Produção de Etanol

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(Parte 1 de 4)

GRUPO TCHÊ QUÍMICA Produção de Etanol

Porto Alegre, RS w.tchequimica.com

Versão 1.1

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1. Introdução03
2. Fundamentação Teórica05
2.1. Caracterização de Células de Leveduras05
2.2. Fermentações Industriais06
2.2.1. Fermentação Alcoólica06
2.2.1.1.Matéria-prima08
2.2.1.2. Agentes de Fermentação Alcoólica09
2.2.1.3. Fatores que Afetam a Fermentação Alcoólica10
2.2.1.4. Sistemas de Fermentação12
2.2.1.5. Recipientes de Fermentação13
2.2.1.6. Salas de Fermentação13
2.2.1.7. Destilação14
2.2.1.7.1. Destilação Contínua14
2.2.1.7.2. Destilação Descontínua14
2.2.1.8.Desidratação do Etanol14
2.2.1.9.Verificação Prática da Pureza das Fermentações15
2.3. Obtenção do Etanol a partir da Cana-de-açúcar16
2.3.1. Características da Cana-de-açúcar18
2.3.2. Síntese do Processo Produtivo19
2.3.3. Preparo da Matéria-prima20
2.3.4. Tratamento do Caldo21
2.3.5. Fermentação23
2.3.6. Fluxograma do Processo25
2.3.7. Resíduos Gerados na Produção de Álcool e seu Destino26
3. Considerações Finais27

ÍNDICE 4. Referências Bibliográficas ....................................................................................28

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1. INTRODUÇÃO

Quimicamente, álcool é um termo genérico aplicado a uma série de compostos formados por átomos de Hidrogênio e Carbono ligados a um ou mais grupos oxidrila. Na prática, contudo, o termo álcool é a nomenclatura comum do álcool etílico ou etanol, cuja fórmula molecular é C2H5-OH. O álcool não é encontrado espontaneamente na natureza, podendo ser obtido por diferentes processos a partir de diversas fontes. No Brasil, a biomassa é a fonte de maior significância, onde se destaca a cana-de-açúcar como matériaprima.

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 Vicente, porque nela foi montado o primeiro engenho de açúcar do país, após a vinda das primeiras mudas de cana-de-açúcar, trazidas da ilha da madeira em 1532. Certamente, transformava-se o melaço residual da fabricação do açúcar em cachaça e, diretamente da garapa fermentada produzia-se aguardente. Por séculos, as bebidas destiladas foram o único álcool produzido. A indústria de álcool industrial desenvolveu-se na Europa, nos meados do século 19; no último quarto desse século iniciou-se a produção de etanol no Brasil, com as sobras de melaço da indústria do açúcar, que ampliava sua capacidade produtiva.

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. A I Grande Guerra (1914/1918) contribuiu para o desenvolvimento da produção em grande escala. Naquele período usou-se o álcool como combustível líquido de motores a explosão. 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% (hoje entre 2 e 24%) de etanol à gasolina, como medida de economia na importação de combustível a para amparar a lavoura canavieira.

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Por muitos anos não houve álcool suficiente para misturar a todo combustível consumido. Durante a guerra de 1939 a 1945, faltou gasolina e fez-se necessário substituí-la por gasogênio ou álcool. Terminada a guerra, voltou à importação de gasolina e o combustível alternativo perdeu sua importância. Entretanto, continuou-se a misturar etanol à gasolina em larga escala.

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 quatro milhões de automóveis que se movem com álcool puro e também para misturar-se a toda gasolina usada no país. Com a utilização desse combustível alternativo, ampliou-se o parque canavieiro, fez-se a modernização das destilarias anexas, a instalação de unidades autônomas, a criação de grande número de empregos diretos e indiretos e uma rápida e importante evolução na construção de motores para esse combustível. O plano de desenvolvimento da produção de álcool no Brasil, denominado de Proálcool, não foi uma solução improvisada para a crise de combustível; não foi mais do que a continuidade e evolução de um programa de uso do álcool como combustível, iniciado em 1931. Com o abaixamento do preço do petróleo no mercado internacional, perdeu-se o interesse político pela sua produção.

