Application of gas chromatography and mass spectrometry for analysis of propolis from different geographic regions

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Improved Dynamic Headspace Sampling and Detection using Capillary Microextraction of Volatiles Coupled to Gas Chromatography Mass Spectrometry

Sampling and preconcentration techniques play a critical role in headspace analysis in analytical chemistry. My dissertation presents a novel sampling design, capillary microextraction of volatiles (CMV), that improves the preconcentration of volatiles and semivolatiles in a headspace with high throughput, near quantitative analysis, high recovery and unambiguous identification of compounds when coupled to mass spectrometry. The CMV devices use sol-gel polydimethylsiloxane (PDMS) coated microglass fibers as the sampling/preconcentration sorbent when these fibers are stacked into open-ended capillary tubes. The design allows for dynamic headspace sampling by connecting the device to a hand-held vacuum pump. The inexpensive device can be fitted into a thermal desorption probe for thermal desorption of the extracted volatile compounds into a gas chromatography-mass spectrometer (GC-MS). The performance of the CMV devices was compared with two other existing preconcentration techniques, solid phase microextraction (SPME) and planar solid phase microextraction (PSPME). Compared to SPME fibers, the CMV devices have an improved surface area and phase volume of 5000 times and 80 times, respectively. One (1) minute dynamic CMV air sampling resulted in similar performance as a 30 min static extraction using a SPME fiber. The PSPME devices have been fashioned to easily interface with ion mobility spectrometers (IMS) for explosives or drugs detection. The CMV devices are shown to offer dynamic sampling and can now be coupled to COTS GC-MS instruments. Several compound classes representing explosives have been analyzed with minimum breakthrough even after a 60 min. sampling time. The extracted volatile compounds were retained in the CMV devices when preserved in aluminum foils after sampling. Finally, the CMV sampling device were used for several different headspace profiling applications which involved sampling a shipping facility, six illicit drugs, seven military explosives and eighteen different bacteria strains. Successful detection of the target analytes at ng levels of the target signature volatile compounds in these applications suggests that the CMV devices can provide high throughput qualitative and quantitative analysis with high recovery and unambiguous identification of analytes.

Characterization of aromatic profiles in brazilian tropical wines determined by gas chromatography and multivariate statistical analysis.

2011

Evaluation of mechanical properties of composite of pinhão with polyrethane derived from castor oil.

2016

Characterization of the volatile profile of Brazilian Merlot wines through comprehensive two dimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometric detection.

Wine aroma is an important characteristic and may be related to certain specific parameters, such as raw material and production process. The complexity of Merlot wine aroma was considered suitable for comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCGC), as this technique offers superior performance when compared to one-dimensional gas chromatography (1D-GC). The profile of volatile compounds of Merlot wine was, for the first time, qualitatively analyzed by HS-SPME-GCxGC with a time-of-flight mass spectrometric detector (TOFMS), resulting in 179 compounds tentatively identified by comparison of experimental GCxGC retention indices and mass spectra with literature 1D-GC data and 155 compounds tentatively identified only by mass spectra comparison. A set of GCGC experimental retention indices was also, for the first time, presented for a specific inverse set of columns. Esters were present in higher number (94), followed by alcohols (80), ketones (29), acids (29), aldehydes (23), terpenes (23), lactones (16), furans (14), sulfur compounds (9), phenols (7), pyrroles (5), C13-norisoprenoids (3), and pyrans (2). GCxGC/TOFMS parameters were improved and optimal conditions were: a polar (polyethylene glycol)/medium polar (50% phenyl 50% dimethyl arylene siloxane) column set, oven temperature offset of 10ºC, 7 s as modulation period and 1.4 s of hot pulse duration. Co-elutions came up to 138 compounds in 1D and some of them were resolved in 2D. Among the coeluted compounds, thirty-three volatiles co-eluted in both 1D and 2D and their tentative identification was possible only due to spectral deconvolution. Some compounds that might have important contribution to aroma notes were included in these superimposed peaks. Structurally organized distribution of compounds in the 2D space was observed for esters, aldehydes and ketones, alcohols, thiols, lactones, acids and also inside subgroups, as occurred with esters and alcohols. The Fischer Ratio was useful for establishing the analytes responsible for the main differences between Merlot and non-Merlot wines. Differentiation among Merlot wines and wines of other grape varieties were mainly perceived through the following components: ethyl dodecanoate, 1-hexanol, ethyl nonanoate, ethyl hexanoate, ethyl decanoate, dehydro-2-methyl-3(2H)thiophenone, 3-methyl butanoic acid, ethyl tetradecanoate, methyl octanoate, 1,4 butanediol, and 6-methyloctan-1-ol.

