UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL E VALIDAÇÃO DE MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DO TEOR DE METANOL POR CROMATOGRAFIA À GÁS Júlio César Menezes de Oliveira Mestrado em Química, Área de Concentração Química Analítica e Ambiental CUIABÁ MATO GROSSO - BRASIL 2016
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CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO DE …
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL
E VALIDAÇÃO DE MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DO TEOR DE METANOL POR
CROMATOGRAFIA À GÁS
Júlio César Menezes de Oliveira
Mestrado em Química, Área de Concentração Química Analítica e Ambiental
CUIABÁ
MATO GROSSO - BRASIL
2016
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JÚLIO CÉSAR MENEZES DE OLIVEIRA
CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL
E VALIDAÇÃO DE MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DO TEOR DE METANOL POR
CROMATOGRAFIA À GÁS
Dissertação apresentada à Universidade
Federal de Mato Grosso, como parte das
exigências do Programa de Pós-Graduação em
Química, para obtenção do título de Mestre em
Química, Área de Concentração Química
Analítica e Ambiental.
CUIABÁ MATO GROSSO - BRASIL
2016
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iii
JÚLIO CÉSAR MENEZES DE OLIVEIRA
CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL
E VALIDAÇÃO DE MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DO TEOR DE METANOL POR
CROMATOGRAFIA À GÁS
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Mato Grosso, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Química, para obtenção do título de Magister Scientiae.
APROVADO em: 29 de julho de 2016
iv
Só se pode alcançar um grande êxito quando nos
mantemos fiéis a nós mesmos.
Friedrich Nietzsche.
v
AGRADECIMENTOS
Inicialmente a Deus, pela saúde e pelo amor.
Aos meus pais, pela sabedoria, pela convivência, educação e pelos exemplos de
integridade para minha vida.
Ao Prof. Dr. Ailton José Terezo, pela serenidade, perseverança e disposição na
orientação deste projeto.
Ao Prof. Dr. Evandro José da Silva por fazer parte da minha trajetória profissional na
CEANC, pelas contribuições valiosas ao trabalho e pela profícua amizade.
Ao Prof. Msc. Carbene Lopes França pelo apoio e incentivo a pesquisa.
Ao Prof. Dr. Renato Lajarim Carneiro da UFSCAR pela contribuição com o
planejamento fatorial 3³.
Aos colegas de trabalho da Central Analítica de Combustíveis, Fernando, Tirço,
Os grupos OH presentes no glicerol são responsáveis pelo caráter polar, pela
elevada solubilidade em água e alcoóis e pela baixa solubilidade em benzeno. O
glicerol puro é um líquido incolor, inodoro e altamente viscoso à temperatura
ambiente em virtude das fortes interações de pontes de hidrogênio intra e
intermolecular. Outras características físico-químicas do glicerol são apresentadas
na Tabela 1. O ponto de fulgor do glicerol puro é 199 ºC e, portanto o produto é
classificado como seguro para o manuseio, transporte e armazenamento (ANTT,
2004). Porém, na glicerina bruta, oriunda da produção do biodiesel, este parâmetro
pode ser diretamente dependente de eventual contaminação residual do álcool
empregado. Há relatos na literatura, que o residual de álcool em biodiesel de
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diferentes oleaginosas e misturas de biodiesel de soja e sebo afeta diretamente o
ponto de fulgor do produto final. Sendo que 0,7 % (v/v) deste contaminante no
biodiesel ocasiona um abaixamento abrupto do ponto de fulgor de 160 ºC para
39 ºC, assim este se enquadraria na legislação como líquido inflamável classe 3 e
semelhante ao óleo diesel B5 (BOOG et al., 2011; COUTO et al., 2011; ANTT,
2004).
Tabela 1- Características físico-químicas do glicerol
Características Especificações
Massa específica a 20 ºC 1263,3 kg/m³
Ponto de fusão a 101,325 kPa 18 ºC Ponto de ebulição a 101,325 kPa 320 ºC Pressão de vapor a 100 ºC 26 Pa Acidez (pKa) a 25 ºC 14,4 Condutividade Térmica 100 ºC 0,296 W m-1K-1 Índice de refração a 25 ºC (589nm) 1,4735 Viscosidade absoluta a 25 ºC 1,4 Pa.s-1 Capacidade calorífica molar a 25 ºC 218,8 J mol-1 K-1 Entalpia padrão de combustão a 25 ºC 1655,4 kJ mol-1 Ponto de fulgor Pensky Martens 199 ºC
Fonte: LIDE, 2007
Tradicionalmente, o glicerol possui um mercado consolidado nos gêneros
alimentícios, farmacêuticos, produtos de higiene pessoal, poliéter/polióis, resinas
alquídicas, nitroglicerina, triacetina, detergentes, dentre outros, como uma matéria-
prima ou como um aditivo (Figura 3).
Figura 3 – Emprego do glicerol em diversos segmentos industriais no mercado brasileiro referente ao ano de 2011.
Fonte: BEATRIZ et al., 2011.
25
Uma importante aplicação industrial do glicerol está associada ao seu efeito
umectante, ou seja, a sua facilidade de retenção de água, que por sua vez,
proporciona uma suavidade à textura dos produtos formulados com esta matéria-
prima. Já como um aditivo alimentar tem a finalidade de prolongar o tempo de
validade do produto (ANVISA, 1999).
