 2010. 55p. Dissertação de Mestrado – Programa de
Interunidades de Pos Graduação em Energia. Universidad de São Paulo.
Much is said about the origin of coffee and the habit of consuming it. For many
centuries, its use was restricted to the Muslim world, and the Dutch were the first to get
seedling and to try to grow them. Because of unfavorable weather across Europe, the
seedlings were sent for testing in Central America and soon production occurred in a
large scale. In 1727 coffee arrived in Brazil and became the main export of the country.
Brazil is also a major consumer of coffee and its residue is a daily domestic
waste in almost all homes, shops, bars and restaurant, and its final destination will be
the open dumps and landfills
Even though it is not an oleaginous grain the roasted coffee contains about 10 to
15% of saturated and unsaturated fatty acids. Vegetable oils from seeds of plants such
as soybeans, castor beans, peanuts, palm oil among others, are the most common
sources of triglycerides.
Triglycerides have been considered a viable and interesting option as a
renewable energy source with the potential to partially or totally replace the diesel fuel
derived from petroleum. The alternative energy is present in our daily lives.
In the Chemistry class we can involve environmental and energy issues, from the
extraction of essential oil that exists in coffee ground, which contains about 9 to 11% of
saturated and unsaturated fatty acids, a considerable value compared to oleaginous
grains and finds a destination to it, the biodiesel. Thus stimulating creativity and
suggesting implementation of the obtained product.
Keyword: oil, coffee, biodiesel
Sumário
1. Introdução 1
2. Objetivos Gerais 3
2.1 Objetivos Específicos 3
2.2 Objetivos Didático pedagógico 3
3. O café 4
3.1 Origens do café 4
3.2 O café no Brasil 6
3.3 A produção do café no Brasil 10
3.4 O consumo do café no Brasil 12
4. Óleos e Gorduras 14
4.1 Óleos de café 16
4.2 Composição Química do café 17
5. Biodiesel 18
5.1 O Biodiesel no Brasil 19
6. Parte Prática 21
6.1 A importância do experimento na Química 21
6.2 A problemática e a solução 23
6.3 Materiais e Métodos Utilizados 25
6.3.1 Métodos de Extração do óleo 25
6.3.2 Métodos Analíticos 28
6.4 Desenvolvimentos Experimentais 31
6.4.1 Obtenção do óleo da borra de café 31
6.4.2 Obtenção do biodiesel 35
6.5 Métodos Analíticos Realizados 37
6.6 Roteiros Experimentais 39
6.7 Resultados e Discussão 41
7. Referencia Bibliográfica 45
Lista de Figuras
Figura 1. Detalhes na linha de plantio, irrigação e vista aérea 8
Figura 2. Plantação de café robusta 8
Figura 3. Grãos de café do tipo robusta 9
Figura 4.Grãos de café do tipo arábica 9
Figura 5. Evolução do consumo interno de café no Brasil 13
Figura 6. Consumo Interno de Café em sacas de 60 kg e per - capita 13
Figura 7. Silo de armazenamento de grão de café 24
Figura 8. Vista lateral da Fazenda Carnielli-Venda Nova do Imigrante – ES 24
Figura 9. Extrator de Soxhlet 26
Figura 10. Evaporador rotativo a vácuo – Laboratorio do Instituto Florestal 26
Figura 11 a. Bastonetes de borra de café , pó tradicional 32
Figura 11b. Bastonetes de borra de café, grãos moídos na máquina de café 33
Figura 12.Fase de incubação borra de café e etanol 33
Figura 13. Amostras de borra de café com pó de café tradicional e grãos 34
Figura 14. Extrator de Soxhlet em extração 34
Figura 15. Óleo da borra de café obtido pela extração 35
Figura 16. Densimetro e Picnometro 38
Lista de Tabelas
Tabela1. Produção Mundial de Café e principais países produtores 10
Tabela1. Exportação Mundial e principais países produtores 11
Tabela2. Composição em ácidos graxos de diversos óleos vegetais 15
Tabela3. Principais Fontes de Oleaginosas e porcentagem de óleo 16
Tabela4. Teor de óleo de borra de café para cada amostra utilizada 41
Tabela5. Comparação dos resultados finais 42
1
1. Introdução
O mundo vem discutindo alternativas para os combustíveis fósseis, as fontes não
renováveis de energia. O que fazer com resíduos que são descartados diariamente e
muitas vezes nem percebemos que estamos contaminando o meio ambiente. Ligando os
dois temas tão discutidos atualmente este trabalho visa à utilização de um resíduo
descartado por milhares de pessoas diariamente e muitas vezes mais de uma vez por dia;
o café, o Brasil é o maior produtor de café e grande consumidor. Sua borra é descartada
sem nenhuma aplicação, aumentando o numero deste resíduo em: residências,
cafeterias, restaurantes, escritórios, comercio em geral entre outros, que consomem
toneladas de pó de café mensalmente.
Mesmo não sendo considerado um grão oleaginoso, a literatura mostra que os
grãos de café contêm certo teor de óleo fixo e essencial que pode ser extraído e
aproveitado.
Este trabalho tem como objetivo extrair este óleo e transformá-lo em energia;
energia esta que poderá ser aplicada em pequenas comunidades onde a cultura de
armazenamento da borra de café já exista em pequena escala, mesmo que para outras
aplicações, como por exemplo, utilização como fertilizantes.
Os triglicerídeos têm sido considerados uma opção viável e interessante como
fonte renovável de energia com potencial para substituir parcial ou totalmente o óleo
diesel derivado de petróleo. As fontes mais comuns de triglicerídeos incluem óleos
vegetais (tais como soja, dendê, girassol, amendoim, mamona entre outros) e gorduras
animais (sebo bovino principalmente).
Entretanto, o uso direto de óleos vegetais in natura ou em mistura com óleo
diesel é impraticável, principalmente pelo fato destes apresentarem alta viscosidade,
altos índices de acidez e de ácidos graxos livres, formação de goma no uso devido à
oxidação do óleo, polimerização durante a combustão e na estocagem, depósito de
carbono e espessamento do óleo lubrificante do motor. (FUKUDA et al. 2001).Nesse
contexto,e como alternativa para a situação de tantos problemas surge o biodiesel, uma
mistura de ésteres de ácidos, produzida através da reação de transesterificação de
triglicerídeos com um álcool de cadeia curta (metanol ou etanol).
2
O biodiesel se presta a tal uso, pelo fato de o número de carbonos presentes em
suas moléculas ser compatível com a faixa de distribuição de carbonos do óleo diesel
(CARDONE et al,2003)
Alguns estudos mostram que a produção de biodiesel proveniente de óleos
vegetais em comunidades pequenas e/ou em cooperativas é economicamente viável
podendo resultar na diminuição dos custos envolvidos no cultivo de oleaginosas, se o
combustível obtido for utilizado em máquinas e equipamentos envolvidos na agricultura
local.
Em uma aula de Química este experimento pode estimular a preocupação com a
reutilização de resíduos, e uma possível solução ambiental além de provocar uma
discussão diferente sobre o tema Energia Alternativa e suas aplicações.
O Brasil é o maior produtor mundial de café e seu grande consumidor. O preparo
da bebida a partir do café consiste de uma extração líquido/sólido do pó de café com
água quente.
Mesmo não sendo classificada como oleaginosa, a literatura mostra que os grãos
Rubiáceos Coffea espécie arbustiva produtora do café contêm certo teor de óleo fixo e
essencial que pode ser extraído e aproveitado como insumo na produção de biodiesel. O
grão de café torrado possui 44% de ácidos graxos saturados e 51% de ácidos graxos
insaturados (TURATTI, 2001), mesmo considerando as possíveis perdas durante o
processo de moagem e preparo do café, estes valores são significativos levando em
consideração os grãos oleaginosos utilizados nas pesquisas para obtenção de biodiesel.
3
2. Objetivos Gerais
Este trabalho tem como objetivo geral desenvolver uma metodologia para
obtenção de energia a partir do resíduo borra de café.
Verificar o potencial tecnológico da borra de café servida como insumo para
produção de biodiesel.
2.1 Objetivos Específicos
Estudar e determinar condições adequadas para a extração do óleo contido na
borra do pó de café.
Desenvolver o método para a obtenção de energia renovável a partir da
produção, em escala de laboratorial, de biodiesel a partir da transesterificação de óleo de
café residual extraído da borra do pó de café com álcool etílico.
Mostrar a viabilidade do tratamento e uso de um resíduo de biomassa como
fonte de obtenção de energia, visando à questão ambiental.
2.2 Objetivos didático-pedagógicos
Mostrar a importância das aulas práticas no Curso de Química e a discussão do
tema Energia Alternativa, no ensino médio e técnico de forma diferenciada, com a
utilização de resíduo de biomassa como fonte de obtenção de energia.
