Produção Industrial de Etanol a partir da Fermentação da Cana-de-Açúcar

Produção Industrial de Etanol a partir da Fermentação da Cana-de-Açúcar

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O sistema de preparo é constituído por um ou dois jogos de facas - dos quais o primeiro é apenas nivelador - que prepara a cana a ser enviada ao desfibrador.

O jogo de facas é um equipamento rotativo de facas fixas, que opera a uma velocidade periférica de 60m/s, e tem por finalidade aumentar a densidade da cana, cortando-a em pedaços menores, preparando-a para o trabalho do desfibrador.

O desfibrador, por sua vez, é formado por um tambor alimentador que compacta a cana à sua entrada, precedendo um rotor constituído por um conjunto de martelos oscilantes que gira em sentido contrário à esteira, forçando a passagem da cana por uma pequena abertura (1 cm) ao longo de uma placa desfibradora.

A velocidade periférica dos desfibradores, de 60 a 90m/s, chega a fornecer índices de preparo de 80% a 92%. Este índice seria uma relação entre o açúcar das células que foram rompidas pelo desfibrador e o açúcar da cana.

3.6. Extração do caldo

3.6.1. Moagem

Na moenda, a cana desfibrada é exposta entre rolos submetidos a uma pressão de aproximadamente 250 kg/cm², expulsando o caldo do interior das células. Este processo é repetido por seis vezes continuamente. Adiciona-se água numa proporção de 30%. A isto se chama embebição composta, cuja função é embeber o interior das células da cana diluindo o açúcar ali existente e com isso aumentando a eficiência da extração, conseguindo-se assim extrair cerca de 96% do açúcar contido na cana. O caldo extraído vai para o processo de tratamento do caldo e o bagaço para as caldeiras.

3.6.2. Peneiramento

Todo caldo de cana, após o esmagamento e moagem , passa por um conjunto de peneiras, os quais extraem palhas, bagacilhos (bagaço fino) e parte das impurezas grossas.

O caldo utilizado para a fabricação do açúcar é obtido do primeiro esmagamento, o qual equivale em princípios, a 70% de todo o caldo contido na cana. Esta matéria prima não passa pelo processo de embebição composto, o qual é utilizado para lavagem da fibra, para remover toda a sacarose contida na cana.

3.6.3. Embebição

O bagaço resultante da extração pela última moenda contém ainda uma certa quantidade de caldo constituído de água e sólidos solúveis. Apresenta no geral uma umidade mínima de 40 a 45%.

Este caldo fica retido nas células que escapam ao esmagamento, entretanto adicionando-se certa quantidade de água a esse bagaço, o caldo residual fica diluído.

Submetendo-se esse bagaço assim tratado a uma nova moagem consegue-se aumentar a extração do caldo ou sacarose.

A umidade permanece a mesma, ocorrendo simplesmente a substituição do caldo original por certa quantidade de água que se adicionou. Evidentemente o bagaço torna-se menos açucarado. De uma extração a seco, de um modo geral, a umidade do bagaço após a 1ª moenda é de 60%, após a 2ª é de 50%, podendo chegar a 40% no ultimo terno. A prática de se adicionar água ou caldo diluído ao bagaço entre uma moenda e outra com a finalidade de diluir a sacarose remanescente é chamada de embebição.

13 3.7. Tratamento do caldo

3.7.1. Sulfitação O caldo misto resultante da moagem tem um aspecto verde escuro e viscoso; é rico em água, açúcar e impurezas, tais como: bagacilhos, areias, colóides, gomas, proteínas, clorofila e outras substâncias corantes. Seu pH varia entre 4,8 a 5,8. Este caldo é então aquecido de 50 a 70º C e bombeado para o sulfitador para ser tratado com

SO2. O gás sulfuroso age no caldo como purificador, neutralizador, descorador (decantação) e preservativo.

3.7.2. Calagem O caldo depois de sulfitado é encaminhado para o tanque de calagem, recebendo leite de cal, até pH 7,0 – 7,4. É de máxima importância adicionar a cal, com maior exatidão possível, pois se a quantidade adicionada for insuficiente o caldo permanecerá ácido, e, consequentemente, será turvo, mesmo depois de decantado, correndo ainda o perigo da perda de açúcar por inversão. Se a quantidade de cal adicionada for excessiva haverá a decomposição de açucares redutores, com a formação de produtos escuros, que dificultam a decantação, a filtração e a cristalização, como também escurecem e depreciam o açúcar fabricado.

3.7.3. Aquecimento, decantação e resfriamento

Após passar adição de cal, o caldo é aquecido e posteriormente decantado.

A partir desse ponto realiza-se o resfriamento em duas etapas:

• Fazendo-se passar o caldo quente (esterilizado) por um trocador de calor (regenerativo) em contracorrente com o caldo misto frio, onde o caldo misto é aquecido e o caldo para destilaria é resfriado (=60°C).

