Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária

Embrapa Agroenergia

Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento

Análise Química da Biomassa

Sílvio Vaz Júnior

Embrapa

Brasília, DF

2015

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Editoração eletrônica: Alexandre Abrantes Cotta de Mello, Leandro de Sousa Fazio, Jefferson Cristiano Christofoletti

Capa: Paula Cristina Rodrigues Franco

Fotos da capa: Biomassa (Fotolia, 2013) e espectro de ressonância magnética nuclear do ¹³C de amostra de lignina (Sílvio Vaz Júnior, 2011)

1ª edição

1ª impressão (2015): 1.000 exemplares

E-book (2015)

Todos os direitos reservados

A reprodução não autorizada desta publicação, no todo ou em parte, constitui violação dos direitos autorais (Lei nº 9.610).

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Embrapa Informação Tecnológica

Vaz Júnior, Sílvio.

Análise química da biomassa / Sílvio Vaz Júnior. - Brasília, DF : Embrapa, 2015.

E-book : il. color.

E-book, no formato ePub, convertido do livro impresso.

ISBN 978-85-7035-504-1

1. Química analítica. 2. Química orgânica. 3. Método de pesquisa. 4. Método de aplicação. I. Título. II. Embrapa Agroenergia.

CDD 660.63

® Embrapa 2015

Autor

Sílvio Vaz Júnior

Químico, doutor em Química Analítica, pesquisador da Embrapa Agroenergia, Brasília, DF

Agradecimentos

Ao dr. Alexandre Ataíde da Silva (Universidade de São Paulo), pela revisão técnica e científica da obra.

Aos colegas pesquisadores da Embrapa Agroenergia que auxiliaram na discussão de fundamentos técnicos.

Apresentação

Nenhum outro país reúne tantas condições para viabilizar a produção e o uso sustentável de biomassa como o Brasil: megabiodiversidade, ampla disponibilidade de área agricultável, reservatórios aquíferos de proporções gigantescas, competência comprovada em pesquisa, desenvolvimento e inovação em agricultura tropical e, finalmente, uma larga experiência na transformação de biomassa em biocombustíveis, facilmente comprovada nas histórias do etanol e do biodiesel. E essas são apenas algumas das vantagens que o País exibe no que respeita à produção e ao uso de biomassa.

De fato, para o Brasil, o tema produção e uso de biomassa de forma sustentável é um dilema, mas um bom dilema, que traz para o centro da discussão a pergunta: como tornar excelente aquilo que já é muito bom? Sem a pretensão de esgotar essa pergunta, queremos salientar que conhecer bem a biomassa disponível no País é primordial. Conhecer os diversos tipos de biomassa existentes, decifrar sua composição química, mapear sua distribuição, precificar e avaliar o melhor uso a ser dado a elas – tanto na produção de bioenergia quanto na de produtos químicos renováveis ou de outros bioprodutos – são componentes de uma lista de ações referentes a esse importante processo.

Este livro reúne informações que vão ajudar o público em geral a conhecer a biomassa, os métodos de análise e as técnicas analíticas utilizadas para esse fim. Outros estudos com certeza se seguirão, pois é preciso descobrir como tornar mais eficiente a sua produção e a sua transformação em produtos que agreguem valor à cadeia, aumentando a sua competitividade. Nossa expectativa, por enquanto, é ensinar a conhecer a biomassa.

Uma boa leitura a todos!

Manoel Teixeira Souza Júnior

Chefe-Geral da Embrapa Agroenergia

Prefácio

O uso da biomassa como matéria-prima renovável em substituição ao petróleo é um tema de forte apelo acadêmico, industrial e de marketing, em virtude do estabelecimento de uma economia verde e com menos impacto sobre o meio ambiente. Desse modo, tem-se buscado, mais do que nunca, ampliar os usos da biomassa para além daqueles tradicionais, como a agricultura e a energia. Cumpre lembrar, porém, que, para que novos produtos e processos possam ser desenvolvidos, além da obrigação de garantir a qualidade daqueles já existentes, é de fundamental importância a realização de análises químicas, tanto das matérias-primas quanto dos produtos e de seus resíduos.

Esta obra tem por objetivo principal demonstrar a importância da química analítica para o entendimento da composição química da biomassa e de seus produtos, pela aplicação de técnicas e métodos convencionais e inovadores de análise, os quais podem ajudar a melhorar diretamente a qualidade dos produtos e processos, e reduzir os impactos ambientais relacionados às cadeias produtivas da biomassa, com foco na vegetal. Esses precedentes se baseiam em contínuos esforços no conhecimento científico das análises químicas, o que vem se dando ao longo de décadas de trabalho por parte da comunidade química.

O autor deste livro realizou um levantamento criterioso das principais técnicas analíticas em uso, tanto as clássicas quanto as instrumentais, baseando-se em suas experiências acadêmica e profissional, nas tendências observadas nas ciências analíticas atuais e nas legislações reguladoras, além de ter levado em consideração outros aspectos relevantes, como os princípios da química verde e a proposta de uma química mais sustentável. Os princípios teóricos das técnicas analíticas e dos métodos relacionados visam direcionar a sua variada aplicação, motivo por que este livro é recomendado preferencialmente a profissionais e estudantes de graduação ou pós-graduação que já tenham conhecimento prévio em química analítica e química orgânica. Assim, pretende-se transmitir um sólido conhecimento sobre as análises químicas aplicadas a diversos tipos de biomassa, de sorte a permitir ao leitor a elaboração de metodologias analíticas e a interpretação dos resultados obtidos.

O autor

Capítulo 1
Análise química e suas aplicações no estudo da biomassa

Introdução

Nos tempos modernos, o acelerado desenvolvimento tecnológico tem, necessariamente, de estar associado ao compromisso com o controle de produtos e processos produtivos, tanto para garantir os parâmetros de qualidade de tais produtos, quanto para evitar que os processos utilizados gerem impactos negativos sobre o meio ambiente. A declarada preocupação da sociedade com a sustentabilidade das cadeias produtivas tornou-se um item de forte apelo comercial e social para os segmentos produtivos, como os de bioenergia, celulose e papel, e química, no sentido de firmarem um rigoroso compromisso com certos temas candentes, como a menor geração de gases do efeito estufa, o aumento de produtividade aliada a uma menor quantidade de energia consumida, a redução do uso de água e a aplicação de boas práticas de produção.

A química moderna desempenha um indiscutível papel econômico nas atividades industriais baseadas na biomassa, e sua aplicação sustentável cresce em importância com a implantação dos princípios da “química verde” e das biorrefinarias, as quais fazem uso do potencial da biomassa para a diminuição do impacto ambiental negativo da Química. É nesse contexto que a química analítica pode contribuir, de forma relevante, para as cadeias produtivas da biomassa, quer seja ela de origem vegetal, quer animal, principalmente para a primeira delas, já que apresenta os maiores desafios e possibilidades de avanços técnico e científico, dada a sua diversificada constituição química.

As análises químicas são utilizadas com vários propósitos: para o exame da composição, para a caracterização de propriedades físico-químicas e para a determinação da concentração de espécies químicas de interesse. A Figura 1 apresenta, de maneira simplificada, operações e componentes de uma cadeia econômica da biomassa.

Figura 1. Fluxograma típico da exploração econômica de uma cadeia da biomassa. As análises químicas podem estar envolvidas em todas as etapas, da matéria-prima aos resíduos.

Fonte: Vaz Júnior (2014).

Na Figura 2 são descritas as fontes de biomassa e sua classificação, de modo a facilitar tanto o entendimento de sua origem quanto o potencial de aplicação industrial.

Figura 2. Fontes da biomassa – as caixas em verde representam as biomassas mais utilizadas pela indústria e pela pesquisa e desenvolvimento.

Fonte: adaptado de Cortez et al. (2008).

A alta heterogeneidade e a consequente elevada complexidade química da biomassa vegetal tornaram-na matéria-prima para vários produtos finais, como energia, alimentos, produtos químicos e fármaco-químicos, e também materiais. A Figura 2 destaca quatro tipos de biomassa vegetal de grande interesse econômico: oleaginosas, sacarídeas (ou açucaradas), amiláceas e lignocelulósicas. A soja (Glycine max) e o dendê (Elaeis guinensis) são exemplos de espécies de plantas oleaginosas; a cana-de-açúcar (Saccharum spp.) e o sorgo-sacarino (Sorghum bicolor (L.) Moench) são biomassas sacarídeas; o milho (Zea mays) é uma biomassa amilácea; e o bagaço, a palha e a madeira são biomassas lignocelulósicas. Cada uma delas possui características estruturais e particularidades químicas, as quais estão diretamente relacionadas com a tecnologia analítica e a melhor abordagem técnica a serem aplicadas durante a análise química (VAZ JÚNIOR, 2014).

Técnicas e métodos analíticos dão suporte para a implantação de legislações reguladoras de mercado e ambientais, garantindo, assim, a qualidade das matérias-primas e o rendimento dos processos produtivos, além de viabilizar o desenvolvimento de novos produtos e materiais que agreguem valor à biomassa. As análises químicas desempenham papel importante na exploração da biomassa, sendo vistas como tecnologias de suporte para todas as etapas de processamento das cadeias produtivas, como da cana-de-açúcar, da soja, do milho, de florestas, de papel e celulose, e de resíduos de agroindústrias.

Este livro apresenta a aplicação prática de técnicas e métodos analíticos para a análise química da biomassa e de seus produtos, em seus variados empregos em escala laboratorial ou industrial, no propósito de transmitir suas potencialidades de utilização para fins técnicos ou científicos.

Aplicações da análise química no estudo da biomassa

A análise química, de um modo genérico, pode ser considerada como o uso de conceitos da química analítica e de suas técnicas e métodos analíticos na investigação e na solução de problemas reais, de variável complexidade, em diferentes áreas científicas ou tecnológicas. A análise química pode gerar informação tanto de caráter qualitativo quanto de caráter quantitativo.

No estudo da biomassa e de seus processos de transformação ou conversão, a aplicação da análise química pode se dar da seguinte forma:

• Na determinação da constituição química de diversos tipos de biomassa, seus produtos, coprodutos, subprodutos e resíduos.

•  No acompanhamento de processos químicos, bioquímicos ou termoquímicos de conversão.

• Na observação de propriedades e características físicas e químicas da biomassa e de seus constituintes moleculares.

Como será visto no decorrer desta obra, atualmente existem várias abordagens metodológicas, além de um grande número de técnicas analíticas à disposição.

Termos da química analítica

Para compreender a aplicação das técnicas analíticas para a análise da biomassa e de seus produtos, é de fundamental importância a introdução de alguns termos básicos da química analítica.

Inicialmente, deve-se levar em conta que a análise química pode ser aplicada em três situações distintas ou complementares:

• Caracterização: observação de alguma propriedade física atribuída ao analito, ou a espécie química de interesse. Por exemplo, a absorção da radiação visível no intervalo de comprimento de onda de 400 nm a 450 nm, ou o comportamento da molécula exposta à incidência de radiação de outros comprimentos de onda – essa é a aplicação típica de certas técnicas espectroscópicas (infravermelho e ressonância magnética nuclear) e das técnicas microscópicas.

• Identificação: informação qualitativa da presença ou ausência do analito – um bom exemplo é a espectrometria de massas, que identifica os compostos por meio do fracionamento da sua estrutura molecular.

• Determinação: informação quantitativa da concentração do analito na amostra – um exemplo é a análise elementar da composição e análises cromatográficas acopladas às técnicas de detecção.

A seguir são descritos os principais termos relacionados ao uso das técnicas analíticas.

Calibração

Para a obtenção de dados quantitativos, é necessário fornecer referências para que seja possível correlacionar os dados obtidos em um equipamento com a concentração do analito, que, conforme explicado, é a espécie de interesse para a análise. Esse procedimento é chamado de calibração, que nada mais é que determinar a relação entre a resposta analítica (ou sinal da medida) e a concentração do analito. De acordo com Ribani et al. (2004) e Vaz Júnior e Soares (2012), os principais métodos de calibração são:

• Adição de padrão: o método da adição de padrão consiste em adicionar uma quantidade conhecida de um analito à amostra. A diferença entre os resultados da amostra sem adição e com adição do analito deve ser igual à quantidade adicionada. O método pode também ser empregado com adições múltiplas de padrão, que permite verificar se existe relação linear entre a resposta e a concentração do analito. Normalmente, o método da adição de padrão é utilizado quando a matriz possui composição complexa e afeta o sinal analítico.

• Padrão externo: quando se tem conhecimento de que os constituintes da amostra não causam interferência no sinal do analito, pode-se fazer uso do método do padrão externo. O método consiste na construção de uma curva analítica com padrões contendo o analito. Idealmente, isso é feito com mais de três padrões, com concentrações próximas às do analito que se pretende determinar.

• Padrão interno: o método consiste na adição de um padrão – substância de composição diferente daquela do analito e de concentração conhecida – a uma série de padrões que contenham quantidades conhecidas do analito que se pretende determinar, para a construção de uma curva analítica. Essa curva não é construída por meio da resposta do analito, mas pela razão entre o sinal do padrão interno e o sinal do analito. Qualquer analito de concentração desconhecida pode, então, ser determinado com a adição do padrão interno, pela projeção da razão entre as respostas na curva analítica. Esse método é especialmente empregado quando costumam ocorrer pequenas variações na resposta do equipamento a cada análise executada, como em uma análise cromatográfica.

A Figura 3 ilustra alguns exemplos de curvas de calibração aqui tratadas.

Figura 3. Exemplos de curvas de calibração comumente utilizadas em análise quantitativa: a curva de cima diz respeito ao método da adição de padrão, enquanto a curva de baixo, ao do padrão externo.

A validação é a comprovação, por meio do fornecimento de evidência objetiva, de que os requisitos para uma aplicação ou uso específico pretendido foram atendidos.

Segundo a ABNT NBR ISO/IEC 17025:2005 (INTERNATIONAL STANDARD ORGANIZATION, 2005), o laboratório deve validar os métodos não normalizados, que são métodos criados ou desenvolvidos pelo próprio laboratório, ou métodos normalizados usados fora dos escopos para os quais foram concebidos, como ampliações ou modificações. Estes últimos referem-se a métodos desenvolvidos por organismo de normalização, ou outro segmento cujos métodos sejam aceitos pelo setor técnico em questão.

São utilizados vários parâmetros de validação, ou figuras de mérito, como: seletividade, sensibilidade, linearidade, limite de detecção, limite de quantificação, exatidão, precisão e robustez (VAZ JÚNIOR; SOARES, 2012). Antes de dar procedimento à validação do método analítico, esses parâmetros devem ser definidos, bem como os limites em que os resultados podem ser aceitos. As propriedades desses parâmetros são:

• Exatidão: representa o grau de concordância entre um valor medido e um valor tido como “valor verdadeiro”; a exatidão expressa o erro relativo da medida (ER), conforme a Equação 1:

ER = (XD – XV / XD) x 100

(1)

em que

XV = valor verdadeiro.

XD = valor determinado.

• Linearidade: expressa a concordância entre os resultados obtidos por um determinado método, para um dado parâmetro, como a absorvância versus a concentração do analito, em uma dada faixa de concentração. O coeficiente de correlação linear (r), calculado pela equação de regressão linear, é utilizado para indicar se o modelo matemático é adequado. Ou, ainda, pode-se utilizar o coeficiente de determinação r2, que quanto mais próximo de 1 (um) maior a linearidade, a qual é expressa pela Equação 2:

yi = a + bxi

(2)

em que

yi = valor da coordenada.

a = intercepto da reta.

b = coeficiente de inclinação.

xi = valor da abscissa.

• Limite de detecção e limite de quantificação: o limite de detecção (LD) para um método analítico pode variar conforme for o tipo de amostra, sendo definido como a concentração mínima de uma substância medida e declarada com 95% ou 99% de confiança de que a concentração do analito é maior que zero. Existem várias formas de se calcular o LD, mas a recomendação é de que, no cálculo, sejam feitas ao menos sete replicatas do branco. Já o limite de quantificação (LQ) é a menor concentração do analito, que pode ser determinada com um nível aceitável de precisão (vista mais à frente). Pode ser considerado como o valor médio das leituras do branco adicionando-se 5, 6 ou 10 vezes o desvio-padrão (tratado mais à frente). As equações comumente utilizadas na determinação de LD e LQ são:

LD = 3,3 x s/S

(3)

LQ = 10 x s/S

(4)

em que

s = desvio-padrão da média – conforme mostra Equação 7.

S = inclinação da curva de calibração.

• Precisão: grau de concordância entre indicações ou valores medidos, obtidos por medições repetidas da mesma amostra, sob condições especificadas. É geralmente expressa na forma numérica, por meio de medidas de dispersão, como o desvio-padrão, a variância ou o coeficiente de variação, sob condições de medição especificadas (recuperação, repetitividade ou reprodutividade) – tais termos serão posteriormente tratados.

• Sensibilidade ou sensitividade: é a medida da habilidade em discriminar as pequenas diferenças de concentração de um analito. Dois fatores limitam a sensibilidade: a inclinação da curva analítica e a reprodutibilidade. Para dois métodos que tenham a mesma precisão, aquele que tem a curva analítica mais inclinada será o mais sensível; se as curvas analíticas forem iguais, será mais sensível aquele que exibir maior precisão. Pode-se determinar a sensibilidade por meio da Equação 5:

ΔCA = ΔSA/kA

(5)

em que

ΔCA = sensibilidade ou sensitividade para uma dada espécie A.
ΔSA = menor incremento no sinal que pode ser medido (a menor diferença é a concentração do analito que pode ser detectada).
kA = é a constante de proporcionalidade.

• Seletividade: propriedade de um sistema de medição, segundo a qual o sistema fornece valores medidos para um ou vários mensurandos (grandeza que se pretende medir), tal que os valores de cada mensurando sejam independentes uns dos outros. Se o método escolhido não apresentar seletividade, os componentes da matriz causarão interferência no desempenho da medição. A avaliação da seletividade de um método envolve ensaios com padrões ou materiais de referência, amostras com e sem o analito, e avaliação da eficiência na determinação do analito na presença de interferentes – se SA for igual à unidade significará que o método é seletivo para o analito.

