UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

“DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO ANALÍTICO PARA A DETERMINAÇÃO DE TERC-BUTILHIDROQUINONA EM BIODIESEL DE

SOJA”

Lorena Athie Goulart Mestrado em Química, Área de Concentração Química Analítica e Ambiental

Orientadora: Profa. Dra. Marilza Castilho

CUIABÁ

MATO GROSSO - BRASIL 2012

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LORENA ATHIE GOULART

SOJA”

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Mato Grosso, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Química, para obtenção do título de Mestre em Química, Área de Concentração Química Analítica e Ambiental.

CUIABÁ

MATO GROSSO - BRASIL 2012

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LORENA ATHIE GOULART

SOJA”

APROVADA: 27 de julho 2012

Prof. Dr. Valdir Souza Ferreira

DQI-UFMS

Prof. Dr. Ricardo Dalla Villa DQ-UFMT

Profa Dra. Marilza Castilho (Orientadora)

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AGRADECIMENTOS

À Deus, presença viva em todos os dias da minha vida. À minha família, pelo apoio, incentivo e amor incondicional.

Em especial aos dois grandes amores da minha vida, os meus pais Anoir e Sandra, que são os meus anjos da guarda, a minha fortaleza, refúgio, inspiração e os grandes responsáveis por eu ter conquistado todos os meus objetivos.

As minhas irmãs Milena e Fernanda, exemplos de dedicação e amizade. Ao meu namorado Carlos, pela paciência, amor, atenção e companheirismo.

À Profa. Dra. Marilza Castilho, por ter participado efetivamente na minha formação, pela sua orientação e incentivo, atenção, paciência, pelo seu carisma e simplicidade, e por todos esses anos de amizade.

Ao Prof. Dr. Ailton, pela oportunidade, confiança e pela presteza de ajudar sempre que necessário.

À todos os meus eternos amigos do laboratório e do grupo GENMAT, que não mediram esforços para auxiliar-me na realização deste trabalho, e sempre foram os responsáveis pelas gargalhadas matinais (Mário, Rodrigo, Augusto, Sally, Anelisse, Tássia, Gregory, Francisco, Eduardo, Angélica e Grasielli).

Ao Rapher por sempre estar disposto a ajudar e pela grande amizade. À Ana Ruth por ficar até mais tarde ajudando-me nos experimentos.

Ao meu querido amigo Douglas pelos domingos e feriados perdidos realizando as análises comigo.

À todos os meus colegas da Pós-Graduação, em especial o William. À CNPq e a FAPEMAT pelo apoio financeiro às pesquisas.

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À CEANC pelas análises físico-químicas do biodiesel, em especial ao Júlio pelas contribuições na interpretação dos resultados.

Ao Centro Interdisciplinar de Estudos em Biocombustíveis (CIEB).

Aos laboratórios de pesquisa do Departamento de Química que cederam reagentes e equipamentos para a conclusão deste trabalho.

À todos os professores que contribuíram para minha formação acadêmica, e a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho, meus sinceros agradecimentos.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Matérias-primas utilizadas para produção de biodiesel em diferentes regiões brasileiras. Fonte: ANP, 2012. ... 6 Figura 2. Matérias-primas utilizadas para produção de biodiesel no Brasil. Fonte: ANP, 2012. ... 6 Figura 3. Reações de transesterificação de triglicerídeos. Fonte: FUKUDA, 2001. ... 9 Figura 4. Esquema geral do mecanismo da oxidação lipídica. Fonte: RAMALHO, 2006. ... 12 Figura 5. Etapa de iniciação da autoxidação de um éster do ácido linoléico. Fonte: SOLOMONS, 1996. ... 12 Figura 6. Reações envolvidas na etapa de propagação da autoxidação de um éster do ácido linoléico. Fonte: SOLOMONS, 1996. ... 13 Figura 7. Etapa de término da autoxidação. ... 14 Figura 8. Mecanismo de ação para os antioxidantes primários. Fonte: FRANKEL, 1993. ... 16 Figura 9. Estruturas químicas dos principais antioxidantes naturais presentes nos óleos vegetais: tocoferóis e tocotrienóis; hidroxitirosol. Ácido cafeico; β-caroteno e β-sitosterol. Fonte: CASTELO-BRANCO, 2011. . ... 17 Figura 10. Voltamograma cíclico simulado (SKOOG, 2007)... 27 Figura 11. Representação esquemática da aplicação de potencial em função do tempo em voltametria de pulso diferencial. Fonte: ALEIXO, 2008. ... 30 Figura 12. Voltamograma de pulso diferencial. Fonte: ALEIXO, 2008. ... 30 Figura 13. Célula eletroquímica para medidas voltamétricas. Posição dos eletrodos: da esquerda para direita, contra eletrodo de placa de Pt, eletrodo de trabalho de CV e eletrodo de referência Ag/AgCl. ... 34 Figura 14. Eletrodos de trabalho. (a) carbono vítreo (CV); (b) diamante dopado com boro (DDB). ... 35

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Figura 15. Esquema do procedimento de extração do TBHQ com acetonitrila. (A) 200,0 µL de amostra de biodiesel de soja; (B) amostra + 2,0 mL de ACN; (C) amostra + 2,0 mL de ACN + 1,0 mL de eletrólito suporte (30% ACN, v/v, 10,00 mmol L-1 KNO3, pHcond 1,5); (D) mistura contida em C

após agitação em vórtex; (E) mistura contida em C após banho em ultrassom; (F) mistura contida em C após centrifugação; (G) extrato obtido após a primeira extração; (H) extrato final. ... 38 Figura 16. Esquema do procedimento de extração do TBHQ com etanol. (A) 200,0 µL de amostra de biodiesel de soja; (B) amostra + 2,0 mL de EtOH; (C) amostra + 2,0 mL de EtOH + 4,0 mL de de eletrólito suporte (30% EtOH, v/v, 10,00 mmol L-1 KNO3, pHcond 1,5) (D) mistura contida em C após

agitação em vórtex; (E) mistura contida em C após banho em ultrassom; (F) mistura contida em C após centrifugação; (G) extrato obtido após a primeira extração; (H) extrato final. ... 39 Figura 17. Voltamogramas cíclicos para o padrão TBHQ 15,0 mg L-1. (a) (____{) Padrão de TBHQ em eletrólito suporte (solução de KNO}

3 (30% ACN,

v/v) pHcond 1,5) (----) Branco, eletrodo de carbono vítreo (CV); (b) (___)

Padrão de TBHQ em eletrólito suporte (solução de KNO3 (30% ACN, v/v)

pHcond 1,5) (----) Branco, eletrodo de diamante dopado com boro (DDB); (c)

(____{) Padrão de TBHQ em eletrólito suporte (solução de KNO}

3 (30% etanol,

v/v) pHcond 1,5) (----) Branco, eletrodo de carbono vítreo (CV); (d) (___)

Padrão de TBHQ em eletrólito suporte (solução de KNO3 (30% etanol, v/v)

pHcond 1,5) (----) Branco, eletrodo de diamante dopado com boro (DDB);

v = 50 mV s-1. ... 44 Figura 18. Mecanismo proposto para a oxidação do antioxidante TBHQ. ... 45 Figura 19. Voltamogramas de pulso diferencial para o padrão TBHQ 15,00 mg L-1_{e para o branco, em eletrólito suporte (solução de KNO}

3 (30% EtOH,

v/v) pHcond 1,5. (a) eletrodo de CV; (b) eletrodo DDB. v = 10 mV s-1, ∆E = 50

mV e t = 0,5 s. ... 46 Figura 20. Voltamogramas de pulso diferencial para o padrão TBHQ 15,0 mg L-1_{. (a) (}____{) eletrodo CV, (---) eletrodo de DDB, em eletrólito suporte}

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x

CV, (---) eletrodo de DDB, em eletrólito suporte solução 10,0 mmol-1 KNO3

com 30% EtOH, pHcond 1,5. v = 10 mV s-1, ∆E = 50 mV e t = 0,5 s. ... 48

Figura 21. (A) 200,0 µL de biodiesel de soja com TBHQ + 2,0 mL de ACN + 1,0 mL de eletrólito suporte KNO3 10,00 mmol L-1 (30%ACN) pHcond 1,5 na

última etapa de extração (após centrifugação); (B) 200,0 µL de biodiesel de soja com TBHQ + 2,0 mL de EtOH + 4,0 mL de eletrólito suporte KNO3

