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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.64.2011.tde-03082011-141751
Documento
Autor
Nome completo
Carlos Roberto de Sant'Ana Filho
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2011
Orientador
Banca examinadora
Bendassolli, Jose Albertino (Presidente)
Ducatti, Carlos
Ferriolli, Eduardo
Kamogawa, Marcos Yassuo
Rocha, Fabio Rodrigo Piovezani
Título em português
Síntese de uréia enriquecida com o isótopo 13C e/ou 15N
Palavras-chave em português
13C
15N
Compostos enriquecidos
Isótopos estáveis
Uréia
Resumo em português
No presente trabalho foi sintetizada a 13CO(15NH2)2, enriquecida em 13C e/ou 15N, a partir da reação entre 13CO, 15NH3, S e CH3OH (meio líquido), sob baixa pressão e temperatura, com simultânea produção de H2S. A reação ocorreu em reator de aço inoxidável, revestido internamente com politetrafluoretileno. Inicialmente, adicionou-se S no interior do reator. Na sequência, esse foi fechado e, sob pressão reduzida (10-3 MPa) e temperatura de 4 ºC, transferiu-se o CH3OH, H2S, 15NH3 e 13CO. Logo após, o reator foi colocado em um sistema de aquecimento (100 ºC), sob agitação mecânica. Ao final do tempo de reação (150 min.), desligou-se o aquecimento e o reator foi resfriado (± 25 ºC). Os gases resultantes do processo de síntese como 15NH3 e H2S foram recuperados em soluções de H2SO4 e outra com H2O2:NaOH. Em seguida, abriu-se o reator e removeu-se a mistura (13CO(15NH2)2, CH3OH e S) que foi submetida a procedimentos (filtração à vácuo, purificação química (CH3COCH3) e física (resinas catiônica e aniônica) para retirada de impurezas. Após, a 13CO(15NH2)2 foi cristalizada (50 ºC) e realizaram-se análises físico-químicas (teor (%) de N, ponto de fusão (ºC), teor (%) de biureto, análise multielementar (mg/kg)), microbiológicas (bactérias, fungos e leveduras) e isotópicas (% em átomos de 13C e/ou 15N). No entanto, as análises isotópicas foram realizadas em um espectrômetro de massas ATLAS-MAT, modelo CH4 (determinações absolutas), com admissão de amostras já convertida na forma gasosa. Desta forma, a obtenção do 13CO2 e 15N2 foi realizada utilizando o método via seca, onde a amostra de 13CO(15NH2)2 foi oxidada com CuO à 550 ºC em tubos de vidro (borossilicato), sob vácuo. Em seguida, os gases (15N2, 13CO2 e H2O), foram conduzidos por uma linha sob baixa pressão (10-3 MPa), acoplada on line ao sistema de admissão do espectrômetro. Esse procedimento tem a finalidade de eliminar as impurezas (interferências isobáricas) e vapor de H2O, utilizando-se da criogenia, admitindo-se o 13CO2 e/ou 15N2 ao espectrômetro para análise. Com o sistema proposto, envolvendo a reação entre 15NH3, 13CO e S (6.13, 1,12 e 1,28 g, respectivamente), tendo ainda, 40 mL de CH3OH e 40 mg de H2S, foi possível obter, em média, 1,96 g de 13CO(15NH2)2 (rendimento de 81,97 %). O processo completo, por batelada, demanda um tempo de oito a doze horas de trabalho, dependendo da fonte isotópica. A 13CO(15NH2)2 sintetizada apresentou boa qualidade físico-química (46,2 % de N, ponto de fusão de 132,5 ºC, 0,55 % de biureto e teor (mg/kg) de elementos abaixo da concentração permitida pelo órgão fiscalizador) e microbiológica (< 10 UFC/g para bactéria, fungos e leveduras). Os resultados obtidos das determinações isotópicas de N e/ou C (% em átomos de 15N e/ou 13C) indicam a viabilidade do método analítico, não sendo verificada interferência nos níveis isotópicos. A utilização do sistema on line acoplado ao espectrômetro de massa proporcionou maior velocidade analítica e facilidade no preparo das amostras para determinação isotópica de C e/ou N. Ainda os custos de produção da 13CO(15NH2)2, enriquecida em 13C e/ou 15N, mostraram-se competitivo com os valores (preço FOB) de comercialização no mercado internacional
