Produção de etanol a partir da cana

Produção de etanol a partir da cana

OBTENÇÃO DO ETANOL (ÁLCOOL ETÍLICO) : VIA SINTÉTICA E VIA FERMENTATIVA

O etanol pode ser obtido por três maneiras gerais: via destilatória, via sintética e via fermentativa ou biológica.

a) Via destilatória: não tem significação econômica no Brasil. Aplica-se esporadicamente em certas regiões vinícolas para controle de preço de determinadas castas de vinho de mesa. No Brasil já houve época em que a aguardente de cana foi desidratada com a finalidade de suprir a falta de gasolina.

b)Via sintética: dependendo da disponobilidade pode-se partir de diversas matérias primas, tais como: eteno, acetileno, gases de petróleo, anidrido carbônico e etc.

c)Via fermentativa ou biológica: parte-se de matérias primas açucaradas (cana-de-açúcar, melaço, sorgo, sacarino, sucos de frutas, cereais e etc) que após sua transformação em mosto, são submetidas ao processo fermentativo resultando, como produtos o álcool e o anidrido carbônico. A obtenção do álcool de fermentação pode ser resumida pela equação de GAY-LUSSAC.

 2C- C OH + 2C + 23,5 cal

ÁLCOOL ETÍLICO

Genéricamente, chama-se álcool a espécie química denominada álcool etílico, etanol, etc.

Fórmula............................................................................................. OH

Peso Molecular.................................................................................46,070

Densidade a 20° C g/c................................................................... 0,789

Índice de Refração.............................................................................. 1,362

Ponto de Fusão................................................................................... -111,8

Ponto de Ebulição............................................................................... 78,32

Solubilidade em água.......................................................................... ∞

TIPOS DE ÁLCOOL

Independentemente da sua origem e, segundo a sua concentração e pureza, o álcool pode-se apresentar entre os seguintes tipos:

1) ÁLCOOL RETIFICADO:o álcool retificado é o produto da purificação e concentração dos flegmas ou de álcool bruto (segunda), com um teor alcoólico, variando de 95 à 97 G.L. Em função do processo de purificação a que foi submetido, o álcool retificado pode ser classificado em:

a) Industrial: obtido da purificação parcial de flegmas, especialmente em destilarias anexas as usinas de açúcar, contendo ainda uma pequena % de impurezas e apresentando as seguintes características:

Grau alcoólico ....................................................... 95,2° G.L. (mínimo)

92,7° I.N.P.M (mínimo)

Acidez total ............................................................ 3 mg/100ml (máximo)

Reação de Barbet .................................................. 2 minutos (mínimo)

b) Fino: obtido da purificação de flegmas, contendo uma menor % de impurezas e, apresentando as seguintes características:

Grau alcoólico ....................................................... 96,2° G.L. (mínimo)

94,1° I.N.P.M. (mínimo)

Acidez total ............................................................ 1,8 mg/100 ml (máximo)

Reação de Barbet ................................................... 10 minutos (mínimo)

c) Extra-fino: obtido da purificação de flegmas, retificado industrial, etc; contendo uma pequena % de impurezas e apresentando as seguintes características:

Grau alcoólico ....................................................... 96° G.L. (mínimo)

94,1° I.N.P.M. (mínimo)

Acidez total ............................................................ 0,5 mg/100 ml (máximo)

Reação de Barbet .................................................. 15 minutos (mínimo)

d) Neutro: obtido através de um processo de ratificação mais apurado de flegmas, alcoóis retificados e álcool bruto (segunda) , contendo apenas traços de algumas impurezas, apresentando as seguintes exigências:

Grau alcoólico .................................................... 96° G.L. (mínimo)

94,1° I.N.P.M. (mínimo)

Acidez total ........................................................ nihil

Reação de Barbet .............................................. 45 minutos (mínimo)

2) ÁLCOOL BRUTO: o álcool de segunda é obtido no processo de apuração do vinho ou de flegma, contendo cerca de 3% de impurezas (aldeídos, acetatos, ácidos voláteis, alcoóis superiores, furfural, etc) e apresenta-se com as seguintes especificações:

Grau alcoólico ..................................................... 92° G.P. (mínimo)

88,5° I.N.P.M.