10,00 mmol L-1 (30%EtOH) pHcond 1,5 na última etapa de extração (após

centrifugação). ... 50 Figura 22. Voltamogramas de pulso diferencial registrados para concentrações de TBHQ na faixa de 0,20 a 500,00 mg L-1. (a) eletrólito suporte solução 10,00 mmol L-1 KNO3 com 30% ACN, pHcond 1,5; (b)

eletrólito suporte solução 10,00 mmol L-1_KNO

3 com 30% EtOH, pHcond 1,5; v = 10 mV s-1, ∆E = 50 mV e t = 0,5 s. Eletrodo de CV. ... 51

Figura 23.Curvas analíticas obtidas num intervalo de concentração de 0,20 a 100,00 mg L-1 de TBHQ. (a) eletrólito suporte solução 10,00 mmol L-1 KNO3 com 30% ACN, pHcond 1,5; (b) eletrólito suporte solução 10,00 mmol L -1_KNO

3 com 30% EtOH, pHcond 1,5 v = 10 mV s-1, ∆E = 50 mV e t = 0,5 s. . 51

Figura 24. Voltamogramas de pulso diferencial para amostra de biodiesel de soja sem adição de TBHQ. (a) eletrólito suporte solução 10,00 mmol L-1 KNO3 com 30% ACN, pHcond 1,5; (b) eletrólito suporte solução 10,00 mmol L -1

KNO3 com 30% EtOH, pHcond 1,5. v = 10 mV s-1, ∆E = 50 mV e t = 0,5 s. 53

Figura 25. (A) Voltamogramas de pulso diferencial obtidos pela adição de TBHQ em amostra de biodiesel: (b) amostra de biodiesel não adicionada com TBHQ; (a) biodiesel adicionado com TBHQ (242,50 mg L-1); (C1-C5)

adições de padrão do TBHQ (485,00 mg L-1). Parâmetros: v = 10 mV s-1, ∆E = 50 mV e t = 0,5 s. (B) Inset dependência da Ipa em função da concentração de TBHQ em amostra de biodiesel de soja fortificada com TBHQ (242,50 mg L-1). Eletrólito suporte 10,00 mmol L-1 KNO3 com

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Antioxidantes sintéticos e suas estruturas químicas. Adaptação (JAIN, 2010-a) ... 19 Tabela 2 – Procedência e pureza dos reagentes utilizados neste trabalho . 33 Tabela 3 - Parâmetros utilizados na VPD para a determinação de TBHQ em amostras de biodiesel ... 46 Tabela 4 - Parâmetros quantitativos para a determinação de TBHQ em biodiesel de soja usando o método voltamétrico proposto ... 52 Tabela 5. Dados da curva analítica no nível 1 de fortificação (250 mg L-1) (extração com ACN). ... 54 Tabela 8 - Dados da curva analítica no nível 1 de fortificação (250 mg L-1₎

(extração com EtOH). ... 57 Tabela 9 - Resultados obtidos pela aplicação do método proposto em amostras de biodiesel de soja enriquecidas com diferentes níveis de TBHQ ... 58 Tabela 10 - Resultados obtidos na determinação de TBHQ em amostras de biodiesel de soja por HPLC e por VPD ... 59 Tabela 11 - Resultados obtidos na determinação de TBHQ em amostras de biodiesel de soja por HPLC e VPD, nos três níveis de fortificação e para os dois solventes de extração (ACN e EtOH) ... 60 Tabela 12 – Recuperações de TBHQ em amostra comercial de biodiesel contendo 877,00 ppm de TBHQ ... 60

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LISTA DE ABREVIATURAS OU SIGLAS

∆E (Amplitude de Pulso)

∆Ep (Diferença entre os potenciais de pico anódico e catódico) ACN (Acetonitrila)

ANP (Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) b (Coeficiente Angular) BHA (Butil-hidroxianisol) BHT (Butil-hidroxitolueno) BR (Britton Robinson) C (Catecol) C18 (Octadecilsilano)

CG/MS (Cromatografia Gasosa acoplada a um Espectrômetro de Massa) CPE (Eletrodo de Pasta de Carbono)

CTAB (Brometo de Cetiltrimetilamônio) CV (Carbono Vítreo)

DDB (Diamante Dopado com Boro) DPR% (Desvio Padrão Relativo) DTBHQ (2,5-diterc-butil-hidroquinona) E (Potencial de pico)

E1/2 (Potencial de meia-onda)

Epa (Potencial de pico anódico)

Epc (Potencial de pico catódico)

EtOH (Etanol)

FTIR (Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier) GA (Ácido Gálico)

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HMDE (Eletrodo de Gota Pendente de Mercúrio) HPLC (Cromatografia Líquida de Alta Eficiência) IB (Ionol BF 200)

Ip (Corrente de pico)

Ipa (Corrente de Pico Anódica)

LD (Limite de Detecção) LQ (Limite de Quantificação) MeOH (Metanol)

NDGA (Ácido nordihidroguaiarético) OBPA (Butil-difenil amina octilada) OSI (Índice de Estabilidade à Oxidação) PG (Propil Galato)

pHcond (pH condicional – meio não aquoso)

PI (Período de Indução) PY (Pirogalol)

r (Coeficiente de Correlação linear) RMN (Ressonância Magnética Nuclear) sb (Desvio padrão do branco)

SF (Fatores de estabilização) t (Tempo de Pulso) TBHQ (Terc-butilhidroquinona) TBP (Terc-butil-fenol) UV-Vis (Ultravioleta-Visível) v (Velocidade de Varredura) VC (Voltametria Cíclica)

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α-T (α-tocoferol)

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RESUMO

GOULART, Lorena Athie, L.A.G., Universidade Federal de Mato Grosso, julho de 2012. Desenvolvimento de um método analítico para a determinação de terc-butilhidroquinona em biodiesel de soja. Orientadora: Marilza Castilho.

Neste trabalho apresenta-se um novo método para a análise do antioxidante

terc-butilhidroquinona (TBHQ) em biodiesel de soja por voltametria de pulso

diferencial (VPD) em um eletrodo de carbono vítreo (CV). Este método foi desenvolvido submetendo amostras de biodiesel à extração líquido-líquido utilizando dois solventes de extração diferentes: acetonitrila (ACN) e etanol (EtOH). Os efeitos do tipo e volume de solvente, eletrólito suporte e pH foram investigados e otimizados. Os parâmetros da técnica de VPD foram otimizados e curvas analíticas foram obtidas pelo método de adição de padrão. Sob condições ideais, este método mostra boa resposta linear com valores de coeficiente de correlação (r) acima de 0,99. Os limites de detecção (LD) e de quantificação (LQ) foram inferiores a 2,00 mg L-1. As percentagens de recuperação de TBHQ, quando adicionado ao biodiesel foram 96,7-100,8% para ambos os solventes de extração, com um desvio padrão relativo (DPR) inferior a 3%. Este método foi aplicado a amostras comerciais de biodiesel de soja contendo 877,00 ppm TBHQ, com recuperação de 110,1% e de 99,4% obtido quando ACN e EtOH foram utilizados como solventes de extração, respectivamente. Estes resultados foram semelhantes aos obtidos usando a cromatografia líquida de alta eficiência com detecção no ultravioleta (HPLC-UV), demonstrando a aplicabilidade deste método para a determinação de TBHQ em amostras de biodiesel de soja.

Palavras-chave: terc-butilhidroquinona (TBHQ), extração líquido-líquido, voltametria, biodiesel.

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ABSTRACT

GOULART, Lorena Athie, L.A.G., Universidade Federal de Mato Grosso, July, 2012. Development of an analytical method for the determination of tert-butylhydroquinone in soybean biodiesel. Orientadora: Marilza Castilho.

In this paper we present a novel method for the analysis of the antioxidant

tert-butylhydroquinone (TBHQ) in soybean biodiesel by differential pulse

voltammetry (DPV) on a glassy carbon (GC) electrode. This method was developed by submitting biodiesel samples to liquid-liquid extraction using two different extraction solvents: acetonitrile (ACN) and ethanol (EtOH). The effects of type and volume of solvent, supporting electrolyte and pH were investigated and optimised. The parameters of the DPV technique were optimised and analytical curves were obtained by the standard addition method. Under optimum conditions, this method shows good linear response with correlation coefficient (r) values above 0.99. The limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) were below 2.00 mg L-1_{. The percentages of}

recovery of TBHQ when added to biodiesel were 96.7-100.8% for both extraction solvents, with relative standard deviation (RSD) lower than 3%. This method was applied to commercial samples of soybean biodiesel containing 877.00 ppm TBHQ, with recovery of 110.1% and 99.4% achieved when ACN and EtOH were used as the extraction solvents, respectively. These results were similar to those obtained using high-performance liquid chromatography with ultraviolet detection (HPLC-UV), demonstrating the applicability of this method for the determination of TBHQ in soybean biodiesel samples.

