Produção de Etanol

Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros – FACIT

Gustavo Gonçalves Pimenta Lílian Regina Ruas de Oliveira

- Trabalho PRODUÇÃO DE ETANOL

Docente: Edson Vander Jorge

Montes Claros - MG Outubro, 2010

SUMÁRIO 1 PRODUÇÃO DE ETANOL............................................ ................................................................... .............................................. ................................. .......... 3 1.1 Importância ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ............................. ...... 3 1.2 Vias de obtenção ............................................. .................................................................... .............................................. ............................................ ..................... 4 1.3 Matérias-primas, Matéri as-primas, composição e conservação con servação ..................................... ............................................................ ............................. ...... 5 ................................................................... ................................. .......... 6 1.3.1 Composição das matérias-primas ............................................ 1.3.1.1 Melaços .............................................. ..................................................................... .............................................. ..................................... .............. 6 1.3.1.2 Cana-de-açúcar ............................................................ ................................................................................... ................................. .......... 7 1.3.1.3 Milho .............................................................. ..................................................................................... .............................................. ........................... 7 1.3.1.4 Sorgo sacarino ................................ ....................................................... .............................................. ........................................ ................. 7 1.3.1.5 Mandioca ........................................... .................................................................. .............................................. ..................................... .............. 8 1.3.1.6 Resíduos celulósicos ...................................... ............................................................. .............................................. ........................... 8 1.3.1.7 Outras matérias-primas .................................................. ......................................................................... ............................. ...... 8 ................................................................... ..................................... .............. 9 1.3.2 Conservação da matéria-prima ............................................ 1.4 Preparação dos meios ......................... ................................................ .............................................. .............................................. ................................. .......... 10 ................................................................... ........................................ ................. 10 1.4.1 Preparo de mostos de melaço ............................................ 1.4.2 Preparo de mostos de caldo de cana-de-açúcar ............................................. ....................................................... .......... 11 1.4.3 Preparação de mostos de materiais amiláceos ........................................... ......................................................... .............. 11 1.4.3.1 Sacarificação pelo malte ......................................... ................................................................ ..................................... .............. 11 1.4.3.2 Sacarificação por ação microbiana ........................ ............................................... ..................................... .............. 13 1.5 Fermentação alcoólica ............................................... ...................................................................... .............................................. ................................. .......... 14 1.5.1 O metabolismo no interior da célula ............................................ ................................................................... ............................. ...... 14 1.5.2 Produtos secundários da fermentação ............................................. .................................................................... ........................... 16 1.6 Fatores que afetam a fermentação ................................... .......................................................... .............................................. ........................... 17 1.6.1 Agente de fermentação .............................................. ..................................................................... .............................................. ........................... 18 ................................................................... ......................................... .................. 18 1.6.2 Nutrição mineral e orgânica ............................................ 1.6.3 Temperatura ............................................ ................................................................... .............................................. ............................................ ..................... 19 1.6.4 pH ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ..................................... .............. 19 .................................................................... ............................................ ..................... 20 1.6.5 Inibidores de fermentação ............................................. 1.6.6 Concentração de açúcares ............................................. .................................................................... ............................................ ..................... 20 .................................................................. .............................................. ........................... 21 1.6.7 Concentração do inóculo ........................................... 1.6.8 Contaminação bacteriana ............................................. .................................................................... ............................................ ..................... 21 1.6.9 Antissépticos ............................................ ................................................................... .............................................. ............................................ ..................... 21 ..................................................................... .............................................. ......................................... .................. 22 1.6.10 Antibióticos .............................................. 1.7 Correção dos mostos.............................................. ..................................................................... .............................................. ..................................... .............. 22 1.8 Preparo do inóculo ............................................ ................................................................... .............................................. ......................................... .................. 23 1.8.1 Prática da fermentação alcoólica ............................................. .................................................................... ................................. .......... 24 1.9 Pureza das fermentações ................................ ....................................................... .............................................. ............................................ ..................... 25 1.10 Sistemas de fermentação ................................................. ........................................................................ .............................................. ........................... 26 1.11 Fermentação alcoólica contínua ................................. ........................................................ .............................................. ............................. ...... 27 1.12 Salas de fermentação ....................................... .............................................................. .............................................. ......................................... .................. 31 1.13 Recipientes de fermentação ............................................ ................................................................... .............................................. ........................... 31 1.14 Destilação...................................................... .............................................................................. ............................................... ............................................ .....................32 ................................................................... .............................................. ........................... 33 1.14.1 Destilação descontínua ............................................ 1.14.2 Destilação contínua ............................................. .................................................................... .............................................. ............................. ...... 34 1.15 Retificação ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ............................. ...... 37 1.16 Prática de retificação industrial ............................................ ................................................................... ......................................... .................. 38 1.17 Desidratação do etanol ........................................ ............................................................... .............................................. ..................................... .............. 39

SUMÁRIO 1 PRODUÇÃO DE ETANOL............................................ ................................................................... .............................................. ................................. .......... 3 1.1 Importância ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ............................. ...... 3 1.2 Vias de obtenção ............................................. .................................................................... .............................................. ............................................ ..................... 4 1.3 Matérias-primas, Matéri as-primas, composição e conservação con servação ..................................... ............................................................ ............................. ...... 5 ................................................................... ................................. .......... 6 1.3.1 Composição das matérias-primas ............................................ 1.3.1.1 Melaços .............................................. ..................................................................... .............................................. ..................................... .............. 6 1.3.1.2 Cana-de-açúcar ............................................................ ................................................................................... ................................. .......... 7 1.3.1.3 Milho .............................................................. ..................................................................................... .............................................. ........................... 7 1.3.1.4 Sorgo sacarino ................................ ....................................................... .............................................. ........................................ ................. 7 1.3.1.5 Mandioca ........................................... .................................................................. .............................................. ..................................... .............. 8 1.3.1.6 Resíduos celulósicos ...................................... ............................................................. .............................................. ........................... 8 1.3.1.7 Outras matérias-primas .................................................. ......................................................................... ............................. ...... 8 ................................................................... ..................................... .............. 9 1.3.2 Conservação da matéria-prima ............................................ 1.4 Preparação dos meios ......................... ................................................ .............................................. .............................................. ................................. .......... 10 ................................................................... ........................................ ................. 10 1.4.1 Preparo de mostos de melaço ............................................ 1.4.2 Preparo de mostos de caldo de cana-de-açúcar ............................................. ....................................................... .......... 11 1.4.3 Preparação de mostos de materiais amiláceos ........................................... ......................................................... .............. 11 1.4.3.1 Sacarificação pelo malte ......................................... ................................................................ ..................................... .............. 11 1.4.3.2 Sacarificação por ação microbiana ........................ ............................................... ..................................... .............. 13 1.5 Fermentação alcoólica ............................................... ...................................................................... .............................................. ................................. .......... 14 1.5.1 O metabolismo no interior da célula ............................................ ................................................................... ............................. ...... 14 1.5.2 Produtos secundários da fermentação ............................................. .................................................................... ........................... 16 1.6 Fatores que afetam a fermentação ................................... .......................................................... .............................................. ........................... 17 1.6.1 Agente de fermentação .............................................. ..................................................................... .............................................. ........................... 18 ................................................................... ......................................... .................. 18 1.6.2 Nutrição mineral e orgânica ............................................ 1.6.3 Temperatura ............................................ ................................................................... .............................................. ............................................ ..................... 19 1.6.4 pH ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ..................................... .............. 19 .................................................................... ............................................ ..................... 20 1.6.5 Inibidores de fermentação ............................................. 1.6.6 Concentração de açúcares ............................................. .................................................................... ............................................ ..................... 20 .................................................................. .............................................. ........................... 21 1.6.7 Concentração do inóculo ........................................... 1.6.8 Contaminação bacteriana ............................................. .................................................................... ............................................ ..................... 21 1.6.9 Antissépticos ............................................ ................................................................... .............................................. ............................................ ..................... 21 ..................................................................... .............................................. ......................................... .................. 22 1.6.10 Antibióticos .............................................. 1.7 Correção dos mostos.............................................. ..................................................................... .............................................. ..................................... .............. 22 1.8 Preparo do inóculo ............................................ ................................................................... .............................................. ......................................... .................. 23 1.8.1 Prática da fermentação alcoólica ............................................. .................................................................... ................................. .......... 24 1.9 Pureza das fermentações ................................ ....................................................... .............................................. ............................................ ..................... 25 1.10 Sistemas de fermentação ................................................. ........................................................................ .............................................. ........................... 26 1.11 Fermentação alcoólica contínua ................................. ........................................................ .............................................. ............................. ...... 27 1.12 Salas de fermentação ....................................... .............................................................. .............................................. ......................................... .................. 31 1.13 Recipientes de fermentação ............................................ ................................................................... .............................................. ........................... 31 1.14 Destilação...................................................... .............................................................................. ............................................... ............................................ .....................32 ................................................................... .............................................. ........................... 33 1.14.1 Destilação descontínua ............................................ 1.14.2 Destilação contínua ............................................. .................................................................... .............................................. ............................. ...... 34 1.15 Retificação ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ............................. ...... 37 1.16 Prática de retificação industrial ............................................ ................................................................... ......................................... .................. 38 1.17 Desidratação do etanol ........................................ ............................................................... .............................................. ..................................... .............. 39

1.17.1 Processo de desidratação com o uso de arrastadores ........................................... ............................................... 40 1.17.2 Processo de absorvente regenerável ........................................... .................................................................. ............................. ...... 42 ..................................... 42 1.17.3 Processo de separação por meio de peneiras moleculares .....................................

