CENTRO PAULA SOUZA
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE JABOTICABAL
CURSO: TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS
Apostila
PRODUÇÃO DE BIOETANOL: Processo Fermentativo e de
Destilação
Prof. Dr. Leonardo Lucas Madaleno
Jaboticabal-SP
2013
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Apostila de Bioetanol, Trabalhos de Biologia
Apostila de Bioetanol, Varios temas abordados
Tipologia: Trabalhos
2019
1 / 97
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CENTRO PAULA SOUZA
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE JABOTICABAL
CURSO: TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS
Apostila
PRODUÇÃO DE BIOETANOL: Processo Fermentativo e de
Destilação
Prof. Dr. Leonardo Lucas Madaleno
Jaboticabal-SP
1. INTRODUÇÃO
O setor sucroenergético vem adquirindo importância cada vez maior para a economia brasileira. Atualmente, o Brasil é o maior produtor de cana-de- açúcar e de açúcar do mundo. Foi o primeiro país a implantar um programa de utilização de combustível alternativo à gasolina, produto derivado da destilação do petróleo. O país é o segundo maior produtor e o maior exportador de etanol do mundo e utiliza a matéria-prima que tem o melhor rendimento em produção do biocombustível: a cana-de-açúcar. Na disciplina de Produção de Bioetanol, ministrada para o Curso de Biocombustíveis da FATEC de Jaboticabal-SP, não existe material específico para a formação de tecnólogos, contendo as informações básicas para o entendimento dos alunos quanto aos conceitos e maquinário envolvido na produção desse importante biocombustível. O objetivo dessa apostila é mostrar como é produzido o etanol derivado da cana-de-açúcar, destacando os processos de fermentação e destilação. Na fermentação serão abordados os aspectos de como a levedura transforma a glicose em etanol e quais são as melhores condições para que esse processo ocorra satisfatoriamente. Na segunda parte, será verificado como se recupera o etanol produzido pela levedura no processo de destilação. Serão detalhados o funcionamento das colunas e como se obtém o etanol hidratado e o etanol anidro, pelo emprego de diferentes tecnologias. Ao final, é colocada uma lista de perguntas para ajudar no estudo para as avaliações da disciplina. Recomenda-se, no entanto, a leitura de livros e sites na internet que trazem informações sobre o assunto para a atualização e aprofundamento nos conceitos aqui abordados.
2. PROCESSO FERMENTATIVO: produção de bioetanol
2.1 Matérias-Primas
As matérias-primas utilizadas para a produção de bioetanol são classificadas como açucaradas, amiláceas ou feculentas e celulósicas. Dentre as matérias-primas açúcaradas se encontram as prontamente fermentáveis
matérias-primas açúcaradas mistas são as mais encontradas para a produção de bioetanol. Figura 3. Sacarose, carboidrato formado pela união da glicose com a frutose.
Fonte: (WIKIPÉDIA, 2013).
O caldo de cana, proveniente da cana-de-açúcar que apresenta estádio de maturação adequado, possui em sua composição maior quantidade de sacarose e também, glicose e frutose em menor concentração. A levedura ( Saccharomyces cerevisiae ), microrganismo utilizado para a realização do processo de fermentação no mosto, produz a enzima invertase que é liberada ao meio, hidrolisando a sacarose em glicose e frutose, fornecendo os carboidratos utilizados para o início da via bioquímica de produção do etanol, a glicólise. Além disso, o caldo de cana possui toda a quantidade de nutrientes requerida pela levedura no processo fermentativo. As matérias-primas amiláceas ou feculentas são aquelas que apresentam o amido em sua composição, encontradas nos grãos de milho, na batata, mandioca e outras plantas que apresentam orgão de reserva em que se acumula esse polissacarídeo. Quando o tecido vegetal, em que se retira o amido é encontrado na parte aérea da planta a matéria-prima é amilácea (Ex: milho, arroz), quando se encontra abaixo da superfície do solo, é denominada feculenta (mandioca, batata). O amido (Figura 4) é constituído de 20 a 25% de amilose (ligações: α 1-
- e 75 a 80% de amilopectina (ligações α 1-4 e α 1-6). É um polímero de glicose, porém, a levedura de processo não possue enzimas capazes de hidrolisar esse polissacarídeo. Portanto, a hidrólise é realizada a parte, durante o preparo do mosto, e é denominada sacarificação. Esse procedimento é utilizado para tornar os carboidratos indisponíveis (amido) na forma assimilável
pela levedura (glicose). Para esse processo no preparo do mosto, utilizam-se de enzimas α-amilase do malte ou fúngicas que hidrolizam a molécula de amido. As enzimas mais utilizadas pelos fabricantes de etanol que usam o milho como matéria-prima, como no caso dos EUA, são as α-amilases fúngicas.