Estimular os alunos a se aprofundarem nas questões ambientais trazendo novas
soluções para as possíveis problemáticas.
Aplicar a metodologia desenvolvida, no ensino médio e técnico, trabalhando o
conceito Energia Alternativa como tema transversal.
.
4
3. O Café
3.1 - Origens do Café
A origem do consumo de café é atribuída a um pastor etíope Kaldi, que viveu na
Absínia, hoje Etiópia, há cerca de mil anos que observava a alteração no
comportamento de suas cabras quando comiam os grãos vermelhos de arbustos nativos
da região. Elas ficavam excitadas e agitadas, despertando a curiosidade do pastor que
provou da planta e comprovou os seus efeitos revigorantes (NEVES, 1974).
Durante muitos séculos, a utilização do café restringiu-se ao mundo mulçumano.
A partir do século VI, este passou a ser cultivado nos monastérios islâmicos.
Conta a lenda que o Arcanjo Gabriel ofereceu café para Maomé, que graças à
bebida teria recuperado sua frágil saúde passando a recomendar o seu consumo. Foi a
constatação desses efeitos benéficos que permitiu, após muitos séculos de banimento,
que o Papa Clemente VIII estimulasse, no final do século XVI, o consumo entre os
cristãos.
A partir de 1615 o café começou a ser saboreado no Continente Europeu, trazido
por viajantes em suas freqüentes viagens ao oriente. Até o século XVII, somente os
árabes produziam café. Alemães, franceses e italianos procuravam desesperadamente
uma maneira de desenvolver o plantio em suas colônias. Mas foram os holandeses que
conseguiram as primeiras mudas e as cultivaram nas estufas do jardim botânico de
Amsterdã, fato que tornou a bebida uma das mais consumidas no velho continente,
passando a fazer parte definitiva dos hábitos dos europeus.
A partir destas plantas, os holandeses iniciaram em 1699, plantios experimentais
em Java. Essa experiência de sucesso trouxe lucro, encorajando outros países a tentar o
mesmo. A Europa maravilhava-se com o cafeeiro como planta decorativa, enquanto os
holandeses ampliavam o cultivo para Sumatra, e os franceses, presenteados com um pé
de café pelo prefeito de Amsterdã, iniciavam testes nas ilhas de Sandwich e Bourbon.
5
Com as experiências holandesas e francesas, o cultivo de café foi levado para
outras colônias européias. O crescente mercado consumidor europeu propiciou a
expansão do plantio de café em países africanos e a sua chegada ao Novo Mundo. Pelas
mãos dos colonizadores europeus, o café chegou ao Suriname, São Domingos, Cuba,
Porto Rico e Guiana. Foi por meio das Guianas que chegou ao norte do Brasil. Desta
maneira, o segredo dos árabes se espalhou por todos os cantos do mundo.
O hábito de tomar café foi desenvolvido na cultura árabe. No início, o café era
conhecido apenas por suas propriedades estimulantes e a fruta era consumida fresca,
sendo utilizada para alimentar e estimular os rebanhos durante viagens. Com o tempo, o
café começou a ser macerado e misturado com gordura animal para facilitar seu
consumo durante as viagens. (NEVES, 1974)
Em 1000 d.C., os árabes começaram a preparar uma infusão com as cerejas,
fervendo-as em água. Somente no século XIV, o processo de torrefação foi
desenvolvido, e finalmente a bebida adquiriu um aspecto mais parecido com o dos dias
de hoje. A difusão da bebida no mundo árabe foi bastante rápida. O café passou a fazer
parte do dia-a-dia dos árabes sendo que, em 1475, até foi promulgada uma lei
permitindo à mulher pedir o divórcio, se o marido fosse incapaz de lhe prover uma
quantidade diária da bebida. A admiração pelo café chegou mais tarde à Europa durante
a expansão do Império Otomano. (NEVES, 1974)
O café conquistou definitivamente a Europa a partir de 1615, trazido dos países
árabes por comerciantes italianos. O hábito de tomar o café, principalmente em Veneza,
estava associado aos encontros sociais e à música que ocorriam nas alegres Botteghe
Del Caffè. Em 1687 os turcos abandonaram várias sacas de café às portas de Viena,
após uma tentativa frustrada de conquista, e estas foram usadas como prêmio pela
vitória. Assim foi aberta a primeira Coffee House de Viena e difundido o hábito de coar
a bebida e bebê-la adoçada com leite - o famoso café vienense.
6
Até hoje os cafés são locais onde pessoas se reúnem para discutir assuntos
importantes ou simplesmente passar o tempo, sendo o ritual do cafezinho uma tradição
que sobreviveu a todas as transformações.
O cafeeiro pertence à família Rubiácea e gênero Coffea. Existem duas espécies
mais importantes economicamente: a Coffea arábica e a Coffea canéfora, conhecidas
como arábica e robusta, respectivamente; a arábica é a mais apreciada, por produzir uma
bebida de melhor qualidade. (NEVES, 1974).
3.2 - O Café no Brasil
O café chegou ao norte do Brasil, mais precisamente em Belém, em 1727,
trazido da Guiana Francesa para o Brasil pelo Sargento-Mor Francisco de Mello Palheta
a pedido do governador do Maranhão e Grão Pará, que o enviara às Guianas com essa
missão. Já naquela época o café possuía grande valor comercial. (EMBRAPA, 2009)
Rapidamente a cultura espalhou-se pelos Estados do Maranhão, Bahia, Minas
Gerais e Rio de Janeiro. A expansão da cultura cafeeira se deu no sentido Rio de
Janeiro para São Paulo. Grandes propriedades se estabeleceram no Vale do Paraíba (no
Estado de São Paulo), região que reunia dois importantes fatores: o clima favorável e
uma grande extensão de terras virgens agriculturáveis (DPASCHOAL, 2006).
Por quase um século, o café foi a grande riqueza brasileira, e as divisas geradas
pela economia cafeeira aceleraram o desenvolvimento do Brasil e o inseriram nas
relações internacionais de comércio. A cultura do café ocupou vales e montanhas,
possibilitando o surgimento de cidades e dinamização de importantes centros urbanos
por todo o interior do Estado de São Paulo, sul de Minas Gerais e norte do Paraná.
Ferrovias foram construídas para permitir o escoamento da produção, substituindo o
transporte animal e impulsionando o comércio inter-regional de outras importantes
mercadorias. O café trouxe grandes contingentes de imigrantes, consolidou a expansão
da classe média, a diversificação de investimentos e até mesmo intensificou
movimentos culturais. A partir de então o café e o povo brasileiro passam a ser
indissociáveis. (ABIC, 2009).
7
Nos primórdios, o plantio era feito utilizando-se mão de obra escrava. As mudas
de café eram intercaladas com mudas de alimentos, tais como feijão, mandioca e milho.
Após a colheita, os grãos eram expostos ao sol para secar e em seguida, beneficiados
para a retirada das cascas. O transporte das sacas de café era feito utilizando-se tropas
de mulas, as quais na ida levavam a produção e na volta, transportavam ferramentas e
mantimentos para as propriedades. (NEVES, 1974).
A riqueza fluía pelos cafezais, evidenciada nas elegantes mansões dos
fazendeiros, que traziam a cultura européia aos teatros erguidos nas novas cidades do
interior paulista. Durante dez décadas o Brasil cresceu movido pelo hábito do cafezinho,
servido nas refeições de toda população, interiorizando nossa cultura, construindo
fábricas, promovendo a miscigenação racial, dominando partidos políticos, derrubando
a monarquia e abolindo a escravidão.
Além de ter sido fonte de muitas das nossas riquezas, o café permitiu alguns
feitos extraordinários. Durante muito tempo, o café brasileiro mais conhecido em todo o
mundo era o tipo Santos. A qualidade do café santista e o fato de ser um dos principais
portos exportadores do produto determinaram a criação do Café Tipo Santos (ABCI,
2009)
A cafeicultura no centro-sul do Brasil começou a ter problemas em 1870,
quando uma grande geada atingiu as plantações do oeste paulista provocando prejuízos
incalculáveis. Depois de uma longa crise, a cafeicultura nacional se reorganizou e os
produtores, industriais e exportadores voltaram a alimentar esperanças de um futuro
melhor. A busca pela região ideal para a cultura do café se estendeu por todo o país, se
firmando hoje em regiões do Estado de São Paulo, Minas Gerais, Paraná, Espírito
Santo, Bahia e Rondônia. O café continua hoje, a ser um dos produtos mais importantes
para o Brasil e é, sem dúvida, o mais brasileiro de todos. Hoje o país é o primeiro
produtor e o segundo consumidor mundial do produto.
