O que é Cromatografia Gasosa (CG)?

Cromatografia Gasosa

Desafios e Benefícios da Cromatografia Gasosa na Análise de Biogás

O que é cromatografia gasosa (CG)? 

A cromatografia gasosa (CG) possibilita a determinação da composição de uma amostra de gás. A CG corresponde a um grupo de técnicas analíticas, usadas em química orgânica, para separação e quantificação de compostos voláteis (evaporáveis) que podem ser vaporizados sem decomposição.

Qual equipamento é utilizado para realizar a análise de cromatografia gasosa? 

O equipamento principal para análise de cromatografia gasosa (CG) é o Cromatógrafo a Gás, também conhecido como CG ou GC (gas chromatography). Entre os principais componentes de um cromatógrafo a gás estão:

• Injetor: local onde a amostra gasosa é introduzida no sistema.
• Coluna: tubo longo e fino preenchido com uma fase estacionária, onde ocorre a separação dos componentes da amostra.
• Forno: controla a temperatura da coluna, influenciando a separação dos gases.
• Detector: iIdentifica e quantifica cada gás à medida que sai da coluna.
• Sistema de controle de fluxo: controla o fluxo dos gases carreadores através da coluna.
• Computador: processa os dados obtidos pelo detector e gera o cromatograma.

Outros equipamentos complementares:

• Bombas de vácuo: criam o vácuo necessário para a operação do detector.
• Cilindros de gás: fornecem os gases carreadores utilizados na análise.
• Sistemas de tratamento de gás: removem impurezas do gás antes da análise.
• Software de análise de dados: permite o processamento dos dados obtidos pelo detector e a geração de relatórios.

Tipos de detectores em CG 

• Detector de condutividade térmica (TCD): detector simples e robusto, ideal para quantificar os principais componentes do biogás, como metano, CO₂ e N₂.
• Detector por espectrometria de massa (MS): detector mais sofisticado, permite identificar e quantificar uma ampla gama de compostos presentes no biogás, incluindo gases traço e compostos voláteis de enxofre.

Cromatógrafo a Gás: fatores a considerar na escolha do equipamento 

• Tipo de análise a ser realizada: a escolha do detector e de outros componentes do cromatógrafo depende do tipo de análise que se deseja realizar.
• Sensibilidade do detector: aA sensibilidade do detector deve ser adequada para detectar os compostos de interesse na amostra.
• Resolução da coluna: a resolução da coluna deve ser suficiente para separar os componentes da amostra de forma eficiente.
• Faixa de temperatura do forno: a faixa de temperatura do forno deve ser compatível com a temperatura de vaporização dos compostos da amostra.
• Facilidade de uso: o cromatógrafo a gás deve ser fácil de usar e operar.
• Custo: o custo do cromatógrafo a gás deve ser compatível com o orçamento disponível.

Funcionamento do cromatógrafo a gás: princícpio básico 

Imagine uma corrida de gases! No cromatógrafo a gás (CG), cada gás é como um atleta único, correndo em uma pista especial. Nessa pista, há duas partes importantes: a fase móvel, que é um gás que empurra os “atletas” adiante, e a fase estacionária, que é a pista onde eles correm e que pode ser composta de um líquido ou sólido revestindo o interior de uma coluna.

À medida que os gases correm pela pista, eles interagem de maneiras diferentes com a fase estacionária. Alguns gases têm maior afinidade com a fase estacionária e, portanto, correm mais devagar. Outros têm menos afinidade e correm mais rápido. Essas diferenças de velocidade e afinidade fazem com que os gases se separem ao longo do percurso.

Ao final da corrida, cada gás atinge o detector em tempos diferentes, revelando suas identidades (quais gases estão presentes) e quantidades (a concentração de cada gás). Assim, o cromatógrafo a gás permite analisar e identificar os componentes de uma mistura gasosa de forma precisa e eficiente.

