Aula Parte 2

EN3419 - TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO DE ETANOL

Dalmo Mandelli (CCNH – Química)

Dalmo Mandelli (CCNH – Química)

https://sites.google.com/site/ufabctecnologiaetanol/

FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL ETÍLICO

PROCESSO FERMENTATIVO

Fermentação

A fermentação é um processo de transformação de uma substância em outra, produzida a partir de microorganismos, tais como fungos, bactérias, ou até o próprio corpo, chamados nestes casos de fermentos.

Algumas indústrias se utilizam desse processo na produção de alguns produtos, como:

1. Iogurte, produzido pela fermentação láctica, onde as bactérias, denominadas 1. Iogurte, produzido pela fermentação láctica, onde as bactérias, denominadas de lactobacilos, produzem ácido lático;

2. Pão e cerveja, produzidos pela fermentação alcoólica, onde a fermentação é realizada por fungos (anaeróbicos facultativos), que produzem no final álcool; 3. Vinagre, produzido pela fermentação acética, que consiste numa reação química, onde ocorre a oxidação parcial do álcool etílico, obtendo o ácido acético. As bactérias que realizam esse processo são as acetobactérias; etc.

Fermentação

A fermentação é um processo de obtenção de energia utilizado por algumas bactérias e outros organismos.

Ele ocorre com a quebra da glicose (ou outros substratos como o amido) em piruvato, que depois é transformado em algum outro produto, como o álcool etílico e lactato, definindo fermentação alcoólica e láctica (a fermentação etílico e lactato, definindo fermentação alcoólica e láctica (a fermentação também pode ser butírica, oxálica, acética, etc.).

Este tipo de obtenção de energia não necessita do oxigênio como aceptor final de elétrons, por isso é chamado de respiração anaeróbica.

Indústrias de Fermentação

O emprego de microorganismos para converter uma substância em outra é uma

área muito estudada e aplicada de maneira enérgica.

Embora a fermentação de frutos até o álcool seja conhecida de culturas primitivas

e a fabricação de diversas bebidas de frutos e de cereais seja conhecida há vários séculos, somente no início do séc. XX veio se reconhecer a ampla aplicação deste procedimento

Atualmente, os cientistas estão dirigindo os processos vitais dos fermentos, das Atualmente, os cientistas estão dirigindo os processos vitais dos fermentos, das bactérias e dos fungos para a produção de substâncias químicas.

Pode-se admitir que o álcool etílico tenha sido produzido desta forma desde os tempos mais antigos, mas é uma realização técnica mais recente a obtenção de acetona e de butanol, de ácido acético, de ácido lático, de ácido cítrico e de

muitos antibióticos.

Fonte: Shreeve, Indústria de Processos Químicos, Cap 31, Ed. Guanabara, Rio de Janeiro, 4ª Ed., 1997; Super Interessante, 21, Jun/1989

Bebidas alcoólicas - História

Em 2004 foi encontrado na China em um cemitério do período Neolítico (9000 a.C) um pote de bronze contendo resíduos de

bebida alcoólica fermentada.

http://pubs.acs.org/cen/img/83/i01/8 301sci3_Burial.JPG

http://pubs.acs.org/cen/img/8 3/i01/8301sci3_AnyangJar.tif cxd.JPG

Bebidas alcoólicas: todas elas consistem basicamente de 99% de água e etanol.

Os vários tipos de bebidas diferem entre si de duas maneiras: 1) Na porcentagem relativa de água e etanol

2) Na composição do 1% restante

http://www.oznet.ksu.edu/edtech/T eamServices/clipwater.htm

Diferentes tipos de bebidas fermentadas

Bebida Vegetal Fonte Teor de etanol Cerveja trigo e cevada 5

As primeiras bebidas descobertas foram obtidas pela fermentação direta de frutas e vegetais

Cerveja trigo e cevada 5

Vinho uva, maça 12

Uísque centeio, milho 45-55

Rum melaço 45

Vodka batata 40-50

Cachaça cana-de-açucar 38-54

Células das leveduras (Saccharomyces cerevesiae) que promovem a fermentação

não sobrevivem quando a concentração de etanol é superior a 13%.

Estrutura proteica Microscopia

http://www.fondef.cl/fondef/informativo/S accharomyces_cerevisiae.jpg

A única maneira de se obter um bebida com concentração de etanol maior é via destilação.

Primeiros indícios da destilação: 3000 a.C. no Egito, para obtenção de perfumes

http://www.metla.fi/julkaisut/muut/merenk/i mg/historia.gif

http://export-egypt.com/webpro1/DBimages/Perfum Box.jpg

Este processo foi difundido na Europa por volta do século 12

Produção de Uísque na Idade Média via destilação de fermentado de centeio

A diferença entre um destilado e outro está no “menos que” 1%”, chamados de congêneres.

OH

OH

O

_O

O

outros álcoois

cetonas

aldeídos

ésteres

Os congêneres estão presentes nas bebdidas por duas razões:

1) são arrastados junto com a destilação

2) são absorvidos durante o processo de envelhecimento (por exemplo, da madeira dos tonéis)

H

O

aldeídos

Efeitos do Álcool no Organismo: g álcool doses bebida % álcool

sangue Efeito no Comportamento

60 1-2 0,05 Falsa sensação de bem-estar, visão reduzida

110 3-5 0,10 Tempo de reação lento, confusão

170 6-7 0,15 Tempo de reação muito lento, intoxicação

230 8-10 0,20 Depressão, visão distorcida, perda de equilíbrio

230-340 10-12 0,20-0,30 Confusão, fala enrolada

340-400 12-14 0,30-0,35 Estupor, anestesia, dose letal para alguns

400-510 14-18 0,35-0,45 Coma, dose letal para 50% 400-510 14-18 0,35-0,45 Coma, dose letal para 50%

+ 510 + 18 + 0,45 Morte

1 dose = 1 lata de cerveja, 1 copo de vinho ou 1 dose de cachaça

http://cosmos.oninetspeed.pt/ Ricore/Anedotas/Bebado.jpg

DOSE LETAL: 510 g de etanol, mas somente 30 g de metanol (15 mL causa cegueira definitiva)

http://www.monica.co m.br/personag/turma/i mages/morte.gif

Vigilância Sanitária apreendeu 390 amostras de bebidas alcoólicas em Região do ABC (SP), ocorreram quatro casos fatais

por ingestão de bebidas contaminadas com metanol

no período de dezembro de 1992 e janeiro de 1993.

Vigilância Sanitária apreendeu 390 amostras de bebidas alcoólicas em estabelecimentos comerciais, das quais 281 eram clandestinas (não

registradas no Ministério da Agricultura). 8 destas amostras, apresentavam níveis de metanol muito acima do limite tolerável. (Zenebon et al., 1996).

Normalmente, a maioria das bebidas clandestinas são preparadas por meio da

simples diluição com uma solução água-álcool ou por mistura de álcool (para fins alimentícios ou não), água, aroma e caramelo, que podem conter altas doses de metanol.

Os fundamentos do entendimento científico da fermentação, na realidade, da ação de todos os microorganismos e, portanto, do seu controle econômico, estão

baseados firmemente sobre o gênio de Louis Pasteur.

Foi ele quem mostrou que a fermentação é diretamente provocado pelo processo vital de pequenos organismos.

