Aplicações da espectrometria no infravermelho e técnicas quimiometricas para a avaliação da qualidade e suscetibilidade à micodeterioração do biodiesel

Abstract

Os combustíveis fósseis são a matriz energética de maior utilização mundial, porém por questões econômicas, sociais e ambientais, é necessário buscar alternativas para complementar este consumo. O biodiesel apresenta-se como um combustível promissor, mas que ainda necessita de estudos para melhorar sua performance diante das necessidades do mercado. A avaliação da qualidade e suscetibilidade aos processos de micodeterioração no biodiesel, foi realizada em três estudos. O primeiro apresentou como objetivo identificar e quantificar matérias primas de origem animal e vegetal, e a presença do adulterante óleo de soja, em misturas de biodiesel puro (B100). Para tanto, utilizamos a espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier com acessório de reflectância total atenuada (ATR-FTIR), associada a ferramentas quimiométricas de classificação e quantificação. O conteúdo de biodiesel na mistura foi avaliado por cartas de controle multivariadas (MCCs). Os espectros de ATR-FTIR combinados com as MCCs foram capazes de identificar corretamente a maioria das informações de conteúdo de gordura animal na carta NAS, bem como a variação da matriz na carta de interferentes. Sobre o mesmo conjunto de dados foram aplicados os modelo supervisionados como a análise discriminante empregando mínimos quadrados parciais (PLS-DA), e de regressão multivariada por mínimos quadrados parciais (PLS). Para os modelos PLS-DA, observou-se baixos erros de calibração e predição para a detecção dos diversos componentes das amostras, confirmando que esta ferramenta quimiométrica, se apresenta como um modelo robusto na classificação das matérias-primas e do adulterante utilizados neste estudo. Em um segundo momento foi estudada a suscetibilidade do B100 produzido com óleo de soja, ao processo de biodeterioração, já que esta é umadas vulnerabilidades do biocombustível durante o período de armazenamento. Foram comparadas duas concentrações de inóculo do isolado Aspergillus niger, com relação a produção de biomassa, proteínas totais, e degradação de ésteres. As amostras com 100 vezes mais esporos (106 em relação a 104 esporos.mL-1) demonstraram produzir maior quantidade de biomassa durante os oito dias do experimento, podendo ser um fator agravante no processo de biodeterioração. Diferenças na concentração de inóculo para este fungo pouco influenciaram na produção de proteínas totais ao fim de 8 dias de cultivo em sistema bifásico, a despeito de uma maior produção pontual entre o sexto e o sétimo dias. A biodeterioração neste sistema ocorre preferencialmente por hidrólise da ligação éster podendo ser monitotrado por ATR-FTIR e cromatografia em fase gasosa acoplada a espectrometria de massas (CG-SM), da fase orgânica. Através destes resultados, podemos inferir que o fungo A. niger possui potencial deteriogênico, utilizando nutrientes do sistema bifásico para o seu crescimento, onde ocorreu a seguinte variação quantitativa decrescente de ésteres metílicos linoleato, oleato, palmitato e estearato. No terceiro estudo, os dados espectrais por ATR-FTIR de biomassa de fungos filamentosos anemófilos após 8 dias de cultivo em sistema bifásico, tendo biodiesel de soja como substrato em meio mineral, foi correlacionada pela análise de regressão PLS, com o micélio dos mesmos fungos cultivados em meio sólido batata dextrose por 24 e 48h. A utilização de ATR-FTIR, associada a análise por PLS, mostrou ser uma ferramenta robusta na predição de acúmulo de biomassa de 19 fungos testados, sendo que o cultivo por 24h mostrou ser o tempo necessário para correlacionar as características químicas do micélio com o filme de biomassa formado na interface entre a fase aquosa e o biodiesel. O bom desempenho deste método está associado principalmente à informações espectrais relativas a presença de componentes intracelulares como quitina, triacilgliceróis, fosfolípideos, ácidos graxos livres, aminoácidos e proteínas. Os três estudos utilizando ATR-FTIR associada a quimiometria, permitem inferir que este é um recurso analítico com grande potencial de aplicação tanto no controle de qualidade do biodiesel, como na avaliação de sua susceptibilidade à deterioração fúngica.

Fossil fuels are the most widely used energy matrix worldwide, but because of economic, social, and environmental issues, alternatives to this type of fuel are needed. Biodiesel is a thriving option; however, further studies on its performance should be conducted, considering the current market needs. Both quality and susceptibility to micodeterioration were assessed in three studies. The first study aimed to identify and quantify animal and vegetable feedstocks and the presence of soybean oil as adulterant in pure biodiesel (B100) blends. Therefore, Fourier transform infrared-attenuated total reflectance (FTIR-ATR) was used in conjunction with chemometric tools for the classification and quantification of the adulterant. Biodiesel content in the blend was evaluated by multivariate control charts (MCCs). FTIR-ATR spectra combined with MCCs could accurately identify most data on animal fat in the NAS chart, as well as matrix variability in the interference chart. Supervised models such as partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA) and PLS regression were applied to the same dataset. PLS-DA models exhibited few calibration and prediction errors for the detection of several components, confirming that this chemometric tool is robust for the classification of the feedstocks and of the adulterant used in the present study. PLS regression was efficient in identifying and quantifying animal and vegetable feedstocks and soybean oil (adulterant), demonstrating root mean square errors of cross validation (RMSECV) values between 0.019 % w/w and 0.103 % w/w and root mean square error of prediction (RMSEP) values between 0.009 % w/w and 0.105% w/w for all analytes, with a correlation coefficient of 0.999. These findings point out that these tools can be used to qualify and quantify the feedstocks and adulterant used in this study. The second study assessed the susceptibility to biodeterioration of B100 produced with soybean oil, given that this is one of the vulnerabilities of biofuel during the storage period. Two concentrations of inoculum of an Aspergillus niger isolate were compared with biomass and total protein production and ester degradation. The samples with 100 times more spores (106 vs. 104 spores.mL-1) produced a higher amount of biomass during the experiment (8 days), and this might accelerate biodeterioration. Differences in the concentration of inoculum for Aspergillus niger had little influence on the production of total proteins at the end of 8 days in thedual-phase culture medium, despite higher production between day 6 and day 7. Biodeterioration in this system occurs preferably via hydrolysis of the ester bond and can be monitored by FTIR-ATR and gas chromatography mass spectrometry (GC-MS), in the organic phase. Based on these findings, we can infer that fungus A. niger has deteriogenic potential, using nutrients from the biphasic system for its growth, where the following decreasing quantitative variation of linoleate, oleate, palmitate and stearate methyl esters occurred. In the third study, the FTIR-ATR spectral data on the biomass of airborne filamentous fungi after 8 h of culture in a dual-phase medium, with soybean biodiesel used as substrate in a mineral medium, was correlated by PLS regression with the mycelium of the same fungi cultured on potato dextrose agar for 24 h and 48 h. The use of FTIR-ATR combined with PLS analysis proved to be a robust tool for the prediction of biomass accumulation of 19 tested fungi, indicating that culture for 24 h was enough for the correlation of the chemical characteristics of the mycelium with the biofilm formed at the interface between the aqueous phase and biodiesel. The good performance of this method is associated mainly with spectral data on the presence of intracellular components, such as chitin, triacylglycerols, phospholipids, free fatty acids, amino acids, and proteins. The three studies that used FTIR-ATR combined with chemometric tools allow inferring that this is an analytical alternative with a great potential for application in quality control of biodiesel and in the assessment of its susceptibility to fungal degradation.