SA = KA(CA + KA,ICI)

(6)

em que

KA = coeficiente de sensitividade do analito (calculado a partir da Equação 5).

CA = concentração do analito.

KA,I = coeficiente de seletividade.

CI = concentração do interferente.

• Robustez: mede a sensibilidade de um método em relação às pequenas variações nas condições de análise. Um método se diz robusto quando se mostra praticamente insensível a essas variações. Logo, quanto maior a robustez, maior a confiança do método relacionada à precisão – o coeficiente de variação, a ser tratado mais à frente, pode expressar esse parâmetro.

Cabe tratar à parte a importância da precisão e de seus modos de medida na química analítica, tomando-se uso do principal, que é o desvio-padrão. Uma medida da precisão dos dados geralmente pode ser obtida pelo desvio-padrão da média (s):

(7)

em que

xi = valor de uma determinada medida.

x = média aritmética dos valores das medidas (x = ∑ xi/n)

n = número de medidas realizadas.

O coeficiente de variação, ou desvio-padrão relativo, é útil para se acompanhar a precisão relativa das medidas:

(8)

O intervalo de confiança da média (ICM) é de grande utilidade quando se quer expressar o intervalo de confiança de uma medida:

(9)

em que

x = média aritmética dos valores das medidas (x = ∑ xi/n)

n = número de medidas realizadas.

s = desvio-padrão da média (Equação 7).

tn-1 = valor crítico tabelado da distribuição de Student.

Outra figura de mérito a ser tratada à parte é a porcentagem de recuperação, que é importante para a determinação da performance de um método de extração, cujo valor pode variar de 70% a 120%:

%R = (Ci – Cf /Ci) x 100

(10)

em que

Ci = concentração inicial adicionada do padrão à matriz, sem traços do analito.

Cf = concentração final determinada na amostra (matriz + padrão) depois da adição de uma concentração conhecida do padrão, e depois da aplicação do método de extração.

Para qualquer medida que seja utilizada existem erros ou incertezas associados. O termo “erro” pode ser entendido de duas formas: pode se referir à diferença entre um valor medido e um valor conhecido, ou relacionado à incerteza estimada associada a uma medida ou a um experimento. Dessa forma, o erro pode ser classificado, conforme se explicará a seguir, como: aleatório ou indeterminado; sistemático ou determinado; e grosseiro:

• Os erros aleatórios existem em toda medida, não podendo ser totalmente eliminados, porque são provocados por variáveis incontroláveis no processo de medida. Esses erros afetam, portanto, a precisão dos resultados.

• Os erros sistemáticos têm uma causa definida, sendo da mesma ordem de grandeza para replicatas de uma medida feita de forma semelhante. Podem ser causados, por exemplo, pela falta de calibração de um equipamento de análise. Esses erros afetam a exatidão dos resultados.

• Os erros grosseiros são normalmente de grande magnitude, e são causados por falha humana. Esses erros levam a valores anômalos, que diferem significativamente dos demais valores replicados. Existem vários testes estatísticos para identificar esse tipo de erro, os quais não serão aqui tratados.

Estudos interlaboratoriais

No Brasil, os estudos de comparação interlaboratoriais são coordenados pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). A participação em tais estudos pode comprovar que a metodologia está consolidada, com parâmetros bem desenvolvidos e definidos. Quanto aos procedimentos, que devem ser seguidos tanto na validação quanto em cálculos de incerteza de medição, existem vários protocolos e guias disponíveis, como: International Association of Analytical Communities (AOAC), International Conference on Harmonization (ICH) e Eurachem (INMETRO, 2010).

A seguir são tratados os principais procedimentos adotados para este tipo de estudo:

• Calibração com o uso de materiais ou padrões de referência (avaliação de desempenho do método) – o material de referência é um material suficientemente homogêneo e estável em relação a propriedades específicas, preparado para se adequar a uma utilização pretendida numa medição ou num exame de propriedades qualitativas, podendo vir acompanhado de uma documentação emitida por um organismo com autoridade, a qual fornece um ou mais valores de propriedades especificadas com as incertezas e as rastreabilidades associadas, chamado, nesse caso, de material de referência certificado. Já o padrão de referência é utilizado para a calibração de outros padrões de grandeza idênticos, em uma dada organização ou local.

• Comparações com resultados obtidos por outros métodos (avaliação de desempenho do método) – a eficiência do método em desenvolvimento pode ser verificada comparando-se os resultados desse com resultados de um método normalizado, por meio de testes estatísticos. Um exemplo é o teste t de Student, utilizado para comparar a média de uma série de resultados com um valor de referência, ou as médias de dois conjuntos de resultados, dentro de um determinado nível de confiança. O valor encontrado na Equação 11 é comparado com o valor tabelado de t, devendo o primeiro se aproximar o máximo possível do segundo, para a validação do método proposto.

(11)

em que

x = média aritmética de valores do conjunto.

µ = valor de referência, que pode ser substituído pela média de outro conjunto de dados.

n = número de medidas.

s = desvio-padrão.

A Tabela 1 apresenta alguns exemplos de valores de t tabelados, conforme o número de medidas realizadas, e sua a probabilidade de acerto.

Tabela 1. Valores para o parâmetro t de Student, conforme o número de determinações, para 95% e 99% de probabilidade.

Grau de liberdade
(n – 1)

95% de
probabilidade

99% de
probabilidade

1

12,71

63,66

2

4,30

9,93

3

3,18

5,84

4

2,78

4,60

5

2,57

4,03

6

2,45

3,71

7

2,37

3,50

8

2,31

3,36

9

2,26

3,25

10

2,23

3,17

∞

1,96

2,58

Fonte: Baccan et al. (2001).

O teste F é normalmente aplicado para comparar os resultados de dois diferentes métodos, ou, então, para comparar os resultados dados por dois laboratórios.

(12)

em que

S = desvio-padrão referente a cada conjunto de medidas (x ou y).

O maior valor de s é sempre utilizado no numerador, de forma que o valor de F será sempre maior que a unidade. O valor encontrado é, então, comparado com o valor tabelado de F, considerando os graus de liberdade de cada conjunto de dados. Para ser considerado igualmente eficiente, o valor encontrado tem de ser menor que o valor tabelado. A Tabela 2 apresenta valores de F para uma probabilidade de exceção de somente 5% dos casos.

Tabela 2. Valores para o parâmetro F ao nível de 5% de probabilidade, conforme o número de graus de liberdade do denominador e do numerador.

Grau de
liberdade
(denominador)

Grau de liberdade (numerador)

3

4

5

6

12

20

∞

3

9,28

9,12

9,01

8,94

8,74

8,64

8,53

4

6,59

6,39

6,26

6,16

5,91

5,80

5,63

5

5,41

5,19

5,05

4,95

4,68

4,56

4,36

6

4,76

4,53

4,39

4,28

4,00

3,87

3,67

12

3,49

3,26

3,11

3,00

2,69

2,54

2,30

20

3,10

2,87

2,71

2,60

2,28

2,12

1,84

∞

2,60

2,37

2,21

2,10

1,75

1,57

1,00

Fonte: Baccan et al. (2001).

• Comparações interlaboratoriais: são realizadas análises da mesma amostra, por vários laboratórios. O objetivo é verificar se o resultado obtido pelo laboratório que está desenvolvendo o método é reprodutível. Na avaliação sistemática dos fatores que influenciam o resultado, é importante que se tenha um bom conhecimento do processo de medição, para que se possam avaliar quais as possíveis fontes de interferência no resultado final, devendo ser feita, idealmente, de forma contínua. Na avaliação da incerteza dos resultados com base no conhecimento científico dos princípios teóricos do método e na experiência prática, considera-se que, de acordo com o Vocabulário Internacional de Metrologia (INMETRO, 2009), a incerteza de uma medição é um parâmetro associado ao resultado, que caracteriza a dispersão dos valores obtidos em torno da média. Para todo processo de medição existem incertezas associadas. A incerteza total ou incerteza-padrão combinada (u) é a soma das incertezas geradas pelos diversos componentes do processo de medição, cada um deles expresso com um desvio-padrão. Estabelecido um grau de confiança, determina-se a incerteza combinada expandida (U), por meio do critério do intervalo de confiança e utilizando-se um fator de abrangência k – na maioria das vezes, usa-se k = 2, correspondente ao nível de confiança de aproximadamente 95% (OLIVIERI et al., 2006). Incerteza de medição não deve ser confundida com erro. Como já tratado, erro é definido como a diferença entre o valor medido e o valor verdadeiro do mensurando.

u = U/k

(13)

Controle de métodos validados

Depois de desenvolvido e validado, o método analítico necessita de controle permanente. O controle de métodos é de extrema relevância, pois permite verificar a necessidade de uma revalidação. Em termos gerais, uma revalidação deve ser realizada quando surgir uma das seguintes situações: a) introdução de novo método analítico no lugar do anteriormente validado; b) troca de um determinado reagente por outro de marca diferente, que possui especificações de pureza e qualidade inferiores; c) manutenção preventiva ou corretiva em instrumento utilizado na metodologia, alterando as configurações técnicas originais do fabricante; d) alterações na concentração de trabalho do método analítico; e e) alterações não previstas em parâmetros do método analítico no ensaio de robustez original (THOMPSON et al., 2002).

Desse modo, tem-se um método que gera resultados confiáveis sob condições variáveis de operação.

Química analítica verde

Uma questão de grande importância diz respeito à minimização dos impactos sobre o meio ambiente e sobre a saúde humana e a animal, que possam ser causados pelos processos analíticos e pelos processos produtivos. Foi com essa preocupação que se criou a expressão “química verde” e foram estabelecidos seus 12 princípios práticos (ANASTAS; WARNER, 1998). De acordo com esse conceito, alguns princípios se destacam na condução de uma análise química, a saber:

• Deve-se prevenir a geração de resíduos em vez de tratá-los.

• Todo reagente deve ser consumido para a formação de um produto, ou seja, deve haver uma economia atômica.

• Se possível, deve-se dispensar o uso de solventes, de agentes de separação, etc., e deve ser inócuo quando feito.

• Deve-se reduzir ou evitar a formação de derivados, pois isso envolve a utilização adicional de reagentes, o que pode gerar maior quantidade de resíduos.

• Deve-se desenvolver metodologias analíticas que possam ser utilizadas em tempo real para monitoramento e controle, antes da formação de compostos tóxicos, de forma a contribuir na prevenção de poluição.

Armenta et al. (2008) abordaram, de uma maneira ampla, a criação da chamada “química analítica verde”, seus marcos e exemplos de aplicação, considerando que os componentes abaixo são de extrema relevância para o “esverdeamento” de um método analítico:

• Preparo de amostras, por meio da redução de uso desse procedimento.

• Metodologias de varredura, que permitam a identificação do maior número possível de analitos em uma única operação analítica.

• Alternativas a reagentes tóxicos, dando-se preferência a reagentes de baixa toxicidade e renováveis.

• Minimização de resíduos.

• Recuperação de reagentes, para sua posterior reutilização.

• Descontaminação on-line de resíduos, de modo que sejam tratados pelo mesmo processo analítico.

• Metodologias sem o uso de reagentes, que permitam uma análise rápida e barata.

Assim, cabe aqui considerar que a análise da biomassa deve ser fundamentada nos princípios da química verde, já que o contexto de uso da primeira é refletido na sustentabilidade das matérias-primas.

A Figura 4 ilustra o uso dos mais importantes princípios da química verde referentes ao desenvolvimento de métodos analíticos mais “verdes” e sustentáveis.

Figura 4. Aplicação de conceitos de “química verde” ao desenvolvimento de um método analítico “verde” e sua implicação na melhoria da sustentabilidade de um processo analítico, considerando-se impactos ambientais, econômicos e sociais. Nesse caso, é considerada somente a componente ambiental.

Fonte: adaptado de Vaz Júnior e Soares (2014).

Capítulo 2
As classes de biomassa vegetal e sua composição química

Introdução

Conforme já discutido no Capítulo 1, quatro classes da biomassa vegetal destacam-se por seu potencial econômico para a exploração industrial: amilácea, oleaginosa, lignocelulósica e sacarídea. Será tratada neste capítulo a composição química de cada uma delas, de modo que se possa compreender a necessidade de uso das análises químicas conforme a sua heterogeneidade estrutural.

Amilácea

A biomassa amilácea possui esse nome por ter como principal constituinte químico o amido, que é um polímero – ou polissacarídeo –, cujo monômero é a glicose, que é uma hexose, ou açúcar de seis carbonos (C6), também denominada de monossacarídeo. A estrutura química do amido é apresentada na Figura 1.

Figura 1. Estrutura química do amido, em que cada unidade estrutural (monômero) é uma molécula de D-glicose ligada a outra molécula por meio de ligação α-1, 4-D-dissacarídea.

Fonte: Allinger et al. (1976).

São exemplos de amiláceas: milho, batatas, mandioca, trigo e cevada. Nas Figuras 2 e 3 são apresentados exemplos de amiláceas de largo uso agroindustrial.

Figura 2. O milho (Zea mays) é uma amilácea originária do México, amplamente utilizada na alimentação humana e na animal, na indústria de biocombustível (etanol) e de polímeros derivados do amido.

Foto: Zineb Benchekchou

Figura 3. A mandioca (Manihot esculenta Crantz) é uma amilácea originária do Brasil, de largo uso na alimentação humana, que também pode ser utilizada na produção de biocombustível (etanol).

Foto: Laura Cunha

A Tabela 1 apresenta a composição química (porcentagem massa por massa – % m/m) de algumas amiláceas, composição essa que pode variar de acordo com o tipo de solo, de clima e de cultivo.

Tabela 1. Composição química observada em plantas amiláceas de uso agroindustrial.

Espécie

Amido
(% m/m)

Proteína
(% m/m)

Fibras(1)
(% m/m)

Outros
(% m/m)

Milho (grão)1

72

9,5

9

4 (lipídeos)

Mandioca (tubérculo)2

39

1,8

6,5

-

Batata-inglesa (tubérculo)3

16,4

3

-

17,7 (carboidratos redutores)

(1)Considera-se como fibras as estruturas alongadas componentes dos tecidos das plantas, cujo principal constituinte é a celulose.

Fonte: 1Paes (2006), 2Ceni et al. (2009) e 3Quadros et al. (2009).

Verifica-se pela Tabela 1 que plantas como o milho possuem um grande conteúdo de amido em comparação com outros componentes químicos, o que torna essas plantas de grande importância econômica, como poderá ser visto no Capítulo 3. O amido presente nas plantas serve de reserva de energia para os processos metabólicos.

Sacarídea

A biomassa sacarídea é aquela em que a principal fonte de açúcar é a sacarose, que é um dissacarídeo formado por glicose e frutose, sendo estes últimos os seus monossacarídeos constituintes, os quais são hexoses (C6). A Figura 4 apresenta a estrutura molecular da sacarose.

Figura 4. Estrutura química da sacarose, em que o monossacarídeo da esquerda é a D-glicose e o da direita é D-frutose, os quais se encontram ligados por meio de ligação α-β-D-dissacarídea.

Fonte: Allinger et al. (1976).

São exemplos de plantas sacarídeas a cana-de-açúcar e o sorgo-sacarino. É importante lembrar que o sorgo-sacarino possui uma considerável concentração de monossacarídeo livre (D-glicose) em comparação com a cana-de-açúcar. Nas Figuras 5 e 6 são apresentadas essas espécies, também de grande importância agroindustrial.

Figura 5. A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) é uma sacarídea originária do Sudoeste da Ásia, bastante empregada na alimentação humana, na indústria de biocombustível (etanol) e na de derivados de sacarose e etanol.

Foto: Daniela Collares

Figura 6. O sorgo-sacarino (Sorghum bicolor (L.) Moench) é uma sacarídea originária da África e da Ásia, de amplo uso na alimentação animal, podendo seu uso se estender à produção de biocombustível (etanol).

Foto: Jefferson Christofoletti

A Tabela 2 mostra a composição química (porcentagem massa por massa – % m/m) das duas sacarídeas aqui consideradas, as quais podem variar de acordo com o tipo de solo, de clima e de cultivo.

Tabela 2. Composição química observada em caldo extraído de plantas sacarídeas de uso agroindustrial.

Espécie

Sacarose (% m/m)

Glicose (% m/m)

Proteína (% m/m)

Sais inorgânicos (% m/m)

Ácidos orgânicos (% m/m)

Cana-de-açúcar1

70–88

-

0,5–0,6

3–4,5

1,5–5,5

Sorgo-sacarino2

14,8

1,5

-

-

-

Fonte: 1Hamerski (2009) e 2Mamma et al. (1995).

Assim como se dá com as plantas amiláceas, a sacarose atua como reserva energética para os processos metabólicos.

Oleaginosa

Biomassa oleaginosa é aquela na qual os ácidos graxos superiores e seus ésteres, chamados de lipídeos, estão armazenados no interior de sementes ou grãos, havendo ácidos graxos com cadeias de diferentes tamanhos e diferentes números de insaturação. A Figura 7 apresenta a estrutura molecular de ácidos graxos encontrados em cultivares agroindustriais.

Figura 7. Estrutura química de ácidos graxos encontrados em oleaginosas, mostrando sua isomeria estrutural.

São exemplos de oleaginosas: a soja, o dendê, o amendoim e o algodão. As Figuras 8 e 9 apresentam essas espécies, também de grande importância agroindustrial.

Figura 8. A soja (Glycine max) é uma oleaginosa originária da Ásia, amplamente empregada na alimentação animal e nas indústrias de biocombustível (biodiesel) e oleoquímica.

Foto: Danilo Estevão

Figura 9. O dendê (Elaeais guinensis) é uma oleaginosa originária da África, de largo uso na alimentação humana e na indústria de óleos e lubrificantes.