1.18 Fluxograma do processo process o de produção p rodução de d e álcool e açúcar ............................................ ............................................ 44 1.19 Planta fotográfica f otográfica de uma usina us ina de álcool e açúcar ................................................... ....................................................... 45 2 BALANÇO ENERGÉTICO NA PRODUÇÃO DE ETANOL............................................ ............................................ 47 2.1 Cana-de-açúcar ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ........................... 47 2.2 Mitigação Mitig ação do Efeito Estufa ........................................... .................................................................. .............................................. ............................. ...... 48 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................. .................................................................... ........................................ ................. 50 GLOSSÁRIO ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ..................................... .............. 51

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1 PRODUÇÃO DE ETANOL

1.1 Importância

No Brasil, as indústrias de açúcar e de álcool estiveram sempre intimamente ligadas, desde o tempo do descobrimento. Deduz-se que a produção de álcool iniciou na Capitania de São Vicenteudas de cana-de-açúcar, trazidas da ilha da Madeira em 1532. A Alemanha e, principalmente a França, deram grande contribuição ao desenvolvimento das técnicas de fermentação alcoólica, de destilação e de construção de aparelhos de destilação. Utilizava-se o etanol para fins farmacêuticos, para a produção de alguns produtos químicos derivados, para bebidas e como fonte de energia térmica, por combustão, em algumas atividades. Em 1929, a grande crise internacional colocou em xeque as economias de todos os países e, no Brasil, a indústria açucareira não ficou a salvo. Sobrava açúcar e cana e faltavam divisas para a aquisição de combustível líquido. A primeira destilaria de álcool anidro foi instalada e o Governo Federal, em 1931, estabeleceu a obrigatoriedade da mistura de 5% de etanol à gasolina (Decreto 19.717), como medida de economia na importação de combustível e para amparar a lavoura l avoura canavieira. canavieira. A crise internacional do petróleo que se deflagrou em 1974, fez com que se iniciasse, no Brasil, uma nova fase na produção de etanol. Na busca de alternativas para combustível líquido, o álcool adquiriu uma importância sem paralelo. Dos 700 milhões de litros por ano, em pouco tempo a indústria passou a produzir 15 bilhões de litros, para abastecer uma frota de mais de 4 milhões de automóveis, que se movem com álcool puro e também, para misturar-se a toda a gasolina usada no País. Com o abaixamento do preço do petróleo no mercado internacional, perdeu-se o interesse político pela sua produção.

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1.2 Vias de obtenção

Obtém-se etanol por três maneiras gerais: por via destilatória, por via sintética e por via fermentativa. A via destilatória não tem significação econômica no Brasil, a não ser para certas regiões vinícolas, para o controle de preço de determinadas castas de vinhos de mesa. Por via sintética, obtém-se o etanol a partir de hidrocarbonetos não saturados, como o eteno e o etino, e de gases de petróleo e da hulha. Nos países em que há grandes reservas de petróleo e uma indústria petroquímica avançada, é uma forma econômica de produzir álcool. A via fermentativa é a maneira mais importante para a obtenção do álcool etílico no Brasil. Mesmo que venha a haver disponibilidade de derivados de petróleo que permitam a produção de álcool de síntese, a via fermentativa ainda será de grande importância para a produção de álcool de boca, sob a forma de aguardentes. As bebidas fermento-destiladas possuem características próprias de aroma e sabor, conferidas por impurezas decorrentes do processo fermentativo. fermentativo. Um dos fatores que torna a produção de etanol por fermentação a forma mais econômica de sua obtenção, é o grande numero de matérias-primas naturais existentes em todo o País. Sua distribuição geográfica, que encerra diversos climas e tipos de solos, permite seu cultivo em quase todo o território e durante todo o ano. Na obtenção do álcool por via fermentativa, distinguem-se três fases: o preparo do substrato, a fermentação e a destilação. O preparo do substrato e o tratamento da matériaprima para dela se extraírem os açúcares fermentescíveis difere para as distintas matériasprimas. A fermentação é um processo comum a todos os substratos açucarados, cujo princípio é a transformação dos açúcares em etanol e dióxido de carbono. As variações entre os processos de fermentação são apenas em detalhes. Na destilação, separa-se o etanol geralmente em duas operações. A primeira, para separá-lo do substrato fermentado, sob a forma de mistura hidroalcoólica impurificada com aldeídos, ésteres, álcoois superiores e ácidos orgânicos. Outra, para separar as impurezas do etanol.

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1.3 Matérias-primas, composição e conservação

Qualquer produto que contenha açúcar ou outro carboidrato constitui-se em matériaprima para a obtenção do etanol. Entretanto, para que seja viável economicamente é preciso considerar-se seu volume de produção, o rendimento industrial e o custo de fabricação. Há varias maneiras de classificar as matérias-primas para a produção de etanol, mas qualquer dos critérios que se adote deixa algo a desejar. Podemos classificá-las em matérias açucaradas, agrupando cana-de-açúcar, beterraba açucareira, sorgo sacarino, milho sacarino, melaços, mel de abelhas e frutas; em matérias amiláceas e feculentas, agrupando grãos amiláceos, raízes e tubérculos feculentos; e em matérias celulósicas, incluindo palhas, madeiras, resíduos agrícolas e resíduos sulfíticos de fabricas de papel. Entre as matérias açucaradas, costuma-se distinguir as diretamente fermentescíveis e as não diretamente fermentescíveis. As primeiras são as que contêm monossacarídeos e se limitam aos sucos de frutas. Sua importância reside na produção de álcool em bebidas como o vinho e a sidra. As não diretamente fermentescíveis são as que contêm os dissacarídeos, que fermentam após uma hidrólise, à qual se da o nome de inversão, e que se realiza naturalmente por ação da invertase, enzima produzida pelo agente de fermentação. A sacarose é a representante mais importante dos componentes da cana-de-açúcar e dos melaços. O processo de alcoolização é fácil, não exige conhecimentos profundos e a matéria-prima que se usa nas indústrias nem sempre é pura. As matérias amiláceas e feculentas fermentam após uma hidrólise, que se denomina de sacarificação, pela qual o amido infermentescível se transforma em açúcar fermentescível. A alcoolização processa-se através de técnicas industriais mais complexas. Pela necessidade de maiores conhecimentos, pelas dificuldades de conservação e de fermentação da matéria-prima original e pelo custo de fabricação, os álcoois de cereais produzem-se no Brasil em pequena escala, com maior importância para a indústria de bebidas. A massa de matérias celulósicas disponível é vultosa, mas ainda não oferece, para o País, condições econômicas para a produção de etanol. O processo de hidrólise, necessário para sacarificar a celulose é complexo, e o teor de açúcares fermentescíveis obtenível é inferior ao encontrado nas matérias-primas sacarinas. Para o Brasil as matérias-primas, de importância econômica imediata para a produção de etanol industrial, são os melaços e a cana-de-açúcar; para a preparação de bebidas

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destiladas, a cana-de-açúcar e as matérias amiláceas, com destaque para o milho. A mandioca é matéria feculenta potencial.