Determinação da matéria-prima utilizada na produção do biodiesel adicionado ao diesel mineral através de monitoramento seletivo de íons

The selective ion monitoring acquisition mode in mass spectrometry was applied to identify, in the diesel complex matrix, the raw materials (vegetable oil and alcohol) that originate biodiesel. Biodiesel samples obtained from babassu, castor, palm and soybean vegetable oils and pure fatty acid methyl and ethyl esters were used to develop this method, using specific fragments in mass spectrometry and the "window system" in gas chromatography. The commercial Brazilian B2 samples were found to be produced with soybean oil, transesterified with methanol.

Production of biodiesel from babassu oil using methanol-ethanol blends

Maranhão state in Brazil presents a big potential for the cultivation of several oleaginous species, such as babassu, soybean, castor oil plant, etc... These vegetable oils can be transformed into biodiesel by the transesterification reaction in an alkaline medium, using methanol or ethanol. The biodiesel production from a blend of these alcohols is a way of adding the technical and economical advantages of methanol to the environmental advantages of ethanol. The optimized alcohol blend was observed to be a methanol/ethanol volume ratio of 80 % MeOH: 20 % EtOH. The ester content was of 98.70 %, a value higher than the target of the ANP, 96.5 % (m/m), and the biodiesel mass yield was of 95.32 %. This biodiesel fulfills the specifications of moisture, specific gravity, kinematic viscosity and percentages of free alcohols (methanol plus ethanol) and free glycerin.

Avaliação do comportamento termoanalítico e oxidativo do biodiesel de mamona

In this work biodiesel was gotten through the transesterification reaction using the oil of castor as source of triglycerides and using the methylic route for obtaining of esters. For the characterization of biodiesel and its mixtures with mineral diesel oil, physical chemical parameters and several analytical techniques had been used, as well as: gas chromatography (GC), nuclear magnetic resonance of proton (1H NMR), infrared spectroscopy (IR) and thermal analysis. The chromatography confirmed the complete reaction of esters in biodiesel presenting a 97,08% conversion. The 1H - NMR presented singlet in 3,6 ppm corresponding to the hydrogen of the group ester RCOO CH3. The infrared presented a strong band in 1741 cm-1 referring to stretching C=O of ester and an average band in 1175 cm-1 referring C O deformation. With the data of thermal analysis it was possible to observe the thermal and oxidative stability of the samples changing the atmospheres of synthetic air and nitrogen, where stages of the thermal decomposition had been verified and had been attributed to the volatilization and/or decomposition of the triacylglycerides. The thermal degradation of the samples was carried through 150 and 210°C during 1, 12, 24 and 48 hours and was observed change in the thermogravimetric profile, therefore an increase in the number of stages of the thermal decomposition also occurred indicating characteristic intermediate composites of polymerization, being this confirmed through the rheological study that presented brusque increase of viscosity. The kinetic study showed that the activation energy has the following order: biodiesel > mineral diesel oil > mixtures biodiesel/diesel

Estudo da influência do biodiesel de mamona como aditivo antioxidante para o biodiesel de girassol e soja

Biodiesel is a fuel made up by mono-alkyl-esters of long chain fatty acids, derived from vegetable oils or animal fat. This fuel can be used in compression ignition engines for automotive propulsion or energy generation, as a partial or total substitute of fossil diesel fuel. Biodiesel can be processed from different mechanisms. Transesterification is the most common process for obtaining biodiesel, in which an ester compound reacts with an alcohol to form a new ester and a new alcohol. These reactions are normally catalyzed by the addition of an acid or a base. Initially sunflower, castor and soybean oil physicochemical properties are determined according to standard test methods, to evaluate if they had favorable conditions for use as raw material in the transesterification reaction. Sunflower, castor and soybean biodiesel were obtained by the methylic transesterification route in the presence of KOH and presented a yield above 93% m/m. The sunflower/castor and soybean/castor blends were studied with the aim of evaluating the thermal and oxidative stability of the biofuels. The biodiesel and blends were characterized by acid value, iodine value, density, flash point, sulfur content, and content of methanol and esters by gas chromatography (GC). Also studies of thermal and oxidative stability by Thermogravimetry (TG), Differential Scanning Calorimetry High Pressure (P-DSC) and dynamic method exothermic and Rancimat were carried out. Biodiesel sunflower and soybean are presented according to the specifications established by the Resolution ANP no 7/2008. Biodiesel from castor oil, as expected, showed a high density and kinematic viscosity. For the blends studied, the concentration of castor biodiesel to increased the density, kinematic viscosity and flash point. The addition of castor biodiesel as antioxidant in sunflower and soybean biodiesels is promising, for a significant improvement in resistance to autoxidation and therefore on its oxidative stability. The blends showed that compliance with the requirements of the ANP have been included in the range of 20-40%. This form may be used as a partial substitute of fossil diesel

Determinação simultânea de Glicerol livre e total, MONO-, DI e triglicerídeos em biodiesel etílico de girassol, mamona e da mistura de sebo e soja empregando GC-FID