Keywords: tert-butylhydroquinone (TBHQ), liquid-liquid extraction, voltammetry, biodiesel.

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ÍNDICE

CAPÍTULO I: INTRODUÇÃO...1

CAPÍTULO II: OBJETIVOS...3

II.1. Objetivo Geral...3

II.2. Objetivos Específicos...3

CAPÍTULO III: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...4

III.1. Biodiesel...4

III.1.1. Matérias primas para produção do biodiesel ... 4

III.2. Produção do biodiesel...8

III.3. Normas e diretrizes do biodiesel...9

III.4. Estabilidade à oxidação do Biodiesel...10

III.5. Antioxidantes...15

III.5.1. Antioxidantes naturais ... 17

III.5.2. Antioxidantes sintéticos ... 18

III.6. Métodos para a avaliação da estabilidade do biodiesel...21

III.7. Métodos analíticos para determinação de TBHQ...22

III.8. Extração Líquido-líquido...25

III.9. Voltametria...26

III.9.1. Voltametria Cíclica (VC) ... 26

III.9.2. Voltametria de Pulso Diferencial ... 29

IV.1. Reagentes...32

IV.2. Equipamentos e Softwares Utilizados...33

IV.3. Preparo de soluções...36

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IV.4. Testes de adição e recuperação...37

IV.4.1. Extração do TBHQ com ACN ... 38

IV.4.2. Extração do TBHQ com etanol ... 39

IV.5. Otimização dos parâmetros na VPD...40

IV.6. Análises voltamétricas...40

IV.6.1. Curva analítica – Método da adição de padrão ... 40

IV.7. Parâmetros instrumentais e do método...41

IV.7.1. Linearidade ... 41

IV.7.2. Limite de Detecção (LD) e Limite de Quantificação (LQ) ... 41

IV.7.3. Exatidão ... 42

IV.8. Aplicação...42

V.1. Comportamento voltamétrico do TBHQ...43

V.2. Otimização dos parâmetros da VPD...45

V.2.1. Influência do material eletródico ... 47

V.2.2. Otimização da etapa de extração ... 48

V.3. Avaliação dos parâmetros instrumentais...50

V.4. Estudo de recuperação...52

V.4.1. Teste de adição e recuperação ... 53

V.4.2. Teste de recuperação – método de extração com EtOH ... 56

V.5. Determinação de TBHQ em amostra de biodiesel comercial...60

CAPÍTULO VI: CONCLUSÕES...63

CAPÍTULO VII: PERSPECTIVAS FUTURAS...64

REFERÊNCIAS...65

ANEXO I...73

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CAPÍTULO I: INTRODUÇÃO

A crise do petróleo aliada ao aumento da demanda por combustíveis e a grande preocupação com o meio ambiente preconizou a busca por fontes renováveis de energia. Neste contexto o Brasil ocupa posição de destaque no cenário internacional, com a produção de etanol e mais recentemente com o biodiesel. O biodiesel é uma alternativa ao óleo diesel, por ser um combustível renovável que pode ser produzido a partir de gorduras animais ou de óleos vegetais, por meio de uma reação química de transesterificação, no qual ocorre a conversão de triglicerídeos em ésteres de ácidos graxos (FERRARI, 2009).

O biodiesel apresenta algumas vantagens em relação aos combustíveis derivados do petróleo, tais como, virtualmente livre de enxofre e de compostos aromáticos; alto número de cetano; teor médio de oxigênio; maior ponto de fulgor; menor emissão de partículas, HC, CO e CO2; é um

combustível biodegradável, além de ser proveniente de fontes renováveis. Por outro lado, uma desvantagem é sua estabilidade, pois o processo de degradação do biodiesel é mais rápido do que o óleo diesel. A oxidação do biodiesel é um processo muito complexo que é afetado por uma variedade de fatores, incluindo a composição do combustível que está diretamente relacionada à matéria prima utilizada, assim como as condições de armazenamento. Além disso, os compostos da degradação do biodiesel podem corroer os motores e obstruir os filtros de sistemas de injeção dos mesmos (FERRARI, 2009; ARAÚJO, 2009; KIVELE, 2011; DANTAS, 2011). A estabilidade oxidativa é, portanto, um parâmetro de qualidade a ser avaliado em biodiesel, de acordo com os métodos padrões EN 14214 e ANP 07/2008 (ARAÚJO, 2009; SARIN, 2010; LIRA, 2010).

Ainda que a instabilidade à oxidação do biodiesel seja um problema, há aditivos que aumentam a estabilidade do mesmo. Estes aditivos são substâncias antioxidantes, sintéticas ou naturais utilizadas para

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evitar ou retardar os processos de oxidação, e consequentemente, aumentar a estabilidade do biodiesel. Um dos antioxidantes sintéticos mais empregados na preservação de amostras de biodiesel contra o processo oxidativo é o terc-butilhidroquinona (TBHQ) (DOMINGOS, 2007; FERRARI, 2009; TORMIN, 2010; SARIN, 2010).

Embora a determinação de TBHQ não esteja prevista na Resolução ANP nº14, de 11.5.2012, o controle de qualidade do biodiesel pode evoluir de modo a monitorar os aditivos e demais substâncias adicionadas ao biodiesel. Para isso, é necessário que a comunidade científica demonstre a necessidade e a viabilidade de se regular os diferentes tipos de substâncias químicas e suas quantidades adicionadas.

Uma variedade de métodos analíticos para a determinação de TBHQ, geralmente aplicados em amostras de óleo e de alimentos, têm sido relatados na literatura, sendo os métodos mais utilizados a cromatografia líquida (YANKAH, 1998; PERRIN , 2002; PERRIN, 2003; HAO, 2007; SAAD, 2007; HUANG, 2008; TAKEMOTO, 2009) e cromatografia a gás (GONZÁLEZ, 1999; CHOONG, 2001; YANG, 2002; DING, 2012).

Os métodos cromatográficos apesar de sensíveis, apresentam elevado custo e são na maioria das vezes morosos (ARAUJO, 2011). Neste contexto as técnicas eletroquímicas, tais como as voltamétricas são uma alternativa, porque aliam as vantagens de baixo custo operacional, rapidez, simplicidade e sensibilidade (MEDEIROS, 2010).

Desta forma, o presente trabalho propõe a determinação de TBHQ em amostras de biodiesel de óleo de soja, empregando-se um procedimento de extração líquido-líquido e a detecção por voltametria de pulso diferencial (VPD).

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CAPÍTULO II: OBJETIVOS

II.1. Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo geral desenvolver um método analítico para determinar o antioxidante TBHQ em amostras de biodiesel de óleo de soja utilizando como procedimento de preparo de amostras um procedimento de extração líquido-líquido e como técnica analítica a voltametria de pulso diferencial (VPD).

II.2. Objetivos Específicos

Otimizar o procedimento de extração líquido-líquido; Otimizar os parâmetros da técnica de VPD;

Validar o método em termos de adição e recuperação e comparação com método cromatográfico;

Aplicar o método proposto em amostra de biodiesel de soja comercial.

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CAPÍTULO III: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

III.1. Biodiesel

Segundo a Resolução ANP n°14 de 11 de maio de 2012, o biodiesel é definido como um combustível composto de alquil ésteres de ácidos graxos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais ou de gorduras animais conforme a especificação contida no Regulamento Técnico, parte integrante desta Resolução.

O biodiesel é muito semelhante ao diesel derivado de petróleo nas sua principais características tais como número de cetano, teor de energia, viscosidade e mudanças de fase (LIM, 2010). Apesar de não conter nenhum derivado de petróleo, o biodiesel é compátivel com o diesel convencional podendo ser misturado com o mesmo para criar uma mistura estável de diesel:biodiesel, e de acordo com a Resolução, desde 1° de janeiro de 2010, o teor de biodiesel a ser adicionado ao óleo diesel é de 5%, em volume.