Foto: Zineb Benchekchou

A Tabela 3 exibe a composição química (porcentagem massa por massa – % m/m) dos óleos de soja e dendê, composição que pode variar de acordo com o tipo de solo, de clima e de cultivo.

Tabela 3. Composição química observada em óleos de plantas oleaginosas de uso agroindustrial.

Espécie

Ácido palmítico (% m/m)

Ácido esteárico (% m/m)

Ácido oleico
(% m/m)

Linoleico (% m/m)

Triacilgliceróis⁽¹⁾ (% m/m)

Dendê

44

4

39

10

3

Soja

11

4

23

8

1

(1)Triacilgliceróis são compostos químicos que apresentam, em uma mesma estrutura, uma parte formada por lipídio e outra parte formada por carboidrato.

Fonte: Gunstone (2004).

Da mesma forma como ocorre com as amiláceas e sacarídeas, os óleos e as gorduras servem como reserva energética para os processos metabólicos das plantas.

Lignocelulósica

Comparada às outras biomassas estudadas, a biomassa lignocelulósica é a mais abundante, por ser formada por celulose, hemicelulose e lignina, que são os três componentes da parede celular e da estrutura morfológica das plantas – a celulose e a hemicelulose são polímeros polissacarídeos, enquanto a lignina é uma macromolécula fenólica. As Figuras 10 a 12 ilustram esses componentes.

A celulose tem como monômero a D-glicose, cujas unidades estão ligadas por ligações 1,4-β-D. A hemicelulose tem como oligômeros unidades C5 e C6 de glicose e pentose (majoritariamente a D-xilose), respectivamente, ligadas por ligações 1,4-β-D – ela se liga à celulose por meio de ligações de hidrogênio. Já a lignina, que é uma macromolécula de estrutura irregular, tem como precursores os álcoois p-coumarílico, coniferílico e sinapílico, ligados por meio de ligações C-C e pela formação de éteres – essas unidades fenilpropânicas são também conhecidas como p-hidroxidifenil (H), guaiacil (G) e siringil (S). A lignina se liga à hemicelulose por meio de ligação de hidrogênio, de modo a estabilizar a estrutura das plantas (HON; SHIRAISHI, 2001).

Figura 10. Estrutura química da lignina (à esquerda) e de seus precursores primários (à direita), sendo: A) álcool p-cumárico, B) álcool coniferílico e C) álcool sinapílico.

Figura 11. Estrutura química da celulose.

Figura 12. Estrutura química da hemicelulose.

Como exemplos de biomassas lignocelulósicas tem-se o bagaço de cana-de-açúcar e a madeira, que estão ilustrados nas Figuras 13 e 14.

Figura 13. Bagaço de cana-de-açúcar.

Foto: Daniela Collares

Figura 14. Madeira de eucalipto.

Foto: Rosana Higa

Na Tabela 4 são descritas as porcentagens massa por massa (% m/m) de celulose, hemicelulose e lignina de alguns materiais lignocelulósicos.

Tabela 4. Composição química média dos principais componentes de alguns materiais lignocelulósicos.

Biomassa lignocelulósica

Celulose
(% m/m)

Hemicelulose
(% m/m)

Lignina
(% m/m)

Farelo de cevada

23,0

32,7

24,4

Sabugo de milho

31,7

34,7

20,3

Folhas de milho

37,6

34,5

12,6

Bagaço de cana

40,2

26,4

25,2

Palha de arroz

43,5

22,0

17,2

Palha de trigo

33,8

31,8

20,1

Palha de sorgo

34,0

44,0

20,0

Eucalyptus grandis

40,2

15,7

26,9

Eucalyptus globulus

46,3

17,1

22,9

Fonte: Silva (2010).

Capítulo 3
Os vários usos da biomassa vegetal

Introdução

O uso da biomassa pelo homem remonta aos primórdios da história da humanidade, quando, então, a biomassa era utilizada como alimento, fonte de calor e na produção de fibras e utensílios diversos, como armas. Com o desenvolvimento das sociedades, o uso descontrolado desse recurso natural provocou o desmatamento maciço das florestas nativas em praticamente todos os continentes. Em contrapartida, a agricultura desenvolveu-se, levando a um aumento da produção e da produtividade das culturas destinadas sobretudo à alimentação humana e à animal.

No início do século 20, houve um boom de consumo, baseado nos derivados do petróleo, que é uma fonte não renovável e altamente poluente de matéria-prima; isso pode ser notado pela elevada produção de artigos de plástico. Em seguida, a sociedade percebeu que o petróleo é uma fonte finita, que trouxe, ademais, sérios problemas a vários países produtores, como a instabilidade política e social, guerras e desastres ambientais.

A partir do entendimento de que devemos reduzir ou eliminar os impactos ambientais negativos dos processos e produtos, aliado a uma melhoria social e econômica – ou seja, garantir a sustentabilidade de toda uma cadeia produtiva –, passou-se a considerar a biomassa como uma fonte potencial de matéria-prima industrial para fins energéticos, químicos, alimentares, farmacêuticos, de materiais, entre outros.

O advento dos conceitos de “química verde”, “biorrefinaria” e “bioeconomia” impulsionou a busca pela exploração de todo o potencial de uso da biomassa. Demonstrou-se, porém, haver grandes desafios a serem superados, os quais necessitavam da contribuição da química analítica para a sua solução (VAZ JÚNIOR, 2013, 2012).

Agricultura

A produção da biomassa agrícola pode ser considerada o principal complexo econômico “verde”, já que ela fornece alimentos para homens e animais, além de matéria-prima para diversos segmentos econômicos. Contudo, o principal uso da biomassa agrícola continua a ser a alimentação humana (na forma de grãos) e a animal (na forma de rações).

Alguns países, como o Brasil e os EUA, têm na agricultura um forte componente da sua balança comercial. Assim, qualquer queda de produção se reflete diretamente na “saúde econômica” de cada um deles, principalmente quando são consideradas as grandes commodities agrícolas, como o café, a soja, o milho e a cana-de-açúcar, cujos preços são internacionalmente padronizados – a esse tipo de produção agrícola convencionou-se chamar de agronegócio.

Atualmente, a agricultura vem passando por grandes desafios relacionados às suas práticas de produção, como: aumento da produtividade em contraponto à diminuição das áreas de cultivo; uso e manejo do solo; aquecimento global; integração lavoura-pecuária; redução de uso de água, agrotóxicos e fertilizantes; controle de resíduos nos produtos e no meio ambiente; e segurança alimentar (ASSAD et al., 2012). O aproveitamento de resíduos sólidos e efluentes das cadeias agroindustriais é cada vez mais procurado, de modo a se obterem ganhos de sustentabilidade.

Na Tabela 1 são apresentados números recentes da produção agrícola mundial.

Tabela 1. Produção de grãos referente ao ano de 2010 nos principais países produtores.

País

Área plantada

(x 1.000 ha)

Produção

(x 1.000 t)

China

90.115

497.943

EUA

57.483

401.670

Índia

100.076

267.838

Indonésia

17.385

84.797

Brasil

18.600

75.161

Fonte: Food and Agriculture Organization of the United Nations (2013).

Energias térmica e elétrica

A principal característica dos processos voltados ao uso energético da biomassa diz respeito à aplicação da oxidação térmica, que leva à produção de calor e energia elétrica. De acordo com Nossbaumer (2003), os principais processos térmicos utilizados para tais fins são: carbonização; combustão; gaseificação; pirólise rápida; e torrefação ou pré-carbonização.

A cogeração é uma das principais aplicações desses processos. É um processo térmico combinado, por meio do qual se produz energia elétrica com base em resíduo da biomassa, consumindo, assim, um passivo ambiental e gerando receita. Nele, a combustão da biomassa gera calor, que aquece a água, gerando vapor, que, por sua vez, move as turbinas para a produção da bioeletricidade – a qual tanto pode ser utilizada pela própria usina que a produziu quanto ser vendida para a rede elétrica (UNIÃO DA INDÚSTRIA DE CANA-DE-AÇÚCAR, 2013). A Figura 1 ilustra um fluxograma de cogeração de eletricidade por meio da queima do bagaço de cana-de-açúcar.

Figura 1. Fluxograma da cogeração de eletricidade em uma usina de processamento de cana-de-açúcar.

Biocombustíveis

Os biocombustíveis são produtos da conversão da biomassa, por meio da combinação de processos físicos (por exemplo, moagem e separação) com um processo químico (por exemplo, síntese química após a gaseificação da biomassa) ou um processo bioquímico (por exemplo, fermentação).

Na atualidade, os biocombustíveis de largo uso em escala mundial são o biodiesel e o etanol, os quais já possuem uma cadeia de produção e distribuição bem estabelecida no Brasil, nos EUA e na Europa. Segue-se o biogás, cujo uso é, em comparação aos demais, de bem menor escala, em virtude de problemas de qualidade do produto e de distribuição (BRASIL, 2006).

O biodiesel é uma mistura de monoalquil ésteres, obtida da reação de um triglicerídeo com um álcool (transesterificação) – geralmente o metanol –, catalisada por uma base. Gera, como subproduto, a glicerina (GARCIA, 2006), como pode ser observado na Figura 2.

Figura 2. Reação de produção do biodiesel.

O etanol é produto da fermentação da sacarose (açúcar comercial), após hidrólise, pela levedura Saccharomyces cerevisiae, gerando calor, água e gás carbônico (SALVATO, 2010), conforme pode ser observado na equação descrita na Figura 3.

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2CO2 + 108,86 kJ mol-1

Figura 3. Reação de produção de etanol.

Dos três biocombustíveis citados, o biogás é o que pode ser obtido dos mais variados tipos de matéria orgânica: lixo urbano, efluentes industriais, resíduo animal (fezes), etc. A composição majoritária típica do biogás obtido por fermentação anaeróbica é formada por metano (CH4) e gás carbônico (CO2) – o primeiro encontra-se em maior concentração e é o gás de interesse por possuir a maior capacidade calorífica.

No que diz respeito à produção brasileira dos dois principais biocombustíveis, biodiesel e etanol, dados da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) apontam para uma produção de biodiesel puro (B100), no período de 2005 a 2013, de cerca de 12,7 milhões de metros cúbicos (Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, 2013). Para o etanol anidro e hidratado, dados da União das Indústrias de Cana-de-açucar (Única) informam uma produção, no mesmo período, de cerca de 182,5 milhões de metros cúbicos (UNIÃO DAS INDÚSTRIAS DE CANA-DE-AÇUCAR, 2013b).

Materiais

Nesta classe de produtos da biomassa estão compreendidas as fibras, os compósitos, os laminados, as placas e as madeiras diretamente utilizadas em construção. Tal uso se deve à estrutura macromolecular lignocelulósica – constituída por celulose, hemicelulose e lignina –, que confere propriedades físicas, como isolamento térmico e resistência mecânica.

A utilização da biomassa, principalmente a madeira, para a produção de diversos materiais, se destaca no Brasil, em virtude da sua grande produção florestal (Figura 4). Um bom exemplo também é a produção de papel e celulose. A possibilidade de exploração da biomassa lignocelulósica tem levado ao desenvolvimento de novos materiais com propriedades físicas melhoradas, como é o caso das nanofibras de celulose, as quais podem servir como aditivos de reforço para outros materiais poliméricos, como a borracha natural.

Na atualidade, o Brasil possui cerca de 2,2 milhões de hectares de florestas plantadas, sendo a grande maioria formada por eucalipto e pínus, com uma produção de aproximadamente 13,9 milhões de toneladas de fibras celulósicas, que podem ser utilizadas para a produção de diversos materiais (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CELULOSE E PAPEL, 2013).

Figura 4. Placas de madeira tratada para uso em construção civil e em transporte de mercadorias.

Foto: Sílvio Vaz Júnior

Fármaco-químicos

Os fármaco-químicos são um dos principais segmentos de prospecção de produtos extraídos da biomassa brasileira, principalmente em razão do seu alto valor agregado. Para a sua busca criou-se a química dos produtos naturais. O uso de fármaco-químicos difere do emprego dos demais citados porque, no seu emprego, são utilizados componentes minoritários da biomassa, como alcaloides, carotenoides, fenóis, etc. Moléculas com atividade farmacológica são alvo de estudos da indústria farmacêutica e da academia, principalmente em países com grande diversidade de fauna e flora (biodiversidade), como é o caso do Brasil.

De acordo com Wang et al. (2011), inicialmente é feita a análise química para determinar a composição de partes de uma determinada planta (folhas, flores, caule, raiz, etc.), em busca de compostos químicos que possam ter alguma propriedade farmacológica. Identificada(s) alguma(s) molécula(s) de interesse, realizam-se testes da atividade farmacológica em animais e soro (in vivo), e em tecidos e células, além de testes em nível molecular, que poderão utilizar a modelagem computacional (in vitro). Comprovada a atividade, busca-se a síntese química da(s) molécula(s) e o posterior escalonamento do seu processo de produção. Os testes em humanos são realizados em etapa a parte, antes da liberação do fármaco para a comercialização. O período entre o início da prospecção em campo e a comercialização é de aproximadamente 10 anos.

Química

Os produtos químicos desenvolvidos a partir da biomassa são os que possuem maior potencial de agregação de valor a uma cadeia produtiva, em virtude da participação estratégica da indústria química no fornecimento de insumos e produtos finais a diversos setores da economia, como: petroquímico, farmacêutico, automotivo, da construção, do agronegócio, de cosméticos, entre outros (VAZ JÚNIOR, 2012).

A obtenção de compostos bloco-construtores, que originam um grande número de outros compostos de interesse econômico, e de intermediários de síntese, que podem ser utilizados em química fina, é a abordagem mais usada em projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) (BOZELL; PETERSEN, 2010). Compostos bloco-construtores derivados da biomassa, como o furfural e o xilitol (oriundos da xilose constituinte da hemicelulose) e o hidroximetilfurfural (oriundo da glicose) podem adicionar grande valor aos carboidratos das biomassas sacarídeas e lignocelulósicas (GALLEZOT, 2012), podendo-se estender aos derivados da lignina (ZAKZESKY et al., 2010) e da glicerina (subproduto da produção de biodiesel) (MOTA et al., 2009). Monômeros para a produção de plásticos, como o eteno, já são obtidos via rota alcoolquímica. Plásticos verdes, como o poli-hidroxibutirato (PHB), também já são produzidos.

O grande mote aqui é a troca do petróleo, de origem não renovável e poluente, pela biomassa renovável e de menor impacto negativo sobre o meio ambiente. Nesse sentido, busca-se a sinergia entre os processos químicos catalíticos, os termoquímicos (gaseificação, principalmente) e os processos bioquímicos (fermentação e catálise enzimática), o que proporciona um grande número de moléculas, como ácidos orgânicos, ésteres, álcoois, ácidos carboxílicos, hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos, entre outros. Porém, a presença de oxigênio nas moléculas precursoras e da água – na maioria dos casos – dificulta o rendimento e a purificação dos produtos obtidos (VAZ JÚNIOR, 2012). A presença de oxigênio e de água pode, contudo, ser aproveitada em termos da funcionalidade da molécula, de acordo com o seu uso.

Na Tabela 2 são apresentados exemplos de produtos químicos “verdes” e seu status tecnológico.

A produção mundial de compostos químicos renováveis é da ordem de US$ 3 bilhões, com uma expectativa de aumento para cerca de US$ 25 bilhões até o ano de 2025 (VAZ JÚNIOR, 2013).

Tabela 2. Compostos-alvo identificados como de alto potencial, que podem ser obtidos da biomassa.

Composto-alvo

Precursor

Tipo de rota

Status

Ácido acrílico

Glicerina

Síntese orgânica

Em desenvolvimento: melhoria de catalisadores e otimização de rendimento, entre outros

Ácido 2,5-furanodicarboxílico

Glucose da celulose

Síntese orgânica

Síntese bioquímica via fermentação

Em desenvolvimento: melhoria de catalisadores e otimização de rendimento, entre outros

Ácido succínico

Xilose da hemicelulose

Síntese bioquímica via fermentação

Em desenvolvimento: melhoria de microrganismos e otimização de rendimento

Antioxidantes

Glicerina

Lignina

Síntese orgânica

Cracking catalítico

Em desenvolvimento: melhoria de catalisadores e otimização de rendimento, entre outros

Derivados da celulose (ácidos, ésteres, nitratos, éteres, etc.)

Celulose

Síntese orgânica

Processos industriais estabelecidos

Etanol de segunda geração

Glucose da celulose

Xilose da hemicelulose

Síntese bioquímica via fermentação

Em desenvolvimento: melhoria de enzimas e microrganismos, otimização de rendimento e redução de custo

Fenóis

Lignina

Cracking catalítico

Em desenvolvimento: melhoria de catalisadores e otimização de rendimento, entre outros

Furfural

Xilose da hemicelulose

Síntese orgânica

Processo industrial estabelecido: com necessidade de melhoria de catalisadores e otimização de rendimento, entre outros

Gás de síntese (CO + H2)

Biomassa lignocelulósica

Gaseificação

Processo industrial estabelecido: com necessidade de otimização de rendimento, entre outros

5-Hidroximetilfurfural

Celulose

Síntese orgânica

Em desenvolvimento: melhoria de catalisadores e otimização de rendimento, entre outros

Ligninas sulfonatadas

Lignina

Síntese orgânica

Processos industriais estabelecidos

Xilitol

Xilose da hemicelulose

Síntese orgânica

Em desenvolvimento: melhoria de catalisadores e otimização de rendimento, entre outros

Fonte: adaptado de Vaz Júnior (2013).

Processos de conversão

Processos químicos

Os processos químicos de conversão baseiam-se em sínteses orgânicas, nas quais, na maioria das vezes, um componente da biomassa é extraído e purificado, sendo posteriormente utilizado como reagente de partida – ou precursor – em uma rota sintética, que frequentemente se utiliza de catalisadores, como zeólitas e metais de transição suportados, para o aumento do rendimento do produto de interesse e para a diminuição do tempo de reação. Os processos químicos para a conversão da biomassa envolvem, geralmente, reações de redução e oxidação, possibilitando a formação de diversos tipos de produtos orgânicos, tanto polares (ácidos, fenóis, aldeídos, ésteres, etc.) quanto não polares (benzeno e homólogos, hidrocarbonetos alifáticos, etc.) (BOZELL; PETERSEN, 2010; GALLEZOT, 2012).