As áreas cafeeiras estão concentradas no centro-sul do país, onde se destacam
quatro estados produtores: Minas Gerais, São Paulo, Espírito Santo e Paraná. A região
Nordeste também tem plantações na Bahia, e da região Norte pode-se destacar
Rondônia. A produção de café arábica se concentra em São Paulo, Minas Gerais,
8
Paraná, Bahia e parte do Espírito Santo, enquanto o café robusta é plantado
principalmente no Espírito Santo e Rondônia.
A figura1 apresenta três plantações de café mostrando a linha de plantio,
sistema de irrigação e uma vista aérea imagem retirada da Revista do Café edição de
março de 2001. A figura 2 representa o plantio da espécie Robusta retirada do
mesmo periódico Revista do Café edição de março de 2001.
Figura 1 – Detalhes na linha de plantio, irrigação e vista aérea, respectivamente.
(Fonte: Revista do Café março, 2001)
Figura 2 – Plantação de Café Robusta (Fonte: Revista do Café, março 2001)
As figura 3 e 4 representam, respectivamente, os grãos de café dos tipos robusta
e arábica, com as figuras podemos observar as características diferentes dos grãos, e o
tamanho dos arbustos, a espécie robusta tem grãos mais amarelados e galhos longos e o
arábica com galhos pequenos e mais cheios e grãos claros.
9
Figura 3 - Grão de café do tipo robusto.
(Fonte: ABIC, 2009).
Figura 4 - Grãos de café do tipo arábico.
(Fonte: ABIC, 2009).
3.3 A Produção do Café no Brasil
O Brasil configura-se como o maior produtor, sendo responsável por 33% de
todo o café comercializado no mercado internacional (incluindo-se os mercados interno
e externo). O segundo maior país exportador é o Vietnã, que responde por 15% das
exportações mundiais seguido de perto pela Colômbia com 7,5%. (CONAB, 2010),
10
conforme tabelas 1A e 1B que informam a produção mundial e os principais países
produtores e a exportação mundial de café, utilizando como unidade volume em mil
sacas de 60 kg.
PRODUÇÃO E EXPORTAÇÃO MUNDIAL DE CAFÉ
Tabela1A – Produção Mundial e Principais países produtores
Países
2009
2008
2007
2006
2005
Produção
Particip.
(%)
Produção
Particip.
(%)
Produção
Particip.
(%)
Produção
Particip.
(%)
Produção
Particip.
(%)
Brasil (*)
39.470
32,88
45.992
35,91
36.070
30,21
42.512
32,92
32.944
29,98
Vietnã
18.000
14,99
18.500
14,44
16.467
13,79
19.340
14,98
13.842
12,42
Colômbia
9.000
7,50
8.664
6,76
12.504
10,47
12.541
9,71
12.564
11,27
Indonésia
10.632
8,86
9.350
7,30
7.777
6,51
7.483
5,79
9.159
8,22
Etiópia
4.500
3,75
4.350
3,40
4.906
4,11
4.636
3,59
4.003
3,59
Índia
4.827
4,02
4.371
3,41
4.460
3,74
5.158
3,99
4.396
3,94
México
4.200
3,50
4.651
3,63
4.150
3,48
4.200
3,25
4.225
3,79
Guatemala
3.500
2,92
3.785
2,95
4.100
3,43
3.950
3,06
3.676
3,30
Peru
3.315
2,76
3.872
3,02
3.063
2,57
4.319
3,34
2.489
2,23
Honduras
3.527
2,94
3.450
2,69
3.842
3,22
3.461
2,68
3.204
2,87
Costa do
Marfim
1.850
1,54
2.353
1,84
2.598
2,18
2.847
2,20
1.962
1,76
Nicarágua
1.686
1,40
1.615
1,26
1.700
1,42
1.300
1,01
1.718
1,54
El
Salvador
1.065
0,89
1.547
1,21
1.621
1,36
1.371
1,06
1.502
1,35
Outros
países
14.473
12,06
15.588
12,17
16.139
13,52
16.021
12,41
15.779
14,16
TOTAL
120.045
100,00
128.088
100,00
119.397
100,00
129.139
100,00
111.463
100,00
Fonte: Mapa/SPAE/CONAB 2010 – volume em mil sacas de 60 kg
11
Tabela 1B – Exportação Mundial e Principais países produtores
Países
2009
2008
2007
2006
2005
Exporta
ção
Particip
.
(%)
Exportaçã
o
Particip
.
(%)
Exportaçã
o
Particip
.
(%)
Exportaçã
o
Particip
.
(%)
Exportaçã
o
Particip
.
(%)
Brasil (*)
30.481
31,70
29.728
30,44
28.398
29,41
27.978
30,32
26.431
30,17
Vietnã
17.090
17,77
16.101
16,49
17.936
18,57
13.904
15,07
13.432
15,33
Colômbia
7.894
8,21
11.085
11,35
11.557
11,97
10.936
11,85
10.871
12,41
Indonésia
6.519
6,78
5.741
5,88
2.945
3,05
4.117
4,46
5.784
6,60
Etiópia
1.851
1,92
2.852
2,92
3.073
3,18
2.803
3,04
2.170
2,48
Índia
3.108
3,23
3.378
3,46
2.718
2,81
3.742
4,06
3.059
3,49
México
2.838
2,95
2.448
2,51
1.950
2,02
2.200
2,38
2.500
2,85
Guatemala
3.508
3,65
3.778
3,87
3.800
3,93
3.650
3,96
3.376
3,85
Peru
3.074
3,20
3.733
3,82
2.843
2,94
4.099
4,44
2.269
2,59
Honduras
3.084
3,21
3.259
3,34
3.382
3,50
3.231
3,50
2.974
3,39
Costa do
Marfim
1.884
1,96
1.585
1,62
1.833
1,90
2.531
2,74
1.645
1,88
Nicarágua
1.371
1,43
1.625
1,66
1.510
1,56
1.110
1,20
1.528
1,74
El Salvador
1.307
1,36
1.438
1,47
1.396
1,45
1.149
1,25
1.299
1,48
Outros
países
12.152
12,64
10.915
11,18
13.232
13,70
10.829
11,74
10.269
11,72
TOTAL
96.161
100,00
97.666
100,00
96.576
100,00
92.279
100,00
87.607
100,00
Fonte: Mapa/SPAE/CONAB 2010 – volume em mil sacas de 60 kg
12
3.4 O Consumo do Café no Brasil
O consumo interno de café tem aumentado nos últimos anos. Expectativas
iniciais indicavam um pequeno crescimento considerando-se a crise econômica mundial
que teve início em 2008. A crise, que afetou muitos setores, não interferiu, no entanto,
no consumo de café pelas famílias brasileiras. Uma evolução significativa pode ser
observada nas empresas associadas ao processamento das diversas formas de café as
quais participam com quase 65% do café industrializado produzido. (ABIC, 2009).
Segundo Associação Brasileira da Indústria de Café (2009) “o consumo
doméstico, predominantemente de cafés do tipo Tradicional, tanto quanto o consumo
fora do lar, onde predominam os cafés Superiores e Gourmet, apresentaram taxas de
crescimento positivas. Maiores investimentos em produtos e no marketing interno do
café impulsionaram as vendas das marcas mais conhecidas. O mercado recebe,
mensalmente, novas marcas de cafés especiais, fazendo com que o mercado brasileiro
apresente uma oferta muito significativa de cafés de alta qualidade para os
consumidores brasileiros”.
No período compreendido entre 2008 e 2009, o consumo de café foi de 5,81 kg
de grão cru correspondendo a 4,65 kg de café torrado, ou a aproximadamente 78 litros
de bebida per capita por ano. A evolução registrada no período em referencia de 3,0%
em relação ao período anterior (período de 2008-2009). (ABIC, 2009).
As Figuras 5 e 6 mostram a evolução do consumo interno de café em sacas (de
60 Kg) e per - capita no Brasil até o mês de novembro de 2009.
O aumento do consumo interno pode ser justificado pela melhoria de qualidade.
Ao lançar o Selo de Pureza em 1989, a Associação Brasileira da Indústria do Café
visava reverter à queda observada no consumo através da oferta de café de melhor
qualidade para o consumidor.
13
A evolução de consumo interno de café no Brasil, no período compreendido
entre 1990 até o mês de novembro de 2009, em milhões de sacas de 60 kg de café está
apresentada na Figura 5.