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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1. CARACTERIZAÇÃO DAS CÉLULAS DE LEVEDURAS

As leveduras constituem um grupo de microrganismos unicelulares, que se reproduzem assexuadamente por brotamento ou por cissiparidade e que desenvolvem a fermentação alcoólica. São largamente encontradas na natureza: são comuns no solo, na superfície de órgãos dos vegetais, principalmente em flores e frutos, no trato intestinal de animais, em líquidos açucarados, e numa grande série de outros locais.

Apresentam grande importância sob vários aspectos. Industrialmente, apresenta como principal ponto de interesse o fato de serem agentes de fermentação alcoólica, na produção do álcool industrial e de todas as bebidas alcoólicas destiladas ou não destiladas.

As células vegetativas da maioria das leveduras industriais variam em tamanho, de quatro a oito micras de largura por 7 a 12 de comprimento, havendo, evidentemente, espécies maiores e espécies menores que as citadas. Forma e tamanho das células, mesmo em espécies monomorfas, podem variar de acordo com o nutriente, as condições ambientais, o estado fisiológico ou a idade.

Quanto à estrutura as leveduras apresentam membrana celular bem definida, pouco espessa, em células jovens; rígidas em células adultas, de constituição variável, com predominância de hidratos de carbono, e menor quantidade de proteínas e graxas. Internamente delimitando o citoplasma, existe a membrana citoplasmática, mais evidente em células adultas, por plasmólise. No geral, as leveduras se apresentam sem cápsula, se bem que algumas espécies de Torulopsis se apresentem com cápsula, constituída de hidratos de carbono.

O citoplasma de células adultas apresenta inúmeros vacúolos e granulações variadas. Entre estas, são encontradas:

• Grânulos metacromáticos: constituídos de polimetafosfato inorgânicos, e de função em parte conhecida.

• Glicogênio, hidratos de carbono: encontrado em células adultas.

• Grânulos lipóides: em quantidade variável com a espécie de levedura, a idade da célula e o substrato.

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• Mitocôndrias: apresentam-se com aspecto filamentoso, constituído de lipoproteínas com pequena quantidade de ácido ribonucléico, e contendo enzimas respiratórias.

O núcleo é bem definido, pelo menos em células em vias de reprodução; pequeno, a esférico ou reniforme, de localização variável, associado a vacúolo nuclear.

A reprodução pode se dar sob a forma assexuada e sexuada. Sendo que na reprodução assexuada as leveduras se multiplicam por brotamento, processo pelo qual na superfície da célula adulta (célula mãe) desenvolve-se uma pequena saliência (célula-filha) que se transformará numa nova célula.

Alguns gêneros e espécies se dividem por cissiparidade semelhante às bactérias, outras foram blastrósporos, pequenos esporos formados na extremidade de um esterigma, ou ainda artrósporos, formado pela fissão de uma célula em vários pontos.

Já na reprodução sexuada as leveduras se reproduzem assexuadamente por esporos endógenos (Ascósporos), contido no interior da célula-mãe, agora transformada em asca. Os ascósporos são geralmente em número de quatro a oito, variando de acordo coma espécie envolvida: são esférico em Saccharomyces cerevisiae, anelados (anel de Saturno) em Hansenula saturnus alongadas com flagelos em nematospora, etc.

2.2. FERMENTAÇÕES INDUSTRIAIS

Muitas vezes a atividade microbiana pode ser utilizada pelo homem na obtenção de compostos orgânicos de grande utilidade, através de processos industriais, simples ou complexos, que, no geral, consistem na oxidação parcial de uma substância orgânica. Entre as várias fermentações utilizadas pelo homem, trataremos sobre a fermentação alcóolica.

