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2. KAYNAK ARAŞTIRMASI

2.3. Maleik Anhidrit (MA)

Os diferentes métodos empregados não proporcionaram modificações estruturais nos ML’s obtidos (Figura 30). O emprego da cavitação durante um tempo prolongado pode provoca modificações estruturais no ML extraído, pois tal mecanismo de rompimento celular é comumente utilizado para acelerar processos reacionais (COLUCCI; BORRERO; ALAPE, 2005). Além disso, a umidade presente no material de partida (mesmo em pequenas quantidades) pode hidrolisar de forma parcial ou total os triacilglicerídeos, deste modo, possibilitando a formação de ácidos graxos. A possível formação dessas espécies químicas poderia ser observada com o aparecimento de um sinal na região de 1710 cm-1, referente ao estiramento C=O de ácidos carboxílicos (PAVIA; et al., 2010). A presença de ácidos graxos

Figura 29 – Espectro de UV-Vís do ML microalgal.

livres no material extraído comprometeria o processo de trasesterificação por catálise básica, método comumente empregado em escala industrial (MEHER et al., 2006).

5.3.4 Caracterização dos MEM Microalgal por RMN 1H

Os espectros de RMN 1H (Figura 31) evidenciam uma estrutura coerente com os monoésteres metílicos (biodiesel). Os prótons indicados em (sinal a) aparecem como singleto (δ= 3,66 ppm) (PRASAD; et al., 2012; MAZUMDAR; et al., 2012), característico de prótons metílicos vizinhos a grupos retiradores de elétrons (carbonila), os referidos grupos promovem efeitos de desblindagem eletrônica, ocasionado principalmente devido ao processo de ressonância. Diferentemente, os prótons metílicos (sinal d) não sofrem influência de efeitos promotores de desblindagem, consequentemente aparecem em regiões de campo alto (δ= 0,88 ppm) no espectro. Os prótons metilênicos (sinal b) α-carbonilícos aparecem como tripleto (δ= 2,31 ppm), enquanto os β-carbonilícos com multiplicidade indefinida (sinal h) ocorrem com deslocamentos químicos por volta de 1,7 ppm. Os prótons metilênicos de cadeia linear - (CH2)n- indicados pelo sinal (sinal f), correspondem ao δ= 1,3 ppm.

O sinal (sinal c) corresponde aos hidrogênios olefínicos, que aparecem em regiões de campo baixo (δ= 5,40 ppm), o referido comportamento se deve principalmente, ao fato das ligações sp2-1s apresentam maior caráter s, quando comparadas as conexões sp3-1s, o que implica em uma maior eletronegatividade dos carbonos de hibridização sp2 (PAVIA, et al.,

Figura 30 - Espectro de FTIR do ML extraído da microalga, sem (FTIR_ML/SU) e com a utilização (FTIR_ML/EU) de ultrassom.

2010). Consequentemente, os elétrons ficam mais fortemente presos ao núcleo de carbono gerando uma diminuição da densidade eletrônica sobre as vizinhanças dos prótons. O efeito anisotrópico é o fator mais relevante que justifica o aparecimento dos prótons olefínicos em regiões de campo baixo. O sistema de elétrons π, característico da molécula que contém os prótons em questão, geram campos magnéticos secundários, que no caso dos hidrogênios olefínicos, devido a sua disposição geométrica favorecem a desblindagem dos núcleos 1H. O sinal (e) refere-se a traços de prótons (1H) contidos no solvente (CDCl3).

Vale salientar, que é a inexistência de um duplo dubleto no intervalo de 4,0 – 4,4 ppm referente aos prótons metilênicos característico dos triacilglicerídeos, consiste em uma evidência que ratifica a eficiência da transesterificação (GUZATTO, et al., 2012). No entanto, evidenciou-se pequenos picos na região (sinal g) em δ=3,4 ppm correspondente a possíveis traços de mono ou di-glicerol presentes no biodiesel (SAMIOS, et al., 2009). Por fim, os sinais j (δ= 2,8 ppm) e i (δ= 2,0 ppm) indicam a presença de prótons bis-alílicos e alílicos respectivamente.