Figura 5 – Evolução do consumo interno de café no Brasil (ABIC-2010)
Figura 6 – Consumo Interno de Café em sacas de 60 kg e per - capita
(ABIC, 2010)
14
4. Óleos e Gorduras
Segundo a definição de FONSECA, 2001 a Bioquímica estudam os processos
químicos que ocorrem nos organismos vivos, animais e vegetais, os compostos
bioquímicos e a sua importância industrial; os compostos bioquímicos são divididos em
três classes principais: lipídios, hidratos de carbono e proteínas. Normalmente os
compostos bioquímicos apresentam massa molar elevada como é o caso, por exemplo,
dos alcoóis e dos ácidos graxos.
Os alcoóis graxos são alcoóis primários com mais de oito átomos de carbono
na cadeia, que geralmente é linear. São denominados alcoóis graxos superiores os
compostos que apresentam dezesseis ou mais átomos de carbono na cadeia. Em
condições ambientes, os alcoóis graxos que possuem de oito a onze átomos de carbono
são líquidos oleosos e os que possuem acima de onze átomos de carbono são sólidos. Os
alcoóis graxos saturados mais importantes são o octílico, o decílico, o laurílico,
miristílico, o cetílico e o estearílico e entre os alcoóis graxos insaturados
comercialmente importantes são os oleílico, linoleílico, linolenílico. Eles são utilizados
como solventes para graxas, ceras, gomas, aditivos para óleos lubrificantes e como
tensoativos não iônicos para obtenção de emulsões de óleo em água. Os ácidos graxos
são os ácidos obtidos a partir de óleos e gorduras animais ou vegetais. Em condições
ambientes, podem ser encontrados nas fases líquida, semi-sólida (pastosa) ou sólida;
podendo ser saturados ou insaturados.
Dos compostos bioquímicos, os lipídios se definem como todo éster que, ao
sofre hidrolise, forma um ácido graxo e um monoálcool graxo ou polialcool.
Os glicerídeos são triesteres formados a partir de três moléculas de ácidos
graxos superiores e uma molécula de triálcool (propanotriol); o glicerídeo formado pode
ser um óleo ou uma gordura. Exemplos de glicerídeos de origem vegetal é óleo de
milho, manteiga de cacau, manteiga de coco, de abacate, óleo de girassol, óleo de
canola entre outros.
Óleos são derivados predominantemente de ácidos graxos insaturados e se
apresentam na fase líquida em condições ambientes já as gorduras são derivadas de
ácidos graxos saturados e se apresentam na fase sólida em condições ambientes.
15
A tabela 2 apresenta a composição em ácidos graxos de diversas fontes de
oleaginosas. Apesar de os grãos de café não serem considerados como oleaginosos, os
dados de composição estão colocados na referida tabela para efeito de comparação.
Tabela 2 - Composição em ácidos graxos de diversos óleos vegetais e dos cafés cru e
torrado.
Fonte:
1
ACH Food Companies, Inc. (2004);
2
TURATTI (2001).
Ácidos
Graxos
Saturados
Insaturados
Palmítico
(C16)
Esteárico
(C18)
Olêico
(C18’)
Linoléico
(C18’’)
Linolênico
(C18’’’)
Canola
1
4%
2%
61%
20%
9%
Amendoim
1
10%
2%
49%
31%
-
Palma
1
45%
4%
40%
10%
-
Milho
1
11%
2%
25%
60%
1%
Oliva
1
11%
2%
73%
8%
1%
Soja
1
10%
10%
23%
54%
7%
Girassol
1
6%
5%
18%
65%
< 1%
Café cru
2
34%
9%
10%
41%
1%
Café
torrado
1
35%
9%
10%
40%
1%
16
A tabela 3 apresenta o conteúdo expresso em porcentagem de óleo nos vegetais
oleaginosos.
Tabela 3 - Principais fontes vegetais oleaginosas e seus conteúdos em porcentagem de
óleo
Fonte de óleo
Conteúdo de óleo (%)
Copra
66-68
Babaçu
60-65
Gergelim
50-55
Polpa de palma (dendê)
45-50
Caroço de palma
45-50
Amendoim
45-50
Colza (canola)
40-45
Girassol
35-45
Açafrão
30-35
Oliva
25-30
Algodão
18-20
Soja
18-20
Café cru arábica
15
Café cru robusta
10
Adaptado de MORETTO e FETT (1998)
4.1 - Óleos de Café
O óleo de café pode ser obtido por extração por solvente ou por prensagem; na
sua composição química encontram se principalmente os esteróis, que apresentam
propriedades cosméticas de retenção de umidade, penetração na pele, aderência, entre
outras, justificando sua utilização em cremes. Por outro lado, o óleo de café pode ser
empregado na fabricação de produtos alimentícios tais como: em recheios de balas,
como realçador do sabor de café no café solúvel, na preparação de café gelado, café
enlatado, cappuccinos, pudins, produtos que utilizam leite, produtos de confeitaria,
sobremesas e sorvetes (TURATTI, 2001).
17
4.2. - Composição Química do Café
A composição química do grão de café cru depende de vários fatores tais como
os métodos empregados na colheita, os tipos de processamento e de armazenamento dos
grãos, das características hereditárias e ambientais; seus constituintes principais são os
carboidratos de ata e baixa massa molar; os ácidos orgânicos que dependem de fatores
como a idade, processamento e fermentação; os principais ácidos encontrados no café
são os ácidos clorogênicos e os ácidos quínico, málico, cítrico e fosfórico. Em média, o
café arábico contém mais ácido quínico que o robusto. Para os ácidos málico e cítrico,
os teores são superiores em arábica, do que em robusta. O teor de ácido fosfórico é em
média quase que igual no arábico e robusto. Já a quantidade de ácidos clorogênicos nos
grãos de cafés crus varia de 4,0 % a 9,0 %, em base seca, para café arábico. Os
compostos nitrogenados representam na composição do café. Dentro desta classe de
compostos, encontram-se a cafeína, a trigonelina, os aminoácidos e as proteínas. A
cafeína é a substância do café responsável pelos efeitos estimulantes do sistema nervoso
central e os fatores ambientais e agriculturais não influenciam de modo significativo na
quantidade de cafeína presente em grãos crus. Encontram se também proteínas presentes
nos grãos de café, localizadas no citoplasma ou ligadas a polissacarídeos nas paredes
celulares. Sua degradação durante a torração é responsável pelo aparecimento de
voláteis que atribuirão aroma ao café. A idade da planta e o período de maturação dos
frutos influem diretamente no teor de proteínas no grão.
Também é conhecida a presença de cinzas no café, mais não há muitas
informações nas literaturas que permitam diferenciar café arábico de café robusto, pelo
teor de cinzas. (CLARKE, 1985).
Os lipídios também são encontrados nos de grãos de café se localizando em
maior quantidade no endosperma do fruto. Segundo a literatura, o teor de óleo na
espécie arábica é de 15 % e de 10 % para robusta. (SPEER e KÖLLING-SPEER, 2001)
18
5 – Biodiesel
O Biodiesel é obtido através da reação de óleos vegetais com um intermediário
ativo, formado pela reação de um álcool com um catalisador, processo conhecido como
transesterificação. Os produtos da reação química são o éster e o glicerol; estes ésteres
têm característico físico química muito semelhante às do diesel. A reação de
transesterificação pode empregar tipos diversos de alcoóis, preferencialmente de baixo
peso molecular, os mais estudados são os alcoóis metílicos e etílicos. A reação com
metanol e tecnicamente mais viável que com álcool etílico. Utilizando o álcool etílico
com teor de água inferior a 2%, visto que a água atuaria como inibidor da reação.
Também com a separação da glicerina obtida como subproduto, encontraremos
diferenças, no caso da síntese do éster metílico a separação ocorreria com uma simples
decantação, com o éster etílico o processo requer um maior numero de etapas. O
catalisador utilizado pode ser do tipo acido ou básico. Entretanto, geralmente a reação
empregada na indústria é feita em meio básico, uma vez que este apresenta melhor
rendimento e menor tempo de reação que o meio ácido, além de apresentar menores
problemas relacionados á corrosão dos equipamentos. As bases químicas utilizadas são
o hidróxido de potássio e o hidróxido de sódio, sendo que o hidróxido de potássio
apesar de mais caro apresenta vantagens na separação do Ester do glicerol.
(FRIEDMAN, 1986)
19
5.1 O Biodiesel no Brasil
Segundo o Ministério de Minas e Energia (2005) o Brasil desenvolve pesquisas
sobre biodiesel, promove iniciativas para usos em testes e foi um dos pioneiros ao
registrar a primeira patente sobre o processo de produção de combustível a partir de
1980. No ano de 2004, o Governo Federal, por meio do Programa Nacional de Produção
e Uso do Biodiesel (PNPB), definiu todos os parâmetros necessários à produção e
utilização do biodiesel no país. Os aspectos relativos à cadeia produtiva, às linhas de
financiamento e à estrutura da base tecnológica foram estabelecidos. O marco
regulatório que autoriza o uso comercial do biodiesel no Brasil considera
principalmente a competitividade frente aos demais combustíveis e uma política de
inclusão social. A produção a partir de diferentes oleaginosas e rotas tecnológicas são
permitidas, o que possibilita a participação do agronegócio e da agricultura familiar.