Várias pesquisas vêm sendo desenvolvidas para aperfeiçoar a síntese do biodiesel (para cada oleaginosa que se propõe como matéria-prima). Busca-se também aprimorar as suas características físico-químicas, solucionando assim, problemas na área do controle de qualidade, armazenamento e outros. Para isso, uma diversidade de tecnologias estão sendo desenvolvidas no país a fim de aumentar a produção do biodiesel.

III.1.1. Matérias primas para produção do biodiesel

O biodiesel pode ser obtido de fontes renováveis como todos os óleos vegetais disponíveis (refinados, semi-refinados, degomados, crús e também não comestíveis) e óleos produzidos por microrganismos, óleos e gorduras após fritura, a banha, o sebo, gordura de frango, a graxa e óleos

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de peixes (ANTCZAK, 2009). Dentre as fontes vegetais estão a soja, canola, girassol, palma, dendê, amendoim, pinhão manso, cevada, amêndoa, camelina (Camelina sativa), coco, copra, Karanja (Pongamia

glabra), o louro, aveia, semente de papoula, farelo de arroz, sorgo e trigo (LIN, 2011).

No Brasil, segundo o boletim mensal de biodiesel (março, 2012) da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), até fevereiro de 2012, a principal matéria-prima utilizada na maioria das regiões do país, Figura 1, e nacionalmente, Figura 2, para a produção de biodiesel é o óleo de soja.

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Figura 1. Matérias-primas utilizadas para produção de biodiesel em diferentes regiões brasileiras.

Fonte: ANP, 2012.

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Os materiais graxos residuais, tanto de origem doméstica quanto industrial, também são fontes para a obtenção de biodiesel. As gorduras resultantes principalmente do abate de gado, aves e suíno, geralmente não tem um fim comercial, resultando em um enorme passivo ambiental para os frigoríficos que a produzem (SUAREZ, 2009). Por isso a aplicação desses materiais no processo de obtenção de biodiesel é uma alternativa para diminuir o problema ambiental além de utilizar insumos residuais de baixo custo, quando comparados aos óleos vegetais frescos. Entretanto a organização de sistemas eficientes de coleta e purificação dessas matrizes ainda é um dos maiores desafios. A utilização maior desta matéria-prima se concentra na região Sudeste do país.

A escolha da matéria prima define as características do biodiesel produzido e podem alterar a qualidade dos mesmos. Isso pode ser observado ao utilizar óleos e gorduras muito insaturados (por exemplo, o óleo de tungue) ou pouco insaturados (por exemplo, o sebo de boi). Quando há um excesso de duplas ligações, como no primeiro caso, pode ocorrer à polimerização do biocombústivel em contato com o ar, ou se aquecido, ocorre a polimerização oxidativa, durante seu armazenamento ou uso. Já no segundo caso, o excesso de saturação eleva o ponto de fusão do combustível, limitando o seu uso em regiões de clima temperado e frio (SUAREZ, 2009). Esses problemas podem ser contornados com o uso de aditivos, como o TBHQ, BHT, BHA, ou a utilização de misturas de duas ou mais matérias-primas.

Pesquisas apontam diversas fontes de óleos e gorduras com potencial para a produção de biodiesel, entretanto alguns aspectos devem ser considerados quanto a escolha dessas matrizes, como a viabilidade técnica e econômica para a produção e obtenção do óleo ou gordura em escalas industriais, viabilidade técnica e econômica para transformá-lo em biocombustível, e garantia de que a qualidade do biodiesel produzido será compatível com a utilização do mesmo em motores veiculares e estacionários.

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III.2. Produção do biodiesel

Atualmente inúmeros métodos utilizados para a produção de biodiesel estão descritos na literatura. Dentre estes, os mais citados são: uso direto de óleos e combinação de matérias primas (SUAREZ, 2007; DENNIS, 2010), micro-emulsões (AMISH, 2010), craqueamento térmico (DENNIS, 2010) esterificação e transesterificação (FUKUDA, 2001; MEHER, 2006; ZHANG, 2010).

A utilização direta de óleos e o preparo de micro-emulsões alcoólicas têm a finalidade de reduzir a viscosidade no processo de produção do biodiesel (AMISH, 2010). O processo de craqueamento ou pirólise de óleos, gorduras ou ácidos graxos, ocorre em temperaturas elevadas, na presença ou ausência de catalisador. A clivagem das moléculas leva à formação de uma combinação de hidrocarbonetos e compostos oxigenados, lineares ou cíclicos, tais como alcanos, alcenos, cetonas, ácidos carboxílicos e aldeídos, além de monóxido e dióxido de carbono e água (SUAREZ, 2007).

Esterificação é a reação na qual um ácido graxo reage com um mono-álcool de cadeia curta na presença de catalisador, dando origem a monoésteres de ácidos graxos.

O processo de transesterificação converte triacilglicerídeos em diglicerídeos e monoglicerídeos (produtos intermediários) e, finalmente, glicerol e metil ésteres a partir da reação com monoálcoois de cadeias curtas na presença de um catalisador, Figura 3 (FUKUDA, 2001; MEHER, 2006; DENNIS, 2010).

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9

H2C H2C O C R1 O O C R2 O H2C O C R3 O +3 CH3OH H2C H2C O C R1 O OH H2C O C R3 O H2C H2C OH O C R2 O H2C O C R3 O T TT

Trrrriiiigggglllliiiicccceeeerrrrííííddddeeeeoooo MMMMeeeettttaaaannnnoooollll DDiiiigggglllliiiicccceeeerrrrííííddddeeeeooooDD

H2C H2C O C R1 O OH H2C OH H2C H2C OH O C R2 O H2C OH H2C H2C OH OH H2C OH R1COOCH3 R2COOCH3 R3COOCH3 + M MM

Moooonnnnoooogggglllliiiicccceeeerrrrííííddddeeeeoooo GGGGlllliiiicccceeeerrrroooollll MMMMeeeettttiiiillll éééésssstttteeeerrrr

Figura 3. Reações de transesterificação de triglicerídeos. Fonte: FUKUDA, 2001.

Esse processo reduz a viscosidade do biodiesel, a ponto deste apresentar propriedades semelhantes ao diesel. Por isso tornou-se o processo mais viável para obtenção de biodiesel que pode ser usado em motores sem modificações (LIN, 2011).

III.3. Normas e diretrizes do biodiesel

Uma vez que o biodiesel pode ser obtido a partir de fontes bastante diferentes variando assim sua qualidade, houve a necessidade de instalar uma padronização da qualidade dos combustíveis a fim de garantir o desempenho do motor sem nenhuma dificuldade. Normas e diretrizes foram definidas em alguns países como Áustria, Alemanha, Itália, França, República Checa e nos Estados Unidos, para a introdução bem sucedida do biodiesel no mercado (MEHER, 2006). As especificações das normas se resumem em dois grupos, parâmetros gerais, direcionado ao padrão de qualidade e ao uso do produto, e o outro grupo, parâmetros específicos, que verifica se o produto encontra-se adulterado.

No Brasil a especificação do biodiesel ficou a cargo da ANP. A especificação brasileira é similar à europeia e à americana, e a flexibilidade da norma está em atender às características de matérias-primas nacionais,

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visto que, em padrões europeus é imprescindível o uso de metanol para a produção de biodiesel e tanto em especificação brasileira como americana, não restringe o uso de álcool etílico, viabilizando ainda mais a produção de biodiesel.

Dentre os parâmetros gerais do biodiesel que são analisados, estão o aspecto, a viscosidade, densidade, teor de água, índice de cetano, teor de éster, faixa de destilação, ponto de fulgor, cinzas, teor de enxofre, resíduo de carbono, índice de acidez, corrosão ao cobre, estabilidade oxidativa entre outros. No entanto, ainda não há legislação que determine a quantidade de antioxidante adicionado em amostras de biodiesel. A European Standard EN 14112 de outubro de 2003 descreve a determinação da estabilidade a oxidação do biodiesel utilizando o teste de oxidação acelerada Rancimat, e esta norma foi adotada pela ANP para a determinação da estabilidade oxidativa do biodiesel.

III.4. Estabilidade à oxidação do Biodiesel

A oxidação do biodiesel é um processo muito complexo que é afetado por uma variedade de fatores, incluindo a composição do combustível que está diretamente relacionada à matéria prima utilizada, assim como as condições de armazenamento (KNOTHE, 2007; JAIN, 2010-a; KIVEVELE, 2011).

