DETERMINAÇÃO DE GLICERINA LIVRE E TOTAL EM BIODIESEL B100 CONFORME MÉTODOS OFICIAIS

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1 DETERMINAÇÃO DE GLICERINA LIVRE E TOTAL EM BIODIESEL B100 CONFORME MÉTODOS OFICIAIS RESUMO Os conteúdos de glicerina livre e total no biodiesel B100 são indicadores da qualidade deste combustível. Níveis altos de glicerina e glicerídeos no biodiesel podem causar problemas de entupimento nos motores, além de diminuir a estabilidade deste produto durante o seu armazenamento. Os limites máximos de glicerina livre e total aceitos no biodiesel estão definidos em normas oficiais, que estabelecem a cromatografia a gás como o método a ser empregado na determinação dos conteúdos destas substâncias. Este trabalho apresenta os resultados obtidos na determinação de glicerina livre e total em amostras de biodiesel B100, segundo a norma EN 14105, com o cromatógrafo a gás TRACE GC Ultra e o amostrador automático TriPlus (Thermo Scientific). Fausto Munari, Daniela Cavagnino e Andrea Cadoppi Thermo Fisher Scientific, Milan, Italy Correspondência: Nova Analítica Imp. Exp. Ltda. R. Assungui, 432 CEP: São Paulo. SP Fone: (11) Fax: (11) Palavras-chave: biodiesel, cromatografia a gás, glicerina livre, glicerina total, injeção cold on-column SUMMARY Free and bonded glycerin contents are an indicator of the biodiesel quality. High levels of glycerin and glycerides can cause injector deposits, clogged fuelling systems and problems during storage. Maximum free and total glycerin contents in biodiesel B100 are specified in official standards that define the gas chromatography as the standard method for this analysis. This paper relates specifically to the use of the Thermo Scientific TRACE GC Ultra and TriPlus autosampler for use in the determination of free and total glycerin in biodiesel, according to EN Keywords: biodiesel, gas chromatography, free glycerin, total glycerin, cold oncolumn injection INTRODUÇÃO O interesse no biodiesel como um combustível alternativo tem crescido muito nos últimos anos, principalmente devido ao seu baixo impacto ambiental em comparação ao óleo diesel e por ser obtido a partir de fontes renováveis. Para ser comercializado, o biodiesel deve atender às especificações definidas em normas oficiais que indicam as características do produto a serem controladas e seus respectivos valores aceitos. O processo mais usual de produção de biodiesel é a transesterificação de óleos vegetais com metanol, cujo produto são os ésteres metílicos de ácidos graxos. Além dos ésteres metílicos desejados, o produto deste processo pode conter a matéria-prima não reagida (triglicerídeos) e metanol residual, além de traços de glicerina, um sub-produto separado do biodiesel durante o processo de fabricação, e traços de mono e diglicerídeos formados como intermediários da reação. A qualidade do biodiesel B100 é controlada, entre outras características, pelos seus conteúdos de glicerina livre e total, determinados segundo as normas EN e ASTM D6584 (1 e 2), que definem a análise da amostra por cromatografia em fase gasosa, após derivatização com N-metil-N-trimetilsilil-trifluoroacetamida (MSTFA). A calibração é feita pelo emprego de dois padrões internos: 1,2,4-Butanotriol para a glicerina e tricaprina para a 60

