3 PROCESSOS DE UMA PLANTA INDUSTRIAL ATUAL
3.5 Fermentação
O caldo resultante do tratamento do caldo é resfriado e enviado para a área da fermentação, onde é depositado em dornas (grandes tanques) para que seja realizado o processo de fermentação.
O processo de fermentação alcoólica consiste em uma série de reações químicas catalisadas pela levedura Saccharomyces cerevisiae, que ocorre em condições anaeróbicas. A seqüência de reações pode ser resumida como:
Sacarose + Levedura = Etanol + CO2
O reagente do processo fermentativo é o mosto, que é composto por um caldo de cana tratado, com concentração ideal para o bom desempenho do processo fermentativo, controlada através da adição de xarope e/ou água. O principal componente do mosto é a sacarose, que é convertida em glicose e frutose:
6 12 6 11 22 12H O +H O 2C H O C 2 →
O etanol é produzido a partir da conversão de glicose, conforme a equação:
2 CO + OH H O H C6 12 6 →2C2 5 2
O rendimento estequiométrico da reação é de 0,511 g etanol/g glicose, possuindo um rendimento na fermentação alcoólica industrial em média de 90%.
O processo industrial de fermentação é executado de duas maneiras: a fermentação por batelada e a fermentação contínua. A figura 3.9 resume os equipamentos desse processo. Este estudo irá detalhar cada uma dessas formas.
3.5.1
Fermentação Batelada
O processo de fermentação por batelada com reciclo de células, ou processo Melle-Boinot, é o principal tipo de fermentação utilizado atualmente nas usinas, sendo empregado por cerca de 85% das usinas filiadas ao CTC.
O processo é realizado através do preenchimento das dornas de fermentação de mosto e fermento, além dos produtos químicos necessários para manter estável a fermentação, a saber: anti-espumante e dispersante. O tempo de enchimento demora entre 2 a 5 horas em média e o tempo total de fermentação é de 10 a 15 horas para que se possa retirar o vinho levedurado, resultado da fermentação, que é encaminhado para as centrífugas.
O vinho levedurado possui teor alcoólico dependente da concentração de mosto (quantidade de açúcar a ser fermentada) e do rendimento da fermentação, que está diretamente relacionado com o controle da injeção de mosto e do controle de temperatura da fermentação: quanto menor a temperatura maior o grau alcoólico. Atualmente, as usinas utilizam o processo fermentativo entre 25ºC a 33ºC para obter bom teor alcoólico com um tempo de fermentação viável; entretanto, já existem usinas testando temperaturas mais baixas.
A corrente rica em levedo é direcionada para os pré-fermentadores (pé de cuba), para que ocorra o tratamento dos levedos através da adição da água e ácido sulfúrico, que, no final, retorna para o processo de fermentação. O vinho delevedurado é a matéria-prima para os processos de destilação.
É interessante notar que as plantas industriais que utilizam esse processo de batelada podem gerenciar o número de dornas e tempo de fermentação, para que o sistema trabalhe de modo contínuo.
3.5.2
Fermentação Contínua
O processo de fermentação contínua ocorre através da adição e retirada de forma contínua e constante do reator, mantendo-se assim o volume reacional constante.
O processo de fermentação contínua utilizado na indústria consiste em cerca de 3 a 5 reatores de mistura ligados em série com reciclo de células (figura 3.10).
O primeiro reator da série recebe o mosto, proveniente da unidade de tratamento de caldo, e a levedura, proveniente da seção de tratamento do fermento, que, por sua vez, recebeu a levedura utilizada nos reatores após passagem pelas centrífugas. Cada reator possui um sistema de resfriamento (trocador de calor a placas) independente, de modo a manter a temperatura da reação em níveis adequados (28 a 35°C), já que a reação de conversão de glicose a álcool etílico é exotérmica.
A alimentação do segundo reator é constituída pelo produto da primeira, que já possui certa quantidade de etanol, além de levedura, água e açúcares. Cada reator recebe como alimentação o produto do reator anterior. O produto do quarto reator é chamado de vinho levedurado, que é uma solução diluída de etanol que contém água, etanol, células de levedura, açúcares não consumidos e outros produtos formados no decorrer da reação de fermentação.
O vinho levedurado vai para as centrífugas para recuperação da levedura, sendo obtidos dois produtos: vinho delevedurado, que é purificado nas unidades de destilação e desidratação, e o creme de levedura, que é composto por uma solução concentrada de células de levedura e é encaminhado à seção de tratamento de fermento.
No caso da fermentação alcoólica, que é um processo que apresenta a velocidade de desenvolvimento do microorganismo como uma função da concentração do substrato e, portanto, do tempo da reação, é mais vantajoso trabalhar com reatores de mistura em série do que com um único reator. O sistema com múltiplos estágios apresenta facilidades operacionais como esgotamento total do mosto, possibilidade de alcance de elevados teores alcoólicos sem intoxicação da levedura e maior estabilidade do processo, já que a levedura só sofre inibição pelo produto nos últimos estágios, que são os que apresentam maiores concentrações de etanol.
3.5.3
Comparação entre a fermentação contínua e batelada
Realizando uma análise comparativa entre os dois processos, o contínuo tem as seguintes vantagens em relação ao de batelada: equipamentos menores, tempo de uso otimizado, elevado rendimento médio, obtenção de vinho uniforme, maior facilidade de uso de controle avançado. As desvantagens são: maior possibilidade de infecção, possibilidade de mutantes menos produtivos, dificuldade de operação em estado não estacionário [SCHMIDELL, 2001]. Apesar das desvantagens, a fermentação contínua parece ser a melhor opção para as destilarias de grande porte, oferecendo vantagens em termos de custo instalado, custos referentes à mão de obra, energia envolvida no processo e vantagens relacionadas ao controle operacional, instrumentação e automação.