5.3.5 Caracterização dos MEM Microalga por RMN 13C

O espectro de RMN 13C (Figura 32) apresenta resultados coesos aos evidenciados pelo RMN 1H, os deslocamentos químicos no intervalo de 15-40 ppm correspondem a carbonos metilênicos (CH2) presentes nos MEM. Vale salientar, que o congestionamento de

Figura 31 - Espectro de RMN 1H dos MEM da Microalga Monoraphidium sp.

sinais nesta região do espectro é um comportamento plausível, pois os dados cromatográficos revelaram que a composição lipídica dos MEM é rica em ácidos graxos saturados (cerca de 70%) e de cadeia longa. O carbono metílico (-OCH3) e o carbono carbonílico de éster aparecem respectivamente em 51 ppm e 174 ppm no espectro de RMN 13C (GUZATTO, et al., 2012). Os referidos deslocamentos químicos aparecem em regiões de campo baixo, pois o comportamento dos núcleos de 13C e 1H é bastante parecido. No caso do carbono metílico, sua proximidade a um elemento químico de elevada eletronegatividade, contribui para uma redução sobre a densidade eletrônica envolta de suas vizinhanças e decorrentemente há desblindagem desse núcleo (PAVIA, et al., 2010). O carbono carbonílico, além do efeito supracitado apresenta hibridização sp2, esses dois fatores atuando simultaneamente contribuem para uma elevada desblindagem eletrônica do núcleo de 13C, o que justifica seu aparecimento em uma região de campo muito baixo. É importante destacar, que os sinais supracitados ratificam a ocorrência da transesterificação.

A região que compreendem o intervalo de 120-140 ppm, característica de carbonos olefínicos revelam 11 diferentes sinais, resultado coerente com os apresentados pela cromatografia gasosa, que revelaram MEM insaturados e poli-insaturados (C18:1, C18:2 e

Figura 32 - Espectro RMN 13C dos MEM proveniente da Monoraphidium sp.

C18:3). No entanto, as interpretações são limitadas, pois o espectro mostrar o comportamento de uma mistura, o que dificulta relacionar cada sinal aos seus respectivos núcleos de 13C. 5.4 CARACTERIZAÇÃO DOS MEM MICROALGAL POR CROMATOGRAFIA GASOSA (CG)

Os picos cromatográficos (ver Figura 33) evidenciam que amostra analisada totaliza cerca de 98,08 % de MEM. o resultado é relevante, pois de acordo Regulamento Técnico ANP N° 14/2012, o material sintetizado é denominado biodiesel caso apresente conversão superior a 96%. É importante ressaltar, que o não uso de um padrão interno na quantificação por CG pode acarretar erros sistemáticos. Contudo, estes valores de conversão (%) de ML em MEM são próximos aos obtidos por TG/TGA (aproximadamente 96,43 %). No entanto, os valores poderiam ser ainda mais compatíveis, pois os sinais não identificados pelo padrão FAME MIX (C8-C24) aparecem na região de MEM. Neste sentido, devemos lembrar que o perfil graxo microalgal pode ser extremamente variável dependendo das condições de cultivo empregada, podendo apresentar ácidos graxos como C11:0 e C17:1(MORAIS; COSTA, 2008). Além disso, existe a possibilidade de haver traços de subprodutos residuais da transesterificação (FOGLIA; et al., 2004). Estes resultados confirmam que a técnica de TG/DTG pode ser usada com eficiência para quantificar a conversão de material lipídico em ésteres como mostrado anteriormente.

Figura 33 - Cromatograma dos MEM da microalga Monoraphidium sp.

Os dados cromatográficos (tabela 6) revelam que os ésteres metílicos de ácidos graxos são majoritariamente saturados (aproximadamente 68%, eventualmente contabilizando apenas os MME identificados), grande parte deste percentual proveniente do ácido eicosanóico. Além disso, a composição lipídica apresenta elevada contribuição de ácidos graxos de cadeia longa (C20:0 e C22:0) de aproximadamente 51 %. O referido perfil graxo favorece a elevação do número de cetano (NC) no biodiesel (ZUNINGA; et al., 2011). A propriedade supracitada está relacionada com a velocidade de ignição do biocombustível, que corresponde ao período entre o início da injeção do combustível e o começo da combustão. Em resumo, quanto maior for o NC do combustível, melhor será sua combustão em motor á diesel. No entanto, os valores de NC muito altos ou muito baixos podem causar problemas operacionais no motor. Caso o NC seja muito alto, a combustão pode ocorrer antes do combustível e do ar estarem adequadamente misturados, resultando em combustão incompleta e na emissão de fumaça. Vale salientar, que na norma brasileira não há valor mínimo estabelecido de NC para o biodiesel, sendo solicitado apenas o registro do valor medido (LÔBO; et al., 2009).

