DETERMINACIÓN DE ETANOL EN CERVEZA POR CROMATOGRAFÍA DE GASES

John Freddy Rios Coral COD: 1154740Isabel Cristina Rios COD: 1054303David Fernández COD: 1056679

Laboratorio de Análisis InstrumentalTecnología QuímicaUniversidad del Valle11 de Junio de 2013

RESUMEN

DATOS, CÁLCULOS Y RESULTAOS

Para realizar la curva de calibración se uso una solución de etanol y 1-propanol como patrón interno, se les midió el área a diferentes concentraciones y se hizó la relación de área entre los dos picos. Los datos para esta se muestran en la tabla No. 1 y con estos se realiza la gráfica No. 1 relación de área vs porcentaje de etanol (v/v).

Tabla No. 1 Relación del área de la solución de etanol.

0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.50.3491

0.6491

0.9491

1.2491

1.5491

1.8491f(x) = 0.743902591317056 x − 0.00573435625756713R² = 0.998894456158344

% (v/v) de etanol

Rela

ción

de

área

% (v/v) Relación de área

0.5 0.3491

1.0 0.7461

1.5 1.1216

2.0 1.5038

2.5 1.8301

Ecuación No. 1 Ecuación No. 2

Ecuación No. 3 Ecuación No. 4

Con la gráfica anterior se calcula la cantidad de etanol en la alícuota mediante la siguiente ecuación, a la cual se le hicierón 4 lecturas y se obtuvo un promedio de relación de área de 0.6989. Los intervalos de confianza se realizaron al 95% con la tn-2 de 3,18.

Relacióndeárea±0.02259=¿

% (v /v )=Relaciónde área+0.0057340.7439% ¿¿¿

0.6989+0.00570.7439

= (0.9472±0.0731 )% (v / v)

Con estos datos se procede a determinar la cantidad de etanol en la muestra.

(0.9472±0.0731 )%(v /v)∗(100.0±0.2 )mL

(25.00±0.06 )mL=(3.8±0.3 )%(v /v )

LD=3SRb

LC=10SRb

Para calcular los límites de detección (LD) y de cuantificación (LC) se hace uso de las ecuaciones 1 y 2, teniendo en cuenta las diluciones realizadas y que el SR es 0.02259 se obtiene como resultado

LD=0.4% ( v /v )deetanol LC=1.2% ( v /v )de etanol

Para calcular la eficiencia de a columna en términos del número de platos teóricos (N) y la altura equivalente a un plato teórico (H), del etanol y el patrón interno en la muestra, se hace uso de las ecuaciones 3 y 4.

N=16 (tRW

)2

H= LN

Donde tR es el tiempo de retención; W es la anchura del pico y L es la longitud del relleno de la columna.

Número de platos teóricos para el etanol

N=16 ( 2.4min0.0533min

)2

=3.2¿104

Número de platos teóricos para el patrón interno

N=16 ( 3.4min0.0954min

)2

=2.0¿104

Grafica No. 1 Relación de las áreas de los picos de etanol y 1-propanol en función de la concentración de etanol.

Número total de platos teóricos N totales=N etanol+N patroninterno

N totales=3.2∗104+2.0¿104=5.2¿104

Altura equivalente a un plato teórico

H=3.0¿104mm

5.2¿104=0.6mm

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En la cromatografía de gases (CG), la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna cromatográfica, la elución se produce por el flujo de una fase móvil de un gas inerte, a diferencia de otros tipos de cromatografía, la fase móvil no interacciona con las moléculas del analito, ya que su única función es transportar el analito a través de la columna. [1] El desarrollo de esta técnica, se debe a su gran sensibilidad, a su polivalencia, a la rapidez de la puesta a punto de análisis nuevos y a las posibilidades de automatización que acrecientan más su interés, en esta los compuestos deben estar en estado gaseoso, el análisis de líquidos o solidos implica poder transformarlos en vapor por calentamiento. Es sin duda el principal obstáculo antes de elegir esta técnica, puesto que limita su empleo al estudio de compuestos moleculares termostables y suficientemente volátiles. [2]

La determinación de etanol por CG se realizó con un cromatógrafo de gases Hewlett Packard. El equipo contiene un inyector, una columna y un detector. En este como fase móvil se utiliza helio proveniente de un cilindro bajo presión, este gas portador, debe estar exento de trazas de hidrocarburos, de vapor de agua y de oxígeno, ya que se comportan como impurezas perjudiciales para la fase estacionaria y puede disminuir la sensibilidad en el detector. La naturaleza del helio no modifica de forma significativa los valores de los coeficiente de distribución K del etanol, como consecuencia de la ausencia de interacción entre gas y disoluciones, al ser la temperatura el único factor de modificación importante. Sin embargo, la viscosidad y la velocidad del gas en la columna tiene una influencia sobre la dispersión de los compuestos en la fase estacionaria y sobre la eficiencia y la sensibilidad de la detección (figura No. 1). [3] Tiene un inyector de vaporización directa, consiste en un tubo metálico doblado, forrado de vidrio de tipo insert, recorrido por el helio y calentado a una temperatura de 200°C. La aguja de la micro-jeringa que contiene la muestra atraviesa una de las extremidades del inyector obturada por una pastilla de un elastómero de silicona (septum), la otra extremidad está ajustada a la columna también calentada (figura No. 2). La totalidad de la muestra introducida es inmediatamente vaporizada, y pasa a la columna en varios segundos.