1.3.1 Composição das matérias-primas

A composição de qualquer produto vegetal varia com grande número de fatores, uns controláveis pelo homem, outros não. Entre eles destacam-se: a variedade, a idade, as regiões e as condições climáticas e edáficas, de maturação, de sanidade, de colheita, de transporte, de armazenamento e de industrialização. Esses fatores também afetam a composição das matérias-primas derivadas da industrialização dos vegetais. As composições que se seguem, referem-se principalmente ao material suscetível de transformação em etanol.

1.3.1.1 Melaços

Denominam-se melaços os resíduos da fabricação de açúcar que não são mais utilizados para a separação da sacarose. Eles se originam nas usinas de açúcar, pela centrifugação das massas cozidas para a separação dos cristais de açúcar. No Brasil, todos os meios que se enviam para a destilaria, qualquer que seja sua composição, denominam-se de mel final. Sua composição varia de acordo com o processo de produção do açúcar; entretanto, pode-se admitir que encerra, em números gerais, até 62% de açúcares, 20% de água, 8% de cinzas, 3% de matérias nitrogenadas e 7% de outros, como gomas e ácidos. Na fração de açúcares distinguem-se 32% de sacarose, 14% de dextrose e 16% de levulose. De maneira geral, não se incorre em erro afirmar que o melaço encerra 50% de açúcares fermentescíveis. Quanto mais açúcar se obtiver das massas cozidas, menos sacarose se encontra no mel final. Este se obtém em proporções variáveis, segundo o processo de fabricação, excesso de cana-de-açúcar e outros fatores.

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1.3.1.2 Cana-de-açúcar

O açúcar predominante é a sacarose. Os açúcares redutores compõem-se primordialmente de glicose e frutose. Esses açúcares se encontram em proporções quase iguais nas canas imperfeitamente maduras. O caldo obtido pela moagem da cana-de-açúcar encerra entre 78 e 86% de água, 10 e 20% de sacarose, 0,1 e 2% de açúcares redutores, 0,3 e 0,5% de cinzas e entre 0,5 e 1,0% de compostos nitrogenados. O pH do caldo varia entre 5,2 e 6,8. A cana-de-açúcar é uma cultura plurianual, com colheita anual. De maneira geral, ela é economicamente produtiva por três anos consecutivos. Admite-se que a média do rendimento agrícola atinge entre 85 e 100 toneladas anuais por hectare, em grandes culturas e em condições normais.

1.3.1.3 Milho

O milho limpo, ventilado, em condições de armazenamento, apresenta-se com 9 a 15% de água, 59 a 70% de extrativos-não-nitrogenados, 5 a 15% de material protéico, 1,5 a 8,5% de material celulósico e 1,3 a 4% de cinzas. A produção no Brasil é variável, de 1,1 a 3 toneladas de grãos por hectare, mas pelas campanhas de produtividade incentivadas, há registros de mais de 7 toneladas por hectare.

1.3.1.4 Sorgo sacarino

Dentre as variedades de sorgo, algumas apresentam um caldo açucarado em seu colmo, com teores de açúcares semelhantes ao da cana-de-açúcar. Não só possuem um alto teor de açúcares fermentescíveis, como produzem alta tonelagem de colmos por hectare, em um período agrícola inferior ao da cana-de-açúcar. Entretanto, o período de colheita é mais

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curto também, conduzindo a problemas de utilização industrial. A redução do estímulo oficial à produção de etanol também reduziu o interesse por mais estudos dessa matéria-prima.

1.3.1.5 Mandioca

As raízes frescas contém de 67 a 75% de água, de 18 a 23% de fécula e o restante distribuído entre material protéico, celulose, graxas e cinzas. Encontram-se variedades melhoradas, que acusam teores de amido superiores a 30%. O volume de álcool produzido por tonelada de mandioca é superior ao produzido por uma tonelada de cana-de-açúcar, porém a produtividade agrícola da mandioca não compete com a da cana-de-açúcar. Outros fatores, como a maior dificuldade de preparação dos mostos, e a falta de resíduo combustível, desaconselharam seu uso.

1.3.1.6 Resíduos celulósicos

A disponibilidade de resíduos celulósicos, representada por palhas, folhas, resíduos de exploração madeireira e outros, despertaram o interesse para seu uso como matéria-prima para produção de álcool. Entretanto, fatores como dificuldade da preparação do mosto, presença de elementos tóxicos nos substratos hidrolisados de celulose capazes de dificultar a fermentação alcoólica, somados ao baixo rendimento em açúcares fermentescíveis (2 a 3%) e ao alto volume de resíduos da destilação, reduzem, no Brasil, as possibilidades de seu emprego para a produção de etanol.

1.3.1.7 Outras matérias-primas

A literatura é rica em informações sobre matérias-primas adequadas para a produção de etanol. Arroz, centeio, cevada, milheto, trigo, batata, batata doce e tupinambo podem

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produzir álcool, mas ainda não têm importância econômica para o Brasil. A cevada e o arroz são usados em cervejarias. A bata doce foi experimentada durante a vigência do Proálcool.

1.3.2 Conservação da matéria-prima

Na indústria, faz-se um aprovisionamento de matéria-prima para um período de operações mais ou menos longo, em depósitos próximos à destilaria. O melaço conserva-se em reservatórios fechados de chapas de ferro, com capacidade compatível com a produção da destilaria. O volume aproximado de armazenamento de melaço calcula-se pela fórmula:    ∙  ∙ 

Em que:  

volume de armazenamento em litros;

 

quantidade de cana-de-açúcar moída por dia em toneladas;

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volume de melaço (litros) produzido por tonelada de cana, variável entre 30 e 40;

 

fator de segurança, representado por 30 dias de produção, no mínimo. Deve-se colher e moer a cana-de-açúcar o mais rápido possível, sendo ideal cortar e

moer no mesmo dia. Admitem-se até três dias de conservação para canas colhidas sem queimar. As que são queimadas antes de colher, para eliminar a palha, têm período de conservação mais curto. Quanto mais dilatado for o tempo entre corte e moagem, maiores são os riscos de deterioração física, química, enzimática ou microbiana, que prejudicam a fermentação futura do caldo, rendimento e qualidade do produto. Recomenda-se a moagem da cana colhida crua e picada em no máximo 10 dias. Pode-se conservar o milho por longo período, utilizando-o ao longo do ano. A produção agrícola restringe-se a um período, mas as indústrias trabalham por muitos meses, até todo o ano.

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Consegue-se a conservação do cereal pelo controle das condições sanitárias e das condições climáticas. O armazenamento faz-se em silos de diversos tipos, que permitem o controle da umidade e da temperatura.

1.4 Preparação dos meios

As matérias-primas adequadas à fabricação do etanol fornecem amido, glicose e mistura de sacarose, glicose e frutose. A quase totalidade do álcool industrial produz-se com cana-de-açúcar e melaço, que contêm predominância de sacarose em mistura com dextrose e levulose. Os mostos, ou seja, os substratos açucarados que se obtêm dessas matérias-primas, requerem preparação previa adequada, antes de passarem aos recipientes de fermentação, ou dornas. O preparo dos mostos conta com tanques de medição, balanças, diluidores mecânicos, depósitos de sais minerais e de antissépticos, aquecedores ou resfriadores, medidores de ácido e outros acessórios.

1.4.1 Preparo dos mostos de melaço

Obtém-se pela diluição conveniente com água. Normalmente não se faz diluição com vinhaça. A diluição faz-se de modo continuo, em misturadores especiais, com freqüente supervisão para garantir as concentrações adequadas; os melaços têm ar ocluso, temperaturas diferentes e viscosidade variável ao longo dos dias de produção, que dificultam seu escoamento uniforme, fundamental para o bom funcionamento dos diluidores. As concentrações dos mostos, nas destilarias brasileiras, são comumente expressas em graus Brix, diluindo-se os melaços entre 15 e 25°Brix, com medias de 18 a 20°Brix.

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1.4.2 Preparo dos mostos de caldo de cana-de-açúcar

O caldo que se obtém do esmagamento das canas nas moendas, misturado com água de embebição, ou obtido em difusores é rico em sacarose e em açúcares redutores e está convenientemente diluído para sofrer a fermentação alcoólica. Eventualmente pode-se diluir mais. Embora se possa fazer a fermentação com o caldo bruto, é pratica comum clarificá-lo por meio de aquecimento, decantação e filtração para separar colóides, gomas e materiais nitrogenados. O caldo torna-se um mosto mais limpo, que fermenta melhor, espuma menos e suja menos as colunas de destilação. Após a clarificação resfria-se o caldo e envia-se às dornas.

