Planejamento experimental estatístico como ferramenta para otimização das condições cromatográficas para o fracionamento do óleo da bacia Potiguar.

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1 Planejamento experimental estatístico como ferramenta para otimização das condições cromatográficas para o fracionamento do óleo da bacia Potiguar. Olga Lucía Villarreal BARRAGAN (1), Sarah Adriana do Nascimento ROCHA (1), Jorge Alberto TRIGUIS (1). (1) Núcleo de Estudos Ambientais, Instituto de Geociências, Universidade Federal da Bahia, Campus de Ondina, Rua Geremoabo, s/n - Ondina - CEP: , Salvador-BA, Brasil. Copyright 2012, ALAGO. Este papel fue seleccionado para la presentación de un Comité técnico de ALAGO siguiente examen de la información contenida en un resumen presentado por los autores. RESUMO A cromatografia líquida é uma técnica de separação de mistura e identificação de seus componentes. Esta separação depende da diferença entre o comportamento dos analitos entre a fase móvel e a fase estacionária. Entre as técnicas cromatográficas de separação encontra-se a cromatografia líquida em coluna aberta, utilizada neste caso para fracionar o óleo bruto em compostos (saturados, aromáticos e NSO) que compõem o petróleo. Esta técnica foi otimizada no Laboratório de Estudos do Petróleo (LEPETRO) da Universidade Federal da Bahia (UFBA). A otimização do método foi baseada num planejamento fatorial em dois níveis 2 2, onde a melhor resposta das diferentes combinações das variáveis foi obtida usando as seguintes proporções: 0,02 g de amostra de óleo da bacia Potiguar no Brasil, com uma coluna de sílica gel ativada a ºC durante 4 horas, a fração saturada foi eluída com 30 ml de n-hexano, a fração aromática foi eluída com uma mistura de n-hexano/diclorometano (1:1, v/v, 40mL) e por último a fração NSO foi eluída com Diclorometano/Metanol (8:2, v/v, 40mL); estas misturas de solventes e volumes utilizados mostraram que a separação foi eficaz. Palavras Chaves: Otimização, Cromatografia Líquida, óleo, Bacia Potiguar, Brasil. ABSTRACT Chromatography is a technique for separation and identification of mixture components. This separation depends on the difference between the behavior of the analytes from the mobile and stationary phase. Within these techniques is the Open Liquid Chromatography, used to fractionate the compounds (saturated, aromatic and NSO) from the Oil. This technique was optimized in the Laboratory of Petroleum Studies (LEPETRO) at the Federal University of Bahia (UFBA). The optimization was based on a 2 2 factorial planning, where the best response to different combinations of the variables was obtained using the following proportions: 0.02 g oil sample from the geological basin of Potiguar-Brazil, 4g of silica gel activated at 450 C along 4 hours. The fraction of saturated was performed with 30mL n-hexane, the aromatic fraction with 40 ml of a mixture n-hexane/ Dichloromethane (1:1, v / v) and the NSO fraction with 40 ml of dichloromethane /methanol mixture (8:2, v/ v). These solvent mixtures used and their volumes showed the effectiveness of the separation. Keywords: Optimization, Liquid Chromatography, oil, Potiguar, Brazil. INTRODUÇÃO O petróleo pode ser definido como uma mistura de compostos de ocorrência natural que consiste, predominantemente, de hidrocarbonetos e, em menor quantidade, de derivados orgânicos sulfurados, nitrogenados, oxigenados (NSO) e organo-metálicos. A alta proporção de carbono e hidrogênio existente no petróleo mostra que os hidrocarbonetos são seus principais constituintes, podendo chegar a mais de 90% de sua composição (Zilio e Pinto, 2002). Existem alguns métodos cromatográficos de separação que são considerados clássicos, pois possuem uma grande utilização e aplicação na indústria do petróleo. Dentre esses tem-se o método SAR que consiste na separação dos compostos Saturados, Aromáticos e Resinas que compõem o óleo. A análise cromatográfica geralmente envolve três etapas: preparação de amostras, separação e quantificação do Composto. Destas, as etapas de preparação de amostras e separacao de compostos têm sido as de estatística multivariada (Ferreira et al, 2007). Na cromatografia líquida as substâncias são separadas por partição entre um líquido móvel e uma fase estacionária sólida, finamente dividida. Os componentes de uma mistura a ser analisada distribuem-se entre as duas fases, de acordo com a afinidade que têm pelas mesmas (Aquino Neto e Nunes, 2003). O planejamento fatorial é empregado para se obter as melhores condições operacionais de um sistema sob estudo, realizando-se um número menor de experimentos quando comparado com o processo univariado de otimização do processo. O planejamento fatorial determina que fatores têm efeitos relevantes na resposta e, também, como o efeito de um fator varia com os níveis dos outros, permitindo medir as interações entre diferentes fatores. Sem o uso de planejamentos fatoriais de experimentos, importantes interações de fatores não são detectadas e a otimização máxima do sistema pode levar mais tempo para ser alcançada (Barros Neto et al., 2003). O Principal objetivo deste trabalho é otimizar o análise de cromatografia líquida em coluna aberta SAR, usando os solventes mais adequados e nas quantidades apropriadas. O trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Estudos do Petróleo -LEPETRO- da Universidade Federal da Bahia- UFBA.

