Processamento do caldo para a produção de álcool, Manuais, Projetos, Pesquisas de Destilação

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FUNDAMENTOS DE TECNOLOGIA

SUCROALCOOLEIRA

2ª Parte

TECNOLOGIA DO ÁLCOOL

Carlos A. F. Ribeiro

Solange A. G. Blumer

Jorge Horii

Piracicaba

ÍNDICE

• 1. INTRODUÇÃO
• 2. TRATAMENTO DO CALDO PARA A PRODUÇÃO DE ÁLCOOL
• 2.1. Condução do tratamento
• 2.1.1. Peneiramento
• 2.1.2. Caleagem
• 2.1.3. Aquecimento
• 2.1.4. Decantação
• 2.1.5. Concentração do caldo
• 3. PROCESSOS FERMENTATIVOS INDUSTRIAIS
• 3.1. Cinética do desenvolvimento das leveduras
• 3.2. Fisiologia das leveduras
• 3.3. Preparo do mosto
• 3.4. Preparo do fermento
• 3.5. Condução da fermentação alcoólica
• 3.5.1. Fases da fermentação alcoólica
• 3.5.2. Processos industriais de condução da fermentação
• 3.5.2.1. Processos descontínuos
• 3.5.2.2. Processos contínuos
• 3.5.3. Recuperação do fermento
• 3.6. Processos contaminantes da fermentação alcoólica
• 3.7. Parâmetros de controle da fermentação alcoólica
• 4. DESTILAÇÃO
• 5. RETIFICAÇÃO
• 6. DESIDRATAÇÃO
• 7. SUBPRODUTOS DA AGROINDÚSTRIA DA CANA DE AÇÚCAR
• 8. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA

2. TRATAMENTO DO CALDO PARA A PRODUÇÃO DE ÁLCOOL

Para uma boa evolução do processo de fermentação-destilação deve ser requerida do caldo de cana, uma qualidade que não comprometa a condução normal de um processo de fermentação e nem cause problemas na centrifugação do vinho ou na destilação. Além da qualidade intrínseca da matéria-prima, faz-se então necessário que se proceda o tratamento do caldo, o qual tem por objetivos:

• eliminação de impurezas grosseiras (bagacilho, areia etc), que aumentam o desgaste dos equipamentos e as incrustações, além de diminuírem a capacidade de produção e dificultarem a recuperação do fermento;
• máxima eliminação de partículas coloidais, responsáveis pela maior formação de espuma e também por dificultarem a recuperação do fermento;
• preservação de nutrientes: vitaminas, açúcares, fosfatos, sais minerais, aminoácidos livres, etc., necessários ao metabolismo das leveduras;
• minimização de contaminantes microbianos, os quais competem com as leveduras pelo substrato e podem produzir metabólitos tóxicos à estas diminuindo a eficiência, a produtividade de fermentação e a viabilidade do fermento, além de formarem gomas que aumentam a viscosidade do mosto em fermentação causando problemas de transferência deste, principalmente os relacionados ao resfriamento e por causarem floculação do fermento. Deve-se salientar que o rendimento de uma destilaria depende de uma série de fatores, tais como: qualidade de cana, eficiência de lavagem da cana, preparo da cana para moagem, assepsia da moenda e condução do processo fermentativo e principalmente do cuidadoso tratamento de caldo.

2.1. Condução do tratamento

O tratamento de caldo para produção de álcool envolve: peneiramento, caleagem, aquecimento, decantação, concentração e resfriamento.

Considera-se que a lavagem da cana é responsável pela remoção de grande parte das impurezas grosseiras, sendo essa eficiência dependente não só do volume de água, mas também da qualidade de aplicação, do tipo de mesa instalada e das condições de solo e clima quando do carregamento.

2.1. Peneiramento

Visa a redução das partículas leves (bagacilho) principalmente nas peneiras tipo DMS e as partículas pesadas (areia, terra, etc) nos hidrociclones, hoje substituídas pelas peneiras rotativas sobre a esteira de cana. Esses equipamentos conseguem eficiência de 70-85%, dependendo do teor de sólidos na alimentação, condições de operação, abertura de telas, etc. As principais vantagens com a sua utilização são, principalmente, redução de entupimento e de desgastes em outros equipamentos, válvulas, bombas, etc.

2.2. Caleagem

O tratamento de caldo com leite de cal não somente provoca a floculação e favorece a decantação das impurezas coloidais, mas também protege os equipamentos contra a corrosão. Com relação ao pH a ser alcançado, deve-se salientar que quanto mais se aproxima de 7,0, maior é a remoção de nutrientes do caldo e o consumo de ácido sulfúrico no tratamento do fermento, além do excesso de cal causar incrustações na coluna de destilação e afetar o crescimento da levedura em cultura. O pH próximo à neutralidade combinado com temperaturas baixas no aquecimento, pode provocar um menor resultado no tratamento térmico, diminuindo o efeito da eliminação dos microrganismos contaminantes. O uso de pH da ordem de 5,6 a 5,8 no caldo decantado é uma faixa ótima, pois não provoca remoção significativa de nutrientes, diminui a agressividade corrosiva do caldo nos equipamentos, além de favorecer a redução do número de microrganismos e provocar suficiente floculação de matéria orgânica. A caleagem é conduzida continuamente pela mistura do leite de cal com o caldo no tanque de caleagem, sendo a dosagem automaticamente controlada pelo monitoramento do pH do caldo caleado.

