Espectrômetro de som para análise de componentes majoritários em matrizes líquidas

Abstract

As ondas acústicas ou sonoras são ondas mecânicas que dependem de um meio para se propagarem e a partir de algumas propriedades como a velocidade de propagação e atenuação torna-se possível realizar medidas desta propagação, sendo a temperatura um fator importante a ser considerado. O método baseado na propagação de ondas acústicas transferidas para o meio em estudo emprega sensores acústicos para detectá-las. Uma das vantagens está no fato de ser não destrutivo, com a possibilidade de ser não invasivo e usado em aplicações de linha. Assim, pode ser utilizado para análise de várias matrizes, como alimentos, sendo bastante utilizado na análise de líquidos. Neste trabalho foi construído um espectrômetro de som para análise de componentes majoritários em matrizes líquidas, utilizando-se como transdutores, elementos piezoelétricos para uma faixa de frequência de 100 Hz a 20 kHz. Foram desenvolvidas células de diferentes tamanhos e formatos. Observou-se a importância do controle da temperatura e da distância entre os elementos piezoelétricos. Em particular, quanto maior a distância, maior a atenuação observada enquanto, abaixo de 4 mm foi observado a sobreposição de bandas. Foi possível discriminar diferentes matrizes líquidas, tais como soluções puras de sacarose, etanol, lactose, ácido acético e soluções de leites (integral e zero lactose) com auxílio da análise de componentes principais. Com auxílio da regressão por quadrados mínimos parciais, foi possível a quantificação de sacarose, etanol e ácido acético em uma mistura destes, assim como a determinação de teor alcóolico em vinhos, com um erro relativo de -3,92 a 2,35% quando comparado ao método de referência e uma estimativa do desvio padrão dos resíduos igual a 0,012. O instrumento desenvolvimento mostrou-se eficaz, prático e robusto, além de apresentar um baixo custo relativo à sua montagem. Palavras-chave: Quimiometria. Detectores. Análise de Regressão.Acoustic or sound waves are mechanical waves that depend on a medium to propagate and, based on some properties such as propagation speed and attenuation, it is possible to measure this propagation, with the temperature being an important factor to be considered. The method based on the propagation of acoustic waves transferred to the medium under study employs acoustic sensors to detect them. One of the advantages is that it is non-destructive, with the possibility of being non-invasive and used inline applications. Thus, it can be used for the analysis of various matrices, such as food, being widely used in the analysis of liquids. In this work, a sound spectrometer was built for the analysis of major components in liquid matrices, using piezoelectric elements for a frequency range from 100 Hz to 20 kHz as transducers. Cells of different sizes and shapes were developed. The importance of controlling the temperature and the distance between the piezoelectric elements was observed. In particular, the greater the distance, the greater the observed attenuation, whereas, below 4 mm, overlapping bands were observed. It was possible to discriminate different liquid matrices, such as pure solutions of sucrose, ethanol, lactose, acetic acid, and milk solutions (integral and zero lactose) with the aid of principal component analysis. With the aid of partial least squares regression, it was possible to quantify sucrose, ethanol, and acetic acid in their mixtures, as well as to determine the alcohol content in wines, with a relative error of -3.92 to 2.35% when compared to the reference method and an estimate of the standard deviation of the residuals equal to 0.012. The development instrument proved to be effective, practical and robust, in addition to having a low cost relative to its assembly. Keywords: Chemometry. Detectors. Regression Analysis.