CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO DE …

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

i

JÚLIO CÉSAR MENEZES DE OLIVEIRA




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

ii

iii

JÚLIO CÉSAR MENEZES DE OLIVEIRA




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,

Natália, Paula, Nadir,Allexandra, Rafael, Orlando, Vitor, Silvio, Antônia, Anelisse,

Gonçalo, Edileuza, Gysellen e Jéssica quefizeram parte direta ou indireta no

decorrer deste projeto.

Aos colegas da PPGQ, que estiveram presentes em todos os momentos da minha

trajetória do mestrado.

Aos professores da PPGQ, pela paciência, dedicação e sabedoria.

vi

SUMÁRIO

RESUMO ..........................................................................................................ix

ABSTRACT .......................................................................................................xi

LISTA DE FIGURAS..........................................................................................xiii

LISTA DE TABELAS..........................................................................................xv

LISTA DE ESQUEMAS....................................................................................xvii

LISTA DE ABREVIATURAS ...........................................................................xviii

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 19

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................. 20

2.1. BREVE HISTÓRICO SOBRE A GLICERINA ............................................. 20

2.2. GLICERINA e BIODIESEL ......................................................................... 21

2.3 PROPRIEDADES E APLICAÇÕES DO GLICEROL .................................. 22

2.3. DETERMINAÇÃO DE ALCOOIS RESIDUAIS POR AMOSTRAGEM

HEADSPACE ............................................................................................. 29

2.4. VALIDAÇÃO DE MÉTODOS ANALÍTICOS ................................................ 33

3. OBJETIVOS ...................................................................................................... 41

3.1. OBJETIVO GERAL ..................................................................................... 41

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................... 41

4. PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................. 42

4.1. COLETA DAS AMOSTRAS DE GLICERINA BRUTA ................................ 42

4.2. CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA PARCIAL DAS AMOSTRAS DE

GLICERINA BRUTA ................................................................................... 42

4.3. DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO PARA QUANTIFICAÇÃO DO TEOR

DE METANOL POR CROMATOGRAFIA À GÁS ....................................... 46

4.3.1. Método com sobreposição de matriz ............................................ 47

4.3.2. Método com matriz mimetizada .................................................... 48

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................ 56

5.1. COMPOSIÇÃO QUÍMICA PARCIAL DE GLICERINA BRUTA ................... 56

vii

5.2. DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO PARA QUANTIFICAÇÃO DO TEOR

DE METANOL POR CROMATOGRAFIA À GÁS ....................................... 60

5.2.1. Teste do método com sobreposição de matriz ............................. 60

5.2.2. Desenvolvimento e validação do método com matriz mimetizada

......................................................................................................62

5.3. APLICAÇÃO DO MÉTODO NA ANÁLISE DOS TEORES DE METANOL

NAS AMOSTRAS DE GLICERINA BRUTA ................................................ 74

6. CONCLUSÕES ................................................................................................. 76

7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ..................................................... 77

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 78

9. TRATAMENTOS DE RESÍDUOS ..................................................................... 83

10. ANEXOS ........................................................................................................... 84

10.1. CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO RBC DA BALANÇA ............................. 84

10.2. CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO RBC DA BURETA ............................... 85

10.3. ESTUDO DE REPETIVIDADE E PRECISÃO INTERMEDIÁRIA PARA O

MÉTODO DE MATRIZ MIMETIZADA ........................................................ 86

10.4. PLANILHAS DE INCERTEZA DE MEDIÇÃO DO PREPARO DE

SOLUÇÕES PADRÃO PARA CURVA DE BAIXA CONCENTRAÇÃO ...... 88

10.5. PLANILHAS DE INCERTEZA DE MEDIÇÃO PARA DO PREPARO DE

SOLUÇÕES PADRÃO PARA CURVA DE ALTA CONCENTRAÇÃO ........ 93

10.6. PLANILHA DE INCERTEZA DE MEDIÇÃO PARA O MÉTODO DE MATRIZ

MIMETIZADA ............................................................................................. 99

viii

RESUMO

OLIVEIRA, Júlio César Menezes de, M.S., Universidade Federal de Mato Grosso.

Março, 2014. CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO

DE BIODIESEL E VALIDAÇÃO DE MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DO TEOR DE

METANOL POR CROMATOGRAFIA À GÁS. Orientador: Ailton José Terezo.

O presente trabalho teve o objetivo de caracterizar a glicerina bruta oriunda da

produção de biodiesel e validar um método para determinação de metanol na

glicerina bruta empregando cromatografia à gás. Inicialmente, dez amostras de

glicerina bruta foram caracterizadas por ensaios de aspecto e cor, determinação dos

teores de glicerol, cloretos, água, cinzas sulfatadas e total de óleos e gorduras. A

coloração foi amarelada e amarronzada. O aspecto límpido e isento de impurezas a

turvo com impurezas foi observado. O teor de glicerol variou de 34 a 64 % (m/m), o

teor de cloreto encontrado foi de 0,3 a 6,0 % (m/m), o teor de águas nas amostras

esteve na faixa de 0,2 a 19,0 % (m/m), o teor de cinzas sulfatadas quantificado foi de

3,5 a 8,0 % (m/m) e o teor de óleos e gorduras foi de 0,2 a 5,0 % (m/m). Para o

desenvolvimento da método para quantificação do metanol, inicialmente foi testada a

norma EN14110:2003 da quantificação de metanol em biodiesel, porém os ensaios

de recuperação apresentaram valores de 15,3 e 17,0 % de recuperação,

respectivamente, para os níveis de fortificação baixo e alto. Desta forma, investigou-

se um método com matriz mimetizada onde, inicialmente, as variáveis de

amostragem headspace (temperatura, tempo e volume da alíquota) foram

otimizadas por meio de um planejamento fatorial 3³. A partir dos resultados deste

planejamento, foi gerada a superfície de resposta a partir do modelo matemático

encontrado. O sinal otimizado foi obtido com temperatura de equilíbrio de 80 ºC,

tempo de equilíbrio de 12 minutos, para alíquota de 500 µL de fase vapor. Esta

condição otimizada foi adotada para a construção das curvas analíticas de baixa e

alta concentração obtendo-se r² de 0,97919 e 0,99931, respectivamente. O LD foi de

0,000301 e o LQ de 0,000362 % (m/m), respectivamente. Neste método, os ensaios

de recuperação para as amostras A2, B3 e D1 mostraram-se satisfatórios sendo

obtidos valores entre 80 a 102 %. A exatidão foi avaliada a partir dos resultados do

ix

teor de metanol nas amostras B3 e D1, obtidos pelos métodos de matriz mimetizada,

em comparação com os resultados obtidos no método de adição padrão. A exatidão

foi de 1,6 % e 0,1 % para as amostras B3 e D1, respectivamente. A repetitividade do

método foi de 0,003 %(m/m), 0,051 % (m/m) e 0,262 % (m/m) para as faixas de

baixa, média e alta concentração de metanol, respectivamente. Já a precisão

intermediária foi de 0,006 % (m/m), 0,0058 % (m/m) e 0,297 % (m/m) para as faixas

de concentração citadas anteriormente. A incerteza de medição estimada (k=2 e

95% probabilidade) foi de 0.0046 % (m/m) para faixa de 0 a 0.5 % (m/m),

0,12 % (m/m) para faixa de 0,50 % (m/m) a 10,00 % (m/m) para os ensaios sem

diluição e de 0,15 % (m/m) para amostras diluídas e concentração acima de 10,00 %

(m/m). Os testes de robustez asseguram que o método está apto para ser

empregado nas condições estabelecidas. O método da matriz mimetizada foi

empregado para a determinação do teor de metanol nas dez amostras de glicerina

bruta e os valores variaram entre 0.0087 e 20,04 % (m/m) de metanol. Dentre as dez

amostras estudadas, cinco apresentaram teor de metanol acima de 0.15 %(m/m)

que é o limite estabelecido do pela legislação brasileira (MAPA – Ministério da

Agricultura, Pecuária e Abastecimento) para uso na suplementação da ração animal.

Palavras chave: glicerina, metanol e validação de método

x

ABSTRACT

OLIVEIRA, Júlio César Menezes de Oliveira, M.S., Universidade Federal de Mato

Grosso. March, 2014. CARACTERIZATION OF CRUDE GLYCERIN FROM

BIODIESEL PRODUCTIONAND VALIDATION OF ANALYTICAL METHOD FOR

THE DETERMINATION OF METHANOL CONTENT BY GAS CROMATOGRAPHY.

Advisor: Ailton José Terezo.

This work aimed to characterize crude glycerin from biodiesel production and to

validate a method for determination of methanol in crude glycerin by means of gas

chromatography. Firstly, ten crude glycerin samples were characterized by

appearance and color tests and by determination of glycerol, chlorides, water,

sulphated ash and fats and oils contents. The color was yellowish and brownish. The

appearance from clear and free of impurities to cloudy with impurities was observed.

The glycerol content ranged between 34 and 64 % (w/w), the chloride content found

was 0.3 to 6.0 % (w/w), water content in the samples was in the range from 0.2 to

19.0 % (w/w), sulphated ash content measured was 3.5 and 8.0 % (w/w) content of

oils and fats was 0.2 to 5.0 % (w/w). To develop the method for quantification of

methanol, initially the EN14110:2003 standard for determination of methanol in

biodiesel was tested, however the recovery assays were of 15.3 and 17.0 %,

respectively, for low and high levels of fortification. Therefore, a method with

mimicking matrix was developed where initially the headspace sampling variables

(temperature, time and sample size) were optimized using a 3³ factorial design. From

the results of factorial design, the response surface was generated from the

quadratic model found. The optimized condition was obtained with the equilibrium

temperature of 80 °C and the equilibrium time of 12 minutes for an injection volume

of 500 µL of vapor phase. This optimized condition was adopted for the construction

of standard curves for low and high concentration yielding r² of 0.97919 and 0.99931,

respectively. The LD was 0.000301 % (w/w) and the LQ was 0.000362 % (w/w) ,

respectively. In this method, recovery tests for samples A2, B3, D1 were satisfactory

and values obtained were between 80 and 102 %. The accuracy was assessed by

comparing the results of the methanol content of B3 and D1 samples obtained by the

xi

methods of matrix mimicked and standard addition, relative errors of 1.6 and 0.1%

being observed. The repeatability was 0.003 % (w/w), 0.051 % (w/w) and 0.262 %

(w/w) for low, medium and high concentration of methanol, respectively.

Nevertheless, intermediate precision was 0.006 % (w/w), 0.0058 %(m/m) and 0.297

% (w/w) for concentration ranges listed above. The estimated uncertainty of

measurement (k = 2, and 95% probability) was 0.0046 % (w/w) in the range 0 to 0.5

% (w/w) and 0.12 % (w/w) for the range 0.50 % (w/w) to 10.00 % (w/w) with no

dilution) and 0.15 % (m/m) for concentration above 10.00 % (w/w) and dilution.

Robustness tests ensure that the method is able to be used under the conditions

prescribed. Therefore, the method mimicking matrix was used for the determination

of methanol in ten samples of crude glycerin and the values ranged from 0.0087 and

20.04 % (w/w). Among the ten samples studied, five crude glycerin samples showed

methanol content above 0.1500 % (w/w), which is the limit set by the Brazilian

Legislation (MAPA - Ministry of Agriculture, Livestock and Supply) for use in animal

feed supplementation.