É possível controlar os processos de fermentação numa forma científica exata História da Ciência - Fermentação

É possível controlar os processos de fermentação numa forma científica exata pelo entendimento da atividade dos microorganismos e pelo reconhecimento de que diversas leveduras, por exemplo, atuam diferentemente e de que as

Quase um século após a morte de Louis Pasteur seu nome está impresso no cotidiano de milhões de pessoas.

Em cada saquinho de leite comprado numa padaria, por exemplo, a embalagem avisa que o produto está pasteurizado, ou seja, livre de germes causadores de doenças.

Em 1854, quando Pasteur começou a se interessar pelos micróbios, o nome nem sequer existia: esses seres microscópicos eram conhecidos como animálculos, levedos, vibriões ou glóbulos.

levedos, vibriões ou glóbulos.

Sua presença era notada nas fermentações, sem que se conhecesse porém, sua função exata no processo. Com um estudo que se estenderia por mais de quinze anos, Pasteur criaria as bases da ciência hoje conhecida como Microbiologia.

O início desse trabalho deu-se em 1856, quando um industrial de Lille solicitou-lhe

ajuda. Proprietário de uma destilaria, ele se preocupava com o destino de sua

produção de álcool de beterraba, comprometida por muitos problemas cujas causas não conseguia identificar.

Pasteur constatou então que o suco da beterraba apresentava os tais

animálculos: redondos, quando a fermentação era sadia; e alongados, quando

defeituosa. O mesmo fenômeno se repetia na fermentação do leite.

O próximo passo seria determinar a procedência desses seres que agiam como fermento. Pasteur acreditava que os germes viviam em suspensão no ar e decidiu provar a hipótese.

Pasteur prosseguia nas pesquisas sobre fermentação. Depois do álcool de Pasteur prosseguia nas pesquisas sobre fermentação. Depois do álcool de beterraba, passou a estudar o vinho, o vinagre e a cerveja, identificando os germes que tornavam as bebidas amargas e impróprias para consumo.

As experiências com o ar ensinaram-lhe que os instrumentos mal esterilizados

transformam-se em refúgio de bactérias, que podem ser eliminadas a altas temperaturas.

Assim, descobriu que um calor da ordem de 60o_{C impede a proliferação daqueles}

germes no vinho, cerveja, vinagre e leite.

Recomendou então aos produtores que conservassem os líquidos a essa temperatura até embalá-los em recipientes assépticos e hermeticamente

temperatura até embalá-los em recipientes assépticos e hermeticamente fechados.

Esse procedimento, adotado hoje em todo o mundo, deve o nome a seu inventor:

As leveduras e as bactérias são unicelulares e têm dimensões muito pequenas. As leveduras têm forma ovalada irregular e diâmetro entre 0,004 a 0,010 mm.

As bactérias são menores. A maioria com menos de 0,007 mm na dimensão maior, e têm as mais diversas formas. Muitas delas são bacilos com a configuração de bastonetes.

As leveduras reproduzem-se por esporulação e as bactérias por divisão direta.

Os fungos são filamentos multicelulares e crescem pelo desenvolvimento vegetativo do filamento.

A esporulação é o ciclo seguinte, conforme ocorre, aliás, com muitas bactérias. O ciclo de reprodução vegetativa das bactérias e das leveduras é curto e pode ser medido em minutos.

Assim a multiplicação destes organismos é extraordinariamente rápida. Muitos microorganismos foram postos ao serviço dos homens.

Um dos desenvolvimentos marcantes, desde 1920, foi a aplicação dos processos vitais destes pequenos organismos vegetativos à fabricação de substâncias além do próprio etanol.

À seguir são mostrados exemplos destes procedimentos, que em grande escala industrial, compreendem a fabricação de antibióticos, enzimas, acetona, butanol, ácido acético, ácido lático e de ácido cítrico.

Produtos alimentares Azeitona (B) Cacau (B e L) Café (F) Cerveja (L) Chá (B) Vitaminas Ergosterol (L e F) Riboflavina (B e L) Vitamina A (B) Fermentações importantes Chá (B) Chucrute (B) Glutamato de monossódio (B) Koji (F e L) Pão (L) Picles (B e L) Proteína unicelular (L, B ou F) Queijo (F ou B) Uísque (L) Vinagre (B e L) Vinho (L) Vitamina A (B) Vitamina B2 (L) Vitamina B'2 (B e F)

Acetona Ácido acético Ácido aspártico Ácido 2-cetoglicônico Ácido 5-cetoglicônico Fermentações importantes Produtos industriais

Ácido sulfúrico do enxofre Ácido tartárico

Álcool butílico normal Álcool etílico 2,3-Butenodiol Ácido 5-cetoglicônico Ácido cítrico Ácido fumárico Ácido gálico Ácido glicônico Ácido itacônico Ácido kójico Ácido lático Ácido succínico Dextran Diidroxiacetona Dióxido de carbono Glicerol Isoleucina Levedura Lisina Óleo fúsel Valina

Anfotercina B Bacitracina Bleomicina Canamicina Candicidina Capreamicina Cefalosporina C Cicloeximida Espectinomicina Gentamicina Griseofulvina Lincomicina Mitomicina C Mitramicina Neomicina Fermentações importantes

Produtos farmacêuticos (antibióticos)

Cicloeximida Cicloserina Cloranfenicol Clorotetraciclina Colistina Dactinomicina Doxorubicina Eritromicina Espectinomicina Espectinomicina Neomicina Nistamina Novobiocina Oleandromicina Paramomicina Penicilina Polimicina Rifampina Tetraciclina Vancomicina Viomicina

Na realidade a fermentação em condições controladas envolve

conversões químicas.

Algum dos processos mais importantes são:

Oxidação, por exemplo, do etanol a ácido acético, da sacarose a ácido cítrico e da dextrose a ácido glicônico.

Redução, por exemplo, de aldeídos a álcoois (acetaldeído a etanol) e de enxofre a sulfeto de hidrogênio.

Hidrólise, por exemplo, amido a glicose, e sacarose a glicose e frutose e até ao álcool.

Esterificação, por exemplo, fosfato de hexose a partir de hexose e ácido fosfórico.

Na realidade, certas conversões químicas podem ser realizadas com mais

eficiência mediante a fermentação do que pela síntese química.

Muitas reações químicas provocadas por microorganismos são muito complicadas e não podem ser classificadas com facilidade;

Por isso, desenvolveu-se o conceito de fermentação como uma determinada conversão química.

Os cinco pré-requisitos básicos de um bom processo fermentativo são: Os cinco pré-requisitos básicos de um bom processo fermentativo são:

1. Um microorganismo que leva ao produto final desejado. Este organismo deve se propagar facilmente e ser capaz de manter a uniformidade biológica, levando, por isso, a rendimentos previsíveis.

2, Matérias-primas baratas para o substrato, por exemplo, sacarose da cana de açúcar.

3.Rendimentos aceitáveis. 4. Fermentação rápida.

Certos fatores devem ser realçados quanto ao conceito de conversão química para a fermentação, ou quanto ao conceito de processo unitário. Entre eles se apontam o microorganismo, o equipamento e a própria fermentação.

Alguns fatores críticos da fermentação são o pH, a temperatura, a aeração-agitação, a fermentação única (cultura pura) e a uniformidade de

rendimentos.

Os microorganismos devem ser os que proliferam em modificações relativamente simples e factíveis do meio ambiente.