Acidez total ........................................................ 100 mg/100 ml (máximo)

3) ÁLCOOL ANIDRO: o álcool anidro ou absoluto é obtido da desidratação das misturas hidro-alcoólicas e apresenta as seguintes características:

Grau alcoólico ....................................................... 99,6° G.L. (mínimo)

99,3° I.N.P.M. (mínimo)

Acidez total ........................................................... 3 mg/100 ml (máximo)

4) ÁLCOOL DESNATURADO: são os alcoóis aos quais foram adicionados substâncias que os tornaram imprestáveis para o preparo de bebidas e aplicações similares. Estas substâncias adicionadas em pequenas proporções são o azul de metileno, cânfora, a piridina, etc. Substâncias desmaturantes são de difícil separação por processos químicos, físicos e mecânicos.

APLICAÇÕES (Álcool etílico)

Uso gerais:

  • na indústria farmacêutica, na fabricação de insulina e outrs medicamentos;

  • soluções anticongelantes;

  • preservativos de mostruários biológicos;

  • agente de desidratação em fotografia anti-séptico

  • como combustível , o álcool anidro no Brasil tem larga aplicação como combustível ou carburante para veículos motorizados, sendo adicionado a gasolina para elevar a octanagem;

  • para corantes na fabricação de tintas para confeitarias e produtos alimentícios;

  • para diluir e clarificar na fabricação de tintas de aviões, vernizes para madeiras e metais, esmaltes polidores de metais;

  • na fabricação de seda artificial, plásticos, adesivos, vidros;

  • de óleos e ceras para polidoras de calçados, óleos minerais purificados para uso médicos e lubrificantes,etc.

FATORES QUE DETERMINAM A QUALIDADE DA MATÉRIA-PRIMA

Considerando que a qualidade da matéria-prima (cana) é definida como conjunto de características que devem atender as exigências da indústria, verifica-se que há uma variação natural de parâmetros, que deve ser compatível com o processo. Neste contexto, quanto melhor e mais adequadas forem as condições de cultivo, melhor poderá ser a qualidade da matéria-prima.

A ocorrência de fatores limitantes para o desenvolvimento da cana-de-açúcar pode resultar em prejuízos para a qualidade com reflexos diretos e indiretos sobre o processamento industrial dos colmos, tais como: clima, limitações de nutrientes, competição biológica e seus danos, além da influência do homem. Assim verifica-se que a composição química da cana-de-açúcar, entregue para o processamento industrial é dependente de diversas etapas tais como: ambientais e climáticas;propriedades físicas, químicas e biológicas solo; tipo de cultivo; variedades empregadas e idade do colmo; estado sanitário da cultura; estágio de maturação, além do sistema de colheita/carregamento e transporte dos colmos.

  1. Condições ambientais:na etapa de desenvolvimento do canavial, a condição climática é de suma importância, chegando a ser decisiva para o estabelecimento da cultura. A falta de chuva logo após o período de plantio pode trazer grandes prejuízos para a cultura e dependendo da intensidade requerer inclusive o replantio da área, também se observam perdas importantes quanto a ocorrência de chuvas excessivas ou falta de umidade (estresse hídrico), ventos, alterações de temperaturas (geadas e queda de granizo)

  2. Variedades: quanto à escolha das variedades, deve-se considerar o grande número para plantio comercial que apresentam excelentes características agronômicas e tecnológicas. Assim recomenda-se um planejamento adequado para variedades, observando tipo e fertilidade do solo, requerimento nutricional,etc.

  3. Estado sanitário: os fatores biológicos em geral acarretam enormes prejuízos. A ocorrência de pragas e doenças tais como: o atque de cigarrinhas-das-raízes, cupim, migdolus, sphenophorus, broca, ocorrência de ferrugem, amarelinho, dentre outras, resultam em grandes prejuízos para o setor produtivo. Sob este prisma devem-se considerar as perdas diretas de açúcares provocadas pela ocorrência da doença ou o dano da praga sobre os colmos, reduzindo o peso dos colmos e o teor de caldo, aumento da quantidade de fibra.