Figura 4. Amilose, uma das frações que compõe a molécula de amido, que é um polímero de glicose.
Fonte: (WIKIPÉDIA, 2013).
As matérias-primas celulósicas são compostas, principalmente, pela celulose (outro polímero de glicose que apresentam ligações β 1-4 – Figura 5) e hemicelulose (Figura 6). Entre os exemplos encontrados desse tipo estão o bagaço da cana, resíduos da madeira, bambú e outros. No preparo do mosto, para se utilizar esse tipo de material para a fermentação também é necessário que se faça o processo de sacarificação. Com a celulose se obtém glicose e com a hemicelulose glicose e outras substâncias que são tóxicas para as leveduras selecionadas do processo para produção de etanol. Dentre essas se destacam a galactose, arabinose e xilose. Esse tipo de matéria-prima é a mais estudada atualmente por todos os países que fabricam etanol, pela enorme possibilidade de aumento de produção, utilizando resíduos como o excesso de bagaço produzido pelas indústrias sucroenergéticas. Em pequena escala, se consegue fazer etanol
glicose, através de microrganismos ou enzimas, disponibilizando-a para as leveduras; melhoria nos equipamentos; nas metodologias de análises tecnológicas empregadas e outros procedimentos. Ou seja, uma área facinante para estudo e pesquisa.
2.2 Preparo do mosto utilizando matéria-prima açúcarada
Para a produção de bioetanol umas das etapas mais importantes é o preparo do mosto. Nas usinas brasileiras se utiliza abundantemente do caldo de cana (ou caldo clarificado) e melaço (resíduo da fabricação do açúcar) nesse preparo. Algumas destilarias utilizam também xarope (que consiste no caldo clarificado que passou pelo processo de evaporação). O caldo de cana madura possui Brix superior a 18, enquanto que o melaço apresenta de 60 a 70 e o xarope ao redor de 65% de sólidos solúveis. Cada matéria-prima deve ser readequada quanto à concentração de açúcares para proporcionar o melhor rendimento de fermentação. Se a concentração de açúcares estiver muito elevada, caso do melaço e xarope, então deve ser realizado diluição com água (potável e sem contaminantes) da matéria-prima empregada para atingir a concentração desejada. A melhor forma de medir a concentração de açúcares é através dos Açúcares Redutores Torais. O ART é representado pela glicose e frutose do líquido açúcarado, somada a glicose e frutose provinientes da quebra durante a análise da sacarose. O valor desse parâmetro deve se situar por volta de 18%, para após a fermentação se obter vinho com 7 a 10 oGL. Atualmente, existem destilarias que chegam a até 11oGL no vinho, através do uso de leveduras selecionadas e resistentes à elevada concentração de açúcares no início e ao aumento de teor alcoólico no final do processo fermentativo. Para chegar ao valor de ART de 18% as concentrações de sólidos solúveis devem ser diferentes, pois dependem da matéria-prima açucarada empregada. O valor será maior do que 18oBrix para caldo de cana e de 22 a 28, utilizando-se do melaço. Na destilaria se utiliza o Brix para medir a concentração do açúcar por ser mais prático e fácil em relação à determinação do ART. Na análise