Quanto às emissões e desempenho do motor, estudos produzidos até o ano de
1997 há um amplo consenso de que o biodiesel e misturas contendo biodiesel produzem
reduções significativas de matéria particulada e aumentos de NOx em motores de caga
pesada. Algumas estratégias para aliviar o aumento de NOx já foram demonstradas; no
entanto, o aumento das emissões de NOx prevalece como um sério problema para uma
expansão significativa do uso comercial do biodiesel. Para motores que atendem aos
padrões de emissão de cargas pesadas de 1998 e 2004, não há dados disponíveis, ao
menos aparentemente, sobre desempenho durante operações realizadas com biodiesel.
Testes em chassis dinamométricos com veículos de carga leve e pesada, operando com
biodiesel, também têm sido muito limitados. Portanto, a total compreensão sobre as
emissões dos poluentes emanados por este combustível renovável ainda requererá um
conjunto muito maior de testes. Em geral, a maioria dos resultados obtidos com
biodiesel mostra redução substancial nas emissões de particulados, poluidores gasosos,
hidrocarbonetos aromáticos, e SO
2
. Entretanto, emissões de NOx aumentaram ou
diminuíram, dependendo do ciclo de serviço ou dos métodos utilizados no teste com
motores. Há também resultados em que pouca diferença é percebida entre as emissões
de monóxido de carbono, dióxido de carbono e NO
x
para o diesel comum e biodiesel de
girassol. Testes experimentais mostraram uma perda de potência e um aumento nas
emissões de particulados quando óleo de girassol puro foi utilizado como combustível.
Entretanto, a potência e as emissões características de ésteres metílicos de ácidos graxos
20
de girassol foram similares àquelas obtidas para diesel. Houve diminuição da opacidade
das emissões, das emissões de CO e um pequeno aumento das emissões de NOx.
Materiais particulados estão sendo reconhecidos como grandes colaboradores para o
aquecimento global, além de contribuírem para a piora da saúde humana,
principalmente em crianças e asmáticos. (ENCINAR et al., 1999)
21
6. Parte Prática
6.1. A Importância do Experimento na Química
Apesar do grande desenvolvimento teórico da Química, ela continua a ser uma
ciência eminentemente experimental; daí a importância das aulas práticas. A
experiência treina o aluno no uso de métodos, técnicas e instrumentos de laboratório e
permite a aplicação dos conceitos teóricos aprendidos.
Nas ciências, os fatos experimentais incentivam as teorias e estas propõem
novos experimentos. De tal modo se entrelaçam teorias e fatos experimentais, de forma
que o aluno pesquisador deve fazer o esforço para romper com a teoria quando esta não
se aplica aos experimentos, ou refizer os experimentos até conseguir resultado mais
convincente cientificamente (ZUBRICK,2005).
A prática de demonstrações químicas em sala de aula exibe muitas contribuições
à prática docente. Elas permitem o melhor aprendizado e retenção de conteúdos por
parte dos alunos e é inegável a sua contribuição para estimular e despertar o interesse
dos mesmos na aprendizagem e prática de ciências. Também permite ser um
instrumento pelo quais os professores podem demonstrar seus interesses e entusiasmos
em relação à Química e a sua prática pedagógica, sendo assim um meio de troca de
experiências importante entre os professores enquanto executadores da demonstração e
os alunos enquanto espectadores.
Os experimentos podem ser apresentados de diversas maneiras, para ilustrar ou
construir diversos tipos de conhecimentos, descrevendo os sistemas químicos em uma
escala macroscópica de fácil visualização aos alunos, onde a percepção e impacto visual
se tornam importantes, possibilitando uma interação entre as transformações químicas e
os conceitos vistos em sala de aula.
Durante a exposição de um experimento, se bem planejada e executada, a
atenção do aluno pode estar exclusivamente para aquela atividade, fazendo assim com
que este obtenha uma boa resposta ás indagações e observações sobre o fenômeno
apresentado. Logo, uma demonstração química pode promover o desenvolvimento do
raciocínio científico, a assimilação do método científico e o treinamento da capacidade
observacional dos alunos através do desenvolvimento de conclusões mentais do
22
fenômeno químico apresentado. Esta experiência pode ser por muitas vezes mais valiosa
do que simples práticas de laboratório que podem induzir apenas a reprodução de
experimentos e não a racionalização das reações químicas em questão (ZUBRICK,
2005).
Demonstrações, além de ilustrar ou construir um determinado tópico de aula,
podem ainda ser aliadas a materiais ou fenômenos observados no cotidiano servindo de
ponte entre um conceito que pode inicialmente parecer abstrato e coisas que vivemos no
dia-a-dia que por muitas vezes nos passam despercebidos. Assim, um experimento pode
servir como janela para um novo tipo de observação que os alunos posteriormente
possam ter sobre a realidade que os cerca, promovendo assim a chamada Química do
cotidiano, onde os conhecimentos podem ser abstraídos ou observados também a partir
de experiências comuns a todas as pessoas (FONSECA, 2001).
Experimentos, ainda, podem também promover a dinâmica na aula, quebrando a
“monotonia”, e unindo a Química a questões cotidianas e discutidas na atualidade
trazendo um clima atraente e agradável às aulas de Química, fator o qual pode ser aliado
ao, despertando ainda mais o interesse por parte dos alunos.
Vale ressaltar ainda que experiências em sala de aula possuam o aspecto de
“ciência para todos”, trazendo a ciência para sala de aula, facilitando o entendimento e
possibilitando o acesso do aluno á prática científica, muitas vezes entendida como sendo
uma atividade complexa e desenvolvida apenas por uma classe específica de pessoas
devidamente “capacitadas” para essa função. Então, o desenvolvimento delas pode
quebrar a barreira existente entre o cientista pesquisador e a sociedade, trazendo a
ciência de forma fácil e atraente aos alunos. Uma vez que todos estão habilitados a
desenvolver práticas científicas, mostra-se que nós mesmos podemos ser cientistas
assim como desenvolvemos ciência na maioria de nossas tarefas diárias, dando a certeza
de que a Química nos acompanha em nossa jornada cotidiana (ZUBRICK,2005).
23
6.2. - A problemática e a solução
Observando a grande quantidade de borra de café que diariamente tem como
destino o lixo domestico e lixões da cidade e conhecendo as propriedades ainda
existentes na borra de café descartada, o seu reaproveitamento em forma de Energia
seria de grande importância para uma comunidade carente se transformada em
combustível.
Alguns problemas surgiriam para este reaproveitamento, em primeiro lugar a
quantidade, o armazenamento, a transformação Química (local, equipamentos, vidrarias,
pessoas especializadas e a Energia necessária para o inicio do processo) e o custo
inicial.
O trabalho iniciou-se por uma pesquisa de campo, em uma das regiões de maior
produção de café do Brasil, o município de Venda Nova do Imigrante no Estado do
Espírito Santo ES, região de agroturismo, com propriedades com direito ao selo de
garantia de produção e exportação de café. Três grandes propriedades foram visitadas:
Fazenda Carnielli, Fazenda Busato e Fazenda Lorenção todas localizadas na área rural
que comercializam pó de café para a população local. Vale ressaltar que esta população
tem o habito de armazenar em um refrigerador próximo as lojas de agronegócios, a
borra de café; para ser utilizada como fertilizante.
A questão armazenagem pode se tornar um hábito se a comunidade for
conscientizada da importância da sua aplicação e seu retorno como forma de
combustível.
24
A figura 7 apresenta a área de armazenamento de grãos da Fazenda Carnielli e a
figura 8 apresenta uma vista lateral da mesma fazenda com a plantação de café ao
fundo.
Figura 7: Silo de Armazenamento de grão de café
Fazenda Carnielli – Venda Nova do Imigrante –ES
Figura 8: Vista lateral da Fazenda Carnielli- Venda Nova
do Imigrante - ES
25
Para o desenvolvimento experimental foi utilizado à borra de café inicialmente
da cantina da Etec Getúlio Vargas e posteriormente a borra de café da máquina de café
existente na sala dos professores da mesma Etec. A idéia era de utilizar borra de café de
vários destinos com marcas de pó de café diferentes para poder observar a quantidade
de óleo obtida.
6.3 – Materiais e Métodos Utilizados
6.3.1 - Métodos de Extração do Óleo
A extração do óleo é normalmente realizada de duas maneiras: por extração com
solvente ou mecanicamente por prensagem.