Entretanto, a baixa qualidade das glicerinas brutas, aliada aos elevados
custos de purificação do produto, acarretam diversas restrições na indústria da
gliceroquímica e inviabilizam o potencial de aproveitamento no mercado interno e
externo. Com isso, novas pesquisas para a utilização da glicerina bruta in natura,
bem como, o desenvolvimento de rotas tecnológicas de purificação mais acessíveis
e que atendam os princípios da química verde estão sendo divulgadas na
comunidade acadêmica (PLAGIARI & ROSSI, 2008 ; BEATRIZ et al., 2011; MOTA et
al., 2009).
A classificação dos diversos tipos de glicerina no mercado está basicamente
relacionada ao seu teor de glicerol. A glicerina loira, comumente denominada nas
usinas de biodiesel, possui uma cor intensa de tom amarelado a marrom escuro, em
virtude da elevada quantidade de impurezas remanescentes da transesterificação.
Para caracterizar este co-produto podem ser empregadas algumas metodologias
analíticas normatizadas e trabalhos da literatura conforme apresentados na Tabela
2.
Tabela 2 - Metodologias analíticas utilizadas para a caracterização do perfil físico-químico de glicerina
bruta oriunda da produção do biodiesel
Parâmetro Metodologia Referências Cloreto, % (m/m) Titulometria de Mohr NOGUEIRA et al., 2012 Sódio, % (m/m) Fotometria de chama NOGUEIRA et al., 2013 MONG, % (m/m) Cálculo matemático ISO 2464 Glicerol, % (m/m) Titulação oxi-redox AOCS Ea 6-94 e ASTM D7637-10 Acidez, % AGL Titulação ácido-base AOCS Cd3d-63 Ácidos graxos e ésteres, %(m/m)
Gravimetria ASTM D 7638-10
Massa específica relativa, kg/m³
Densitometria digital ASTM D 4052AOCS Ea 7-95
Valor de Acidez, mg KOH/g Titulação ácido-base ASTM D 1613 Cor Comparação visual ASTM D 1209 Cinzas sulfatadas, % (m/m) Gravimetria ASTM D 1258, FERNANDES et al., 2011 Teor de água, %(m/m) Titulação
Coulométrica de Karl Fischer
AOCS Ea 8-58
Fonte: Produção do próprio autor.
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Nem todos os parâmetros passíveis de monitoramento e da certificação da
glicerina bruta possuem métodos oficiais em uso. Dentre estes podemos citar o
residual de álcool, teor de cinzas, a viscosidade cinemática, teor de biodiesel, teor
de monoacilglicerídeos e diacilglicerídeos, bem como as propriedades de
viscosidade cinemática, ponto de fulgor e o pH.
De acordo com a base de dados Web of Science, no período de 2010-
jun/2016 foram divulgados 259 artigos de cunho científico relacionados com a
glicerina bruta. Destes, as principais linhas de estudo estão focadas na catálise e
purificação da glicerina bruta, nas novas aplicações em suplementação alimentar de
ruminantes, cordeiros, ovinos, suínos, poedeiras, carneiros e na produção de biogás
(Figura 4).
Figura 4 – Levantamento de publicações cientifica que referenciam o tema glicerina bruta na base de
dados Web of Science no período de 2010 a jun/2016.
Fonte: Produção do próprio autor
No Brasil, o uso de glicerina bruta como fonte energética para a
suplementação alimentar é uma realidade pujante e isto é ressaltado com uma
varredura no banco de teses da CAPES no período de 2010 a junho de 2016 sobre
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o tema glicerina bruta, onde cerca 28 % das publicações estão relacionados com o
uso de glicerina in natura em diferentes concentrações na ração animal.
Estas pesquisas também foram impulsionadas pelo Ministério da Agricultura,
Pecuária e Abastecimento (MAPA), quando este órgão federal outorgou em maio de
2010, a homologação da glicerina bruta como matéria-prima para a formulação da
ração animal dentro das seguintes especificações: mínimo de 80 % (m/m) de
glicerol, máximo de 0.1500 %(m/m) de metanol e máximo de 8 % (m/m) de matéria
mineral (MAPA,2014).A intoxicação por metanol em animais é identificada pela
excreção de ácido fórmico na urina. O metanol ingerido é oxidado no fígado a
formaldeído e este a ácido fórmico. O ácido fórmico é a substância tóxica e quando
em quantidades elevadas, pode causar cegueira pela destruição do nervo ótico,
acidose metabólica, vômito, alteração motora e alterações no sistema nervoso
central. Todavia, na indústria de biodiesel, a glicerina bruta passa por uma etapa
unitária de destilação, onde o metanol presente é retirado do produto e
posteriormente, reutilizado no processo de transesterificação (SOUZA, 2012). Ao
contrário do Brasil, os padrões de qualidade definidos pela FDA (Food and Drug
Administration) e União Europeia (EU) limitam o teor de metanol em 0.0150 %(m/m)
na glicerina bruta para suplemento de ração animal.