Keywords: Crude Glycerin, methanol and validation method.

xii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Produção estimada de glicerina bruta oriunda da produção de biodiesel

(2005 – 2015) ............................................................................................. 22

Figura 2 – Tipos de glicerinas oriundas da produção de biodiesel ............................ 23

Figura 3 – Emprego do glicerol em diversos segmentos industriais no mercado

brasileiro referente ao ano de 2011. ........................................................... 24

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. . 26

Figura 5 - Diagrama de Ishikawa para avaliação das principais fontes de incerteza

para quantificação de metanol pelo método de mimetização de matriz ..... 52

Figura 6 - Fotos das amostras de glicerina para o ensaio de cor aparente e aspecto

visual. A1: cor amarelada e aspecto límpidoisento 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. .................................................................... 58

Figura 7 - Cromatograma obtido da amostra de glicerina bruta A1 a partir das

condições cromatográficas especificadas da norma européia

EN14110:2003. ........................................................................................... 60

Figura 8 - Curva analítica obtida para a quantificação do metanol em glicerina bruta

a partirdo método EN14110:2003. .............................................................. 61

Figura 9 - Cromatogramas para vinte e sete réplicas do experimento fatorial 3³ a

partir da leitura da solução padrão de 10 %(m/m) ...................................... 63

Figura 10 – Planejamento fatorial fracionado com composto central do planejamento

fatorial completo 3³ no método de mimetização de matriz. T = Temperatura

de equilíbrio e P = tempo de equilíbrio ....................................................... 66

xiii

Figura 11 - Superfície de resposta das condições otimizadas da amostragem

headspacedo metanol para o método com matriz mimetizada. T =

Temperatura de equilíbrio e P = tempo de equilíbrio .................................. 67

Figura 12 - Curvas analíticas para o método de calibração externa com matriz

mimetizada. (a) Curva analítica na faixa de baixa concentração e (b) Curva

analítica na faixa de alta concentração ...................................................... 68

Figura 13 - Curva analítica obtida pelo método de adição padrão da amostra B3(a) e

D1(b) a partir das condições de amostragem headspace de temperatura de

equilíbrio de 80 ºC, tempo de equilíbrio de 12 minutos e fase vapor de 500

µL. .............................................................................................................. 70

xiv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Características físico-químicas do glicerol ............................................... 24

Tabela 2 - Metodologias analíticas utilizadas para a caracterização do perfil físico-

químico de glicerina bruta oriunda da produção do biodiesel ................... 25

Tabela 3 – Métodos de cromatografia à gás acoplada com headspace para

determinação de analitos voláteis em diversas matrizes complexas ....... 29

Tabela 4 - Distribuições de probabilidade frequentemente aplicadas na estimativa da

incerteza de medição na avaliação dos dados de entrada ....................... 37

Tabela 5 - Coleta, codificação das amostras de glicerina e matéria prima utilizada na

produção do biodiesel .............................................................................. 42

Tabela 6 – Condições cromatográficas utilizadas na quantificação do metanol de

acordo com a norma EN14110:2003 ........................................................ 47

Tabela 7 – Distribuição completa dos fatores e dos níveis do planejamento fatorial 3³

empregado no método com matriz mimetizada ........................................ 49

Tabela 8 - Matriz de experimentos no planejamento fatorial 3³ da amostragem

headspace para o método com matriz mimetizada. ................................. 49

Tabela 9 - Delineamento experimental para avaliação da robustez do método de

matriz mimetizada .................................................................................... 50

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. .............................................................................................. 53

Tabela 11 - Perfil químico determinado das amostras de glicerinas brutas estudadas

................................................................................................................. 56

Tabela 12 – Resultados obtidos para os ensaios de recuperação a partir da amostra

A1 utilizando o método EN14110:2003 .................................................... 61

Tabela 13 - Matriz de coeficientes e resposta do planejamento fatorial 3³ no método

com matriz mimetizada ............................................................................. 65

Tabela 14- Coeficientes do modelo matemático obtido a partir do planejamento

fatorial total 3³ no método com matriz mimetizada ................................... 65

Tabela 15- Resultados obtidos a partir da solução do branco para quantificação do

LD e LQ no método com matriz mimetizada ............................................ 68

xv

Tabela 16- Resultados do ensaio de recuperação para amostras A2, B3 e D1 com

dois níveis de fortificação utilizando o método com matriz mimetizada .... 69

Tabela 17 - Estudo de robustez para avaliação de diferentes curvas analíticas de

baixa concentração em um espaço de tempo de 3 meses com as mesmas

soluções padrão para o método de matriz mimetizada ............................ 71

Tabela 18 - Estudo de robustez para avaliação de diferentes curvas analíticas de

alta concentração em um espaço de tempo de 3 meses com as mesmas

soluções padrão para o método de matriz mimetizada ............................ 71

Tabela 19 - Estudo de robustez para avaliação na quantificação do teor de metanol

na amostra de glicerina B3 em diferentes curvas analíticas para baixa e

alta concentração no período de três meses. ........................................... 72

Tabela 20 - Estudo de robustez para avaliação da variação de massa de amostra na

quantificação do teor de metanol na amostra de glicerina B3 em curva

analítica de alta concentração pelo método de matriz mimetizada. ......... 72

Tabela 21 – Estudo de robustez para avaliação de diferentes fatores de diluição da

amostra na quantificação do teor de metanol da amostra de glicerina D1

em curva analítica de alta concentração pelo método de matriz

mimetizada. .............................................................................................. 73

Tabela 22 – Resultados dos teores de metanol nas amostras de glicerina bruta pela

curva de baixa e alta concentração do método de mimetização de matriz

................................................................................................................. 75

xvi

LISTA DE ESQUEMAS

Esquema I - Fluxograma de reações químicas para a produção, em escala industrial,

de glicerol a partir do hidrocarboneto propeno. ................................ 20

Esquema II - Reação simplificada da transesterificação do triacilglicerídeo com um

álcool na presença de catalisador para a produção de misturas de

ésteres e glicerol. ............................................................................. 21

Esquema III - Reação de produção de ácido fórmico e formaldeído a partir do glicerol

e metaperiodato de sódio. ................................................................ 45

xvii

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT

ACS

AGL

ANOVA

Associação Brasileira de Normas Técnicas

Grau de pureza American Chemical Society

Ácidos Graxos Livres

Análise de Variância

ANP Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis

ANVISA

ANTT

AOCS

Agência Nacional de Vigilância Sanitária

Agência Nacional de Transportes Terrestres

American Oi Chemists’ Society

ASTM

B100

CG-FID

American Society for Testing and Materials

Biodiesel

Cromatografia Gasosa com Detecção de Ionização em Chama (Gas Chromatography with Flame Ionization Detector)

CNPE

FDA INMETRO LCL

Conselho Nacional de Política Energética

Food and Drug Administration

Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. Limite Inferior de Controle

MAPA

MONG

OAD

OSD

RBC

TA

TC

TCS

TG

TOG

UCL

Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento.

Compostos não glicerinosos

Óleo de algodão degomado

Óleo de soja degomado

Rede Brasileira de calibração

Teor de água

Teor de cloreto

Teor de cinzas sulfatadas

Teor de glicerol

Teor de óleos e gorduras totais

Limite superior de controle

19

1. INTRODUÇÃO

No Brasil o transporte de insumos e produtos acabados ocorre

majoritariamente por rodovias terrestres e a frota de veículos é expressivamente de

motores do ciclo diesel que utilizam o óleo diesel B, composto por um percentual de

biodiesel (CNPE, 2009). A Lei n. 13033/2014 estabeleceu o percentual de 8 %(v/v)

de adição compulsória de biodiesel ao diesel de petróleo, desde 25 de setembro de

2015 (BRASIL, 2014). A produção de biodiesel ocorre principalmente pela catálise

metílica-alcalina e que de uma maneira geral, resulta em cerca de 10% em volume

de glicerina como co-produto da reação. Em 2015, a produção de biodiesel foi cerca

de 4 milhões de m³ e, consequentemente, resultou na geração de aproximadamente

de 400.000 m³ de glicerina bruta, demonstrando uma grande disponibilidade deste

subproduto no mercado nacional (ANP,2016).

A glicerina pode ser destinada a várias aplicações e, portanto, sua

caracterização química se torna imprescindível (ZHOU et al., 2007; PAGLIARI e

ROSSI, 2008; MOTA et al., 2009; BEATRIZ et al., 2011). A glicerina bruta é uma

mistura de glicerol, água, álcool, sais inorgânicos (residual da lavagem,

neutralização e catalisador), ácidos graxos livres, monoacilglicerídeos,

diacilglicerídeos, triglicerídeo, biodiesel e uma variedade de compostos não-

glicerinosos (MONG) (PAGLIARI e ROSSI, 2008).

Dentre os constituintes, o residual de metanol limita o uso da matéria bruta

para aplicações de suplemento da ração animal, cosméticos e higiene pessoal

(GUERRA, 2010). Em função da toxicidade, o Ministério da Agricultura, Pecuária e

Abastecimento (MAPA) estabeleceu que a glicerina bruta na formulação da ração

animal deve possuir máximo de 0.1500 %(m/m) de metanol, mínimo de 80 % (m/m)

de glicerol e máximo de 8 %(m/m) de matéria mineral (MAPA, 2014). Porém, o

decreto do MAPA não indica um método oficial para a quantificação do teor de

metanol, em parte devido à falta dedados técnicos e trabalhos científicos publicados

na literatura para tal finalidade, até o momento.

Neste contexto, o presente trabalho propõe caracterizar o perfil químico

parcial de amostras de glicerina bruta provenientes da produção de biodiesel em

indústrias instaladas no Estado de Mato Grosso, bem como desenvolver e validar

um método para determinação do teor de metanol por cromatografia à gás.

20

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. BREVE HISTÓRICO SOBRE A GLICERINA

Na antiguidade, o homem verificou que ao aquecer gorduras cruas na

presença de cinzas produziu-se o sabão e uma mistura glicerinosa (HUNT, 1999).

No século XVIII, o químico sueco Carl Wilhelm Scheele, isolou uma fase líquida

transparente e viscosa, denominada “o princípio doce das gorduras”, por meio do

aquecimento do óleo de oliva sob a presença de óxido de chumbo(II) (KNOTHE et

al., 2006). Da era moderna até o fim da segunda guerra mundial, a produção de

glicerina era realizada pelo método clássico da saponificação ou hidrólise de

matérias graxas e oleaginosas e a glicerina (mistura de glicerol e outros compostos)

gerada pela saponificação/hidrólise era purificada e utilizada como matéria-prima

para a produção de nitroglicerina na indústria bélica. Com o aumento da demanda

por esta matéria-prima pela indústria bélica como também na indústria cosmética e

de higiene pessoal, desenvolveu-se em 1949, um novo método de produção de

glicerina a partir do propeno (Esquema I).

Esquema I – Fluxograma de reações químicas para a produção, em escala industrial, de glicerol a

partir do hidrocarboneto propeno.

Fonte: BEATRIZ et al., 2011

21

2.2. GLICERINA E BIODIESEL

Em 1970, na Alemanha, as pesquisas estavam focadas na produção do

biodiesel, oriundo da reação de transesterificação do óleo de colza com metanol na

presença de catalisadores básicos. Desde então, a utilização do biodiesel como

fonte energética veio sendo paulatinamente incorporada no cenário mundial.

No Brasil, desde 1980 o biodiesel foi abordado em alguns estudos científicos

que apontavam a viabilidade técnica da produção deste biocombustível a partir de

diversas matérias-primas (PARENTE,2003), e somente em 2005, estabeleceu-se o

Programa Nacional do Biodiesel e atribui-se à Agência Nacional de Petróleo Gás,

Natural e Biocombustíveis (ANP), regular e fiscalizar as atividades relativas à

produção, controle de qualidade, distribuição, revenda e comercialização deste

biocombustível (BRASIL, 2005; ANP, 2016).

O biodiesel, mistura de ésteres, é um biocombustível produzido a partir da

reação de transesterificação de óleos vegetais ou gorduras animais com alcoóis de

cadeia curta na presença de um catalisador (Esquema II).

Esquema II - Reação simplificada da transesterificação do triacilglicerídeo com um álcool na presença

de catalisador para a produção de misturas de ésteres e glicerol.

Fonte: GERIS et al., 2007.

Atualmente a maior fonte de glicerina bruta, no mercado interno e externo, é

oriunda da produção do biodiesel via transesterificação clássica de óleos e gorduras

na presença de catalisador básico. Portanto, o valor de mercado deste insumo tende

a ser menor em virtude da grande oferta, da baixa pureza e da insuficiente demanda

cativa solidificada, inviabilizando a concorrência competitiva do mercado para fontes

de glicerina oriundas do processo térmico de haloidrina de propileno. Muitas

22

unidades fabris encerraram suas atividades pelo processo termal e a atualmente

glicerina de origem sintética representa menos de 10% da produção global

(KNOTHE et al., 2006).

O mercado nacional tem tido uma ascendente oferta de glicerina bruta

oriunda da produção de biodiesel (Figura 1). A estimativa é de que no ano de 2015 o

volume tenha chegado a 400.000 m3, acarretado abundância desta matéria-prima,

sob preços irrisórios. Portanto, essa situação se torna um desafio para as usinas,

visando uma destinação final econômica e ambientalmente viável para a glicerina

bruta.

Figura 1 – Produção estimada de glicerina bruta oriunda da produção de biodiesel (2005 – 2015)

Fonte: ANP, 2016

2.3 PROPRIEDADES E APLICAÇÕES DO GLICEROL

O composto glicerol é denominado pela IUPAC como 1,2,3-propanotriol. Por

outro lado, a glicerina é definida como uma mistura contendo o glicerol e impurezas,

tais como, água, metanol, cloreto, sais inorgânicos, biodiesel, óleos/gorduras e

residuais do processo produtivo. Tipicamente, encontram-se nas indústrias de

biodiesel do país, glicerinas brutas com teor de glicerol de 40-80 % (m/m), teor de

água de 0,1-80 % (m/m), teor de álcool de 0,0-12 % (m/m), teor de sais inorgânicos

de 0,1-5,0 % (m/m) e teor de biodiesel de 1 % (m/m) (BIODIESELBR, 2012). Já a

23

glicerina loira, a glicerina grau técnico e a glicerina grau USP possuem

respectivamente, 70-80 % (m/m), 95,5-99,0 %(m/m) e 99,5 – 99,99 % (m/m) de teor

mínimo de glicerol (PAGLIARO e ROSSI, 2008). Na Figura 2 estão mostradas as

fotos de glicerinas brutas, loira e grau USP a título de ilustração.

