ÁREA
Química Analítica
Autores
Santana, M.T. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Araújo, M.C. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Silva, R.M. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Oliveira, A.R. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Castro, S.S.L. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Magalhães, K.F. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE)
RESUMO
O Brasil se encontra na terceira colocação como um dos maiores países produtores de cervejas do mundo. Nesta perspectiva, o objetivo deste trabalho é a determinação simultânea de ácidos orgânicos via cromatografia de íons, em efluente proveniente de cervejas artesanais. Um cromatógrafo de íons (850 Professional – Metrohn) acoplado com detector de condutividade utilizando uma coluna para ácidos orgânicos (Metrosep Organic Acids - 250/7.8 – Metrohn); como solução eluente usou-se de H2SO4 na concentração de 0,5 mmol L-1. Assim, foi possível fazer a determinação, separação e quantificação dos ácidos orgânicos. Obtendo curvas de calibração apresentando valores de R2, LD e LQ. A técnica estudada contribui para a compreensão da composição dos efluentes e monitoramento da qualidade ambiental.
Palavras Chaves
Ácidos orgânicos.; Cervejas artesanais.; Cromatografia de íons.
Introdução
Os efluentes provenientes de cervejas artesanais vem gerando preocupações significativas em diversas indústrias. Pois, com o aumento da popularidade das cervejarias artesanais, também cresce a necessidade de lidar de forma responsável com os subprodutos do processo de fabricação de cerveja, incluindo os efluentes resultantes. Esses efluentes consistem em resíduos sólidos e líquidos provenientes das várias etapas do processo de produção de cerveja. O resíduo líquido surge de processos como a lavagem de grãos, a fervura do mosto, a fermentação e a clarificação. Esses efluentes podem conter uma variedade de substâncias, como matéria orgânica, nutrientes, sólidos suspensos, compostos químicos (RAO, G. A. et al. 2007; SERENO FILHO, 2013). Em vista disso, a disposição inadequada de efluentes pode ter impactos adversos no meio ambiente, incluindo a contaminação da água e do solo, bem como a degradação da qualidade da água em corpos hídricos próximos. Portanto, é essencial que as cervejarias artesanais adotem medidas para tratar seus efluentes e minimizar seu impacto ambiental (MAPA, 2019; BRASIL, 2011). Diante disso, várias estratégias de tratamento de efluentes podem ser aplicadas às cervejarias artesanais, entre estas incluem-se processos físicos, químicos e biológicos, que podem ser usados de forma isolada ou combinada, dependendo das características específicas dos efluentes. Alguns métodos comuns incluem a filtração, sedimentação, tratamento biológico aeróbico ou anaeróbico, e processos de adsorção (FILLAUDEAU; BLANPAIN-AVET e DAUFIN, 2006). Embora, dentre os diversos métodos de análise, destacam-se os métodos cromatográficos. A ampla aplicação destes métodos é devido à possibilidade de separação, identificação e quantificação de espécies orgânicas e inorgânicas, alta sensibilidade, curto tempo de análise, necessidade de pequenos volumes de amostra e análise simultânea de diversas espécies. Assim, a cromatografia iônica é uma técnica amplamente empregada na análise de diferentes matrizes, entre as suas principais vantagens, está a determinação rápida de compostos iônicos, inorgânicos ou orgânicos. Acrescenta-se ainda, que a técnica tem como principais características a alta seletividade, ampla faixa de medição dinâmica, uso de baixos volumes de amostra, possibilidade de determinação de mais de um analito em uma mesma corrida cromatográfica e uma boa sensibilidade para muitas aplicações (COLLINS; BRAGA e BONATO, 2006). Idealmente, a caracterização dos efluentes de cervejarias artesanais é crucial para identificação do tratamento mais adequado que ajude a minimizar os impactos ambientais e garantir que o setor continue a crescer de maneira sustentável. Outrossim, o tratamento responsável dos efluentes não apenas protege o meio ambiente, mas também contribui para a reputação positiva da cervejaria perante os consumidores que valorizam a produção consciente. Portanto, a identificação e quantificação desses ácidos são fundamentais para avaliar a eficácia dos processos de tratamento de efluentes, bem como para garantir que os níveis de poluentes estejam dentro dos limites regulatórios e se enquadrarem nas legislações ambientais, regulamentadas pela Resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (BRASIL, 2011). Embora, como afirma RAO et al. (2007) a produção de cervejas artesanais envolve uma variedade de processos que podem resultar na geração de efluentes contendo diferentes compostos, incluindo ácidos orgânicos. Nessa perspectiva, o objetivo desse trabalho é a determinação simultânea de ácidos orgânicos via cromatografia de íons, em efluente proveniente de cervejas artesanais.