Processos bioquímicos

Nesses processos são utilizados microrganismos, como fungos, bactérias e leveduras, os quais possuem mecanismos bioquímicos que permitem a síntese de diversos compostos orgânicos, como ácidos e álcoois. São também frequentemente utilizadas enzimas para a catálise das reações na ausência de microrganismos, como amilase, celulase e xilanase, previamente extraídas e purificadas (BOZELL; PETERSEN, 2010).

Processos termoquímicos

A principal característica desses processos diz respeito ao uso de energia térmica com ou sem oxidação em presença de oxigênio, o que leva à combustão, à carbonização, à pirólise (rápida ou lenta), à torrefação e à gaseificação, fornecendo diferentes produtos.Os principais produtos desses processos são: a) carbonização: carvão para produção de energia térmica e para redução metálica na siderurgia (SATER et al., 2011); b) combustão: energia térmica e elétrica (NUSSBAUMER, 2003); c) gaseificação: gás de síntese (CO + H2) a ser utilizado em síntese orgânica de várias moléculas em uso na indústria química (AKAY; JORDAN, 2011); d) pirólise rápida: bio-óleo e biocarvão (ou bio-char), a serem utilizados como substitutos de combustíveis fósseis e no aporte de matéria orgânica ao solo (QU et al., 2011); e e) torrefação ou pré-carbonização: briquetes para a produção de energia térmica (FELFLI et al., 2012).

Capítulo 4
Técnicas analíticas para uso

Introdução

Conforme já explanado no Capítulo 1, as análises químicas podem ser aplicadas em todas as etapas da cadeia da biomassa, vindo daí sua importância para o acompanhamento e o controle da qualidade de matérias-primas, produtos processos e resíduos.

As técnicas analíticas aplicadas na quantificação dos analitos podem ser divididas em duas classes: as técnicas clássicas, baseadas na medida de massa, moles e carga, as quais fornecem valores absolutos; e as técnicas instrumentais, que forcem valores relativos expressos como mg L-1, mg kg-1, µg m-3, etc.

Até o início do século 20, os químicos empregavam a separação de analitos por meio de técnicas como extração, precipitação ou destilação. Para análise qualitativa, esses analitos separados eram tratados com reagentes apropriados, produzindo compostos que podiam ser identificados por certas propriedades, como solubilidade, cor, pontos de fusão e ebulição. A análise quantitativa era feita utilizando-se técnicas razoavelmente simples e de boa precisão, que são empregadas até os dias atuais, como a volumetria (medida de volume) e a gravimetria (medida de massa) – típicos exemplos de técnicas clássicas.

Desde então, aspectos diferentes dos observados pelas técnicas clássicas começaram a ser investigados, e diversos experimentos passaram a ser realizados visando, agora, mensurar os analitos tomando por base alguma propriedade físico-química particular, geralmente associada a fenômenos, tais como a absorção e a emissão de radiação, que são o princípio de técnicas instrumentais, como a espectrometria atômica e a espectroscopia molecular. Essas descobertas impulsionaram o desenvolvimento de uma grande diversidade de instrumentos que são empregados nessa classe de técnicas. As técnicas instrumentais são, em geral, mais rápidas que as clássicas e são empregadas na determinação de baixas concentrações do analito, como concentrações-traço em valores de ng L-1 ou abaixo disso.

As equações 1 e 2 expressam os fundamentos desses dois conjuntos de técnicas.

AS = knA

AS = kCA

(1)

(2)

A Equação 1 aplica-se às técnicas clássicas, em que AS é o sinal medido – ou resposta – do analito, k é a constante de proporcionalidade a ser padronizada, e nA é o número de moles, cargas ou gramas obtidos para a medida. Já a Equação 2 aplica-se às técnicas instrumentais, em que AS é também o sinal medido (resposta) do analito, k é novamente a constante de proporcionalidade a ser padronizada, e CA é a concentração relativa do analito medida. Contudo, algumas técnicas espectroscópicas e microscópicas tratadas neste capítulo não obedecem a esses dois conceitos por fornecerem informações sobre as características estruturais da amostra.

Na Tabela 1 são listadas algumas propriedades físicas exploradas pelas técnicas analíticas, de modo a proporcionar a resposta da medida.

Tabela 1. Propriedades físicas empregadas nas técnicas analíticas mais usadas em análises químicas da biomassa.

Propriedade

Técnica instrumental

Absorção de radiação

Espectrofotometria e fotometria (ultravioleta e visível)

Espectrometria atômica

Espectroscopia no infravermelho (próximo, médio e distante)

Ressonância magnética nuclear (estados líquido e sólido)

Corrente elétrica

Voltametrias (cíclica, de onda quadrada, anódica, catódica e polarografia)

Difração da radiação

Difração de raios X

Emissão de radiação

Espectroscopia de emissão (raios X, ultravioleta e visível)

Espectrometria de emissão ótica

Fluorescência (raios X, ultravioleta e visível)

Massa

Gravimetria

Potencial elétrico

Potenciometria

Gravimetria e volumetria térmica

Propriedades térmicas

Calorimetria

Análise térmica

Razão massa/carga

Espectrometria de massas

Refração da radiação

Refratometria e interferometria

Resistência elétrica

Condutimetria

Fonte: adaptado de Skoog (2006).

As técnicas instrumentais medem um fenômeno físico decorrente de uma propriedade molecular ou atômica que será relacionada qualitativa ou quantitativamente ao analito; ou seja, o fenômeno físico produzirá um sinal que será diretamente correlacionado à presença ou à concentração do analito na amostra.

A Tabela 2 apresenta alguns exemplos de uso de técnicas instrumentais para a análise da biomassa e de seus produtos.

Tabela 2. Técnicas instrumentais e seus usos em análise química da biomassa e de seus produtos.

Técnica analítica

Exemplo de uso

Cromatografia e eletroforese capilar

Separação de alta eficiência para compostos não polares ou polares, orgânicos ou inorgânicos, oriundos da degradação da biomassa

Espectrometria de massas

Identificação estrutural e quantificação de compostos orgânicos diversos, baseadas na razão m/z, podendo ser acoplada às técnicas de separação, como cromatografia e eletroforese capilar

Espectroscopia de fluorescência de raios X

Quantificação multielementar não destrutiva em amostras líquidas e sólidas de resíduos da biomassa

Espectroscopia no infravermelho (médio e próximo)

Identificação estrutural de compostos orgânicos diversos e componentes lignocelulósicos

Difratometria de raios X

Determinação da cristalinidade e da composição química da celulose e derivados

Ressonância magnética nuclear (1H e 13C)

Identificação de compostos orgânicos do processamento da biomassa, como óleos e derivados, e ligninas

Voltametrias (cíclica e de onda quadrada)

Especiação química e quantificação de metais e não metais, como catalisadores para a conversão da glicerina

Fonte: adaptado de Vaz Júnior e Soares (2012).

Volumetria

A análise volumétrica ou titrimétrica refere-se à determinação do volume de uma solução de concentração conhecida com exatidão, utilizando-se uma solução padrão ou titulante, necessária para reagir quantitativamente com um volume determinado da solução que contenha o analito (titulado). O volume exato do titulante que reage com o titulado é conhecido como “ponto final teórico” ou “estequiométrico”. A indicação do final da reação ocorre, normalmente, por uma alteração física – como mudança de cor e turbidez – produzida pela própria solução ou por adição de uma substância chamada indicador. O ponto em que é observada essa alteração é chamado de “ponto final da titulação”. Em uma situação ideal, o ponto final deve coincidir com o ponto final teórico. A depender do tipo de reação entre titulante e titulado, pode haver os seguintes tipos de volumetria: neutralização ou ácido-base, complexação e oxidação-redução.

Na Figura 1 pode-se observar um sistema automatizado de análise titrimétrica.

Figura 1. Sistema automatizado para análise titrimétrica.

Foto: Sílvio Vaz Júnior

Gravimetria

A gravimetria baseia-se na medida de massa do analito. Na gravimetria de precipitação, o analito é convertido em um precipitado, que é filtrado, lavado, tratado termicamente e, por fim, pesado. Essa técnica é bastante utilizada em análise da biomassa e produz resultados exatos e precisos, desde que se trabalhe com uma balança analítica devidamente calibrada. Outro tipo de gravimetria é a de volatilização, em que o analito é isolado dos constituintes da amostra pela conversão a um gás de composição química conhecida, para a sua quantificação, por meio de cálculos estequiométricos.

As técnicas gravimétricas são bastante utilizadas na determinação de cátions e ânions inorgânicos, encontrando aplicação em espécies neutras, como o dióxido de enxofre (SO2), e em espécies orgânicas, como a lactose.

Eletroquímica

A eletroquímica estuda a transformação de energia elétrica em energia química, e vice-versa, considerando o transporte de cargas de espécies iônicas. Algumas técnicas eletroquímicas se baseiam em reações de oxidação-redução, como a potenciometria, a coulometria, a eletrogravimetria e as voltametrias. Outras, em processos faradaicos, como é o caso da condutimetria.

Em soluções infinitamente diluídas, a atividade de uma espécie iônica é aproximadamente igual à sua concentração. Dessa forma, a concentração da espécie que se pretende determinar é relacionada com o potencial do eletrodo, segundo a equação de Nernst:

E = E° + (RT/nF) ln (aOx/aRed)

(3)

em que

E = potencial determinado pelo eletrodo indicador, ou de trabalho, tendo-se outro eletrodo como referência.

E° = potencial-padrão do eletrodo.

R = constante do gás ideal (8,314 J K-1 mol -1).

T = temperatura em Kelvin.

n = número de moles de elétrons na semirreação.

F = constante de Faraday (96.485 C mol-1).

ln = logaritmo natural (2,303 log).

aOx = atividade da espécie iônica de interesse (ou analito) na forma oxidada.

aRed = atividade da espécie iônica de interesse (ou analito) na forma reduzida.

A equação de Nernst demonstra como a voltagem de equilíbrio de uma célula eletroquímica varia sob condições não ideais de composição do meio. Essa equação é válida tanto para células galvânicas (reações químicas que geram eletricidade) quanto para células eletrolíticas (aplicação de eletricidade para a reação), e define o princípio físico das análises eletroquímicas. A seguir são comentadas as principais técnicas eletroquímicas de interesse para a biomassa.

Potenciometria

A potenciometria é uma técnica baseada na medida do potencial de células eletroquímicas, sem consumo apreciável de corrente. A estrutura básica de um potenciômetro é composta de eletrodo de referência, eletrodo indicador e um dispositivo de medida do potencial. Idealmente, o eletrodo de referência é uma meia-cela que tem um potencial de eletrodo conhecido e constante a uma dada temperatura, independentemente da composição da solução do analito. As técnicas potenciométricas foram desenvolvidas, inicialmente, para determinar o ponto final de uma titulação; posteriormente, passaram a ser utilizadas para determinar a concentração de espécies iônicas, por meio da chamada potenciometria direta.

Voltametria

A voltametria é uma técnica que envolve a determinação de substâncias em solução, que podem ser oxidadas ou reduzidas na superfície de um eletrodo. Para essas determinações são estudadas as relações entre corrente, potencial e tempo durante a eletrólise em uma célula. O equipamento para voltametria emprega três eletrodos imersos na solução que contém o analito e um excesso de eletrólito não reativo, chamado “eletrólito de suporte” (Figura 2). A corrente de interesse analítico é a corrente faradaica, que surge em decorrência da oxidação ou da redução do analito no eletrodo de trabalho. A corrente que resulta da migração de íons sob a influência de um campo elétrico é chamada de “corrente capacitiva”. A voltagem no eletrodo de trabalho varia sistematicamente, enquanto a resposta da corrente é medida. Várias funções potencial-tempo, chamadas de “sinais de excitação”, podem ser aplicadas ao eletrodo de trabalho; a depender desses sinais de excitação, tem-se o tipo de voltametria: onda quadrada, varredura linear em sentido anódico ou catódico, cíclica, polarografia, etc. O tipo mais simples é a voltametria de varredura linear, em que o potencial no eletrodo de trabalho aumenta ou diminui linearmente, enquanto a corrente é registrada. Com o desenvolvimento da voltametria de pulso diferencial e de onda quadrada, tornou-se possível a determinação de analitos da ordem de 10-7 mol L-1 a 10-8 mol L-1 – medidas de concentrações inferiores podem ser afetadas pela corrente residual. A Figura 3 mostra um voltamograma típico de uma medida de voltametria cíclica, enquanto a Figura 4 mostra o diagrama de blocos de sistema de medidas.

Figura 2. Sistema de voltametria cíclica.

Fonte: Metrohm (2014).

Figura 3. Voltamograma cíclico para uma espécie de cobre; a corrente elétrica (I) é dada em ampere, A, e o potencial elétrico aplicado (E) é dado em volt, E.

Fonte: Metrohm (2014).

Figura 4. Diagrama de blocos simplificado para um sistema de voltametria cíclica.

Espectroscopia, espectrofotometria e espectrometria

Esse diversificado conjunto de técnicas de análise baseia-se funcionalmente na medida de absorção ou emissão da radiação eletromagnética pelo analito. As técnicas são classificadas de acordo com o comprimento de onda ou o número de onda da região espectral. A Tabela 3, mostra as principais regiões do espectro eletromagnético conforme o comprimento de onda (λ), indicando quais são os tipos de transição energética produzidos quando a radiação incide sobre a amostra. De acordo com a região espectral, há interações diferentes da radiação incidente com a matéria e, por conta disso, distintas técnicas podem ser desenvolvidas e aplicadas.

Tabela 3. Regiões aproximadas do espectro eletromagnético de radiação e tipos de transição energética produzidos.

Intervalo de comprimento de onda (λ)

Região do espectro eletromagnético

Tipo de transição associado

10-14 m–10-12 m

Raios gama

Nuclear, no núcleo do átomo

10-12 m–10-8 m

Raios X

Eletrônica, na camada interna do átomo

200 nm–380 nm

Ultravioleta

Eletrônica, na camada de valência

380 nm (violeta)

480 nm (azul)

530 nm (verde)

580 nm (amarelo)

630 nm (laranja)

730 nm (vermelho)

Visível

Eletrônica, na camada de valência

730 nm–1.000 nm

Infravermelho

Vibração molecular

10-3 m–10-1 m

Micro-ondas

Rotação do spin eletrônico da molécula

10-1 m–10 km

Ondas de rádio

Rotação do spin nuclear do átomo

Fonte: elaborada a partir de dados de Basset et al. (1981) e Harvey (2000).

A radiação eletromagnética apresenta propriedades de onda e partícula, enquanto a onda possui características como velocidade, número de onda e frequência. É bastante comum utilizar o número de onda em cm-1 para descrever a radiação. O número de onda da radiação eletromagnética (k) é diretamente proporcional à sua energia e, por consequência, à sua frequência (v), como pode ser evidenciado pelas equações 4 e 5.

E = hv

(4)

E = hc/λ = hck

(5)

em que

E = energia (J).

h = constante de Planck (6,626 x 10-34 J s).

v = frequência (Hz).

c = velocidade da luz (2,998 x 10 m s-1).

λ = comprimento de onda (nm).

k = número de onda (cm-1).

Cabe lembrar que a frequência v é proporcional a c/λ, enquanto o número de onda k é proporcional a 1/λ.

A seguir são comentadas as principais técnicas que se utilizam da radiação eletromagnética, as quais podem ser aplicadas à biomassa e aos seus produtos de conversão obtidos por diferentes processos.

Espectroscopia de raios X

As técnicas espectroscópicas de raios X levam em conta as transições eletrônicas na camada interna dos átomos. Assim, essa é uma radiação de alta energia, compreendida entre 10-12 m e 10-8 m, a qual pode ionizar as ligações nas moléculas. Para esse tipo de espectroscopia são consideradas, geralmente, três etapas: 1) excitação para produzir linhas de emissão características do elemento; 2) medida da intensidade de radiação; e 3) conversão da intensidade de radiação em concentração, por meio de um procedimento de calibração que considera efeitos de matriz. A seguir são tratados os três tipos principais para uso na análise da biomassa.

Difratometria de raios X – esta técnica é bastante utilizada para a determinação da cristalinidade da celulose e seus derivados, como micro e nanofibras, além de proporcionar informações sobre a estrutura macromolecular da lignina obtida, por exemplo, pelo processo kraft. A amostra, preferencialmente um pó, é bombardeada com um feixe de elétrons, causando a difração dos raios X a partir da superfície, em virtude da sua cristalinidade; a intensidade de difração é associada ao dobro do seu ângulo de difração (2Ɵ), segundo a Lei de Bragg. Na Figura 5 é apresentado um difratograma de componente da biomassa lignocelulósica.

Figura 5. Difratograma de raios X de amostras de lignina de diferentes massas moleculares, em que Mw é a massa molecular média de cada amostra, geralmente dada em Daltons.

Fonte: adaptado de Hu (2008).

Espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS, X-ray photoelectron spectroscopy) – esta técnica é aplicada para a análise elementar das superfícies sólidas e de pós em ultra-alto vácuo, para a observação das ligações químicas envolvidas e dos estados de oxidação. Esse tipo de informação é importante quando se quer estudar as interações da ultraestrutura da biomassa (celulose-hemicelulose-lignina) e a influência do pré-tratamento sobre ela. O efeito fotoelétrico baseia-se na colisão da amostra por um feixe de raios X que “expulsa” um elétron – ou fotoelétron – de sua camada interna, com a transferência de energia para camadas mais internas do átomo; a energia a ser transferida é típica de cada átomo, o que gera o sinal da medida (Figura 6). Essa técnica é também conhecida como ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis).