O biodiesel produzido para ser comercializado no Brasil deve estar de acordo aos padrões de qualidade estabelecidos pela resolução de 4 de fevereiro de 2010 da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e do Biocombustível (ANP, 04/2010). Neste trabalho, foi estudada a aplicação dos métodos ASTM D 6584 e EN 14105 para o biodiesel de mamona e biodiesel oriundo de rota etílica. Ambos os métodos empregam GC (Cromatografia Gasosa, do inglês Gas Chromatography) com FID (Detecção por Ionização em Chama, do inglês Flame Ionization Detection) e reação de sililação com N-metil-N-(trimetilsilil)trifluoracetamida (MSTFA). Os compostos foram identificados para quantificação pelos tempos de retenção, para os diglicerídeos e triglicerídeos foram utilizadas bandas de tempo de retenção. Os parâmetros de validação considerados foram: curva analítica, linearidade, sensibilidade, robustez, precisão e exatidão. Os métodos ASTM D 6584 e EN 14105 apresentaram sensibilidade semelhante para todos os compostos. Foram escolhidas as condições cromatográficas estabelecidas pelo método ASTM D 6584 por ser mais rápido que o EN14105 e ter sensibilidade semelhante. O método apresentou boa linearidade com todas as curvas analíticas com r maiores que 0,999. A reação de sililação com MSTFA foi otimizada para o biodiesel etílico de mamona em virtude da sua composição química. Um volume de 500 μL de MSTFA foi escolhido para realização dos ensaios de exatidão e precisão. Os valores de exatidão ficaram entre 67 e 145,9% com valores de precisão menores que 11%. Foi avaliada a ocorrência de efeito matriz para biodiesel etílico de mamona, sendo que esse efeito foi considerado baixo para glicerol, monooleína e dioleína e médio para trioleína. Mesmo havendo efeito de matriz o preparo das curvas analíticas em solvente conforme sugerido pelos métodos de referência foi mantido. O método foi robusto frente às variações da composição química da matriz. Na aplicação do método, esse se mostrou adequado para amostras de biodiesel etílico de mamona, de girassol e da mistura de sebo e soja.

Produção de biodiesel por catálise heterogénea

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Utilização de co-solventes na produção de biodiesel a partir de óleo residual e etanol por catálise enzimática

A constante e sistemática subida de preço dos combustíveis fósseis e as contínuas preocupações com o meio ambiente determinaram a procura de soluções ambientalmente sustentáveis. O biodiesel surge, então, como uma alternativa para essa problemática, bem como uma solução para resíduos líquidos e gordurosos produzidos pelo ser humano. A produção de biodiesel tem sido alvo de extensa atenção nos últimos anos, pois trata-se de um combustível biodegradável e não poluente. A produção de biodiesel pelo processo de transesterificação usando álcoois de cadeia curta e catalisadores químicos, nomeadamente alcalinos, tem sido aceite industrialmente devido à sua elevada conversão. Recentemente, a transesterificação enzimática tem ganho adeptos. No entanto, o custo da enzima permanece uma barreira para a sua aplicação em grande escala. O presente trabalho visa a produção de biodiesel por transesterificação enzimática a partir de óleo residual de origem vegetal. O álcool usado foi o etanol, em substituição do metanol usado convencionalmente na catálise homogénea, pois a atividade da enzima é inibida pela presença deste último. As maiores dificuldades apresentadas na etanólise residem na separação das fases (Glicerol e Biodiesel) após a reação bem como na menor velocidade de reação. Para ajudar a colmatar esta desvantagem foi estudada a influência de dois cosolventes: o hexano e o hexanol, na proporção de 20% (v/v). Após a escolha do co-solvente que permite obter melhor rendimento (o hexano), foi elaborado um planeamento fatorial no qual se estudou a influência de três variáveis na produção de biodiesel por catálise enzimática com etanol e co-solventes: a razão molar óleo/álcool (1:8, 1:6 e 1:4), a quantidade de co-solvente adicionado (30, 20 e 10%, v/v) e o tempo de reação (48, 36 e 24h). A avaliação do processo foi inicialmente seguida pelo rendimento da reação, a fim de identificar as melhores condições, sendo substituída posteriormente pela quantificação do teor de ésteres por cromatografia em fase gasosa. O biodiesel com teor de ésteres mais elevado foi produzido nas condições correspondentes a uma razão molar óleo:álcool de 1:4, com 5g de Lipozyme TL IM como catalisador, 10% co-solvente (hexano, v/v), à temperatura de 35 ºC durante 24h. O rendimento do biodiesel produzido sob estas condições foi de 73,3%, traduzido em 64,7% de teor de ésteres etílicos. Contudo o rendimento mais elevado que se obteve foi de 99,7%, para uma razão óleo/álcool de 1:8, 30% de co-solvente (hexano, v/v), reação durante 48h a 35 ºC, obtendo-se apenas 46,1% de ésteres. Por fim, a qualidade do biodiesel foi ainda avaliada, de acordo com as especificações da norma EN 14214, através das determinações de densidade, viscosidade, ponto de inflamação, teor de água, corrosão ao cobre, índice de acidez, índice de iodo, teor de sódio (Na+) e potássio (K+), CFPP e poder calorífico. Na Europa, os ésteres etílicos não têm, neste momento, norma que os regule quanto à classificação da qualidade de biodiesel. Contudo, o biodiesel produzido foi analisado de acordo com a norma europeia EN14214, norma esta que regula a qualidade dos ésteres metílicos, sendo possível concluir que nenhum dos parâmetros avaliados se encontra em conformidade com a mesma.