Figura 2 – Tipos de glicerinas oriundas da produção de biodiesel

Glicerina Bruta Glicerina loira Glicerina Grau USP

Fonte: PAGLIARO e ROSSI, 2008

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

24

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.

26

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

27

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.

28

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

30

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,

nitrometano, metiletil cetona, tetrahidrofurano, clorofórmio, ciclohexano, 1,2-

dimetoxietano, 2-metoxietanol, metilciclohexano, 1-4-dioxona, 2-etoxietanol, piridina,

31

tolueno, clorobenzeno e p-xileno) e classe 3 (pentano, etanol, etil éter, acetona, etil

formato, 2-propanol, metil acetato, metil tert-butil éter, 1-propanol, etil acetato, 2-

butanol, 2-metil-1-propanol, isopropil acetato, n-heptano, 1-butanol, propil acetato, 3-

metil-1-butanol, 1-pentanol e butil acetato,) residuais em fármacos por cromatografia

à gás acoplada com amostrador headspace. Estes contaminantes afetam as

propriedades físico-químicas dos fármacos por serem tóxicos e terem restrições

legais para o seu manuseio. Utilizou-se o cromatógrafo a gás Agilent 6890 A com

detector de ionização em chama e amostrador automático headspace Agilent 7694.

As condições cromatográficas para o método são: coluna – Agilent DB-624(6%

cianopropilfenil 94% dimetilpolisiloxano, 30 m x 0,32 mm x 1,8 µm; temperatura do

injetor de 200 ºC, fluxo do gás de arraste (Hélio) de 1,8 mL/min; razão de separação

do injetor de 1:1; rampa de temperatura do forno de 35 ºC (0 – 3 min) → 4 ºC/min →

110 ºC (3 – 21,75 min) → 40 ºC/min → 240 ºC (21,75 – 25 min) → 240 ºC (25 – 30

min); temperatura do detector de 260 ºC; fluxo dos gases no detector – hidrogênio

(35 mL/min), ar (350 ml/min) e makeup (23,2 ml/min).

No amostrador headspace utilizou-se temperatura de equilíbrio de 140 ºC e

tempo de equilíbrio de 10 min. Preparou-se 10 níveis de concentração para cada

solvente estudado numa faixa de concentração de 0,2 – 15000 ppm em

dimetilsufóxido (DMSO). O metanol e o etanol apresentaram tempo de retenção 3,53

e 4,66, respectivamente. O coeficiente de regressão linear (r2) da curva analítica do

etanol foi de 0,9994 e do metanol foi de 0,9996. Para o metanol o limite de

quantificação (LQ) foi de 2,11 e o limite de detecção (LD) foi de 0,63 ppm no entanto

para o etanol o LQ e LD foram 3,68 ppm e 1,10 ppm, respectivamente. Nos testes

de recuperação, o etanol apresentou maior recuperação para faixa de baixa

concentração (2 – 90 ppm) enquanto o metanol apresentou melhor recuperação

para faixa de alta concentração (20 – 900 ppm). O método validado por Cheng et al.

(2010) apresentou-se preciso, seletivo, linear, sensível e eficiente para determinar

44 solventes residuais em fármacos.

Uematsu et al. (2002) desenvolveram um métodos para quantificar metanol e

etanol residuais em extratos de alcaçuz por cromatografia à gás acoplada com

injeção headspace. O extrato de alcaçuz é um aditivo alimentar natural e os

solventes orgânicos são amplamente utilizados na produção de aditivos alimentares

naturais para a extração, purificação e recristalização. Pode-se ter uma

32

concentração residual no produto final e, portanto, a legislação japonesa restringe no

máximo 50 µg/g de metanol. Realizou-se a quantificação em 20 amostras de

extratos de alcaçuz coletadas aleatoriamente em supermercados japoneses nos

anos de 1999 e 2000. Utilizou-se um cromatógrafo a gás Hewlett Packard HP5890

Series II acoplado com amostrador automático headspace Perkin-Elmer HS-40.

As condições cromatográficas foram: coluna: PoraplotQ (poliestireno-

divinilbenzeno), 25 m x 0,32 mm x 10 µm; rampa de temperatura do forno: 35 ºC (1

min.) → 30 ºC/min → 100 ºC (0 min) → 5 ºC/min. → 150 ºC (0 min.) → 240 ºC (10

min.); temperatura do injetor: 180 ºC; temperatura do detector: 250 ºC. As condições

de amostragem headspace foram temperatura de equilíbrio de 50 ºC, tempo de

equilíbrio de 40 min., pressurização 3 min. e tempo de injeção na coluna de 0,75

min., temperatura da seringa de 120 ºC, temperatura da linha de transferência de

150 ºC e pressão do gás de arraste de 170 kPa.

A quantificação dos contaminantes foi feita pelo método da adição de padrão

e as curvas de calibração foram preparadas para cada amostra ensaiada. Mediu-se

0,5 g de extrato de alcaçuz, dilui-se em 3 mL de solução água-n-propanol (1:1(v/v)),

acrescentou-se 0,25 mL de solução padrão de metanol e etanol nas concentrações

de metade, uma vez e duas vezes da concentração esperada na amostra. O

coeficiente de correlação das curvas analíticas foi >0,99 e o LQ foi de 5 µg/g. A

repetitividade do método foi reportada no valor de 0,82 e 2,97 desvios padrões de

metanol e etanol, respectivamente. Foram encontradas 8 amostras com valores de

metanol residual acima da especificação vigente.

Li et al. (2007) validaram um método para determinar metanol em sub-produto

do processo de fabricação de papel por cromatografia à gás com headspace. Este

sub-produto é uma solução aquosa de resíduos de lignina, hemicelulose e os

produtos químicos utilizados no processo. O metanol é um poluente do ar e a sua

emissão nos moinhos Kraft é regulada pela Agência de Proteção Ambiental

Japonesa (APAJ). Utilizou-se um cromatógrafo a gás Hewllet-Packard HP 6890 e

amostrador automático HP-7694. Um pequeno volume da amostra (10 – 20 µL) foi

medido em um vial de 20 mL e selado. Posteriormente, aqueceu-se o vial a 105 ºC e

manteve-se o vial por um tempo de 3 minutos.

Os parâmetros de temperatura de equilíbrio, tempo de equilíbrio e tamanho

de amostra para desenvolver os requisitos de validação. Foi otimizada o método de

33

padronização externa e o r2 foi de 0,9998 para n = 7e o LQ foi de 0,47 ppm. A

recuperação e a repetitividade foram > 96 % e < 4 %, respectivamente. O método se

mostrou simples, rápido e exato.

Li et al. (2010) validaram um método para quantificar furfural em biomassa

hidrolisada, otimizando-se a temperatura de equilíbrio, o tempo de equilíbrio e o

tamanho da amostra. Foi empregado um cromatógrafo a gás Shimadzu GC 2010

com headspace automático DANI HSS 8065. As condições cromatográficas foram

coluna capilarDB-5 ((5%fenil)-metilpolisiloxano) a 90 ºC; gás de arraste: nitrogênio

ultra puro; fluxo do gás de arraste: 3,8 mL/min.; fluxo de hidrogênio no detector: 40

mL/min.; fluxo de ar sintético no detector: 400 mL/min.; headspace – temperatura de

equilíbrio (105ºC) e tempo de equilíbrio (3 min.). A quantificação foi pelo método da

padronização externa, e o coeficiente de correlação (r2) é 0,9994 para n = 6. O LQ

foi de0,087 ppm. A precisão do método foi menor que 0,5 % e a recuperação de

100,2 ± 1,7 %. O método não requer tratamento de limpeza da amostra, é rápido,

preciso e utiliza um volume amostral de 40 µL.

As características químicas majoritárias das matrizes investigadas nos

trabalhos discutidos apresentam hidroxila na estrutura química, tais como, alcaçuz

(ácido glicinízico), oleoresina (ácidos diterpenos), óleos essenciais (ácidos graxos), e

liquor negro (polissacarídeos) e, portanto, as interações intermoleculares entre o

analito e a matriz podem perturbar o equilíbrio de fases. Além disso, a presença de

compostos inorgânicos aumenta a força iônica do meio e afeta as interações do

analito com a matriz (PLAGIARI & ROSSI,2008).

Neste contexto, no caso da glicerina bruta o metanol em equilíbrio durante a

amostragem headspace pode sofrer influência da matriz e, portanto o método de

quantificação deve ser rigorosamente investigado e validado para garantir a

confiabilidade dos resultados.

2.4. VALIDAÇÃO DE MÉTODOS ANALÍTICOS

A validação de um método analítico é um protocolo de comprovação no qual

os requisitos estabelecidos devem estar adequados para a finalidade proposta

(INMETRO, 2011). Estes requisitos incluem a precisão (repetitividade, precisão

intermediária e reprodutibilidade), seletividade, tendência/recuperação, robustez,

34

linearidade, faixa de trabalho, limite de detecção e limite de quantificação (ALBANO

& RODRIGUEZ, 2009; INMETRO, 2011).

A seletividade é a capacidade do método em determinar o analito na matriz

sob a presença de interferentes/contaminantes. A verificação da seletividade do

método deve ser realizada a partir da comparação entre os sinais advindos do

processamento da matriz, do extrato da matriz fortificado e do analito.

A linearidade é a verificação de até que ponto a faixa de concentração do

analito coincide com a faixa dinâmica linear e assegurar que nenhum outro

fenômeno tenha impacto indesejável na resposta. Este requisito pode ser executado

por padronização interna ou externa e testes estatísticos são utilizados para

constatar a ausência de valores discrepantes. Por outro lado, a faixa linear de

trabalho de um método é o intervalo entre os níveis inferior e superior de

concentração do analito no qual foi demonstrado ser possível a quantificação com

precisão, exatidão e linearidade exigidos, sob condições estabelecidas para o

método.

Já o limite de detecção é a indicação do nível em que a detecção do analito

pode ser distinguida do sinal do branco/ruído e o limite de quantificação é a menor

concentração, excluindo o branco, verificada.

A tendência, quando aplicada a uma série de resultados de ensaio, implica

numa combinação de componentes de erros aleatórios e sistemáticos podendo ser

averiguada pelo uso de materiais de referência certificados, a participação de

programas de comparações interlaboratoriais, bem como por ensaios de

recuperação. A recuperação pode ser estimada pela análise de amostras fortificadas

com baixa, média e alta concentração do analito.

A precisão do método é o grau de concordância entre os resultados

encontrados, obtidos por medições sucessivas, no mesmo equipamento ou similar,

sob condições de repetitividade, condições de precisão intermediária ou condições

de reprodutibilidade (INMETRO, 2011). A repetitividade é o grau de concordância

entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando, efetuadas

sob as mesmas condições de medição. A precisão intermediária é a precisão

avaliada sobre a mesma amostra, amostras idênticas ou padrões, utilizando o

mesmo método, no mesmo laboratório, mas em diferentes condições, tais como,

diferentes analistas, diferentes equipamentos ou diferentes tempos.

35

A robustez do método é definida como a suscetibilidade de um método

analítico em responder a pequenas alterações das condições experimentais, como

condições de armazenamento, preparações e manuseio da amostra, dentre outras

pequenas alterações.

Embora os termos erros e análise de erros sejam amplamente disseminados

no âmbito da pesquisa, para avaliar a confiabilidade de metodologias analíticas

validadas, na maioria dos artigos científicos, expressa-se apenas o desvio padrão

como medida da qualidade dos resultados obtidos, desprezando-se outras fontes

que contribuem para a dispersão das medidas. Fontes como a calibração, resolução

e deriva dos equipamentos, pureza dos reagentes e solventes, curva analítica,

repetitividade, reprodutibilidade, precisão intermediária, preparo de soluções,

padronização de soluções, verificação intermediária do equipamento, dentre outras

afetam o valor observado para a concentração de um analito.

Assim, a medida da concentração de um analito é mais rigorosa quando se

obtém a estimativa da incerteza de medição. A incerteza expressa a dispersão dos

resultados atribuídos a uma determinada medida, dentro de um nível de significância

e fator de abrangência específica, sendo calculada por meio de ferramentas

estatísticas (HIBBERT, 2007).O cálculo da incerteza de medição é um requisito legal

para implementação de Sistemas de Gestão da Qualidade baseados nas diretrizes

da norma ABNT NBR ISO/IEC 17025:2005 para laboratórios de ensaio e de

calibração(INMETRO 2003 & 2013).A declaração da incerteza de medição fornece

confiabilidade metrológica na medição realizada e também é possível comparar

resultados obtidos dentro de um nível de confiança estabelecido.

