apostila de fermentação GI

apostila de fermentação GI

(Parte 1 de 8)

Natáli Graciane Pereira de Lima- RA:604188

A Fermentação

Alcoólica no

Processo Industrial

Projeto apresentado como instrumento de avaliação da disciplina de Projetos ExperimentaisII em Química ao Curso de Química Licenciatura do Centro Universitário da Fundação de Ensino Octávio Bastos, sob a orientação do Profº. Odair José dos Santos.

UNIFEOB

CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FUNDAÇÃO DE ENSINO OCTÁVIO BASTOS

São João da Boa Vista, SP – Novembro/2011

1-Resumo. O que é Fermentação Alcoólica ?

Toda célula viva tem uma composição muito diferente do meio onde ela vive.

Caso ela não gastasse energia para se manter no meio, a tendência seria a célula desaparecer e sua composição ser diluída no meio.

A fermentação alcoólica é uma forma muito eficiente da célula (de levedura, no nosso caso) de obter energia a partir do meio.

A levedura obtém esta energia desmontando a molécula de açúcar, que por sua vez foi acumulado pela cana-de-açúcar, a partir do CO2 da atmosfera, usando a fotossíntese.

Como a fotossíntese usa a energia solar para montar a molécula de açúcar, concluímos que a energia que mantém a célula diferente do meio é em ultima analise a energia solar.

O açúcar tem energia suficiente na sua molécula para ser conservado na forma de etanol, que será queimado nos motores (gerando bastante trabalho) a ainda para gerar mais leveduras e ainda para devolver ao ambiente calor, pois na fermentação um subproduto importante é a liberação de calor.

Veja também que junto com cada molécula de etanol é também liberada uma molécula de CO2 que voltara para a atmosfera permitindo o funcionamento de todo sistema.

A fermentação alcoólica é portanto, no caso da levedura parte importante do metabolismo, é a parte em que a molécula é desmontada para obtenção de energia. Esta parte é chamada de catabolismo. A outra parte importante é o anabolismo onde a energia do açúcar servira para montar a célula, portanto de composição bem mais complicada do que o açúcar.

O metabolismo visa portando (do ponto de vista da célula) a sua conservação o que ela consegue através da reprodução.

Na indústria fazemos o possível para enganar a célula ou seja, fazemos com que a reprodução seja reduzida ao mínimo e a quebra do açúcar seja aumentada ao máximo.

Como conseguimos fazer isso?

Como a célula tem processos que não desperdiçam nada e são altamente controlados e regulados, fazemos com que o meio seja não-ótimo, por exemplo eliminamos o ar, colocamos pouco nutriente, mantemos a temperatura alta, o pH baixo, colocamos muitas leveduras para disputar o açúcar e os nutrientes, mantemos o teor de álcool e CO2 (resíduos) altos, de tal forma que boa parte da energia disponível é gasta pela célula, pelo menos, se manter viva.

Quanto piores as condições no meio mais energia a célula precisara e menos açúcar sobrara para a reprodução.

Em resumo a célula está programada (através de um treinamento de milhões de anos) para se reproduzir a qualquer custo, nem que para isso ela tenha de fazer toneladas de etanol e CO2.

O metabolismo é, portanto extremamente flexível e esperto para enfrentar muitas situações diferentes, mantendo a célula viva a qualquer preço.

Para ser flexível, uma boa estratégia é caminhar em pequenos passos permitindo a criação de desvios (rotas alternativas) ou mesmo permitindo voltar para trás sem um gasto enorme de energia.

Cada um desses passos (pequena transformação química) é viabilizado por uma ferramenta especializada nesta tarefa chamada de enzima.

Assim como uma oficina extremamente bem montada, capaz de realizar qualquer trabalho (com perfeição), qualquer célula tem milhares de enzimas, em geral prontas para serem usadas.

As enzimas são proteínas (feitas de seqüências de aminoácidos, produtos que tem nitrogênio) e tem um formato tal que permite que ela se ajuste perfeitamente na molécula que ela vai ajudar a converter (da mesma forma que a chave encaixa bem apenas na sua fechadura).