tecnológica o Brix é muito rápido de ser determinado. Basta apenas uma gota do líquido açúcarado e um refratômetro para chegar ao valor em minutos. Enquanto que, a análise de ART demora cerca de 1 hora para ficar pronta. Ao final das duas metodologias, para uma mesma amostra o valor do Brix deve ser sempre maior que o de ART. No melaço, a concentração de sólidos solúveis final deve ser maior porque nesse líquido açúcarado se encontra menor concentração de açúcares redutores totais após a diluição com água e maiores concentrações de cinzas, e outras substâncias que não são aproveitadas pelas leveduras na fermentação. No processo de produção de açúcar se busca esgotar ao máximo a quantidade de sacarose através da transformação do carboidrato em cristais. Quanto mais o mel for esgotado, piores serão as condições do mosto a ser produzido para atingir a concentração de 18% de ART e maior valor de sólidos solúveis (Brix) deve ser atingido, podendo chegar a 28, se a origem do melaço for de um mel bem esgotado na fábrica de açúcar (Ex: produção de açúcar com três massas). Na usina se utilizam misturadores que são equipamentos que proporcionam ao final Brix próximo ao desejado, através da medida constante dos sólidos solúveis e adição de água e os materiais açucarados na proporção adequada para se chegar ao ART de 18%. No entanto, a concentração de sólidos solúveis pode ser alcançada de forma técnica pelo cálculo da Cruz de Cobenze , a seguir:
V VM – A = quantidade de V na mistura em g VM A V – VM = quantidade de A na mistura em g Total em g de mosto ao VM desejado V= Brix do material açúcarado. Ex: melaço, xarope e outros VM= Valor do mosto. É o valor ao qual se deseja chegar do mosto A= líquido para diluição do material açúcarado. Ex: água, caldo e outros.
Em 56mL de mosto ------------------------14mL de melaço a 60ºBrix Para 1000000mL de mosto----------------------------------X de melaço X = 250000mL ou 250L de melaço a 60ºBrix. A quantidade de água será de 1000L mosto - 250L melaço = 750L de água para diluição. Portanto, para se obter 1000L de mosto com 18ºBrix, tem que se misturar 250L de melaço de 60ºBrix e 750L de água potável para diluição. Se o mosto for muito diluído (com ART baixo) haverá fermentação rápida, completa e fácil, porém abaixo do máximo rendimento econômico a ser obtido. Existirá maior taxa de multiplicação de células de leveduras (aumento de massa celular), possibilidade de a contaminação aumentar, consumo de água e vapor e despesas com mão-de-obra. Se o mosto for muito concentrado (com ART acima de 18%) ocorrerá fermentação tumultuada, demorada, incompleta (inibição da atividade fermentativa das leveduras pela elevada concentração alcoólica final). Haverá aumento na produção de glicerol, que proporcionará menor produção de etanol. Outro fator é o excessivo aumento da temperatura, pois a reação bioquímica realizada pela levedura é exotérmica e maior na medida em que se aumenta a concentração do substrato. Nas dornas, a elevação da temperatura diminuirá a viabilidade das leveduras (maior incidência de células mortas). Todos esses problemas estão relacionados ao preparo do mosto e serão discutidos melhor no item fatores que afetam a fermentação. Deve se ter especial cuidado com a água de diluição do mosto, pois poderá ser fonte de contaminação (adição de bactérias e leveduras selvagens). A maioria das usinas utiliza água proveniente de recursos hídricos próximos à unidade industrial. Essa água deve ser tratada para não aumentar o problema que em parte é proporcionado também pela qualidade da matéria-prima (cana) que chega à usina e pelas práticas de higiene no processo industrial. Para os mostos preparados com caldo de cana, caldo clarificado ou xarope não é necessário utilizar correções de nutrientes se a adubação da cana-de-açúcar foi feita de modo adequado e o processo de clarificação não removeu os nutrientes. O caldo apresenta todos os elementos necessários e na concentração adequada para a realização do processo fermentativo.