2 BOGOTA ASSUNÇÃO BUENOS AIRES CAIENA GUIANA FRANCESA Km 2 OLGA LUCIA VILLARREAL BARRAGAN, SARAH ADRIANA DO NASCIMENTO ROCHA, JORGE ALBERTO TRIGUIS PARTE EXPERIMENTAL MATERIAIS E SOLVENTES Toda a vidraria foi submersa e deixada em solução de Extran 5% (Merck, Rio de Janeiro, Brasil) por 24 h, para remoção de qualquer contaminante orgânico. Em seguida foram secas em estufa e lavadas com acetona. Os solventes utilizados, tais como diclorometano, metanol e n-hexano, com grau cromatográfico, foram obtidos da Merck (Darmstadt, Alemanha). Para o empacotamento manual da coluna de vidro (60 cm x 1 cm d.i.), utilizou-se sílica gel 60 (0,063-0,200 mm) adquirida da Merck (Darmstadt, Alemanha), previamente ativada em forno mufla à 450 C por quatro horas e armazenada em dessecador até a análise. AMOSTRA A amostra de óleo utilizada para fazer a otimização da metodologia de cromatografia líquida foi coletada na bacia Potiguar localizada no nordeste brasileiro (Figura 1). O grau API deste óleo, determinado no laboratório de Petróleo e Gás Natural da UNIFACS (Universidade Salvador), apresenta um valor médio de 27,73º, classificando este óleo como Médio (22,3 31,1 ºAPI). COLOMBIA PERU VENEZEULA SURINAME GUIANA BAHIA BACIA POTIGUAR 0-10 SATURADOS Massa (g) Volume de n-hexano (ml) 1 0,02 (-) 30 (-) 2 0,02 (-) 40 (+) 3 0,03 (+) 30 (-) 4 0,03 (+) 40 (+) Tabela 2. Planejamento erimental 2 2 utilizado para a otimização metodologia SAR para a fracao Aromatica. AROMÁTICOS Massa (g) Proporção n-hex/dcm 1 0,02 (-) n-hex/dcm (1:1) (-) 2 0,02 (-) DCM (+) 3 0,03 (+) n-hex/dcm (1:1) (-) 4 0,03 (+) DCM (+) Tabela 3. Planejamento erimental 2 2 utilizado para a otimização metodologia NSO. NSO Massa (g) Proporção DCM/MeOH 1 0,02(-) (8:2) (-) 2 0,02 (-) (9:1) (+) 3 0,03 (+) (8:2) (-) 4 0,03 (+) (9:1) (+) LA PAZ CHILE BOLIVIA ARGENTINA PARAGUAI BRASILIA REPÚBLICA FEDERATIVA DO BRASIL Bacia estudada Principais Rios -30 URUGUAI Figura 1. Mapa de localização da Bacia Potiguar. PLANEJAMENTO FATORIAL Para o processo de otimização da metodologia SAR foram propostos três planejamentos fatoriais em dois níveis 2 2, um para cada fração. Avaliaram-se parâmetros como massa de amostra, volume de n-hexano para eluição da fração saturada, proporção de Diclorometano/n-hexano para eluição da fração aromática e proporção de diclorometano/metanol para eluição da fração NSO. -20 Após a otimização da metodologia cada fração foi injetada em um sistema cromatográfico a gás como o objetivo de verificar a eficácia da separação de cada umas das frações, ou seja, identificar a ausência de compostos das frações anteriormente eluidas. Os resultados deste planejamento foram avaliados usando análise de variância (ANOVA) e foram processados empregando-se o programa computacional Estatística. Os níveis inferiores e superiores relativos às variações dos parâmetros experimentais estão dispostos na Tabela 1, Tabela 2 e Tabela 3, para as frações saturadas, aromáticas e NSO, respectivamente. Realizaram-se procedimentos em duplicata para cada planejamento, sendo estes numerados de 5 a 8. Os dados foram processados empregando-se o software Estatística. Tabela 1. Planejamento erimental 2 2 utilizado para a otimização metodologia SAR para a fração Saturada.