Na literatura há relatos da utilização de glicerina bruta em diversas
proporções na formulação da ração animal para aves, suínos, cordeiros e bovinos.
Guerra (2010) trabalhou com a dosagem de até 10 %(m/m) de glicerina bruta
proveniente da produção de biodiesel na formulação da ração animal para frangos
de corte e verificou-se que a partir da adição 5 %(m/m) há aumento significativo
consumo de ração, conversão alimentar e ganho de peso. Porém, não foi relatado
como foi quantificado o teor de metanol nas amostras de glicerina bruta utilizadas
nos experimentos.
Lage et al.(2010) utilizaram uma glicerina bruta de composição química de
36,20 % (m/m) de glicerol, 8,66 % (m/m) de metanol, 46,48 % (m/m) de ácidos
graxos, 6,20 % (m/m) de água, 0,41 % (m/m) de proteína bruta e 2,05 % (m/m) de
matéria mineral nos experimentos com adição de 3 % (m/m) de glicerina bruta na
ração animal de cordeiros confinados. O teor de metanol foi apresentado, no
entanto, não especificou-se o método empregado para determinação do analito.
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Monnerat (2012) realizou estudos utilizando até 20 % (m/m) glicerina bruta na
dieta de bovinos cruzados de corte em terminação. O perfil químico da glicerina
bruta relatado foi 80,55 % (m/m) de glicerol, 10,54 % (m/m) de umidade, 9,01
% (m/m) de material mineral e 0,016 % (m/m) de metanol. A concentração de
metanol e glicerol foram determinadas por cromatografia gasosa com injeção de 1
µL de amostra em coluna capilar Carbowax e detecção em FID com comparação ao
tempo de retenção de um padrão. Não há quaisquer menções sobre a validação
deste procedimento de quantificação do metanol empregado no trabalho.
Rocha et al. (2016) delinearam diversos experimentos com variação de 0 a
6,0 % (m/m) de glicerina bruta em rações para leitões na fase de creche. Não foi
apresentada nenhuma informação referente a qualidade da glicerina bruta
empregada. Alguns animais apresentaram sintomas de diarréia podendo-se estar
relacionado com intoxicação com o metanol remanescente da glicerina já que este
dado não foi divulgado.
Melo (2012) estudou a viabilidade da glicerina bruta em proporções entre
5 % (m/m) e 20 % (m/m) na alimentação de suínos em terminação. A glicerina bruta
foi analisada por um laboratório particular onde os resultados encontrados foram:
glicerol 83,12 % (m/m), metanol 0,02 % (m/m), água 11,12 % (m/m) e cinzas 6,06
%(m/m). Não foi apontado o método utilizado na quantificação do metanol.
Zacoroni (2010) realizou um estudo de substituição do milho por glicerina
bruta na dieta de vacas leiteiras. A glicerina bruta utilizada continha 76,2 % (m/m) de
glicerol, 6,3 % (m/m) de umidade, 0,88 % (m/m) de metanol. A norma
EN14110:2003, específica para matriz biodiesel, foi adotada como método para
quantificar o teor metanol.
Diante disso, verifica-se que a concentração de metanol apresentada nos
trabalhos científicos em suplementação animal não detalha o método empregado.
Portanto, a confiabilidade metrológica do resultado analítico pode estar
comprometida, gerando teores de metanol subestimados. Nesta situação, pode
ocorrer a intoxicação e, até mesmo a morte de animais submetidos a dietas com
suplementação de glicerina bruta contaminada com de metanol acima da legislação
vigente do MAPA.
29
2.3. DETERMINAÇÃO DE ALCOOIS RESIDUAIS POR AMOSTRAGEM
HEADSPACE
De acordo com a nossa revisão bibliográfica não foram encontrados trabalhos
que reportam o desenvolvimento e validação de uma metodologia para quantificação
de metanol por cromatografia à gás em matriz glicerina bruta oriunda da produção
do biodiesel.
Na literatura de uma maneira geral, retrata-se a técnica de cromatografia à
gás com amostragem headspace para identificar e quantificar contaminantes
voláteis em diversas matrizes complexas. Nestas matrizes, a vaporização do analito
pode ser afetada pelas pontes de hidrogênio, força iônica do meio, solvatação,
dentre outras interações. Portanto, faz-se necessário uma avaliação cautelosa para
minimizar os efeitos matriz decorrentes das possíveis interações analito-matriz.
Há relatos na literatura de métodos de quantificação de resíduos voláteis,
incluindo alcoóis, em matrizes diferentes da glicerina bruta. Na Tabela 3 apresenta-
se alguns métodos para a determinação de contaminantes voláteis presentes em
diferentes matrizes, utilizando-se a técnica de cromatografia à gás com amostragem
headspace. Muitos destes contaminantes presentes nas amostras abordadas na
Tabela 3 já possuem legislação específica limitando a sua concentração, onde, no
caso do biodiesel, o valor máximo permitido para o metanol ou etanol residual é de
0,20 % (m/m) por uma questão envolvendo a segurança, manuseio, transporte e uso
deste biocombustível.