Para o mosto produzido a partir do melaço é necessário introduzir nutrientes, principalmente N e P. Na clarificação usada no caldo, para a fabricação do açúcar, foi removida a maioria desses elementos. De modo que, no melaço há baixa quantidade de nutrientes. A clarificação utilizada para a fabricação de etanol segue quase as mesmas recomendações para açúcar, porém, é denominado de processo brando e é separado da clarificação do açúcar. É aplicado o leite de cal (Hidróxido de Cálcio) na caleagem até o pH chegar a 6,0 – 6,5. O objetivo é remover somente compostos indesejáveis para a fermentação. Esse processo é utilizado pelas usinas, pois a colheita da matéria-prima traz para a indústria elevada carga de impurezas minerais. Na produção de açúcar, por sua vez, o objetivo é remover o máximo de impurezas possíveis e para isso o pH é elevado até 7,0 – 8,0, dependendo do objetivo de produção: açúcar cristal ou VHP (very high polarization ou elevada polarização). Por isso, o melaço tem quantidade de nutrientes reduzida e diferente, dependendo do tipo de açúcar produzido. A adição de nutrientes pode ser feita na dorna de fermentação. O N pode ser aplicado na forma amoniacal (preferido, pois a forma amínica induz a produção de álcoois superiores – iso-amílico) e P pode ser aplicado com os diferentes produtos que possuem P 205 , como o ácido fosfórico. Outros nutrientes que podem ser aplicados são: S (melaço com origem de mel proviniente da produção de açúcar cristal possui, por exemplo, níveis elevados, pois na clarificação é feita a sulfitação com SO 2 ), Co, Mg e Mn para desenvolvimento, manutenção e possibilidade de realizar as reações enzimáticas pela levedura. A temperatura do mosto também é muito importante. Os mostos produzidos a partir de caldo clarificado possuem temperatura muito elevada (maior do que 65oC), e devem ser reduzidos para 32oC. Essa temperatura é a ideal para a transformação da glicose em etanol pela levedura. O mosto ideal teria a seguinte composição: seria isento de sólidos suspensos como bagacilho, areia e terra; com concentração adequada de açúcares (18 a 28oBrix), observadas melhor pela quantidade de ART=18%; com temperatura máxima de 34oC, com contaminação reduzida (ideal, 10^2 de
produção de etanol por duas vias. A primeira pela competição com a mesma matéria-prima utilizada pela levedura: a glicose. A segunda, por produção de toxinas capazes de diminuir a eficiência das leveduras. Tanto as leveduras selvagens e as bactérias reduzem a velocidade e rendimento da fermentação e aumentam as irregularidades no processo. As leveduras são ascomicetos pertencentes à espécie Saccharomyces cerevisiae e podem ter o formato redondo, oval ou alongado. Podem ainda ser classificadas como verdadeiras, falsas, selvagens, altas, baixas e de destilaria, sendo que alguns tipos pertencentes aos mesmos grupos. Por exemplo, uma levedura verdadeira poderia também pertencer ao grupo de destilaria. O destaque fica por conta do tamanho dos agentes. A levedura (5 μm) é cinco vezes maior do que a bactéria (1μm). E isso será explorado no momento da centrifugação do vinho, contribuindo para a redução da contaminação no creme de levedura que será conduzido para o pré-tratamento. A levedura é um fungo unicelular que apresenta parede celular e núcleo (eucarionte), possuindo a maioria das organelas, como complexo de Golgi, mitocôndria (importante para a respiração aeróbia). Como diferença de outros microrganismos, a levedura apresenta cicatriz de brotamento, que indica a quantidade de gerações assexuadas que ocorreram. A reprodução desse microrganismo é de forma sexuada e assexuada (preferida por manter as características genéticas do indivíduo). A forma sexuada altera os indivíduos que estão presentes na fermentação, enquanto que a assexuada preserva as características genéticas importantes para a produção de etanol, ou seja, o novo indivíduo formado é semelhante à célula mãe (clone). A forma sexuada será utilizada pelas leveduras sempre que as condições na dorna de fermentação forem estressantes (temperaturas e concentração de etanol elevadas e outras). É uma tentativa de sobrevivência do microrganismo. A forma assexuada é denominada brotamento e pode apresentar de 10 a 20 gerações/dia. O aumento de quantidade de células de levedura é chamado de crescimento de massa pelos microbiologistas e apresenta quatro fases na cinética de desenvolvimento. A fase lag em que o microrganismo se adapta ao
meio (mosto), fase exponencial em que o crescimento em massa (número de células) é exponencial, fase estacionária , em que o crescimento é igual a morte de células (população estabilizada) e fase de morte em que a proporção de indivíduos mortos é maior do que a de vivos (Figura 7). Para favorecer o crescimento de massa é necessário concentração baixa de açúcares e nutrientes, pH, aeração, agitação adequados no mosto.
Figura 7. Fases de crescimento populacional de leveduras ao longo do tempo.