Extração por Solvente
O conteúdo de óleo de plantas é determinado por extração Soxhlet com a
utilização de solvente orgânico, que é evaporado ou recuperado, restando apenas o óleo
a ser pesado.
O uso de éter de petróleo é aceito e utilizado na extração de óleo de café. Esse
procedimento demora várias horas e alterações no mesmo ocasiona resultados
diferentes, especialmente no que diz respeito ao grau de moagem do grão antes da
extração. Esse tipo de extração funciona para grãos torrados, crus e borras de café
proveniente da preparação da bebida ou da indústria de café solúvel(COELHO,1985).
No método normativo da CEE (Directive 91/2568/CEE), a extração é conduzida
com hexano em Soxhlet por 8 horas, com refluxo de seis vezes por hora. Em seguida, o
extrato é seco com sulfato de sódio anidro e colocado num frasco de 500mL. Usando
um evaporador a vácuo, o solvente é evaporado e o resíduo é seco a 105
o
C para obter o
óleo de café. O mesmo procedimento pode ser realizado para grãos crus e torrado.
(FOLSTAR, 1985).
Um método padronizado para a extração com éter de petróleo é dado pela
AOAC (1965). Nele, grãos de café crus são moídos e o passante em peneiras com Mesh
número 30 (Tyler) é, em seguida, seco em estufa. A extração Soxhlet é então realizada
26
com uma duração de 16 horas com a temperatura de ebulição de éter de petróleo entre
35 e 50ºC.
Para grãos torrados, a quantidade de óleo extraída é maior, em base seca, já que
o grão perde matéria (mas não lipídios) durante a torração (STREULI et al., 1966).
A figura 9 apresenta o aparelho de Extração de Soxhlet, utilizado para extração
de óleo (sólido-líquido).
Figura 9– Extrator de Soxhlet.
Laboratório de Química da Etec Getúlio Vargas
A figura 10 representa um evaporador rotativo para separação do solvente e
óleo.
Figura 10 – Evaporador rotativo a vácuo- separação de solvente dos extrativos.
Laboratório do Instituto Florestal
27
Extração por Prensagem
Como método de extração a frio do óleo de café, TURATTI (2001) utilizou
prensas contínuas de fabricação nacional de 40 kg/h e 100 kg/h para grãos crus e de 100
kg/h para grãos torrados (nesse caso, os grãos foram pré-aquecidos à temperatura de
40ºC) de cafés arábicos.
Segundo TURATTI, 2001 por este método percebem se, que a eficiência de
extração do óleo de grãos torrados é quase três vezes superior à eficiência de extração
para grãos crus dependendo da prensa utilizada. Isso provavelmente ocorre devido à
perda de massa do grão durante a torração, que não altera a quantidade de óleo presente
no mesmo, e à quebra da estrutura celular pelo calor da torra, que facilita a liberação do
óleo durante a prensagem.
Extração Industrial
A extração do óleo vegetal em larga escala apresenta diversas etapas. A primeira
consiste em preparar o grão que deve ser armazenado em ambiente seco e a baixas
temperaturas. O grão é então quebrado e condicionado com vapor para facilitar a
extração. Em seguida, é prensado na forma de flocos que são então alimentados em
extratores por solvente ou prensagem. Enquanto a prensa permite a obtenção de óleos de
várias fontes, o extrator com solvente produz uma quantidade maior de óleo. Na
extração com solvente, os flocos são alimentados em conjunto com hexano, que é
repetidamente evaporado e condensado. Após o término da extração, o solvente é
removido da torta com o uso de vapor e o óleo é encaminhado a uma unidade de refino
(ZAPPI et al., 2003).
O óleo passa por um processo de degomagem com ácido fosfórico para remover
fosfolipídios, no refino, que quando não removidos precipita e forma uma mistura
viscosa de difícil manipulação. As gomas são então removidas com adição de água e
centrifugadas. Os ácidos graxos livres do óleo são removidos por lavagem com solução
diluída de hidróxido de sódio ou potássio
28
e posterior centrifugação. Os ácidos graxos livres podem ser usados na fabricação de
sabão ou adicionados novamente na torta. Pigmentos e traços de ácidos graxos livres,
gomas e minerais são removidos durante o branqueamento com terras especiais. Essas
terras adsorvem os materiais indesejados e são removidas por filtragem. O último passo
consiste na remoção de ceras que cristalizam com o resfriamento do óleo (ZAPPI et al.,
2003).
6.3.2 – Métodos Analíticos
Densidade
A densidade para os triglicerídeos é tanto menor quanto menor for seu peso
molecular e mais alto o seu grau de insaturação. As gorduras são mais densas no estado
sólido do que no estado líquido. Em termos absolutos, a densidade é expressa em
gramas por centímetro cúbico. A densidade relativa (specific gravity), simbolizada por
d+4, é a relação entre a massa de uma substancia e a massa de igual volume de água a
4°C.(MORETTO, 1998)
Procedimento – Através da leitura direta do densimetro. Os densimetros, quase
sempre de forma cilíndrica, com um bulbo central terminado em haste fina e graduado,
são constituídos de modo que o ponto de afloramento indique sobre a escala, a
densidade do líquido no qual está imerso o aparelho. A leitura deve ser feita sempre
abaixo do menisco.
Cinzas
Resíduos por incineração ou cinzas é o nome dado ao resíduo obtido por
aquecimento de um produto em temperatura próxima a 550°C. Nem sempre este resíduo
representa toda a substancia inorgânica presente na amostra, pois alguns sais podem
sofrer redução ou volatilização nesse aquecimento. (MORETTO, 1998)
Procedimento – Colocar o papel de filtro contendo os insolúveis totais no éter em uma
capsula de porcelana de 50mL, previamente aquecida em mufla a 550°C por uma hora,
resfriada em dessecador com chama baixa. Incinerar em
29
mufla a 550°C. Resfriar em dessecador até a temperatura ambiente. Pesar, repetir as
operações de aquecimento e resfriamento até peso constante. O calculo será o numero
de gramas de cinzas multiplicado por cem e dividido por o numero de gramas da
amostra, teremos cinzas por cento p/p.
Solubilidade
Solubilidade é definida como as propriedades de dissolução de óleos e gorduras
em solventes específicos. Depende da natureza e a quantidade de constituintes graxos
(triglicerídeos, ácidos graxos livres e outras substancias acompanhantes), do solvente e
da temperatura. (MORETTO, 1998)
Pequenas quantidades de amostras são misturadas, uma após a outra, com
solventes de gordura e solventes seletivos e sucessivamente diluídos. Através de leve
agitação e, se necessário, aquecimento brando, a dissolução, separação de constituintes
ou emulsificação são determinados.
Material necessário será: tubos de ensaio, banho-maria, reagentes voláteis como:
éter etílico, tolueno, acetona, clorofórmio, metanol, etanol, acido acético.
Procedimento – Pesar 5gramas em um tubo de ensaio à temperatura ambiente
(20-25°C). Determinar a solubilidade em cada um dos solventes citado acima,
respectivamente, já que a maioria das gorduras pode ser prontamente dissolvida nestes
solventes em dada proporção. A solubilidade é monitorada em éter de petróleo, já que a
maioria das gorduras é solúvel em éter de petróleo. Os óleos comestíveis são
limitadamente solúveis em etanol absoluto á temperatura ambiente, enquanto que a
temperaturas elevadas, gorduras normais são prontamente solúveis em etanol absoluto.
A presença de ácidos graxos livres, glicerídeos de ácidos graxos de baixo peso
molecular, mono e diglicerídeos aumentam a solubilidade de gorduras em etanol.
A extração de óleos ou gorduras fundidas por agitação com água destilada
produzirá emulsões que irão desestabilizar rapidamente, emulsões estáveis indicam a
presença de sabões, mucilagens e substancias similares. O resultado é expresso como
solubilidade de óleos e gorduras no solvente utilizado na escala de pouco, muito,
praticamente, limitadamente, rapidamente solúvel.
30
Devem-se mencionar todas as observações, tais como: cor, turvação leve ou
forte, formação de emulsões, precipitação, apresentando a estrutura e cor, qualquer
outra característica distinta.
Índice de Acidez
Definido como o número de miligramas de hidróxido de potássio necessários
para neutralizar os ácidos livres de um grama de amostra da amostra, o índice de acidez
revela o estado de conservação do óleo. A decomposição dos glicerídeos é acelerada por
aquecimento e pela luz, e a rancidez é quase sempre acompanhada pela formação de
acido graxo livre. Poderá ser expressa também em mL de solução normal por cento v/p
ou em g de ácido oléico por cento p/p. A acidez livre de uma gordura decorre da
hidrolise parcial dos glicerídeos, por isso não é uma constante ou característica, mas é
uma variável intimamente relacionada com a natureza e a qualidade da matéria prima,
com a qualidade e o grau de pureza da gordura, com o processamento e, principalmente,
com as condições de conservação da gordura. (MORETTO, 1998)
O material necessário será frasco de Erlenmeyer de 125mL, cilindro graduado de
50 mL, bureta de 25mL. Reagentes: solução neutra de éter etílico-álcool etílico (2+1),
solução de hidróxido de sódio 0,1N e indicador de fenolftaleína a 1%.