2.2.1. FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

O homem vem se utilizando a fermentação alcoólica desde a mais remota

Antigüidade; há mais de 4000 anos os egípcios fabricavam o pão e produziam bebidas alcoólicas a partir de cereais e frutas. Entretanto, apenas recentemente é que se pode relacionar a fermentação com a levedura. Assim, a humanidade por longo período se beneficiou desse organismo, mesmo sem saber de sua existência, notada pela primeira vez por Antonie van Leewenhoek (1623-1723), ao observar amostra de cerveja em fermentação, com seu microscópio rudimentar.

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Depois da formulação da estequiometria da fermentação por Gay-Lussac (1815),

Pasteur (1863) demonstrou a natureza microbiológica da fermentação alcoólica como um processo anaeróbico. A parir daí, e principalmente durante as primeiras décadas de 1900, as pesquisas culminaram com a elucidação das reações enzimáticas responsáveis pela transformação química do açúcar em etanol e gás carbônico no interior da levedura.

A fermentação alcoólica pode ser considerada como a oxidação anaeróbica parcial da glicose, por ação de leveduras, com a produção final de álcool etílico e anidrido carbônico, além de outros produtos secundários. É processo de grande importância, através do qual é obtido todo o álcool industrial, e todas as bebidas alcoólicas, destilada e não destiladas e, como produto secundário, o gás carbônico. E ainda utilizado na panificação e na obtenção de leveduras prensadas.

O mecanismo de fermentação se dá pela oxidação da glicose pelas leveduras e se desenvolve segundo um esquema de seqüência ordenada em 12 reações, cada qual catalisada por uma enzima específica. São no total 15 enzimas e 3 coenzimas. As reações incluem transferência de fosfato, oxidação-redução, descarboxilação e isomerização além de outras. É processo de oxidação-redução intramolecular, anaeróbico, exotérmico.

Essas enzimas sofrem ações de diversos fatores, alguns que estimulam e outros que reprimem a ação enzimática, afetando o desempenho do processo fermentativo conduzido pelas leveduras. Em aerobiose, há oxidação total da glicose:

C6H12O6 + 6O → 6CO2 + 6H2O Neste caso, na prática, diminui o rendimento em álcool, ao mesmo tempo em que, pelo maior aproveitamento da energia proveniente da oxidação da glicose, há maior produção de células de leveduras.

Devido à importância econômica de processos biotecnológicos envolvendo a

Saccharomyces, tal organismo pode ser considerado o eucariótico mais estudado e cujo metabolismo é o mais conhecido.

Convém ressaltar que a levedura Saccharomyces é um aeróbio facultativo. Assim os produtos finais de metabolização irão depender das condições ambientais em que a levedura se encontra. Deste modo, enquanto uma porção de açúcar é transformada em

Grupo Tchê Química 8 biomassa (CO2 e H2O) em aerobiose, a maior parte é convertida em etanol e CO2 em anaerobiose.

O objetivo primordial da levedura, ao metabolizar anaerobicamente o açúcar é gerar uma forma de energia (ATP, adenosina trifosfato) que será empregada na realização de diversos trabalhos fisiológicos e biossínteses, necessários à manutenção da vida, crescimento e multiplicação, para perpetuar a espécie. O etanol e o CO2 resultantes se constituem, tão somente, de produtos de excreção, sem utilidade metabólica para a célula em anaerobiose. Entretanto o etanol, bem como outros produtos de excreção podem ser oxidados metabolicamente, gerando mais ATP e biomassa, mas apenas em condições de aerobiose.

Na seqüência de reações enzimáticas de produção de ATP, e intrínsecas à produção de etanol, rotas metabólicas alternativas aparecem para propiciar a formação de materiais necessários à constituição da biomassa, bem como para a formação de outros produtos de interesse metabólico. Dessa forma, juntamente com o etanol e o CO2, o metabolismo anaeróbico permite a formação e excreção de glicerol, ácidos orgânicos (succínico, acético, pirúvico e outros), álcoois superiores, acetaldeído, acetoína, butilenoglicol, e outros. Simultaneamente ocorre o crescimento da levedura.