Título em inglês
Synthesis of 13C- and/or 15N-enriched urea
Palavras-chave em inglês
13C
15N
Stable isotope
Synthesis
Urea
Resumo em inglês
In the present work 13CO(15NH2)2 was synthesized from 13CO, 15NH3, S and CH3OH reaction, at low pressure and temperature, with simultaneous H2S production. The reaction proceeded in a stainless steel reactor, internally lined with polytetrafluoroethylene. Initially, S was added to the reactor and, after its shutting, under reduced pressure (10-3 MPa) and 4 °C, CH3OH, H2S, 15NH3 and 13CO were shifted. The reactor was placed in a heating system (100 °C), under magnetic stirring. At the end of the reaction (150 minutes), the heating was turned off and the reactor was cooled (± 25 °C). The resulting synthesis gases, like 15NH3 and H2S, were recovered in H2SO4 and H2O2:NaOH solutions. The mixture (13CO(15NH2)2, CH3OH and S) was removed and subjected to processes for removal of impurities (vacuum filtration, chemical and physical purification (CH3COCH3 and cationic and anionic resins, respectively)). The 13CO(15NH2)2 was crystallized (50 °C) and physico-chemical (N content (%), melting point (°C), biuret content (%), multielemental analysis (mg kg-1)), microbiological (bacteria, fungi and yeasts) and isotopic (13C and/or 15N atoms %) analyses were carried out. The 13C and/or 15N analyses were performed using an ATLAS MAT-CH4 mass spectrometer (absolute determinations), with converted samples admission into gaseous form. Thus, 13CO2, and 15N2 was obtained through dry process, where 13CO(15NH2)2 sample was oxidized with CuO at 550 ºC in borosilicate glass tubes, under vacuum. The gases (15N2, 13CO2 and H2O) were led by a line under low pressure (10-3 MPa), on-line coupled with the intake system of the mass spectrometer. This procedure aimed to eliminate impurities (isobaric interferences) and H2O vapor, using cryogenics, admitting 13CO2 and 15N2 into the spectrometer for analysis. With the proposed system, involving the reaction among 15NH3, 13CO and S (6.13, 1.12 and 1.28 g, respectively), and further 40 mL of CH3OH and 40 mg of H2S was possible to obtain, on average, 1.96 g of 13CO(15NH2)2 (81.97 % of yield). The entire process, in batches, demands eight to twelve hours, depending on the isotopic source. The 13CO(15NH2)2 showed good physico-chemical (46,2 % of N, 132,5 ºC of melting point, 0,55 % of biuret and elements content (mg kg-1) lower than acceptable limits by legislation) and microbiological quality (< 10 CFU g-1 for bacteria, fungi and yeasts). The results of 15N and/or 13C isotopic determinations indicated the feasibility of the analytical method, with no isotopic level interference. The use of the on-line system coupled with mass spectrometry provided greater analytical speed and ease of sample preparation. The production costs of 13CO(15NH2)2 were competitive with FOB values in the international market
 
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Doutorado.pdf (5.18 Mbytes)
Data de Publicação
2011-08-04
 
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  • SANT ANA FILHO, C. R., et al. Synthesis of 15N-enriched urea(CO(15NH2)2) from 15NH3, CO, and S in a discontinuous process [doi:10.1590/S0104-66322012000400011]. Brazilian Journal of Chemical Engineering [online], 2012, vol. 29, n. 4, p. 795-806.
  • SANT ANA FILHO, Carlos R., et al. SÍNTESE E CONTROLE DE QUALIDADE DA UREIA ENRIQUECIDA EM 13C PARA DIAGNÓSTICO DA Helicobacter pylori [doi:10.1590/S0100-40422013000100020]. Química Nova [online], 2013, vol. 36, n. 1, p. 107-113.
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