Tabela 3–Métodos de cromatografia à gás acoplada com headspace para determinação de analitos
voláteis em matrizes complexas
Matriz Analitos Fonte Biodiesel Metanol EN 14110
Oleoresinas e óleos essenciais 9 solventes residuais Uematsu et al., 1994
Fármacos 44 solventes residuais Cheng et al., 2010
Extrato de alcaçuz Metanol e etanol Uematsu et al., 2002
Biomassa hidrolisada Furfural Li et al., 2010
Licor negro* Metanol Li et al., 2007
Fonte: Produção do próprio autor *Sub-produto do processo de fabricação do papel
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A norma EN 14110 (2003) é aplicável para determinação de metanol em
biodiesel metílico em uma faixa de concentração de 0,01 a 0,5 % (m/m). A alíquota
do biodiesel é aquecida a 80 ºC em vial selado hermeticamente para manter o
metanol na fase vapor. Quando o equilíbrio é alcançado, uma parte definida da fase
gasosa é injetada, separada na coluna cromatográfica e detectada por ionização em
chama. A quantificação do teor de metanol pode ser calculada por referência a curva
analítica por padronização externa ou com a utilização do 2-propanol como padrão
interno. As condições cromatográficas são: coluna DB1 (100% metilpolisiloxano,
comprimento de 30 m, diâmetro interno de 0,32 mm e espessura do filme de 3 µm);
injetor split (razão de fluxo: 50 mL/min); temperatura do injetor e detector: 150 ºC;
temperatura do forno e da coluna: 50 ºC; pressão do gás de arraste: 40 kPa; volume
injetado: 500 µL e injetor headspace (temperatura de equilíbrio: 80 ºC e tempo de
equilíbrio: 45 min.). A norma já apresenta os dados de precisão do método,
repetitividade e reprodutibilidade, obtidos de um programa de comparação
interlaboratorial.
Uematsu et al. (1994) otimizaram um método para determinar solventes
orgânicos residuais (incluindo metanol) em aromatizantes naturais (oleoresinas e
óleos essenciais) por cromatografia à gás acoplada com headspace. Neste método
de quantificação utilizou-se a padronização interna com o n-propanol para 9 analitos
residuais. Há restrições legais de metanol, com concentração máxima de 50 ppm
pela FDA em oleoresina. Foram avaliadas 48 amostras de oleoresina e 26 óleos
essenciais. Mediu-se 1,0 g de amostra em 5 vials, adicionou-se 0,25 mL de solução
padrão em n-propanol, manteve-se em banho-maria a 40 ºC por 20 minutos, seguido
pela injeção de 500 µL da fase vapor. As condições cromatográficas foram: coluna –
Poraplot Q (poliestireno-divinilbenzeno) 10m x0,32m m x10 µm; rampa de
temperatura do forno de 110 ºC (3 min.) → 5 ºC/min → 150 ºC → 20 ºC/min. →
240 ºC (5 min.). Detectou-se metanol em 02 amostras de oleoresina (89 -110 ppm) e
em 03 óleos (79 – 93 ppm) que estavam não-conformes às especificações da FDA.
Cheng et al. (2010) validaram um método para determinação de solventes
classe 2 (metanol, acetonitrila, diclorometano, 1,2-dicloroetano, n-hexano,
Com as condições da amostragem headspace otimizadas, preparou-se as
curvas analíticas de baixa e alta concentração a partir de uma série de soluções
padrão de metanol em matriz mimetizada conforme realizada no item 4.3.2., onde
mediu-se a massa de metanol e diluiu-se na matriz de glicerina mimetizada.
Analisou-se as soluções padrão em triplicatas verdadeiras. As curvas analíticas
obtidas foram avaliadas através da ferramenta ANOVA de fator único (α = 0,05). Em
seguida, determinou-se o LD e LQ, ensaiando-se a matriz de glicerina mimetizada
isenta de metanol, em setuplicata.
Para o ensaio de recuperação, fortificou-se as amostras A2, B3 e D1 com
concentrações de metanol de 0,25 %(m/m) e 1,5 %(m/m) massa e analisou-se em
triplicatas verdadeiras.
Para avaliar a exatidão, utilizou-se as amostras B3 e D1 para quantificação
pela curva analítica de adição padrão. Este método foi realizado em 3 níveis de
concentração, 1, 2 e 4 %(m/m). Realizou-se as injeções em triplicatas verdadeiras e
os resultados médios em seguida, extrapolou-se a concentração do teor de metanol
pelo intercepto da curva analítica de adição padrão. Posteriormente, comparou-se os
resultados obtidos pelo método de adição padrão com relação ao método com
matriz mimetizada.
Em seguida, preparou-se três soluções padrão de metanol em concentrações
de 0,05 % (m/m), 1,00 %(m/m) e 5,00 %(m/m) em matriz mimetizada. Estas
soluções e as amostras de glicerina A2, B3 e D1 foram ensaiadas em setuplicatas
verdadeiras por três analistas para avaliar a repetitividade em nível baixo, médio e
alto de concentração de metanol. Repetiu-se os ensaios após um intervalo de sete
dias para avaliar a precisão intermediária do método.
Para o cálculo da repetitividade e precisão intermediária utilizou-se os
modelos matemáticos propostos por Chui et al.(2009) conforme apresentados nas
equações (17) e (18):
(17)
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(18)
onde sdentro é o maior desvio padrão obtido por um mesmo analista sob um período
de tempo fixo sentre é o maior desvio padrão obtido entre diferentes analistas sob um
período de tempo variado, ambos em um determinado nível de concentração de
metanol.