A instabilidade à oxidação pode acarretar mudanças nas características físicas e químicas do biodiesel tais como, aumento na viscosidade, levando a formação de gomas e sedimentos, alteração de cor, dependendo do tipo e quantidade de substâncias instáveis (DUNN, 2008; FERRARI, 2009). A utilização de biocombustíveis degradados em motores pode causar problemas operacionais, como entupimento do filtro de combustível, formação de sedimentos na câmara de combustão do motor e

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11

em vários componentes do sistema de combustível, afetando assim, o desempenho do motor (JAIN, 2010-a).

Devido à presença de ácidos graxos com duplas ligações, a estabilidade à oxidação do biodiesel tem sido alvo de preocupação quando este é armazenado durante um período prolongado de tempo. Além disso, a exposição ao ar e/ ou a luz, temperatura, a presença de metais atuando como catalisadores, a interação com compostos sulforosos e dienos, à presença de água, partículas sólidas, produtos de degradação do mesmo e de microrganismos, e a presença ou ausência de antioxidantes também influenciam na sua estabilidade (KNOTHE, 2007; FERRARI, 2009; KAPILAN, 2009; JAIN, 2010-a; TORMIN, 2010; KIVEVELE, 2011; KARAVALAKIS, 2011).

Os mecanismos de oxidação de ácidos graxos foram amplamente discutidos na literatura e dentre estes estão às reações hidrolíticas, oxidação enzimática, autoxidação e fotoxidação (MORITA, 2006; KNOTHE, 2007; DUNN, 2008; GUZMAN, 2009; MOSER, 2009; KARAVALAKIS, 2011).

As reações hidrolíticas são catalisadas pelas enzimas lipase ou pela ação de calor e umidade, com formação de mono e diacilgliceróis, ácidos graxos livres e glicerol (REDA, 2007; MACHADO, 2008).

No mecanismo de oxidação enzimática, as reações ocorrem pela ação das enzimas lipoxigenases que atuam sobre os ácidos graxos poliinsaturados, acelerando a adição de oxigênio à cadeia hidrocarbonada poliinsaturada. Como resultado, há a formação de peróxidos e hidroperóxidos com duplas ligações conjugadas que podem envolver-se em diferentes reações catalíticas (SILVA, 1999).

A autoxidação dos lipídeos está associada principalmente à reação do oxigênio com ácidos graxos insaturados devido o contado com o ar ambiente, e este processo pode ocorrer em três etapas: iniciação, propagação e término, conforme a Figura 4 (RAMALHO, 2006; FERRARI, 2009). A fim de proporcionar uma melhor compreensão das etapas envolvidas deste processo de degradação, as etapas de iniciação e

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propagação da autoxidação de um éster do ácido linoléico foram apresentadas de forma detalhada nas Figuras 5 e 6, respectivamente. Na Figura 7, observam-se os produtos formados a partir da degradação de ácidos graxos (término).

Figura 4. Esquema geral do mecanismo da oxidação lipídica. Fonte: RAMALHO, 2006.

Figura 5. Etapa de iniciação da autoxidação de um éster do ácido linoléico. Fonte: SOLOMONS,

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Figura 6. Reações envolvidas na etapa de propagação da autoxidação de um éster do ácido

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Figura 7. Etapa de término da autoxidação.

Na iniciação, em condições favorecidas por luz e calor, ocorre a retirada de um hidrogênio do carbono alílico na molécula, formando radicais livres do ácido graxo. Como os radicais livres são susceptíveis ao ataque do oxigênio atmosférico, estes são convertidos em outros radicais, formando os produtos primários de oxidação (peróxidos e hidroperóxidos) que apresentam estrutura conforme os ácidos graxos presentes.

Esses novos radicais atuam como propagadores da reação, resultando em um processo autocatalítico (etapa de propagação).

Na última etapa da autoxidação (término) dois radicais combinam-se, formando produtos estáveis, que são chamados de produtos secundários de oxidação, obtidos por cisão e rearranjo dos peróxidos (epóxidos, compostos voláteis e não voláteis) (RAMALHO, 2006).

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Na fotoxidação, o principal fator que influencia no mecanismo de oxidação é a radiação UV, que em presença de fotossensibilizadores como a clorofila, mioglobina, riboflavina e outros, que absorvem a energia luminosa de comprimento de onda na região do UV próximo e do visível, transferem essa energia para o oxigênio triplete (3O2), formando o estado

singlete (1_O

2). Esse oxigênio singlete reage com as ligações duplas dos

lipídeos, formando hidroperóxidos, que por degradação, originam aldeídos, alcoóis e hidrocarbonetos (RAMALHO, 2006; FERRARI, 2009).

Para evitar a oxidação dos óleos e gorduras, e do biodiesel, há a necessidade de diminuir todos os fatores que a favorecem, como a incidência de luz e temperatura, que são responsáveis pela propagação de radicais livres, evitando a presença de metais no óleo, bem como o contato com oxigênio.

A adição de substâncias antioxidantes, mesmo em pequenas quantidades, também bloqueia a formação de radicais livres interferindo nos processos de oxidação de lipídeos (JORGE, 1998).

III.5. Antioxidantes

Os antioxidantes são substâncias que impedem ou minimizam a formação de compostos como peróxidos, aldeídos, cetonas, dímeros e polímeros, que são produtos formados por termo-oxidação de óleos e gorduras, e atuam como inibidores na formação de radicais livres na etapa de autoxidação (WAYNER, 1985).

Os antioxidantes ocorrem naturalmente, por exemplo, a vitamina E (tocoferóis e tocotrienóis, podendo ser α, β, γ, δ,), ou são substâncias sintéticas adicionadas, tais como hidroxitolueno (BHT), butil-hidroxianisol (BHA), terc-butilhidroquinona (TBHQ), propil galato (PG), dentre outros (KNOTHE, 2007; TORMIN, 2010).

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A quantidade de antioxidantes naturais pode ser diretamente afetada pelo processo de produção do biodiesel e o refinamento dos óleos brutos (TANG, 2008). No processo de produção a etapa de destilação para a purificação dos ésteres metílicos, pode diminuir ou retirar antioxidantes naturais na mistura de combustível, originando um biodiesel menos estável. Por isso, dependendo do grau de remoção desses compostos, e considerando o grau de insaturação dos esteres presentes, o uso de aditivos sintéticos pode ser considerado como uma necessidade.

Os antioxidantes podem ser classificados em primários, sinergistas, removedores de oxigênio, biológicos, agentes quelantes e antioxidantes mistos (RAMALHO, 2006).

Antioxidantes primários são compostos fenólicos que promovem a remoção ou inativação dos radicais livres formados durante a iniciação ou propagação da reação, através da doação de átomos de hidrogênio a estas moléculas, interrompendo a reação em cadeia. O mecanismo de reação é apresentado na Figura 8(FRANKEL, 1993).

Figura 8. Mecanismo de ação para os antioxidantes primários. Fonte: FRANKEL, 1993.

O átomo de hidrogênio ativo do antioxidante é abstraído pelos radicais livres R• e ROO• com maior facilidade que os hidrogênios alílicos das moléculas insaturadas. Assim formam-se espécies inativas para a reação em cadeia e um radical inerte (A•) procedente do antioxidante. Este radical, estabilizado por ressonância, não tem a capacidade de iniciar ou propagar as reações oxidativas. Os antioxidantes sintéticos mais

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conhecidos dessa classe são os polifenóis, como BHA, BHT, TBHQ e PG, e os tocoferóis, que são antioxidantes naturais (NAMIKI, 1990).

Os sinergistas são substâncias com pouca ou nenhuma atividade antioxidante, que combinados adequadamente com antioxidantes primários podem potencializar a atividade dos mesmos. Os removedores de oxigênio capturam o oxigênio do meio, através de reações químicas estáveis, tornando-os indisponíveis para atuarem como propagadores da autoxidação. Os antioxidantes biológicos podem remover oxigênio ou compostos altamente reativos de um sistema alimentício. Os agentes quelantes/sequestrantes complexam íons metálicos, principalmente cobre e ferro, que catalisam a oxidação lipídica e os antioxidantes mistos são misturas de antioxidantes ou compostos de plantas e animais que ainda estão sendo estudados como antioxidantes em alimentos (RAMALHO, 2006).

III.5.1. Antioxidantes naturais

Os óleos vegetais usualmente apresentam antioxidantes naturais como os tocoferóis, esteróis, tecotrienóis, carotenóides e compostos fenólicos (CASTELO-BRANCO, 2011) Figura 9.