3 3 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL ESTATÍSTICO COMO FERRAMENTA PARA OTIMIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES CROMATOGRÁFICAS PARA O FRACIONAMENTO DO ÓLEO DA BACIA POTIGUAR. CONDIÇÕES CROMATOGRÁFICAS Cada uma das três frações foram injetadas num cromatógrafo a gás VARIAN modelo CP-3800, com detector por ionização de chama (FID), equipado com coluna capilar modelo DB5 de 60 m de comprimento, 0,25 mm de diâmetro interno, fase estacionária de 0,25 μm de espessura e fluxo de gás de arraste (hélio), com o intuito de comprovar a ausência de compostos saturados nas frações aromáticos e NSO. A fração NSO também foi encaminhada para o laboratório do Instituto de Física Nuclear da Universidade Federal da Bahia (UFBA) para determinação de compostos aromáticos, utilizando para tal um cromatógrafo à gás acoplado ao espectrômetro de massa da Shimadzu modelo CG-EM - QP2010 Plus. 5 0,02 (-) 30ml (-) 0, ,02 (-) 40ml (+) 0, ,03 (+) 30ml (-) 0, ,03 (+) 40ml (+) 0,01440 Através das informações obtidas após a construção de superfícies de resposta, como ilustrado na Figura 2, observase que os maiores valores de massa de saturados eluidas foram obtidos nas situações em que há maior massa de amostra e menor volume de solvente de eluição (região mais marrom do gráfico). DESCRIÇÃO DO MÉTODO Cada uma das amostras (aproximadamente 20 mg de óleo) foi solubilizada em 0,5 ml de n-hexano e transferida para a coluna de vidro previamente empacotada com 4g de sílica gel ativada e n-hexano. As colunas foram mantidas na vertical e a amostra foi introduzida no topo da coluna. Os compostos saturados foram separados por eluição com 30 ml de n- Hexano em um balão de fundo redondo. A eluição da segunda fração (aromáticos) ocorreu mediante eluição de 40 ml de uma mistura de n-hexano/diclorometano (1:1, v/v). Os compostos NSO (resinas + asfaltenos) foram eluídos com 40 ml da mistura de Diclorometano/Metanol (8:2, v/v). Após a frações foram evaporadas à temperatura ambiente até a secura e em seguida pesadas para a obtenção das massas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A significância dos efeitos das variáveis e das possíveis interações entre elas foi verificada com base nos gráficos de Pareto. As informações obtidas após a construção de superfícies de resposta também foram utilizadas na interpretação dos resultados. Para melhor compreensão foi feita a interpretação dos resultados de cada planejamento em cada fração eluída. Figura 2. Superfície de resposta do planejamento fatorial completo 2 2 obtido para a fração Saturada. Segundo a análise do gráfico de Pareto (Figura 3), não existe interação entre as variáveis estudadas e a resposta, indicando, que pode-se utilizar qualquer massa o volume de n-hexano dentro do domínio estudado.(0,02 g - 0,03 g), (30 ml 40 ml). Inicialmente fez-se a eluição da fração saturada, obtendo-se os resultados em massa em gramas (g) os quais foram normalizados levando-se em consideração a maior massa (0,03 g) (Tabela 4). Tabela 4. Resultados para o Planejamento erimental 2 2 utilizado para a otimização da eluição da fração Saturada. (2)volume (ml) p (g) 2**(2-0) design; MS Residual=, , , Massa (g) Volume Hexano (ml) Massa normalizada da fração (g) 1 0,02 (-) 30ml (-) 0, ,02 (-) 40ml (+) 0, ,03 (+) 30ml (-) 0, ,03 (+) 40ml (+) 0, , Figura 3. Gráfico de Pareto do planejamento fatorial completo 2 2 obtido para a fração Saturada (a linha vertical define 95% do intervalo de confiança).