Material e métodos
O efluente foi coletado em uma indústria de cerveja artesanal, localizada na cidade de Mossoró-RN. Para a coleta foram usados frascos de polipropileno de 5,0 litros e armazenado na geladeira em temperatura inferior a 15 °C. O material coletado passou por leituras de pH (pHmetro Digital TEC-2 mp), condutividade (Condutivímetro Hanna Instruments) e temperatura para acompanhar as características do efluente em sua condição inicial. As análises foram realizadas no Laboratório de Eletroquímica e Química Analítica - LEQA da UERN. Vale lembra, que todas as análises foram feitas utilizando reagentes químicos de grau de pureza analítica e água Mili-Q (ρ ≥ 18 MΩ cm-1) para preparo de todas as soluções. Já para a determinação de ácidos orgânicos foi usado um cromatógrafo de íons (850 Professional – Metrohn) acoplado com detector de condutividade. Uma coluna para ácidos orgânicos (Metrosep Organic Acids - 250/7.8 – Metrohn) com comprimento de 250 mm e diâmetro interno de 7.8 mm acondicionada à temperatura de 60 °C durante a obtenção dos cromatogramas, bem como os parâmetros otimizados para estudo. Os parâmetros otimizados para análise de ácidos orgânicos via cromatografia de íons, foram: coluna - Metrosep Organic Acids - 250/7.8 – Metrohn; o eluente da fase móvel - H2SO4 (0,5 mmol L-1); regenerante - cloreto de lítio (20 mmol L- 1); a pressão - 7.0 MPa; taxa de fluxo do eluente - 0,5 mL min-1; modo de eluição - isocrática; volume da amostra - 20 µL; temperatura da coluna - 60 °C; detector - detector de condutividade; escala - 0 – 15000 µS/cm faixa única; supressor - Módulo Supressor Metrohm (MSM); supressor de CO2 - Metrohm CO2 supressor (MCS); filtração - filtro de nylon de 0,2 μm e modo de determinação - área do pico. Para o preparo das soluções e amostra do efluente, a determinação de ácidos orgânicos foi utilizado uma solução de ácido sulfúrico H2SO4 0,5 mmol L-1 como eluente, como regenerante foi utilizado cloreto de lítio 20 mmol L-1; também utilizou-se um supressor químico e um supressor de CO2. Assim, para obtenção dos cromatogramas foi utilizado um mix contendo os padrões dos íons de ácidos orgânicos acetato, formato, succinato, citrato, propionato e butirato (1000 mg L-1 ±6 mg L-1 - SpecSol®); para isso, as concentrações preparadas dos padrões utilizados foram de 0,5; 1; 2; 5; 10 e 25 ppm, para cada componente. Já para o preparo da amostra proveniente do efluente da indústria cervejeira, foram realizados em alguns passos: 1) filtração da amostra com um papel de filtro Qualy®, cerca de 5mL; 2) a amostra do efluente foi diluído 1000 µL com ajuda de uma pipeta automática (pipetan®) para um balão de 10 mL; e por fim 3) levado para injeção no CI.
Resultado e discussão
Dentre a grande variedade de métodos disponíveis para determinação de íons, a
cromatografia iônica baseada em trocadores iônicos e detecção de condutividade
tem sido extensivamente estudada, podendo ser visto em estudos realizados por
Michalski, (2018); Bertges; Helden e Weiskirchen, (2021); Maome, et al. (2021);
Matysiak; Balcerzak e Michalski, (2018); Santana; Maldaner; Fraga, e Almeida,
(2017).
A determinação de ácidos orgânicos no efluente da cervejaria é um tema relevante
no contexto da indústria cervejeira e da gestão ambiental. Os ácidos orgânicos
são compostos que podem estar presentes no efluente da cervejaria devido a
vários processos, como a fermentação, a lavagem de equipamentos e a limpeza de
instalações, cita Sereno Filho (2013).
Dessa forma, a determinação de ácidos orgânicos no efluente da cervejaria
desempenha um papel crucial na gestão ambiental, na conformidade regulatória, na
garantia da qualidade do produto e no monitoramento da eficiência dos processos.
