Produção de Etanol

Produção de Etanol

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• 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.

• Milho Sacarino: é um tipo de ilho com reserva de açúcar em seu colmo. Possui elevado teor de sacarose.

• Sorgo Sacarino

• Mandioca: as raízes frescas contêm de 67 a 75% de água, 18 a 23% de fácula e o restante distribuído entre material protéico, celulose, graxas e cinzas.

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• Resíduos Celulósicos: são representados por palhas, folhas, resíduos de exploração de madeira e outros.

• Outras matérias primas: podemos ainda citar arroz, centeio, cevada, miheto, trigo, batata, batata doce, beterraba e tupinambo, entre outros.

• Cana-de-açúcar: as características serão descritas ao longo do trabalho.

2.3.1. CARACTERÍSTICAS DA CANA-DE-AÇÚCAR

A cana-de-açúcar é composta de bagaço e caldo, separados no esmigalhamento da cana que é feito através de moendas. O bagaço é constituído principalmente de fibras e pode destinar-se a uma série de aplicações. O caldo tem uma constituição que depende do solo e das condições ambientais. Sua composição média é de 78% de água e 2% de sólidos solúveis, dos quais cerca de 90% são açúcares. A tabela abaixo apresenta dados mais detalhados de uma análise de caldo de cana.

Composição do Caldo de Cana

ÁGUA 75 a 82% SÓLIDOS SOLÚVEIS 18 a 25%

• AÇÚCARES - Sacarose

- Glicose

- Levulose

15 a 24% 14,5 a 23,5% 0,2 a 3,0% zero a 0,5%

• NÃO AÇÚCARES - Orgânicos

- Cinzas

1,0 a 2,5% 0,8 a 1,8% 0,2 a 0,7%

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2.3.2. SÍNTESE DO PROCESSO PRODUTIVO

A cana bruta que dá entrada à unidade produtiva é descarregada através de talha em um depósito.

Através de esteiras, a cana é conduzida aos trituradores, constituídos de um conjunto de facas rotativas.

A cana triturada segue para uma bateria de moendas onde o caldo é extraído.

O bagaço segue para a estação de geração de vapor como combustível de caldeira.

O caldo extraído é bombeado a um filtro onde é separado do bagaço residual.

A seguir, é filtrado passando por uma esterilização em trocador de calor.

O caldo sofre uma diluição, adição de corretivos, tem seu pH corrigido, seguindo para as dornas de fermentação.

Parte do caldo é utilizada na preparação do inoculo que é adicionado juntamente com o caldo nas dornas de fermentação. O tempo de fermentação é de 2 horas. O vinho resultante da fermentação é centrifugado e separado em leite de levedura e vinho delevurado. O leite de levedura constitui-se em novo inoculo enquanto que o vinho delevurado segue para uma coluna de destilação para obtenção do álcool.

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O processo usado na fabricação de álcool etílico por fermentação depende da natureza da matéria-prima, além de vários outros fatores que também são fundamentais para a eficiência global do processo, tais como a teor de açúcares redutores totais do mosto, o pH, a temperatura de fermentação, a adição de nutrientes específicos ao mosto e, caso necessário, a seleção de uma cape de levedura com grande tolerância alcoólica. Além desses fatores, diretamente relacionados com a etapa química do processo, são também relevantes o preparo da matéria-prima e a purificação do produto, relacionado às etapas físicas. As etapas químicas e de purificação do produto independem do tipo de matériaprima utilizada.