  4. Emprego de resíduos: no processo industrial é prática que vem sendo estimulada e rapidamente consolidada no setor sulcroalcooleiro, buscando o desenvolvimento ecológico, econômico ,energético e socialmente equilibrado. Neste contexto, destaca-se o emprego racional de cinzas-fuligem, torta de filtros, compostos, vinhaça, além das águas residuárias e de lavagem.

  5. Maturação: o processo de maturação da cana-de-açúcar envolve um sistema metabólico complexo, que se inicia com a fotossíntese e define-se através do balanço entre os teores de fotoassimilados produzidos (fonte) e consumidos nos drenos metabólicos (respiração/crescimento). Fisiológicamente, ela é alcançada quando os colmos atingem seu potencial de armazenamento de sacarose, ou seja, o ponto de máximo acúmulo de açúcar possível.

  6. Sistema de despalha: a queima, resulta na exudação de açúcares, promovendo a abertura de fenda ou rachaduras na casca, propiciando condições favoráveis para o desenvolvimento de microrganismos contaminantes. Como conseqüência, observa-se redução da Pol, incrementos nos teores de impurezas minerais, exudação de caldo que favorece a inoculação de bactérias produtoras de dextrana.

  7. Sistema de corte e de carregamento: dentro da agroindústria, a fase em que a matéria-prima é mais suscetível à deterioração é a que corresponde ao tempo descorrido entre o corte e a moagem. A cana madura e apta para a colheita é o resultado de muitos meses ou até anos de aplicação de práticas culturais, que levam ao lento acúmulo de açúcares nos colmos das plantas envolvendo um grande custo energético bem como financeiro. Com a dilatação do período entre a queima/corte e o processamento a matéria perde rapidamente, sua melhor qualidade para industrialização. Dependendo do período de espera para o processamento, o açúcar (sacarose) produzido pela planta, passa ter caminhos alternativos, utilização pela própria planta em seus processos metabólicos de respiração, como também a utilização natural envolvendo processos biológicos, principalmento os de deterioração.

Enfim para atender a demanda da indústria o setor agrícola, responsável pela produção da matéria-prima, usa como estratégia, e um planejamento muito bem elaborado, a adequação das variedades às condições de solo e clima, além de sua interação com o ambiente, para que apresentem no período da colheita dos colmos o máximo de sacarose.

PROCESSO DE FERMENTAÇÃO: BATELADA CONTÍNUA COM RECILCLO

(MELLE-BOINOT)

Processo de decantação

Neste processo, parte-se de um lêvedo alcoólico tecnicamente preparado o qual é alimentado com um mosto corrigido e em filete contínuo. Uma vez terminada a fermentação, espera-se um tempo suficiente para que haja uma completa decantação das células de levedura. Após esse período de repouso, o vinho é retirado por uma canalização localizada a certa altura do fundo da dorna, de modo a permanecer nesta as leveduras decantadas e que serão utilizadas na próxima fermentação. Ao término de cada fermentação procede-se de uma maneira idêntica, de modo a obter sempre, por decantação, o lêvedo alcoólico para a fermentação seguinte.

Este processo requer instalações simples e por isso, de mais fácil supervisão e execução, porém, para se conseguir bons resultados é necessário que se observe uma série de recomendações:

  • utilizar uma linhagem de levedura adequada;

  • volume correto de lêvedo em relação ao volume útil de dorna

  • preparar técnicamente o lêvedo inicial;

  • diluição correta do mosto;

  • controle de temperatura.

Além dessas recomendações, pode-se ainda acrescentar que, melhores resultados são obtidos quando se trata o lêvedo alcoólico decantado na dorna, com água e ácido sulfúrico, abaixando o ph a 2,5 – 3,0 durante cerca de uma hora, para então adicionar mosto a dorna para nova fermentação. Esse tratamento revigora o lêvedo, propiciando fermentações mais puras.