1.4.3 Preparo dos mostos de materiais amiláceos

É necessário sacarificar os amiláceos (grãos) e feculentos (raízes e tubérculos), porque os agentes de fermentação alcoólica não possuem enzimas amilolíticas. A sacarificação é o processo de transformação do amido ou fécula em açúcares fermentescíveis. Realiza-se por via química, biológica ou por ação direta de enzimas, mas as destilarias comumente usam a via biológica. A sacarificação faz-se por ação enzimática do malte ou pela ação microbiana de certos fungos no processo Amilo.

1.4.3.1 Sacarificação pelo malte

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Preparo do malte Malte é um cereal germinado em condições especiais de umidade, temperatura e

aeração. Durante a germinação ocorrem modificações físicas, bioquímicas e químicas no cereal, causadas por fenômenos vitais.

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Nas cervejarias e fábricas de uísque prepara-se o malte com cevada. Nas destilarias de álcool usa-se malte do próprio milho. A maltagem, embora seja uma operação complexa, esquematiza-se como segue: a) Limpeza e classificação dos grãos em peneiras, ventiladores, aparelhos magnéticos e classificadores. b) Maceração, para propiciar adequadas condições de umidade. Procede-se em cubas próprias, com água limpa a 10-12°C, na proporção de uma parte de grãos para três de água, renovando-se o líquido a cada 8-12 horas e promovendo-se o arejamento da cuba a cada renovação de água, para ativar a respiração dos grãos e acelerar a germinação. A maceração à baixa temperatura é mais lenta, mas conduz a uma germinação mais homogênea; a operação finda-se quando os grãos tiverem absorvido água correspondente a 40-50% de seu peso, o que se dá em 40-60 horas para a cevada e 60-70 horas para o milho. c) Germinação, que é a operação final, na qual controlam-se permanentemente o fornecimento de ar, a umidade e a temperatura, de 15°C, aproximadamente. Durante essa etapa, ativa-se uma serie de enzimas, das quais a amilofosfatase, a amilopectinase, a α-amilase e a β-amilase desempenham papel de importância na sacarificação. A maltase é outra enzima que desdobra a maltose formada em duas moléculas de glicose. A germinação industrial faz-se em salões próprios ou em germinadores, nos quais fazse uma periódica movimentação do cereal, para evitar acúmulo de dióxido de carbono, elevação de temperatura e dessecação dos grãos. Interrompe-se a germinação quando as gêmulas atingem dimensão de ¾ do comprimento do grão, momento que coincide com o máximo poder sacarificante. •

Sacarificação Para que se possa fazer reagir às enzimas sobre o material amiláceo, é necessário que

este se encontre sob forma de goma, ou como se costuma dizer, geleificado. Para isso, os grãos passam por uma serie de operações que se inicia por uma pesagem e prossegue com moagem, hidratação e cozimento. Do armazenamento, encaminha-se a matéria-prima para moinhos, onde é fragmentada em pedaços de 3 a 4mm, evitando-se um maior fracionamento para não dificultar a operação

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posterior de cozimento. A seguir, faz-se a hidratação com água acidulada de pH 4,5-5,0 a 5565°C, até a absorção de 40-50%, o que se consegue em 13-15 h. Passa-se o material hidratado para os cozedores, onde se precede ao máximo de desagregação do produto, na forma coloidal de goma. Para facilitar a solubilização das matérias protéicas e o cozimento do amido ou da fécula, opera-se sob pressão de 3atm, aproximadamente, e em presença de solução de ácido clorídrico de pH 5,5, com adição de 200-300 litros de água por 100kg de grãos hidratados. O tempo de cozimento, assim como a pressão e a temperatura, varia de acordo com a natureza do amido, podendo-se estabelecer 3 horas como parâmetro indicativo. Após a obtenção da goma, se está em condições de proceder à sacarificação, colocando-a em contato com o malte. Pela ação das enzimas amilolíticas dos grãos germinados produz-se maltose, dissacarídeo diretamente fermentescível e dextrinas, não fermentescíveis. A reação do meio é favorável a pH 5,5-5,7 e a temperatura mais conveniente para a obtenção de maior percentagem de maltose situa-se entre 40 e 60°C. Após o cozimento, resfria-se a massa, adicionam-se de 7 a 15% de leite de malte e mantém-se o conjunto sob agitação e temperatura constantes por 1 hora, aproximadamente. Eleva-se a temperatura lentamente para 65°C, resfria-se para 28-30°C, efetua-se a correção do mosto e envia-se às dornas para fermentar.

1.4.3.2 Sacarificação por ação microbiana

Usam-se nesse processo fungos com propriedades amilolíticas. Por meio deles, com técnica e assepsia apuradas, transforma-se economicamente o amido em açúcares fermentescíveis. As espécies mais usadas são  Amylomyces rouxii,   Aspergillus oryzae, Chlamydomucor oryzae , Rhizopus japonicus e Mucor delemar .

Comumente, associa-se o fungo com uma levedura que realize a fermentação alcoólica dos açúcares, de preferência leveduras puras e selecionadas. •

Preparo do inóculo Prepara-se um meio com 20g de material amiláceo em 1 litro de água, autoclava-se a

2atm por 20min, resfria-se e inocula-se uma suspensão de esporos. Incuba-se por 3-4 dias a 35-38°C, obtendo-se um inóculo para 100 mil litros de mosto.

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•

Preparo do mosto Prepara-se uma goma de amido de maneira semelhante à que se descreveu e

descarrega-se a massa fluida para a autoclave intermediária, onde se adiciona água até obterse densidade de 1,06 a 1,08g/cm 3. Esteriliza-se e passa-se às dornas de capacidade variável, providas de agitação mecânica, injeção de água, ar estéril e vapor, termômetros, manômetros, sistema de refrigeração, funil de inoculação, purgador de dióxido de carbono e outros acessórios. Refrigera-se o mosto e inocula-se o fungo. Após 24 horas de agitação e injeção de ar, o fungo desenvolveu-se perfeitamente e o mosto estará sacarificado, tendo o amido se transformado em maltose e glicose. Então, faz-se a inoculação da levedura à temperatura de 30-32°C. Após 40 horas da inoculação do fungo, tem-se um substrato com 9 a 12% de açúcares, que se desdobram pela ação da levedura em um tempo total de 72 a 96 horas. Após a fermentação, separa-se o álcool em colunas de destilação especiais, pois o substrato fermentado é muito espesso.

1.5 Fermentação alcoólica

1.5.1 O metabolismo no interior da célula

A transformação do açúcar (glicose) em etanol e CO 2 envolvem 12 reações em seqüencia ordenada, cada qual catalisada por uma enzima específica. Tal aparato enzimático está confinado no citoplasma celular, sendo, portanto nessa região da célula que a fermentação alcoólica se processa (FIG. 1). Essas enzimas, referidas como "glicolíticas", sofrem ações de diversos fatores (nutrientes, minerais, vitaminas, inibidores, substâncias do próprio metabolismo, pH, temperatura e outros), alguns que estimulam e outros que reprimem a ação enzimática, afetando o desempenho do processo fermentativo conduzido pelas leveduras.

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FIGURA 1 – Seqüencia de reações enzimáticas pela fermentação alcoólica. Fonte: LIMA; BASSO; AMORIM, 2001.

Convém ressaltar que a levedura Saccharomyces é um aeróbio facultativo, ou seja, tem a habilidade de se ajustar metabolicamente, tanto em condições aerobiose como de anaerobiose. Os produtos finais da metabolização do açúcar irão depender das condições ambientais em que a levedura se encontra. Assim, enquanto uma porção do açúcar é transformada em biomassa, CO 2 e H 2O em aerobiose, a maior parte é convertida em etanol e CO2 em anaerobiose, processo denominado de fermentação alcoólica. O objetivo primordial da levedura, ao metabolizar anaerobicamente o açúcar, é gerar uma forma de energia (ATP, adenosina trifosfato) que será empregada na realização dos

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diversos trabalhos fisiológicos (absorção, excreção e outros) e biossínteses, necessários à manutenção da vida, crescimento e multiplicação para perpetuar a espécie.