La columna es de tipo capilar (figura No. 3), es mucho más estrecha y suele ser mucho más larga que una columna empacada. La Hewlett Packard INNOWax está hecha de sílice fundida muy pura, obtenida por combustión de tetraclorosilano (SiCl4) en una atmosfera de oxígeno. El diámetro interno del tubo es de 0.5 µm tiene un espesor de 0.32 mm y una longitud de 30 m. Esta columna se hace menos frágil gracias a un revestimiento externo de un polímero térmicamente estable de alto peso molecular, en este caso el poli-etilenglicol, sirve para compuestos polares, también para compuestos como glicoles, alcoholes, éteres, aceites esenciales. Una fase estacionaria líquida inmovilizada debe cumplir con unas propiedades como la baja reactividad, baja volatilidad, el punto de ebullición de la fase estacionaria debe ser al menos 100 °C mayor que la máxima temperatura alcanzada en el horno, debe tener una estabilidad térmica, para evitar su descomposición durante la elución. [4]

Po ultimo está el detector, en este caso se utilizó un de ionización de llama prácticamente considerado universal para compuestos orgánicos, donde la corriente gaseosa que sale de la columna penetra en la llama de un pequeño quemador alimentado por una mezcla gaseosa H2 y aire. Este detector destruye la muestra, cuya combustión produce iones y partículas cargadas responsables del paso de una corriente iónica extremadamente débil (10-12 A) entre dos electrodos. Las extremidad del quemador sirven de electrodo de polarización, mientras el segundo electrodo, de forma anular, rodea la llama (figura No. 4). Luego esta se amplifica la señal por un electrómetro la cual el registrador la convierte en señal de salida de área. [1]

La calibración por el método del estándar interno, se utiliza con frecuencia en el análisis cuantitativo para compensar posibles errores derivados de la manipulación de la muestra. Este método consiste en esencia en añadir una cantidad conocida de un compuesto patrón a la muestra a analizar antes de realizar con ella cualquier manipulación; en el cromatógrama, aparecen los picos correspondientes al analito y al patrón añadido. De la relación entre el área de ambos, se calcula la cantidad de analito existente en la muestra. Para efectuar el calibrado en este método, se presentan disoluciones de concentración creciente del compuesto a analizar a las que se añade una cantidad idéntica en todos los casos del etanol patrón; tras obtener los correspondientes coromatógramas, se representa la concentración del etanol a cuantificar en función de la relación de los picos etanol/1-propanol, con lo que se obtiene la (grafica No. 1) en la que es posible interpolar la relación de los dos picos. Un producto para ser utilizado como patrón interno debe dar un pico totalmente resuelto de los de la mezcla a analizar, el pico del compuesto patrón debe estar situado en el cromatógrama en las proximidades de los picos de interés, a lo largo de todo el proceso de análisis, debe tener un comportamiento similar al de los compuestos a cuantificar, debe ser químicamente estable, frente a los componentes de la muestra como frente a los compuestos que se puedan utilizar durante el proceso del análisis. [5]

Por esta técnica se obtiene que la cantidad de etanol en la muestra de cerveza es de (3.8 ± 0.3) % (v/v), la determinación de este por CG fue óptima al obtener resultados similares a los reportados en la etiqueta de la cerveza. Se obtuvieron los límites de detección y de cuantificación de 0.4 y 1.2 % (v/v) de etanol respectivamente, indicando la cantidad de analito presente derivada de la menor señal analítica que puede ser medida con precisión y exactitud. También se obtuvo la cantidad total de platos teóricos de 5.2 * 104, que indican la eficiencia de la columna, cuanto mas elevado sea el número de platos se consideran más eficiente la columna. Una eficiencia de la columna alta es útil, ya que se requiere menos separación entre los picos (lo que implica valores del factor de separación inferiores). En las fases estacionarias en las que los valores del factor de separación son bajos, se requiere el uso de columnas más eficientes. Otra medición de la eficiencia de la columna es la altura equivalente a un plato teórico, el cual es igual en este caso a 0.6 mm, cuanto más corto sea cada plato teórico, mayor será el número de platos incluidos a lo largo de la columna, esto se traduce en un número mayor de platos por metro y una mayor eficiencia de la columna. [4]

Figura No. 1 Eficiencia en función de la naturaleza y de la velocidad del gas portador. [1]

Figura No. 2 inyección de vaporización directa. [1]

Figura No. 3 Detector de ionización de llama (FID). [1]

PREGUNTA

¿Explique clara y concretamente los diferentes métodos de inyección utilizados en CG y cuál es su utilidad?