É justamente este contato intimo que permite a conversão da molécula em outra. Veja que não é a chave que abre a porta, é a mão que movimenta a chave. Da mesma forma, nas é a enzima que faz a reação, ela simplesmente permite a execução da tarefa, com o mínimo gasto de energia.

Em cada enzima, em geral o ponto de contato (as ranhuras da chave) é promovido por um metal, que faz parte da composição da enzima. Assim, sem enzimas (e portanto sem nitrogênio) não há fermentação e não haveria enzimas ativas se não houvesse metais no meio.

Há portanto nutrientes (nitrogênio, fósforo, magnésio, manganês, zinco e muitos outros) que são necessários para o funcionamento da fermentação, mesmo que a reprodução seja mantida sempre no mínimo. Estes nutrientes têm de estar disponíveis no meio, mesmo que reciclados de outras células (mortas ou dissolvidas).

A temperatura regula a velocidade com que as enzimas promovem as reações. Para qualquer reação em que choques entre as moléculas são importantes, a temperatura maior, por aumentar a agitação das moléculas, aumenta a velocidade, ate o limite em que a temperatura alta começa a degradar a própria enzima, ela mesma feita de milhares (milhões) de componentes.

Assim dependendo da tarefa a que esta submetida a célula teremos uma região de temperaturas ótimas, em que algumas enzimas estão aumentando a velocidade de trabalho e outras estão se degradando e sendo substituídas.

Com o pH, ocorre um fenômeno semelhante. Os íons H+ (que conferem o caráter acido) afetam o formato das enzimas, tornando mais fácil o contato com a sua molécula, ate o limite em que a enzima será atacada pelo acido (ou pela base). Assim cada célula terá sua região de ph ótimo (o da fermentação pode ser diferente do da reprodução).

Está ficando claro que a velocidade com que a fermentação ocorrerá dentro da célula dependerá das enzimas e da concatenação entre elas (o maestro tem de acertar o ritmo dos violinos, dos metais etc. todo mundo tem de tocar em sincronia).

Caso este sistema de regulagem seja perturbado a célula não sobreviverá e morrerá.

Assim, para evitar que a célula pegue desvios (que não produzem etanol) ou demore muito para fazer a conversão de açúcar é necessário manter a população com alta viabilidade.

A alta viabilidade é um sintoma que a população esta bem adaptada, embora valores muito altos possam significar pouco trabalho para se manter vivo e portanto muita reprodução e baixo rendimento. Vamos voltar a esse assunto nos próximos capítulos.

2. Como é a fermentação alcoólica ?

O processo de fermentação é a forma de “enganar” a levedura levando-a a produzir o máximo de etanol e o mínimo de outros produtos.

Trata-se de formas praticas de regular a alimentação de uma certa qualidade de mostos, o tempo em que a célula passa em contato com o meio, bem como de regular outros aspectos como a temperatura e o pH do meio.

É a parte obrigatória do processo, formas de misturar bem a levedura com o meio para permitir que o açúcar chegue até a membrana (e depois ate o interior da célula) e também para que o álcool, o CO2 e outros produtos (tóxicos) saiam da célula e se dispersem no meio em concentrações aceitáveis pelas células.

Um bom processo tem de dar conta de características do meio (como a tendência de formar espuma, de aumentar a viscosidade quando o teor de fermento é muito alto, entre outros).

Outra característica de qualquer processo industrial é a de garantir que a matéria-prima vai ser fornecida para a população correta, ou seja o processo tem barreiras para evitar que entrem outros organismos e, na hipótese de entrar, para reduzir as chances de que eles venham a predominar, reduzindo as suas chances de reprodução e retirando-o de forma seletiva.

O processo fermentação é em geral conduzido em tanques (fermentadores ou dornas) onde a disponibilidade de matérias-primas e as condições físico-químicas são reguladas.