Figura 6. Espectro de alta resolução da linha espectral 1s (orbital) de C obtido por espectroscopia fotoeletrônica de raios X de amostra de polpa de madeira depois de branqueamento com ditionita.

Fonte: adaptado de Hu (2008).

Fluorescência de raios X – esta técnica permite realizar uma análise multielementar rápida e não destrutiva para amostras sólidas e líquidas (identificação e quantificação). Quando um átomo é excitado pela remoção de um elétron de sua camada interna, ele emite raios X quando retorna ao seu estado fundamental. Tal radiação possui uma intensidade de sinal típica de cada elemento, que é utilizada na análise (Figura 7).

Figura 7. Espectro de fluorescência de raios X de amostra-padrão de lignossulfonato de cálcio, tendo um tubo de ródio como fonte de radiação. São mostrados os sinais de Ca presentes. Fonte: adaptado de Hu (2008).

Na Figura 8 é apresentado um diagrama de blocos de sistemas de análise por raios X.

Figura 8. Diagrama de blocos simplificado de sistemas de análise por raios X.

Espectroscopia no ultravioleta-visível ou espectrofotometria

A espectroscopia no ultravioleta-visível (UV-vis), ou espectrofotometria, é largamente utilizada para a identificação e a determinação de espécies orgânicas, inorgânicas e biológicas, tanto utilizando técnicas de absorção quanto de emissão. Geralmente, os espectros de absorção molecular são mais complexos que os espectros de absorção atômica por causa do maior número de estados de energia da molécula em comparação com os átomos isolados. A energia potencial E associada a uma molécula pode ser considerada, em sua composição, da seguinte forma:

E = E eletrônica + E vibracional + E rotacional

(6)

A energia eletrônica envolve a promoção de elétrons de um estado de baixa energia para um estado de maior energia, verificada na absorção na região do ultravioleta-visível (UV-vis); a energia vibracional envolve vibrações interatômicas, enquanto a energia rotacional envolve a rotação da molécula em torno de seu eixo gravitacional.

Absorção no UV-vis – como pode ser observado na Tabela 3, a região do UV do espectro eletromagnético está compreendida, aproximadamente, entre 200 nm e 400 nm, e a região do visível, entre 400 nm e 750 nm. A absorção da radiação por moléculas nessas regiões resulta das interações entre fótons e elétrons que participam de uma ligação química, ou entre elétrons que não se encontram ligados em átomos como oxigênio, enxofre, nitrogênio e halogênios. O comprimento de onda em que ocorre absorção depende do tipo de ligação da qual esses elétrons participam. Os elétrons compartilhados em ligações simples de carbono-carbono ou carbono-hidrogênio estão tão fortemente presos que requerem energia elevada em comprimento de onda abaixo de 180 nm, não sendo observados pelos métodos mais comuns de análise. Em virtude de dificuldades experimentais de se trabalhar nessa região, os espectros de ligações simples são pouco explorados. Os elétrons envolvidos em ligações duplas e triplas não estão tão fortemente presos e, consequentemente, são excitados mais facilmente e produzem picos de absorção de maior utilidade. A espectroscopia de absorção no UV-vis é utilizada, principalmente, em análise quantitativa de diversos compostos orgânicos que contenham, sobretudo, ligações C=O e C=C, pois a intensidade dos picos de absorção pode ser diretamente correlacionada à concentração do analito, passando a ser denominada de espectrofotometria – é largamente utilizada também como detector, após a separação por cromatografia líquida, a ser visto mais à frente.

A Lei de Lambert-Beer (Equação 7) correlaciona a intensidade do sinal, a um determinado valor de comprimento de onda, diretamente com a concentração do analito, o que permite obter dados quantitativos – cabe ressaltar que, para tanto, é necessário ter a respectiva curva de calibração com um comportamento linear. Tem-se, na Figura 9, um espectrofotômetro de largo uso em análises diversas em meio aquoso, e, na Figura 10, o diagrama de blocos para o mesmo sistema.

A = Ɛbc

(7)

em que

Ɛ = absortividade molar do meio (cm-1 L mol-1).

A = absorvância da radiação incidida (unidades arbitrárias).

b = caminho ótico ou comprimento da cela (cm).

c = concentração molar (mol-1 L).

Figura 9. Espectrofotômetro de absorção no UV-vis.

Fonte: Agilent (2014).

Figura 10. Diagrama de blocos simplificado para um espectrofotômetro de UV-vis.

As transições eletrônicas dão origem ao espectro de absorção, quando o elétron passa de um estado de menor energia para outro de maior energia. Na Tabela 4 são descritas informações sobre transições eletrônicas e comprimentos de onda de absorção no UV de alguns grupamentos químicos presentes na biomassa e em seus produtos de conversão.

Tabela 4. Exemplos de grupamentos químicos presentes na biomassa e em seus produtos, os quais absorvem radiação UV, e as respectivas transições eletrônicas associadas.

Grupamento cromóforo

Fórmula estrutural

Transição eletrônica

λmáximo (nm)

Carbonila (cetona)

RR’C=O

π → π*

n → π*

180

271

Carbonila (aldeído)

RHC=O

π → π*

n → π*

190

293

Carboxila (ácidos graxos)

RCOOH

n → π*

204

Amida (polímeros)

RC=ONH2

π → π*

n → π*

208

210

Dieno conjugado (polímeros)

RCH-CH=CH-CHR

π → π*

250

Aromático (lignina)

C6H6

π → π*

256

Fonte: adaptado de Pavia et al. (2001) e Settle (1997).

Na Figura 11 tem-se um exemplo de espectro de absorção.

Figura 11. Espectros de absorção na região do UV-vis de matéria orgânica vegetal em meio aquoso básico, com bandas de absorção para dieno conjugado (-C=C-C=C-) e carbonila (C=O).

Absorção no infravermelho – a espectroscopia vibracional diz respeito a um tipo de interação da radiação com estados vibracionais das ligações químicas. Não ocorre, portanto, transição eletrônica. Aqui cabe destacar a espectroscopia de absorção no infravermelho em seus três intervalos de comprimento de onda: próximo, médio e distante.

O espectro eletromagnético da região do infravermelho está compreendido entre a região visível e a das micro-ondas, ou seja, de 12.800 cm-1 a 10 cm-1 – lembrando que a unidade cm-1 refere-se ao número de onda. Conforme já explanado, o espectro do infravermelho subdivide-se em três regiões: infravermelho próximo (NIR, near-infrared), médio (MIR, mid-infrared) e distante (FIR, far-infrared). O infravermelho médio (MIR), que é a técnica mais utilizada na análise da biomassa, divide-se em duas regiões: grupos de frequência, de 4.000 cm-1 a 1.300 cm-1; e absorção de grupos funcionais de dois átomos, ou vibração, de 1.300 cm-1 a 200 cm-1, também chamada de fingerprint ou impressão digital MIR equipamento mostrado na Figura 12, e, na Figura 13, seu diagrama de blocos. As bandas de absorção nessa região são harmônicas ou combinações de bandas de estiramento fundamentais, frequentemente associadas a átomos de hidrogênio - essa tem sido uma técnica cujo uso vem crescendo em virtude da facilidade de manuseio da amostra. Os espectros de infravermelho são normalmente empregados para identificar compostos orgânicos puros ou impurezas, interações e formação de ligação, sendo de grande importância para processos de conversão baseados em rotas de síntese orgânica.

Figura 12. Espectrômetro de infravermelho médio com transformada de Fourier.

Fonte: Shimadzu (2014).

Figura 13. Diagrama de blocos simplificado de um equipamento de infravermelho médio com transformada de Fourier rápida.

A Tabela 5 descreve as principais correlações possíveis para a atribuição das bandas de absorção no infravermelho médio a depender do tipo de ligação. Já a Figura 14 apresenta um espectro de absorção nessa região.

Tabela 5. Bandas características de deformações e estiramentos vibracionais, as quais podem estar presentes na biomassa e em seus produtos de conversão.

Posição da banda (cm-1)

Atribuição

Intensidade

3.500–3.000

Estiramento intramolecular de O-H e N-H

Média

2.940–2.900

Estiramento assimétrico de C-H alifático

Forte

1.725–1.720

Estiramento de C=O em COOH e cetonas

Forte

1.660–1.630

Estiramento de grupos amida (banda I da amida) e quinona

Estiramento C=O de cetonas conjugadas com ligação de hidrogênio

Estiramento de COO-

Forte

1.620–1.600

Estiramento de C=C aromático

Estiramento de COO-

Média a fraca

1.460–1.450

Estiramento de C-H alifático

Média

1.400–1.390

Deformação de O-H e estiramento C-O de OH fenólico, deformação de C-H em CH2 e CH3 e estiramento assimétrico de COO-

Média

1.170–950

Estiramento de C-O em polissacarídeos ou substâncias polissacarídeas

Forte

Fonte: adaptado de Engel et al.(2011) e Stevenson (1994).

Figura 14. Espectro de absorção na região do infravermelho médio de matéria orgânica vegetal, com a amostra preparada em pastilha de KBr, apresentando as respectivas bandas de absorção.

Espectrometria atômica

Enquanto a espectroscopia é voltada à observação da interação entre a radiação e a amostra, a espectrometria, assim como a espectrofotometria é voltada para a medida quantitativa da radiação produzida ou absorvida após a interação.

A determinação de espécies atômicas somente é feita em meio gasoso. Dessa forma, a primeira etapa em todos os métodos de espectrometria atômica é a atomização, processo em que a amostra é volatilizada e decomposta, produzindo átomos e íons em fase gasosa, os quais terão medida sua população ou intensidade.

Absorção atômica – quando se incide radiação eletromagnética sobre átomos no estado gasoso, alguns desses átomos podem ser levados a um nível de energia que permite a emissão da radiação característica desse átomo. No entanto, a maior parte pode permanecer no estado fundamental e absorver energia, que, em geral, corresponderia à energia no estado gasoso no comprimento de onda que emitiriam se fossem excitados no estado fundamental. Assim, quando os átomos absorvem energia, ocorre uma atenuação da intensidade do feixe de radiação. Desse modo, a espectrometria de absorção atômica baseia-se na absorção da radiação eletromagnética por átomos gasosos no estado fundamental. Em geral, os espectros obtidos são mais simples do que aqueles obtidos por emissão atômica, ou espectrometria ótica: um determinado elemento químico absorve energia em determinados comprimentos de onda. Normalmente, para análise de um elemento, escolhe-se o comprimento de onda de maior absorção ou raia analítica, caso não haja interferência em virtude da absorção da radiação por outro elemento naquele comprimento de onda. Graças a sua simplicidade e ao seu baixo custo, a espectrometria de absorção é a técnica atômica mais empregada. A Figura 15 mostra um espectrômetro de absorção atômica; a Figura 16, um espectro típico, obtido pela técnica; e a Figura 17, o diagrama de blocos de funcionamento do equipamento.

Figura 15. Espectrômetro de absorção atômica.

Fonte: Shimadzu (2014).

Figura 16. Espectro de absorção atômica de uma amostra de liga metálica dissolvida em ácido nítrico, utilizando-se um forno de grafite.

Figura 17. Diagrama de blocos simplificado de um espectrômetro de absorção atômica, com a atomização podendo se dar à chama (ex.: etileno, como o combustível, e oxigênio, como o oxidante), em forno de grafite ou eletrotérmico, ou em vapor de mercúrio.

A espectrometria de absorção atômica é largamente utilizada na análise de metais, semimetais e não metais em produtos da biomassa, catalisadores para processos de produção, efluentes, etc. Existem três tipos de atomizador: 1) chama de combustão de diferentes gases (hidrogênio, acetileno ou gás natural); 2) forno de grafite (ou eletrotérmico); e 3) vapor frio de mercúrio (para a determinação do mercúrio presente por redução a mercúrio elementar). A aplicação de cada um deles depende, principalmente, do analito a ser determinado e do limite de detecção requerido pelo método analítico.

Emissão ótica – a espectrometria de emissão ótica, antes conhecida como emissão atômica, baseia-se na medida de emissão da radiação eletromagnética na região do UV-vis por átomos neutros e ionizados no estado excitado, sendo amplamente usada em análise elementar. Embora ainda sejam utilizadas as fontes de ionização em chama, a fonte mais empregada atualmente é o plasma indutivamente acoplado (ICP, inductively coupled plasma) – o equipamento é mostrado na Figura 18, enquanto o diagrama de blocos, na Figura 19. A técnica possui alta estabilidade, sensibilidade, baixo ruído e baixa intensidade de emissão de fundo. No entanto, por envolver métodos relativamente caros e que exigem treinamento extensivo por parte do analista, não é tão aplicada quanto a absorção atômica. Todos os metais, semimetais e não metais determinados por absorção atômica podem ser determinados por emissão ótica – a segunda técnica pode favorecer, para certos analitos, o alcance de menores valores de limite de detecção e limite de quantificação.

Figura 18. Espectrômetro de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado e detector de espectrometria de massas.

Fonte: Agilent (2014).

Figura 19. Diagrama de blocos simplificado de espectrômetro de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado e detecção por espectrometria de massas.

Ressonância magnética nuclear do 1H e do 13C

Diferentemente de outros tipos de espectroscopia, na ressonância magnética nuclear (RMN), são os núcleos dos átomos que absorvem radiação, e não os seus elétrons. A absorção da radiação pelos núcleos ocorre quando eles são submetidos a um campo magnético externo, produzido por ondas de baixa energia (radiofrequência). Em alguns casos, a carga nuclear pode girar em torno do eixo nuclear, gerando um dipolo magnético. O momento angular da carga em movimento pode ser descrito em termos do momento de spin I; os núcleos mais explorados em RMN são os núcleos 1H e 13C que possuem I igual a ½. A absorção de radiofrequência por esses núcleos é característica e é influenciada pelos núcleos vizinhos. Isso permite que se determine a estrutura molecular de uma série de compostos químicos por meio do deslocamento químico (δ) produzido de acordo com a densidade eletrônica dos átomos presentes na molécula. Na Figura 20 é apresentado um equipamento único de RMN para os núcleos 1H e 13C, enquanto, na Figura 21, é apresentado um espectro típico de 13C, e, na Figura 22, é ilustrado o diagrama de blocos do equipamento.

Figura 20. Equipamento de ressonância magnética nuclear de 700 MHz para os núcleos 1H e 13C.

Fonte: Bruker (2014).

Figura 21. Diagrama de blocos simplificado de um equipamento de ressonância magnética nuclear.

A Tabela 6 apresenta os deslocamentos químicos mais comuns para os núcleos de 1H e 13C em classes de compostos presentes na biomassa. Nas Figuras 22 e 23 são representados exemplos de espectros para esses núcleos.

Tabela 6. Faixas de deslocamento químico típicas de compostos presentes na biomassa e em seus produtos de conversão.

Classe de compostos

Faixa de deslocamento químico (ppm)

1H

Ácido carboxílico

12–10

Aldeído

10–9

Hidrocarbonetos aromáticos

8–7

Compostos insaturados, como óleos vegetais

7–4,5

Cetonas

3–2,5

Hidrocarbonetos alifáticos

2–0

13C

Cetonas

220–200

Aldeídos

210–190

Ácidos carboxílicos

190–175

Ésteres

190–160

Amidas

180–160

Fonte: adaptado de Engel et al. (2011).

Figura 22. Espectro de RMN do 13C de amostra de lignina obtido no modo de polarização cruzada.

Figura 23. Espectros de RMN do 1H de amostra de lignina após acetilação.

Fonte: adaptado de Hu (2008).

Espectrometria de massas

A espectrometria de massas é, essencialmente, uma técnica de detecção de componentes moleculares que têm como unidade de medida a razão massa/carga (m/z). Dependendo da técnica de ionização utilizada, os analitos podem se apresentar com uma ou múltiplas cargas depois da fragmentação molecular. Em componentes de uma só carga, a relação m/z é correspondente à massa total do íon em Daltons. Nos casos em que íons com duas ou mais cargas são mais frequentes, o cálculo da massa do íon original dependerá de deconvoluções do sinal original, que é a verificação de todos os sinais componentes do primeiro.

A análise direta da amostra no espectrômetro de massas poucas vezes gera resultados que podem ser quantitativamente considerados, mesmo que a amostra seja pura. Isso é uma consequência da alta sensibilidade da técnica e da eficiência do processo de ionização, além das características intrínsecas de cada amostra, que permitem maior ou menor facilidade de ionização. A espectrometria de massas está frequentemente associada a uma técnica de separação, geralmente a cromatografia gasosa ou a cromatografia líquida – são as chamadas “técnicas hifenadas”, em que se tem uma técnica de separação acoplada a uma de detecção e quantificação; nesse caso, o espectrômetro de massas funciona como detector. Tais técnicas hifenadas permitem separar misturas complexas, identificar os componentes e quantificá-los em uma única operação. Quase todas as medidas de espectrometria de massas são feitas em alto vácuo, pois isso permite a conversão da maior parte das moléculas em íons, com tempo de vida suficientemente longo para permitir sua medida. O espectrômetro de massas é constituído, essencialmente, de três componentes: fonte de ionização, analisador de massas e detector de íons.

Existem vários sistemas de ionização disponíveis comercialmente: ionização por impacto de elétrons, ionização química, bombardeio de átomos rápidos (FAB, fast-atom bombardment), bombardeio com feixe de partículas, ionização por dessorção a laser assistida por matriz (Maldi, matrix-assisted laser desorption ionization), ionização por electrospray (ESI, electrospray ionization), fotoionização à pressão atmosférica (Appi, atmospheric pressure photoionization) e ionização quimica sob pressão atmosférica (APCI, atmospheric pressure chemical ionization). Para materiais de alta massa molecular, não voláteis e sensíveis ao calor, são usadas as técnicas Maldi, APCI e FAB. Os analisadores mais comuns são: quadrupolos, quadru-polo ion trap e tubo de tempo de voo (time of flight). A detecção é feita por tubo multiplicador de elétrons. A Figura 24 mostra um espectrômetro de massas, enquanto a Figura 25 traz um exemplo de fragmentograma de uma molécula de gás hidrocarbo-neto, e a Figura 26 ilustra o diagrama de blocos do equipamento.