A estimativa da incerteza de medição é realizada comumente seguindo-se as

etapas:

a) Identificação das fontes de incerteza que podem influenciar no resultado

dos ensaios;

b) Quantificação os componentes de incerteza e distribuição de

probabilidade;

c) Determinação da incerteza padrão (ui) para cada fonte de incerteza;

d) Cálculo de incerteza padrão combinada (uc);

e) Cálculo de incerteza expandida (U95).

36

A identificação das fontes de incerteza pode ser realizada por meio das

técnicas de qualidade brainstorming ou diagrama de Ishikawa. O método

brainstorming consiste em um apanhado geral não sistemático sobre as possíveis

fontes de incerteza que possam comprometer a confiabilidade da medida executada.

Nem todas as fontes apontadas no brainstorming são passiveis de serem

mensuradas como, por exemplo, a influência da variação da umidade relativa do ar

na medição de massa em uma balança. O diagrama de Ishikawa consiste

em relatar as fontes de incerteza dentro das seguintes classes:

equipamentos/vidrarias/instrumentos, reagentes/soluções/padrões, curva analítica,

condições ambientais e mão-de-obra (repetitividade, precisão intermediária e

reprodutibilidade), e a partir disso, relaciona-se as possíveis fontes de incerteza da

metodologia analítica com as classes acima.

As fontes de incerteza são definidas como do tipo A ou tipo B. As do tipo A

envolvem a análise estatística de uma série de observações, como por exemplo, o

desvio padrão experimental da média, obtido do cálculo da média aritmética ou de

uma análise de regressão adequada. As demais incertezas são do tipo B, como por

exemplo, a incerteza expandida declarada em certificados de calibração Rede

Brasileira de Calibração (RBC), em Materiais de Referência Certificados (reagentes

ou padrões), em especificações dos equipamentos pelo fabricante, em dados de

históricos de repetitividade, precisão intermediária e reprodutibilidade, dentre outros.

As incertezas do tipo A ou tipo B são expressas na forma de uma distribuição de

probabilidade, haja vista que toda incerteza refere-se a uma dispersão de dados e

não um valor pontual. Em geral, utilizam-se as distribuições de probabilidade normal,

retangular, triangular, t-Student e Poison, representadas na tabela 4.

37

Tabela 4 - Distribuições de probabilidade frequentemente aplicadas na estimativa da incerteza de

medição na avaliação dos dados de entrada

Distribuição Representação de probabilidade

Aplicação

Normal

Quando se conhece a média e o desvio padrão populacional

Retangular

Quando se sabe apenas o valor máximo e mínimo de variação. (amplitude)

Triangular

Quando se conhece a amplitude e a moda (valor de maior ocorrência)

t-Student

Quando se conhece o desvio padrão amostral para uma amostra tamanho n

Poison

Quando se trata de um processo de contagem


Cada fonte de incerteza está associada com uma distribuição de

probabilidade específica, como por exemplo, a resolução limitada de um

equipamento sempre será retangular, pois haverá um desvio mínimo e máximo

estabelecidos. Um exemplo de aplicação de probabilidade normal é a fonte de

incerteza de calibração do equipamento. Para uma distribuição de probabilidade t-

Student pode-se exemplificar a fonte de incerteza de materiais de referência

certificados. Já para triangular podemos utilizar a resolução limitada de um

instrumento analógico. Para a Poison quando a fonte de entrada da incerteza é a

média e a variância de um sistema de contagem.

38

A incerteza expandida de um método analítico, declarada com 95% de

probabilidade pode ser obtida a partir das equações de 1 a 13. Primeiramente, a

incerteza padrão (ui) para cada fonte é calculada utilizando-se a equação 1:

(1)

Onde ux é a incerteza de entrada de cada fonte, d é o divisor da distribuição de

probabilidade e ci é o coeficiente de sensibilidade.

Para a distribuição de probabilidade retangular, o divisor (d) é e o grau de

liberdade é infinito. Por outro lado, para a curva analítica, certificados de calibração,

repetitividade e precisão intermediária a distribuição de probabilidade é do tipo

normal. Porém, na incerteza do certificado de calibração RBC tem-se o valor do

divisor sendo k com graus de liberdade efetivos, veff. No caso da curva analítica o

divisor é unitário e o grau de liberdade é dado por n-2, sendo n o número de pontos

da curva. Da mesma forma, a repetitividade e a precisão intermediária têm o divisor

unitário, porém o grau de liberdade é n-1, onde n é o número de medições

executadas para a repetitividade ou o número de variáveis diferentes para precisão

intermediária.

A incerteza padrão (ui) da curva analítica é calculada a partir de dados

experimentais que posteriormente são tratados em uma série de modelos

matemáticos, conforme as equações 2 a 9.

(2)

(3)

(4)

39

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Onde u(y) é a incerteza da interpolação da curva analítica, cα é o coeficiente de

sensibilidade da componente α, u(α) é a incerteza padrão do intercepto da curva

analítica, cβ é o coeficiente de sensibilidade da componente β, u(β) é a incerteza

padrão do intercepto da curva analítica, rαβ é o coeficiente de correlação da curva

analítica, xi é a concentração do analito na solução padrão utilizada para cada ponto

da curva analítica, n é o número de pontos da curva analítica, s é o desvio padrão

dos resíduos da curva analítica em y, D é a diferença da concentração soma

quadrática de xi concentrações do analito nas soluções padrão entre o quadrado da

somatória de xi, yαβ é o valor da área do pico do metanol obtido para cada ponto da

curva de calibração e y^ é o valor do sinal analítico, calculado a partir da equação da

reta.

A partir da soma quadrática das incertezas padrão obtêm-se a contribuição

percentual de cada fonte e o seu impacto na incerteza expandida, a partir da

equação 10:

40

(10)

Onde é a incerteza padrão quadrática e é a soma quadrática de todas as

incertezas padrão apontadas.

O cálculo da incerteza padrão combinada (uc) é realizado a partir da raiz

quadrada da soma quadrática das incertezas padrão, conforme equação 11:

(11)

No finala incerteza expandida (U95) com distribuição de probabilidade normal

é calculada a partir da equação 12:

(12)

onde U95 é a incerteza de medição expandida com probabilidade de 95%, k é o fator

de abrangência da tabela t-Student a partir dos graus de liberdade efetivos Welch-

Satterthwaite. Os graus de liberdade efetivos de Welch-Statterwaitte são obtidos de

acordo com a equação 13:

(13)

Onde νi é o grau de liberdade relativo à distribuição de probabilidade associada à

fonte de incerteza.

41

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GERAL

O objetivo geral deste trabalho é a caracterização química de amostras de

glicerina bruta oriunda da produção de biodiesel do Estado de Mato Grosso e o

desenvolvimento e validação de um método para determinação de metanol em

glicerina.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Os objetivos específicos a serem alcançados neste trabalho são:

• Caracterizar o perfil químico de amostras de glicerina bruta coletadas

em usinas produtoras de biodiesel no Estado de Mato Grosso.

• Realizar o estudo do efeito de matriz na quantificação do metanol por

curvas analíticas de padronização externa;

• Otimizar as condições cromatográficas para amostragem headspace;

• Validar o método para determinação do teor de metanol por

cromatografia à gás;

• Expressar a incerteza de medição do método desenvolvido e validado;

• Determinar o teor de metanol nas amostras de glicerina bruta.

42

4. PARTE EXPERIMENTAL

4.1. COLETA DAS AMOSTRAS DE GLICERINA BRUTA

No período de março de 2012 a março de 2013 foram coletadas amostras de

aproximadamente 5 litros de glicerina bruta em 10 usinas de biodiesel instaladas no

estado de Mato Grosso. As amostras foram codificadas conforme a Tabela 5 e

mantidas em temperatura de 23 ± 5 ºC em todo o período do estudo.

Nas unidades produtoras, utiliza-se a transesterificação metílica na presença

do catalisador metilato de sódio e matéria-prima majoritariamente a base de óleo de

soja degomado (OSD) ou mistura de óleo de algodão degomado (OAD), gordura

bovina(GB) e OSD em proporções diversas.

Tabela 5- Coleta, codificação das amostras de glicerina e matéria prima utilizada na produção do biodiesel

Período de coleta Código da amostra Proporção da matéria-prima Março/2012 A1 100%OSD Julho/2012 A2 100%OSD

Agosto/2012 A3 100%OSD Dezembro/2012 B1 30%OAD+70%OSD Dezembro/2012 B2 30%OAD+70%OSD Dezembro/2012 B3 100%OSD

Janeiro/2013 C1 100%OSD Fevereiro/2013 C2 100%OSD

Março/2013 D1 20%OAD+70%OSD+10%GB Março/2013 D2 30%OAD+70%OSD


4.2. CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA PARCIAL DAS AMOSTRAS DE

GLICERINA BRUTA

Diante da diversidade esperada para o perfil químico das amostras de

glicerina bruta, fez-se necessário sua caracterização para orientar o

desenvolvimento e validação do método analítico. Além disso, esta caracterização

43

possibilitou avaliar a qualidade deste grupo de amostras das usinas de biodiesel no

Estado de Mato Grosso.

Assim, a caracterização físico-química consistiu-se em ensaiar os parâmetros

de teor de água, cinzas sulfatadas, teor de cloreto, teor de glicerol e teor de óleos e

gorduras totais.

Para a determinação do teor de água foi utilizada a técnica de titulação

coulométrica de Karl Fischer, onde uma alíquota da amostra é injetada na solução

catolítica e o iodo é gerado coulometricamente na solução anolítica. Quando toda a

água é consumida na reação, o excesso de iodo é detectado e a titulação é

finalizada. Baseado na estequiometria reacional, 1 mol de iodo reage com 1 mol de

água, e a quantidade de água é proporcional ao total da corrente integrada

mensurada, conforme a lei de Faraday.

Empregou-se a solução catolítica (Hydranal Coulomat CG, Fluka, Lote

SZBB200FV) e a solução anolítica (Hydranal Coulomat AG, Fluka, Lote

SZBB3200V) no ensaio. Mediu-se 2 mL de glicerina bruta em uma seringa plástica

descartável e sem agulha (Marca Descarpack) e ambientou-se 3 vezes a seringa

com porções de amostra. Conectou-se a agulha na seringa. Em seguida, mediu-se a

massa da seringa+amostra em balança analítica) e posteriormente, injetou-se a

amostra no titulador coulométrico Karl Fischer (Kem Kyoto, MKC-610). Depois,

mediu-se a massa da seringa após a injeção no titulador e a diferença dessas

medidas de massa é a quantidade de amostra utilizada. Realizou-se o ensaio em

duplicatas verdadeiras e o teor de água foi expresso em % (m/m).

O teor de cinzas sulfatadas foi expresso intrinsecamente a concentração total

de contaminantes metálicos remanescentes do catalisador e da matéria-prima

empregados no processo de transesterificação. As cinzas são basicamente

constituídas de sais inorgânicos, tais como, óxidos metálicos de cálcio, magnésio,

sódio ou potássio, que são formados após a combustão do produto.

Para quantificar o teor de cinzas, utilizou-se o método de Fernandes et

al.(2011). Calcinaram-se as cápsulas de porcelana a 775 ºC por 30 minutos em

forno mufla(EDG3000 10P-S) e deixou-se resfriar até temperatura ambiente em

dessecador. Mediu-se a massa da cápsula em balança analítica (Shimadzu, AX200)

e em seguida, tarou-se a balança e mediu-se 2 g de glicerina bruta. Aqueceu-se a

em bico de Bünsen até completa carbonização e em seguida resfriou-se até

44

temperatura ambiente e adicionou-se 1 mL de ácido sulfúrico ACS (J.T. Baker, Lote

K05C08). Aqueceu-se em bico de Bünsen a cápsula até que os fumos brancos de

ácido sulfúrico fossem liberados. Em seguida, colocou-se a cápsula em forno mufla

a 775 ºC por 30 minutos. Retirou-se do forno mufla e deixou-se resfriando até

temperatura ambiente em dessecador sem agente dessecante. Este procedimento

foi repetido mais uma vez. Posteriormente, mediu-se a massa final da cápsula e

calculou-se o teor de cinzas sulfatadas expresso em % (m/m).

A determinação do teor de cloreto foi realizada em triplicatas verdadeiras de

acordo com Nogueira et al. (2012). Este método é baseado na titulação volumétrica

de Mohr. Preparou-se uma solução aquosa de nitrato de prata 0,1 mol/L. (p.a.,

Freechem e Lote 008.855F) e, em seguida, padronizou-se com solução aquosa de

cloreto de sódio 0,1 mol/L (p.a., Freechem e Lote 009.119F) na presença do

indicador de cromato de potássio 1% (m/v) (p.a., Proquimicos e Lote 1010134) até

uma turvação marrom avermelhada. Na padronização utilizou-se uma bureta de

vidro de 10 mL com escoamento total calibrada RBC (Vidrolador, subdivisão 0,05 mL

e certificado de calibração RBC Setting nº VD-11-124/11).