Procedimento – Colocar em Erlenmeyer de 125mL duas gramas de amostra,
adicionar 25 mL da solução neutra de éter etílico –álcool etílico (2+1), agitar. Adicionar
duas gotas de indicador fenolftaleína e titular com solução de hidróxido de sódio 0,1N
até a coloração rósea.
Os cálculos para índice de acidez será o numero de mL de solução de hidróxido
de sódio 0,1N gasto na titulação multiplicado pelo fator de correção do hidróxido de
sódio 0,1N multiplicado por equivalente grama da base.
31
6.4 – Desenvolvimentos Experimentais
Para o desenvolvimento experimental da extração de óleo da borra de café, foi
utilizado basicamente o pó de café após o processo de filtração.
O material utilizado foi: a borra de café, álcool etílico, álcool isopropilico, éter
etílico, solução alcoólica de fenolftaleína, solução de hidróxido de sódio 0,9N, biftalato
de potássio, papel filtro, papel universal de ph, béqueres de 250mL e 500mL,
Erlenmeyer de 250mL, provetas analíticas de 10mL e 50mL,Extrator de Soxhlet
250mL, bureta volumétrica de 50mL, condensador de bolas, balão de fundo redondo de
250mL,suporte universal com garras de segurança, Chapa de aquecimento, manta de
aquecimento, Estufa Analítica, agitador magnético. Os reagentes utilizados para
extração, reação e análise são de grau para Analise.
6.4.1 - Obtenção do óleo da borra de café
A preparação da amostra para extração foi iniciada com o processo de filtração
do pó de café com água a temperatura de 90ºC, preparação tradicional do café. A borra
residual retida no papel filtro, foi transferida para uma placa de petri passando por um
processo de secagem, para retirada da umidade, em Estufa Analítica ventilada á 80°C
por 2h, e posteriormente transferida para um dessecador até a temperatura ambiente. Foi
utilizada também a borra de café retirada da máquina de café para efeito de comparação
no resultado final.
Foi pesada uma massa de 100g das amostras e transferida para um béquer de
250mL com etanol numa proporção de 1:6 para incubação, em banho térmico,sob
pressão atmosférica e agitação constante e lenta por 2h. A seguir a mistura foi filtrada e
a parte líquida foi transferida para um funil de separação, onde serão observadas as duas
fases líquidas, etanol e óleo da borra de café.
Outra amostragem de massa 100g de borra de café seca foi prensada em uma
seringa de injeção, sem agulha, para formação de bastonetes, e estes foram enrolados
em uma folha de papel filtro para substituir o cartucho de celulose utilizado no extrator
de Soxhlet, este recurso foi necessário para evitar
32
perda de resíduos da borra de café; resíduos estes finos devido ao tipo de granulação do
pó de café comercial. Como solvente foi utilizado o etanol P.A nas proporções de 1:6 e
1:10. O solvente foi colocado no balão e aquecido; transformado em vapor, passando
pelo braço lateral do extrator e condensando no condensador de refluxo, pingando sobre
a amostra sólida a ser extraída, enrolada no papel filtro e encapsulada em recipiente
poroso, que realiza a filtração simultaneamente. O solvente acumula no reservatório até
atingir o nível da curva do sifão, quando então é todo sifonado de volta para o balão,
carregando o material extraído; este fica no balão enquanto o solvente reinicia o
processo.
A figura 11A e 11B apresenta a borra de café após o processo de secagem, a
amostra A borra de café preparada de forma tradicional e a B resíduo da máquina de
café, ambas prensadas para preparação da extração por Soxhler.
Figura 11A – Bastonetes de borra de café, pó tradicional
33
Figura 11B – Bastonetes de borra de café, grãos moídos na máquina de café.
A figura 12 apresenta o processo de encubação da borra de café no etanol depois
de retirada do banho Maria onde foi observada a separação de fases.
Figura 12 – Borra de café e etanol após encubação e separação de fases.
Fonte: Laboratório de Química Etec Getúlio Vargas
34
A Figura 13 mostra a seqüência de amostragem realizada para extração de óleo.
Figura 13 – Amostras de borra de café com pó de café tradicional e grãos de café
moídos na máquina de café
A figura 14 ilustra o processo de extração do óleo da borra de café, utilizando o
Extrator de Soxhler
Figura 14 – Extrator de Soxhlet (Fonte: laboratório de Química Etec Getúlio
Vargas)
35
A figura 15 Apresenta os primeiros resultados obtida após a extração do óleo da
borra de café
Figura 15 – Óleo da borra de café obtido pela extração de Soxhlet.
6.4.2 - Obtenção do biodiesel
A reação de transesterificação direta de triglicerídeos presentes nos óleos
vegetais foi realizada com a finalidade de se produzir éster alquila dos ácidos graxos
(biodiesel) de tais moléculas. A reação foi realizada em amostra de óleo de café
provenientes da borra de café e com o intuito de observar a influência da temperatura,
do tipo de álcool, e do tempo na conversão final da reação.
As reações de transesterificação foram realizadas em balão de vidro encamisado
com três conexões e capacidade interna para 500mL .Na conexão central encaixou-se
um agitador mecânico com o auxílio de uma rolha e de rolamento. Em uma das
conexões laterais, um termômetro foi conectado utilizando rolha plástica perfurada. Na
terceira conexão, um condensador de bolas resfriado a água foi encaixado também com
o uso de rolha perfurada. O controle de temperatura foi realizado por banho térmico que
recirculou água pela camisa do balão. Aproveitando as vidrarias existentes no
laboratório, e que eram pouco utilizadas.
Os dois catalisadores recomendados pela literatura foram: Metóxido de sódio
(MeONa) catalisador básico que apresenta os melhores resultados e por não liberar
íons hidroxila durante a reação, o que poderia contribuir para a saponificação dos
triglicerídeos e o ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) também é relatado na literatura que o
36
catalisador ácido é mais eficiente(MA e HANNA, 1999).Em todas as reações, o álcool
utilizado foi etanol, o qual foi pré-aquecido até a temperatura da reação antes de ser
adicionada ao balão contendo o óleo também pré-aquecido.
O volume de óleo utilizado foi definido como sendo de 100mL, volume este
obtido do processo de extração do óleo da borra de café e levando em consideração que
tal volume, após convertido em ésteres alquila,não permitiria a determinação, segundo
normas técnicas, de características pertinentes à utilização de tais ésteres como
combustível. A quantidade de catalisador foi estabelecida como 1 % da massa de óleo,
segundo literatura e o catalisador básico utilizado foi hidróxido de sódio (AL-WIDYAN
e AL-SHYOUKH, 2002). A massa de álcool foi calculada para corresponder a um
excesso de 100 % em mols (razão molar 6:1) em relação ao óleo, considerando que o
óleo é composto única e exclusivamente formado por triglicerídeos. A temperatura de
reação foi definida como a temperatura de ebulição da mistura catalisador/óleo/álcool.
Após o fim da reação, a mistura foi transferida para um funil de separação e descansou
durante 24 horas. As fases foram então separadas.
37
6.5 – Métodos analíticos Realizados
Levando em consideração a quantidade de óleo de café obtido e por ser uma
atividade experimental em escala laboratorial, os métodos pesquisados foram adaptados.
Determinação de Acidez
A determinação de acidez dos óleos vegetais da borra de café foi efetuada para
conhecer o teor de ácidos graxos livres na amostra para isso uma massa de
aproximadamente 0,5 g do óleo foi pesada e transferida para frasco Erlenmeyer
juntamente com 25mL de uma solução 2:1 de álcool isopropilico e éter etílico e duas
gotas de solução alcoólica de fenolftaleína. A titulação foi realizada em triplicata com
solução de hidróxido de sódio 0,01 N, até a coloração rósea persistir por 30 segundos. A
padronização da solução de hidróxido de sódio foi realizada com a titulação de 1,25
gramas de biftalato de potássio em 250mL de água, também em triplicata. (Adaptação
do Método do INSTITUTO ADOLFO LUTZ, 1985).