O metabolismo das leveduras está compreendido em anabolismo (assimilação e síntese, ou seja, formação de biomoléculas) e catabolismo (desassimilação e degradação, ou seja, destruição de biomoléculas). A fermentação é uma reação de catabolismo, na qual a levedura utiliza a glicose e a transforma em etanol. A energia liberada nessa “quebra” da molécula de glicose é empregada no anabolismo. Outras biomoléculas serão construídas e farão parte da parede celular do novo indivíduo que será reproduzido assexuadamente, da manutenção da vida da célula e outras formas de uso. O catabolismo da glicose se inicia com a glicólise (Figura 8) que é uma série de reações bioquímicas, realizadas por enzimas específicas, que transformam a glicose em duas moléculas de piruvato ou ácido pirúvico. Ao final dessa etapa, foram produzidos 2 ATPs e 2 NADH + H+^ e esses últimos necessitam de ser oxidados para a célula da levedura manter o processo de glicólise e obter a quantidade de ATP mínima para manutenção.
O ácido pirúvico tem dois destinos, ser reduzido totalmente a CO 2 + H 2 0, produzindo mais NADH + H+^ e produzindo mais 36 ATPs (a levedura e outros organismos que possuem essa rota bioquímica em seu metabolismo preferem esse caminho, o da degradação total da glicose – ciclo de Krebs) (aerobiose). Para oxidar o NADH + H+^ é necessário vias como a do glicerol, que será visto adiante. Por outro lado, dependendo das condições do meio o microrganismo pode utilizar a rotar fermentativa (anaerobiose) produzindo etanol e recuperando o NAD para ser reutilizado na glicólise. A concentração de açúcar no mosto é que definide a via que será utilizada pelo microrganismo. É necessário ressaltar dois efeitos que ocorrem. Um relacionado com a concentração de glicose (ou açúcares) e a outra com oxigênio. Pasteur, importante cientista francês, observou que na presença de oxigênio a respiração aeróbia ocorria e sem oxigênio a forma utilizada pelos microrganismos era a fermentação para a síntese de energia. Por outro lado, Crabtree observou que a concentração de glicose é que define se haverá fermentação ou aerobiose. Quando a concentração de glicose é maior do que 6 oBrix, independente de haver ou não oxigênio no meio ocorrerá fermentação e produção de etanol. Esse efeito ocorre quando existe aumento de glicose no meio, favorecendo a fermentação em relação à respiração. Então haverá a produção de etanol (Figura 9) quando: o meio conter concentração de glicose acima de 6oBrix (com oxigênio ou sem oxigênio) ou se haver condições de baixa concentração de glicose e ausência de oxigênio. Por outro lado, haverá aumento de biomassa (respiração aeróbia – Figura 10) quando a concentração de glicose for abaixo de 6 oBrix, na presença de oxigênio. Com essas informações pode-se, em determinados momentos, estimular a produção de biomassa (início da safra), em outros momentos a fermentação (produção de etanol). Por isso, a quantidade de ART deve ser no mosto próximo a 18% para estimular a fermentação e abaixo de 6º Brix para a produção de biomassa. No balanço energético da respiração aeróbica teremos a produção de 47g de biomassa e 38 ATPs por 100g de ART disponibilizados. Por outro lado, pelo processo fermentativo teremos de 1 a 5g de biomassa e 2 ATPs por 100g
de ART e um resíduo extremamente energético, o etanol. A energia guardada nessa biomolécula é a utilizada na explosão no pistão dos automóveis, que geram energia para fazer os carros se movimentarem.
Figura 8. Fermentação, reação bioquímica de degradação da molécula de ácido pirúvico para etanol (Fonte: próprio autor).
Para compensar a baixa eficiência energética da fermentação, a levedura intensifica a velocidade de degradação do açúcar quando está em anaerobiose e isso explica, porque em meio com concentração elevada de glicose a via fermentativa é a preferida, além de enzimas do ciclo de descarboxilação (ciclo de Krebs) serem inibidas. Por outro lado, se a concentração de glicose for muito elevada, acima de 18%, até a via fermentativa é afetada e a levedura entra e estado de estresse produzindo glicerol (Figura 11), reduzindo, consequentemente, a produção de bioetanol. A produção de glicerol é realizada para garantir a oxidação do NADH
- H+^ para NAD e manter a via da glicólise para a obtenção de ATP. Quando há respiração, também é produzido NADH + H+^ (ver Figura 10) e o glicerol vai ser produzido para oxidar o NADH + H+^ existente. Tanto o glicerol como o etanol é excretado pela célula para o meio, de modo que se pode medir a concentração dessas biomoléculas e observar o comportamento da levedura.