Ésteres Metílicos Composição (%) Tempo de Retenção (min)

Mirístico (C14:0) 4,35 3,799 Palmítico (C16:0) 9,78 4,332 Oléico (C18:1) 26,09 6,084 Linoléico (C18:2) 1,63 6,223 Linolênico (C18:3) 0,54 6,659 Eicosanôico (C20:0) 33,69 7,649 Docosanôico (C22:0) 10,87 8,597 Ésteres Metílicos não Identificados 11,14 Vários Total de Ésteres Metílicos 98,08 ___

5.5 ESTUDO TÉRMICO DA DEGRADAÇÃO DO ML DURANTE SEU ARMAZENAMENTO.

As curvas TGA e DTG (Figura 34 e 35) evidenciam diferenças pronunciadas nas temperaturas iniciais do evento térmico principal do ML, referente aos triacilglicerídeos (TAG). Enquanto o ML não armazenado começa a perde massa em aproximadamente 287 °C, os ML_ARM6 e ML_ARM12 iniciam este mesmo evento em 137 e 98 °C respectivamente. O

primeiro evento de 25°C até 100 °C e o pico próximo a 50 °C refere-se à volatilização de solvente (n-hexano) e de moléculas de água (umidade), processos que ocorrem na mesma faixa de temperatura e estão sobrepostos nas curvas, sendo a diferença de intensidade dos mesmos devido a quantidades diferentes desses produtos na amostra. As derivadas das curvas termogravimétricas, DTG (Figura 35) tornam mais visíveis à ocorrência de alargamento no evento térmico relacionado aos TAG.

A ampliação da etapa térmica correspondente à volatilização dos TAG, mostrada numericamente na tabela 7, possivelmente são indicativos que houve modificação na composição da fração lipídica microalgal durante sua armazenagem. As principais causas podem estar atreladas a processos oxidativos e decorrentemente formação de produtos de menor massa molecular.

Amostras Evento Térmico Faixa de Ocorrência (°C) Tfinal-Tinicial

ML 2 287-452 165

ML_ARM6 2 138-443 305 ML_ARM12 2 98-452 354

Tabela 7 - Valores referentes à segundo etapa de perda de massa térmico

dos diferentes ML’s analisados. Figura 34 - Curvas TGA do ML da

Monoraphidium sp ML e ML’s

armazenados durante 6 (ML_ARM6) e 12 meses (ML_ARM12).

Figura 35 - Curvas DTG sobrepostas do ML da

Monoraphidium sp. (DTG ML) e ML’s

armazenados durante 6 (ML_ARM6) e 12 meses (ML_ARM12).

A hipótese do ML ter sofrido auto-oxidação é plausível, pois os dados de CG mostram que a composição lipídica da microalga Monoraphidium sp. apresenta o ácido linolênico (C18:3) que é portador de prótons alilícos. Esses hidrogênios são facilmente removíveis por processos radicalares, devido ao fato do radical gerado ser estabilizado por ressonância (ver Figura 36). Desta maneira, esses prótons funcionam como bons sítios reativos para processos de auto-oxidação.

Deve-se ressaltar, que uma vez iniciada a reação os produtos formados podem sofrer outras reações químicas e darem origens a vários outros, iniciando reações em cadeia que o aparentemente diminui a massa molecular (aldeído e cetonas de cadeia curta).

5.6 ESTIMATIVA DA PRODUTIVIDADE DA MICROALGA MONOHAPHIDIUM sp. O valor de ML extraído da microalga Monoraphidium sp. (12,51%) é inferior a quantidade de óleo disponível em muitas oleaginosas (AHMAD et al., 2011), no entanto é indispensável analisar sua capacidade produtiva por hectare (Tabela 3), com uma produção estimada em mais de 23.000 L de óleo e 20.000 L de biodiesel por hectare anualmente. Logo, a prerrogativa ratifica o alto potencial das microalgas para produção de biodiesel, pois seu cultivo necessita de menor área de plantio para superar a produção de biocombustível proporcionada por outras oleaginosas. O ciclo vegetativo das microalgas é outro aspecto vantajoso. Espécies como dendê de alta produtividade possuem ciclos relativamente longos

Figura 36 - Mecanismo da oxidação lipídica de compostos com *hidrogênios alílicos.

Fonte DANTAS; et al.,., 2011.

chegando á 6 meses, enquanto as microalgas levam dias para renovação de sua safra (CHISTI, 2007). Contudo, a produção de biodiesel microalgal deve estar vinculada com a possibilidade de reutilização dos subprodutos gerados (biomassa residual e glicerina) e ao cultivo de biomassa atrelada à descontaminação de efluentes (OLIVEIRA; et al., 2007). Desta maneira, a viabilização econômica terá um pronunciado avanço. Vale a ressalva, que apenas uma condição de cultivo para produção de biomassa microalgal foi avaliada, logo o valor de ML obtido a partir da Monoraphidium sp. Pode sofrer variações significativas, dependo eventualmente do meio cultivo empregado.