4 4 OLGA LUCIA VILLARREAL BARRAGAN, SARAH ADRIANA DO NASCIMENTO ROCHA, JORGE ALBERTO TRIGUIS Os resultados obtidos no planejamento de experimentos para a eluição da fração aromática estão dispostos na Tabela 5. Observa-se na Figura 4 que há interação entre as variáveis estudadas e a resposta, sendo esta relação mais intensa com a massa. Existe um efeito negativo entre a massa de amostra inicial e a reposta, ou seja, foi obtida uma melhora resposta para uma massa inicial de amostra de 0,02 g. Efeito inverso foi observado entre a proporção de diclorometano e a resposta em que maiores proporções de diclorometano favorecem a resposta. estudada (0,02 g) são iguais utilizando-se teste T de Student. Para um conjunto de dados com 3 graus de liberdade (n=4) o valor de t tabelado é 6,314, sendo o valor de t calculado 0,145, podendo-se afirmar, com 95 % de confiança, que não existe diferença significativa entre os dois conjuntos de dados. Assim, sugere-se que para a fração aromática seja utilizado 40 ml da mistura dos solventes n-hexano/diclorometano (1:1, v/v) e 0,02 g de massa de amostra. Tabela 5. Resultados para o Planejamento erimental 2 2 utilizado para a otimização da eluição da fração Aromática. Massa (g) Proporção Solvente Massa Fração (g) 1 0,02 (-) HEX/DCM 1:1 (-) 0, ,02 (-) DCM (+) 0, ,03 (+) HEX/DCM 1:1 (-) 0, ,03 (+) DCM (+) 0, ,02 (-) HEX/DCM 1:1 (-) 0, ,02 (-) DCM (+) 0, ,03 (+) HEX/DCM 1:1 (-) 0, ,03 (+) DCM (+) 0,00450 Figura 4. Gráfico de Pareto do planejamento fatorial completo 2 2 obtido para a fração Aromática (a linha vertical define 95% do intervalo de confiança). Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: resposta (g) 2**(2-0) design; MS Residual=, ,1618 Figura 5. Superfície de resposta do planejamento fatorial completo 2 2 obtido para a fração Aromática. A terceira e última fração obtida foi a fração de compostos contendo nitrogênio, enxofre e oxigênio em sua estrutura (NSO), estando os dados dispostos na Tabela 6. Na Figura 6, observa-se que não há interação entre as variáveis e a resposta ou interação entre as duas variáveis estudadas, ou seja, a eluição da fração NSO não é afetada pelas variáveis estudadas no planejamento de experimentos para o fracionamento por cromatografia líquida em coluna aberta de óleos cru. (2)proporção (%) 3, Tabela 6. Resultados para o Planejamento erimental 2 2 utilizado para a otimização da eluição da fração NSO (Resinas + Asfaltenos). -0, Standardized Effect Estimate (Absolute Value) Através da análise da superfície de resposta plotada a partir dos dados do planejamento de experimentos para a fração aromática (Figura 5), observa-se que os maiores valores de massa da fração aromática foram obtidos nas situações em que há menor massa de amostra e maior proporção de diclorometano (região mais marrom do gráfico). Devido à maior toxicidade do diclorometano com relação ao n-hexano (ou à mistura destes), utilizaram-se ferramentas estatísticas para justificar a substituição do uso de diclorometano puro. Para tanto utilizou-se a hipótese de que as médias das respostas dos dois conjuntos de dados (maior e menor proporção de diclorometano) para a menor massa Massa (g) Proporção DCM/MeoH Massa da fração (g) 1 0,02 (-) (8:2) (-) 0, ,02 (-) (9:1) (+) 0, ,03 (+) (8:2) (-) 0, ,03 (+) (9:1) (+) 0, ,02 (-) (8:2) (-) 0, ,02 (-) (9:1) (+) 0, ,03 (+) (8:2) (-) 0, ,03 (+) (9:1) (+) 0,00440