Mediu-se 1,0 g de glicerina bruta em um erlenmeyer de 500 mL e

acrescentou-se 100 mL de água destilada e 1 mL de cromato de potássio 1% (m/v).

Posteriormente titulou-se com solução padronizada de nitrato de prata 0,1 mol/L até

a turvação marrom avermelhada. Realizou-se o ensaio do branco titulando-se a

água destilada. Calculou-se o teor de cloreto de acordo com a equação (14):

(14)

Onde A é o volume gasto da solução 0,1 mol/L de AgNO3, em litros e B é o volume

gasto de solução 0,1 mol/L de AgNO3 no ensaio do branco, em litros. C é a

concentração real da solução de AgNO3, em mol/L, D é a massa da amostra, em

gramas e 35,45 é a massa molecular do cloreto.

A quantificação do teor de glicerol foi realizada empregando-se o método da

AOCS Ea 6-94 baseado na oxidação do glicerol pelo metaperiodato de sódio sob

presença de um ácido de forte, onde são gerados o ácido fórmico e o formaldeído

45

(Esquema III). Posteriormente, titula-se com uma solução padronizada de hidróxido

de sódio até ponto de viragem rósea.

Esquema III - Reação de produção de ácido fórmico e formaldeído a partir do glicerol e metaperiodato

de sódio.

Fonte: ASTM 7637:2010

Para tanto, mediu-se 0,50 g de glicerina bruta em balança analítica (OHAUS,

AR2140) e dissolveu-se com 100 mL de água destilada. Adicionou-se 5 a 7 gotas de

fenolftaleína alcoólica 1% (m/v) (p.a., Freechem, lote 009.354F) e em seguida, 2

gotas de solução de ácido sulfúrico 0,02N (ACS, J.T.Baker, lote K05C08). Titulou-se

em uma bureta de vidro de 10 mL com escoamento total com uma solução aquosa

de hidróxido de sódio 0,125 N (p.a., QHIMIS e lote Q0059) até a coloração rósea.

Após, adicionou-se 50 mL de solução ácida de metaperiodato de sódio 6%

(m/v) (p.a., Cinética, lote 17676), agitou-se levemente e tampou-se. Deixou-se em

repouso por 30 minutos a temperatura ambiente em local sem iluminação. Em

seguida, adicionou-se 10 ml de solução de etilenoglicol 50 % (v/v)(p.a., Synth, lote

168826), aguardou-se 20 minutos e, posteriormente, titulou-se com solução de

hidróxido de sódio 0,125 N até coloração rósea. Para o ensaio do branco, utilizou-se

50 mL de água destilada. Calculou-se o teor de glicerol conforme a equação (15):

(15)

onde S é o volume gasto de solução de hidróxido de sódio 0,125 N em mL; B é o

volume gasto de solução de hidróxido de sódio 0,125 N no ensaio do branco em mL;

9,209 é o fator massa do ácido fórmico gerado na reação, N é a normalidade da

solução de hidróxido de sódio e m é a massa da amostra, g

O ensaio do teor de óleos e gorduras totais foi realizado com o método

gravimétrico clássico baseado na extração líquido-líquido. Mediu-se 200 g de

glicerina bruta em uma balança semi-analítica (A&D, modelo EK-2000G) e transferiu-

46

se para um funil de separação de 1L. Adicionou-se 100 mL de água destilada e em

seguida, verteu-se 3 vezes e abriu-se invertidamente a torneira para saída de

vapores. Deixou-se a mistura em repouso por aproximadamente 10 min. E,

adicionou-se 30 mL de n-hexano (ACS , Vetec e lote 0907382). Logo após, verteu-

se 3 vezes e abriu-se invertidamente a torneira para saída de vapores. Adicionou-se

mais 2 porções de 30 mL de n-hexano e deixou-se em repouso por cerca de 10 min.

Em seguida, escoou-se a fase mais densa e descartou-a. A fase mais leve foi

recolhida em um béquer de vidro de 100 mL, previamente seco a 105 ± 5 ºC e

massa constante. Aqueceu-se a uma temperatura de 80 ± 10 ºC em chapa de

aquecimento (Fisatom, modelo 501) até a evaporação do solvente. Deixou-se em

repouso, em dessecador com sílica gel p.a. 4 mm (Freechem, lote 009.817F).Ao

final, mediu-se a massa do béquer + Teor de óleos e gorduras(TOG) e calculou-se o

teor de TOG e expressando-se em %massa.

Todas as medidas de massa foram realizadas em balança analítica Adventur

OHAUS, AR2140 calibrada RBC, conforme certificado RBC Setting nº MS-08-

091/2013 apresentado no Anexo 10.1.

4.3. DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO PARA QUANTIFICAÇÃO DO

TEOR DE METANOL POR CROMATOGRAFIA À GÁS

A caracterização da glicerina bruta mostrou a diversidade de composição da

matriz. Diante disso, iniciou-se o desenvolvimento da metodologia de quantificação

do teor de metanol em glicerina bruta utilizando cromatografia à gás acoplada com

sistema de amostragem automático por headspace. Nos métodos testados buscou-

se a padronização externa em função da inserção destas técnicas em rotina de

laboratório e análise de um grande volume de amostras por período.

Para todos os métodos utilizou-se um cromatógrafo a gás Shimadzu CG 2010

equipado com autoamostrador AOC – 5000 em modo headspace, injetor split,

coluna de fase apolar 100% dimetilpolisiloxano (30 m x 0,32 mm i.d. x 3 µm), marca

Restek e modelo Rtx-1, detector de ionização em chamas (FID) e software

CGSolution para tratamento de dados.

47

4.3.1. Método com sobreposição de matriz

Inicialmente foi explorada a quantificação do metanol a partir da otimização do

método proposto na norma EN14110:2003, amplamente utilizado para determinar o

teor de metanol em amostras de biodiesel. Esta norma baseia-se na padronização

externa com sobreposição de matriz e, assim sua adaptação para quantificação do

teor de metanol em amostras de glicerina, representa uma vantagem para os

laboratórios que já realizam análise do biodiesel, podendo realizar o ensaio com a

mesma instrumentação. Inicialmente, aqueceu-se a amostra de glicerina bruta A1 a

uma temperatura de 110 ± 10° C, sob agitação magnética por 1,5 h, para eliminação

do metanol. Posteriormente, preparou-se as soluções padrão de concentração de

metanol na faixa de 0,01 até 10 %(m/m) de metanol em uma amostra de glicerina

bruta sem metanol.

Realizou-se as leituras na amostra A1 para a construção da curva analítica,

conforme as condições cromatográficas apresentadas na Tabela 6:

Tabela 6 – Condições cromatográficas utilizadas na quantificação do metanol de acordo com a norma

EN14110:2003

Característica Condição

Gás de arraste Hélio

Modo de controle do fluxo Velocidade linear, 50 cm/s

Razão do Split 1:50

Temperatura do injetor 150 °C

Temperatura do detector 150 °C

Programa de temperatura do forno Isotérmico a 50 °C

Tempo de análise 10 minutos

Volume de injeção 500 µL(Amostrador headspace)

Temperatura de equilíbrio 80 °C(Amostrador headspace)

Tempo de equilíbrio 45 minutos(Amostrador headspace)

Fonte: EN14110:2003

Posteriormente, este método foi avaliado para determinação do metanol na

amostra A2 fortificada com 1,0 %(m/m) e 5,0 %(m/m) de metanol, em triplicatas

48

verdadeiras de acordo com a metodologia EN14110:2003 para avaliar o parâmetro

de recuperação. Calculou-se a recuperação de acordo com a equação (16):

(16)

Onde C1 é a concentração de metanol determinada nas amostras fortificadas, C2 é a

concentração na amostra sem fortificação e C3 a concentração nominal de

fortificação.

4.3.2. Método com matriz mimetizada

Em função dos resultados obtidos para os métodos de quantificação do

metanol baseados no método de sobreposição de matriz desenvolveu-se um método

com mimetização de matriz.

Inicialmente, preparou-se 1000 g de uma matriz mimetizada de glicerina bruta

com a seguinte formulação: 800 g de glicerina p.a. (Synth, lote 146437), 100 g de

água destilada, 50 g de cloreto de sódio p.a. (Freechem, lote 009.119F), 10 g de

biodiesel metílico de soja (Usina de biodiesel ADM, lote 100314) e 40 g de óleo de

soja degomado (Usina de biodiesel ADM, lote 200313). Esta formulação representa

a composição média das 10 amostras de estudo. Em especial o cloreto de sódio foi

utilizado pois representa a fração residual do catalisador metóxido de sódio e a

fração residual da água de lavagem de ácido clorídrico.

Em paralelo preparou-se uma solução padrão de 10 % (m/m) de metanol

(grau HPLC, J.T. Baker, lote k07c49) em glicerina mimetizada. Este padrão foi a

referência para os experimentos efetuados.

Neste método utilizou-se um planejamento fatorial completo para otimização

das variáveis de amostragem headspace a serem empregadas. O planejamento

fatorial 3³ possibilitou dimensionar matematicamente a influência da temperatura de

equilíbrio (T), tempo de equilíbrio (P) e volume de fase vapor da amostragem

headspace (V), de acordo com os níveis apresentados na Tabela 7.

49

Tabela 7–Distribuição completa dos fatores e dos níveis do planejamento fatorial 3³ empregado no

método com matriz mimetizada

Fatores Níveis

-1 0 +1 T / ºC 80 95 105 P / min. 1 10 20 V /µL 300 400 500


A partir do planejamento fatorial 33, gerou-se a matriz de 27 experimentos

apresentada na Tabela 8, que foram realizados em triplicatas verdadeiras. Nestes

experimentos, utilizou-se cerca de 150 mg da solução padrão 10 %(m/m) de

metanol. Ao término dos ensaios, averiguou-se os efeitos primários, secundários e

terciários dos fatores sobre a área do pico do metanol. A partir desta análise, fixou-

se o volume de amostragem e determinou-se a superfície de resposta para o

planejamento fatorial e extrapolou-se a condição otimizada para o amostrador

headspace em termos da temperatura e tempo de equilíbrio.

Tabela 8- Matriz de experimentos no planejamento fatorial 3³ da amostragem headspace para o

método com matriz mimetizada.

Experimentos T(º C) P(min.) V(µL) 1 -1 -1 -1 2 -1 -1 0 3 -1 -1 1 4 -1 0 -1 5 -1 0 0 6 -1 0 1 7 -1 1 -1 8 -1 -1 0 9 -1 1 1

10 0 -1 -1 11 0 -1 0 12 0 -1 1 13 0 0 -1 14 0 0 0 15 0 0 1 16 0 1 -1 17 0 1 0 18 0 1 1 19 1 -1 -1 20 1 -1 0 21 1 -1 1 22 1 0 -1 23 1 0 0 24 1 0 1 25 1 1 -1

50

26 1 1 0 27 1 1 1


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)

51

(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


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


Para determinar a incerteza padrão(ui) para cada uma das fontes

identificadas no diagrama de Ishikawa definiu-se as incertezas de entrada(ux)bem

54

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

Amostra TG, % massa* TA, % massa* TCS, % massa* TC, % massa* TOG, % massa*

A1 46,81 ± 0,44 11,25 ± 0,11 5,75 ± 0,45 4,06 ± 0,03 0,28 ± 0,01 A2 67,97 ± 1,20 10,83 ± 0,49 6,37 ± 0,04 4,70 ± 0,02 1,64 ± 0,16 A3 50,41 ± 1,75 12,43 ± 0,03 5,23 ± 0,34 3,20 ± 0,01 0,26 ± 0,07 B1 65,40 ± 0,57 7,09 ± 0,11 6,91 ± 0,05 5,15 ± 0,03 4,60 ± 0,05 B2 51,18 ± 0,28 5,90 ± 0,25 6,86 ± 0,20 1,15 ± 0,03 0,17 ± 0,04 B3 56,37 ± 0,88 18,48 ± 0,40 4,75 ± 0,27 0,60 ± 0,03 0,65 ± 0,07 C1 56,82 ± 0,62 13,71 ± 0,87 8,05 ± 0,23 3,38 ± 0,02 1,49 ± 0,05 C2 55,74 ± 1,52 13,65 ± 0,25 7,96 ± 0,06 0,30 ± 0,01 0,90 ± 0,04 D1 34,37 ± 0,91 0,27 ± 0,00 3,62 ± 0,16 5,78 ± 0,03 1,19 ± 0,05

57

*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.


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.)


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


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


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.)