Figura 24. Espectrômetro de massas com time of flight.

Fonte: Bruker (2014).

Figura 25. Fragmentograma da molécula do butano, apresentando o íon molecular, ou M(58), e a razão m/z dos fragmentos referentes à quebra das ligações C-C em 43 (CH2-CH3), 29 (CH2-CH2) e 15 (CH2-CH3).

Fonte: adaptado de Engel et al. (2011)

Figura 26. Diagrama de blocos simplificado de um espectrômetro de massas.

Cromatografia

As técnicas cromatográficas são, conceitualmente, técnicas de separação de componentes de uma amostra, para posterior identificação ou quantificação, segundo o tempo de retenção característico de cada composto. As equações a seguir definem conceitualmente a cromatografia e sua aplicação.

A resolução é a medida quantitativa do grau de separação entre dois picos A e B, referentes a duas moléculas diferentes, e é definida como:

R = tR(B) – tR(A)/0,5 (WB + WA)

(8)

em que

tR(A) = tempo de retenção do pico A.

tR(B) = tempo de retenção do pico B.

WA = largura da linha de base do pico A.

WB = largura da linha de base do pico B.

Na Figura 27 tem-se um cromatograma conceitual, com as representações dos termos utilizados na Equação 8.

Figura 27. Descrição dos componentes de um cromatograma, com a presença de dois picos correspondentes a duas moléculas diferentes. O tempo morto (tM) é o tempo requerido para o soluto não retido na coluna mover-se do ponto de injeção até o detector, não sendo considerado na interpretação quantitativa da análise cromatográfica.

A separação entre os picos A e B é governada pelo coeficiente de partição, KD, que mede a distribuição do soluto, ou analito, por meio de sua concentração na fase móvel (Sm) e na fase estacionária (Se), em uma condição de equilíbrio:

KD = [Sm]/[Se]

(9)

Desse modo, quanto maior o valor de KD, menor o tR do analito, e vice-versa.

A eficiência de uma coluna de separação para a análise cromatográfica pode ser verificada por meio do número de pratos teóricos da primeira:

N = 16(tR/W)2

(10)

A eficiência da coluna aumenta com o aumento do valor de N, o que leva também a um aumento na resolução dos picos.

Na grande maioria dos casos, as técnicas cromatográficas são acopladas a técnicas de detecção – o que é conhecido como “hifenização de técnicas” –, o que exige uma abordagem instrumental para seus entendimento e aplicação. Como formas de hifenização, citam-se:

• Acoplamento de sistemas de extração em fase sólida, conhecidos como SPE (solid phase extraction) e SPME (solid phase microextraction) – tais sistemas permitem o aumento da performance da extração por meio de fenômenos de equilíbrio, ou de sorção/dessorção térmica ou com solventes orgânicos, podendo auxiliar na diminuição dos limites de detecção ou de quantificação.

• Acoplamento da cromatografia líquida (CL) com a cromatografia gasosa (CG), ou vice-versa, promovendo as chamadas “técnicas multidimensionais de separação”, que permitem trabalhar com misturas complexas, como: CL-CG, CL-CGxCG, CLxCL; porém, requer-se, para esse tipo de hifenização, o uso da quimiometria para o tratamento dos dados gerados.

Uma maneira de classificar as técnicas cromatográficas é pela forma física das fases móvel e estacionária. Assim, a classificação primeira seria em planar ou em coluna – da planar se origina a cromatografia em camada delgada; e da segunda, as cromatografias líquida e gasosa. A Tabela 7 traz uma descrição das categorias funcionais de divisão das cromatografias gasosa e líquida.

Tabela 7. Descrição de categorias de cromatografias segundo a fase estacionária, considerando-se somente o caso em que a separação se dá em colunas cromatográficas, que é o modo mais utilizado para a análise de biomassa e de seus derivados.

Classificação geral

Categoria

Fase estacionária

Tipo de equilíbrio

Cromatografia gasosa

Gás-líquida

Líquido ligado a sólido

Partição gás/líquido

Gás-sólida

Sólido

Adsorção

Cromatografia líquida

Líquida-líquida ou partição

Líquido ligado ou adsorvido a sólido

Partição líquido/líquido (imiscíveis)

Líquida-sólida ou adsorção

Sólido

Adsorção

Troca iônica

Resina de troca iônica

Troca iônica

Exclusão por tamanho

Líquido nos interstícios de sólido polimérico

Partição ou penetração

Afinidade

Líquido ligado à superfície sólida

Partição líquido/líquido

Fonte: adaptado de Skoog (2006).

A divisão apresentada acima é decorrente de fenômenos físico-químicos de equilíbrio, que são aqueles que governam a transferência da massa do analito entre as fases móvel e estacionária. Destaca-se aqui a partição, por meio da quimissorção (envolvimento de ligações covalentes) e da fisissorção (envolvimento de interações intra ou intermoleculares, geralmente forças de van der Walls).

Cromatografia gasosa

Na cromatografia gasosa, os componentes de uma amostra são separados conforme sua partição entre uma fase móvel gasosa, normalmente o gás hélio, e uma fase líquida ou sólida, contida dentro da coluna. Um fator que limita a cromatografia gasosa é o fato de o analito que se pretende analisar não ser volátil, ou termicamente estável, embora moléculas com menores valores de ponto de ebulição possam ser derivadas quimicamente. A eluição dos componentes é feita por um fluxo de fase móvel inerte (gás de arraste), ou seja, a fase móvel não interage com as moléculas do analito.

A modernização dos cromatógrafos, por meio do desenvolvimento de novas fases estacionárias e softwares de tratamento de dados, estimulou investimentos em sistemas que proporcionam maior velocidade durante as análises cromatográficas. O menor tempo de análise tem como consequência direta a redução de custos do processo analítico e o aumento da capacidade analítica do laboratório. O aumento da velocidade da análise cromatográfica pode ser relacionado com a redução do tamanho da coluna e do seu diâmetro interno, o que compensa a perda de resolução nas determinações.

Quanto à escolha do detector mais adequado a ser utilizado, deve-se levar em consideração, principalmente, a natureza da amostra (matriz + analito). Vários detectores estão disponíveis comercialmente para emprego na cromatografia gasosa, sendo os mais empregados: detectores de condutividade térmica, ionização em chama, captura de elétrons e espectrômetro de massas. Um detector ideal deve atender às seguintes características:

• Sensibilidade adequada.

• Boas estabilidade e reprodutibilidade.

• Resposta linear aos analitos, que se estenda a várias ordens de grandeza.

• Faixa de temperatura, desde a ambiente até, ao menos, 400 °C.

• Facilidade de uso.

• Similaridade de resposta a todos os analitos da amostra.

Na prática, os detectores não agrupam todas as características descritas acima. A Tabela 8 apresenta os detectores mais empregados na cromatografia gasosa.

Tabela 8. Detectores para a aplicação da cromatografia gasosa.

Detector

Aplicação

Limite de detecção(1)

Ionização em chama (FID, flame ionization detector)

Universal, para análise de compostos de carbono

0,2 pg

Condutividade térmica

Análise de gases

500 pg

Captura de elétrons

Análise de compostos halogenados

5 fg

Termoiônico

Análise de compostos de nitrogênio e fósforo

0,1pg

Espectrômetro de massas

Seletivo para análise de compostos orgânicos diversos, tanto polares quanto não polares

<100 pg

(1) 1 pg = 10-12 g; 1 fg = 10-15 g.

Fonte: Collins (2006) e Harvey (2000).

A Figura 28 mostra um cromatógrafo gasoso com detector FID acoplado, enquanto a Figura 29 apresenta um exemplo de cromatograma, e a Figura 30 ilustra o diagrama de blocos do equipamento.

Figura 28. Cromatógrafo gasoso com injetor automático e detector FID.

Fonte: Shimadzu (2014).

Figura 29. Cromatograma de uma mistura de hidrocarbonetos, álcoois e aldeídos, obtido em uma análise por cromatografia gasosa, tendo como detector um espectrômetro de massas.

Fonte: Shimadzu (2014).

Figura 30. Diagrama de blocos simplificado de um equipamento de cromatografia gasosa.

Cromatografia líquida

A utilização de colunas de diâmetro reduzido e que trabalham a altas pressões, chamada de “cromatografia líquida de alta eficiência” (Clae) ou HPLC (high performance liquid chromatography), supera a cromatografia gasosa no que respeita à análise de compostos orgânicos semivoláteis e não voláteis. Em suas muitas variantes, permite o estudo de misturas complexas, de difícil separação por outras técnicas, especialmente a mistura de biomoléculas.

A Clae pode ser aplicada em uma variedade de modos operacionais. O melhor modo vai depender das características estruturais do analito a ser separado pelo método analítico escolhido. Como apresentado na Tabela 7, os modos, ou categorias, mais utilizados são: cromatografia de partição, cromatografia de adsorção, cromatografia de troca iônica, cromatografia de exclusão de tamanho e cromatografia de afinidade.

Geralmente, o cromatógrafo para Clae é equipado com dois ou mais reservatórios de solventes. A eluição que utiliza um único solvente ou uma mistura de solventes de composição constante é chamada de “isocrática”, e conhecida como “eluição por gradiente” quando se usa uma mistura de solventes de polaridade diferente, com composição que varia de forma programada. Geralmente, a eluição por gradiente melhora a eficiência do processo de separação. O sistema de bombeamento é um componente importante, cuja função é garantir um fluxo constante e reprodutível da fase móvel para a coluna. Ele possui pressão de 0,1 bar a 350 bar. As colunas são, geralmente, de aço inoxidável, com comprimento que varia de 10 cm a 30 cm, e diâmetro interno entre 2 mm e 5 mm. Os recheios das colunas (ou fase estacionária) tipicamente apresentam partículas de diâmetros entre 3 µm e 10 µm. Sistemas com partícula menor que 2 µm e pressão da ordem de 1.000 bar são denominados de “cromatografia líquida de ultraeficiência” (Clue) ou UPLC (ultra performance liquid chromatography), esse modo de cromatografia líquida pode fornecer maior resolução em um menor tempo de retenção. As fases estacionárias para a maioria dos modos de cromatografia consistem de material composto por sílica, ou um polímero como um polissacarídeo ou poliestireno, com grupos funcionais de interesse ligados à superfície desse substrato – podem ser do tipo fase normal (fase estacionária polar) ou do tipo fase reversa (fase estacionária não polar).

A seleção da fase móvel é crítica para as cromatografias de partição, adsorção e troca iônica, e menos crítica para os demais modos. Para os solventes utilizados para a constituição dessa fase, certas propriedades, como o comprimento de onda de corte no UV-vis e o índice de refração, são parâmetros importantes quando se trabalha com detectores de UV-vis e/ou de índice de refração. O índice de polaridade (P’) e a força do eluente (ε0) são parâmetros de polaridade que auxiliam na escolha da fase para a cromatografia de partição e de adsorção, respectivamente.

Quanto ao sistema de detecção, existem vários tipos de detectores disponíveis comercialmente; a escolha depende normalmente do tipo de analito e do número de análises demandado. Os detectores podem ser sensíveis à concentração, quando o sinal analítico produzido é proporcional à concentração do analito no efluente ou eluído, ou sensíveis à massa, quando o sinal produzido é proporcional à velocidade do fluxo de massa. A Tabela 9 relaciona os principais sistemas de detecção para Clae.

Tabela 9. Características dos principais detectores para Clae.

Detector

Aplicação

Limite de detecção(1)

Absorção no UV-vis

Seletivo

10 pg

Índice de refração

Universal

1 ng

Espalhamento de luz

Seletivo

1 µg

Eletroquímico

Seletivo

100 pg

Espectrometria de massas

Seletivo

1 pg

(1) 1 pg = 10-12 g; 1 ng = 10-9 g; 1 µg = 10-6 g.

Fonte: adaptado de Vaz Júnior e Soares (2012).

A Figura 31 mostra um equipamento de Clae. Na Figura 32 é apresentado um exemplo de cromatograma e, na Figura 33, o diagrama de blocos do equipamento.

Figura 31. Equipamento de Clae bidimensional. Nesse tipo de equipamento, há dois sistemas de cromatografia líquida acoplados aumentando a eficiência da separação.

Fonte: Agilent (2014).

Figura 32. Cromatograma de uma amostra de açúcares (hexoses) obtido em uma análise por Clae com um detector de índice de refração.

Figura 33. Diagrama de blocos simplificado de um equipamento de Clae, o qual pode ser usado para a cromatografia de exclusão por tamanho, vista mais à frente.

Cromatografia iônica

O princípio de separação da cromatografia iônica baseia-se na troca iônica, por meio da atração eletrostática entre cargas opostas – positivas e negativas. A fase estacionária é uma resina polimérica, como divinilbenzeno ligado a poliestireno por meio de ligações cruzadas, com grupos funcionais iônicos ligados covalentemente à resina. O contraíon desse grupamento iônico, que pode ser positivo ou negativo, deverá ser deslocado por meio de competição com outros íons de mesma carga, os quais tenham maior afinidade pelo sítio de ligação do grupamento funcional ligado à resina. Assim, a resina de troca pode ser tanto catiônica quanto aniônica. Os valores de tempo de retenção dependerão da intensidade da atração eletrostática da carga do analito pelo sítio de ligação presente na resina – maior intensidade da atração leva a maior tempo de retenção.

Os tipos de resina disponíveis são a de troca catiônica fortemente ácida (ácido sulfônico como grupo funcional), a de troca catiônica fracamente ácida (ácido carboxílico), a de troca aniônica fortemente básica (amina quaternária) e a de troca aniônica fracamente básica (amina). A escolha dependerá da carga do analito e do valor do pH do meio.

A cromatografia iônica é largamente utilizada na análise de ânions e cátions inorgânicos em meio aquoso, como Cl-, Br-, NO3-, SO42-, CO32-, K+, Na+, além de compostos orgânicos iônicos, como ácidos carboxílicos, aminas e amidas. O detector é geralmente eletroquímico. Na Figura 34 é mostrado um equipamento, enquanto na Figura 35 é apresentado um exemplo de cromatograma, e na Figura 36 é ilustrado o diagrama de blocos do equipamento.

Figura 34. Equipamento de cromatografia iônica.

Fonte: Metrohm (2014).

Figura 35. Cromatograma de mistura de ânions em meio aquoso obtido em análise por cromatografia iônica com um detector de supressão da condutividade elétrica.

Fonte: adaptado de Harvey (2000).

Figura 36. Diagrama de blocos simplificado de um equipamento de cromatografia iônica.

Cromatografia de exclusão por tamanho

A cromatografia de exclusão por tamanho, também conhecida por “cromatografia de permeação em gel”, baseia-se na separação por tamanho de partículas que eluem através dos poros de uma coluna empacotada. Partículas menores proporcionalmente permanecem mais tempo dentro dos poros, o que leva a maior tempo de retenção em comparação com partículas de maior tamanho.

Existem duas classes de fases estacionárias para esse tipo de cromatografia: partículas de sílicas e esferas de resinas poliméricas de ligações cruzadas. Nas primeiras, o tamanho dos poros está compreendido entre 50 Å e 4.000 Å, enquanto, nas segundas, o tamanho varia entre 50 Å e 1.000.000 Å, como é o caso da resina divinilbenzeno-poliestireno.

A cromatografia de exclusão por tamanho – equipamento mostrado na Figura 37 e cromatograma na Figura 38 – pode ser aplicada na análise de proteínas e ligninas. Os detectores podem ser, por exemplo, eletroquímico, de absorção no UV-vis ou de espalhamento de luz.

Figura 37. Equipamento de cromatografia de exclusão por tamanho.

Fonte: Shimadzu (2014).

Figura 38. Cromatograma de mistura de enzimas obtido em análise por cromatografia de exclusão por tamanho, com um detector de UV.

Fonte: adaptado de Harvey (2000).

O diagrama de blocos para a cromatografia de exclusão por tamanho é similar ao do diagrama de Clae, exceto pelo tamanho das colunas, que é maior em relação ao da segunda.

Eletroforese

Assim como a cromatografia, a eletroforese é uma técnica de separação. Seu princípio baseia-se na separação de espécies de diferentes cargas elétricas após a aplicação de um campo elétrico em um meio líquido condutor, geralmente aquoso, conhecido como “eletrólito”. Os cátions deverão migrar para o cátodo – carregado negativamente, enquanto os ânions migrarão para o ânodo – carregado positivamente; íons de maior carga elétrica (ex.: M4+) migrarão mais rápido do que aqueles de menor carga (ex.: M2+).

Na eletroforese capilar de zona, que é o modo mais utilizado para produtos da biomassa, o eletrólito é mantido dentro de um tubo capilar de diâmetro interno de 25 µm a 75 µm, e a amostra é injetada em uma das terminações desse tubo. Como a amostra migra pelo capilar no momento da aplicação do campo elétrico externo, seus componentes são separados e eluídos em diferentes valores de tempo, o que resulta em um eletroferograma, que fornece informações qualitativas e quantitativas.

A velocidade eletroforética, ou de migração do soluto (ou analito), pode ser descrita na Equação 11.

ν = µE

(11)

em que

ν = velocidade eletroforética do soluto no meio.

µ = mobilidade eletroforética do soluto.

E = magnitude do campo elétrico aplicado.

A mobilidade eletroforética do soluto (µ), ou analito, pode ser descrita na Equação 12.

µ = q/6πηr

(12)

em que

q = carga do analito.

η = viscosidade do meio.

r = raio do analito.

Assim, espécies neutras cujo valor de q é zero terão uma mobilidade eletroforética nula, e não serão separadas das demais eletricamente carregadas.

De um modo geral, as seguintes observações podem ser levadas em conta para a aplicação da eletroforese:

• Solutos com alta mobilidade eletroforética apresentam alta eficiência de separação.

• A seletividade pode ser frequentemente melhorada com o ajuste dos valores do pH do meio condutor (eletrólito).