• Resfriamento final até aproximadamente 30°C, normalmente realizado em trocadores de placas utilizando água em contracorrente, como fluido de resfriamento.

Livre de impurezas (areia, bagacilhos, etc.) e devidamente esterilizado, o caldo está pronto para ser encaminhado para fermentação.

3.7.4. Pré-evaporação Na pré-evaporação o caldo é aquecido a 115ºC, evapora água e é concentrado. Este aquecimento favorece a fermentação por fazer uma "esterilização" das bactérias e leveduras selvagens que concorreriam com a levedura do processo de fermentação.

3.7.5. Preparo do mosto

O caldo quente que vem do pré-evaporador é resfriado a 30ºC em trocadores de calor tipo placas, e enviado às dornas de fermentação. No preparo do mosto define-se as condições gerais de trabalho para a condução da fermentação como, regulagem da vazão, teor de açúcares e temperatura. Densímetros, medidores de vazão e controlador de Brix automático monitoram este processo.

O mosto nada mais é que uma solução de açúcar cuja concentração foi ajustada de forma a facilitar a sua fermentação. Basicamente é constituído de uma mistura de méis e caldo, com uma concentração de sólidos de aproximadamente 19-22° Brix (o Brix é a escala numérica que mede a quantidade de açúcar dissolvido na solução).

3.7.6. 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 os 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.

3.7.7. Tratamento do fermento

O processo de fermentação mais comumente utilizado nas destilarias do Brasil é o de Melle

- Boinot, cuja característica principal é a recuperação da levedura (tratamento do fermento) que já passou pelo processo fermentativo através da centrifugação do vinho (mosto fermentado).

A levedura após passar pelo processo de fermentação se "desgasta", por ficar exposta a teores alcoólicos elevados. Após a separação do fermento do vinho, o fermento a 60% é diluído a 25% com adição de água. Regula-se o pH em torno de 2,8 a 3,0 adicionando-se ácido sulfúrico que também tem efeito desfloculante e bacteriostático. O tratamento é contínuo e tem um tempo de retenção de aproximadamente uma hora. O fermento tratado volta ao primeiro estágio para começar um novo ciclo fermentativo; eventualmente é usado bactericida para controle da população contaminante.

3.8. Fermentação

É nesta fase que os açúcares são transformados em álcool. As reações ocorrem em tanques denominados dornas de fermentação, onde se misturam o mosto e o pé-de-cuba na proporção de 2:1, respectivamente.

Os açúcares (sacarose) são transformados em álcool, segundo a reação simplificada de Gay Lussac:

C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 A fermentação é contínua e agitada, consistindo de quatro estágios em série, composto de três dornas no primeiro estágio, duas dornas no segundo, uma dorna no terceiro e uma dorna no quarto estágio. Com exceção do primeiro, o restante tem agitador mecânico.

No processo de transformação dos açúcares em etanol há desprendimento de gás carbônico e calor, portanto, é necessário que as dornas sejam fechadas para recuperar o álcool arrastado pelo gás carbônico e o uso de trocadores de calor para manter a temperatura nas condições ideais para as leveduras. A fermentação é mantida entre 28 e 3OºC. O mosto fermentado é chamado de vinho. Esse vinho contém cerca de 9,5% de álcool. O tempo de fermentação é de 6 a 8 horas.

Durante a reação, ocorre intensa liberação de gás carbônico, a solução aquece-se e ocorre a formação de alguns produtos secundários como: álcoois superiores, glicerol, aldeídos, etc.

Ao final deste período praticamente todo o açúcar já foi consumido, com a conseqüente redução da liberação de gases.

Ao terminar a fermentação, o teor médio de álcool nestas dornas é de 7% a 10%, e a mistura recebe o nome de vinho fermentado. Devido à grande quantidade de calor liberado durante o processo de fermentação e à necessidade da temperatura ser mantida baixa (32°C), é necessário realizar o resfriamento do vinho, circulando água em serpentinas internas às dornas, ou em trocadores de calor, por onde o vinho é bombeado continuamente com água em contracorrente.

Atualmente, este processo de fermentação é realizado de forma descontínua ou contínua, em dornas abertas ou fechadas. Nestas últimas, procede-se a lavagem dos gases de saída em uma torre de recheio para recuperação do álcool evaporado, por absorção deste em água, que é retornada ao processo.

3.9. Centrifugação do vinho

Após a fermentação a levedura é recuperada do processo por centrifugação, em separadores que separam o fermento do vinho. O vinho delevurado irá para os aparelhos de destilação onde o álcool é separado, concentrado e purificado. O fermento, com uma concentração de aproximadamente 60%, é enviado às cubas de tratamento.

3.10. Destilação

A destilação é processada em três colunas superpostas. Nestas, o etanol é separado do vinho, inicialmente com 7º a 10°GL

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