Para compreender e operar corretamente os microorganismos, deve-se fazer uma diferença nítida entre o crescimento inicial de uma certa

linhagem escolhida dos organismos até uma certa população e os processos posteriores

Mediante a continuação dos processos vitais ou em conseqüência de enzimas previamente secretadas, se consegue a formação da substância química desejada.

Para se ter o rendimento químico máximo, é freqüentemente necessário

impedir o crescimento adicional da população de microorganismos. Atualmente microbiologistas procuram selecionar e desenvolver cepas

Atualmente microbiologistas procuram selecionar e desenvolver cepas particulares dos organismos mostrados pela experiência como os que produzem a substância desejada com os maiores rendimentos, a menor quantidade de subprodutos e o custo mais baixo.

Não se usa mais qualquer levedura para fazer o álcool industrial ou uma bebida fermentada.

Não apenas estão excluídos os tipos selvagens, mas também é necessário usar uma cepa apropriada.

As leveduras, as bactérias e os fungos usados na fermentação

necessitam de um ambiente específico e de alimentação especial para necessitam de um ambiente específico e de alimentação especial para assegurarem sua atividade.

A concentração de açúcar e de outros alimentos afeta o produto.

A temperatura mais favorável varia (entre 5 e 40°C), e o pH tem grande importância.

Na realidade, os bacteriologistas desenvolveram leveduras acidófilas, de modo que as leveduras selvagens, que não gostam de condições ácidas, não podem proliferar.

Alguns microorganismos necessitam de ar (aeróbicos) e outros vivem inteiramente sem ele (anaeróbicos). Alguns anaeróbicos nem crescem nem funcionam em presença de ar.

No controle da atividade destes diminutos organismos vegetativos, as condições são estabelecidas de maneira a encorajar inicialmente a multiplicação e, depois, seu funcionamento, quer diretamente, quer mediante enzimas secretadas.

A importância desta operação pode ser sentida quando se sabe que o crescimento de 1 g de levedura (em base seca) requer de 1,5 a 2,0 g de monossacarídeo por dia, e 6 g para mantê-Io.

Em virtude deste crescimento, os catalisadores orgânicos, ou enzimas, são frequentemente formados para provocar diretamente a modificação química

desejada.

Durante o período de crescimento, além da alimentação primária, como os

30 Durante o período de crescimento, além da alimentação primária, como os

monossacarídeos para leveduras, são necessários diversos nutrientes, como pequenas quantidades de fosfatos e de compostos nitrogenados, além do pH e temperatura favoráveis.

Finalmente, certas substâncias envenenam estes pequenos vegetais e suas enzimas.

Mesmo o álcool formado por certas leveduras chega a uma concentração (que varia com a levedura entre 2 e 15%) que suprime a atividade dos organismos e das enzimas.

Além disto, está sendo reconhecida a importância dos processos vitais

31 Além disto, está sendo reconhecida a importância dos processos vitais dos microorganismos na fabricação de vitaminas, algumas das quais estão sendo recuperadas e vendidas numa forma concentrada.

Como com toda forma de vida, as atividades dos microorganismos podem ser reduzidas à consideração de enzimas atuando sobre um substrato.

Álcool industrial

O álcool industrial foi uma conseqüência da fabricação das bebidas

alcoólicas, mas atualmente se tornou importante em virtude das suas propriedades economicamente úteis como combustível, solvente ou mesmo na síntese de outras substâncias.

Nos Estados Unidos (similarmente ao Brasil), o álcool é vendido como álcool puro, sujeito a imposto

32 como álcool puro, sujeito a imposto

As formulações de álcool completamente desnaturado compreendem

misturas de substâncias difíceis de separar do álcool (aldeídos, cetonas e querosene) que têm cheiro e gosto ruins, com o que se visa a transformar o álcool em líquido não bebível.

Este álcool desnaturado é vendido amplamente, sem limites. As fábricas utilizam-no como matéria-prima essencial.

Vejam como o tempo muda os parâmetros...

Matérias-Primas:

Caldo de cana;

FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL ETÍLICO PROCESSO FERMENTATIVO

Caldo de cana;

Melaço (subproduto da

fabricação do açúcar).

Principais reações:

Inversão da sacarose:

C

H

O

+ H

_{O + invertase
C}

H

O

+ C

H

O

sacarose

glicose frutose

Fermentação

C

H

O

_{+ zimase
2 C}

H

OH + 2 CO

∆H = -31,2 kcal

Álcool

Final da fermentação: aumento da acidez e do teor de glicerina.

2 C

H

O

+ H

_O
C

H

OH + CH

COOH + 2CO

+ 2C

H

O

álcool ácido acético

glicerina

Há grande liberação de CO

e formação de compostos secundários, tais

como álcoois superiores, glicerol, aldeídos, etc.

Como a fermentação é exotérmica e a temperatura deve ser mantida baixa (abaixo de 38ºC), realiza-se o resfriamento do vinho através de trocadores de calor.

OH OH HO O HO O OH OH HO HO O O HO OH HO OH HO sacarose H₂O + Inversão da sacarose HO OH HO OH HO OH HO O sacarose glicose frutose invertase

Inversão da sacarose

38 fermentação

Tratamento do Caldo de Cana:

Tratamento Primário do Caldo: tem por objetivo eliminar impurezas

insolúveis (0,1 a 1%). Pode ser dividido nas seguintes etapas:

-Conjunto de peneiras fixas (φ = 0,5 a 2 mm) com a finalidade de eliminar o material mais grosseiro em suspensão (chamados bagacilhos);

material mais grosseiro em suspensão (chamados bagacilhos);

-Peneiramento do caldo em peneiras rotativas ou vibratórias com aberturas que variam de 0,2 a 0,7 mm;

-Sedimentação das partículas mais pesadas (areia);

-Separação da areia residual e argilas por ação da força centrífuga em

equipamentos denominados de Hidrociclones. Separam-se, nessa etapa do tratamento do caldo, mais de 90% das partículas de até 40

µ

Pasteurização:

Consiste no aquecimento e resfriamento

imediato do caldo realizado em

Fermentação

Os melaços, em virtude da grande concentração de açúcar, não permitem a fermentação direta pelas leveduras.

Obtém-se o teor ideal de sólidos solúveis, expresso em graus Brix, pela adição de água ao caldo, que possui, dependendo do processo de extração, 14º a 22° Brix.

Fermentação Fermentação

Em função de sua pureza elevada estes valores correspondem a sua

concentração de açúcares totais da ordem de 12,5 a 20% e devem ser diluídos a concentrações no máximo de 17% em açúcar.

Esta solução é o mosto e representa o substrato de carboidratos pronto para a inoculação da levedura.

O mosto é bombeado para uma grande dorna de fermentação (230.000 a

2.000.000 L), em aço, que, nas usinas modernas, é fechada, para recolher o CO₂ desprendido e possibilitar condições mais fáceis de limpeza e de esterilização.

Fermentação:

Adicionam-se um sal de amônio e ácido sulfúrico; o primeiro para fornecer um

constituinte nutritivo deficiente nos melaços e o outro para manter o pH apropriado do meio (de 4,0 a 5,0), para facilitar a atividade da levedura escolhida e suprimir a

multiplicação de castas selvagens ou de bactérias. Também se acrescenta sulfato de magnésio, quando houver carência, e uma pequena quantidade de fosfato

Preparo do fermento (chamado de “pé de cuba”): levedura + água + ácido sulfúrico (pH=2,5).