2 determinação de mono, di e triglicerídeos, respectivamente. O conteúdo de glicerina combinada na amostra, para determinação da glicerina total, é calculado pela aplicação de fatores de conversão médios aos mono, di e triglicerídeos. A amostra deve ser introduzida na coluna capilar através de um sistema de injeção capaz de transferir tanto os compostos voláteis quanto os menos voláteis, sem discriminação ou degradação. Este trabalho descreve um método gás cromatográfico para a determinação de glicerina livre e total em biodiesel B100, segundo a norma EN 14105, com o emprego de um cromatógrafo a gás TRACE GC Ultra e um amostrador automático TriPlus (Thermo Scientific). MATERIAIS E MÉTODOS Reagentes necessários N-metil-N-trimetilsilil-trifluoroacetamida (MSTFA) n-heptano Piridina 1,2,4-Butanotriol solução 1 mg/ml em piridina (padrão interno 1) 1,2,3-Tricaproilglicerol (tricaprina) solução 2,8 mg/ml em piridina (padrão interno 2) Materiais de referência: glicerina, mono, di e trioleína Mistura padrão de monoglicerídeos (monopalmitina, monoestearina e monooleína) Soluções de calibração Quatro soluções de calibração contendo glicerina, mono, di e trioleína, butanotriol (padrão interno 1) e tricaprina (padrão interno 2), diluídas em piridina nas concentrações especificadas na norma EN 14105, foram adquiridas da Sigma-Aldrich. Uma alíquota de 100 µl do reagente derivatizante (MSTFA) foi adicionada a cada solução de calibração. Os vials foram fechados e agitados vigorosamente por 15 min. Em seguida, 8 ml de n-heptano foram adicionados a cada vial. Após homogeneização, cada solução foi injetada no cromatógrafo a gás. Preparação da amostra De cada amostra de biodiesel a ser analisada, uma alíquota com cerca de 100 mg foi transferida para vial de 10 ml e pesada com precisão (± 0,1 mg). Em seguida, foram adicionados 80 µl do padrão interno 1, 100 µl do padrão interno 2 e 100 µl do derivatizante MSTFA. Os vials com amostra foram fechados e agitados vigorosamente por 15 min. Em seguida, 8 ml de n-heptano foram adicionados a cada vial e após homogeneização a amostra foi injetada no cromatógrafo a gás. Condições cromatográficas A análise de glicerina, mono, di e triglicerídeos por cromatografia a gás requer um sistema de injeção capaz de transferir tanto os compostos voláteis quanto os menos voláteis, sem discriminação ou degradação. Neste trabalho, o cromatógrafo a gás empregado foi um TRACE GC Ultra equipado com injetor cold on-column, detector de ionização em chama (FID), amostrador automático TriPlus e sistema de dados ChromQuest (Thermo Scientific). A coluna analítica empregada foi a TRACE TR-BioDiesel(G) (Thermo Scientific), apolar, com 10 m de comprimento, 0,32 mm de diâmetro interno e 0,1 μm de espessura de filme. Uma pré-coluna Figura 1. Esquema do sistema gás cromatográfico. 1: controle digital dos fluxos de gases; 2: injetor cold on-column; 3: pré-coluna; 4. restritor calibrado; 5: linha de gás de arraste auxiliar; 6: conector metálico em T, com purga de gás de arraste; 7: coluna analítica; 8: detector 61

3 com 1m x 0,53 mm d.i. foi conectada à coluna analítica por um conector metálico em T, de pequeno volume morto (Figura 1). Este conector foi desenvolvido para solucionar os problemas de vazamento encontrados com os conectores de vidro em temperaturas altas. O conector em T empregado não apresentou vazamentos nas condições de grandes e freqüentes variações de temperatura do forno. Uma purga contínua de gás de arraste para dentro da coluna analítica evita o alargamento das bandas cromatográficas no conector em T. RESULTADOS E DISCUSSÃO Curvas analíticas A análise das soluções de calibração com quatro componentes, em quatro concentrações diferentes, gerou quatro curvas analíticas: para glicerina, monooleína, dioleína e trioleína (Figura 2), respectivamente. Os coeficientes de correlação linear (r 2 ) encontrados superaram o valor 0,9 especificado na norma EN 14105, demonstrando a boa linearidade alcançada pela técnica de injeção cold on-column. Análises das amostras Em conformidade com a norma EN 14105, a quantidade de glicerina em cada amostra foi calculada através da equação da curva analítica da glicerina. De modo semelhante, as quantidades de mono, di e triglicerídeos foram calculadas através das equações das curvas analíticas da monooleína, dioleína e trioleína, respectivamente. A identificação dos picos de cada grupo de compostos pode ser feita pelo emprego dos tempos de retenção relativos, publicados na norma EN 14105, tomando o tempo de retenção do padrão interno 1 como referência para a glicerina e o tempo de retenção do padrão interno 2 como referência para os grupos de mono, di e triglicerídeos. Neste trabalho, porém, a identificação dos picos foi feita por comparação com os componentes conhecidos nas soluções padrão. A Figura 3a mostra um cromatograma típico de biodiesel, com a programação de temperatura do forno sobreposta. A figura 3b apresenta o cromatograma de uma mistura de calibração e a figura 3c a solução padrão de monoglicerídeos que é analisada para avaliar a Figura 2. Curvas analíticas para glicerina, monooleína, dioleína e trioleína 62