2.3.3. PREPARO DA MATÉRIA-PRIMA

O rendimento industrial das destilarias é altamente influenciado pela qualidade da matéria-prima. Partindo de uma matéria-prima adequada, após a lavagem (5-10 m3 de água por tonelada de cana), o preparo desta para a moagem deve considerar que, sob o ponto de vista industrial, a cana-de-açúcar é constituída de:

• Partes duras: representam 25% em peso e contêm 15% do caldo;

• Partes moles: representam 75% em peso e contêm 85% do caldo; A liberação do caldo dessas partes duras e moles é função de sua proporção na matériaprima, da natureza e do estado de apresentação destas. Para que o caldo seja mais facilmente extraído da cana-de-açúcar, é necessário desintegrar essa matéria-prima ao máximo, de tal forma que se possa também extrair o máximo desse líquido, tanto pelo processo de moagem como pelo da difusão.

Todas as vezes que a proporção da fibra cresce na cana-de-açúcar, a extração do caldo decresce. Daí a necessidade do aperfeiçoamento da preparação da matéria-prima. Os principais objetivos do preparo da cana-de-açúcar são os seguintes:

• Destruição da resistência das partes duras (casca e nós);

• Rompimento dos vasos celulares

• Produção de uma massa fibrosa homogênea e compacta, de alta densidade, de forma a facilitar o trabalho das moendas e aumentar a sua eficiência extrativa.

As vantagens do preparo da cana-de-açúcar são:

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• Aumento da eficiência das moendas, em termos de capacidade de moagem e de extração;

• Permite aumentar a velocidade das moendas;

• Melhora a uniformidade da alimentação da primeira unidade esmagadora;

• Permite a utilização de menores pressões hidráulicas;

• Permite melhorar as condições absortivas do bagaço;

• Proporciona um menor desgaste das moendas; Na prática açucareira e alcooleira, o preparo da cana-de-açúcar é feito por facas rotativas e desfibradores e a moagem, através das moendas, constituídas de conjuntos de cilindros justapostos, denominados trens ou tandens, podendo ser acionados por máquinas a vapor ou eletricidade. Cada conjunto de três cilindros é conhecido como “terno”. Esses rolos têm por objetivo esmagar a cana e são frisados a fim de aumentar a extração do caldo.

2.3.4. TRATAMENTO DO CALDO

O tratamento do caldo consiste em prepará-lo de modo a transformá-lo num líquido açucarado apto ou suscetível a sofrer fermentação alcoólica, passando, então, a ser denominado mosto, que será tanto melhor fermentável quanto melhor ajustados estiverem alguns parâmetros promotores da fermentação. Dentre esses, destacam-se: a) Aquecimento – o objetivo deste é clarificar o caldo através da precipitação de colóides que, aumentando a viscosidade do caldo, provocam grande formação de espuma, impedindo o fluxo de CO2 (formado durante a fermentação) e obrigando a preencher a dorna com um volume menor para evitar transbordamento. Além disso, o aquecimento elimina algumas bactérias contaminantes, esterilizando o caldo. Por outro lado, já que o processo fermentativo é exotérmico, o aquecimento torna-se um problema. Para contorná-lo, após um aquecimento até 100ºC, faz-se um resfriamento a 30ºC, temperatura ideal para a fermentação. b) pH - o pH da cana madura varia de 5,2 a 5,5, valor inferior ao ponto isoelétrico de colóides que não tenham sido precipitados, mesmo após o aquecimento. Para atingir esse ponto e intensificar a precipitação, costuma-se adicionar leite de cal ao caldo, a fim de elevar o pH para cerca de 6,5. O caldo é deixado em repouso para total precipitação e as impurezas, chamadas de lodo ou borra, são decantadas e

