Testes Preliminares: Quantificação de Metano

Um dos principais desafios ao longo do desenvolvimento de todo projeto de pesquisa foi o de medir o consumo de metano. Ao longo de todas as etapas experimentais, essa medição foi pouco confiável, porque o baixo consumo de metano ficava sempre dentro do intervalo de erro do método. Para superar esse problema, foram adotadas duas abordagens: (A) ajustes na curva de calibração de metano no GC e (B) ajustes nas condições experimentais.

A abordagem (A) incluiu novo tratamento estatístico a fim de calcular novo ajuste para a curva de calibração, que resultasse em um intervalo de confiança mais acurado. As curvas de calibração foram construídas injetando diferentes volumes de uma composição de gás conhecida. Conhecidos o volume injetado e a pressão a que o gás estava submetido, foi possível calcular o número de mols teórico de gás em cada injeção, aplicando a lei de gases ideais (Eq. 7). Foi injetado gás com 25% CH4, 25% N2, 25% CO2 e 25% H2 e os volumes injetados variaram entre 10 µL e 1.000 µL. Para construção da curva, cada um dos pontos foi injetado em triplicata por três operadores, totalizando nove repetições para cada ponto.

PV = nRT (Eq. 7)

É forçoso esclarecer que os procedimentos de injeção foram realizados pela equipe técnica do laboratório. O presente trabalho apenas utilizou os dados obtidos no novo tratamento estatístico. Optou-se por descrever brevemente os procedimentos apenas para garantir melhor compreensão do processo de construção da curva de calibração.

Com os dados das injeções padrão, foi possível construir uma curva de calibração que relacionasse o número de mols à área do pico (Eq. 8), onde y é a área do pico (resposta do equipamento), x é o número de mols e os parâmetros do modelo são representados por a e b.

y = a.x + b

(Eq. 8)

Para o tratamento estatístico foram aplicados testes de significância da regressão e da falta de ajuste (PIMENTEL; BARROS NETO, 1996). Foi utilizada Análise de Variância a fim de avaliar a significância da regressão e o ajuste da curva (Tabela 4.9 e Quadro 4.7). Além da análise de variância, foi feita também a análise dos resíduos.

Tabela 4.9 - Análise de Variância para o ajuste de um modelo pelo método dos mínimos quadrados

Fonte Soma Quadrática Graus de

Liberdade Média Quadrática Modelo _{6789= : ;<!=8";− =)>} _{p-1 6789= 6789}⁄_{!? − 1"} Residual _{67= : :A=;B− !=8";C} _{n-p 6}

7 = 67⁄! − ?" Falta de ajuste _{6DEB= : ;<!=8";− =;)>} _{m-p 6DEB= 6DEB}⁄_{!F − ?"} Erro puro _{68G= : :A=;B− !=8";C} _{n-m 6}

8G= 68G⁄! − F"

Total _{6H= : :A=;B− =)C} _n-1

ni: número de repetições no nível i; m: número de níveis distintos da variável x; n: Σni ou número total de medidas; p: parâmetros do modelo. O índice i indica o nível da variável x; o índice j refere-se às medidas repetidas da variável

y em um dado nível x. O segundo somatório das expressões para SQr, SQep e SQt vai de j = 1 até j = ni. Os outros somatórios vão de i = 1 até i = m. ym é a média de todos os valores y; yim é a média das determinações repetidas no

nível i; (ye)i é o valor de y estimado pela curva de calibração no nível i Fonte: Pimentel e Barros Neto (1996)

Cálculo F Análise resultado

Teste de significância da regressão

6_{I J} 6_I

Se F < Fcrítico, MQreg = MQr, o que significa que ambas

refletem apenas o erro aleatório

Se F > Fcrítico, MQreg>MQr, e há evidência de uma relação

linear entre x e y.

Teste da falta de ajuste 6KLM 6 _?

Se F < Fcrítico, MQfaj = MQep e ambas são uma estimativa dos erros aleatórios. Há indício de que o modelo está bem ajustado.

Quadro 4.7 - Critérios para decisão dos testes estatísticos aplicados a curva de calibração do metano

Obtidos os parâmetros da curva de calibração e feitos os testes de significância da regressão e da falta de ajuste, foi calculado o erro padrão s (Eq. 9) Para cada amostra era calculado o intervalo de confiança (Eq. 10).

s = (MQr)1/2 (Eq. 9) NO = N8± Q.. _{L S . T +}1 1_{U + V}!N8− N)"  ∑!N;− N)"XY Z/ (Eq. 10)

Na (Eq. 10) xo é o valor real do analito de interesse (no caso, o número de mols de CH4),

xe é a estimativa do valor do analito dada pela curva de calibração, xm é a média de todas as concentrações empregadas no ajuste do modelo, s é a estimativa do erro padrão, t é o ponto da distribuição de Student para 95% de confiança e n-2 graus de liberdade, sendo n o número total de medidas feitas na calibração. Por fim, a é o coeficiente angular da reta de calibração e q é o número de replicatas feitas numa mesma medida.

Outra modificação foi a substituição da seringa para injeções, por uma seringa de 100 uL. Até então, era utilizada seringa de 1.000 uL, que é a seringa de volume padrão para os ensaios de produção de hidrogênio e metano. A substituição por uma seringa com menor volume visou à melhora da resolução dos picos.

Além da questão analítica, a dificuldade em medir o consumo de metano foi relacionada ao fato de o processo metanotrófico ser um processo lento, e o consumo de metano ser baixo. Tentamos resolver essas questões fazendo ajustes nas condições experimentais – abordagem (B).

Assim, para o delineamento do ensaio em condições microaeradas, foram feitas diversas considerações, buscando-se aperfeiçoar a medida de consumo de metano. As condições experimentais foram ajustadas de forma a potencializar o consumo de metano:

• Optou-se por utilizar apenas dois reatores em batelada sequencial, o que permitiu que cada um deles contivesse mais biomassa. A maior concentração de sólidos voláteis no reator tende a resultar em maior consumo de metano. Um dos frascos foi submetido a condições anóxicas (Anox-SBR) e o outro a condições microaeradas (MO2-SBR)

• Optou-se pela utilização de headspaces menores, que possibilitaram maior concentração do gás e favoreceram a amostragem. O volume do headspace foi fixado em 100 mL;

• A pressão parcial do metano no início dos ciclos foi mantida em torno de 1,15 atm. Maiores pressões parciais de metano permitem maior concentração de metano dissolvido que, por sua vez, aumenta a velocidade de consumo do composto, permitindo melhor resolução nas análises.

A definição dessas condições foi testada. Para isso foram operados dois reatores em batelada por duas semanas a fim de verificar se esses parâmetros eram adequados.