Processo Melle-Boinot

Baseia-se no reaproveitamento das células de leveduras provenientes de uma fermentação anterior e que são separadas do vinho por centrifugação. Após essa separação e antes de ser reutilizado, o lêvedo sofre um tratamento com ácido (abaixamento do ph até 2,5 – 3,0 durante 4 horas), proporcionando-lhe um revigoramento e eliminação de bactérias que, possivelmente, estejam presentes nesse lêvedo. As bactérias apresentam densidade menor das leveduras e geralmente, são arrastadas com o vinho na centrifugação.

A condução industrial do processo, esquematizada na figura é a seguinte:

A primeira fermentação é realizada pertindo-se de um lêvedo preparado técnicamente, como já foi visto anteriormente. Quando cessa a atenuação do Brix do mosto em fermentação e antes que termine completamente o desprendimento de  o vinho é bombeado das dornas (1) para o decantador (2) situado acima da centrífuga separadora (3) e em seguida, vai ter a esta onde se efetua a separação: de um lado o leite de levedura e de outro o vinho delevurado contendo as bactérias. Este vinho é recebido em uma dorna de espera ou volante (4) de onde vai a destilação (5). As impurezas do decantador (2) vão diretamente para a dorna volante.

O leite de levedura deve possuir de 8 a 10° Brix, o que é conseguido pela regulagem da centrífuga. Esse leite de levedura é encaminhado para as cubas de tratamento (6) onde é diluído com água (mosto de melaço: 1 + 2; mosto de cana-de-açúcar: 1+1) e, após homogeneização, é tratado com ácido sulfúrico até ph 2,5 a 3,0, permanecendo em repouso, a esse ph, durante cerca de 4 horas.

Após esse período, o lêvedo é enviado às dornas de fermentação (1) concomitantemente com o mosto, iniciando-se novo ciclo do processo.

Ocorre, as vezes, uma contaminação mais intensa durante a fermentação, e apenas uma centrifugação e tratamento com ácido não é suficiente para eliminar os agentes infecciosos; é necessário, nesses casos, proceder-se a mais de uma centrifugação.

Veja no esquema abaixo o processo usado em 1978.

Veja abaixo o processo de fermentação mais atual.

As principais vantagens desse processo são:

  • alto rendimento alcoólico;

  • maior rapidez das fermentações;

  • aumento da capacidade das instalações

  • álcool mais puro;

  • menos incrustações nos aparelhos destilatórios;

  • grande simplicidade e regularidade nos trabalhos;

  • menor consumo de sais para a alimentação das leveduras.

INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DA MATÉRIA-PRIMA

NO PREPARO DO MOSTO

O mosto deve apresentar uma concentração de acúcares que seja compatível com a natureza e composição de matéria-prima, com tipo de levedura empregada e com o processo de condução da fermentação da fermentação.

Na prática, por facilidade, a concentração do mosto é estabelecida em termos de graus brix, pois existe uma correlação entre o teor de sólidos solúveis totais, expressos em graus brix, e o teor de açúcares totais.

A concentração ideal de sólidos no mosto varia para cada matéria-prima sendo, geralmente de 14 a 28° brix apresentado-as seguintes relações com as porcentagens de açúcares:

  • mosto de melaço – 20 a 28° brix - 12 a 18% açúcares

  • mosto de caldo- 14 a 18° brix – 12 a 18% açúcares

A utilização de mosto muito baixo acarreta uma série de consequências:

  • fermentações mais rápidas, fáceis e completas;

  • a multiplicação da levedura é favorecida;

  • menores problemas na limpeza dos aparelhos;

  • maior volume de dornas e depósitos;

  • favorece infecções;

  • maior consumo de água e vapor;

  • menor rendimento dos aparelhos de destilação;

  • maior mão-de-obra.

Por outro lado o emprego de mostos muito concentrados pode ocasionar:

  • fermentação mais demorada;

  • fermentação incompleta (perda de açúcar);

  • maiores problemas com a limpeza dos aparelhos;

  • inibição da atividade das leveduras pelo teor alcoólico mais elevado;

  • menor rendimento na fermentação.

Preparo do mosto de melaço

O melaço apresenta uma concentração de sólidos solúveis elevada necessitando de uma diluição a fim de se obter um mosto com concentração ideal de sólidos solúveis e consequentemente de açúcares.