Grupo Tchê Química 2 removidas através de filtração a vácuo; como são substâncias gelatinosas, torna-se necessário mistura-las com bagacinho para evitar o entupimento do filtro. Dessa maneira, recupera-se o caldo que embebia o lodo e a mistura de lodo mais bagacinho, chamada de torta, é utilizada nos canaviais como adubo, pois é rica em fósforo (P2O5), nitrogênio e potássio. c) Concentração de açúcares – o caldo, ainda quente, depois de decantado e filtrado, é transferido para os evaporadores, que têm por objetivo aumentar a concentração de sólidos solúveis por evaporação da água. d) Elementos nutrientes – Estes são necessários para permitir uma boa atividade das leveduras, pois são vitais a estas. Os elementos essenciais são, normalmente, adicionados sob a forma de sais minerais, destacando-se o nitrogênio, fósforo e potássio.O fósforo é importante na produção alcoólica, pois participa diretamente do ciclo fermentativo; já o nitrogênio é fundamental para o crescimento celular, enquanto que o potássio, que deve ser adicionado em pequenas quantidades para não reverter seu efeito, é também responsável pela multiplicação das leveduras e absorção do íon fosfato. Outros elementos também são importantes para a atividade fermentativa das leveduras. Manganês e magnésio atuam como ativadores enzimáticos. Em pequenas quantidades, são igualmente necessários ferro, zinco e enxofre. e) Vitaminas – hoje em dia são poucas as destilarias que as empregam, apesar de aumentarem a velocidade da fermentação. As vitaminas que se sobressaem são as do complexo B. f) Outros – a ausência quase total de luz facilita a multiplicação das células, enquanto que a ausência de oxigênio é fundamental para a fermentação alcoólica. Se há agitação do meio, há uma maior interação entre levedura e mosto; geralmente, não há necessidade de agitação mecânica, pois a própria turbulência do mosto em fermentação é suficiente para aumentar o contato das leveduras com aquele. Também devem ser eliminados elementos tóxicos como cobre, cádmio, prata, ósmio, mercúrio e paládio, que inibem o desenvolvimento das leveduras.

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A etapa de fermentação começa com a adição de fermento ao mosto, até completar o volume da dorna, podendo ser realizada adicionando-se todo o levedo de uma só vez, intermitentemente ou em filete contínuo. O método recomendado é o de filete contínuo, pois permite que a densidade do mosto em fermentação se mantenha constante durante o período de enchimento da dorna. As principais fases da fermentação são: a) Preparo do fermento - o objetivo do preparo do fermento é o de evitar uma fermentação irregular e de baixo rendimento, o que aconteceria caso o mosto simplesmente entrasse em contato com microorganismos. Para o sucesso da fermentação, é indispensável que se adicione ao mosto um volume de microorganismos chamados de “levedo”, “pé-de-cuba” ou “fermento”, de tal maneira que haja um bom desempenho do processo, já que esse é uma função da qualidade do fermento utilizado. Os fermentos mais utilizados são o prensado e o selecionado. O fermento prensado é um agregado de células de Saccharomyces cerevisae e pode ser empregado em qualquer tipo de destilaria, sendo, por isso, o de maior uso. O seu preparo consiste em adicionar diretamente à dorna 2,0 a 2,5 g de fermento por litro de mosto diluído aquecido a 30ºC. O objetivo de se usar mosto diluído é para que se obtenha um bom crescimento celular. A seguir, coloca-se o mesmo volume de mosto aquecido até alcançar o volume final da dorna. Corta-se então para outra dorna e assim sucessivamente. Quanto ao fermento selecionado, que é constituído de células de Saccharomyces uvarum, tem as vantagens de apresentar tolerância a maiores concentrações de açúcar e de álcool e a maiores temperaturas, o que resulta em maiores rendimentos. b) Pré-fermentação – esta fase caracteriza-se por não apresentar praticamente produção de etanol. É uma etapa em que há multiplicação das leveduras, com pequena elevação de temperatura. Verificou-se, experimentalmente, que a pré- fermentação termina quando começa o desprendimento de CO2, característico da fermentação alcoólica. É interessante notar que o tempo da pré-fermentação deve ser minimizado, na medida em que esta é uma etapa que consome açúcar sem produzir etanol. Tal fato é conseguido através de um bom preparo do caldo e do fermento.

