Obtenção do Etanol a partir do Caldo de Cana

Obtenção do Etanol a partir do Caldo de Cana

CEFET Química / Unidade Nilópolis

Curso: Técnico em Química Integrado ao Ensino Médio

Disciplina: Química Orgânica I

Professor: José Celso

OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO CALDO DE CANA

Componentes:

Turma: QIM 231

Data de Realização: 27/04/2007

  1. Introdução

O etanol, composto orgânico de fórmula molecular C2H5OH, pertence à classe dos álcoois. Ele 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 (sacarose) como matéria-prima. Nesse procedimento, utiliza-se a fermentação alcoólica como base na produção de etanol.

Depois da formulação da estequiometria da fermentação por Gay-Lussac (1815), Pauster (1863) demonstrou a fermentação alcoólica como um processo anaeróbio. A partir 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 gás carbônico, além de outros produtos secundários. É processo de grande importância, através do qual são obtidos todo o álcool industrial, e todas as bebidas alcoólicas, destiladas e não destiladas e, como produto secundário, o gás carbônico. É ainda utilizado na panificação e na obtenção de leveduras prensadas.

Em aerobiose, há oxidação total da glicose:

C6H12O6(s) + 6O2(g)  6CO2 + 6H2O(l)

Neste caso, na prática, diminui o rendimento em etanol, ao mesmo tempo em que, pelo maior aproveitamento da energia proveniente da oxidação da glicose, há maior produção de células de leveduras.

Nesses processos utiliza-se com maior freqüência as leveduras Saccharomyces cerevisiae, que 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 biomassa em aerobiose (CO2 e H2O), a maior parte é convertida em etanol e CO2 em anaerobiose.

Após a fermentação o álcool é destilado, processo físico que consiste em desdobrar misturas homogêneas, como as soluções de sólidos em líquidos ou as soluções de dois ou mais líquidos. Compreende o aquecimento de uma mistura de mais de dois líquidos que possuem pontos de ebulição não muito próximos. Assim, a solução é aquecida e se separa, inicialmente, o líquido com o menor ponto de ebulição. Em seguida, a solução é aquecida até se separar o líquido com ponto de ebulição acima do primeiro líquido separado, e assim sucessivamente até a separação do líquido com maior ponto de ebulição. No caso do álcool, apesar das diversas destilações realizadas, precisa-se também realizar a desidratação, pois não se pode obter, apenas por destilação, álcool etílico com concentração superior a 97,2% em volume (95,6% em peso). Isso porque nessa concentração a mistura de água e etanol é azeotrópica (mistura líquida de duas ou mais substâncias que se comporta como uma substância única, quando o vapor produzido pela evaporação parcial do líquido tem a mesma composição que o líquido. A mistura em ebulição constante apresenta um ponto máximo ou mínimo de ebulição, comparado com o de outras misturas das mesmas substâncias).

O álcool comum é usado como:

  • solvente para tintas, vernizes, perfumes etc.;

  • combustível para carros a álcool (usam etanol a 95%) e carros a gasolina; no último caso, adicionam-se até 22% de etanol anidro à gasolina, o que é vantajoso porque o álcool polui menos a atmosfera do que a gasolina; melhora o desempenho do motor, já que o índice de octanos do etanol é 105; e, no caso brasileiro, economiza divisas, diminuindo a importação de petróleo;

  • na obtenção de vários compostos orgânicos como, por exemplo, o acetaldeído, o ácido acético, o éter comum; e em bebidas alcoólicas.

  1. Objetivo

Obter etanol através da fermentação do caldo de cana e preparação de um derivado.

  1. Materiais e Equipamentos

Erlenmeyer de 250mL

Caldo de cana

Béckeres de 250mL

Fermento de pão

Kitassato

Hidróxido de bário [Ba(OH)2]

Rolha de borracha

Óleo

Funil de Büchner

Água destilada (H2O)

Papel de filtro

Bagueta

Pipeta Pauster

Aparelho de destilação fracionada, com manta aquecedora

Balões de fundo redondo, sendo um de 500mL e o outro de 100mL

Mangueira de látex

Balança analítica

Papel laminado

Vidro de relógio

  1. Experimental

Colocou-se 200mL de caldo de cana (200g/L de sacarose) em um Becker de 250mL. Enquanto isso se pesou 30g de fermento de pão desmanchado (comportados em um vidro de relógio) na balança analítica e misturou-se o mesmo em 100mL de água (que estava contida num Becker de 250mL). Após isso, adicionou-se essa mistura ao caldo de cana, colocando-a num Kitassato e vedou-se o mesmo com uma rolha de borracha conectada a uma mangueira de látex (que tinha na sua ponta uma pipeta Pauster), com a outra extremidade mergulhada em uma solução de hidróxido de bário [Ba(OH)2], contida num Erlenmeyer de 250mL conforme mostra a figura 1:

Figura 1: Kitassato com caldo de cana e fermento de pão conectado a Erlenmeyer com Ba(OH)2

Protegeu-se a solução de hidróxido de bário do contato com o a atmosférico por se adicionar uma camada de aproximadamente 0,5cm de óleo acima da fase aquosa. Deixou-se o sistema em repouso até o dia seguinte para que a fermentação se completasse.