• A resolução é melhorada com o aumento da voltagem aplicada.

Os detectores comumente utilizados na eletroforese capilar são: amperométrico, espectrometria de massas, fluorescência e absorção no UV-vis. A Figura 39 mostra um equipamento de eletroforese capilar, enquanto a Figura 40 mostra um eletroferograma; já a Figura 41 ilustra o diagrama de blocos do equipamento.

Figura 39. Equipamento de eletroforese capilar.

Fonte: Agilent (2014).

Figura 40. Eletroferograma de açúcares e ácido ascórbico, em meio aquoso, obtido em uma análise por eletroforese capilar de zona, com detector amperométrico.

Fonte: adaptado de Dong et al. (2007).

Figura 41. Diagrama de blocos simplificado de um equipamento de eletroforese capilar de zona.

Microscopia

Apesar de não fornecerem informações quantitativas relativas, fugindo da classificação conceitual das técnicas instrumentais (Equação 2), e de não serem utilizadas em hifenação, como as técnicas de separação, as técnicas microscópicas acabam tendo uma forte similaridade com as instrumentais em virtude do aparato tecnológico utilizado no exame de modificações ocorridas nas superfícies de materiais, como os polímeros naturais.

Para a análise da biomassa, sobretudo a lignocelulósica, três técnicas microscópicas são comumente utilizadas: a microscopia eletrônica de transmissão (TEM, transmission electron microscopy), a microscopia de força atômica (AFM, atomic force microscopy) e a microscopia eletrônica de varredura (SEM, field emission scanning electron microscopy). As duas primeiras oferecem informações detalhadas sobre o tamanho e a distribuição de componentes lignocelulósicos, como a celulose; enquanto a última detecta a presença de grandes aglomerados moleculares e da estrutura polimérica. A seguir são descritas as principais características das três técnicas.

Microscopia eletrônica de transmissão – é utilizada para determinar o volume da estrutura de materiais. Seu princípio baseia-se na transmissão de elétrons de alta energia através de um corte ultrafino da amostra – a imagem é formada depois que o elétron atinge um filme fotográfico mantido abaixo da amostra, o que produz seu espalhamento.

Microscopia de força atômica – é utilizada para imageamento topográfico, podendo resolver estruturas nas direções dos eixos x, y e z, e fornecendo imagens em resolução atômica. Seu princípio baseia-se na incidência de radiação sob a amostra, cuja fonte é um laser, considerando as forças envolvidas na interação em nível atômico.

Microscopia eletrônica de varredura – é utilizada para imageamento de superfícies. Seu princípio baseia-se na varredura da superfície da amostra por um feixe estreito (10 nm) de elétron primário com energia da ordem de 10 keV, o que leva à construção da imagem. Essa é, provavelmente, a técnica microscópica de maior uso no exame da biomassa.

As Figuras 42 e 43 apresentam exemplos de equipamentos utilizados pelas técnicas microscópicas. O diagrama de blocos do equipamento é ilustrado na Figura 44.

Figura 42. Microscópio de força atômica.

Foto: Andreas Frank

Figura 43. Microscópio eletrônico de varredura.

Foto: Silvino Lagher

Figura 44. Diagrama de blocos simplificado de um equipamento de microscopia de varredura eletrônica.

Análise térmica

A análise térmica utiliza de processos termoquímicos, como a combustão e a pirólise, para a determinação da porcentagem de perda de massa ou formação de compostos, a porcentagem atômica, além de possibilitar a observação de propriedades termodinâmicas de materiais tal classe de técnicas analíticas é fundamentalmente utilizada para a caracterização térmica de compostos orgânicos e inorgânicos e de materiais diversos, apesar de também fornecer informações quantitativas percentuais. Pode-se citar a grande utilidade da análise termogravimétrica e da análise elementar para a caracterização da biomassa e para a determinação da sua composição química.

A análise termogravimétrica fornece dados sobre a perda de massa em função da temperatura, o que é especialmente interessante quando se quer observar o comportamento térmico da biomassa durante o seu processamento ou uso energético. Já a calorimetria de varredura diferencial fornece dados termodinâmicos, de grande ajuda para o seu processamento térmico; por meio da medida das trocas de energia em ciclos predeterminados de aquecimento, são obtidos os comportamentos endotérmico e exotérmico da amostra, além do cálculo da capacidade calorífica (Cp). Exemplos de perda de massa para resíduos lignocelulósicos, como bagaço, casca de fruta, madeira mole, madeira dura, são (SEO et al., 2010):

• Perda a 100 °C: resultante da evaporação de água.

• Perda entre 250 °C e 350 °C: resultante da degradação da lignina.

• Perda entre 350 °C e 500 °C: resultante da combustão da matéria orgânica.

A análise elementar ou microanálise é uma técnica analítica que permite determinar quais são os elementos constituintes de uma molécula, sobretudo orgânica, através da pirólise de uma amostra que contenha oxigênio, carbono, enxofre, nitrogênio e hidrogênio, e da análise dos gases resultantes de sua decomposição (ex.: NxOx, SO2, CO2 e H2O). Assim, pode-se inferir sobre a composição percentual em massa dos elementos presentes na amostra. Essa técnica é de uso frequente na análise da constituição química da biomassa.

As Figuras 45 a 47 apresentam equipamentos utilizados na análise elementar, na análise termogravimétrica e na análise calorimétrica, respectivamente. Na Figura 48 é apresentado um termograma típico de uma amostra de sal orgânico, enquanto, na Figura 49, é ilustrado um diagrama de blocos de um analisador termogravimétrico.

Figura 45. Analisador elementar.

Foto: Sílvio Vaz Júnior

Figura 46. Analisador termogravimétrico.

Foto: Sílvio Vaz Júnior.

Figura 47. Analisador calorimétrico.

Foto: Sílvio Vaz Júnior

Figura 48. Termograma do oxalato de cálcio hidratado (Ca2C2O4.H2O) aquecido a uma taxa de 20 °C min-1 até 1.000 ºC.

Fonte: adaptado de Harvey (2000).

Figura 49. Diagrama de blocos simplificado de um analisador termogravimétrico.

Química analítica de processos

A necessidade de controlar a qualidade dos processos químicos e bioquímicos de conversão da biomassa em produtos, principalmente aqueles de maior valor, tem alavancado o avanço da química analítica de processos ou PAC (process analytical chemistry), muitas vezes também conhecida como PAT (process analytical technology). Enquanto área de pesquisa e aplicação, privilegia-se o uso de técnicas e métodos robustos, preferencialmente em tempo real, sendo as análises realizadas diretamente no reator, em vez de feitas em laboratório. A principal vantagem desse tipo de abordagem analítica em relação à tradicional – em que é realizada uma amostragem manual, seguida do transporte da amostra e de posterior análise em laboratório – é que análises realizadas in situ proporcionam maior rapidez para a tomada de ações corretivas e consequente ajuste do processo de produção. Servem como exemplos os processos de fermentação e destilação do etanol e de transesterificação do biodiesel, nos quais variáveis como temperatura, valor de pH, pressão, formação de produtos e subprodutos, entre outros, devem ser monitoradas para garantir a qualidade do produto final. Entretanto, a necessidade de se ter instrumentação analítica robusta e automatizada, como sensores eletroquímicos e sondas espectroscópicas de fácil uso, acaba limitando o número de parâmetros analíticos passíveis de ser analisados, além de comprometer os limites de detecção e de quantificação. Porém, o contínuo desenvolvimento de novas tecnologias analíticas e de novos materiais certamente aumentará as possibilidades de obtenção de mais resultados, tanto por aceitar maior variação nas condições físico-químicas do meio, quanto por permitir uma melhor identificação de compostos químicos. No último caso, principalmente por meio da utilização de detectores ou sondas de absorção no UV-vis, no infravermelho médio e próximo e Raman (Figura 50). O diagrama de blocos da sonda Raman é ilustrado na Figura 51.

Figura 50. Sonda Raman utilizada no monitoramento em tempo real de processo de conversão da biomassa.

Foto: Sílvio Vaz Júnior

Figura 51. Diagrama de blocos de uma sonda Raman.

Os principais aspectos a serem cuidadosamente considerados no planejamento metodológico de medidas em sistemas dinâmicos foram listados por Staden (1999):

• Seleção das variáveis de processo, como temperatura, pressão e pH, ou definição dos parâmetros de qualidade do processo a serem medidos.

• Estabelecimento de relação quantitativa entre as propriedades controláveis, atentando-se para o fato de que nem sempre existe uma relação direta entre elas.

• Definição dos locais de amostragem ou análise.

• Definição dos intervalos e do número de medidas, além do tempo de correlação do processo, sendo que, para medidas contínuas, deve ser definida a constante de tempo do sistema.

• Determinação do tempo de duração das medidas, o qual compreenderá a amostragem, a medida e o cálculo dos dados (tdecorrido = tamostragem + tmedida + tcálculo).

• Definição dos limites de tolerância (inferior e superior) para as variáveis medidas, o que determinará a qualidade do processo.

• Seleção da instrumentação adequada.

• Estabelecimento dos custos dos instrumentos e da sua manutenção.

• Definição da frequência de calibração dos instrumentos.

• Elaboração e avaliação dos custos das medidas, considerando-se também questões regulatórias.

• Estabelecimento da confiabilidade das medidas e da facilidade de sua obtenção.

Feitas tais considerações, a PAC/PAT torna-se uma ferramenta de grande auxílio para o controle de processos das cadeias da biomassa, levando a um impacto bastante positivo na qualidade do produto final.

A Figura 52 descreve um esquema de análise on-line para processos de conversão da biomassa, utilizando principalmente sondas espectroscópicas, como de Raman e infravermelho próximo e médio.

Figura 52. Esquema de um sistema de análise on-line de processos de conversão da biomassa, como um processo fermentativo.

Fonte: adaptado de Rouessac e Rouessac (2007).

Capítulo 5
Métodos de análise da biomassa e de seus produtos

Introdução

A aplicação da análise química depende diretamente do desenvolvimento do respectivo método analítico, o qual leva em conta a técnica a ser utilizada e as características físico-químicas do analito e da matriz analítica – pKa, estado(s) de oxidação, interação analito-matriz, partição, etc. O desenvolvimento de métodos analíticos, que já foi tratado no Capítulo 1 (em Termos da Química Analítica), será abordado neste capítulo por uma perspectiva mais prática.

De acordo com Vaz Júnior e Soares (2012), de uma forma genérica, a aplicação de um método analítico a produtos da biomassa deve seguir os seguintes passos:

Identificação do problema – levantamento do histórico da demanda de aplicação da análise.

Elaboração dos procedimentos experimentais.

Condução dos experimentos ou realização da análise.

Interpretação dos dados obtidos.

Proposição da solução.

Qualquer violação da sequência acima descrita (por exemplo, salto de etapa) comprometerá a confiabilidade do resultado obtido. A Figura 1 descreve o uso das análises químicas em uma cadeia produtiva da biomassa.

Figura 1. Fluxograma típico de uma cadeia da biomassa (à esquerda). As análises químicas podem ser feitas em todas as etapas, desde a matéria-prima até os resíduos (à direita). Clae = cromatografia líquida de alta eficiência.

Neste capítulo serão apresentados alguns exemplos de aplicação de métodos de análise da biomassa e de seus produtos, por meio das técnicas analíticas abordadas no Capítulo 4. Ressalte-se que não é objetivo desta obra detalhar tais métodos, já que são apresentadas as referências da literatura científica de onde cada um deles foi retirado. Na sua maioria, tais métodos podem ser obtidos gratuitamente, ou, então, são abertos a universidades, instituições de pesquisa, empresas ou profissionais que tenham contrato de uso com as respectivas bases de dados.

Nos exemplos tratados a seguir, tem-se uma variedade de aplicações analíticas para a biomassa e para diversos de seus produtos, obtidos por diferentes processos de conversão químicos, bioquímicos ou termoquímicos.

Análise composicional

Método de análise do teor de cinzas na biomassa: um componente estrutural ou extraível

A quantidade de material inorgânico presente na biomassa deverá ser medida como parte da composição total, podendo ser esse material um componente estrutural ou extraível (SLUITER et al., 2008a). A cinza estrutural está relacionada à estrutura física, ou morfológica, da biomassa, enquanto a cinza extraível resulta do resíduo do solo presente na amostra e pode ser removida pela lavagem com água ou por outro meio extrator.

Esse é um método gravimétrico que se aplica à determinação de cinza, expressa como porcentagem do resíduo restante depois da oxidação, em ausência de umidade, em uma faixa de temperatura de 550 ºC a 600 ºC. Todos os resultados se referem à massa de amostra seca a 105 ºC.

Os tipos de biomassa a serem analisados são: madeiras duras e moles, materiais herbáceos, resíduos agrícolas, resíduos de papel e amostras sólidas do processamento da biomassa. A Figura 2 ilustra o fluxograma da análise.

Figura 2. Fluxograma da determinação do teor de cinzas em amostra da biomassa.

Análise eletroquímica

Método voltamétrico para a determinação de xilitol

O xilitol é um poliálcool de cinco carbonos, obtido da redução química catalítica da molécula de xilose, monômero da hemicelulose da biomassa lignocelulósica, sendo largamente utilizado como adoçante pela indústria alimentícia e de produtos de higiene e cuidados da saúde, como alternativa à sacarose (açúcar comum). Isso o torna ideal para uso por diabéticos ou dependentes da aplicação de insulina; soma-se a isso o fato de ele evitar a formação de cáries. Alguns estudos atribuem ao xilitol propriedades anticancerígenas, o que o torna também um produto de interesse para a indústria farmacêutica.

A análise do xilitol geralmente se dá com o uso de Clae e de um detector de índice de refração. No entanto, é possível determinar suas presença e concentração por meio de técnicas voltamétricas, como a voltametria de pulso diferenciado, com o uso de eletrodo de diamante dopado com boro (BDD, boron-doped diamond) (LOURENÇO et al., 2014). Algumas vantagens dos métodos voltamétricos são a obtenção de resultados em curto espaço de tempo, com níveis adequados de repetibilidade e reprodutibilidade, e o acesso a informações sobre as propriedades redox dos analitos, o que é de grande valia para o entendimento dos mecanismos químicos envolvidos na transferência de elétrons em nível molecular. Na Figura 3 é ilustrado o fluxograma da análise voltamétrica.

Figura 3. Fluxograma simplificado da aplicação da voltametria de pulso diferenciado na determinação de xilitol em meio aquoso, como em um processo catalítico de conversão. Condições de análise: eletrodo de trabalho BDD, contraeletrodo de fio de platina, eletrodo de referência Ag|AgCl (3 mol L-1, KCl); frequência de 25 s-1, amplitude de 50 mV e ΔEs de 2 mV; eletrólito tampão fosfato a 0,1 mol L-1 (pH 7,0); e concentração de xilitol de 66 µmol L-1.

Fonte: adaptado de Lourenço et al. (2014).

Análise espectroscópica

Método de caracterização de microfibrilas de celulose por absorção no infravermelho médio com transformada de Fourier

Fibras lignocelulósicas oferecem vários benefícios ambientais em comparação com as de origem sintética e petroquímica, graças a sua origem renovável, a sua abundância, ao seu baixo custo e também ao baixo consumo de energia dos processos de produção. Microfibrilas de celulose extraídas da casca de coco por meio de tratamento químico passam por uma análise química composicional e por uma caracterização espectroscópica. A análise no infravermelho médio confirma a eficácia do tratamento químico na remoção de lignina e de hemicelulose da amostra, fornecendo microfibrilas ricas em celulose para a aplicação como fibras de reforço em biocompósito (MAHESWARI et al., 2012). Na Figura 4 é ilustrado o fluxograma da análise por infravermelho médio com transformada de Fourier, tratamento matemático que permite uma melhor visualização dos dados coletados.

Figura 4. Fluxograma simplificado da aplicação da espectroscopia de absorção no infravermelho médio com transformada de Fourier para a caracterização de microfibrilas de celulose. A amostra foi preparada em pastilha de KBr seco.

Fonte: adaptado de Maheswari et al. (2012).

Análise espectrométrica de massas

Método de análise de bio-óleos por espectrometria de massas

A pirólise rápida da biomassa produz o bio-óleo, que pode ser utilizado como biocombustível e matéria-prima para produtos químicos renováveis. Apesar da similaridade física com o petróleo, as propriedades químicas dos bio-óleos são completamente diferentes, com uma composição química não muito bem definida, principalmente no que diz respeito aos compostos não voláteis. O uso da espectrometria de massas de alta resolução permite determinar a composição química de mais de cem moléculas em uma amostra de bio-óleo produzida via pirólise rápida da biomassa lignocelulósica de espécie de pinheiro (SMITH; LEE, 2010). A Figura 5 ilustra o fluxograma da análise por espectrometria de massas.

Figura 5. Fluxograma simplificado da aplicação da espectrometria de massas para a análise de bio-óleo obtido por pirólise rápida de biomassa lignocelulósica de eucalipto. A análise foi feita no modo MS/MS.

Fonte: adaptado de Smith e Lee (2010).

Análise cromatográfica

Método de análise de açúcares, subprodutos e produtos de degradação em frações líquidas da biomassa por Clae

Os carboidratos constituem a principal fração da biomassa, os quais são polissacarídeos (celulose e hemicelulose) formados por unidades monoméricas de glicose, xilose, arabinose, galactose e manose: D-celobiose, D-(+)glicose, D-(+)xilose, D-(+)galactose, L-(+)arabinose e D-(+)manose.

Durante certos pré-tratamentos da biomassa, uma porção desses polissacarídeos é hidrolisada, e seus açúcares solúveis são liberados para o licor aquoso, além de haver a formação de produtos de degradação (furfural, hidroximetilfurfural) e de outros produtos de interesse (ácidos orgânicos e álcoois). O método cromatográfico aqui apresentado é usado para a quantificação total dos carboidratos solúveis presentes no licor lignocelulósico aquoso, além de determinar a quantidade de açúcares monoméricos, de subprodutos e de produtos de degradação dos açúcares; o método utiliza a Clae com detector de índice de refração. Se os açúcares estiverem presentes como oligômeros, será necessária uma etapa adicional de tratamento ácido antes da análise, de modo a disponibilizar os monômeros.