A matéria prima utilizável na fermentação alcoólica varia com as características agrícolas da região e com a finalidade da fermentação alcoólica. Pode ser agrupada como segue:

• Sacarinas: nas quais figuram a glicose e a levedura (melaço, uso de uvas, suco de frutas, mel e outras), e a sacarose (caldo de cana). Neste caso, a sacarose é hidrolisada por uma exo-enzima, sacarose, produzida pela levedura.

• Amiláceas: tais como a mandioca, batata, milho, arroz, trigo, e outros cereais, utilizados na produção de álcool fino, cerveja, e certas bebidas destiladas. Tem que se considerar que as leveduras não produzam amilase, para a hidrólise do amido. Consequentemente, tais substâncias tem que sofrer uma operação prévia de Sacarificação, para ficarem em condições de serem utilizadas pelas leveduras. Essas

Grupo Tchê Química 9 sacarificação ou hidrólise do amido pode se puramente química, por ação de ácidos fortes, como na produção de álcool de mandioca ou batata. Entretanto, na obtenção de bebidas como a cerveja, o uísque, o sakê e outras, o amido é hidrolisado, pela ação enzimática. A maltose surge de modo semelhante à sacarose. A sacarificação enzimática do amido pode ser feita por três processos diferentes: através da maltagem, ou emprego do malte. Este produto é preparado a partir de sementes de cereais, em germinação, secas e reduzidas a pó, e se caracteriza pela sua riqueza em amilase. Adicionado ao amido previamente preparado, transforma-o em maltose. A maltose é utilizada entre outros, em cervejaria e na produção de uísque. Pelo processo amilo, que consiste no emprego simultâneo de um fungo capaz de produzir a amilase que atua sobre o amido (Rhizopus japonicum, R. tonkinensis, R. delama, Mucor rouxi e outros) e da levedura encarregada da fermentação do açúcar proveniente da hidrólise. Este processo é utilizado na produção do sakê. Pelo emprego de preparados enzimáticos produzidos previamente em culturas puras, por certos microrganismos (Fungos e Bactérias).

• Celulósicas: a celulose da madeira pode, eventualmente, ser utilizada na fermentação alcoólica, necessitando, porém, ser hidrolisada por via química:

2.2.1.2. AGENTES DE FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

As leveduras, de um modo geral, são capazes de desdobrar a glicose, com produção de álcool etílico e gás carbônico. Entretanto, o número de espécies envolvidas na fermentação industrial é bastante reduzido. As mais importantes são:

• Saccharomyces cerevisiae utilizada principalmente na produção de álcool comum, aguardente, cerveja e outras bebidas e na panificação;

• S. ellipsoideus (S. cerevisiae var. ellipsoideus Dekker) utilizadas na produção de vinho de uva;

• S. calbergensis, para a produção de cerveja.

• S. uvarum, para a produção de vinho.

A levedura empregada na fermentação depende de várias circunstâncias, entre as quais o substrato ou matéria prima utilizado, o teor alcoólico desejado no produto final, a duração da fermentação, as propriedades do produto, e outros.

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2.2.1.3. FATORES QUE AFETAM A FERMENTAÇÃO

Entre os vários fatores ambientes que afetam a fermentação citamos:

• Temperatura: as leveduras são mesófilas. As temperaturas ótimas para a produção industrial de etanol situam-se na faixa de 26 a 35° C, mas a temperatura nas destilarias pode alcançar 38° C. A temperatura é variável de acordo com o tipo e finalidade do processo; assim, o ótimo para a produção de álcool, aguardente, vinho e outros produtos se situa entre 26 e 32º C, ao passo que, para a cerveja, está entre 6 a 20ºC;

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