Determinação da Umidade
A determinação de umidade foi efetuada com base no método de perdas por
dessecação em estufa até massa constante; 0,5 gramas de cada óleo foram pesados em
cadinhos de porcelana e aquecidos a 105 ºC durante uma hora em Estufa Convectiva
Nova Ética. Após o aquecimento, as amostras foram transferidas ao dessecador até
atingirem temperatura ambiente. Foram então pesados novamente e o teor de umidade
foi determinado pela diferença nas massas do conjunto cadinho/óleo (Adaptação do
Método do INSTITUTO ADOLFO LUTZ, 1985).
38
Determinação da Densidade
A densidade da amostra de óleo da borra de café foi determinada utilizando
picnômetros. Os picnômetros foram calibrados com água e posteriormente utilizados na
determinação das densidades da amostra por relação de massa e volume. As
determinações de densidade foram realizadas com réplica. Foi utilizado este Método,
pois a quantidade de óleo de borra de café obtida não era suficiente para utilização de
um densimetro.
As figuras abaixo identificam o densimetro e o picnometro utilizados para
determinar a densidade, o primeiro por medição direta e o segundo por diferença de
massa.
Figura 16– Respectivamente as figuras de um densimetro e um picnometro.
Fonte: fotos OLX Produtos de Laboratório
39
6.6 – Roteiros Experimentais
Para desenvolver as partes experimentais foi escolhida uma turma de 3º módulo
do Curso Técnico em Química. A turma de 36 alunos foi dividida em 4 grupos de tal
forma que todos participassem de pelo menos uma etapa dos experimentos.Para cada
etapa os grupos se dividiram novamente em três grupos, garantindo assim três
amostragens e três resultados por etapa.
Os resultados foram analisados e discutidos em grupo.
1ª Etapa – Coleta e preparo das amostras.
2ª Etapa - Extração do óleo da borra de café
3ª Etapa - Obtenção do Biodiesel
4ª Etapa – Analise do produto obtido.
Os alunos seguiram os roteiros e metodologias já determinados e os materiais
previamente separados em kits.
Foi observado o interesse e a desenvoltura dos alunos durante o experimento, se
sentido motivados a acompanhar e discutir as etapas de cada experiência. Infelizmente
não foi realizado um teste final com o biodiesel obtido por não termos equipamentos
disponíveis para isso.
Ao concluírem as atividades experimentais foi elaborado um relatório para cada
uma das quatro etapas e todas comentadas em aula.
Vários interesses em resíduos surgiram durante os comentários e a questão
ambiental também foi abordada, de forma a esclarecer a importância do
reaproveitamento de resíduos.
Questões como economia energética também foi abordada, e sugestões como
aproveitamento do Sol para o processo de secagem, evitando assim a utilização da
estufa elétrica causando economia para a comunidade que se beneficiaria do
combustível obtido.
40
A utilização do material disponível no momento também gerou uma observação
importante, pois nem sempre temos com facilidade o material descrito nos Métodos
Analíticos e muitas vezes somos obrigadas a fazer diversas adaptações para garantir a
análise. Importante realçar a utilização de materiais em bom estado de conservação e a
utilização dos equipamentos de proteção individuais.
Em cada etapa do experimento varias fases de aprendizagem foram analisadas:
na primeira etapa de coleta e preparo de amostra, observamos a técnica de utilização da
balança analítica, secagem da amostra e sua importância para a analise química, a
utilização da vidraria adequada para cada técnica. As duas etapas seguintes de extração
do óleo e processo de obtenção do biodiesel propiciaram as técnicas de montagem de
equipamentos para laboratório, o reconhecimento de condensadores, a utilização e a
diferenciação de balões de fundo chato ou redondo, ate a própria montagem de um
extrator; conceitos simples mais muito importante para conhecimento em futuras
experiências até profissionais para os futuros técnicos. E finalmente as Metodologias
Químicas para comparação dos resultados finais, técnicas como pipetagem e titulações
foram observadas e analisadas.
41
6.7. Resultados e Discussão
Extração do óleo de café
A quantidade de óleo obtida foi de 10,6g em média para 100g de borra de café
seca. O tempo de permanência da borra de café no Extrator Soxhlet foi inferior a 16
horas devido a problemas na vedação do equipamento que provocaram vazamento,
período de duração das aulas práticas, e por motivos de segurança o equipamento foi
desligado ao término das aulas. A quantidade de óleo extraída para cada amostragem
pode ser observada na Tabela 4.
Tabela 4 – Teor de óleo de borra de café para cada amostra utilizada
Legenda: Massa (1) = massa da borra de café (g)
Massa (2) = massa do óleo (g)
Teor = teor de óleo (%)
A comparação entre as quantidades extraídas de cada amostra é possível dizer
que, a extração ocorreu com eficiência próxima a 95 %, já que o teor de óleo para grãos
arábica, em base seca, na literatura é de aproximadamente 12 % (MAZZAFERA et al.,
1998). Observando ainda que foi utilizada a borra de café e não os grãos de café,e com
o processo de torrefação do grão e posteriormente o preparo do café, para obter o
resíduo poderão ocorrer alguma perda.Vale ressaltar que a amostra 1 foi da borra de
café de marcas de pó de café diversas misturadas entre si; e a amostra 2 e 3 foi da
maquina de café, onde os grãos torrados são moídos na própria maquina.As diferenças
obtidas entre as amostras 2 e 3 deve-se a perdas durante o experimento.
Amostra
Massa
(1)
Massa
(2)
Teor
1
100
8,9
8,9
2
100
11,6
11,6
3
100
10
10
42
Determinação da Acidez
A acidez em ácidos graxos livres dos óleos da borra de café foi de 3,1 ±0,3
(%p/p.). Parte dessa acidez é relativa à presença de ácidos graxos livres, que se
saponificados durante a reação de transesterificação dificultam a separação dos
produtos, como observamos na obtenção do biodiesel. As analises foram realizadas em
duplicata.
Determinação de Umidade
O resultado da determinação do teor de umidade da amostra do óleo da borra de
café foi de 0,26%, o teor de umidade para óleos caracterizados está abaixo do limite de
1%, de acordo com dados da literatura, em que as reações paralelas de saponificação
não afetam de forma significativa as reações de transesterificação.
Determinação da densidade
A densidade encontrada na amostra de óleo da borra de café foi de 0,89g/mL,
Valor um pouco a baixo da literatura, considerando possíveis perdas de massa no
momento da análise e falta de precisão da balança analítica.
A tabela 5 mostra uma comparação dos resultados obtidos.
Tabela 5 – Comparação dos resultados finais entre os óleos da borra de café e o
grão de café
Óleo da borra
de café
Óleo do grão de
café torrado
Acidez (%p/p)
3,1±0,3
2,62±0,29
Umidade
0,26
0,28
Densidade (g/mL)
0,89
1,2
43
Obtenção do Biodiesel
Após observarmos os resultados obtidos e levando em consideração às
condições utilizadas em laboratório, concluímos que o experimento para obtenção de
Energia, é viável dentro do contexto Químico em seis aulas de 50 minutos, com alunos
de conhecimentos prévios de normas e praticas de laboratório para montagem de
materiais e manuseio de equipamentos.
Os resultados foram satisfatórios e muito semelhantes aos dados da literatura.
Este experimento foi realizado parcialmente com alunos de um curso técnico em
Química, em escala laboratorial; mais também seria viável em escala piloto.
Possibilitando a uma pequena comunidade, com orientações previas de conceitos
Químicos, produzir seu próprio biodiesel para utilização em maquinas e equipamentos
na lavoura; reduzindo despesas em combustível e ainda levando em conta que a matéria
prima principal é descartada diariamente.
Com base nos resultados obtidos podemos afirmar a viabilidade da obtenção de
Biodiesel a partir do óleo da borra de café. Aparentemente não existe empecilho na
utilização de etanol na reação de transesterificação, mais se recomenda uma análise
precisa do teor de ácidos graxos livres. A reação de transesterificação apresenta um
bom rendimento mesmo em temperatura ambiente, o que é extremamente vantajoso
economicamente.
Após a extração do óleo da borra de café ainda restará um novo resíduo que
pode ser utilizado como briquetes misturados a cascas, folhas e galhos resultantes do
cafezal e comercializados ou utilizados na própria fornalha da fazenda gerando lucro
para a comunidade.
44
Sugestões para Trabalhos Futuros
Diante dos resultados aqui obtidos, propõe-se, para futuros estudos, visando à
Produção de biodiesel do óleo da borra de café.
• avaliação do uso de outros catalisadores alcalinos (KOH), como redução de custo.
• avaliação do procedimento em maior escala para possibilitar um teste do combustível
obtido e observar o seu rendimento.
• avaliação do procedimento para armazenamento e secagem da borra de café para
futura extração do óleo, em escala piloto, utilizando recursos naturais para secagem da
borra de café.
• avaliação do uso do combustível em pequenas comunidades, para equipamentos
agrícolas.
45
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