Fermentação

A fermentação alcoólica consiste na conversão de glicose em etanol pela ação dos microrganismos. A transformação da glicose acontece com a complexa sequência de reações, que começam com a glicólises para a obtenção de piruvato, que depois vai ser reduzido principalmente em etanol e outros compostos (Figura 9). A fermentação é um processo biológico em ausência de oxigênio ou anaeróbio por atividade metabólica das leveduras, que são as mais utilizadas nos processos fermentativos pois produzem uma quantidade inferior de toxinas, são mais resistentes a mudanças de pH e propiciam uma separação mais fácil depois da fermentação (JAY, 2000). A estequiometria global pode ser expressada pela seguinte reação química, mas na prática o rendimento real é menor que o valor teórico já que a levedura utiliza entre 5 e 10% da glicose para a produção de novas células e produção de outros produtos da metabolização.

+ → 2 + 2 + + (Equação 1)

As leveduras são usadas para metabolizar o açúcar em ambiente anaeróbio e gerar energia em forma do composto Adenosina Trifosfato – ATP usado nos processos fisiológicos e processos de biossíntese. Dentro dos produtos resultantes da excreção etanol e CO2 não tem nenhuma

utilidade metabólica para a célula anaerobiose, entretanto, o glicerol e ácidos orgânicos podem ser oxidados metabolicamente para produzir ATP em condições de aerobiose (PORTO, 2005).

A sequência de reações enzimáticas na produção de energia (ATP) intrínsecas a rota metabólica para formação de etanol e CO2, tem rotas alternativas para propiciar a formação de materiais

necessários para a célula, (polissacarídeos, lipídeos, proteínas, ácidos nucleicos, entre outros). O metabolismo permite a formação de outros produtos de excreção como o glicerol, ácidos succínico, ácido acético, ácido pirúvico, alcoóis superiores, acetaldeído, acetoína, butilenoglicol, além de outros compostos (Figura 9). A formação de glicerol, composto orgânico secundário de maior formação, está associada à manutenção do equilíbrio redox celular o qual é alterado através de formação de ácidos orgânicos, células e pela presença de sulfitos no mosto. A formação de glicerol também está relacionada ao estresse osmótico em concentrações elevadas de açúcares ou de sais (MOURA et al., 2012).

29 Figura 9 - Metabolismo anaeróbio da Saccharomyses cerevisiae.

Fonte: (VOLPE, 1997).

O rendimento da fermentação não depende unicamente dos equipamentos e sim da parte microbiológica do processo. A possível contaminação da matéria-prima no campo ou no processamento contribui para a contaminação bacteriana do mosto. Estes fatores devem ser prevenidos no processo de fermentação com a estabilidade na qualidade da matéria prima e melhoras no pré-tratamento do caldo. Os controles nutricionais prévios à fermentação garantem cepas com boa produtividade, estabilidade e resistência às variações de temperatura. O fornecimento de uma pequena quantidade de oxigênio na fermentação estimula nas células a

30 produção de ácidos graxos insaturados e esteroides essenciais para melhorar o funcionamento da membrana celular para aumentar a tolerância ao etanol (CAMARGO et al., 1990).

FATORES QUE AFETAM A FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

As leveduras executam uma fermentação eficiente numa temperatura entre 28 e 35ºC, temperaturas superiores afetam seu comportamento reduzindo o teor alcoólico do vinho o que representa o aumento no consumo de energia na destilação. Apesar da taxa inicial de formação de etanol ser maior à uma temperatura de 40°C, a produtividade geral diminui devido a inibição pelo produto. A temperatura do processo da fermentação representa uma etapa crítica de controle, usualmente nas usinas o vinho produzido chega a um teor alcoólico de 8,5°GL, podendo obter até 13°GL a uma temperatura de 28°C, através de sistemas de resfriamento. Esta consideração afeta drasticamente a produção de vinhaça na destilação (DIAS, 2008).

O etanol tem efeito inibitório na taxa de crescimento celular da levedura em concentrações acima de 0,15 g/L. Além do produto, o substrato também tem efeito inibidor na levedura em concentrações maiores a 150 g/L. Outros fatores que afetam o comportamento da levedura são, a qualidade da matéria prima, pH do processo aditivo químico e íons Ca e P, que promovem a formação de outros compostos inibidores (PORTO, 2005).