4 Figura 3. Cromatogramas de uma amostra de biodiesel, de uma solução de calibração e de uma solução padrão de monoglicerídeos 64

5 posição exata dos monoglicerídeos nas amostras desconhecidas e definir a janela exata deste grupo de compostos. O cálculo das áreas de todos os picos em cada janela de tempos de retenção foi feito automaticamente pelo programa ChromQuest. A Figura 4 oferece detalhes de cada grupo de compostos do cromatograma da amostra de biodiesel (Fig. 3). Avaliação de contaminação cruzada (carryover) Para avaliar o sistema de injeção on-column empregado, quanto ao efeito de contaminação cruzada, um cromatograma em branco foi obtido pela injeção apenas de solvente (Figura 5). Como este cromatograma foi obtido após uma seqüência de injeções de amostras reais de biodiesel, ele demonstra claramente a ausência do efeito de carryover. Além disso, esta avaliação mostra que a fração pesada da amostra elui completamente da coluna durante a análise. Avaliação da repetibilidade A repetibilidade foi calculada como a diferença absoluta entre dois resultados de análises independentes, obtidos através do mesmo método, com amostras idênticas, no mesmo laboratório, pelo mesmo operador, usando o mesmo equipamento, com um pequeno intervalo de tempo (definição extraída da norma EN 14105). Figura 4. Detalhes das janelas definidas para os diferentes grupos de compostos no cromatograma do biodiesel 65

6 min Figura 5. Cromatograma em branco obtido pela injeção de solvente após uma seqüência de injeções de amostras reais de biodiesel TRACE GC Ultra: Injetor Gás de arraste Cold On-column Helio, 3 ml/min por 12 min, elevado para 5 ml/min a 0,5 ml/min 2 FID 380 C Programação de temperatura do forno Amostrador automático TriPlus: Volume da seringa / comprimento da agulha Volume Injetado 80 C (1 min) a C/min, 180 C a C/min, 230 C a 365 C (4 10 C/min 10 μl / 80 mm Tabela 1. Condições operacionais do cromatógrafo a gás e do amostrador automático, usadas em todas as análises 1 μl % m/m (média de 2 análises) Repetibilidade Experimental (% m/m absoluta) Limites de Repetibilidade EN (%m/m absoluta) Glicerina Livre 0, ,0009 ± 0,0018 Monoglicerídeos 0,496-0,011 ± 0,063 Diglicerídeos 0,088-0,005 ± 0,0093 Triglicerídeos 0,050-0,0070 ± 0,0118 Glicerina Total 0,151-0,0030 ± 0,0144 Tabela 2. Resultados de análises de uma amostra de biodiesel 66

7 A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos para uma das amostras de biodiesel analisadas. Para cada analito, os resultados superaram o desempenho mínimo exigido na norma EN 14105, como indicado na tabela. A repetição das duas análises em outros dias sucessivos gerou resultados semelhantes. CONCLUSÃO A determinação de glicerina livre e total em biodiesel B100, realizada com o cromatógrafo a gás TRACE GC Ultra configurado com injetor cold on-column, detector FID e amostrador automático TriPlus, atendeu as exigências de linearidade e precisão da norma EN O injetor cold on-column evitou a discriminação da fração pesada da amostra e eliminou os riscos de degradação dos componentes termolábeis como os triglicerídeos, garantindo excelente recuperação e integridade da amostra. A coluna específica TR-BIODIESEL(G) apresentou grande resistência mecânica nas condições de temperaturas bastante elevadas deste método, o que garante sua longa vida útil. O emprego de um conector metálico entre a pré-coluna e a coluna analítica, ao invés de um conector de vidro, garantiu uma conexão confiável e sem vazamentos, mesmo nas condições extremas de grandes e freqüentes variações de temperatura deste método. O emprego de uma pré-coluna sem fase estacionária é importante para evitar o efeito de sobrecarga da coluna analítica e sua contaminação. R e f e r ê n c i a s 1. EN 14105: Fat and oil derivatives Fatty Acid Methyl Esters (FAME) - Determination of free and total glycerol and mono-, di-, tri-glyceride content. 2. ASTM D6584: Standard Test Method for Determination of Free and Total Glycerin in B-100 Biodiesel Methyl Esters By Gas Chromatography *Artigo traduzido por Silvana Odete Pisani (silvana.pisani@novanalitica.com.br) 67