A Figura 6 ilustra o fluxograma dessa análise cromatográfica.

Figura 6. Fluxograma simplificado da aplicação da Clae com detector de índice de refração para a determinação de açúcares e outros produtos obtidos do pré-tratamento químico da biomassa lignocelulósica. A análise foi realizada com uma coluna Biorad Aminex HPX-87P com íons terminais H+/CO3-.

Fonte: adaptado de Santos et al. (2006) e Sluiter et al. (2008b).

Método de análise de furfural em biomassa hidrolisada por CG

Água e ácido diluído submetidos a elevada temperatura são frequentemente utilizados para hidrolisar carboidratos da biomassa lignocelulósica, de modo a torná-los disponíveis para a etapa de fermentação para a produção de etanol celulósico. No entanto, a formação de furfural como subproduto dessa hidrólise deve ser acompanhada como uma condição do processo. O furfural apresenta um efeito inibitório da fermentação para a produção de etanol, sendo a sua quantidade formada um dos parâmetros-chave na avaliação do processo de produção. Portanto, a quantificação do furfural no licor hemicelulósico é importante não somente para se produzir etanol, mas também para que informações a respeito dos mecanismos de formação desse composto sejam obtidas, no propósito de aproveitá-lo para outros processos químicos.

A técnica de headspace (HS) – separação de compostos voláteis por meio do aquecimento da amostra –, quando associada à CG, é bastante efetiva para a análise de espécies voláteis associadas a matrizes complexas, como o licor hemicelulósico (LI et al., 2010). A Figura 7 ilustra o fluxograma dessa análise cromatográfica.

Figura 7. Fluxograma simplificado da aplicação da cromatografia gasosa com detector de ionização em chama (FID) para a determinação de furfural formado durante o pré-tratamento químico da biomassa lignocelulósica. Condições de análise: coluna capilar tipo DB-5 a 90 ºC; nitrogênio de alta pureza como gás de arraste a um fluxo de 3,8 mL min-1; detector FID alimentado com fluxos de hidrogênio e ar de 40 mL min-1 e 400 mL min-1, respectivamente; headspace com 3 minutos de agitação a 105 °C e tempo de pressurização de 0,2 minuto.

Fonte: adaptado de Li et al. (2010).

Análise eletroforética

Método de análise de fenóis substituídos, derivados da queima da biomassa

A queima da biomassa contribui significativamente para o aporte de aerossóis na atmosfera, sobretudo dos aerossóis orgânicos, já que da sua composição participam produtos da decomposição termoquímica da lignina, celulose e hemicelulose, incluindo vários fenóis substituídos e ácidos orgânicos de pequena massa molecular. Esses aerossóis podem comprometer a qualidade do ar; ademais, alguns fenóis oferecem toxicidade ao ser humano e aos animais.

A eletroforese capilar requer pequena quantidade de amostra e não necessita de tratamento prévio, como é o caso da análise por CG. Tais vantagens, aliadas à alta eficiência de separação, à rapidez e à simplicidade, tornam a técnica atrativa para a análise de efluentes gasosos oriundos da queima da biomassa. O método apresentado foi desenvolvido para a análise de metoxifenóis substituídos e de ácidos aromáticos em aerossol, utilizando-se a eletroforese capilar acoplada a um espectrômetro de massas com ionização do tipo ESI (vista no Capítulo 4) (LIUNUMA; HERMANN, 2003). A Figura 8 ilustra o fluxograma da análise eletroforética.

Figura 8. Fluxograma simplificado da aplicação da eletroforese capilar com detector de massas para a determinação de fenóis substituídos da queima da biomassa lignocelulósica. Condições de análise: coluna capilar de sílica fundida de 75 µm de diâmetro interno x 55 cm de comprimento; hidróxido de amônio a 1 mol L-1 (pH 11) como eletrólito; voltagem de separação de 30 kV a 25 ºC; corrente do capilar de 14 µA; injeção de 50 hPa para 10 s; espectrômetro de massas operando em modo de polaridade negativa.

Fonte: adaptado de Liunuma e Herrmann (2003).

Análise microscópica

Método de caracterização de microfibrilas de celulose obtidas de resíduos agrícolas

Conforme já comentado na descrição do método de análise por infravermelho médio, fibras lignocelulósicas oferecem vários benefícios ambientais graças a sua origem renovável, a sua abundância, ao seu baixo custo e também ao baixo consumo de energia dos processos de produção em comparação com as fibras sintéticas petroquímicas. Microfribilas de celulose extraídas da casca de coco, por meio de tratamento químico, passam por uma análise química composicional e por uma caracterização microscópica.

A morfologia das microfibrilas de celulose foi investigada por meio da microscopia de varredura eletrônica, que forneceu um diâmetro para elas, compreendido na faixa de 10 µm a 15 µm (MAHESWARI et al., 2012). A Figura 9 ilustra o fluxograma da análise microscópica.

Figura 9. Fluxograma simplificado da aplicação da microscopia eletrônica de varredura para a caracterização de microfibrilas de celulose. Condições de análise: amostras previamente recobertas com ouro; voltagem de aceleração entre 5 kV e 8 kV.

Fonte: adaptado de Maheswari et al. (2012).

Análise térmica

Método de análise da estabilidade térmica de amostra de serragem

A decomposição térmica pirolítica de resíduos da biomassa, na ausência de combustão e sob condições ótimas, produz bio-óleo e resíduo sólido carbonizado (biocarvão). O sólido pode ser utilizado como fertilizante de liberação lenta, enquanto o bio-óleo serve como matéria-prima para a obtenção de produtos químicos renováveis, além do uso em motores.

A análise termogravimétrica compreende a observação da perda de massa em decorrência da temperatura, em um determinado período de tempo ou faixa de aquecimento. A perda de massa medida depende da volatilidade das frações em avaliação, a qual é medida utilizando-se um analisador termogravimétrico, sob atmosfera de nitrogênio, com taxas de aquecimento de 5 °C min-1, 10 °C min-1, 20 °C min-1 e 30 °C min-1, até atingir uma temperatura do forno de 900 °C (SEO et al., 2010). A Figura 10 ilustra o fluxograma da análise térmica.

Figura 10. Fluxograma simplificado da aplicação da análise termogravimétrica para a caracterização de amostra de serragem. Condições de análise: ambiente inerte de nitrogênio a uma velocidade de fluxo de 3 L min-1; aquecimento entre 100 °C e 900 °C, a uma taxa máxima de 30 °C min-1.

Fonte: adaptado de Seo et al. (2010).

Controle e garantia de qualidade de métodos analíticos

O controle de qualidade dos métodos analíticos e, consequentemente, dos dados gerados deve ser feito utilizando-se a sequência descrita a seguir, adaptada de Sluiter et al. (2008b), tendo-se em conta os critérios descritos no Capítulo 1 (em Termos da Química Analítica):

Elaborar e aplicar um plano de garantia de qualidade, o qual deve estabelecer quais os parâmetros deverão ser usados, como: casas decimais para a expressão do valor, desvio-padrão da média, coeficiente de variação, limite de confiança da média, etc.

Estabelecer o número de replicatas para a medida – recomendam-se três replicatas.

Utilizar um branco de medida para o instrumento; como exemplo, água ultrapura nas mesmas condições das medidas a serem feitas.

Verificar os padrões de calibração: os padrões utilizados deverão ser preparados e analisados periodicamente, conforme descrito pelo método analítico.

Definir o tamanho, a massa ou o volume de amostra que melhor se adapte à análise, de modo a otimizar o processo analítico e a garantir a sua representatividade.

Seguir sempre as orientações das melhores condições de armazenamento da amostra, como: estocar as amostras em frascos selados, em refrigerador a uma temperatura de 4 °C.

Armazenar os padrões em freezer.

Preparar os padrões segundo os procedimentos descritos.

Seguindo tais orientações, reduz-se bastante o risco de alcançar resultados que não sejam representativos da amostra analisada.

Ademais, a garantia da qualidade do método analítico e dos resultados por ele gerados pode se dar da seguinte forma:

Análise de amostras em triplicatas, tomando-se o desvio-padrão da média (Termos da Química Analítica) como referência e comparando o resultado com um valor aceito.

Análise do branco, ou amostra sem o analito, para a verificação da contribuição ao sinal, além daquela proveniente do próprio analito.

Análise de padrões que contenham uma concentração conhecida do analito para a verificação da resposta ao segundo.

Determinação da recuperação de uma concentração conhecida do analito em uma determinada matriz, para verificar a performance do método (Termos da Química Analítica).

Para aqueles que tiverem interesse em obter mais conhecimentos sobre o assunto, consultar Harvey (2000), que descreve, de uma forma clara e detalhada, a aplicação de procedimentos de controle e garantia analítica.

Aplicação da quimiometria no tratamento dos dados gerados

Em algumas aplicações, as técnicas analíticas, por si sós, não são suficientes para fornecer uma informação qualitativa ou quantitativa que utilize apenas alguns dados, como a intensidade de absorção ou emissão, e/ou a região de absorção do espectro eletromagnético – chamada de “análise univariada”. Frequentemente, técnicas analíticas estão associadas a ferramentas quimiométricas para se obter a melhor informação possível.

A quimiometria é uma área do conhecimento da química que utiliza modelos estatísticos, juntamente com lógica formal, para interpretar e predizer dados, extraindo, assim, o máximo de informação relevante (BROWN et al., 1996). É bastante empregada em dados espectroscópicos e cromatográficos – no caso de dados espectroscópicos, cada comprimento de onda é uma variável. Podem ser utilizados os espectros ou cromatogramas completos, partes deles ou uma seleção de variáveis. Como são tratadas diversas variáveis ao mesmo tempo, a análise dos dados é chamada de “análise multivariada”. Para se proceder à análise multivariada, os dados são primeiramente organizados em forma de matriz, denominada de “matriz X de dados originais”, em que as colunas correspondem às variáveis preditoras (como a absorbância), e as linhas correspondem, por exemplo, à concentração de um analito.

Depois de organizados os dados na matriz, algumas vezes é necessário proceder a um pré-processamento, eliminando informação irrelevante ou uniformizando os dados. O objetivo da análise multivariada pode ser uma análise exploratória ou uma quantificação de um analito, podendo ser aplicada tanto para resultados obtidos em escala laboratorial, quanto para as escalas-piloto. A análise exploratória é realizada com o objetivo de se obterem informações iniciais de um conjunto de amostras, e de se formarem agrupamentos segundo uma determinada propriedade química. A principal ferramenta quimiométrica utilizada na análise exploratória é o PCA (principal component analysis). Quando se pretende verificar similaridades entre amostras de uma determinada classe, faz-se a classificação das amostras, sendo os métodos mais comumente usados: LDA (linear discriminant analysis), HCA (hierarchical cluster analysis) e SIMCA (soft independent modelling of class analogy). Quando se pretende predizer a concentração do analito, são construídos modelos de calibração, com padrões de concentração conhecida e faixa de trabalho que contemple a concentração do analito; o método mais utilizado para esse propósito é o PLS (partial least squares) (MARTENS; NAES, 1989). A Tabela 1 descreve as principais características dos tratamentos quimiométricos.

Tabela 1. Usos dos principais modelos quimiométricos.

Uso

Modelo

Análise exploratória

PCA, HCA, SIMCA, LDA

Calibração multivariada

PLS, PCR (principal components regression)

Planejamento e otimização de experimentos

Planejamentos fatoriais completos, planejamentos fatoriais fracionados, planejamento de misturas

Pré-processamento de sinais analíticos

Primeira derivada, segunda derivada, centragem na média

Fonte: adaptado a partir de Nanotimize (2012).

Na Figura 11 é apresentado o tratamento de dados para a análise composicional de amostras de cana-de-açúcar.

Figura 11. Aplicação da quimiometria (método PLS) no tratamento de dados da análise composicional de amostras de cana-de-açúcar analisadas por fluorimetria de raios X. Tanto as porcentagens preditas quanto as porcentagens medidas correspondem a valores obtidos para as variáveis, como a razão m/m de sacarose, para um nível de confiança de 95% para a aplicação do teste t de Student (visto no Capítulo 1).

Fonte: adaptado de Melquiades et al. (2012).

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Glossário

Abordagem analítica: objetivo da análise química, que define a técnica e o método analítico a serem aplicados.

Amostra: porção física representativa a ser analisada, formada pela matriz e pelo analito; pode ser sólida, líquida ou gasosa, ou uma combinação dessas.

Análise química: procedimento experimental que visa à identificação, à quantificação ou à caracterização de um ou mais analitos.

Analito: espécie química de interesse para a análise química, podendo ser orgânico, inorgânico ou organometálico, nos três estados físicos da matéria.

Biomassa: qualquer matéria orgânica derivada das plantas que possua composição química , e heterogênea.

Branco de amostragem: material de composição conhecida, como água destilada, sem a presença do analito, manuseado de modo idêntico ao da amostra, e utilizado para observar possíveis contaminações decorrentes da etapa de amostragem.

Branco do método: material de composição conhecida, como água destilada, sem a presença do analito, manuseado de modo idêntico ao da amostra, e utilizado para observar possíveis contaminações decorrentes da aplicação do método analítico.

Composto químico: substância química, cuja molécula é formada por diferentes átomos, os quais só podem ser separados por meio de uma reação química.

Confiabilidade: nível de confiança expresso por um resultado analítico.

Contaminante: espécie química, orgânica, inorgânica ou organometálica, diferente do analito, que influencia diretamente o resultado da análise.

Curva de calibração ou curva analítica: exibição gráfica de um analito diante da alteração do comportamento de uma propriedade, como a absorção, em decorrência da variação de sua concentração.

Efluente: qualquer licor ou material residual descartado, emitido por uma fonte, como plantas químicas de produção ou estações de tratamento de esgoto. Geralmente se encontra em estado líquido ou gasoso.

Espécie química: entidade química ou partícula, como radical, íon, molécula ou átomo.

Fisiossorção: adsorção na qual as forças envolvidas são intermoleculares (forças de van der Walls), similares àquelas responsáveis pela imperfeição dos gases reais e pela condensação dos vapores. Não provoca alterações nos orbitais eletrônicos envolvidos.

In situ: análise de uma espécie química, orgânica, inorgânica ou organometálica no momento de sua formação na matriz analítica.

Limite de detecção (LD): menor concentração ou quantidade que pode ser detectada com razoável certeza para um dado procedimento analítico.

Limite de quantificação (LQ): menor concentração ou quantidade que pode ser avaliada com razoável certeza para um dado procedimento analítico.

Matéria orgânica: fração composicional formada por resíduos da biomassa vegetal e animal em processos físicos, químicos ou biológicos de decomposição; é rica em carbono, nitrogênio, hidrogênio, oxigênio e enxofre.

Matriz analítica: meio físico em que se encontra o analito a ser amostrado e analisado; qualquer dado material a ser analisado passa a ser considerado matriz analítica.

Método analítico: aplicação de uma técnica analítica para a determinação de um analito em um meio específico ou matriz analítica.

Monitoramento analítico: análise química ou conjunto de análises químicas realizadas para monitorar um dado processo de conversão, qualquer que ele seja, químico, bioquímico ou termoquímico. É o mesmo que monitoramento in loco.

Operação: procedimento técnico componente de um processo analítico ou análise química.

Procedimento analítico: conjunto de detalhamentos técnicos para a aplicação de um método analítico em uma dada amostra, considerando-se a etapa de amostragem, a eliminação de interferentes e a validação de dados.

Processo analítico: conjunto de operações que levam a um resultado analítico.

Processo de conversão: conjunto de operações por meio das quais certo tipo de biomassa é transformado em produto.

Processo bioquímico de conversão: processo de conversão que se utiliza da fermentação por microrganismos ou da catálise enzimática para a transformação de um tipo de biomassa em produto, seja ele um biocombustível, seja um insumo químico.

Processo químico de conversão: processo de conversão que se utiliza de reações de síntese orgânica, com ausência ou presença de catalisadores homogêneos ou heterogêneos, para a transformação de um tipo de biomassa em produto, seja ele um biocombustível, seja um insumo químico.

Processo termoquímico de conversão: processo de conversão que se utiliza de processos térmicos, com ausência ou presença de oxigênio, para a transformação de um tipo de biomassa em produto, qualquer que seja ele, energia, biocombustível ou insumo químico. Podem ser citadas como exemplos a combustão, a pirólise rápida, a gaseificação e a torrefação.

Protocolo analítico: conjunto de orientações sobre todos os procedimentos a serem seguidos para que os resultados sejam aceitos por uma agência ou órgão regulador.

Química verde: conjunto de 12 princípios orientadores para a Química, que buscam, entre outros objetivos, a redução da geração de resíduos, a economia atômica e a energética e o uso de matérias-primas renováveis.

Quimiometria: conjunto de ferramentas estatísticas a serem utilizadas no planejamento experimental e no tratamento de dados analíticos.

Quimissorção: adsorção resultante da formação de ligação química entre o adsorbente e o adsorbato em uma monocamada, na superfície da matriz.

Rastreabilidade: propriedade de um resultado ou medida, por meio do qual se pode relatá-lo em padrão apropriado, nacional ou internacional, através de uma cadeia ininterrupta de comparações.

Resíduo: qualquer substância, ou mistura de substâncias químicas, resultante de um processo de conversão ou de degradação da biomassa, e que não seja de interesse para o processo de conversão.

Substância química: matéria de composição constante, mais bem caracterizada por entidades (moléculas, fórmulas estruturais e átomos); propriedades físicas, como a densidade, o índice de refração, a condutividade elétrica, os pontos de fusão e ebulição, que caracterizam tais substâncias.

Sustentabilidade: medida dos impactos ambiental, social e econômico de um determinado processo ou produto.

Técnica analítica: estratégia de uso de um fenômeno físico ou químico para a identificação ou a quantificação de um analito.