2 Ácido pirúvico
2 Acetaldeído
2 Etanol + 2 CO^2
NADH + H+
NAD+^ + Pi
Piruvato descarboxilase
Álcool desidrogenase
Pode retornar para a Glicólise + glicólise Fermentação= 2 ATP
Figura 10. Formação do glicerol, principal subproduto da fermentação.
Pi = fósforo inorgânico
2.4 Fases, dornas e tipos de fermentação.
As fases da fermentação alcoólica são: preliminar, principal e pós- fermentativa. Antes de iniciar o processo fermentativo é necessário estabelecer o contato do fermento com o mosto e o último pode ser alimentado de forma intermitente ou em filete contínuo (forma preferida – ajuda na adaptação da levedura com a concentração de glicose elevada). A fase preliminar consiste na adaptação da levedura ao mosto. Nessa fase, predomina a reprodução celular com aumento da biomassa existente (menor do que 6º Brix). Existe pequena
Fosfato de Dihidroxiacetona (DHAP)
Glicerol
Glicose
NADH + H+
NAD+^ + Pi
Gliceraldeído 3 fosfato
1,3 Bifosfoglicerato
Gliceraldeído 3 fosfato desidrogenase
Frutose 1,6 Bifosfato
Início da Glicólise
Ácido Pirúvico
Etapas Finais da Glicólise
Glicólise + Produção de Glicerol = 2 ATP
Gliceraldeído 3 fosfato desidrogenase Glicerol 3 fosfato
Glicerol 3P Fosfatase Pi
elevação da temperatura, formação de espuma, desprendimento de CO 2 , produção de etanol. O consumo de ART é para a reprodução celular. O tempo de duração deve ser o menor possível. Na fase principal, após todo o mosto ser adicionado, ocorre intenso desprendimento de CO 2 (com consequente formação de espuma, deve ser usado antiespumante se necessário para evitar o derramamento das dornas), elevação da temperatura (deve haver controle – principalmente com uso de trocadores de calor), velocidade de consumo de açúcar elevado, com intensa produção de etanol. Ademais, na fase complementar ou pós-fermentativa há redução dos fatores observados na fase principal de fermentação. Na fase complementar ocorre aumento da acidez pela produção de ácidos orgânicos pela ação de microrganismos contaminantes, precipitação do fermento (floculação) e formação de subprodutos a partir da degradação do etanol, por exemplo: a produção de ácido acético. Portanto, essa fase deve ser curta e o vinho deve ser destilado logo após o término da fermentação. Essas fases de fermentação ocorrem dentro das chamadas dornas de fermentação. Essas são tanques construídos, geralmente, em aço carbono, com capacidade varíavel de acordo com o processo e podem ser abertas ou fechadas. O problema da dorna aberta seria a perda acentuada de etanol arrastado com CO 2 liberado durante o processo de fermentação. Na maioria das usinas as dornas são fechadas e o CO 2 e o etanol arrastado junto com o gás são conduzidos ao recuperador de etanol ou torre de CO 2. Neste aparelho (Figura 11), a água entra contracorrente à subida de CO 2 (gás) com álcool arrastado nessa coluna. O etanol se mistura na água, sendo recuperado. Essa mistura hidroalcoólica sai por baixo do aparelho e é encaminhada à dorna volante e misturada com o vinho destinado ao processo de destilação. O funcionamento da torre de CO 2 pode ser comparado ao da torre de sulfitação do processo de produção de açúcar. As dornas de fermentação podem ser de alvenaria, madeira, ferro e aço. Podem possuir refrigeração externa (coroa) e interna (serpentina) que está atualmente em desuso. É utilizado trocadores de calor para manter a temperatura das dornas de fermentação próximas à 32oC. Para limpeza das