Paralelamente uma cultura da levedura escolhida (cerca de 5% do volume total) é cultivada nos recipientes de propagação.

Todas as operações são realizadas com estrita supervisão de laboratório, inclusive na seleção da casta de levedura do inóculo, na esterilização dos melaços diluídos, na adição dos nutrientes, na manutenção do pH e da temperatura (24,4°C), e na limpeza e esterilização dos recipientes de propagação para a fermentação subseqüente.

Os bacteriologistas desenvolveram linhagens de leveduras que se desenvolvem nas condições ácidas, em que as leveduras selvagens e as bactérias não

nas condições ácidas, em que as leveduras selvagens e as bactérias não sobrevivem.

Como a reação indica, a fermentação é exotérmica, e é necessário resfriar o fermentador; esta é outra vantagem proporcionada pelas domas em aço.

Embora a temperatura mais conveniente seja variável, em geral, no princípio, é de cerca de 21°C e, no final da fermentação, está próxima de 38°C.

Pela regulamentação governamental, o ciclo de fermentação deve durar 4 dias, apesar de ser usual fazê-lo em 36 a 50 h.

Uma vez que o álcool só é formado pelas leveduras a partir de monossacarídeos, é necessário decompor a sacarose C₁₂H₂₂O₁₁ em d-glicose e d-frutose.

Uma mistura equimolar destes açúcares é o açúcar invertido, e é conseqüência

da ação de calor, de ácidos ou de enzimas.

Na fermentação alcoólica por leveduras, estes microorganismos fornecem um catalisador orgânico, ou enzima, a invertase, que efetua a hidrólise.

A levedura também produz uma outra enzima, mais importante, a zimase, que

transforma os monossacarideos em álcool e dióxido de carbono.

Inversão da sacarose:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H_{2O + invertase
C6}H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆ sacarose glicose frutose

Fermentação

C₆H₁₂O_{6 + zimase
2 C2}H₅OH + 2 CO₂ ∆H = -31,2 kcal Álcool

Final da fermentação: aumento da acidez e do teor de glicerina. 2 C₆H₁₂O₆ + H_2O
C2H₅OH + CH₃COOH + 2CO₂ + 2C₃H₈O₃

Inversão da sacarose

O licor nos fermentadores, depois da fermentação estar completa, é o vinho, no caso de melaço de cana. O álcool é separado por destilação.

Numa fermentação como a da figura acima o vinho, contendo de 6,5 a 11% de álcool por volume, é bombeado para as seções superiores da coluna de

O produto de topo (cabeça), contendo álcool, água e aldeídos, passa, por um trocador de calor (esquenta-vinhos), por um condensador parcial, ou

deflegmador.

Então há suficiente condensação de vapores (flegmas) para possibilitar um refluxo e também para concentrar os vapores restantes que passam pelo

Este condensado, o vinho concentrado, é lançado na coluna dos aldeídos, ou da cabeça, onde se separam as impurezas voláteis, ou aldeídos, que saem no produto de topo.

O licor efluente da parte inferior da coluna de aldeído passa à coluna de retificação.

À medida que o vinho desce pela coluna, vai perdendo os seus constituintes mais voláteis.

O líquido descarregado pelo fundo da coluna, por um trocador de calor, é o

vinhoto ou vinhaça. Tem proteínas, açúcares residuais e, em alguns casos,

produtos vitamínicos, de modo que é muitas vezes sujeito à evaporação para ser usado como constituinte em rações animais.

O vinho concentrado entra na coluna dos aldeídos, que saem pelo topo, obtendo-se, do fundo dessa coluna, um licor que é encaminhado à coluna de retificação.

Na terceira coluna, ou coluna de retificação, o álcool é concentrado e purificado. Os vapores que saem dessa coluna passam por um deflegmador, havendo

condensação parcial da mistura gasosa, a fim de promover um refluxo interno no topo da coluna de retificação.

A parte dos vapores não condensada (mais voláteis), passa por um condensador e é encaminhada à coluna dos aldeídos, pois pode ainda conter traços de aldeídos e álcool.

Nas vizinhanças do topo da coluna de retificação, recolhe-se o álcool de 95 a 95,6%, através de um condensador, que é estocado e comercializado.

Mais para baixo, faz-se a sangria dos óleos fúseis, de ebulição mais elevada, através de um resfriador e de um separador, lançando-os, depois, numa coluna especial, onde se extrai qualquer álcool que possam conter antes de o resíduo ser comercializado como álcool amílico impuro para ser usado como solvente.

As misturas de álcool e

água são retificadas para se elevar a concentração do componente alcoólico em virtude de os vapores serem mais concentrados

no constituinte mais volátil do que o líquido de onde provêm os vapores.

As relações quantitativas As relações quantitativas aparecem nas curvas da figura ao lado, onde a composição do vapor em equilíbrio com o líquido está sobre um segmento horizontal (linha de

A retificação não pode fornecer um álcool mais concentrado que 95,6%, pois, conforme se vê a água forma uma mistura azeotrópica nesta

composição, que tem ebulição ligeiramente menor que a do álcool menor que a do álcool absoluto ou anidro.

ÁLCOOL ABSOLUTO OU ANIDRO

O álcool anidro é feito pela absorção dos 4 ou 5% de água presentes nos 95 a 96% de álcool industrial, usando-se cal virgem, seguida por destilação. Este processo é caro, embora produza um álcool anidro de elevada

qualidade.

Há alguns anos foi superado em grande parte por operações unitárias

modernizadas da engenharia química, destilação e extração envolvendo um modernizadas da engenharia química, destilação e extração envolvendo um terceiro componente.

Com isto, as operações de desidratação tornaram-se mais baratas, adquiriram a forma contínua, usando-se de preferência líquidos ou

soluções, o que levou a uma redução do preço do álcool anidro a um valor apenas pouco superior ao do álcool comum.

A água no álcool a 95% é removida tecnicamente por um dos dois métodos principais:

1) Desidratação por destilação com um terceiro componente, que forma um

azeótropo de mínimo, com ebulição abaixo da do álcool a 95% (78,15°C) ou da água.

O azeótropo pode ser (a) binário (ex: água e éter etílico) ou (b) ternário (ex: álcool, água e benzeno).

Nestas circunstâncias, o álcool anidro é obtido na cauda da coluna de

destilação, pois sua pressão de vapor é relativamente mais baixa que a do destilação, pois sua pressão de vapor é relativamente mais baixa que a do azeótropo que arrasta a água.

2) Desidratação por extração a contracorrente, em geral numa coluna contínua

com um terceiro componente, que abaixa mais a pressão de vapor da água do que a pressão de vapor de álcool, por exemplo, glicerol, etilenoglicol, glicerol ou glicol com sais dissolvidos, e uma mistura eutética fundida de acetato de sódio e acetato de potássio.

O álcool anidro aparece na cabeça da coluna de extração.

O princípio básico do processo que usa o benzeno como agente de extração O princípio básico do processo que usa o benzeno como agente de extração está ilustrado na figura à seguir.

Existem três azeótropos binários de mínimo, dois homogêneos e um heterogêneo (entre a água e o

benzeno), e um azeótropo ternário de mínimo, cuja temperatura de ebulição é a mais baixa do

sistema, fervendo a 64,85°C. A composição do azeótropo ternário de mínimo está representada pelo ponto F. representada pelo ponto F.