Já para avaliar a robustez do método de mimetização de matriz, realizou-se
os experimentos apresentados na tabela 9. Foi escolhido as amostras B3 e D1
porque estas apresentaram a mais baixa concentração e a mais alta concentração
de metanol entre as 10 amostras de estudo.
Tabela 9 - Delineamento experimental para avaliação da robustez do método de matriz mimetizada
Experimento Parte experimental A Comparação do coeficiente de correlação entre curvas analíticas ensaiadas
em um intervalo de 3 meses B Ensaio da amostra B3 em duas curvas analítica de baixa concentração C Ensaio da amostra B3 em duas curvas analítica de alta concentração D Ensaio da amostra B3 em curva analítica de alta concentração utilizando a
massa de 150 ± 50 mg. E Ensaio da amostra B3 em curva analítica de alta concentração utilizando a
massa de 300 ± 50 mg. F Ensaio da amostra B3 em curva analítica de alta concentração utilizando a
massa de 450 ± 50 mg. G Diluição da amostra D1 em água destilada em uma proporção de 1:8 (m/m) e
posterior quantificação em curva analítica de alta concentração H Diluição da amostra D1 em água destilada em uma proporção de 1:4 (m/m) e
posterior ensaio quantificação em curva analítica de alta concentração I Diluição da amostra D1 em água destilada em uma proporção de 1:2 (m/m) e
posterior quantificação em curva analítica de alta concentração Fonte: Produção do próprio autor.
Para a obtenção da estimativa da incerteza de medição, primeiramente foram
identificadas as fontes de incerteza que por ventura comprometem a confiabilidade
do método desenvolvido. Neste caso, utilizou-se a ferramenta de qualidade
denominada diagrama de Ishikawa. Na figura 5 apresenta-se o diagrama de
Ishikawa onde as principais fontes de incerteza estão baseadas no equipamento, no
material e no fator humano. No caso dos equipamentos considerou-se a balança
analítica e o cromatógrafo. No material considerou-se a pureza do metanol. A
contribuição do fator humano para a incerteza foi incluída por meio da repetitividade
e da precisão intermediária.
52
Figura 5 - Diagrama de Ishikawa para avaliação das principais fontes de incerteza para quantificação
de metanol pelo método de mimetização de matriz
Fonte: Produção do próprio autor.
Para quantificar as fontes de incerteza de entrada e atribuir o tipo de
distribuição de probabilidade seguiu-se as instruções do Guia para expressão da
incerteza de medição (INMETRO,2003). Na tabela 10, verifica-se que as
distribuições de probabilidade para as fontes de incerteza levantadas, na
determinação do metanol pelo método de matriz mimetizada, são retangular,
normal (k) e normal.
Incerteza de
medição
Curva
analítica
Preparo das
sol. padrão
Precisão
Intermediária
Balança
analítica
Repetitividade
Diluição das
amostras
53
Tabela 10 -Fontes de incerteza e tipo de distribuição de probabilidade das para a metodologia de
determinação do teor de metanol pelo método de matriz mimetizada.
Fontes de incerteza Justificativa da distribuição de probabilidade
Distribuição de probabilidade
Incerteza da resolução da balança analítica
A resolução da balança analítica utilizada foi de 0,0001 g, sendo que a quarta casa decimal limita a medida de massa neste equipamento. A amplitude neste caso será metade da resolução limitada, ou seja, 0,00005 g.
Retangular
Incerteza da calibração RBC da balança analítica
A incerteza contida no certificado de calibração RBC da balança para a faixa de medição de massa (vide item 8.1.). Onde para realizar o cálculo da incerteza levou-se em consideração a média e o desvio padrão das medidas na faixa de calibração. Neste caso, a distribuição de probabilidade será a declarada pelo laboratório RBC ISO/IEC 17025 e o fator de abrangência, k, será em função da distribuição t-Student.
Normal(k)
Incerteza da deriva da balança analítica
Todos os equipamentos possuem um desgaste natural e assim, uma deflexão na exatidão de suas medições. A balança analítica utilizada tem sua deriva e esta pode ser levada em consideração em função da rotina de uso e sua vida útil.
Retangular
Incerteza da pureza do metanol HPLC utilizado no preparo das soluções padrão
A pureza do metanol, grau HPLC, declarada pelo fabricanteJTBaker, afeta no cálculo da concentração real da série de soluções padrão de baixa e de alta concentração. Numa faixa de amplitude de ±0,0001%massa.
Retangular
Incerteza da curva analítica para baixa e alta concentração
A curva analítica tem distribuição normal porque a sua construção é avaliada a partir da correlação da média das áreas do picos versus a concentração da solução padrão dentro de uma margem de desvio padrão aceitável entre a triplicata da injeções cromatográficas.
Normal
Incerteza da repetitividade e precisão intermediária
A repetitividade e a precisão intermediária são avaliadas porque demonstram a precisão do método em rotina como um parâmetro de aceitação de resultados por medições sucessivas em determinadas condições.