Grupo Tchê Química 24 c) Fermentação principal – nesta etapa começa a formação da espuma devido ao desprendimento de CO2, seguido de uma rápida elevação de temperatura, a qual deve ser controlada para evitar perda de rendimento, tornando-se necessário resfriar a dorna. O acompanhamento desta etapa é feito pela queda gradual da densidade do mosto e subseqüente aumento do teor alcoólico e da acidez. d) Pós-fermentação – nesta etapa, a fermentação se completa. Caracteriza-se pela diminuição de temperatura até a temperatura ambiente e pela elevação do pH, assim como pela estagnação do meio reacional. A duração desta fase também deve ser a menor possível, para que não haja ataque de microorganismos prejudiciais ao produto que ser quer obter (vinho, por exemplo). Ao fim desta etapa, seguida de uma decantação, o produto está pronto para ser destilado. e) Destilação – a finalidade da destilação é separar misturas binárias ou múltiplas em seus elementos componentes, a fim de obter cada um deles com um alto grau de pureza. A destilação baseia-se no fracionamento de líquidos voláteis com diferentes pontos de ebulição.

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Caldo

2.3.6. FLUXOGRAMA DO PROCESSO Mosto

vinhaça

Álcool anidro

Cana-de-açúcar

Pesagem

Recepção

Preparo

Gerador de vapor bagaço

Moagem

Tratamento do caldo

Tratamento do levedo e pré-fermentação

Fermentação

Separação centrífuga

Destilação

Retificação

Desidratação Estocagem

Leite de leveduras

Armazenagem

Lavoura Estocagem

Álcool hidratado

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2.37. RESÍDUOS GERADOS NA PRODUÇÃO DE ÁLCOOL E O SEU a) Vinhoto – contém em média 93% de água e 7% de sólidos, 75% dos quais correspondem à matéria orgânica. É descartado no canavial, objetivando a fertirrigação. Sua aplicação em lavouras pode ser feita por aspersão a partir de veículos-tanque alimentados por reservatório-pulmão. Quando a topografia é favorável, pode-se distribuir o vinhoto com o auxílio da própria declividade. Comparando-se as recomendações gerais de adubação para cana-de-açúcar e a composição química do vinhoto, verifica-se um certo desbalanceamento nutricional deste (rico em potássio e relativamente pobre em nitrogênio e fósforo). Portanto, seu uso como fertilizante requer uma complementação com nitrogênio e fósforo. b) Água de Lavagem – contém areia e açúcar, este em torno de 1kg por tonelada de cana. Após o gradeamento para a remoção de sólidos grosseiros, passa por um tanque de sedimentação, sendo o líquido recirculado ao processamento de lavagem. Caso este efluente não seja recirculado, deve ser lançado diretamente na lavoura ou tratado para a redução de carga orgânica. c) Bagaço – é constituído, basicamente, de água, fibra e sólidos solúveis. Dentre esses, destacam-se a sacarose, glicose, frutose e sais. A fibra, por sua vez, é constituída de celulose, lignina e cinzas. É aproveitado na utilização como combustível de caldeira, formando-se um excedente de até 40% do volume total produzido, o qual pode ser empregado como insumo energético em outras plantas ou como fertilizante natural, aglomerado para construção, insumo para a indústria de papel e celulose e de produtos químicos.

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3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O homem, ao se utilizar da levedura para a produção industrial de etanol, elegeu o álcool como principal produto, cuja eficiência de produção é comprometida pela formação dos demais produtos da fermentação. Entretanto, o objetivo primordial da levedura é crescer e multiplicar-se, sendo o etanol um produto a ser rejeitado. Percebe-se, então, que os objetivos metabólicos da levedura, à primeira vista, não coincidem com aqueles traçados pelo homem ao explorar industrialmente tal organismo. Porém, explorando a capacidade de adaptação das leveduras, podem-se alterar as condições físico-químicas do meio de fermentação para, em benefício do homem, favorecer a conversão do açúcar em etanol sem negligenciar das necessidades metabólicas mínimas das leveduras.

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