Para que a remoção do azeótropo a partir da solução inicial deixe como resíduo o álcool anidro, a

composição inicial deve estar sobre a reta CF.

Triângulo equilátero utilizado na representação das variáveis de concentração de sistemas ternários.

h = a + b + c.

Quando a mistura que se vai destilar é feita pela adição de benzeno ao álcool a 95%, a

composição inicial também deve estar sobre a reta EB.

Portanto, a interseção G

representa a composição inicial da destilação.

Quando se adiciona ao álcool a 95% a quantidade suficiente de 95% a quantidade suficiente de benzeno para levar a composição total ao ponto G, a destilação

contínua dá o azeótropo ternário (ponto de ebulição a 64,85°C) no topo da coluna e o álcool absoluto (ponto de ebulição 78,3°C) no resíduo, numa destilação simples.

Uma característica importante do processo é a separação do

condensado em duas camadas líquidas, representadas na pontos M e N.

A razão entre a fase superior N e a inferior M é igual a MF/FN, ou seja

84/16.

As composições envolvidas

aparecem na figura à seguir, que aparecem na figura à seguir, que também mostra como este

O álcool a 96% é carregado na coluna A.

O azeótropo ternário passa na cabeça da destilação desta coluna e o álcool absoluto é obtido como produto de cauda.

Os vapores do topo são condensados e passam para um decantador (separador) B,

A camada superior é rica em benzeno e retorna à coluna A como refluxo.

A camada inferior é injetada na coluna C, onde se recolhe o azeótropo ternário

como produto do topo e o álcool aquoso, livre de benzeno, como produto de

O álcool aquoso é injetado na coluna D, onde se obtém, por destilação comum,

um produto de topo de 96% de álcool e um produto de cauda constituído por

água quase pura.

O benzeno é reciclado continuamente no sistema, sendo necessário somente compensar as perdas nas destilações.

O agente arrastador é usado repetidamente com uma perda que não deve ser maior que 0,5% do volume de álcool anidro produzido.

NOVO MODELO INDUSTRIAL E USOS FINAIS DO ETANOL

O processo de fermentação em uso no Brasil atende a diversos requisitos importantes para a produção de etanol com larga escala para emprego como combustível.

Trata-se de um processo robusto, sem interrupções, capaz de suportar alterações bruscas na matéria-prima e de operar em condições de baixo nível de assepsia.

71

nível de assepsia.

Embora a fermentação alcoólica no seu estágio atual atenda às

necessidades de produção de etanol existe ampla margem para otimização

dos processos de fermentação em uso.

Tópicos relevantes que podem contribuir com esta otimização são:

Qualidade da Matéria-Prima, Fisiologia e Ecologia Microbiana, Processo Fermentativo e Destilação.

Luís Augusto Barbosa Cortez (Coordenador)

QUALIDADE DA MATÉRIA-PRIMA

Há pré-requisitos que devem atender as matérias-primas envolvidas na

fermentação alcoólica para garantir a eficiência deste processo nas condições atuais e nos cenários projetados (aumento de produção).

A qualidade da cana-de-açúcar (matéria-prima básica) deve ser considerada como o principal fator a ser levado em conta para melhorar o desempenho da fermentação alcoólica.

72 fermentação alcoólica.

Atualmente no processo comercial de produção de etanol são aproveitados um terço desta biomassa correspondente aos açúcares extraíveis do colmo

representados pelo caldo (sacarose)

Assim, a necessidade de avaliação de parâmetros como a colheita,

carregamento e transporte da cana se deve à forte interferência exercida por estes sobre o processo produtivo.

A colheita da cana-de-açúcar pode ser dividida em (1) manual; (2) mecanizada e (3) com equipamentos de auxílio à colheita, sendo a colheita manual a mais comum no Brasil.

COLHEITA

O corte do colmo de cana-de açúcar é uma operação que consome elevada quantidade de potência, especialmente nas colhedeiras de cana

73

S. S. Chang, J. V. G. Maziero e J. A. bernardi, Bragantia, 41, 1982.

B. H. C. França e M. Jasinski, Cultivo de cana de açúcar, REDETEC Rede de Tecnologia do Rio de Janeiro

nas colhedeiras de cana picada em toletes.

Há vários estudos para se introduzir melhoramentos no projeto do sistema de corte, visando reduzir suas

Na colheita manual, cerca de 24 a 48 horas antes, é realizada a queima da palhada (o resíduo do processo de colheita, que inclui a palha e a ponteira da cana), para reduzir a folhagem e diminuir o risco de

acidente com animais peçonhentos.

Estima-se que a quantidade de cana cortada por um trabalhador é de seis toneladas/dia.

COLHEITA

74 seis toneladas/dia.

Esse sistema também elimina a matéria seca, aumenta a concentração de CO₂ na atmosfera e diminui o teor de matéria orgânica no solo.

A deposição e a manutenção de palhada (o resíduo do processo de colheita, que inclui a palha e a ponteira da cana) sobre a superfície do solo, mesmo contribuindo com a sua

conservação, podem causar

problemas relacionados ao manejo da cultura.

M. Sampaio Benedini e A. J. Conde,

75 Entre eles: dificuldade durante as operações de cultivo e adubação da soca,

baixa taxa de mineralização de nitrogênio, dificuldade de execução de controle

seletivo de plantas daninhas e aumento das populações de pragas que se abrigam e multiplicam sob a palhada .

B. H. C. França e M. Jasinski, Cultivo de cana de açúcar, REDETEC Rede de Tecnologia do Rio de Janeiro

manejo da cultura.

M. Sampaio Benedini e A. J. Conde,

Sistematização de área para a colheita mecanizada da cana-de-açúcar

A queima da palhada é realizada para permitir um maior acesso à cultura, pois possibilita um maior rendimento na colheita.

Estima-se que dobra a quantidade média de cana cortada por um

trabalhador, que é de seis toneladas por dia, além de diminuir os custos na colheita.

Para colher 10 ton/dia, um cortador de cana deve desferir algo em torne de

10.000 golpes de facão (1 golpe = 1kg)

O processo de corte segue três etapas: corte da base de cana, desponte

76 O processo de corte segue três etapas: corte da base de cana, desponte da ponteira e amontoamento.

Já no sistema mecanizado, a cana é cortada, triturada e lançada sobre o solo, formando uma cobertura residual vegetal chamada palha ou palhada.

A quantidade de palhada de canaviais colhidos sem queima varia de 10 a 30 Mg/ha

A mecanização da colheita da cana-de-açúcar aumenta o rendimento operacional do procedimento e reduz seu impacto ambiental, por dispensar a queima de

resíduos.

Porém, ela também tem seus problemas sendo o custo do equipamento o maior vilão: cerca de US$ 200.000

Outras desvantagens podem ser citadas como a altura do corte realizado pelas lâminas da colhedora, o que representa uma perda direta para o produtor.

Do ponto de vista social, a mecanização da colheita pode gerar grande

desemprego, já que uma colhedora é capaz de substituir 80 trabalhadores por dia. A colheita com equipamentos de auxílio à colheita está em fase de implementação

79 A colheita com equipamentos de auxílio à colheita está em fase de implementação no Brasil.

Assim a colheita, bem como o carregamento e o transporte são operações que além de caras resultam em perda de matéria-prima, contribuindo

também para piorar a qualidade do material.

O fato de se levar a ponta de cana durante a colheita poderá resultar em

problema na indústria como impurezas (vegetal e mineral) o que irá requerer avanços na mecanização.