Normal
Fonte: Produção do próprio autor.
Para determinar a incerteza padrão(ui) para cada uma das fontes
identificadas no diagrama de Ishikawa definiu-se as incertezas de entrada(ux)bem
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como o seu coeficiente de sensibilidade(ci). O valor de ui foi calculado conforme
equação 1 para as fontes de incerteza relatadas com exceção da curva analítica
onde foram utilizadas uma série de equações, 2-9.
A fonte de incerteza de entrada foi obtida a partir dos dados experimentais
de repetitividade e precisão intermediária, certificado de calibração RBC da balança,
rótulo de conformidade do metanol HPLC JTBaker, dados do manual da balança
analítica utilizada, dados da curva analítica e fator de diluição. Já o coeficiente de
sensibilidade é um parâmetro determinado por meio do cálculo da derivada parcial
do modelo matemático de medição em relação a cada variável de entrada e, na
ausência de um modelo matemático, o coeficiente de sensibilidade é tabelado como
uma unidade dimensional da fonte de incerteza de entrada.
No método de matriz mimetizada, os modelos matemáticos utilizados
restringem-se a etapa de preparação das soluções padrão de metanol para as
curvas analíticas e, portanto, faz-se necessário a aplicação da derivada parcial de
todas as componentes. As equações 19 a 22 representam o modelo matemático da
concentração real das soluções padrões preparadas para a curva analítica de alta
concentração. Já para as soluções padrão de baixa concentração preparadas tem o
modelo matemático similar sendo apenas incluso o fator de 10000 referente a
conversão de %m/m para mg/kg. As equações 20, 21 e 22 são as derivadas parciais
nas variáveis da massa de metanol medida, da pureza do metanol e da massa total
da solução padrão, respectivamente.
(19)
(20)
(21)
(22)
55
onde mm é a massa em gramas de metanol, P é a pureza do metanol, e mT é a
massa total da solução padrão expressa em gramas.
Com os valores de todas as incertezas padrão, calculou-se a soma quadrática
destes valores e em seguida, determinou-se a contribuição percentual de fonte de
incerteza padrão fornece ao método de quantificação de metanol para matriz
mimetizada. A partir dos dados de contribuição porcentagem foi possível reavaliar as
fontes de incerteza que mais impactam e até mesmo suprimir aquelas que pouco
contribuem para incerteza expandida (U95% e k=2) a ser quantificada.
Em seguida, quantificou-se a incerteza padrão combinada (uc) utilizando-se a
equação 11, onde utilizou-se a soma quadrática das incertezas padrões relatadas no
parágrafo anterior como parâmetro de entrada no cálculo.
Posteriormente, calculou-se o grau de liberdade efetivo de Welch-
Statterwaitte e a incerteza expandida (U95) para uma distribuição de probabilidade
normal. O valor de U95 representa o valor da incerteza de medição a ser declarada
na faixa de concentração de metanol em glicerina pelo método de matriz mimetizada
Ao final, quantificou-se o teor de metanol nas dez amostras de glicerina bruta
coletadas, em triplicatas verdadeiras em ambas as curvas analíticas de alta e baixa
concentração.
56
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. COMPOSIÇÃO QUÍMICA PARCIAL DE GLICERINA BRUTA
Na figura 6 são mostradas as fotos das amostras coletadas de glicerina bruta.
A cor aparente variou de amarelada à amarronzada e está diretamente associado à
matéria prima utilizada na produção do biodiesel. O OSD tem coloração amarelada e
o OAD tem coloração preta, e algumas usinas fazem uma mistura de matéria prima
em proporções de 70 OSD:30OAD conforme tabela 5. Para o parâmetro aspecto
verificou-se que 70% das amostras apresentaram a presença de impurezas e/ou
turbidez o que pode estar associado ao residual de catalisador, matéria-prima e
água.
Na tabela 11 apresentam-se os resultados da composição química
aproximada das amostras de glicerina bruta, analisada a partir das características de
teor de glicerol (TG), teor de água (TA), teor de cinzas sulfatadas (TCS), teor de
cloreto (TC) e teor de óleos e gorduras(TOG).
Tabela 11 – Resultados da composição química parcial das amostras de glicerinas brutas estudadas
*Valor reportado = média das medições ± desvio padrão Fonte: Produção do próprio autor
Houve variação significativa entre os resultados de cada característica
avaliada de acordo com o teste-t uni caudal com α=0,05 e isto demonstra que a
glicerina bruta oriunda da produção do biodiesel pode ter uma grande diversidade de
composição.
D2 Teste t-
uni caudal
58,68 ± 0,45 0.32 < 2.13
7,17 ± 0,72 0.32 < 2.13
3,54 ± 0,12 0.32 < 2.13
4,81 ± 0,03 0.31 < 2.13
0,23 ± 0,05 0.27 < 2.13
58
Figura 6- Fotos das amostras de glicerina para o ensaio de cor aparente e aspecto visual. A1: cor amarelada e aspecto límpido isento de impurezas; A2: cor amarelada e aspecto límpido com de
impurezas; A3: cor amarelada e aspecto límpido com de impurezas; B1: cor amarronzada e aspecto límpido isento de impurezas; B2: cor amarronzada e aspecto límpido isento de impurezas;
B3: cor amarelada e aspecto turvo isento de impurezas; C1: cor amarelada e aspecto turvo isento de impurezas; C2: cor acastanhada e aspecto límpido isento de impurezas; D1: cor amarronzada
e aspecto turvo com impurezas; D2: cor amarronzada e aspecto turvo com impurezas.
