Fermentação alcoólica em batelada alimentada

A configuração de um processo industrial de fermentação alcoólica predominantemente no Brasil é batelada alimentada com reciclo de células como esquematicamente mostrado na Figura 2.7.

Figura 2.7 Configuração típica de uma unidade de fermentação alcoólica no Brasil

O processo batelada alimentada com reciclo de células é também denominado Melle-Boinot, que corresponde à um processo industrial desenvolvido na França na década de 30 (MELLES USINES, 1932). Nessa patente foi reivindicado o processo de aumento do rendimento fermentativo através do reciclo de células em que ao final de cada batelada as células são recuperadas por filtração, centrifugação ou precipitação.

A fermentação inicia com um volume inicial (vi) que corresponde à suspensão celular (pé-de-cuba) e o substrato (mosto) é alimentado até o volume final (vf). Tipicamente o

volume de pé-de-cuba representa 1/3 do volume total útil final e 2/3 restantes correspondem ao substrato.

A retirada do calor de reação do processo de fermentação é por troca externa com trocadores de calor normalmente a placas. Os trocadores a placas são especificados com um T de 2°C no lado do vinho e de T de 2°C a 5°C no lado frio. A vazão é especificada para resfriar o volume útil em 1 hora. O cálculo da demanda térmica é calculado considerando-se 2/3 da carga térmica total da reação no período de maior conversão de etanol que corresponde as duas primeiras horas de alimentação de substrato. O calor da reação adotado na prática pelos fabricantes é de 628 kJ/ kg ART menor que o valor termodinâmico (1.305 kJ/ kg ART), pois são considerados as reações secundárias e a evaporação (COPERSUCAR, 1987).

O tempo de alimentação de substrato varia entre 4 e 6 horas e a vazão normalmente é linear para que o calor da reação não ultrapasse a máxima capacidade de troca dos trocadores. Pode ocorrer um aumento da vazão de substrato quando há sobra de área térmica e uma velocidade de conversão eficiente de forma a respeitar a quantidade de açúcares no meio em torno de 4°brix para evitar a inibição por substrato. Após o término da alimentação, ocorre uma etapa de esgotamento dos açúcares que normalmente correspondem a um período de 2 horas. Na prática, é necessário a repetição do valor da medida do brix para então liberar o biorreator para descarregar. O dióxido de carbono liberado durante a fermentação arrasta etanol em torno de 1 a 2% (v/v) e é recuperado por meio de uma coluna de lavagem instalado na saída da tubulação de exaustão dos biorreatores.

Ao final da fermentação, o vinho final é bombeado para a área de centrifugação e o biorreator é liberado para uma nova fermentação. Entre uma fermentação e outra faz-se limpeza para remover incrustações da parede do biorreator e das placas dos trocadores de calor. A centrifugação é comumente realizada em centrífugas de discos dotadas de bicos.

As centrífugas chamadas de clarificadoras utilizam o princípio da aceleração centrípeta para a separação de sólidos. A separação é realizada em um conjunto de pratos que consistem em um número de peças cônicas sobrepostas como representado na Figura

2.8. A câmara de separação fica subdividida em vários recintos individuais, de acordo com o número de pratos, pelos quais o líquido escoa em camadas finas, obtendo-se assim percursos mínimos de sedimentação para as partículas. O tambor possui canais ascendentes no qual vinho flui de baixo para cima, atravessando os canais e sendo distribuídos pelos espaços estreitos entre os pratos. As partículas sólidas acumulam-se na parede superior de cada espaço e deslizam para baixo em direção ao recinto de lodo. Essas camadas de sólidos são depositadas na extremidade externa do tambor e descarregados através de bicos ejetores. O volume de sólidos que sai pelos bicos ejetores pode ser ajustado pela área da secção transversal e o número de bicos. Para se atingir uma elevada concentração de sólidos utiliza- se bicos de orifícios menores, entretanto há um limite de acordo com o fabricante, pois aumenta as chances de entupimento (COPERSUCAR, 1987).

Figura 2.8 Centrífuga de discos com bicos

a) Representação geral b) Princípio de funcionamento

O creme de levedura com 60 a 80% (v/v) de células em base úmida é descarregado nas cubas de tratamento ácido. Essas cubas possuem agitadores e são aeradas para promover um tratamento eficaz. São acrescentados água na proporção volumétrica de 1:1 e ácido sulfúrico concentrado até atingir pH entre 2 e 3. O tempo de tratamento varia entre uma e duas horas dependendo das condições da levedura. Nessa etapa acrescentam-se antiespumante e dispersante para o controle de espumas. As remediações também são realizadas nessa etapa: quando há uma floculação resistente aplica-se um pH mais baixo e um tempo maior; aplica-se antibióticos, biocidas ou outra agente de controle de contaminação, pois alguns são mais eficazes em pH baixo; revitalização das células com adição de nutrientes,

usualmente DAP (fosfato diamônio) e ureia, e um pouco de substrato. Assim, as células de leveduras seguem uma nova fermentação em condições apropriadas. Ressalta-se que as descrições da centrifugação e tratamento ácido são comuns ao processo com reciclo de células independente da configuração da fermentação.

O processo em batelada alimentada é sincronizado com as fases de alimentação, esgotamento, descarregamento, centrifugação, tratamento ácido e limpeza, resultando em um processo que mimetiza um processo contínuo, pois sempre a maioria dos biorreatores estão ocupados. Contudo, essa forma de operação não alcança a produtividade obtida no processo contínuo. Nessa configuração batelada alimentada é possível realizar de 2,5 a 3 ciclos de fermentação por dia. O desempenho usual em rendimento fermentativo é de 88 a 91% e produtividade é de 2 a 3,5 kg etanol/m3_{.h. A concentração de etanol no vinho final depende} da qualidade do substrato, com melaço o valor típico é de 6 a 8% (v/v) e o valor típico com caldo é de 8 a 12% (v/v). O uso de melaço é mais comum na região Nordeste do Brasil e o uso de caldo é mais comum nas unidades mais novas na região Centro-Oeste. A mistura dos dois é predominante na região Sudeste.

A principal vantagem do processo em batelada alimentada é a comodidade em lidar com a contaminação. A remediação é mais rápida quando o foco é detectado, sendo uma das principais razões da predominância dessa configuração no Brasil. A principal desvantagem é a baixa produtividade quando comparado ao processo contínuo.