1.5.2 Produtos secundários da fermentação

Na seqüência de reações enzimáticas de produção de ATP, e intrínsecas à formação de etanol, rotas metabólicas alternativas aparecem para propiciar a formação de materiais necessários à constituição da biomassa (polissacarídeos, lipídeos, proteínas, ácidos nucléicos e outros), bem como para a formação de outros produtos de interesse metabólico, relacionados direta ou indiretamente com a adaptação e sobrevivência. Dessa forma, juntamente com o etanol e o CO 2, o metabolismo anaeróbio permite a formação e excreção de glicerol, ácidos orgânicos (succínico, acético, pirúvico e outros), álcoois superiores, acetaldeído, acetoína, butilenoglicol, além de outros compostos de menor significado quantitativo. Simultaneamente ocorre o crescimento das leveduras (formação de biomassa). Estima-se que 5% do açúcar metabolizado pela levedura seja desviado para gerar tais produtos secundários da fermentação, resultando num rendimento de 95% em etanol, conforme já observado por Pasteur em condições adequadas de fermentação (com mostos sintéticos). Entretanto, em condições industriais, nas quais fatores químicos, físicos e microbiológicos afetam a levedura, rendimentos de 90% normalmente são obtidos, o que implica em desvios de 10% do açúcar processado para a formação de outros produtos que não o etanol. Levando-se em consideração as reações responsáveis e a estequiometria das mesmas, pode-se calcular o equivalente em açúcar consumido para a formação de cada um dos produtos da fermentação, incluído a biomassa (TAB. 1).

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TABELA 1 Proporção dos diversos produtos da fermentação alcoólica, em g/100g de glicose metabolizada, de acordo com várias fontes e para diferentes eficiências fermentativas Jackman, 1987

Basso et al. 1996

90—95%

85—92 %

48,5

45,0—9,0

43,0—47,0

Gás carbônico

46,4

43,0—47,0

41,0—45,0

Glicerol

3,3

2,0—5,0

3,0—6,0

Ácido succínico

0,6

0,5—1,5

0,3—1,2

Ácido acético

—

0,0—1,4

0,1—0,7

Óleo fúsel

—

0,2—0,6

—

Butilenoglicol

—

0,2—0,6

—

Biomassa (massa seca)

1,2

0,7—1,7

1,0—2,0

Produto da fermentação

Pasteur 95%

Etanol

Fonte: LIMA; BASSO; AMORIM, 2001.

A formação de glicerol, o mais abundante dos compostos orgânicos secundários da fermentação, está acoplada à manutenção do equilíbrio redox celular, o qual é alterado quando da formação de ácidos orgânicos, biomassa e da presença de sulfito no mosto. Também está relacionada a concentrações elevadas de açúcares ou de sais no mosto. Já as razões fisiológicas que levam a levedura a produzir e excretar o ácido succínico ainda são discutíveis; admite-se que sua formação se deve a um meio fermentativo inadequado, pois não há evidência de necessidade metabólica desse ácido pela levedura, na proporção em que é produzido. O ácido succínico em ação sinérgica com o etanol exerceria uma intensa atividade antibacteriana, o que é notado durante uma fermentação alcoólica.

1.6 Fatores que afetam a fermentação

Diversos fatores, físicos (temperatura, pressão osmótica), químicos (pH, oxigenação, nutrientes minerais e orgânicos, inibidores) e microbiológicos (espécie, linhagem e concentração da levedura, contaminação bacteriana), afetam o rendimento da fermentação, ou seja, a eficiência da conversão de açúcar em etanol. Geralmente as quedas na eficiência fermentativa decorrem de uma alteração na estequiometria do processo, levando a maior formação de produtos secundários (especialmente glicerol e ácidos orgânicos) e biomassa.

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1.6.1 Agente de fermentação

As leveduras são os microrganismos mais importantes na obtenção do álcool por via fermentativa. A levedura da fermentação alcoólica é a Saccharomyces cerevisiae , da qual foram selecionadas várias linhagens. O desempenho do processo fermentativo é enormemente afetado pelo tipo de levedura que o executa. As fermentações se iniciam com uma determinada levedura, com culturas puras. As culturas puras são apenas isoladas ou obtidas através de melhoramento genético. Com o tempo, as linhagens que dão início ao processo têm duração efêmera, são substituídas por leveduras comuns à região da destilaria, comumente denominadas de leveduras selvagens. Leveduras “selvagens” foram isoladas e selecionadas com as características de dominância e persistência ao longo da safra, e com as habilidades fermentativas desejáveis, de alta eficiência na produção de etanol, baixa produção de glicerol e alta tolerância a diversos fatores estressantes. Usando-as no processo industrial mostram-se capazes de sobreviver ao longo da safra, exibindo bom desempenho fermentativo. A técnica de cariotipagem demonstra que os fermentos ditos "caipiras", usados pelos pequenos fabricantes regionais de aguardente, se constituem em bom inóculo, pois se constituem de leveduras regionais, desenvolvidas com técnicas artesanais. No entanto, tais leveduras "selvagens" se mostram com as mais variadas habilidades fermentativas, podendo, muitas vezes, acarretar problemas na fermentação (baixo rendimento, formação excessiva de espumas e floculação do fermento).

1.6.2 Nutrição mineral e orgânica

A levedura Saccharomyces cerevisiae utiliza o nitrogênio nas formas amoniacal (NH4+), amídica (uréia) ou amínica (na forma de aminoácidos), não tendo habilidade metabólica para aproveitar o nitrato e com pouquíssima ou nenhuma capacidade de utilizar as proteínas do meio. O fósforo é absorvido na forma de íon H 2PO4-, forma predominante em pH 4,5, enquanto o enxofre pode ser assimilado do sulfato, sulfito ou tiossulfato. A sulfitação do

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caldo no processo de fabricação de açúcar, bem como o ácido sulfúrico empregado no tratamento do fermento, parecem fornecer quantidade suficiente de enxofre para a levedura, pois sua exigência desse elemento é pequena. A TAB. 2 apresenta as concentrações dos principais nutrientes minerais para uma boa fermentação alcoólica. Tais nutrientes podem já estar presentes no mosto, sendo desnecessárias adições. Entretanto, podem ocorrer teores inadequados e deficiência de alguns e concentrações excessivas de outros. TABELA 2 Concentrações de nutrientes minerais no mosto para se obter adequada fermentação alcoólica Nutrição

Concentração em

Nutriente

Concentração

mineral

mg/L

mineral

em mg/L

NH4+

50—150

Co++

3,5

P

62—560

Co++2

10

K+

700—800

Zn++

0,5—10

Ca++

120

Cu++

7

Mg++

70—200

Mn++

10—33

SO4-

7—280

Mn++1

10 (10—80)

Na+

200

Fe++

0,2

Fonte: LIMA; BASSO; AMORIM, 2001.

1.6.3 Temperatura

As leveduras são mesófilas. À medida que a temperatura aumenta, aumenta a velocidade da fermentação, mas favorece a contaminação bacteriana, ao mesmo tempo em que a levedura fica mais sensível à toxidez do etanol.

1.6.4 pH

As fermentações se desenvolvem numa ampla faixa de valores de pH, sendo adequada a entre 4 e 5. Os valores de pH dos mostos industriais geralmente se encontram na faixa de

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4,5 a 5,5, com boa capacidade tamponante, especialmente os preparados com melaço. Fermentações conduzidas em meios mais ácidos resultam em maiores rendimentos em etanol, pelo fato de restringir o crescimento do fermento, com a conseqüente redução da produção de glicerol, ao mesmo tempo em que reduz a contaminação bacteriana. Entretanto, fermentações alcoólicas desenvolvem-se bem em níveis mais elevados, em substratos de alto poder tampão, come os melaços, em pH 5,8-5,9.

1.6.5 Inibidores da fermentação

O processo fermentativo pode ser inibido não só pelos seus próprios produtos, como o etanol, como por diferentes substâncias que podem fortuita ou deliberadamente estarem presentes nos mostos. Assim, alguns minerais como potássio e cálcio podem se apresentar em quantidades excessivas, quando se emprega elevada proporção de melaço. Recentemente, o alumínio foi identificado como elemento estressante da levedura, acarretando queda simultânea da viabilidade e dos teores de trealose da levedura. A sulfitação do caldo de cana para sua clarificação pode resultar em melaços com elevados teores de sulfito, que pode acarretar efeitos tóxicos à levedura, comprometendo a fermentação, bem como aumentar a acidez do álcool obtido.