Fonte: Produção do próprio autor
59
O teor de glicerol manteve-se abaixo de 70 % (m/m) para todas as amostras,
sendo que a glicerina bruta D1 apresentou a menor concentração do grupo, em
torno de 34 %(m/m). Portanto, todas as amostras estão fora do padrão estabelecido
pelo MAPA (2014), de mínimo 80%(m/m) de glicerol na glicerina bruta para uso
como suplemento de ração animal.
Para o teor de água observa-se uma grande dispersão de valores, sendo que
a amostra B3 apresentou a maior concentração, aproximadamente 18,5 %(m/m), em
contrapartida, a amostra D1 apresentou a menor concentração, cerca de 0,3
%(m/m). Esta variedade de resultados pode estar relacionada ao emprego da etapa
unitária de secagem na purificação da glicerina bruta, o que ocasionaria uma
redução drástica do teor de água.
Por outro lado, o teor de cinzas sulfatadas variou de 3,5 a 8,0 %(m/m) e se
deve a uma menor ou maior perda do catalisador alcalino utilizado na
transesterificação, além da presença de outros metais no processo, tais como,
potássio, magnésio, cálcio e sódio. Os valores de cinzas sulfatadas são limitados em
até 8 % (m/m) como matéria mineral pelo MAPA(2014).
Todas as amostras apresentaram um teor de cloreto abaixo de 6%massa. O
uso de ácido clorídrico diluído que neutraliza o catalisador residual do processo pode
estar relacionado à eficiência do processo de lavagem do biodiesel. Até o momento
não há uma especificação para este parâmetro, porém um elevado teor de cloreto
pode ocasionar reações paralelas na purificação da glicerina bruta em função da sua
alta solubilidade em água e, principalmente devido à corrosividade e reatividade
deste ânion.
Para a característica teor de óleos e gorduras totais, 4 amostras
apresentaram valores acima de 1 %(m/m). O TOG representa o teor de matéria
prima oleaginosa na mistura glicerinosa que não foi convertida na reação de
transesterificação e residual de biodiesel e, portanto, representa a perda de
rendimento no balanceamento reacional no processo.
De um modo geral, o perfil químico das amostras demonstra uma grande
diversidade de composição, o que pode estar relacionado ao processo de produção
do biodiesel, bem como o emprego de técnicas de purificação da glicerina bruta.
Esta diferença de composição das amostras estudadas mostra a necessidade de
60
caracterização completa e isso ratifica para uma percepção ampla do efeito de
matriz na determinação quantitativa do metanol.
5.2. DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO PARA QUANTIFICAÇÃO DO
TEOR DE METANOL POR CROMATOGRAFIA À GÁS
5.2.1. Teste do método com sobreposição de matriz
Baseando-se nas condições analíticas proposta na norma EN14110:2003,
testou a aplicação do método de sobreposição de matriz para quantificar o teor de
metanol. A norma foi empregada e obteve-se um cromatograma típico para a
quantificação do metanol, sendo um pico definido e sem sobreposição que foi
detectado em tempo de retenção de 4 minutos, e a sua linha base não apresentou
interferências (figura 7).
Figura 7- Cromatograma obtido da amostra de glicerina bruta A1 a partir das condições
cromatográficas especificadas da norma europeia EN14110:2003.
0 2 4 6 8 10
0
2
4
6
Inte
nsid
ad
e /
104
(u.a
.)
Tempo de retençمo (min.)
Fonte: Produção do próprio autor.
Para este método foi construída uma curva analítica de calibração na faixa de
concentração de 0,05 % (m/m) até 10 % (m/m), conforme apresentado na figura 8. A
61
equação linear da curva analítica apresentou um coeficiente de correlação (r²)
satisfatório e em acordo com a norma EN14110( r² ≥0,9500).
Figura 8- Curva analítica obtida para a quantificação do metanol em glicerina bruta a partir do método
EN14110:2003.
0 2 4 6 8 10
0
6
12
18
Are
a/1
06(u
.a.)
Conc. de metanol (% massa)
Equacao y = a + b*x
r² 0,99989
a 6792,3672
b 1,55418E6
Fonte: Produção do próprio autor.
Esta curva analítica foi adotada para determinar o teor de metanol na amostra
A1 e o resultado médio foi de 0,10 ± 0,01 % massa. Em seguida, avaliou-se a
resposta do pico do metanol nas condições cromatográficas estabelecidas pela
norma EN14110, fortificando-se a amostra A2 com dois níveis de concentração, 1,0
%(m/m) e 5,0 % (m/m) conforme apresentado na Tabela 12.
Tabela 12–Resultados obtidos para os ensaios de recuperação a partir da amostra A2 utilizando o
método EN14110:2003.