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


Tabela 14 - Coeficientes do modelo matemático obtido a partir do planejamento fatorial total 3³ no método com matriz mimetizada

b0 b1 b2 b3 b11 b22 b33 b12 b13 b23 b123

Coeficiente 6,63E+06 3,64E+05 1,53E+06 5,80E+05 -1,25E+05 -1,55E+06 2,38E+03 -4,10E+05 -2,30E+05 -5,08E+04 -1,26E+05

s 1,15E+05 5,33E+04 5,33E+04 5,33E+04 9,24E+04 9,24E+04 9,24E+04 6,53E+04 6,53E+04 6,53E+04 8,00E+04

LCL 6,48E+06 2,58E+05 1,43E+06 4,73E+05 -3,09E+05 -1,73E+06 -1,82E+05 -5,40E+05 -3,60E+05 -1,81E+05 -2,85E+05

UCL 6,94E+06 4,70E+05 1,64E+06 6,86E+05 5,92E+04 -1,36E+06 1,87E+05 -2,80E+05 -9,94E+04 7,94E+04 3,39E+04


Experimento T P V TT PP VV TP TV PV PTV Área média 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 2209390,9 2 -1 -1 0 1 1 0 1 0 0 0 2657449,7 3 -1 -1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 3391634,7 4 -1 0 -1 1 0 1 0 1 0 0 5525555,8 5 -1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 6431514,7 6 -1 0 1 1 0 1 0 -1 0 0 7336062,7 7 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 1 5440828,5 8 -1 1 0 1 1 0 -1 0 0 0 6120585,8 9 -1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 -1 7584744,0

10 0 -1 -1 0 1 1 0 0 1 0 2322218,2 11 0 -1 0 0 1 0 0 0 0 0 3426971,8 12 0 -1 1 0 1 1 0 0 -1 0 4191798,8 13 0 0 -1 0 0 1 0 0 0 0 6554797,0 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6649970,0 15 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 7259931,8 16 0 1 -1 0 1 1 0 0 -1 0 6719485,4 17 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 6913279,7 18 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 7061038,5 19 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 3978271,6 20 1 -1 0 1 1 0 -1 0 0 -1 4592900,1 21 1 -1 1 1 1 1 -1 1 -1 -1 5134107,8 22 1 0 -1 1 0 1 0 -1 0 0 6389751,5 23 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 6982972,7 24 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 6502563,8 25 1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 5999209,4 26 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 6559494,2 27 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7111665,3

66

Analisando a Tabela 13, constata-se que os experimentos 6, 9, 14, 15, 18 e

27 apresentam os maiores valores de área do pico do metanol. Nestes experimentos

o volume de fase vapor injetada foi de 500 µL, demonstrando que a contribuição da

variável volume de injeção tem uma proporcionalidade direta na área de metanol

obtida. Em face disto, optou-se pela metodologia de composto central para otimizar

a temperatura e o tempo de equilíbrio. Para tanto, obteve-se a fração 32 do

planejamento fatorial 3³ , conforme representação na figura 10.

Figura 10 – Planejamento fatorial fracionado com composto central do planejamento fatorial completo

3³ no método de mimetização de matriz. T = Temperatura de equilíbrio e P = tempo de equilíbrio


A partir destes experimentos, foi possível elaborar um modelo matemático

empírico que demonstra a melhor reposta, ou seja, a maior área de metanol dentro

da variabilidade das condições de temperatura (T) e tempo de equilíbrio (P). A partir

do modelo matemático empírico do composto central, as interações de T e P são

demonstradas pela superfície de reposta (figura 11).

Analisando-se a superfície de resposta verifica-se que nos patamares P -1 a

0,5 ocorre um aumento acentuado de área do metanol e, por outro lado, de 0,5 a 1

há uma diminuição na área do metanol, demonstrando que a variável P contribuiu

positivamente para o sistema até o tempo de equilíbrio de 12 minutos e, a partir

deste ponto, há uma perturbação no sistema que pode contribuir para degradação

do metanol ou potencializar a reatividade do metanol com outros componentes

presentes na glicerina bruta, como por exemplo, sais de sódio, com a formação de

67

sais orgânicos estáveis, o metóxido de sódio, negligenciando-se assim, a sua efetiva

quantificação.

Esta hipótese é reforçada em função dos baixos valores de recuperação

obtidos pelo método EN14110, onde o tempo de equilíbrio foi superior a 12 minutos,

totalizando 45 minutos a 80 ºC de temperatura de equilíbrio. Contudo, para a

variável T, verifica-se que no intervalo de -1 a 0 ocorre aumento da área do metanol,

enquanto que nos patamares de 0 a 1 permanece praticamente constante.

Figura 11 - Superfície de resposta das condições otimizadas da amostragem headspace do metanol

para o método com matriz mimetizada. T = Temperatura de equilíbrio e P = tempo de equilíbrio


Portanto, de acordo com o modelo matemático, a melhor condição

experimental para amostragem headspace foi tempo de equilíbrio de 12 minutos,

temperatura de equilíbrio de 80 ºC, com volume de fase de vapor de 500 µL.

Com esta condição otimizada, analisou-se em triplicatas verdadeiras uma

série de soluções padrão de baixa e alta concentração, preparadas em matriz

mimetizada. Os coeficientes de correlação linear (r²) obtidos foram de 0,9988 e

0,9792, respectivamente, para as curva de baixa e alta concentração, mostradas nas

figuras 12a e 12b. Ambos os valores de r² são aceitáveis para técnica analítica

aplicada, pois apresentam valores acima de 0,9500.

68

Figura 12- Curvas analíticas para o método de calibração externa com matriz mimetizada. (a) Curva analítica na faixa de

baixa concentração e (b) Curva analítica na faixa de alta concentração

0 1000 2000 3000 4000 5000

0

1

2

3

4

Áre

a /

105

(u.a

)

Conc. de metanol / mg/kg

Equação y = a + b*x

r² 0,99931

a -5016,5759

b 80,48232

(a)

0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

rءe

a / 1

06

(u

.a)

Conc. de metanol / % massa

Equaçمo y = a + b*x

r² 0,97919

a 100898,677

b 800061,404

(b)


A homocedasticidade de ambas as curvas analíticas foi avaliada usando a

ferramenta estatística ANOVA de fator único (α = 0,05). Verificou-se que para a

curva de alta concentração o valor de Fcal. foi de 6,11 x 10-10 e o Ftab.de 4,747225

(valorp = 0,9999) e que para curva baixa o valor de Fcal. foi de 1,66 x 10-7 e o Ftab.de

4,964603 (valorp = 0,9997). Isto demonstra que para ambas as curvas analíticas não

há variação significativa entre os valores de concentração estimados(Ŷ) a partir da

equação obtida na regressão linear e os valores de concentração real das soluções

padrão preparadas (Y) (Fcal.<Ftab. e valorp ≥ 0,05). Desta forma o modelo matemático

da regressão linear mostra-se adequado para a quantificação do metanol.

Determinou-se o LD e o LQ de acordo com as instruções do INMETRO (2011)

partindo-se da solução do branco. Na tabela 15 apresentam-se os resultados da

setuplicata dos ensaios de quantificação de metanol na solução branco da matriz

mimetizada. Neste caso, obteve-se LD e LQ de 0,0003 % (m/m) e de 0,0004 %

(m/m), respectivamente e sendo apropriados para quantificar o valor exigido pela

legislação.

Tabela 15- Resultados obtidos a partir da solução do branco no método com matriz mimetizada

69

Replicata Teor de metanol, %(m/m)

1 0,0001 2 0,0002 3 0,0002 4 0,0002 5 0,0002 6 0,0002 7 0,0002

Média 0,0002 Desvio padrão 0,00003


O teste de recuperação foi realizado com as amostras A2, B3 e D1 em dois

níveis de fortificação. Os resultados são mostrados na Tabela 16.

Tabela 16 - Resultados do ensaio de recuperação para amostras A2, B3 e D1 com os níveis de

fortificação 0,25 %(m/m) e 1,50 %(m/m) utilizando o método com matriz mimetizada.

Amostra C3 C2 C1 Recuperação, % A2 nível 1 0,21

0,02 0,22 98

A2 nível 2 1,44 1,46 100 B3 nível 1 0,31

0,14 0,39 80

B3 nível 2 1,50 1,47 89 D1 nível 1 0,23

11,72 11,94 100

D1 nível 2 1,54 13,53 102 Fonte: Produção do próprio autor

Os resultados de recuperação mostraram-se satisfatórios em atendimento ao

critério do INMETRO (2011), com valores dentro da faixa de 70 a 120 %.

Avaliou-se o parâmetro exatidão através da comparação da resposta do

método de calibração externa com matriz mimetizada e o método de adição padrão

em 3 níveis. Utilizou-se as amostras B3 e D1 em virtude de apresentarem

características físico-químicas distintas e a concentração de metanol em níveis

diferentes. Após injetar em triplicata a amostra pura e as amostras fortificadas

obteve-se as curvas analíticas de adição de padrão para as glicerinas B3 e D1,

apresentadas nas figuras 13a e 13b, respectivamente. Para a amostra B3 o

coeficiente de correlação linear (r²) foi de 0,99726 e para a amostra D1 o r² foi de

0,99887.

O teor de metanol extrapolado pela equação da reta foi de 0,14 % (m/m) e

11,74 %(m/m) para as amostras B3 e D1, respectivamente. Tendo estes valores

70

como sendo a concentração real de metanol para ambas as amostras, calculou-se o

erro relativo (ER) da concentração de metanol obtido pelo método com matriz

mimetizada. O ER calculado foi de 1,6 % e 0,1 % para as glicerinas B3 e D1,

respectivamente. Para a técnica de cromatografia à gás, aceita-se valores de ER de

no máximo 2 %, portanto, o resultado de ambas as amostras é satisfatório (SKOOG

et al., 2002).

Figura 13- Curva analítica obtida pelo método de adição padrão da amostra B3(a) e D1(b) a partir das

condições de amostragem headspace de temperatura de equilíbrio de 80 ºC, tempo de equilíbrio de

12 minutos e fase vapor de 500 µL.

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0

1

2

3

Áre

a /

106

(u.

a.)



r² 0,99726

a 119921,02

b 817617,45

(a)

-12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Area/106

(u.a.)



r² 0,99887

a 7,77708E6

b 662141,88

(b)


Os resultados obtidos no estudo de repetitividade e precisão intermediária

para o método de matriz mimetizada estão apresentados no anexo 10.3. O desvio

padrão relativo (DPR%) de todos os ensaios obtidos pelos analistas foram menores

ou iguais a 2,0% demonstrando precisão satisfatória no estudo de repetitividade e

precisão intermediária.

A repetitividade para baixa, média e alta de concentração de metanol foi de

0,003 % (m/m), 0,051 %(m/m) e 0,262 % (m/m), respectivamente. Estes valores são

empregados para avaliação da precisão das réplicas obtidas em rotina analítica de

uma mesma amostra de glicerina bruta, analisada por um mesmo analista em um

curto espaço de tempo. Os valores de precisão intermediária obtidos foram de

0,006 % (m/m), 0,058 % (m/m) e 0,297 % (m/m) para os níveis de baixo, médio e

71

alto, respectivamente. Estes valores são aplicados para avaliar réplicas verdadeiras

do teor de metanol obtidas entre diferentes analistas ou diferentes períodos de

tempo para uma mesma amostra de glicerina bruta.

Para a avaliação da robustez do método de matriz mimetizada, primeiramente

avaliou-se a estabilidade das curvas analíticas em um espaço de tempo de 3 meses.

As tabelas 17 e 18 apresentam os resultados das curvas analíticas de baixa e alta

concentração, respectivamente.

Tabela 17- Estudo de robustez para avaliação de diferentes curvas analíticas de baixa concentração

em um espaço de tempo de 3 meses com as mesmas soluções padrão para o método de matriz

mimetizada

Metanol / mg/kg Área do pico - 1º mês Área do pico- 3º mês 0 4026 4300 297 18941 17897 494 33853 33785 1133 80198 88110 2391 188116 166253 4997 398282 405778


Tabela 18 - Estudo de robustez para avaliação de diferentes curvas analíticas de alta concentração

em um espaço de tempo de 3 meses com as mesmas soluções padrão para o método de matriz

mimetizada

Metanol / % (m/m) Área do pico - 1ºmês Área do pico - 3º mês 0,0000 4026 4300 0,4997 386048 384966 1,0765 814183 853269 2,0285 1659869 1769514 4,0080 3465465 3570358 5,9883 5643008 5820898 9,9356 7568443 7944207


No intervalo de três meses, o coeficiente de correlação da curva de baixa foi

de 0,9995 para o 1º mês e 0,9958 no 3º mês. Já para a curva de alta foram obtidos

r² de 0,9827 e 0,9916 para o 1º mês e 3º mês, respectivamente. Todas as curvas

analíticas apresentaram r² acima de 0,950 e desta forma, pode-se aplicar uma

periodicidade de 3 meses para uso de uma mesma curva analítica na quantificação

do metanol pelo método de matriz mimetizada. Para aumentar esta periodicidade

deve-se realizar estudos adicionais com outro intervalo de tempo e também

72

implementar a verificação intermediária do cromatógrafo com material de referência

certificado.