5 5 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL ESTATÍSTICO COMO FERRAMENTA PARA OTIMIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES ROMATOGRÁFICAS PARA O FRACIONAMENTO DO ÓLEO DA BACIA POTIGUAR. 2**(2-0) design; MS Residual=, mvolts 100 Fração NSO (resinas +asfaltenos) 75 (2)Proporção (%) 1, , TEMPO DE RETENÇÃO (min) -, Standardized Effect Estimate (Absolute Value) Figura 6. Gráfico de Pareto do planejamento fatorial completo 2 2 obtido para a fração NSO (a linha vertical define 95% do intervalo de confiança). Após a avaliação de todos os dados do planejamento de experimento conclui-se que a eluição da amostra deverá ocorrer conforme o seguinte procedimento: 0,02g de amostra 30mL de n-hexano para a fração Saturada, para a fração aromática uma mistura de n-hexano/diclorometano (1:1, v/v, 40mL) e para a fração NSO uma mistura de Diclorometano/Metanol (8:2, v/v, 40mL). Com o objetivo de avaliar melhor a separação de óleos segundo a metodologia otimizada, fez-se injeção de cada fração no cromatógrafo a gás para verificar a presença ou não de compostos das frações anteriores, por exemplo, a presença de compostos saturados na fração aromática. Na Figura 7 tem-se o cromatograma da fração aromática. Observa-se que os picos referentes aos hidrocarbonetos saturados estão presentes em concentrações muito pequenas, com área de pico próxima ao nível de ruído do equipamento, indicando que não houve co-eluição da fração saturada para a aromática. Resultado similar pode ser observado na Figura 8, em que não são observados picos referentes à presença de compostos aromáticos na fração NSO. mvolts Fração Aromática C15 C16 C17 PRISTANO C18 FITANO C19 C20 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27 C28 C29 C30 C31 C32 C33 C34 C35 C36 C TEMPO DE RETENÇÃO (min) Figura 7. Cromatograma da fração aromática obtida utilizando-se a metodologia otimizada através da injeção em método de compostos saturados por CG/FID. C40 Figura 8. Cromatograma da fração NSO obtida utilizando-se a metodologia otimizada através da injeção em método de compostos aromáticos GC-MS. CONCLUSÃO A utilização do planejamento fatorial para a otimização da técnica de cromatografia líquida em coluna aberta (SAR) mostrou-se eficiente. A variável proporção de diclorometano foi significativa para a separação de aromáticos. A eficiência da separação através utilização da metodologia otimizada verificada através da injeção das frações obtidas no sistema cromatográfico à gás através do qual foram observadas a ausência de co-eluição das frações. Os resultados evidenciam uma das principais vantagens da utilização do planejamento fatorial: a possibilidade de avaliar o sistema de maneira multivariada, buscando avaliar todas as variáveis que compõem o sistema experimental. Devido à grande diversidade de compostos presentes na amostra, o que resulta em óleos mais leves ou mais pesados, deve-se avaliar a metodologia proposta para o tipo de óleo a ser fracionado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AQUINO-NETO, F.R., NUNES, D.S.S. Cromatografia: Princípios básicos e técnicas afins. Editora Interciência Ltda. Rio de Janeiro FERREIRA, S.L.C.; BRUNS, E.R.; SILVA, E.G. P da; SANTOS, W.N.L. dos; QUINTELLA, M.C.; DAVID, J.M.; ANDRADE, J.B. de; BREITKREITZ, M.C.; JARDIM, I.C.S.F.; NETO, B.B. Statistical designs and response surface techniques for the optimization of chromatographic systems. Journal of Chromatography A, v p. 2-14, BARROS NETO, B.; SCARMINIO I.S.; BRUNS, R.E. Como Fazer erimentos: Pesquisa e desenvolvimento na ciência e na indústria. Editora Unicamp, ESTATISTICA, StatSoft South America-Brazil, Rua Tapajós n.673, Bairro Barcelona, São Caetano do Sul-SP , Versão 7.0, ZÍLIO, L.E., PINTO, B.U. Identificação e distribuição dos principais grupos de compostos presentes nos petróleos brasileiros. Rio de Janeiro: Boletim Técnico Petrobras, p., 2002.