Fortificação C3, % massa C2, % massa C1, % massa Recuperação, %
1 1,04 0,10 0,26 15,3 2 5,12 0,98 17,0
Fonte: Produção do próprio autor
Analisando-se os resultados apresentado na Tabela 12 verifica-se que a
recuperação foi de 15 e 17%, respectivamente para os níveis de fortificação de
62
1,0 % (m/m) e 5,0 % (m/m) de metanol. O INMETRO (2011) estabelece o critério de
recuperação admissível na faixa de 70 a 120 %. Portanto, a metodologia baseada na
norma EN14110 mostrou-se não apropriada para a quantificação direta de metanol
em glicerina bruta. Estes resultados podem estar diretamente relacionados com o
efeito de matriz, que impede que todo o metanol presente na amostra passe para a
fase vapor e/ou ao fato de que as variáveis temperatura de equilíbrio, tempo de
equilíbrio e tamanho da amostra não estão otimizadas.
É importante ressaltar que a norma EN14110 está baseada na calibração
externa com sobreposição de matriz e, em princípio, o resultado deveria ser na faixa
de recuperação aceitável já que a matriz empregada é a própria amostra A1. O teor
de metanol encontrado foi de 0,1035 % massa e corresponde a 82% do valor
encontrado na metodologia validada neste trabalho (vide seção 5.3.), portanto dentro
da faixa de recuperação aceitável.
Considera-se ainda que para a sobreposição de matriz a eliminação do
metanol se dá por aquecimento da amostra de glicerina bruta e isso implica sempre
na remoção da umidade da amostra e, portanto, a matriz não será sobreposta.
Neste sentido, o efeito de matriz se tornaria mais pronunciado nas amostras
fortificadas, justificando os baixos valores de recuperação encontrados.
Portanto, no caso de amostras de glicerina bruta de composição distinta,
pode-se supor que o efeito de matriz deve ser considerado nos resultados analíticos.
Diante disso, os resultados apresentados por ZACARONI (2010) devem ser
avaliados com cautela em função dos erros analíticos associados ao uso de uma
norma inapropriada para a glicerina.
5.2.2. Desenvolvimento e validação do método com matriz
mimetizada
Diante da baixa recuperação obtida no método EN14110:2003 buscou-se
otimizar as condições de temperatura de equilíbrio, tempo de equilíbrio e alíquota de
fase vapor na amostragem headspace com o emprego de um planejamento fatorial
completo 3³. Ao término da execução, em triplicatas verdadeiras, dos 27
experimentos do planejamento fatorial completo 3³, verificou-se que o tempo de
63
retenção do metanol para todos os experimentos foi de 3,9 minutos e isto demonstra
que o analito foi quantificado sem interferências de linha base e sobreposição de
picos nesta região de interesse (figura 9).
Figura 9- Cromatogramas para vinte e sete réplicas do experimento fatorial 3³ a partir da leitura da
solução padrão de 10 %(m/m)
3,80 3,85 3,90 3,95 4,00 4,05 4,10 4,15 4,20
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 2 4 6 8 10
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Inte
nsid
ad
e / 1
06
u.a
Tempo de retençao / min
Inte
nsid
ade x
106
Tempo de retencao (min.)
Fonte: Produção do próprio autor.
Obteve-se o valor de área média do pico do metanol e este valor é a
referência de área para o experimento efetuado. E desta forma, produz-se a matriz
fatorial de respostas que é a base para estimar o modelo matemático teórico do
planejamento fatorial 3³ (tabela 13). A equação padrão para este planejamento
fatorial 3³ é dado (23):
(23)
onde b0 é o valor populacional da média de todas as repostas de área de metanol
obtidas em todos os experimentos; b1 é o coeficiente relacionado a variável X1; X1 é
variável temperatura de equilíbrio, ºC; b2 é o coeficiente relacionado a variável X2; X2
64
é a variável tempo de equilíbrio, min.; b3 é coeficiente relacionado a variável X3; X3 é
a variável da alíquota de fase vapor, µL; b12 é o coeficiente relacionado a interação
das variáveis X1X2; b13 é o coeficiente relacionado a interação das variáveis X1X3;
b23 é o coeficiente relacionado a interação das variáveis X2X3 e b123 é o coeficiente
relacionado a interação das variáveis X1X2X3.
Posteriormente, tratou-se os dados da Tabela 13 e obteve-se os coeficientes
do modelo de regressão linear múltipla que estão apresentados na Tabela 14.
As interações de segunda ordem TT (X1²), VV (X3²), PV (X2X3) e a interação
de terceira ordem TPV (X1X2X3) não foram significativas porque o intervalo dos
limites superiores de controle (UCL) e LCL (inferiores de controle) passa pelo zero e
os seus respectivos coeficientes foram desconsiderados (BRERETON, 2003).
Assim, obteve-se o modelo matemático apresentado na equação 24:
(24)
O coeficiente de correlação do modelo matemático quadrático foi de 0,9464, e
considera-se satisfatório para o planejamento fatorial 3³ (BRERETON, 2003).
65
Tabela 13 - Matriz de coeficientes e resposta do planejamento fatorial 3³ no método com matriz mimetizada
Fonte: Produção do próprio autor
Tabela 14 - Coeficientes do modelo matemático obtido a partir do planejamento fatorial total 3³ no método com matriz mimetizada
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