No dia posterior, desconectou-se a mangueira de látex do Erlenmeyer contendo hidróxido de bário, e realizou-se uma filtração a vácuo, utilizando o funil de Büchner, a fim de separar a solução da borra do fermento, de acordo com a figura 2:

Figura 2: Aparelhagem de filtração a vácuo

Enquanto isso se montou a aparelhagem de destilação fracionada, conforme descrito na figura 3:

Figura 3: Aparelhagem de destilação fracionada

Colocou-se a substância adquirida em um balão de fundo redondo de 500mL na manta aquecedora e cobriu-se o balão com papel laminado, conforme descrito na figura 2. Ligou-se a manta aquecedora e esperou-se que o termômetro marcasse entre 70-90ºC. Após essa primeira destilação efetuou-se uma segunda, a fim de obter etanol com maior grau de pureza.

  1. Resultados e Discussão

Na primeira etapa do experimento, ficou nítida a formação de gás carbônico no Kitassato, porque se pôde observar um precipitado, que no caso era o carbonato de bário (BaCO3). Isso aconteceu por causa da reação do hidróxido de bário [Ba(OH)2] com o gás carbônico (CO2) produzido:

Ba(OH)2(aq) + CO2(g)  BaCO3 + H2O(l)

A formação de gás carbônico foi uma indicação de que a fermentação fora iniciada, visto sua formação acontecer simultaneamente à do etanol (CH3CH2OH). Somente nesse processo é que ocorrem reações químicas, ou bioquímicas, como por exemplo:

  1. C12H22O11 + H2O  C6H12O6 + C6H12O6

sacarose (açúcar de cana) glicose frutose

  1. C6H12O6  2CH3CH2OH + 2 CO2 + 26kcal

glicose ou frutose etanol gás carbônico

Há cerca de 12 reações na fermentação, cada qual catalisada por uma enzima produzida pela própria levedura (Saccharomyces cerevisiae). São no total 15 enzimas e 3 co-enzimas. No caso das suas principais citadas acima, que são as que interessam ao experimento realizado, em (1) a enzima responsável pela catálise da reação é a invertase; em (2), é a zimase.

Após a filtração a vácuo tornou-se necessária a destilação, pois a fermentação não leva a líquidos com teor de etanol maior do que 12-15%. Isso porque ao se prosseguir a fermentação a temperatura aumenta e as enzimas do fermento são desativadas em concentrações mais elevadas. Assim, realizou-se a destilação fracionada. Com isso obteve-se cachaça, que é uma bebida com maior teor de etanol (cerca de 38 a 45ºGL) – é interessante ressaltar que NÃO se conseguiu cachaça com essa quantidade de etanol, e sim com quantidade inferior. Soube-se que etanol havia sido produzido porque ao se acender um fósforo próximo ao liquido, este se inflamou.

Após realizar a segunda destilação, o etanol obtido estava mais puro, percebendo-se a diferença inclusive pelo odor, que no caso da cachaça era bem desagradável. Dessa forma pôde-se observar a formação de etanol com maior grau de pureza, mas que mesmo assim não chegou a 96ºGL, apesar do cheiro característico. Quanto maior o número de destilações realizadas, conseguiria-se etanol mais puro ainda, até chegar a 96ºGL (de acordo com a teoria), que corresponde à mistura de 96% de etanol e 4% de água, em volume.

  1. Conclusão

Concluiu-se, experimentalmente, que a produção de etanol a partir do caldo de cana é viável, inclusive economicamente, no Brasil, onde há boa quantidade de cana-de-açúcar disponível. Apesar do país produzir petróleo, de onde também se pode conseguir álcool etílico (por meio da hidratação do acetileno), a via fermentativa ainda é de grande importância para a sua produção, devido à simplicidade e economia do processo.

É também interessante notar o modo como o experimento provou que é possível o homem produzir em seu beneficio sem agredir a natureza. Isso porque o objetivo da levedura ao realizar a fermentação é alimentar-se em ausência de oxigênio e é justamente nesse processo que ela elimina o etanol. Explorando a capacidade de adaptação das leveduras, podem-se alterar as condições físico-químicas do meio do meio para, em beneficio do homem, favorecer a conversão do açúcar em etanol sem negligenciar as necessidades metabólicas mínimas das leveduras.

  1. Referências Bibliográficas

  1. Anexos

Substância

Fórmula molecular

Ponto de fusão

Ponto de ebulição

nD

Solubilidade

Toxicidade

Etanol

C2H5OH

-114,14ºC

78,29ºC

1,361120

msc: água, éter dietílico, acetona, clorofórmio; s: benzeno

Tóxico e hipnótico (induz ao sono)

LEGENDA:

i: insolúvel

ps: pouco solúvel

s: solúvel

ms: muito solúvel

msc: miscível

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