Para se preparar um mosto com brix adequado a quantidade de água, em peso, deve ser adicionada a um determinado peso de melaço de concentração conhecida, pode ser calculada através do diagrama conhecido como “ Cruz de Cobenze” ou regra das misturas.

Onde:

B = brix do melaço

b = brix da água

M = brix do mosto

A diluião é realizada em tanques denominados “diluidores”, onde se procura homogenizar o melhor possível a mistura água-melaço. Essa diluição pode ser intermitente ou contínua.

ETAPAS DA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

1- Adição do mosto ao lêvedo

Uma vez obtido o lêvedo alcoólico, a ele deverá ser adicionado um mosto conveniente preparado, para que o processo de desdobramento dos açúcares seja iniciado o mais rapidamente possível.

A adição do mosto ao lêvedo, até completar o volume útil da dorna, pode ser feita de três maneiras diferentes:

  • de uma só vez

  • intermitente

  • em filete contínuo

Os dois primeiros tipos de adição devem ser evitados, pois ocasionam uma brusca elevação do teor de sólidos solúveis no meio em que se encontram as leveduras, as quais podem sofrer uma plasmólise, debilitando-se e prejudicando suas atividades. Esse inconveniente, associado ao abaixamento rápido do grau alcoólico do meio, favorece o desenvolvimento de contaminações (bactérias).

Para evitar esses problemas, deve-se dar preferência a adição do mosto em filete contínuo. O tempo de alimentação é mais longo neste caso, porém, o tempo total da fermentação é mais curto. Neste tipo de adição, o filete de mosto que, inicialmente, é o mínimo possível, vai sendo aumentado gradativamente á medida que as leveduras vão intensificando suas atividades. Para controlar esse aumento, deve-se procurar manter o brix do mosto em fermentação igual a metade do brix do mosto de alimentação.

2-Fases da fermentação alcoólica do mosto

A fermentação alcoólica do mosto pode ser dividida em três fases distintas, embora não haja muita rigidez no estabelecimento de seus limites:

a)fermentação preliminar ou pré-fermentação

b)fermentação preliminar inicia-se ao ser adicionado o mosto ao lêvedo. Esta fase caracteriza-se, principalmente, pela multiplicação das leveduras, com consequente consumo de açúcares, não há, praticamente, produção de álcool e liberação de C , a elevação da temperatura é pequena.

Desde que, durante a fermentação preliminar, há consumo de açúcares (multiplicação celular) sem haver produção de álcool, deve-se abreviar ao mínimo a sua duração, o que pode ser conseguido utilizando-se: lêvedo com alta concentração celular, leveduras que se multipliquem rapidamente (sem prejuízo de sua capacidade fermentativa), e mostos convenientemente preparados.

Com início da produção do álcool, evidenciada pelo desprendimento de C , atinge-se o final da pré-fermentação, iniciando-se a fermentação principal ou tumultuosa. As principais características da fermentação principal são formação de álcool e desprendimento de C; elevação rápida da temperatura ; aumento progressivo na intensidade de formação de espumas; diminuição gradativa da densidade do mosto em fermentação e tendência da elevação da acidez.

Quando começa a diminuir o desprendimento de C, a violência característica dessa fase cessa e termina a fermentação principal.

Na fermentação complementar, ou pós-fermentação, completam-se os fenômenos da fermentação alcoólica do mosto. No decorrer dessa fase, há uma tranquilidade cada vez maior da superfície do vinho, uma diminuição da temperatura e elevação da acidez.Quando a suprefície do vinho fica completamente tranquila, limpa de espumas e de células, termina a pós-fermentação e o vinho está pronto para ser destilado. Isto deverá ser feito o mais breve possível, pois neste período há maiores possibilidades de contaminação que compromete a qualidade do lêvedo remanescenta no fundo da dorna.

3-Processos de fermentação do mosto

Existem vários processos empregados na condução da fermentação alcoólica dos mostos de melaço, cana-de-açúcar e outros.