Na tabela 19 apresentam-se os resultados da concentração de metanol para

a amostra B3 em diferentes curvas analíticas e intervalo de 3 meses. Para ambas as

curvas analíticas, baixa e alta concentração, verifica-se que os valores de DPR

estão abaixo de 2% para um intervalo de 3 meses e, portanto, são estáveis e os

resultados obtidos em suas quantificações são satisfatórios.

Tabela 19 - Estudo de robustez para avaliação na quantificação do teor de metanol na amostra de

glicerina B3 em diferentes curvas analíticas para baixa e alta concentração no período de três meses.

Curva de baixa concentração, %(m/m) Curva de alta concentração, %(m/m)

Repetições Curva 1º mês Curva 3ºmês Repetições Curva 1º mês Curva 3ºmês

1ª 0,1446 0,1402 1ª 0,1386 0,1409 2ª 0,1456 0,1416 2ª 0,1396 0,1418 3ª 0,1431 0,1429 3ª 0,1401 0,1414

Média 0,14 0,14 Média 0,14 0,14 s 0,0013 0,0014 s 0,0008 0,0005

DPR(%) 0,87 0,95 DPR(%) 0,55 0,32 Fonte: Produção do próprio autor.

Na tabela 20, apresenta-se a avaliação da robustez do método frente a

variação de massa de amostra. Os dados mostram que a alíquota não afeta a

quantificação do teor de metanol, haja vista que o DPR de todos os experimentos D,

E e F apresentaram-se abaixo de 2% na faixa de concentração estudada.

Tabela 20 - Estudo de robustez para avaliação da variação de massa de amostra na quantificação do

teor de metanol na amostra de glicerina B3 em curva analítica de alta concentração pelo método de

matriz mimetizada.

Repetições Experimento D

(150±50mg) Experimento E

(300±50mg) Experimento F (450±50mg)

1ª 0,1386 0,1465 0,1428

2ª 0,1396 0,1422 0,1438 3ª 0,1401 0,1435 0,1440

Média 0,14 0,14 0,14 Desvio padrão 0,0008 0,0022 0,0006

DPR(%) 0,55 1,53 0,45 Fonte: Produção do próprio autor

73

Na tabela 21 apresentam-se os resultados de robustez para avaliação do fator

de diluição a ser empregado em amostras cujo valor ultrapasse a faixa de trabalho,

ou seja, acima de 10,0% massa. Analisando-se os resultados, verifica-se quepara as

diluições 1:8 e 1:4 (m/m) o DPR está abaixo de 2% e, portanto, a diluição não afeta

significativamente a quantificação do metanol. Porém, para a diluição de 1:2 m/m

verifica-se um erro relativo de 3,74%, logo os resultados obtidos nesta diluição

devem ser avaliados com cautela pois, nos extremos da curva analítica os erros são

mais pronunciados (SKOOG et al.,2012).

Tabela 21– Estudo de robustez para avaliação de diferentes fatores de diluição da amostra na

quantificação do teor de metanol em %(m/m) da amostra de glicerina D1 em curva analítica de alta

concentração pelo método de matriz mimetizada.

Repetições Experimento G (1/8) Experimento H (1/4) Experimento I (1/2)

1ª 11,7900 11,6950 11,2500 2ª 11,6170 11,5908 11,4358 3ª 11,6120 11,7800 11,2276

Média 11,6700 11,6900 11,3000 Desvio padrão 0,1014 0,0948 0,1143

DPR(%) 0,87 0,81 1,01 Erro relativo(%) 0,60 0,42 3,74


Diante dos estudos, verifica-se que a robustez do método de matriz

mimetizada mostrou-se satisfatória quando utilizada nas seguintes condições:

variação trimestral de curva analítica de baixa e alta concentração, variação da

massa da amostra na faixa de 150 mg a 450 mg e o fator de diluição na faixa de 1:4

a 1:8 (m/m). Quaisquer adaptações ou alterações nas condições validadas e das

condições de robustez acarretarão em uma nova validação do método de matriz

mimetizada.

A estimativa da incerteza de medição do método de matriz mimetizada está

apresentada no anexo 10.6 para a faixa de 0 a 5000 mg/kg de metanol, de 0,5

%(m/m) a 10,0 %(m/m) de metanol sem diluição da amostra e de ≥ 10,0 %(m/m) de

metanol com diluição da amostra. Nos anexos 10.4 e 10.5 estão as planilhas da

estimativa de incerteza do preparo das soluções padrão de baixa e alta

concentração de metanol. As principais contribuições de fonte de incerteza para o

preparo das soluções padrão são a resolução limitada da balança e a calibração

RBC da balança para a faixa de baixa concentração e já para a faixa de alta

74

concentração foram a deriva da balança e a sua calibração RBC. A pureza do

metanol não contribui significativamente para a estimativa da incerteza do preparo

das soluções padrão podendo avaliar o uso de um reagente com grau analítico

inferior ao grau HPLC.

No anexo 10.6, apresenta-se a incerteza de medição expandida (k=2 e

α=0,05) sendo de 46 mg/kg para faixa de baixa concentração. As maiores fontes de

contribuições foram a curva analítica, a precisão intermediária e a repetitividade com

76 %, 20 % e 2 %, respectivamente.

Já a incerteza de medição expandida (k=2 e α=0,05) para a faixa de

concentração de metanol sem o uso diluição prévia da amostra foi de 0,12 %(m/m) e

verifica-se que a principal fonte de contribuição foi a curva analítica com 98 %.

Para amostras com teor de metanol acima de 10,00 %(m/m), a incerteza de

medição expandida (k=2 e eα=0,05) calculada foi de 0,15 %(m/m) e as fontes

majoritárias de contribuição foram a curva analítica, a repetitividade e a precisão

com 62 %, 22 % e 15 %, respectivamente. O fator de diluição de amostras acima de

10 %(m/m) de metanol não contribui significativamente para a incerteza de medição

expandida (k=2 e α=0,05) declarada, sendo aproximadamente 0,1 %.

5.3. APLICAÇÃO DO MÉTODO NA ANÁLISE DOS TEORES DE

METANOL NAS AMOSTRAS DE GLICERINA BRUTA

Quantificou-se o teor de metanol em todas as amostras de glicerina bruta

utilizando-se ambas as curvas analíticas e os resultados são apresentados na tabela

22. As amostras A1, A2, A3, B3 e C1 apresentaram concentração de metanol abaixo

de 0.1500 %(m/m), limite de especificação atribuído pelo MAPA(2014) para as

glicerinas brutas oriundas da produção do biodiesel que podem ser utilizadas como

aditivo na ração animal.

A concentração de metanol nas amostras B1 e D1 foi de 20,51 %(m/m) e

11,84 %(m/m), respectivamente. Estes valores ultrapassam o limite superior da

curva alta. Em função disto, as amostras B1 e D1 foram diluídas em proporção 1:4

(m/m) com água destilada e suas concentrações são apresentadas na Tabela 22.

75

Utilizando a ferramenta estatística do teste-t uni caudal, verificou-se que a

diferença entre os resultados do teor de metanol na curva baixa e alta para todas as

amostras não é significativa em função do valor de tcal. (0,29) ser menor que o valor

de ttab. (1,83).

Tabela 22– Resultados dos teores de metanol nas amostras de glicerina bruta pela curva analítica de

baixa e alta concentração do método de mimetização de matriz

Amostras Resultado na curva de alta, % massa

Resultado na curva de baixa, mg/kg

A1 0,13 ±0,01 1259 ± 46 A2 0,02 ± 0,01 180 ± 46 A3 0,01± 0,01 87 ± 46 B1 20,04 ± 0,15 199970 ± 1500 B2 0,38 ± 0,01 3752 ± 46 B3 0,14 ± 0,01 1450 ± 46 C1 0,03 ± 0,01 285 ± 46 C2 0,38 ± 0,01 3799 ± 46 D1 11,72 ± 0,15 118450 ± 1500 D2 9,90 ± 0,12 98802 ± 1200

*Valor reportado = média das medições ± incerteza de medição expandida (α=0,05,k=2 e n=3) Fonte: Produção do próprio autor.

As amostras B1, D1 e D2 apresentaram os maiores níveis de concentração

%(m/m) das amostras de estudo e se as mesmas forem utilizadas com a finalidade

de suplementação animal pode levar a intoxicação dos animais e até mesmo levar a

óbito prematuramente.

Embora somente 1 amostra (10%) está com teor de metanol dentro dos

limites para exportação de acordo com as normas europeias e americanas. No

entanto, deve-se ressaltar que as amostras das usinas não são processadas para

atender essa finalidade.

76

6. CONCLUSÕES

O perfil químico das amostras de glicerina bruta estudadas mostrou

significativa variação através do teste t uni caudal (α=0,05) na composição, sendo o

teor de glicerol na faixa de 30 a 70 %(m/m), o teor de água e o teor de cloreto entre

0,2 a 20 %(m/m), o teor de cinzas abaixo de 20 %(m/m), o TOG menor que 5 %

(m/m).

O método EN14110:2003 apresentou-se linear, seletivo, mas não preciso. Os

resultados de ensaio de recuperação mostram valores insatisfatórios para a

determinação do teor de metanol, abaixo de 20 % para os níveis de fortificação

1,0 % (m/m) e 5,0 % (m/m).

No método com matriz mimetizada as condições de amostragem headspace

foram otimizadas por meio de planejamento fatorial 33 sendo determinada a máxima

resposta do pico de metanol na temperatura de equilíbrio de 80 ºC, tempo de

equilíbrio de 12 minutos e volume de fase vapor de 500 µL. O método com matriz

mimetizada nas condições otimizadas mostrou-se linear, seletivo, preciso e exato

para a quantificação do teor de metanol em glicerina bruta para faixa de 0 a 10

%(m/m) e podendo ainda ser aplicado a concentrações superiores a 10 % (m/m) por

meio da diluição das amostras com água destilada.

O teor de metanol nas dez amostras estudadas variou entre 87 mg/kg e

20,04 % (m/m), sendo que cinco amostras(A1, A2, A3, B3 e C1) apresentaram o teor

de metanol abaixo de 0,15 %(m/m). A matéria mineral expressa com cinzas

sulfatadas foi menor que 8 % (m/m) para oito amostras.

Além disso, todas as amostras apresentaram teor de glicerol inferior a

80 % (m/m) e, portanto, estão fora das especificações para uso na suplementação

da ração animal, de acordo com a legislação vigente no Brasil, dada pelo Ministério

da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA).

77

7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

Estabelecer um grupo de trabalho junto aos organismos ABNT, INMETRO ou

MAPA para buscar a certificação do método visando a publicação de uma

metodologia oficial normatizada.

Sugere-se desenvolver e validar um método com adição de padrão interno.

78

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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386/1999, de 5 de agosto de 1999. ALBANO, F. M.; RODRIGUEZ, M. T. R. Validação e garantia da qualidade de

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2011. _____ASTM D 7638: Standard test method for determination of fatty acids and

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83

9. TRATAMENTOS DE RESÍDUOS

Todos os resíduos gerados durante a execução do presente trabalho foram

segregados em frascos âmbar de vidro de 1 litro, rotulados e encaminhados para

descarte, de acordo com as normativas do Programa de Gerenciamento de

Resíduos da UFMT.

84

10. ANEXOS

10.1. CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO RBC DA BALANÇA

85

10.2. CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO RBC DA BURETA

86

10.3. ESTUDO DE REPETIVIDADE E PRECISÃO INTERMEDIÁRIA PARA O MÉTODO DE MATRIZ MIMETIZADA

Estudo de repetitividade e de precisão intermediária para o nível baixo de concentração de metanol para o método de matriz mimetizada

Nível Baixo, % massa

Réplicas Amostra A2(%massa)-1ª Semana Amostra A2 (%massa)-2ª Semana Padrão nível Baixo (%massa)-1ª Semana Padrão nível Baixo(%massa)-2ª Semana Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3

1 0,0285 0,0237 0,0254 0,0239 0,0233 0,0242 0,0545 0,0561 0,0576 0,0580 0,0557 0,0552

2 0,0284 0,0238 0,0255 0,0242 0,0235 0,0234 0,0570 0,0566 0,0571 0,0594 0,0569 0,0580

3 0,0285 0,0236 0,0259 0,0233 0,0237 0,0241 0,0559 0,0560 0,0560 0,0584 0,0559 0,0572

4 0,0274 0,0238 0,0257 0,0238 0,0232 0,0237 0,0558 0,0552 0,0572 0,0569 0,0543 0,0555

5 0,0278 0,0245 0,0248 0,0239 0,0233 0,0232 0,0556 0,0559 0,0551 0,0599 0,0567 0,0578

6 0,0280 0,024 0,0249 0,0232 0,0231 0,0233 0,0543 0,0559 0,0557 0,0588 0,0545 0,0561

7 0,0275 0,0239 0,0249 0,0240 0,0235 0,0237 0,0548 0,0540 0,0562 0,0599 0,0566 0,0571

Média 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,02 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06

s 0,0005 0,0003 0,0004 0,0004 0,0002 0,0004 0,0009 0,0008 0,0009 0,0011 0,0011 0,0011

DPR(%) 1,7 1,2 1,7 1,6 0,9 1,6 1,7 1,5 1,6 1,9 1,9 2,0

s amostral A2: 0,0018 s amostral Padrão Nível Baixo: 0,0012


Estudo de repetitividade e de precisão intermediária para o nível médio de concentração de metanol para o método de matriz mimetizada.