1.6.6 Concentração de açúcares

Aumentando-se a concentração de açúcares, aumenta-se a velocidade de fermentação, a produtividade e, dentro de certos limites, acarreta-se menor crescimento do fermento e menor formação de glicerol por unidade de substrato processado. Entretanto, elevados teores de açúcar acarretam um estresse osmótico da levedura.

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1.6.7 Concentração de inóculo

Maiores concentrações de levedura na dorna permitem fermentações mais rápidas, com maior produtividade e com maior controle sobre as bactérias contaminantes, além de restringir o crescimento da própria levedura. Por outro lado, elevado teor de levedura exige energia de manutenção maior, isto é, maior consumo de açúcar para manter as células vivas. Como conseqüência, resulta em maior competição pelos nutrientes do meio, minerais e vitaminas, diminuindo a viabilidade do fermento. Daí existir um teor ótimo de levedura na dorna, dependendo das condições do processo industrial. A utilização de ácido benzóico mostra-se capaz de reduzir o crescimento excessivo da levedura, ao mesmo tempo em que diminui a formação de glicerol e aumenta o rendimento da fermentação.

1.6.8 Contaminação bacteriana

Desde que a fermentação industrial, pela dimensão do processo não é conduzida em condições de completa assepsia, a contaminação bacteriana, principalmente de  Lactobacillus e Bacillus, está sempre presente e, dependendo de sua intensidade, compromete o rendimento do processo fermentativo. A contaminação bacteriana associa-se ao aumento da formação de ácido láctico e, considera-se, na indústria, que essa contaminação é o principal responsável pelo acidente da fermentação alcoólica.

1.6.9 Antissépticos

No Brasil não é usual esterilizarem-se os mostos nas destilarias de álcool e de aguardente. Para controlar o problema das contaminações, aconselha-se o uso de antissépticos, capazes de criar ambiente favorável ao desenvolvimento das leveduras e desfavorável a outros microrganismos.

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Os antissépticos não são largamente usados; há restrições, porque existe possibilidade de deixarem resíduos nos destilados. O hexaclorofeno em dose de 4mg/L de mosto contribui para boas fermentações. Sulfato de cobre e colofônia também são citados na literatura, como bons antissépticos. O ácido sulfúrico que se adiciona nos mostos em fermentação, é um antisséptico.

1.6.10 Antibióticos

Sua ação esterilizante decorre de suas propriedades bacteriostáticas. A penicilina é um bom inibidor de contaminações, com o emprego de 500 a 1.000 U.I. por litro de mosto, observando-se apreciável aumento de rendimento em álcool nos mostos tratados. A aplicação é econômica, não exigindo modificações nas técnicas e nos aparelhamentos usados; as fermentações são mais puras e regulares. Pode-se usar também cloranfenicol, tetraciclina e clorotetraciclina, kamoran e virginiamicina. A escolha do antibiótico depende de seu custo no tratamento.

1.7 Correção dos mostos

Conhecendo-se os fatores que influem na fermentação alcoólica, faz-se a correção dos mostos, ou seja, seu condicionamento, para obter fermentações regulares, homogêneas e puras. A correção depende da natureza da matéria-prima. Os substratos de origem amilácea sofrem esterilização, pela técnica de sua preparação e, quanto ao mais, adicionam-se fosfatos, mais comumente o superfosfato em sua fração solúvel, na proporção de 1g/L de substrato. Se necessário, corrige-se a acidez, juntando-se ácido sulfúrico. Para os substratos de melaço, normalmente faz-se apenas a diluição. Em casos especiais adicionam-se fosfatos e sais de amônio na proporção de 1g/L de mosto. Quando se trabalha com caldo de cana direto, faz-se uma correção mais cuidadosa, para oferecer à levedura condições de nutrição que normalmente não se encontram no caldo

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em doses suficientes. Usualmente, adicionam-se superfosfatos e sulfato de amônio na proporção de 1g/L de mosto. Melhores rendimentos se obtêm quando se trata o mosto de caldo de cana com 0,1g/L por litro de sais de magnésio e 0,01g de sais de manganês e de cobalto. Além da diluição e da adição de nutrientes, adicionam-se antibióticos ou antissépticos e ajusta-se a temperatura.

1.8 Preparo do inóculo

Nas pequenas cantinas e nas pequenas destilarias de aguardente costuma-se deixar a fermentação ocorrer por obra dos microrganismos selvagens, que acompanham os caldos naturais. Nas grandes destilarias usam-se em grande escala, as leveduras de panificação, encontradas no comércio sob as formas úmidas e prensadas, ou secas e granuladas. Nesse caso obtém-se, fácil e rapidamente grande massa de inóculo, partindo-se de 10 a 20g de leveduras para cada litro de mosto. Por uma questão de custo usa-se essa quantidade de leveduras para inocular uma fração inicial do volume total de caldo, que se dilui a uma concentração de 13° Brix e deixa-se fermentar. Após a fermentação, divide-se o mosto fermentado por diversos recipientes e faz-se sua realimentação com mostos diluídos, até completar-se o volume total das dornas da destilaria. Também usam-se leveduras selecionadas com tolerância a altos teores de etanol e com boa velocidade de fermentação, procedentes de instituições especializadas. O preparo do inóculo é mais complexo. Partindo-se de tubos de culturas selecionadas, faz-se a inoculação subseqüente de volumes de meio em quantidades e concentrações crescentes, na proporção de 1:5 ou 1:10, até atingir o volume útil de fermentação na indústria (FIG. 2). Esse meio constitui-se de caldo de cana ou de melaço e sua concentração não deve ultrapassar 13° Brix.

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FIGURA 2 – Esquema da preparação do inóculo. Fonte: LIMA; BASSO; AMORIM, 2001.

1.8.1 Prática da fermentação alcoólica

Tão logo se mistura o inóculo ao mosto corrigido, inicia-se o processo de fermentação alcoólica dos açúcares fermentescíveis nele contidos. Pode-se distinguir numa fermentação alcoólica urna fase preliminar, uma fase tumultuosa e uma fase final ou complementar. A fase preliminar, a que se denomina de fase lag, inicia-se no momento do contato do levedo com o mosto. Caracteriza-se por multiplicação celular intensa, pequena elevação de temperatura e pequeno desprendimento de dióxido de carbono. Sua duração varia de acordo com o sistema de fermentação da destilaria; ela pode ser reduzida pelo uso de um inóculo bem volumoso. A fase tumultuosa caracteriza-se pelo desprendimento volumoso e intenso de dióxido de carbono, conseqüência da existência de um número suficiente de células para desdobrar os açúcares fermentescíveis do mosto. É a fase de maior tempo de duração. A temperatura elevase rapidamente, a densidade do mosto reduz-se e elevam-se a porcentagem de álcool e a acidez. O substrato agita-se como em ebulição. Corrigem-se os inconvenientes da elevação exagerada da temperatura com refrigeração.

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A fase complementar caracteriza-se pela diminuição da intensidade do desprendimento do dióxido de carbono, por menor agitação do líquido e diminuição da temperatura. Nessa fase a concentração de açúcares chega ao fim.

1.9 Pureza das fermentações

A fermentação alcoólica industrial é um processo fermentativo rústico, que certas vezes se processa em condições tecnicamente adversas. A rusticidade do processo se deve, inegavelmente, à capacidade biológica das leveduras, bastando que se lhes dêem condições de concentração adequada, nutrientes e alguns desinfetantes, para que o processo se desenvolva satisfatoriamente. Entretanto, as contaminações apresentam-se com freqüência, prejudicando o rendimento econômico. O controle das fermentações faz-se por tópicos. •

Tempo de fermentação: nos processos fermentativos descontínuos, a medida de sua duração média varia de acordo com a forma como se conta o tempo, se ao entrar o mosto em contacto com o inóculo ou após encher as dornas. O tempo é mais curto em mostos de melaço e de caldo de cana e mais longo nos mostos de amiláceos. Fixandose os tempos médios gastos numa destilaria, de acordo com os procedimentos técnicos que se adotam, uma alteração para mais ou para menos, é um sinal de importância relevante na observação da fermentação.

•

Odor da fermentação: o aroma, das fermentações puras é penetrante, ativo, e tende para odor de frutas maduras. Cheiro ácido, a ranço, ácido sulfídrico e outros, indica irregularidade.

•

Aspecto da espuma: embora varie com a natureza do mosto, temperatura e a raça da levedura, a espuma apresenta-se com aspecto típico e característico, nas mesmas condições de fermentação. Alterações nessas características indicam irregularidade.