PROCESSO DE FERMENTAÇÃO POR BATELADA

Fermentação por batelada é um processo descontínuo caracterizado pela inoculação e incubação de microrganismos em uma dorna de fermentação, de tal forma, permitindo que a fermentação ocorra em condições ótimas. O microrganismo é inoculado num meio com nutrientes, neste caso o mosto no fermentador, e no decorrer do processo fermentativo quando seja necessário, é adicionado antiespumante para a dispersão da espuma gerada. Ao fim da fermentação a dorna é descarregada e o meio fermentado segue para tratamentos finais. Na etapa final do processo a dorna é lavada e carregada com fermento e mosto dando início a outro ciclo de fermentação (CARVALHO, SATO, 2001).

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PROCESSO “MELLE BOINOT”

O processo “Melle Boinot” é uma das rotas de fermentação por batelada caracterizada pela adição conjunta de uma fonte de carbono (caldo de cana) e o cultivo de levedura para a obtenção do etanol. Posteriormente as leveduras são recuperadas e tratadas com ácido sulfúrico para regenerar sua atividade biológica para ser reutilizada como cultivo em um novo ciclo de fermentação (Figura 10). Deste modo o consumo reduzido de substrato incrementa os rendimentos de etanol e permite uma redução na inoculação (kg levedura/kg substrato) otimizando o tempo de fermentação (14-18 horas) (LIMA et al., 2001).

Figura 10. Esquema sistema de fermentação por batelada. Fonte: (DOS SANTOS, 2008).

Depois de concluída a fermentação o vinho levedurado (leveduras em suspensão) é enviado às centrífugas que separam o vinho em duas frações: a primeira, o vinho delevedurado com teor reduzido de leveduras é enviado a uma dorna volante que alimenta a destilaria, e a segunda corresponde a uma suspensão concentrada de leveduras (Figura 10). A suspensão de leveduras é conhecida como leite de levedo que corresponde de 10 a 20% do volume da dorna e enviado a pré-tratamento durante 4 horas onde é diluído com água e pH controlado de 2,2-3,2 com ácido sulfúrico (LIMA et al., 2001).

32 A coleta dos gases de fermentação é feita para reduzir as perdas de etanol por evaporação o que podem atingir 1,5% da produção total do álcool. Os gases coletados são introduzidos numa torre de absorção para ser lavados em contracorrente com água. A água atua como agente de arraste do etanol separando-lhe do CO2, conduzindo a solução alcoólica a dorna volante (DIAS, 2008).

PROCESSO DE FERMENTAÇÃO CONTÍNUO

A fermentação contínua alimenta uma dorna com fluxo contínuo de substrato em concentração adequada de microrganismos como agente, retirando em forma contínua a mesma vazão de vinho fermentado. O vinho produzido tem uma composição uniforme o que facilita o projeto de operações de recuperação de produto (Figura 11). Este processo trabalha em condições ótimas de operação em estado estacionário, aumenta a produtividade do processo e reduz o tempo não produtivo de carga, descarga e limpeza das dornas. A fermentação contínua possibilita a associação do processo com outras operações contínuas na linha de produção e representa maior facilidade no emprego de controles avançados e automatização (FACCIOTTI, 2001).

Figura 11 - Esquema sistema de fermentação continua. Fonte: (DOS SANTOS, 2008).

As desvantagens do processo contínuo essencialmente aberto, destaca a maior ocorrência de contaminações dificultando o tratamento de infecções, necessitando manutenção em condições

33 de assepsia no sistema de alimentação e retirada de meio. A utilização de microrganismos menos produtivos pode limitar o emprego deste sistema devido a possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas (FACCIOTTI, 2001).

No processo de fermentação contínua para fermentação alcoólica é mais vantajoso trabalhar com reatores em série do que um único reator, pois a velocidade de desenvolvimento dos microrganismos é uma função da concentração do substrato e do tempo de reação. Os reatores em série permitem fermentação em meios de baixo teor de etanol, apresentando inibição por produto somente nos últimos estágios da fermentação, esgotamento total do mosto e obtenção de elevados teores alcoólicos sem intoxicação do levedo (ANDRIETTA, 1994).