Ao se determinar onde as perdas de fato ocorrem, devem vir juntamente com esta preocupação o questionamento se de fato o conhecimento atual

80 com esta preocupação o questionamento se de fato o conhecimento atual

Assim, torna-se urgente a necessidade de revisão dos métodos de

determinação de qualidade (impurezas desta matéria-prima) e de que estes sejam mais rápidos e "on line".

Isto permitiria evitar problemas na indústria devido à importância desta em saber o mais rápido possível sobre qual a qualidade de matéria-prima que está entrando no processo.

A necessidade de estudos sobre a correlação entre o fenômeno fisiológico da planta com o problema na indústria deve ser também considerada para o

81 da planta com o problema na indústria deve ser também considerada para o alcance da melhoria do processo produtivo.

Fisiologia da cana: a cana-de-açúcar é uma gramínea perene, que perfilha de maneira abundante, na fase inicial do desenvolvimento.

As características varietais definem o número de colmos por planta, a altura e o diâmetro do colmo, o comprimento e a largura das folhas e a arquitetura da parte aérea

A expressão destes caracteres são muito influenciados pelo clima, pelo manejo e pelas práticas culturais utilizadas.

82 O rendimento econômico da cana-de-açúcar é dado pela produção de sacarose

(o componente mais valioso), além de açúcares não redutores utilizados para formar o melaço e também a fibra, que pode ser utilizada como fonte de energia para a própria usina.

Assim, pode-se saber, por exemplo, se a esterilização do melaço antes da fermentação,

via radiação, poderia permitir o uso de fermento específico e não o "caipira" hoje utilizado.

Na fermentação utiliza-se a levedura Saccharomyces cerevisae, comumente encontrada em supermercados e padarias.

Nas pequenas fábricas de cachaça, em que não existem geladeiras para guardar o

fermento, é utilizado o “fermento caipira”, fabricado pelo próprio produtor com um pouco da garapa misturada com fubá.

83 Pode-se, também, utilizar outros materiais, como farelo de arroz, por exemplo.

Figura: tanque de fermentação.

A cana-de-açúcar contém substâncias clorofila, antocianina, sacaretina e polifenois que proporcionam cor ao caldo.

Uma possibilidade seria que o caldo fosse clarificado reduzindo a carga orgânica e mineral de vinhaça.

Existe controvérsia quanto a esta proposta pela dúvida que há quanto a este procedimento vir a acarretar problemas para as leveduras.

84 procedimento vir a acarretar problemas para as leveduras.

A utilização de inseticidas no controle de pragas também é um interferente o que toma importante o conhecimento de como poderia ser minimizado o uso destes de forma a não comprometer a fermentação.

FISIOLOGIA E ECOLOGIA MICROBIANA

O conhecimento das condições fisiológicas impostas pelo processo industrial sobre os microrganismos é muito importante.

Com ele pode-se identificar os agentes físicos, químicos e microbiológicos que contribuem para exercerem efeitos estressantes ou estimulantes sejam para os agentes da fermentação (leveduras) ou para os contaminantes (bactérias e outras leveduras).

85 (leveduras) ou para os contaminantes (bactérias e outras leveduras).

Nos processos comerciais de produção de etanol já são

conhecidos vários fatores que contribuem para a diminuição da eficiência fermentativa como:

-Contaminação bacteriana

-Elevada formação de espuma

86 -Elevada formação de espuma

-Açúcares residuais elevados -Floculação da levedura

Acrescenta-se a estes a formação de subprodutos indesejáveis ao processo como de glicerol e ácidos orgânicos (acético, succínico, malônico, lácteo). O OH acetic acid O OH O HO succinic acid O OH O HO malonic acid 87 HO OH HO glycerol

acetic acid _{malonic acid succinic acid}

OH O

OH

Neste contexto, o ponto crítico apresentado é quanto à certeza de que o

microrganismo tem como prioridade de seu metabolismo a geração de energia (ATP) para a formação de novas células.

As leveduras, como os bolores e cogumelos,

são fungos.

88

Saccharomyces cerevisiae

http://pt.wikipedia.org/wiki/Levedura

Apresentam-se caracteristicamente sob forma unicelular.

Origem no termo latino levare com o sentido de crescer ou fazer

crescer.

Primeiras leveduras descobertas estavam associadas a processos fermentativos como o de pães e de mostos que provocam um aumento

da massa do pão ou do volume do mosto pela liberação de gás e formação de espuma nos mostos.

89

gourmandisebrasil.blogspot.com

educacaoadventista.org.br

Como células simples, as leveduras crescem e se reproduzem mais rapidamente do que os bolores.

90

seraqueeuvouvirarbolor.wordpress.com fajolle.tripod.com

São mais eficientes na realização de alterações químicas, por causa da sua maior relação área/volume.

As leveduras também

diferem das algas, pois não

efetuam a fotossíntese, e igualmente não são

protozoários porque possuem uma parede celular rígida.

Protozóários

91 São facilmente diferenciadas

das bactérias em virtude das suas dimensões maiores e de suas propriedades

morfológicas.

Laurencia, um gênero de alga marinha.

Tomografia de alta definição de uma levedura de padaria (Saccharomyces

92 Tomografia de alta definição de uma levedura de padaria (Saccharomyces

cerevisiae) se reproduzindo: (produz CO₂ na fermentação). (A) imagem

mostrando organelas sobrepostas. (B-C) cortes gerados por computador através da levedura revelam as diversas organelas

É claro então que a necessidade microbiana fundamental não está na

conversão dos açúcares em produtos de interesse como o etanol ou mesmo de subprodutos formados pelo estresse celular como o glicerol e ácidos

orgânicos.

Fica evidente a prioridade da levedura na manutenção de sua sobrevivência o que vem de encontro à nossa necessidade.

93 que vem de encontro à nossa necessidade.

Portanto é necessário direcionar as condições do processo fermentativo de forma a que o fluxo metabólico seja prioritariamente dirigido para a formação do produto alvo, o etanol.

Ao colocarmos a levedura juntamente com açúcar na dorna, o objetivo industrial de produção de álcool não é o mesmo da levedura, a qual objetiva a produção de

biomassa.

Portanto, a estequiometria do processo, como o substrato (açúcar) será fracionado para as formações de etanol, CO₂, biomassa, glicerol, ácidos

orgânicos e outros produtos minoritários, é determinada pela levedura, embora

94 orgânicos e outros produtos minoritários, é determinada pela levedura, embora possamos, até certo ponto, fazer algumas interferências em nosso favor.

Tais interferências devem ser pautadas levando-se em consideração as

exigências metabólicas da levedura, o que na maioria das vezes não acontece, redundando no insucesso de muitos expedientes operacionais..

Vias Metabólicas e Balanço Energético da Fermentação

A conversão da glicose (ART) em etanol, segundo a termodinâmica, ocorre com uma queda de energia livre (∆G) da ordem de 50.000 cal/mol (180 g) da hexose.

Como da glicose se pode extrair 686.000 cal/mol de energia útil, resulta que os 2 mol de etanol gerados (46 x 2 = 92 g) ainda retém cerca 636.000 cal (686.000 – 50.000), ou seja, cerca de 93% da energia contida na glicose.

95 (686.000 – 50.000), ou seja, cerca de 93% da energia contida na glicose.