•

Drosófilas: infalivelmente, quando há infecção acética, aparecem "moscas do vinagre" em número proporcional à contaminação.

•

Temperatura: nota-se que a temperatura de um mosto aumenta no decorrer do processo, tendo-se que usar dispositivos de refrigeração para mantê-la nos níveis adequados até o final. Alterações importantes na curva de temperatura, do início ao

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final da fermentação, são um indício de possíveis defeitos. Recomenda-se operar entre 32°C e 34°C.. •

Densidade do mosto: durante a fermentação, a densidade do mosto decresce segundo uma curva condizente com as fases da fermentação. De sua observação percebem-se as alterações da marcha fermentativa.

•

Açúcares no mosto: consomem-se de acordo com a curva da densidade. A irregularidade no consumo indica defeitos na fermentação.

•

Acidez no substrato em fermentação: do começo ao final da fermentação nota-se um acréscimo na acidez titulável. Não deve haver grande diferença entre a final e a inicial. Quando a acidez final for maior do que o dobro da inicial é sinal de má fermentação.

1.10 Sistemas de fermentação

Há processos descontínuos e contínuos; os contínuos são relativamente recentes, embora seu uso industrial tenha se iniciado na década de 1940. Embora tenha-se ensaiado usar processo de fermentação contínua anteriormente, o interesse pelo seu uso despertou após o estímulo à produção de etanol decorrente da crise econômica causada pela alta dos preços do petróleo nos anos 70. Nos processos descontínuos distinguem-se quatro tipos de fermentação industrial, que se denominam sistema de cortes, sistema de reaproveitamento do inóculo (ou de “pé de cuba”), sistema com culturas puras e sistemas de recuperação de leveduras, também denominado de reciclagem ou de reciclo de leveduras. •

Sistema de cortes: depois que se faz a primeira fermentação. Divide-se o volume de mosto fermentado por dois recipientes, completam-se os dois e deixa-se fermentar. Um envia-se para a destilaria e o outro serve para produzir o inóculo (ou “pé”) para mais dois, e assim por diante.

•

Sistema de reaproveitamento do inóculo: após a fermentação, deixam-se decantar as leveduras, retira-se o substrato fermentado para a destilação, trata-se o inóculo precipitado no fundo da dorna, ao qual se denomina de pé-de-cuba, e se realimenta com novo mosto. Tal processo é muito difundido na produção de aguardente.

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isto é, volume de álcool para 12 volumes úteis de dornas. Nos sistemas clássico e de cortes, a relação é de 1:24. No sistema contínuo calcula-se o volume em função do fluxo horário de vinho a destilar e da eficiência do processo. As dornas distribuem-se e assentam-se de forma a permitir o acesso fácil aos registros e a toda sua volta para reparos, substituições, modificações e higiene.

1.14 Destilação

A destilação é uma operação pela qual um líquido, por efeito de aquecimento, passa para a fase gasosa, e em seguida, volta ao estado líquido por meio de resfriamento. Quando se trata de uma única substância, o líquido destilado tem a mesma composição do líquido original. Quando se trata da ocorrência conjunto de líquidos imiscíveis, o destilado encerra o líquido que tem ponto de ebulição mais baixo. No caso de líquidos perfeitamente miscíveis, os vapores destilados se compõem de um mistura de vapores dos dois, com predominância daquele de menor volatilidade. Com uma série de destilações, é possível separar os dois líquidos em estado de pureza, desde que não se forme mistura azeotrópica. Denomina-se de azeotropismo ao fenômeno que ocorre quando uma mistura de líquidos, em uma determinada concentração, na qual se formam vapores com todos os componentes, em um ponto de ebulição inferior ao de qualquer um dos integrantes da mistura. Nessa concentração não é possível separar os componentes por destilação. Durante a destilação dos vinhos, para obtenção de álcool, há a formação de mistura azeotrópica, que impede a obtenção do etanol puro apenas por destilação. Após fermentação, os meios açucarados passam a denominar-se vinhos com uma constituição variável, mas encerrando sempre substâncias gasosas, sólidas e líquidas. As primeiras representam-se principalmente pelo dióxido de carbono, que se dissolve em pequena proporção. Os sólidos se fazem presentes pelas células de leveduras alcoólicas, de bactérias contaminantes, sais minerais, açúcares infermentados e impurezas sólidas em suspensão. Os líquidos mais importantes são a água e o etanol, em porcentagens que variam de 88 a 93% e 7 a 12%, respectivamente, nos vinhos comuns. Os alcoóis amílico, isoamílico, propílico, butílico, isobutílico, aldeídos, ácidos, furfurol, ésteres e ácidos orgânicos

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Quando se executa uma destilação descontínua, realiza-se uma destilação simples, vaporizando-se primeiro as substâncias mais voláteis do que a água e o álcool. O primeiro destilado é uma mistura de álcool e etanol, bases voláteis, aldeídos e ácidos e denomina-se, na prática, destilado de cabeça . Depois de sua separação, os vinhos emitem vapores mais ricos em etanol, com menor quantidade de impurezas voláteis e chamado de destilado de coração . Finalmente, quando quase se esgotou o etanol do vinho, passam vapores mais impuros, que se constituem de etanol, água e impurezas menos voláteis, como os álcoois superiores. É o destilado de cauda . O destilado que se recolhe como produto final da destilação é uma mistura de produtos de cabeça, de coração e de cauda, ou apenas destilado de coração, separando-se de 10 a 20% do total, conforme o destino do destilado. No Brasil, não se separam cabeças e caudas na produção de aguardente. A aguardente é um destilado de 50% de álcool em volume, aproximadamente. As primeiras porções do destilado contêm mais de 60% de álcool em volume; à medida que destilação continua, enfraquece-se o destilado, que é recolhido quando atinge concentração de 40 a 50%. No vinho que resta no aparelho de destilação ainda existe uma pequena porção de álcool que se perde na vizinhança. Para não perdê-la, continua-se a destilar até não haver mais álcool e recolhe-se o destilado à parte, com a denominação de água fraca. A água fraca junta-se à carga seguinte para recuperar-se o álcool que contém. Os aparelhos de dois e três corpos evitam essa perda, ao mesmo tempo que recuperam calor na operação. Em outros países, as técnicas de destilação simples são diferentes. Em alguns casos, destila-se o vinho até eliminar todo o álcool e redestila-se o líquido de baixa concentração de álcool, separando-se as frações e recolhendo-se um destilado de alta concentração, com 60% ou mais de álcool, para o preparo de bebidas, para o envelhecimento ou outra finalidade.

1.14.2 Destilação contínua

Realiza-se em colunas de destilação, fazendo-se a alimentação contínua do aparelho com vinho, retirando-se continuamente a vinhaça pela base e o destilado no topo.

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A separação dos componentes secundários, que se constituem de todas as substâncias que não o etanol, faz-se pelo topo do aparelho, pela base, ou lateralmente em alturas determinadas, segundo a natureza das impurezas. As colunas de destilação constituem-se de gomos cilíndricos superpostos, contendo separações transversais às quais se dá o nome de pratos ou bandejas. Os gomos e as bandejas formam como uma série de aparelhos de destilação simples, superpostos, um destilando seus vapores para o outro, para cima, através de calotas, e recebendo o líquido residual do imediatamente superior, descendo por meio de tubos, que recebem a designação de sifões. (FIG. 5)

FIGURA 5 – Esquema dos gomos e pratos de uma coluna. Fonte: LIMA; BASSO; AMORIM, 2001.

O aquecimento das colunas faz-se pela base, de forma direta, por injeção de vapor d’água por meio de tubos perfurados, ou indiretamente por meio de serpentinas ou trocadores de calor. O aquecimento das badejas faz-se pelo calor dos vapores de vinho que ascendem na coluna. Esses vapores, emitidos por uma mistura de etanol e água, são mais ricos em álcool que o vinho. Condensando-se no prato imediatamente superior, enriquecem o vinho ali contido e o aquecem à ebulição, gerando vapores mais ricos, e assim por diante. A temperatura da coluna diminui da base para o topo, ao mesmo tempo que a riqueza alcoólica aumenta na mesma direção. Os vapores saem na parte superior da coluna e dirigem-se para um condensador, no qual passa vinho frio, continuamente em seu caminho para o topo da coluna de destilação.