O controle desses compostos contribui para uma produção de cerveja mais
sustentável e responsável. As técnicas analíticas, especialmente a cromatografia
de íons, é uma técnica versátil e amplamente utilizada em várias áreas,
incluindo química analítica, ciências ambientais, alimentos, farmacêutica e
outras. Ela oferece alta sensibilidade e seletividade para a determinação de
ácidos orgânicos e outros íons em amostras complexas cita Maomé et al. (2021);
Michalski, (2018).
Nessa conjuntura, os ácidos orgânicos estudados, como o cítrico, succínico,
fórmico, acético, propiônico e butírico são separados em 25 minutos e os
cromatogramas obtidos são apresentados na (Figura 1).
Foi possível determinar o pH de 5,80 e condutividade de 1956 µS/cm, o que
demonstra uma quantidade de íons presentes no meio, e por fim, a temperatura
cerca de 23,2°C.
Figura 1: Cromatograma dos ácidos orgânicos (citrato, succinato, formato,
acetato, propionato e butirato) na concentração de 25 ppm e da amostra diluída.
Fonte: Acervo pessoal.
Com a obtenção dos cromatogramas foi possível separar e determinar cada
componente presente no padrão, e valida o seu respectivo tempo de retenção para
os analitos, citrato: 9,5 min.; succinato: 13,6 min.; formato: 14,90 min.;
acetato: 17,00 min.; propionato: 19,45 min.; butirato: 22,99 min.
Diante disso, fica claro que com o aumento da concentração a área do pico
aumenta, e consequentemente, com o aumento da concentração a área do pico não
afeta sua posição/deslocamento, como pode ser visto na (Figura 2).
Em vista disso, no cromatograma proveniente da amostra do efluente da cervejaria
é possível analisar os ácidos separados e detectados na amostra, como o cítrico,
succínico, fórmico e acético (Figura 1). Além disso, o tempo de retenção de cada
ácido orgânico nos padrões e na amostra foram comparados para detecção e
quantificação.
Por conseguinte, a determinação simultânea de ácidos orgânicos no efluente da
indústria de cervejas artesanais por meio da cromatografia de íons, mostra-se
uma abordagem analítica valiosa que oferece “insights” importantes para o
monitoramento e controle ambiental. A aplicação da cromatografia de íons para a
determinação simultânea de ácidos orgânicos nos efluentes de cervejarias
artesanais oferece vantagens promissoras e significativas.
Sendo que, com o cromatograma obtido (Figura 2) essa técnica possibilita a
análise de múltiplos ácidos orgânicos em uma única corrida cromatográfica,
economizando tempo e recursos. Além disso, a sensibilidade da cromatografia de
íons permite a detecção em concentrações relativamente baixas, o que é crucial
para avaliar possíveis impactos ambientais, como discute em seu trabalho
Collins; Braga e Bonato, (2006). Salienta-se ainda, que com método aplicado
percebe-se a determinação simultaneamente de vários ácidos orgânicos, pode
fornecer informações detalhadas sobre as características do efluente. Podendo
ainda ser usado para otimizar processos de produção e reduzir a geração de
resíduos e minimizar o impacto ambiental.
Na Figura 2 apresenta-se o gráfico construído para as diferentes curvas de
calibração, na qual foi possível obter a equação da reta para os 6 componentes
de interesses na análise da amostra do efluente.
Figura 2: Curvas de calibração para os seis (6) ácidos orgânicos alvo do estudo,
bem como as curvas de calibração para ácido cítico, succínico, fórmico e acético
determinados na amostra.
Fonte: Acervo pessoal.
Pode-se perceber as variáveis das respectivas curvas de calibração obtidas para
os ácidos orgânicos, tendo como o coeficiente de correlação R²; slope,
intercepto bem satisfatório.
O limite de detecção (LD) e o limite de quantificação (LQ) são conceitos
frequentemente utilizados na análise química e instrumental para avaliar a
sensibilidade e a precisão de um método de medição. Eles indicam os níveis mais
baixos de concentração de um analito (substância que está sendo analisada) que
podem ser detectados e quantificados com um determinado grau de confiança. O LD
é o menor nível de concentração do analito que pode ser detectado, mas não
necessariamente quantificado, com uma probabilidade estabelecida de que o sinal
seja diferente do branco (fundo) do sistema de medição. O LQ é o menor nível de
concentração do analito que pode ser quantificado com precisão e confiança
aceitável.