Figura 9. Estruturas químicas dos principais antioxidantes naturais presentes nos óleos vegetais:

tocoferóis e tocotrienóis; hidroxitirosol. Ácido cafeico; β-caroteno e β-sitosterol. Fonte: CASTELO-BRANCO, 2011.

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Antioxidantes naturais estão sendo investigados para avaliar os seus respectivos comportamentos sobre a oxidação do biodiesel. SARIN et. al. (2010), investigaram a influência dos antioxidantes sintéticos terc-butil-fenol (TBP), butil-difenil amina octilada (OBPA), TBHQ e BHT, e o antioxidante natural α-tocoferol sobre a estabilidade oxidativa de biodiesel sintetizado a partir de óleo não comestível pinhão manso, e verificaram que ambos os tipos de antioxidantes mostraram efeitos benéficos no aumento da estabilidade à oxidação.

O tocoferol, por ser um dos melhores antioxidantes naturais, é amplamente aplicado para inibir a oxidação de óleos e gorduras, prevenindo a oxidação de ácidos graxos insaturados (JORGE, 1998). A atividade antioxidante dos tocoferóis está relacionada à capacidade deste em doar seus hidrogênios fenólicos aos radicais livres lipídicos interrompendo a propagação em cadeia.

III.5.2. Antioxidantes sintéticos

Substâncias antioxidantes sintéticas são adicionadas em óleos e biodiesel para aumentar a estabilidade. Alguns dos antioxidantes sintéticos mais comuns estão apresentados na Tabela 1.

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Tabela 1- Antioxidantes sintéticos e suas estruturas químicas. Adaptação (JAIN, 2010-a)

Nome do antioxidante Abreviação Estrutura

Pirogalol _PY OH OH HO Ácido gálico GA OH OH HO C HO O Propil galato PG OH OH HO C C3H7O O Catecol C OH OH

Ácido nordihidroguaiarético NDGA OH

OH HO

HO

Butil- hidroxi-anisol BHA

OH OCH3 Butil-hidroxi-tolueno BHT OH CH3 Terc-butilhidroquinona TBHQ OH OH

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A estrutura fenólica destes compostos permite a doação de um próton a um radical livre, regenerando assim a molécula de acilglicerol e interrompendo o mecanismo de oxidação por radicais livres.

Vários estudos têm avaliado o efeito de antioxidantes sintéticos aplicados em óleos graxos e ésteres (RAMALHO, 2006; SARIN, 2010; GUZMAN, 2009; DOMINGOS, 2007).

KIVEVELE et. al. (2011) investigaram a eficácia de três antioxidantes, PY, PG e BHA na estabilidade da oxidação do biodiesel produzido a partir do óleo de Croton Megalocarpus. A estabilidade foi analisada por Rancimat e métodos de Análise termogravimétrica. O resultado mostrou que a eficácia destes antioxidantes foi na ordem de PY>PG>BHA.

O BHA, BHT, PG e TBHQ são os antioxidantes sintéticos mais utilizados na indústria de alimentos, e são amplamente utilizados como estabilizadores do biodiesel.

III.5.2.1. Terc-butilhidroquinona (TBHQ)

O TBHQ é um pó cristalino branco e brilhoso, moderadamente solúvel em óleos e gorduras e não se complexa com íons de cobre e ferro, como o galato. É considerado, em geral, mais eficaz em óleos vegetais que BHA ou BHT; em relação à gordura animal, é tão efetivo quanto o BHA e mais efetivo que o BHT ou o PG. O TBHQ é considerado também o melhor antioxidante para óleos de fritura, pois resiste ao calor e proporciona uma excelente estabilidade para os produtos acabados. Ácido cítrico e TBHQ apresentam excelente sinergia em óleos vegetais (RAMALHO, 2006).

O TBHQ é um antioxidante primário que interrompe as reações oxidativas em cadeia, a partir da doação de hidrogênios das hidroxilas fenólicas aos radicais livres dos ésteres, transformando-se em radicais

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livres estabilizados por ressonância, deste modo evitando a iniciação e propagação da oxidação (ARAÚJO F.D.S., 2010).

GUZMAN et. al. (2009) examinaram a eficácia de misturas de antioxidantes primários a partir de combinações de BHA, PG, PY e TBHQ para aumentar a estabilidade oxidativa do biodiesel. Os resultados indicaram que formulações binárias dos antioxidantes: TBHQ: BHA, TBHQ: PG e TBHQ: PY foram os mais efetivos em 2:1, 1:1, 2:1, respectivamente, em biodiesel a base de gordura de aves (DPF). O melhor efeito sinérgico foi observado com a mistura TBHQ: BHA e os fatores de melhor estabilização (SF) foram obtidos utilizando o TBHQ: misturas PY. Quantificação do teor de antioxidantes em biodiesel armazenado com a mistura TBHQ: PY demonstrou que o principal fator de sinergia é a regeneração do PY por TBHQ.

TANG et. al. (2010) avaliaram o efeito de antioxidantes individuais e binários (RT, BHA, BHT, TBHQ, PG, DTHQ, IB e PY) para melhorar a estabilidade de armazenamento de óleo de soja e biodiesel. Os resultados indicaram que o período de indução (PI) de biodiesel sem antioxidante diminuiu significativamente com o aumento do tempo de armazenamento, enquanto que os valores de PI com adição de TBHQ permaneceu constante por até 30 meses. Além disso, as formulações com antioxidantes binário de TBHQ/BHA mantiveram o PI do biodiesel estável durante um período de seis meses.

III.6. Métodos para a avaliação da estabilidade do biodiesel

A estabilidade oxidativa é um dos parâmetros gerais relacionado a qualidade do produto exigida pela ANP, e portanto vários procedimentos e testes foram desenvolvidos ou adotados para medir os fatores associados a oxidação e instabilidade do biodiesel. Esses métodos podem medir a composição do óleo graxo inicial, os produtos primários e secundários de oxidação, as propriedades físicas e a estabilidade por ensaios acelerados.

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Na medida da composição do óleo graxo inicial, determina-se o teor de ésteres, a distribuição da cadeia de ácidos graxos e o tipo e grau de insaturação presente. Os produtos primários e secundários de oxidação podem ser avaliados dependendo do tipo de composto de interesse. O número de acidez total, índice de anisidina (teor de aldeído) e determinação de polímeros são ensaios importantes.

A estabilidade do biodiesel também pode ser analisada por técnicas espectroscópicas, que incluem infravermelho, fluorescência, luminescência química e ressonância magnética nuclear (RMN) (SHAHIDI, 1998).

Os métodos de ensaio acelerado normalmente envolvem a combinação da temperatura elevada e exposição ao oxigênio, e os resultados são obtidos determinando-se o(s) produto(s) da oxidação, tais como peróxidos, pouco solúveis, ácidos voláteis de cadeia curta ou calor da reação. Alguns desses métodos incluem o Método do oxigênio ativo, ASTMD2274, ASTMD4625, Teste de estufa de Schaal, índice de estabilidade à oxidação (OSI), Teste em Rancimat® e Análise termogravimétrica (FERRARI, 2009; JAIN, 2010-b).

III.7. Métodos analíticos para determinação de TBHQ

Diferentes métodos analíticos tem sido reportados na literatura para a determinação de TBHQ em amostras de óleos e alimentos. Entre os métodos mais empregados estão a espectrofotometria UV (ESPINOSA-MANSILLA, 1996), cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC), (YANKAH, 1998; PERRIN , 2002; PERRIN, 2003; HAO, 2007; SAAD, 2007; HUANG, 2008; TAKEMOTO, 2009), cromatografia a gás (GONZÁLEZ, 1999; CHOONG, 2001; YANG, 2002; DING, 2012), eletroforese capilar (SHA, 2007) e espectroscopia infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) (HAMED, 2006). Estes métodos apesar de sensíveis oferecem algumas desvantagens, como elevado custo, procedimentos complexos e

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demorados, necessidade do uso de grandes quantidades de solvente orgânico, principalmente como fase móvel na técnica de cromatografia líquida (DING, 2012).