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Nesse condensador, os vapores alcoólicos condensam-se e transferem calor para o vinho. Daí, a sua denominação de preaquecedor de vinho, ou de “esquenta-vinho”. O condensado se divide em duas partes, uma que volta à coluna e outra que segue para o resfriador, equipamento da coluna que resfria o destilado por circula de água. Daí, pra fora do circuito. O retorno de parte do destilado à coluna é denominado de refluxo, retrogradação ou deflegmação, cuja função é auxiliar a manter vapores ricos em álcool na cabeça da coluna. Ao se fazer a alimentação da coluna pelo topo, os vapores que ali se emitem não são muito concentrados e a coluna é denominada de baixo grau. Se a alimentação faz-se pela altura média do aparelho, divide-se a coluna em dois troncos: um de esgotamento, abaixo da alimentação, e outro de concentração, acima da alimentação. A coluna chama-se de alto grau, os vapores são mais ricos em etanol, e geralmente mais puros. Numa coluna de destilação, a graduação alcoólica maior ou menor obtém-se em função do número de pratos superpostos. Um número maior eleva mais a concentração alcoólica dos vapores. Numa coluna de baixo grau emitem-se vapores de concentração relativamente baixa, e normalmente recolhem-se depois de condensados, sob a forma de mistura com impurezas voláteis de cabeça. As impurezas de cauda eliminam-se parcialmente pela base na vinhaça. Nas colunas de alto grau, normalmente se retiram os produtos de cabeça do condensador deflegmador, e o destilado, ou flegma, parcialmente purificado, retira-se lateralmente do troco de concentração (FIG. 6). As impurezas de cauda eliminam-se parcialmente nas vinhaças, as quais descarregam-se continuamente na base, por meio de sifão. Este, regula a permanência de líquido na base da coluna, para receber o aquecimento e gerar vapores para aquecer o vinho na primeira bandeja.

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etanol) do mesmo líquido alcoólico, fosse maior que 1 e seria de calda se a proporção fosse menor que 1. Modernamente se explica a retificação pela formação de misturas azeotrópicas.

1.16 Prática da retificação industrial

Atualmente, faz-se apenas retificação industrial contínua, em aparelhos que possuem colunas que se denominam depuradora, destiladora, retificadora e de repasse final. A FIG. 7 esquematiza um conjunto de aparelhos para retificação a partir do vinho. Na coluna depuradora  A não há um tronco de concentração. É basicamente uma coluna de baixo grau, com poucos pratos. Obtém-se baixa concentração alcoólica no destilado, com o máximo de eliminação de produtos de cabeça. De acordo com Barbet, o coeficiente de solubilidade é sempre maior do que um. Separam-se nessa coluna aldeídos, ésteres, bases voláteis e ácidos. Na coluna  B, destiladora, obtém-se flegma parcialmente purificado na coluna  A. A coluna destiladora pode também possuir um tronco de esgotamento e um de concentração, tirando-se o destilado lateralmente, como na coluna  A. No topo separam-se substâncias de cabeça e, com a retrogradação constante, outras impurezas concentram-se na base, com coeficiente de solubilidade Barbet menor que um.

FIGURA 7 – Esquema de uma coluna de retificação direta do vinho. Fonte: LIMA; BASSO; AMORIM, 2001.

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Na retificadora C , o flegma com 40 a 50% de álcool em volume, aproximadamente, penetra na parte inferior e, com destilações sucessivas em mais de quarenta bandejas, aumenta a graduação alcoólica até o topo. Com as deflegmações constantes, acumula-se na base grande quantidade de impurezas de menor volatilidade, as quais se retiram lateralmente nas faixas de concentração de 40 a 50% e de 55 a 65% de álcool em volume. Separam-se em um decantador, sob a forma de mistura de diversas substâncias, com o nome de óleo fúsel, na qual predominam os álcoois amílico e butílico. Não se fazendo a separação lateral, a concentração eleva-se muito e o produto que era de cauda ascende na coluna, podendo passar a ser cabeça. Fazendo-se um retirada lateral na zona de concentração de 90 a 92% de álcool etílico em volume, pode-se separar uma fração de impurezas constituídas por ésteres pesados, como isovalerianatos e isobutiratos. Na coluna de repasse final  D, devido à máxima concentração de etanol que se pode obter por destilação, acumulam-se no topo impurezas de coeficiente de solubilidade maior que 1. O álcool puro retira-se na base como cauda, e as impurezas como cabeças, no topo. Na prática, pode-se substituir a coluna de repasse final por uma extração lateral no topo da retificadora, em local correspondente a 4 ou 5 bandejas abaixo da cabeça da coluna. Não se consegue fazer purificação do álcool etílico pela retificação, por influência de vários fatores como, por exemplo, marcha imperfeita da operação, dificuldade de separar as cabeças per excesso de deflegmação em separar as caudas, variação da temperatura, pureza das fermentações, oscilações na composição dos vinhos, reações químicas de esterificação, combinação e decomposição. Para produzir álcool retificado mais puro, usa-se neutralizar o álcool com solução alcoólica alcalina, evitando-se uma alcalinização excessiva, que pode conduzir a prejuízos, favorecendo a decomposição de aminas e sais amoniacais. Na retificação há sempre perdas do álcool, variáveis com diversos fatores, alguns dos quais retrocitados.

1.17 Desidratação do etanol

Não se pode, apenas por destilação, obter álcool etílico com concentração superior a 97,2% em volume (95,6% em massa), porque, nessa concentração, a mistura de etanol e água é azeotrópica.

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Podem-se aconselhar como arrastadores, benzol, ciclohexano, tricloroetileno, formiato de etila e cloreto de butila e suas misturas. Os transportadores escolhem-se de acordo com a facilidade de obtenção, preço, a capacidade de arrastamento de álcool e a facilidade de recuperação. No Brasil, comumente usa-se o benzol como arrastador. A FIG. 8 esquematiza a desidratação com uso de benzol como arrastador. O vinho préaquece no condensador de refluxo V  e entra no topo da coluna destiladora  A. O flegma passa lateralmente para a retificadora  B e, sob a forma de álcool a 96% aproximadamente, passa à coluna C . Aí adiciona-se benzol, criando-se três zonas no interior: uma de mistura ternária benzol-etanol-água (64,85°C), outra de benzol-etanol (68,24°C) e outra de etanol desidratado. (78,35°C). A mistura ternária passa para o decantador  N , através do condensador  M . No decantador  N  mistura-se com água, separando-se dois estratos. A camada superior, rica em benzol, retorna ao topo de C ; a inferior, rica em etanol, passa à coluna  E . Aí, separa-se a mistura ternária que vai condensar em  M .

FIGURA 8 – Esquema de instalação de destilação e desidratação de álcool. Fonte: LIMA; BASSO; AMORIM, 2001.

Na base  E  retira-se uma mistura binária água-etanol, que passa à retificadora  D, de onde retorna álcool à coluna C , através do condensador O. Na base de  D elimina-se água. Na base de C  recolhe-se álcool desidratado, com aproximadamente 99,9% de álcool em volume (99,84% em massa).

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1.19 Planta fotográfica de uma usina de álcool e açúcar

A FIG. 11 apresenta uma planta fotográfica genérica de uma usina de produção de álcool e açúcar a partir da cana-de-açúcar.

FIGURA 11 – Planta fotográfica de uma usina de álcool e açúcar. Fonte: UNICA, 2008.

Na FIG. 11, o item 1 corresponde ao plantio de cana-de-açúcar; o item 2 corresponde à colheita mecanizada, eliminando-se a necessidade de queima da palha que é essencial para viabilizar a colheita manual; o item 3 corresponde à chegada e recebimento da matéria-prima pela usina, que deve ocorrer no máximo em 24 horas pelo fato de a cana-de-açúcar ser perecível; o item 4 corresponde à moagem da cana-de-açúcar sob pressão de rolos ou por meios difusores; o item 5 corresponde à produção do açúcar a partir do caldo produzido na moagem da cana; o item 6 corresponde à produção do etanol a partir da fermentação, seguida pela destilação, do caldo da cana-de-açúcar; o item 7 corresponde a tanques de armazenamento para o etanol após produção até o momento de comercialização e transporte, que ocorre normalmente via rodoviário; e o item 8 corresponde à geração de bioenergia a

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partir da queima do bagaço fibroso que gera vapor, que por sua vez, aciona turbinas produzindo eletricidade totalmente limpa e renovável.

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