Em outras palavras, o etanol correspondendo a quase metade da massa de açúcar processada, ainda encerra quase a totalidade da energia da glicose, praticamente duplicando o seu valor calórico em relação ao açúcar.

L. C. Basso, M. J. R. Mutton e M. G. A. Felipe, Fisiologia e Ecologia Microbiana, “I Workshop Tecnológico sobre Produção de Etanol”,

Dessa forma, apenas 7% (100%-93%) da energia da glicose foi posta em disponibilidade para a levedura durante a fermentação, energia essa que em parte foi utilizada para a produção de ATP (empregada na formação de

biomassa e energia de manutenção) sendo o restante dissipada como calor. Ao considerarmos a obtenção do etanol como combustível, a via glicolítica é extremamente favorável, sendo que o ágio energético da transformação é de apenas cerca de 7%.

96 apenas cerca de 7%.

Nesse sentido é importante entender quais e como certos parâmetros

contribuem para a formação desses subprodutos bem como de que forma poderia ser o metabolismo microbiano alterado para favorecimento do bioprocesso.

Isto possibilitaria a máxima conversão da fonte de carbono em etanol ao mesmo tempo em que o desvio para outros compostos (subprodutos) fosse o mínimo possível.

Estudo das condições fisiológicas da levedura na fermentação realizada com reciclo de células e também naquelas com emprego de células imobilizadas

aliado às técnicas de biologia molecular pode ajudar a estabelecer a

sustentabilidade da indústria de etanol combustível em função das novas alterações que poderão ser impostas ao sistema de produção.

C. Webb, The role of cell immobilization in fermentation technology, Aust J Biotechnol. 1989 Jan;3(1):50-5.

Abstract

The distinction between immobilized cell fermentation and immobilized cell biocatalysis is seldom made, though they are conceptually quite different. Unlike immobilized enzyme systems, immobilized viable cells can be used to carry out conventional fermentations. Microbial cells which

99 can be used to carry out conventional fermentations. Microbial cells which would otherwise be freely dispersed (in almost colloidal suspension)

within the fermentation environment can be encouraged to become attached in some way to a support (carrier), thus producing a discrete particulate solid phase. Such immobilization offers several potential

advantages of a process engineering nature to the fermentation system. These include ease of handling and of cell separation, and lowering of bulk viscosity, as well as the obvious potential benefits of increased cell concentration.

Imobilização celular:

Reduz a replicação celular, minimizando problemas relacionados com instabilidade genética.

Mantém a célula num estado latente diminuindo o número de divisões para produzir uma dada quantidade do produto de interesse.

100

V. Nedović e R. Willaert, Applications of cell immobilisation biotechnology

produzir uma dada quantidade do produto de interesse.

É importante avaliar os fatores anteriores à fermentação como a presença de

metais na terra misturados à cana.

Metais como o ferro podem ser responsáveis por alterações fisiológicas e

bioquímicas durante a fermentação devido à adsorção destes na parede da levedura com conseqüente floculação celular.

101

R. Epiphanio, E. D. Bidoia e C. R. Corso, Adsorção de ions ferro e floculação de células de saccharomyces cerevisiae durante o processo eletrolítico, Arq. Inst. Biol., 68, 2001, 51.“

Micrografia de solo rico em ferro

Para aumentar a produtividade do etanol, a metodologia a ser utilizada deve contemplar o envolvimento do processo industrial de produção no país, mediante abordagens fisiológicas da levedura, identificação e

controle dos fatores estressantes impostos pelo processo industrial em "tempo real".

102

"tempo real".

Alterar a estequiometria da fermentação para incremento da formação de etanol.

Balanço de Massa da Fermentação (Estequiometria)

Ensaios de laboratório e dados de unidades industriais mostram uma ampla faixa de rendimento em etanol (fração do açúcar metabolizado que foi

transformado em etanol), considerando a conversão de 100 g de ART em 51,1 g de etanol pela via glicolítica.

103 No entanto a dificuldade de se medir os volumes nos processos industriais, bem como a utilização de diferentes metodologias nos diversos laboratórios, contribuem para valores não realistas e de difícil comparação.

L. C. Basso, M. J. R. Mutton e M. G. A. Felipe, Fisiologia e Ecologia Microbiana, “I Workshop Tecnológico sobre Produção de Etanol”,

Balanço de Massa da Fermentação (Estequiometria)

A estimativa do rendimento mediante a formação de subprodutos da fermentação (biomassa, glicerol, ácidos orgânicos/acidez), embora de utilidade para o monitoramento do processo industrial, incorre em

extrapolações comprometedoras.

104 Todos os produtos da fermentação competem entre si pela mesma fonte de carbono, o açúcar, e a produção de alguns afeta a formação dos demais.

L. C. Basso, M. J. R. Mutton e M. G. A. Felipe, Fisiologia e Ecologia Microbiana, “I Workshop Tecnológico sobre Produção de Etanol”,

Estequiometria da Fermentação

105

L. C. Basso, M. J. R. Mutton e M. G. A. Felipe, Fisiologia e Ecologia Microbiana, “I Workshop Tecnológico sobre Produção de Etanol”,

Glicerol e biomassa respondem por um desvio significativo do açúcar, em detrimento da formação de etanol.

A formação de biomassa, assim como a dos ácidos orgânicos (succínico,

predominantemente) a partir do açúcar pela levedura vem a ser um processo oxidativo, gerador de coenzima reduzida (NADH + H+_{), a qual será reoxidada (à}

forma de NAD+_{) através da formação de glicerol.}

106 Estima-se que 1 kg de glicerol seja formado para o restabelecimento do equilíbrio de redox alterado devido à formação de 1 kg de biomassa seca de levedura.

Portanto a idéia simplista de que podemos reduzir, ou como já foi tentado, impedir a formação de glicerol, deve ser considerada do ponto de vista fisiológico da

O glicerol pode também ser formado em decorrência de estresses físico

(pressão osmótica), químico (presença de sulfito no mosto) e

microbiológico (sua produção também pode ser aumentada em decorrência da contaminação bacteriana).

Pode-se, mediante adequação do meio fermentativo e de uma melhor

condução da fermentação, minimizar a formação do glicerol associado aos estresses, ao mesmo tempo que o crescimento da levedura fosse

107 estresses, ao mesmo tempo que o crescimento da levedura fosse

restringido ao mínimo necessário à reposição da parcela da biomassa perdida durante os reciclos.

Portanto, é importante obter formas alternativas para o controle da

contaminação bacteriana como a utilização de bacteriocinas bem como de linhagens de leveduras apropriadas ao processo industrial aproveitando a nossa biodiversidade.

FERMENTAÇÃO

Apesar do estágio avançado atual em que se encontra a fermentação alcoólica no Brasil quanto às necessidades de produção, é ainda possível a melhoria de seu rendimento.

Medidas para o alcance desta melhoria podem ser utilizadas como a obtenção de plantas com maior teor de açúcares fermentescíveis,

aumento do rendimento da fermentação alcoólica para valores superiores

108 aumento do rendimento da fermentação alcoólica para valores superiores ao de hoje (limitados pelo valor teórico de 0,511 gramas de etanol/grama de açúcar redutor como glicose).

Para tanto poderão ser avaliados diversos fatores interferentes nesta etapa do processo como reduções na temperatura de fermentação, no

consumo de ácido sulfúrico ou mesmo sua substituição, no custo da centrifugação e reciclo celular bem como no volume de vinhaça gerada.