Os métodos eletroanalíticos são amplamente aplicados no estudo e determinação de antioxidantes. Os antioxidantes naturais e sintéticos da classe dos fenólicos e flavonóides, por exemplo, são facilmente oxidados e passíveis de serem estudados em diferentes tipos de materiais eletródicos (BLASCO, 2005; SIMIÉ, 2007). Na literatura, a análise de TBHQ em alimentos, óleos e cosméticos empregando-se técnicas voltamétricas e diferentes tipos de eletrodos foi reportado (GARCÍA, 2000; NI, 2000. RAYMUNDO, 2007). Entretanto, poucos trabalhos tem reportado análises de TBHQ em amostras de biodiesel (ARAÚJO, 2010 e 2011).

A quantificação dos antioxidantes BHA e TBHQ em cosméticos foi relatada por GARCÍA et. al. (2000), usando análise por injeção em fluxo com detecção amperométrica. O procedimento foi baseado na oxidação eletroquímica dos antioxidantes em tampão fosfato pH 7,2. O método proposto foi aplicado para a quantificação destes antioxidantes em amostras de protetor solar sem um pré-tratamento da amostra com porcentagem de recuperação média de 104%.

NI et. al. (2000) avaliaram o comportamento voltamétrico dos antioxidantes BHA, BHT, PG e TBHQ em amostras de alimentos gordurosos, com eletrodo de CV e solução 0,1 mol L-1_{de ácido perclórico}

contendo 1% de metanol. Os picos voltamétricos destes antioxidantes ficaram sobrepostos dificultando a determinação individual a partir de misturas dos antioxidantes sem um pré-tratamento da amostra. Para contornar o problema foi empregada uma abordagem quimiométrica para a determinação voltamétrica destes antioxidantes.

RAYMUNDO et. al. (2007) determinaram os antioxidantes BHA, BHT e TBHQ em amostras de maionese usando técnicas voltamétricas. A extração dos antioxidantes foi feita misturando-se 5,0 mL de metanol a amostra, e em seguida agitando-se e centrifugando-se a mistura a 3000 rpm

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por 10 min. Os resultados de recuperação dos antioxidantes foram satisfatórios.

A determinação amperométrica direta do antioxidante TBHQ em biodiesel em um eletrodo de CV, foi relatada por TORMIN, 2010. Para efeito de comparação, as amostras foram analisadas também por HPLC e uma boa concordância entre os resultados foi verificada. Os valores de recuperação para as amostras ficaram entre 90% - 95%, e a reprodutibilidade do método proposto foi de cerca de 5% (N = 5).

A determinação eletroanalítica do antioxidante TBHQ em biodiesel com brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB) foi relatado por ARAÚJO et. al. (2010). Em pH 6,5 tampão Britton-Robinson, um pico de oxidação mal definido foi observado para o TBHQ em um eletrodo de pasta de carbono (CPE), na presença de baixas concentrações de CTAB, no entanto, a corrente de pico de oxidação foi significativamente aumentada.

O mesmo grupo de pesquisa (ARAÚJO, 2011) desenvolveu um método eletroanalítico para determinar o antioxidante TBHQ no biodiesel, na presença de surfactante Triton X-100, utilizando-se um eletrodo de gota pendente de mercúrio (HMDE) como eletrodo de trabalho, em solução tampão Briton-Robinson pH 8,0, e os resultados alcançados com o método proposto foram satisfatórios, em relação aos obtidos com cromatografia líquida.

Apesar da variedade de trabalhos na literatura que relatam a determinação de TBHQ em amostras de óleos, alimentos e cosméticos, poucas pesquisas têm sido dedicadas para determinação deste antioxidante em amostras de biodiesel. Além disso, os trabalhos que quantificam o TBHQ em amostras de biodiesel sem um pré-tratamento da amostra (ARAÚJO, 2010 e 2011), estão baseados numa fortificação elevada de TBHQ e a determinação feita a partir da diluição da amostra. Entretanto, na indústria as concentrações de TBHQ adicionadas ao biodiesel para preservá-lo contra os processos de oxidação, são da ordem de centenas de ppm do antioxidante.

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III.8. Extração Líquido-líquido

Uma variedade de técnicas e procedimentos estão sendo desenvolvidos para determinar antioxidantes sintéticos presentes em matrizes complexas. Geralmente essas técnicas utilizam procedimentos de extração e isolamento dos antioxidantes a serem analisados, considerando a polaridade da matriz, presença de substâncias interferentes, número e propriedades físico-químicas de antioxidantes a serem analisados. No entanto, a determinação dos antioxidantes pode ser afetada pela escolha do solvente de extração, visto que a polaridade individual dos antioxidantes sintéticos podem ser diferentes (KAROVICOVÁ, 2000).

A extração líquido-líquido é uma técnica clássica de separação, também conhecida como extração por solvente e partição, é um método utilizado para separar compostos baseado em suas diferentes solubilidades em dois líquidos diferentes imiscíveis, normalmente água e um solvente orgânico. A extração com solventes e misturas de solventes podem ser usadas para eliminar substâncias interferentes (KAROVICOVÁ, 2000; CHEN, 2011).

MEDEIROS et. al. (2010) desenvolveram um método para determinar simultaneamente antioxidantes fenólicos em amostras de alimentos gordurosos usando a técnica de voltametria de onda quadrada com eletrodo de diamante dopado com boro. Os antioxidantes analisados foram extraídos a partir de 1,0 g de amostra com 1,0 mL de etanol, sendo os extratos obtidos misturados com eletrólito suporte para posterior análise. Limites de detecção muito baixos foram obtidos na determinação simultânea de BHA (0,14 µmol L-1) e BHT (0,25 µmol L-1); estes valores foram inferiores aqueles previamente relatados na literatura utilizando métodos voltamétricos.

Amostras de óleo contendo os antioxidantes sintéticos PG, TBHQ, BHA e BHT foram analisadas por SAAD et. al. (2007) utilizando-se no procedimento de extração destes antioxidantes uma mistura de solventes

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MeOH/ACN (1/1, v/v). A determinação dos antioxidantes foi feita por HPLC, e as recuperações obtidas foram 93,3-108,3% para PG, 85,3-108,3% para TBHQ, 96,7-101,2% para BHA e 73,9-94,6% para BHT.

DING e ZOU (2012) desenvolveram um micro procedimento de extração do BHT, BHA e TBHQ em amostras de óleo, utilizando-se apenas 1,0 mL de ACN. Os antioxidantes foram determinados por CG/MS e as recuperações dos mesmos foram próximas de 100% com desvio padrão relativo (DPR%) menor que 3%.

III.9. Voltametria

A voltametria engloba um conjunto de técnicas onde as informações qualitativas e quantitativas de uma espécie química são obtidas a partir do registro de curvas corrente-potencial, feitas durante a eletrólise dessa espécie em uma cela eletroquímica constituída de três eletrodos, sendo um deles um microeletrodo (o eletrodo de trabalho), um eletrodo de referência, Ag/AgCl ou eletrodo de calomelano saturado, e um eletrodo auxiliar. O potencial é aplicado entre os eletrodos de trabalho e referência em forma de varredura, isto é, aplica-se um potencial que varia continuamente com o tempo. O gráfico da corrente vs. potencial é chamado de voltamograma (ALEIXO, 2008).

III.9.1. Voltametria Cíclica (VC)

A voltametria cíclica (VC) é uma técnica eletroanalítica importante e amplamente empregada. Embora a VC não seja utilizada com frequência na análise quantitativa, ela encontra ampla aplicabilidade no estudo de reações redox, na detecção de intermediários de reação e na observação e no acompanhamento de reações envolvendo produtos formados nos eletrodos (SKOOG, 2007).

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A faixa de variação do potencial aplicado deve ser aquela onde a espécie em análise é eletroativa e o solvente é estável. Em VC realiza-se a varredura de potencial na direção direta e inversa, observando-se os picos anódicos e catódicos da espécie eletroativa. Um voltamograma cíclico típico é apresentado na Figura 10. Este processo traz a vantagem de que o produto da reação redox que ocorreu na varredura direta pode ser avaliado novamente na varredura reversa.

Figura 10. Voltamograma cíclico simulado (SKOOG, 2007).

O potencial de pico (Ep) é relacionado à facilidade com que a

substância perde ou ganha elétrons e a corrente de pico (Ip) está

relacionada à concentração da substância.