Oleaginosas Rendimento em Óleo (L/hac year)

Produtividade Biodiesel ( L/hac year)

Milho (Zea mays L.) 172 152 Cânhamo (Cannabis sativa L.) 363 321 Soja (Glycine max L.) 636 562 Pinhão Manso (Jatropha curcas L.) 741 656 Colza/Canola (Brassica napus L.) 974 862 Girassol (Helianthus annuus L.) 1070 946 Mamona (Ricinus communis) 1307 1156

Dênde (Elaeis guineensis) 5366 4747 Microalga Monoraphidium sp. 23480a 22071a

a – Valores baseados em dados reportados na literatura e considerando um teor lipídico de 12% e 94 % de conversão em MEM.

Fonte MATA, et al., 2010

Tabela 8 - Estimativa da produtividade da microalga Monohaphidium sp. em comparação a outras oleaginosas.

6 CONCLUSÕES

Diante dos resultados obtidos pelos diferentes métodos empregados para extração do ML microalgal, assim como, procedidos relacionados à caracterização da biomassa e biodiesel da microalga Monoraphidium sp., pode-se concluir que:

 O método empregado com melhor eficiência para extração do ML da microalga foi à agitação mecânica (12,51%) sob alta rotação (14 000 rpm) sendo o tempo ideal de 2 horas, como mostrado pelo teste t;

 A rotação possibilitou diferenças pronunciadas no percentual de material lipídico extraído da microalga;

 O uso acoplado da agitação mecânica a baixas rotações (2.000 rpm) associado com o ultrassom possibilitou extrações estatisticamente equivalentes de teor de ML, quando comparado ao método utilizando altas rotações;

 Os dados espectroscópicos (FTIR e UV-Vís) mostraram que os materiais obtidos nas extrações são basicamente ácidos graxos, triacilglicerídeos (material majoritário) e pigmentos (carotenoides e clorofila);

 Os resultados de FTIR não evidenciaram modificações estruturais significativas no ML extraído, quando o mesmo foi submetido por tempo prolongado (4 horas) a ação do ultrassom;

 A análise termogravimétrica evidenciou conteúdo proteico na biomassa microalgal, e que os constituintes permanecem presentes na biomassa residual, deste modo, a torta da microalga pode ter aplicações para indústria de ração;

 A TGA possibilitou uma estimativa compatível com o valor de ML extraído, desta maneira, podendo vir a ser uma ótima técnica para dimensionar a eficiência das extrações de ML em microalgas.

 A TGA evidenciou processos oxidativos durante a estocagem do ML microalgal, fato comprovado pelo alargamento das curvas DTG no evento referente aos TAG (triacilglicerídeos);

 As técnicas espectroscópicas (RMN 1H, 13C e FTIR) confirmaram a estrutura dos monoésteres confirmando o êxito da transesterificação;

 A TGA ratificou a conversão (de 96,43%) dos TAG em monoésteres metílicos (MEM), mostrando resultados quantitativos compatíveis com os valores obtidos pela CG (aproximadamente 98%);

 A ausência de resíduos no biodiesel de microalgas evidenciados pela TGA, o que implica na minimização de resíduos sólidos (gomas) formados nos motores que podem provocar problemas ao desempenho do automóvel, a sua durabilidade e ao custo para sua manutenção.

 Os dados cromatográficos (CG) revelaram alto teor de ácidos graxos saturados (aproximadamente 70%), sendo o constituinte majoritário o ácido eicosanóico (33,7 %), o que implicou em uma elevada estabilidade térmica do biodiesel;

 Diante do perfil graxo do biodiesel microalgal o número de cetano (NC) do biocombustível tende a ser elevado, podendo ser uma característica benéfica para combustão em motor á diesel;

 O teor obtido de ML (12,51 %) indica um bom potencial de uso deste material como matéria prima na produção de biodiesel se comparado ao teor de óleo que pode ser obtido de oleaginosas tradicionais para este uso, já que a produtividade das microalgas por hectare é muito maior. Além disso, apenas uma condição de cultivo foi estudada.

7 SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS

 O uso da Termogravimetria no acompanhamento da extração de triacilglicerídeos em microalgas, visando validar a eficiência do método extrativo.

 O dimensionamento do teor de óleo em microalgas pela análise termogravimétrica de sua biomassa;

 O estudo de novas condições cultivo para a microalga Monoraphidium sp. visando o aumento do teor de óleo e diversificação do seu perfil lipídico.

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Benzer Belgeler