• Dica de vídeo no youtube: confira a aula da Profa Tati Oldoni sobre cromatógrafo a gás
• Profa. Tati Oldoni, UTFPR – Aula sobre as principais partes que compõem um cromatógrafo a gás (2021) 

Cromatografia gasosa (CG) no setor de biogás 

No mundo do biogás, a cromatografia gasosa (CG) desempenha o papel de um maestro, orquestrando a análise da composição gasosa com precisão. Ela nos permite identificar e quantificar os principais componentes do biogás, como metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂) e nitrogênio (N₂). Além disso, a CG é capaz de detectar a presença de gases em traço e compostos voláteis, proporcionando uma identificação precisa de diversos elementos presentes no biogás.

Através da CG, podemos analisar detalhadamente a composição do biogás, essencial para otimizar processos de produção e garantir a qualidade do biocombustível. Com essa técnica, é possível identificar impurezas e componentes que podem afetar a eficiência e segurança da utilização do biogás, auxiliando na tomada de decisões e na melhoria contínua do setor.

A análise de CG possibilitar identificar elementos presentes no biogás, de compostos como:

• Hidrocarbonetos monoaromáticos e poliaromáticos
• Alcanos
• Cicloalcanos
• Compostos orgânicos derivados de Álcoois, Cetonas, Ésteres, Furanos, Aldeídos
• Compostos orgânicos de enxofre
• Compostos orgânicos halogenados
• Alcenos
• Siloxanos

Análise do biogás a partir da CG 

• Garante a Qualidade do Biogás com alta precisão: a CG garante que o biogás atenda aos padrões de qualidade exigidos para diferentes aplicações, como geração de energia, produção de biocombustíveis e injeção na rede de gás natural.
• Otimiza a Produção: através da análise da composição do biogás ao longo do processo de digestão anaeróbia, é possível identificar falhas e otimizar as condições para maximizar a produção de metano e outros gases úteis.
• Monitora a Contaminação: a CG atua como uma feramenta e controle de qualidade, detectando a presença de contaminantes no biogás que podem danificar os equipamentos ou prejudicar a qualidade do gás.
• Impulsiona a Pesquisa e o Desenvolvimento: a CG abre portas para pesquisas sobre novas tecnologias de produção de biogás, desenvolvimento de novos materiais para biorreatores e aprimoramento dos processos de tratamento e purificação do biogás. Até mesmo pode contribuir para desenvolvimento e técnicas e metodologias com menores custos, mais práticas e que atenda determinadas demandas dentro de margens de leitura e margens de erros consideradas.

CG - Analisando o biogás passo a passo

• Preparação da Amostra: o biogás é coletado e acondicionado em um recipiente hermético para garantir a integridade da amostra.
• Injeção da Amostra: uma pequena quantidade da amostra gasosa é injetada na coluna da CG.
• Separação dos Gases: Oos gases se separam na coluna, percorrendo-a em velocidades diferentes.
• Detecção dos Gases: Uum detector identifica e quantifica cada gás à medida que ele sai da coluna.
• Análise dos Resultados: os dados obtidos são processados por um computador, gerando um cromatograma que revela a composição do biogás.

Desvantagens da CG em projetos de pequena escala

O uso da cromatografia gasosa (CG) em projetos de biogás em pequena escala, especialmente em áreas rurais ou pequenas agroindústrias, apresenta algumas desvantagens significativas:

• Custo Inicial Elevado: os cromatógrafos a gás são equipamentos caros. O investimento inicial para adquirir um cromatógrafo pode ser proibitivo para pequenos produtores rurais ou pequenas agroindústrias, que muitas vezes operam com orçamentos limitados.
• Manutenção e Suporte Técnico: a manutenção de cromatógrafos a gás requer técnicos especializados e peças de reposição que podem não estar facilmente disponíveis em áreas rurais. O custo e a dificuldade de manutenção podem ser um obstáculo significativo.
• Necessidade de Treinamento Especializado: operar um cromatógrafo a gás e interpretar os resultados exige treinamento especializado. Pequenas empresas ou produtores rurais podem não ter pessoal qualificado disponível e a formação pode representar um custo adicional.
• Complexidade do Equipamento: cromatógrafos a gás são equipamentos complexos que exigem um ambiente controlado para funcionar corretamente. Isso pode incluir a necessidade de um espaço com controle de temperatura e um fornecimento constante de gases de alta pureza para a fase móvel, o que pode ser difícil de manter em ambientes rurais.
• Custo de Operação: além do custo inicial, a operação contínua do cromatógrafo a gás pode ser cara. Isso inclui custos de consumíveis, como gases de arraste de alta pureza (geralmente hélio ou nitrogênio), colunas cromatográficas e outros materiais necessários para as análises.
• Infraestrutura Limitada: muitas áreas rurais podem não ter a infraestrutura necessária para suportar a instalação e operação de um cromatógrafo a gás, como qualidade no fornecimento da energia elétrica da rede da concessionária para eletricidade estável; espaço físico adequado, e condições ambientais de temperatura e umidade controladas.
• Alternativas Mais Simples: Para muitas aplicações de biogás em pequena escala, métodos de análise mais simples e menos dispendiosos, como kits de teste químico ou analisadores portáteis de biogás, podem ser suficientes para monitorar a qualidade do biogás sem a necessidade de uma análise detalhada que a CG fornece.