A Figura 10 ilustra o comportamento de uma reação reversível que é rápida o bastante para manter em equilíbrio as concentrações dos reagentes e dos produtos na superfície do eletrodo. Para uma reação reversível, as correntes de pico catódica e anódica são aproximadamente

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iguais em valores absolutos, mas com sinais opostos (SKOOG, 2007), e a diferença entre os potenciais de pico, ∆Ep, deve ser

∆Ep = Epa - Epc = 0,059/n (V) (1)

onde n é o número de elétrons envolvido na semi-reação. A irreversibilidade causada por cinéticas lentas de transferência de elétrons resulta em valores de ∆Ep que excedem os valores previstos. Embora uma reação de transferência de elétrons possa parecer reversível sob baixas velocidades de varredura, o aumento dessa velocidade pode levar ao acréscimo dos valores de ∆Ep, o que representa um sinal seguro de irreversibilidade. Dessa forma, para detectar as cinéticas lentas de transferência de elétrons e para obter as constantes de velocidade, ∆Ep é medido em diferentes velocidades de varredura.

O potencial de meia-onda, E1/2, situa-se entre os dois picos (de

oxidação e redução). Para uma reação irreversível, os picos catódico e anódico são alongados e mais separados. No limite da irreversibilidade, onde a oxidação é muito lenta, nenhum pico catódico é encontrado.

Para uma reação reversível, a corrente do pico (Ip, em ampères)

para o sentido direto do primeiro ciclo é proporcional à concentração do constituinte em análise e à raiz quadrada da velocidade de varredura, segundo a equação de Randle Sevick,

Ip = (2,69 x 108)n3/2 ACD1/2 v1/2 (a 25°C) (2)

onde n é o número de elétrons envolvidos na semi-reação; A é a área do eletrodo (m2_{); C é a concentração (mol L}-1_{); D é o coeficiente de difusão das}

espécies eletroativas (m2/s); v é a velocidade de varredura (V/s). Quanto maior a velocidade de varredura, maior será a corrente de pico, enquanto a reação permanecer reversível. Se as espécies eletroativas estiverem confinadas à superfície do eletrodo (adsorvidas no eletrodo), a corrente de

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pico será diretamente proporcional à velocidade de varredura em vez de proporcional a raiz quadrada da velocidade de varredura.

A voltametria cíclica é uma técnica que apresenta algumas limitações, pois não consegue determinar espécies com concentrações abaixo de 10-5 mol L-1. Uma das principais limitações da voltametria clássica em relação à sensibilidade é a chamada corrente capacitiva, que é uma das principais componentes da corrente de fundo, que constitui a corrente residual (ALEIXO, 2008).

Para melhorar a sensibilidade das técnicas voltamétricas, foram desenvolvidas a técnicas voltamétricas pulsadas, dentre as técnicas pulsadas a VPD é uma das técnicas de maior sensibilidade e uma das mais aplicadas.

III.9.2. Voltametria de Pulso Diferencial

A VPD oferece uma alta sensibilidade na análise, pois diminui consideravelmente a contribuição da corrente capacitiva na medida da corrente. A instrumentação foi desenvolvida de tal forma que as medidas de corrente e aplicações de potencial e pulsos de potencial fossem realizados em intervalos de tempo muito pequenos.

A programação de potencial é feita aplicando-se um pulso de potencial superposto em uma rampa na forma de escada. O pulso aplicado é de pequena amplitude (10 a 100 mV) e a corrente é amostrada em dois intervalos de tempo de cerca de 15 ms cada um; o primeiro intervalo imediatamente antes da aplicação do pulso (S1) e o segundo próximo aos

últimos milisegundos do pulso aplicado (S2), Figura 11. O valor final da

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Figura 11. Representação esquemática da aplicação de potencial em função do tempo em

voltametria de pulso diferencial. Fonte: ALEIXO, 2008.

O voltamograma de pulso diferencial é desta maneira um gráfico da corrente diferenciada versus o potencial aplicado, como pode ser visto na Figura 12.

Figura 12. Voltamograma de pulso diferencial. Fonte: ALEIXO, 2008.

Os picos voltamétricos nesta técnica fornecem uma informação qualitativa, que é o valor do potencial de pico, Ep, e uma informação quantitativa, que é a corrente de pico, Ip (ALEIXO, 2008).

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Antes de se realizar uma análise é preciso selecionar determinados parâmetros na VPD. A amplitude de pulso, por exemplo, afeta a corrente de pico, conforme pode ser visto na equação desenvolvida por Parry e Osteryoung, para um processo termodinamicamente reversível e controlado por difusão (ALEIXO, 2008):

(3) onde I_pé a corrente de pico (em ampères), ∆E é a amplitude de pulso (mV), A é a área do eletrodo (m2), C é a concentração da espécie eletroativa (mol L-1), F é a constante de Faraday, D é o coeficiente de difusão, n é o número de elétrons, π é o número pi, 3,1416..., t é o tempo de duração do pulso (ms), R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta (K).

A partir desta equação pode-se observar que I_pé proporcional à concentração da espécie eletroativa e também à ∆E. Assim se aumentarmos ∆E o valor da corrente será aumentado, sendo então maior a sensibilidade. Entretanto, um aumento da amplitude provoca um aumento na largura do pico, reduzindo a resolução. Portanto a escolha da amplitude deve ser feita considerando o aumento da sensibilidade e a perda de resolução.

Outro parâmetro importante a ser escolhido é a velocidade de varredura. No caso do pulso diferencial o valor recomendado a ser usado é de até 10 mV s-1 (ALEIXO, 2008). Se forem usadas velocidades de varreduras maiores que 10 mV s-1 as etapas de potencial serão muito longas e os picos poderão não ser registrados.

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CAPÍTULO IV: MATERIAL E MÉTODOS

Os estudos realizados neste trabalho subdividem-se em sete partes que são: (1) Otimização do método eletroanalítico, (2) Fortificação da amostra de biodiesel com TBHQ, (3) Extração do TBHQ em amostras de biodiesel de soja com acetonitrila, (4) Extração do TBHQ em amostras de biodiesel de soja com etanol, (5) Análises voltamétricas e cromatográficas do TBHQ, (6) Validação do método voltamétrico proposto e (7) Aplicação do método.

IV.1. Reagentes

Os reagentes e solventes utilizados na extração e nas medidas eletroquímicas foram de grau analítico e utilizados sem purificação prévia.

Utilizou-se acetonitrila (ACN) grau HPLC como fase móvel, para as determinações por cromatografia líquida.

Todos os reagentes e solventes utilizados neste trabalho, bem como procedência e pureza encontram-se na Tabela 2.

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Tabela 2 – Procedência e pureza dos reagentes utilizados neste trabalho

Reagente Procedência Pureza

Acetonitrila Acetonitrila J. T. Baker ® Merk® Grau HPLC 99,8%

Ácido Acético Vetec ® 99,7%

Ácido Bórico Synth ® 99,5%

Ácido Fosfórico Vetec ® _85,0%

Ácido Nítrico Reagen ® _65,0%

Ácido Sulfúrico Merk ® 95,0 – 97,0%

Álcool Etílico Vetec ® 95,0%

Álcool Metílico J. T. Baker ® Grau HPLC

Éter etílico Cromoline ® _99,0%

Hidróxido de Sódio Vetec ® _98,0%

Nitrato de Potássio Dinâmica® 99,0%

Perclorato de Lítio Vetec ® 95,0%

Terc-butilhidroquinona Sigma ® 97,0%

IV.2. Equipamentos e Softwares Utilizados

Os experimentos voltamétricos foram feitos à temperatura ambiente (25° C) sem desaeração da solução, em uma célula eletroquímica de vidro Pyrex com capacidade para 20 mL, equipada com uma tampa em Teflon contendo orifícios, para o posicionamento dos eletrodos de trabalho, referência e um contra eletrodo, Figura 13.

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Figura 13. Célula eletroquímica para medidas voltamétricas. Posição dos eletrodos: da esquerda

para direita, contra eletrodo de placa de Pt, eletrodo de trabalho de CV e eletrodo de referência Ag/AgCl.

Os voltamogramas foram registrados em um potenciostato/galvanostato da Autolab modelo PGSTAT 302 (Eco Chemie, Holanda), operando com software de processamento de dados (GPES, versão 4.9.006, Eco Chemie). Todas as medidas foram feitas usando um sistema convencional de três eletrodos, utilizando eletrodo de carbono vítreo (CV) (Metrohm) (0,07 cm2_{de área) e eletrodo de diamante dopado}

com boro (DDB) (0,69 cm2_{de área) como eletrodos de trabalho, Figura 14,}

eletrodo auxíliar de platina (1,0 cm2 de área) e Ag / AgCl (3,00 mol L-1 KCl) como eletrodo de referência.