Nível Médio, % massa

Réplicas Amostra B3(%massa)-1ª Semana Amostra B3(%massa)-2ª Semana Padrão nível Médio(%massa)-1ª Semana Padrão nível Médio (%massa)-2ª Semana

Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3 1 0,1355 0,1420 0,143 0,1434 0,1457 0,1475 0,9906 0,9866 1,0605 1,0475 1,0277 1,0255

2 0,1366 0,1411 0,1453 0,1443 0,1469 0,1453 1,0208 1,0294 1,0284 1,0329 1,0224 1,0237

3 0,1370 0,1422 0,1466 0,1438 0,1459 0,1463 1,0205 1,0237 1,0252 1,0294 1,0216 1,0237

4 0,1379 0,1420 0,1384 0,1427 0,1433 0,1454 0,9911 0,9907 1,0390 1,0167 1,0241 0,9949

5 0,1330 0,1402 0,1452 0,1450 0,1471 0,1484 1,0223 1,0234 1,0363 1,0318 0,9993 1,0272

6 0,1346 0,1429 0,1458 0,1402 0,1454 0,1449 0,9982 1,0267 1,0336 1,0229 1,0237 0,9997

7 0,1394 0,1404 0,1466 0,1435 0,1482 0,1495 1,0234 1,0236 1,0333 1,0335 1,0189 1,0233

Média 0,14 0,14 0,14 0,14 0,15 0,15 1,01 1,01 1,04 1,03 1,02 1,02

s 0,0021 0,0010 0,0029 0,0015 0,0016 0,0018 0,0154 0,0181 0,0115 0,0096 0,0094 0,0135

DPR(%) 1,6 0,7 2,0 1,1 1,1 1,2 1,5 1,8 1,1 0,9 0,9 1,3

s amostral B3: 0,0038 s amostral Padrão Nível Médio: 0,0102

Fonte: Produção do Próprio autor

87

Estudo de repetitividade e de precisão intermediária para o nível médio de concentração de metanol para o método de matriz mimetizada. Nível Alto, % massa

Réplicas Amostra D1(%massa) - 1 ª Semana Amostra D1(%massa) - 2 ª Semana Padrão nível alto(%massa) - 1 ª Semana

Padrão nível alto(%massa) - 2 ª Semana

Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3 Analista 1 Analista 2 Analista 3

1 11,6835 11,6992 11,5233 11,5895 11,5997 11,5408 5,0223 5,0123 5,0233 5,0164 5,0247 5,0631

2 11,5569 11,6882 11,5944 11,7881 11,5027 11,5716 5,0298 5,0123 5,0244 5,0435 5,0297 5,0202

3 11,7342 11,7892 11,6931 11,7210 11,5251 11,5402 5,0283 5,0145 5,0245 5,0388 5,0327 5,0251

4 11,6664 11,8102 11,5946 11,8157 11,5191 11,6504 5,0201 5,0111 5,0246 5,0226 5,0221 5,0219

5 11,5234 11,8032 11,6243 11,6189 11,7345 11,6029 5,0286 5,0233 5,0297 5,0258 5,0292 5,0235

6 11,5935 11,5889 11,6943 11,6977 11,6028 11,6831 5,0248 5,0269 5,0289 5,0263 5,0315 5,0262

7 11,6234 11,5993 11,6999 11,5820 11,5946 11,5993 5,0282 5,0271 5,0301 5,0252 5,0330 5,0199

Média 11,63 11,71 11,63 11,69 11,58 11,60 5,03 5,02 5,03 5,03 5,03 5,03

s 0,0742 0,0935 0,0670 0,0942 0,0792 0,0537 0,0037 0,0072 0,0029 0,0094 0,0041 0,0154

DPR(%) 0,6 0,8 0,6 0,8 0,7 0,5 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,3

s amostral D1: 0,0502 s amostral Padrão Nível Alto: 0,0040


88

10.4. PLANILHAS DE INCERTEZA DE MEDIÇÃO DO PREPARO DE SOLUÇÕES PADRÃO PARA CURVA DE BAIXA

CONCENTRAÇÃO

Unidade

mg/kg

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor

(+/-)Unidade Valor Unidade u i

[ ] νi

u res.Bal.metan.0,000050 g retangular 1,73 19906,816 mg/kg*g 0,574660 infinito 16,468

u cal.Bal.metan.0,000130 g normal (k) 2,00 19906,816 mg/kg*g 1,293943 infinito 83,491

u res.Bal.total0,000050 g retangular 1,73 -994,6671 mg/kg -0,028714 infinito 0,041

u cal.Bal.total0,000130 g normal (k) 2,00 -994,6671 mg/kg 0,000065 infinito 0,000

u deriva.Bal0,000150 g retangular 1,73 199068,16 mg/kg*g 0,000087 infinito 0,000

u Pur.etan.2,51E-07 g retangular 1,73 49,966158 --- 0,000000 infinito 0,000

2,01

normal

Ensaio Valor de referência

Solução padrão 5000mg/kg de metanol 4997,0000

Símbolo

Fontes de incertezaDistribuição de

probabilidadeDivisor

Coeficiente de

sensibilidade c iPorcentagem

de ContribuiçãoNome

metanol - Incert. resolução da Balança

metanol - Incert. calibração da Balança

mtotal - Incert. resolução da Balança

mtotal - Incert. calibração da Balança

Incerteza referente à deriva da Balança

Incerteza da pureza da solução de metanol

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )

Fator de abrangência

(k)

Incerteza expandida (U )

(Probabilidade ≅ 95%)Unidade

1,416103 infinito 2,00 2,832206 mg/kg

89

Unidade

mg/kg

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







2,01

normal



Símbolo



Coeficiente de









Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



1,416375 infinito 2,00 2,832750 mg/kg

90

Unidade

mg/kg

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







2,02

normal



Símbolo



Coeficiente de









Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



1,421397 infinito 2,00 2,842795 mg/kg

91

Unidade

mg/kg

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







1,98

normal

Ensaio



Valor de referência


Símbolo



Coeficiente de







Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



1,407407 infinito 2,00 2,814813 mg/kg

92

Unidade

mg/kg

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







0,50

normal

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade




Símbolo



Coeficiente de







0,710371 infinito 2,00 1,420743 mg/kg



(k)



Graus de liberdade

(ν eff )

93

10.5. PLANILHAS DE INCERTEZA DE MEDIÇÃO PARA DO PREPARO DE SOLUÇÕES PADRÃO PARA CURVA DE

ALTA CONCENTRAÇÃO

Unidade

%massa

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi

u res.Bal.metan.0,000050 g retangular 1,73 0,01983 1/g 0,000001 infinito 0,003

u cal.Bal.metan.0,000130 g normal (k) 2,00 0,01983 1/g 0,000001 infinito 0,014

u res.Bal.total0,000050 g retangular 1,73 -0,1971 1/g -0,000006 infinito 0,275

u cal.Bal.total0,000130 g normal (k) 2,00 -0,1971 1/g 0,000065 infinito 35,903

u deriva.Bal0,000150 g retangular 1,73 0,01983 1/g 0,000087 infinito 63,734

u Pur.etan.0,000005 g retangular 1,73 0,09936 ---- 0,000003 infinito 0,071

0,00

normal


Solução padrão 10%m/m de metanol 9,9356

Símbolo



Coeficiente de









%massa

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



0,000108 infinito 2,00 0,000217

94

Unidade

%massa

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







0,00

normal


(k)



0,000108 infinito 2,00 0,000217 %massa

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )







Símbolo



Coeficiente de




Solução padrão 6 %m/m de metanol 5,9883

95

Unidade

%massa

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







0,00

normal

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



0,000108 infinito 2,00 0,000217 %massa

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade



Nome

Porcentagem

de Contribuição







Símbolo



Coeficiente de

sensibilidade c i

96

Unidade

%massa

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







0,00

normal

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



0,000108 infinito 2,00 0,000217 %massa

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade


Porcentagem

de Contribuição






Símbolo



Coeficiente de

sensibilidade c i

Nome



97

Unidade

%massa

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi







0,00

normal




Coeficiente de


de Contribuição




Símbolo



Nome



Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



0,000108 infinito 2,00 0,000217 %massa

98

Unidade

%massa

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi



u res.Bal.total0,000050 g retangular 1,73 -0,0099 1/g 0,000000 infinito 0,001



u Pur.etan.2,51E-07 g retangular 1,73 0,00500 ---- 0,000000 infinito 0,000

0,00

normal


Solução padrão 0,5%m/m de metanol 0,4997

Símbolo



Coeficiente de









Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



0,000108 infinito 2,00 0,000217 %massa

99

10.6. PLANILHA DE INCERTEZA DE MEDIÇÃO PARA O MÉTODO DE MATRIZ MIMETIZADA

Unidade

mg/kg

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor

(+/-)Unidade Valor Unidade u

i[ ] νi

Pad 5000 2,832206 mg/kg normal 2,00 1,0000 ---- 1,41610 infinito 0,374





C 20,216296 mg/kg normal 1,00 1,0000 ---- 20,21630 4 76,146

r 3,400000 mg/kg normal 1,00 1,0000 ---- 3,40000 6 2,154

Pi 10,390000 mg/kg normal 1,00 1,0000 ---- 10,39000 2 20,113

536,73

normal

Incerteza da Solução padrão 500mg/kg de metanol


Teor de metanol em glicerina bruta 0 - 5000

Símbolo



Coeficiente de

sensibilidade c i


Incerteza da curva analítica

Incerteza da repetitividade

Incerteza da precisão intermediária

Porcentagem





Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



23,1674 Infinito 2,00 46 mg/kg


100

Unidade

%m/m

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi

Pad 10% 0,000217 %m/m normal 2,00 1,0000 ---- 0,00011 infinito 0,000





Pad 0,5% 0,000217 %m/m normal 2,00 1,0000 ---- 0,00011 infinito 0,000

C 0,058978 % m/m normal 1,00 1,0000 ---- 0,05898 4 97,709

r 0,006841 % m/m normal 1,00 1,0000 ---- 0,00684 6 1,315

Pi 0,005889 % m/m normal 1,00 1,0000 ---- 0,00589 2 0,974

0,00

normal

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



0,0597 Infinito 2,00 0,12 %m/m

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade

Porcentagem


Incerteza da Solução padrão 10%m/m de metanol




Valor de referência

Teor de metanol em glicerina bruta 0,5 - 10,0

Símbolo



Coeficiente de

sensibilidade c i

Incerteza da Solução padrão 0,5%m/m de metanol

Ensaio



Incerteza da repetitividade no nível médio

Incerteza da precisão intermediária no nível médio


101

Unidade

%m/m

Incerteza

padrão

Graus de

liberdade

Valor


[ ] νi

Pad 10% 0,000217 %m/m normal 2,00 1,0000 ------ 0,00011 infinito 0,00





Pad 0,5% 0,000217 %m/m normal 2,00 1,0000 ------ 0,00011 infinito 0,00

C 0,058978 % m/m normal 1,00 1,0000 ------ 0,05898 4 62,45

0,003250 % m/m normal 2,00 1,0000 ------ 0,00163 infinito 0,05

r 0,035340 % m/m normal 1,00 1,0000 ------ 0,03534 6 22,42

Pi 0,028983 % m/m normal 1,00 1,0000 ------ 0,02898 2 15,08

0,01

normal

Graus de liberdade

(ν eff )


(k)



0,0746 Infinito 2,00 0,15 %m/m

Incerteza padrão

combinada (u c )

Distribuição de

probabilidade


Incerteza da Solução padrão 0,5%m/m de metanol


Incerteza da repetitividade no nível alto

Incerteza da precisão intermediária no nível alto

Incerteza do fator de diluição da amostra

Porcentagem







Teor de metanol em glicerina bruta > 10,0

Símbolo



Coeficiente de

sensibilidade c i


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CARACTERIZAÇÃO DE GLICERINA BRUTA ORIUNDA DA PRODUÇÃO DE …