Produção de Biodiesel em reator de ultrassons

A contínua subida dos preços dos combustíveis fósseis tradicionais aliada à crescente pressão por parte de várias instituições mundiais para uma política “verde” no que diz respeito aos combustíveis, levam a um aumento da procura dos biocombustíveis e é neste contexto que surge o biodiesel como um dos principais intervenientes. O biodiesel pode ser definido como um derivado éster monoalquílico de ácidos gordos de cadeia longa proveniente de fontes renováveis como óleos vegetais ou gorduras animais e que apresenta características semelhantes ao diesel de petróleo, podendo ser utilizado sem qualquer problema em motores de ignição por compressão. Este trabalho apresenta como principal objetivo o estudo da aplicação da tecnologia de ultrassons na produção de biodiesel. Foi utilizado neste trabalho como matéria-prima um óleo doméstico usado. Este óleo foi previamente filtrado sendo depois analisado o seu índice de acidez para avaliar o seu teor em ácidos gordos livres. O valor obtido para o índice de acidez do óleo foi de 1,91 mg KOH/g, um valor relativamente baixo permitindo a sua utilização sem ser necessário um tratamento inicial via esterificação para diminuir a acidez do mesmo. Foram realizados três ensaios de reação independentes, o primeiro recorrendo ao método tradicional de produção de biodiesel através de transesterificação e recorrendo a agitação mecânica e aquecimento, o segundo utilizando uma sonda de ultrassons com a potência de 500 W e um terceiro ensaio de reação utilizando uma sonda de ultrassons de 2000 W. Em todas as reações foi utilizada uma proporção de 1:5 de óleo usado e metanol e 0,5 % (em relação á massa de óleo utilizada) de catalisador metilato de sódio. Todas as alíquotas recolhidas durante os ensaios foram analisadas através de cromatografia gasosa de modo a determinar o conteúdo em ésteres presente em cada uma delas. A reação convencional teve uma duração total de 150 minutos e decorreu a uma temperatura de 65ºC e a agitação constante de 500 rpm. Ao longo da reação foram retiradas alíquotas de cerca de 25 ml, que foram tratadas de imediato e posteriormente analisadas de modo a estudar-se o comportamento da reação ao longo do tempo. A percentagem de ésteres metílicos no biodiesel obtida ao fim de 90 minutos foi de 81,3%. Em seguida realizou-se uma reação utilizando uma sonda de ultrassons de 500 W de potência mergulhada num recipiente reacional devidamente isolado com uma rolha de cortiça de modo a minimizar as perdas de metanol por evaporação. O tempo total de reação foi de 90 minutos e foram-se retirando alíquotas de cerca de 25 ml para acompanhar o desenrolar da reação, tendo-se obtido uma percentagem de ésteres metílicos de 85,9% ao fim dos 90 minutos. Foi realizada por fim um terceiro ensaio de reação utilizando uma sonda de 2000 W com uma duração total de 90 minutos, tendo-se obtido resultados pouco satisfatórios (77,7%), provavelmente devido a algum problema operacional relacionado com a sonda de ultrassons utilizada ou devido a uma geometria do reator pouco eficiente. Os produtos resultantes da reação convencional e da reação utilizando a sonda de ultrassons de 500 W, assim como o óleo utilizado como matéria-prima foram caracterizados em termos de índice de acidez, densidade a 15ºC e viscosidade a 40ºC.

Aspectos analíticos da resposta do detector de ionização em chama para ésteres de ácidos graxos em biodiesel e alimentos

The analysis of fatty acid (FA) esters by gas chromatography and flame ionization detector (FID) normally uses the normalization method. However, if one FA is wrongly estimated, the results could be greatly affected. In this study, methodologies using internal standards and correction factors for the FID response are described. The results show that by using theoretical correction factors associated to the internal standardization, the quantitative analyses of the FAs are expressed in mass, increasing the accuracy and facilitating the interpretation and comparison of the results for foods and biodiesels.