Produção de Etanol

(Parte 1 de 6)

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

1 PRODUÇÃO DE ETANOL	3
1.1 Importância	3
1.2 Vias de obtenção	4
1.3 Matérias-primas, composição e conservação	5
1.3.1 Composição das matérias-primas	6
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
1.3.2 Conservação da matéria-prima	9
1.4 Preparação dos meios	10
1.4.1 Preparo de mostos de melaço	10
1.4.2 Preparo de mostos de caldo de cana-de-açúcar	1
1.4.3 Preparação de mostos de materiais amiláceos	1
1.4.3.1 Sacarificação pelo malte	1
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
1.6.2 Nutrição mineral e orgânica	18
1.6.3 Temperatura	19
1.6.4 pH	19
1.6.5 Inibidores de fermentação	20
1.6.6 Concentração de açúcares	20
1.6.7 Concentração do inóculo	21
1.6.8 Contaminação bacteriana	21
1.6.9 Antissépticos	21
1.6.10 Antibióticos	2
1.7 Correção dos mostos	2
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
1.1 Fermentação alcoólica contínua	27
1.12 Salas de fermentação	31
1.13 Recipientes de fermentação	31
1.14 Destilação	32
1.14.1 Destilação descontínua	3
1.14.2 Destilação contínua	34
1.15 Retificação	37
1.16 Prática de retificação industrial	38

1.17.2 Processo de absorvente regenerável	42
1.17.3 Processo de separação por meio de peneiras moleculares	42
1.18 Fluxograma do processo de produção de álcool e açúcar	4
1.19 Planta fotográfica de uma usina de álcool e açúcar	45
2 BALANÇO ENERGÉTICO NA PRODUÇÃO DE ETANOL	47
2.1 Cana-de-açúcar	47
2.2 Mitigação do Efeito Estufa	48
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	50

3 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 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.

4 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.

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.

5 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 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.

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.

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.

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.

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 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.

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 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; 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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