Processos em que não há reutilização do lêvedo

  1. com aparelho de cultura pura

  2. sem aparelho de cultura pura

Neste processo, o “pé-de-fermentação” ou lêvedo alcoólico é enviado com o vinho para a destilação e, após cada fermentação, a dorna recebe um novo lêvedo puro e vigoroso, correspondente a 20% do volume útil da dorna.

O lêvedo a ser utilizado pode ser preparado nos aparelhos de cultura pura ou nos pré-fermentadores, com introdução ar de estéril. A melhor maneira de se efetuar a fermentação por este processo, é utilizar os aparelhos de cultura pura para a obtenção do lêvedo, o qual é transferido para os pré-fermentadores que já contém mosto. Através de um arejamento no pré-fermentador propicia-se a multiplicação celular até que a concentração de células seja máxima e, neste ponto, o lêvedo é enviado à dorna de fermentação que em seguida, recebe o mosto a ser fermentado. Uma vez completada a fermentação, o vinho, contendo as células de levedura, é enviado aos aparelhos de destilação e a dorna é lavada com água em abundância, ficando pronta para receber novo lêvedo e mosto para fermentação.

A utilização deste processo propicia fermentação mais pura, desde que realizado com os cuidados exigidos, entretanto, é mais caro que os demais, de difícil supervisão e requer maior consumo de tempo, sas nutritivos, água, vapor etc.

MORFOLOGIA DE LEVEDURA

As leveduras como os bolores, são fungos, mas deles se diferenciam por se apresentarem, usual e predominante, sob forma inicelular. Como células simples, as leveduras crescem e se reproduzem mais rapidamente do que os bolores. Também são mais eficientes na realização de alterações químicas, por causa da sua maior relação área/volume. As leveduras também diferem das algas, pois não efectuam a fotossíntese, e igualmente não são protozoários porque possuem uma parede celular rígida. São facilmente diferenciadas das bactérias em virtude das suas dimensôes maiores e de suas propriedades morfológicas.

A respeito do que foi dito acima, as leveduras não constituem um grupo definido de microorganismos, embora exibam iniformidade morfológica, ou melhor, são diferenciados menos de acordo com características morfológicas e mais de acordo com as características fisiológicas. As células de levedura são esféricas, elípticas ou cilindrícas variando grandemente em suas dimensões ( Sacharomcies cerevisie) 2 a 8 micrometros de diâmetro e 3 a 15 micrometros de comprimento.Como se pode verificar na figura que se segue a morfologia das leveduras é muito variável:

Existem aproximadamente, 350 espécies diferentes de leveduras, separadas em cerca de 39 gêneros, sendo duas das espécies predominantes:

  • Debaryomyces hansenii (branca)

  • Rhodotorula glutinis (rosa)

Leveduras : amigas e /ou inimigas

Estes microorganismos são cultivados em destilarias para produção de etanol (álcool combustível) a partir do açúcar da cana. São também cultivadas a partir do melaço da cana-de-açúcar para serem usadas na fabricação de pães. Assim, são de extrema importância para a produção de álcool (álcool combustível e bebidas alcoólicas), além de outros produtos de grande interesse industrial até para a saúde e alimentação animal.

Alguns exempos...

Levedura de cerveja

A levedura de cerveja é um fermento natural utilizado na fermentação do mosto (uma mistura de cevada,água e lúpulo) para produzir cerveja. As leveduras de cerveja são do gênero Sacharomyces, sendo a principal a espécie Sacharomyces cerevisiae. As células de levedura são uma fonte de alto teor protéico , porém, ao contrário das fontes de proteína animal, tem vantagem de possuir outros tipos de gorduras.

Levedura do pão

É a levedura do pão que permite, quando adicionada à massa, que cresça e depois seja levada ao forno e forme o pão. O pão cresce devido a todo um processo de transformação realizado pela levedura, que quando misturada com a massa, que contém açúcares, vai começar a se reproduzir e a realizar a glicólise. De seguida dá-se a transformação do ácido pirúvico (produto resultante da glicólise) em etanol, tendo sido libertado, para que esta transformação ocorra, um gás, dióxido de carbono: é este gás que, ao criar bolhas na massa vai provocar o aumento de volume da mesma.

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