Inyección con división:Este modo de inyección se usa para soluciones relativamente concentradas en donde el analito compone el mas del 0.1% de la muestra, si inyectan por medio de una micro jeringa con la cual se atraviesa un septum agregándose volúmenes del orden de los µL que posteriormente son evaporizados pero debido a las altas concentraciones de analito que pueden saturar la columna es necesaria hacer una división en la salida de la cámara de mezclado, en donde se deja pasar aproximadamente 0,2 o 2% a la columna y el resto es desechado por medio de la válvula de Split, esta porción se le denomina razón de división, la cual puede ser programable según el análisis (Figura No. 4).En análisis este sistema de inyección tiene dos inconvenientes a causa de la división se pierde sensibilidad lo cual aumenta los límites de detección y la discriminación de compuestos cuando llegan al detector por estar a una concentración relativamente baja pero se logran unos picos cromatográficos muy finos y con buena resolución lo que quiere decir que hay una buena separación. [6]

Figura No. 4. Sistema de Inyección de “split”.[7]

Este sistema de inyección se usa para muestras que contienen concentraciones de analitos menores al 0,01%, comparte muchas similitudes en cuanto a partes pero solo se diferencia en que no tienen una cámara de mezcla y de un punto de división, en este método de inyección se pierde aproximadamente el 20% de la muestra que ingresa a la columna, al interior de este sistema se manejan temperaturas más bajas que el punto de ebullición de los compuestos más volátiles, se da el efecto de la condensación del solvente que conlleva a picos estrechos, debido a que los compuestos más volátiles se eluyen primero y se debe aumentar la temperatura para eluir los compuestos de mayor punto de ebullición.La principal ventaja de usar este sistema de inyección es la sensibilidad al no haber división de la muestra lo cual es útil para el análisis de analitos a nivel de trazas pero el efecto de la condensación del solvente hace que los picos sean más estrechos lo que no es bueno para un análisis cuantitativo. [6]

Inyección en columna:Para este sistema de inyección se busca que la muestra sea introducida directamente sobre la columna a una temperatura menor al punto de ebullición del solvente, entonces se puede analizar compuestos termolábiles porque se da un aumento brusco después de la inyección, es importante recalcar que las aguja es de sílice fundida con un diámetro de 0.15mm, la cual están fina que no puede romper el septum es por ellos que se usa un sistema de válvulas y guías para lograr la inyección de la muestra a la columna las cuales deben ser de 0,25 a 0,30mm para una buena resolución.La ventaja que ofrece este sistema de inyección es que no hay discriminación de los compuestos, buena precisión, no se altera la muestra y a adecuado para compuestos inestables térmicamente. [6]

Figura No. 5 Esquema de inyección “on-column”.[7]

Inyectores de espacio de cabezaEste sistema se puede usar para muestras sólidas, ya que lo que se hace es almacenar la muestra de forma hermética con un gas inerte en un vial y donde después son calentados en un horno una temperatura constante que genera la evaporización de las muestras, el análisis empieza cuando hay un equilibrio de fases o la presión de vapor parcial de los analitos sea igual a la presión de vapor a la que se esté trabajando causando un aumento en la presión en el espacio de cabeza del vial, al llegar a este punto una jeringa termos atizada que es controlada por un sistema de presurización hace el muestreo y posteriormente es depositada en la columna.[8]

Válvulas de inyección de gases

Son sistemas de 6 vías con bucles de capacidad variable así como los de HPLC pero se utilizan para el muestreo de gases de forma automática, más precisa y es muy útil si se tiene varias muestras.

Figura No. 6 Esquema de una válvula de inyección de gases.[7]

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

[1] Skoog D., Holler F. y Nieman T.; Principios de Análisis instrumental; 5ª Ed. Mc GRAW HILL, España 2001; pág. 738, 739, 759, 765, 770, 771.[2] Rouessac F. y Rouessac A.; Análisis Químico: Métodos y Técnicas Instrumentales Modernas; 1ª Ed. Mc GRAW-HILL, España 2003; pág. 60-73.[3] http://mmrc.caltech.edu/GCMS/6890-operating-manual.pdf (Act: año 2000)[4] Guía de selección de columnas Agilent J&W para CG; 1ª Ed. Agilent Technologies, EE.UU 2010; pág. 4, 7, 8. [5]http://www.mncn.csic.es/docs/repositorio//es_ES//investigacion/cromatografia/principios_de_cromatografia.pdf (Act: año 2009)[6] Harris D.; Análisis Químico Cuantitativo; 3ª Ed. Grupo Editorial Iberoamérica S.A. de C.V., México 1992; pág. 665-637.[7]http://www.mncn.csic.es/docs/repositorio//es_ES//investigacion/cromatografia/cromatografia_de_gases.pdf (Act: año 2009)[8]A_EFoSw&hl=es&sa=X&ei=Kz6xUeeXE4vFywHz3oCgAg&ved=0CCoQ6AEwAA#v=onepage&q=Inyectores%20de%20espacio%20de%20cabeza&f=false (Act: no data)