Ainda o aumento do teor alcoólico (valor médio é de aproximadamente 8,5 % (vol.), a utilização de alternativas ao emprego de antibióticos, nitrogênio e potássio, a padronização dos métodos de análise da fermentação aliados à avaliação de propostas de outros processos alternativos aos atuais tem que ser considerados.

Porém o modelo atual de produção de etanol no Brasil usa uma rota tecnológica vencedora que torna difícil a competição com outras. Este é um processo

109 vencedora que torna difícil a competição com outras. Este é um processo maduro (matéria-prima 60% do custo) e só serão conseguidos ganhos pequenos com grandes investimentos.

Destaque tem que ser dado também ao fato de que apenas parte da cana é aproveitada já que ocorre queima de quase dois terços da energia disponível

Assim, o teor efetivo de açúcar solúvel que chega ao processamento é baixo. Este fato leva a que ganhos significativos poderão ocorrer otimizando estes aspectos, embora muito pouco tenha sido efetivamente iniciado nesta área. Também, o fato do processamento atual se basear na grande disponibilidade de energia (na forma de bagaço, que não tinha outro uso) este gera grande

desperdício pelo gasto de energia, por exemplo, na extração do caldo embora o controle de perdas seja bastante eficiente.

110 controle de perdas seja bastante eficiente.

Exceção pode ser mencionada para o caso do processo fermentativo no qual pode ser alcançado 90% de sua eficiência máxima (0,511 kg etanol por kg de açúcares alimentados).

O etanol embora contenha uma parcela considerável da energia utilizável do açúcar há de novo grande desperdício de materiais (mais de 50% da massa de açúcar não está nos produtos finais).

Apesar do reciclo do CO₂ liberado (após décadas) na produção de mais cana é necessário considerar o estudo de vias mais atrativas que poderiam até dobrar a massa de produtos gerados.

111 Também deve ser considerado que se trata de um processo industrial

integrado, tanto do ponto de vista de uso de uma parte da matéria-prima (cana) para geração da energia necessária para o processamento, como em muitas instalações há também a produção concomitante de açúcar.

A cana não é armazenável e sua composição evolui durante o período de colheita, o que leva à necessidade de que o processo precisa ter alta

flexibilidade devido à variações como na quantidade e qualidade da matéria-prima e alta resiliência (capacidade de retomada após as alterações).

São necessárias pesquisas quanto a possibilidade de armazenamento da cana e extensão de safra como também são importantes os estudos

"ecológicos" como o de populações que convivem na cana-de-açúcar e nos

112 "ecológicos" como o de populações que convivem na cana-de-açúcar e nos diversos nichos do processamento.

O processo fermentativo opera com boa produtividade, boa eficiência e

razoável robustez sem esterilização (comparado aos outros processos fermentativos industriais).

Entretanto, estes fatores podem ser melhorados, pelo menos teoricamente, a partir do aumento do conhecimento da fisiología das populações de levedura no ambiente industrial (principalmente submetidas a inúmeras condições

estressantes como o reciclo e o tratamento ácido), da estequiometria (passos

113 estressantes como o reciclo e o tratamento ácido), da estequiometria (passos metabólicos) e da biodiversidade.

É necessário desenvolver novas alternativas mais viáveis e sustentáveis ao

controle microbiológico atual e mais linhagens de leveduras para a partida. Quanto à cinética do processo fermentativo é necessário compreendê-la mais para relacioná-la melhor aos componentes do meio afetado pela

Também o fato do teor final de etanol ser ainda muito baixo leva à

sobrecarga do processo de separação enquanto que para a temperatura de fermentação esta tem de ser mantida baixa em vista da toxidez do etanol e da presença de bactérias termo tolerantes.

Processos de produção de álcool mais diretos e mais simples, partindo da biomassa integral da cana, mais parecidos com a síntese química

114

biomassa integral da cana, mais parecidos com a síntese química

precisam ser concebidos para juntar às vantagens de ambas as rotas.

Como reduções significativas de custo de produção foram alcançadas nos últimos 30 anos, fica clara a necessidade de que boa parte das pesquisas

seja feita ou nas próprias unidades de produção ou pelo menos ao lado delas, respeitando as condições (ambientes) reais com suas limitações e particularidades.

DESTILAÇÃO

Destilação alcoólica evoluiu no Brasil resultando em aumentos significativos de produtividade dos aparelhos como a redução do consumo de vapor por litro de etanol tanto para o álcool hidratado quanto o anidro.

Como principal objetivo da destilação alcoólica está a obtenção de um vinho com teores elevados de álcool correspondente a valores de 92,6 a 93,5 % e maior que 99,3% em peso (°INPM) para o hidratado e o anidro respectivamente.

115 O vinho contém também contaminantes em pequenas quantidades provenientes do próprio processo fermentativo como outros alcoóis, aldeídos, ácidos

orgânicos dentre outros.

A retirada destes compostos principalmente dos alcoóis superiores é necessária para a etapa de destilação pois a presença destes afeta a qualidade do etanol

São necessárias reduções do consumo energético na destilação bem como das perdas no processo

Deve-se introduzir processos de múltiplos efeitos com conseqüente redução no consumo energético e de água de resfriamento

É necessário reavaliar os aparelhos e processos em uso tanto para álcool hidratado como anidro visando o aumento da produção

116 hidratado como anidro visando o aumento da produção

É importante recuperar os produtos diluídos e introduzir sensores e automação.

Propostas de pesquisas relevantes em destilação alcoólica num futuro próximo, resultantes da discussão, são listadas a seguir:

-viabilização da utilização de mostos mais concentrados como também maior teor de álcool no vinho que poderia ser atingido até 16 °GL de forma a permitir a redução no consumo de vapor;

-ampliação do número de bandejas nas colunas e seu efeito no consumo energético;

117 -alterações em parâmetros construtivos e/ou operacionais das colunas

associados à extração de subprodutos para ampliação da corrente do produto principal (álcool hidratado);

-desenvolvimento de sistemas de controle do processo em termos energéticos e geração de produtos e subprodutos de melhor qualidade;

-melhor aproveitamento econômico de subprodutos como alcoóis superiores de forma a viabilizar o emprego mais rentável destes;

-desenvolvimento, a partir de configurações básicas de colunas para a produção de álcool hidratado carburante, de unidades de destilação mais flexíveis de forma a permitir a produção de alcoóis de diferentes padrões de qualidade;

-investigação do uso de integrações térmicas tipo duplo efeito na destilação alcoólica considerando as dificuldades como riscos de

formação de incrustrações, problemas com velocidades de escoamento

118 formação de incrustrações, problemas com velocidades de escoamento

nas bandejas;

-utilização de integrações térmicas nos processos de desidratação

alcoólica vinculando seu uso à qualidade e uso do álcool anidro produzido incluindo exigências do mercado externo;

-desenvolvimento de novas bandejas e novos recheios para colunas de destilação e seu impacto no consumo de energia e custos de

investimentos;

-desenvolvimento de novos materiais para o processo viabilizando plantas de pervaporação mais baratas e em escala apropriada ao mercado

nacional ou de novos materiais tipo zeólitas para produção no mercado

119 nacional ou de novos materiais tipo zeólitas para produção no mercado

interno;

-aplicação de conhecimentos já desenvolvidos em outras áreas da indústria de processos como a petroquímica com destaque para ferramentas de