As variáveis para o cálculo de LD e LQ foi considerado o Intercepto para citrato
-0,00735 ± 0,0143; succinato - -0,00514 ± 0,00359; formato - -0,00951 ± 0,00804;
acetato 0,02174 ± 0,0041; propionato - 0,0073 ± 0,00528 e butirato 0,00551 ±
0,0065. E o slope para citrato 0,03872 ± 0,00127; succinato 0,03298 ± 3,1964E-4;
formato 0,06269 ± 7,16687E-4; acetato 0,0425 ± 3,65688E-4; propionato 0,02881 ±
4,7027E-4 e butirato 0,02466 ± 5,79479E-4. Com isso, os valores obtidos para os
ácidos orgânicos de LD e LQ são dados a seguir. O LD para citrato 1,10795 ppm;
succinato 5,04124 ppm; formato 0,55039 ppm ; acetato 3,79233 ppm; propionato
0,54980 ppm e butirato 0,79075 ppm. Já o LQ citrato 3,69318 ppm; succinato
0,32656 ppm; formato 0,38475 ppm; acetato 0,28941 ppm; propionato 1,83269 ppm e
butirato 2,63584 ppm. No entanto, é importante observar que o LD e o LQ podem
variar dependendo do método de análise, do instrumento utilizado e das
características da amostra.
Para o coeficiente de correlação para cada componente, citrato R2 = 0,99568;
succinato R2 = 0,99962; formato R2 = 0,99948; acetato R2 = 0,9997; propionato R2
= 0,99894 e butirato R2 = 0,9978. Os dados indicam que os pontos analisados
estão bem próximos de uma reta ideal proposto principalmente por dados da
literatura (Skoog, 2006), visto que quanto mais próximo de 1, melhor e maior
será a linearidade o que se encontra nas curvas de calibração para os ácidos
orgânicos determinados na amostra do efluente, ácido cítrico, succínico, fórmico
e acético. Com a análise de CI no efluente (Figura 1) a área relacionada ao
Citrato, succinato, formato e acetato foi determinada, corresponde ao citrato
0,952.; 0,163.; 0,034 e 0,161 para os ácidos determinados na amostra. Logo, com
esses valores e utilizando a equação da reta a partir da curva de calibração
para a amostra detectada no cromatógrafo, pode ser determinada a concentração da
amostra desconhecida Y(área)= A+ B*x.
Obtendo as concentrações para cada componente detectado na amostra de efluente,
citrato 25,71049 ppm; succinato 5,05124 ppm; formato 0,55039 ppm e acetato
3,79233 ppm. O que implica, que a concentração de ácidos orgânicos em efluentes
de cervejas artesanais pode variar significativamente dependendo de vários
fatores, como os ingredientes utilizados, o processo de fabricação da cerveja, o
pH, a fermentação, entre outros. Embora, os ácidos orgânicos são compostos
naturais que podem contribuir para o sabor, aroma e qualidade da cerveja, mas
quando presentes em altas concentrações nos efluentes, podem representar um
desafio ambiental devido a sua demanda de carga orgânica.
Cromatograma dos ácidos orgânicos (citrato, \r\nsuccinato, formato, acetato, propionato e butirato) \r\nna concentração de 25 ppm e da amostra diluída.
Curvas de calibração para os seis ácidos orgânicos, \r\nbem como as curvas de calibração para cada \r\ncomponente.
Conclusões
Com a técnica aplicada foi possível separar e determinar os ácidos orgânicos de cadeia curta como cítrico, succínico, fórmico e acético no efluente proveniente das cervejas artesanais. Acrescenta-se ainda, que com a aplicação da cromatografia de íons para a determinação simultânea de ácidos orgânicos em efluentes da indústria de cervejas artesanais apresenta-se como uma abordagem analítica valiosa e promissora para separação e determinação, requerendo curto tempo de análise, pequena quantidade de reagentes e um baixo custo. Ela contribui para a compreensão da composição dos efluentes, o monitoramento da qualidade ambiental e o aprimoramento dos processos de produção. A utilização dessa técnica pode auxiliar as cervejarias artesanais a atenderem aos requisitos regulatórios de lançamento de efluentes, reduzirem seu impacto ambiental e promover a sustentabilidade em suas operações.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPQ, UERN, Cervejaria Bacurim e ao Laboratório de Eletroquímica e Química Analítica (LEQA) da UERN. E a todos que contribuíram de alguma forma para com esse trabalho.
Referências
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