Considerações Finais 

A cromatografia gasosa (CG) se destaca como uma ferramenta analítica essencial para a análise e otimização do biogás, proporcionando uma separação e quantificação precisa dos seus componentes.

Apesar das vantagens significativas, como a garantia da qualidade e a capacidade de identificar contaminantes, a CG enfrenta desafios em projetos de pequena escala devido ao seu alto custo inicial, manutenção complexa e necessidade de treinamento especializado.

Assim, enquanto a CG é indispensável para análises detalhadas e avançadas em grandes instalações, alternativas mais simples e econômicas podem ser mais viáveis para pequenas agroindústrias e produtores rurais.

Este equilíbrio entre precisão e praticidade deve ser cuidadosamente considerado para maximizar a eficiência e viabilidade dos projetos de biogás em diferentes contextos.

Referências Bibliográficas Consultadas

• HILAIRE, F. et al. Comprehensive two-dimensional gas chromatography for biogas and biomethane analysis. Journal of Chromatography A, v. 1524, p. 222-232, 2017. DOI: 10.1016/j.chroma.2017.09.071
• NASCIMENTO, Ronaldo Ferreira do et al. Cromatografia gasosa: aspectos teóricos e práticos. 2018. Editora: Imprensa Universitária (UFC) ISBN: 978-85-7485-326-0. Disponível em: < researchgate.net > 
• Universidade Federal de Juiz de Fora, aula de química, Separação de Substâncias – Cromatografia (2018)
• Universidade Federal de Juiz de Fora, aula de química, Separação de Substâncias – Cromatografia, histórico (2016)
• Embrapa, Seminário de Química: CG Princípios Básicos, apresentação Dr. Marcelo Del Grande, Químico de Aplicação, SINC do Brasil
• Merck - Cromatografia gasosa (GC)
• ↓ Profa. Tati Oldoni, UTFPR – Aula sobre as principais partes que compõem um cromatógrafo a gás (2021) 

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Até breve!

Série de posts “Grânulos do Saber”

O que são grânulos?

Sobre processos anaeróbios, em algumas condições há a formação de estruturas constituídas por micro-organismos anaeróbios, os grânulos anaeróbios.

Essas estruturas (aglomerados de diferentes micro-organismos) possibilitam de forma mais eficiente a transferência de nutrientes e favorecem a sobrevivência da comunidade microbiana.

Esses aglomerados de micro-organismos densamente agrupados contribuem para aceleração do processo de digestão anaeróbia, principalmente em lodos de reatores UASB.

Os grânulos anaeróbios são esferas muito pequenas e possuem uma vasta comunidade de seres vivos. Atuam na decomposição da matéria orgânica e possibilitam reciclagem de nutrientes.

Seguindo o conceito sobre “pequenas pérolas com conteúdo adensado” o Portal Energia e Biogás publica uma série de posts “Grânulos do Saber” -  pequenos posts para contribuir com disseminação de informações sobre processo de produção de biogás.

Acompanhe sempre o nosso conteúdo específico sobre a ciência por trás do processo anaeróbio e produção de biogás.

Em breve novos posts “Grânulos do Saber”.
Até logo!

Para explorar outros conceitos, acesse o nosso Glossário.

Acesse também Biogás no Brasil.

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• Digestão Anaeróbia
• Biodigestor - Reator anaeróbio
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