Por exemplo, o processo totalmente descontínuo (que hoje não e mais usado para álcool industrial, apenas para fabricação artesanal de aguardente ou cerveja) baseava-se em colocar a levedura em tanques já cheios de mosto (ás vezes tratado pelo calor e “temperado” com os nutrientes e o acido necessários). Após a colocação da levedura existia uma fase de adaptação do fermento ao alto teor de açúcar e após algumas horas, a fermentação começava, com liberação de gás, aumento de temperatura e redução da densidade (queda do Brix).

A fermentação era deixada continuar ate que o brix parasse de cair (ou porque acabou o açúcar, ou o fermento parou de fermentar porque não suportou o teor alcoólico, ou porque o fermento decantou no fundo da dorna e se separou do açúcar).

Como a fermentação era conduzida em dornas pequenas, o controle de temperatura era conduzido por resfriamento externo, abrindo-se uma cortina de água que descia pelo lado de fora da dorna. Dornas pequenas têm uma área grande em relação ao seu volume.

Após a fermentação, o fundo da dorna era descartado (caso a viabilidade estivesse muito baixa ou a quantidade de sujeira muito grande) ou usado para partir outra fermentação. O fato do fermento se acumular no fundo deu origem ao nome de pé (fundo) – de – cuba (dorna em francês).

Uma variação deste processo é o processo de cuba-mãe, em que o fermento é preparado em uma das dornas que é continuamente sangrada para dar inicio à fermentação nas outras.

Uma evolução foi o processo de cortes, em que quando a fermentação já estava bem ativa, a dorna em fermentação era cortada para duas e estas duas enchidas novamente, conseguindo-se assim um fermento mais ativo (menor tempo de fermentação) e um teor de açúcar menor.

Uma evolução ainda maior se conseguiu com a aplicação das centrifugas na fermentação alcoólica para separar e concentrar o fermento de um ciclo para usá-lo (na sua totalidade) no ciclo seguinte.

Com isso após algumas semanas de operação conseguia-se um alto toer de fermento, com maior robustez, velocidade e maior possibilidade de atingir altos teores de álcool.

No inicio, este processo, patenteado com o nome de Melle-Boinot, era diferente do processo atual pois não usava o tratamento do fermento e o leite era jogado em uma dorna já cheia de mosto.

No Brasil é que o processo evoluiu para batelada alimentada com reciclo total de fermento e tratamento, hoje chamado simplesmente de processo em batelada.

O processo continuo foi tentado logo que se descobriu que a fermentação era feita pelas leveduras porém, problemas de agitação e o baixo teor de fermento inviabilizaram as primeiras tentativas.

Processos industriais de produção de grandes quantidades de álcool, surgiram na extinta União Soviética e na França porem só se consolidaram no Brasil, com o uso do reciclo e tratamento de fermento.

O processo contínuo, do ponto de vista do fermento, é exatamente o mesmo que um processo em batelada, com um perfil de açúcar correspondente.

Ao invés do vinho ficar dentro da dorna e o tempo passar (batelada), o vinho circula pelas dornas gastando um certo tempo para isso (continuo).

A vantagem da contínua é que ela pode ser feita em número menor de dornas, que ficam sujeitas a menos operações manuais, sendo mais barata sua instrumentação e controle automático. Também a contínua opera com maior inércia, em condições mais estáveis (em cada dorna as concentrações variam muito devagar) o que permite ajustar melhor a condição de melhor rendimento.

A contínua tem ainda maiores vantagens no controle da temperatura e da espuma, tendo em vista que não há altas velocidades seguidas de baixas velocidades de fermentação, como ocorre na batelada (a contínua trabalha na média).

    1. Principais processos

Conforme visto na introdução deste capitulo, os principais processos em uso hoje no Brasil são:

  • Batelada (batelada alimentada com reciclo total e tratamento de fermento).

  • Contínuo (fermentação continua em múltiplos estágios, multialimentados, com reciclo total e tratamento de fermento).

    1. Principais equipamentos

Os principais equipamentos dos processos acima são:

  • Dornas

Servem para promover o contato entre o fermento e os componentes do meio, contendo acessórios para controlar a temperatura e a espuma e para coletar o gás carbônico formado.

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