Na decantação, um dos pontos mais polêmicos é a perda de ART através do lodo do decantador. Uma forma de minimizar esta perda é a instalação de um filtro rotativo para que o lodo seja lavado e o ART, que estava incorporado a ele, retorne ao processo. O investimento é alto, mas compensador, já que a perda de açúcar nessa operação pode ser da ordem de 0,2% de ART processado. A massa de torta de filtro resultante da filtração, em função de menor intensidade de tratamento, principalmente caleagem, é a metade ou menos em relação ao obtido na fabricação de açúcar , embora a concentração de açúcar na mesma possa ser maior.

2.5. Concentração do caldo

A concentração do caldo é uma das operações de tratamento que serve como estratégia tanto para a elevação do teor de açúcar total, com consequente aumento do teor alcoólico do vinho, quanto para se garantir a continuidade do processo fermentativo em paradas de moagem, quando se produz e armazena xarope. No caso de armazenamento de xarope, a sua concentração deve ser mais elevada possível, sem contudo atingir um limite próximo ao crítico da cristalização. A produção e armazenamento de xarope com baixa concentração pode favorecer infecções, responsáveis por consumo de açúcares, diminuindo a eficiência de fermentação, e ainda por estes contaminantes produzirem metabólitos tóxicos ao fermento. A concentração ideal para armazenamento parece ser da ordem de 60 brix , embora usualmente se produza com 50-55 brix. É importante salientar que a concentração do caldo tem características esterilizantes, por submeter o caldo a altas temperaturas por um tempo significativo embora posteriormente ocorram recontaminações que podem conduzir a sérios problemas de processo. Para finalizar, a temperatura do caldo (ou mosto) que alimenta a dorna é um fator importante no rendimento da fermentação. O sistema de resfriamento de dorna é projetado para manter a temperatura de fermentação e não para resfriar o caldo. Portanto, o caldo proveniente do tratamento deve ser resfriado à temperaturas convenientes por um equipamento adicional antes de ser direcionado à alimentação das dornas. A temperatura do caldo alimentando na dorna, acima da faixa de 28-30º , acaba trazendo menor eficiência e produtividade na fermentação motivadas pela redução na viabilidade celular das leveduras e pelo aumento do número de microrganismos

contaminantes. O esquema geral de tratamento recomendado para destilaria é mostrado na figura 1.

Figura 1 : Tratamento recomendado para destilarias

3. PROCESSOS FERMENTATIVOS INDUSTRIAIS

A bio-transformação da matéria-prima em álcool é efetuada por microrganismos, usualmente leveduras da espécie Saccharomyces cerevisiae , através da fermentação alcoólica. Para que a fermentação tenha uma condução satisfatória, tanto quanto possível dentro de especificações técnicas, é imprescindível que se inocule no mosto, uma quantidade de microrganismos capaz de converter os açúcares em álcool e gás carbônico, dentro de determinadas condições. Este conjunto de microrganismos recebe a denominação de “pé-de-cuba” ou simplesmente fermento. Em certas regiões é comum ocorrer o processo fermentativo ao colocar o mosto nas dornas, sem que se faça a inoculação do fermento. Este fato, que ainda muito se

3.1. Cinética do desenvolvimento das leveduras

Utilizamos os termos desenvolvimento ou crescimento, para referirmos ao aumento populacional consequente da multiplicação celular e não propriamente ao aumento dimensional ou volume de uma célula. A cinética do crescimento de leveduras pode ser melhor compreendida por meio de um exemplo, onde um pequeno número de células é inoculado em um volume relativamente grande de meio contendo os nutrientes e sob condições próximas, tanto quanto possíveis, ao ótimo de temperatura, pH, aeração e agitação. Em tal caso, as seguintes fases de crescimento podem ser reconhecidas: fase inicial ou lag-fase, fase de aceleração do crescimento, fase exponencial, fase de desaceleração do crescimento, fase estacionária e fase declínio. A fase inicial (lag-fase) começa quando as células de leveduras são inoculadas em um novo meio, e neste período, o número de células totais e viáveis permanece praticamente constante; trata-se de uma fase de adaptação das leveduras ao novo meio. A duração e o padrão da lag-fase são marcadamente influenciadas pela linhagem de levedura considerada, pela idade das células antes da transferência e pela composição, tanto do meio na qual a levedura vinha sendo cultivada quanto do novo meio em que foi inoculada. Em geral, a lag-fase é de curta duração ou quase inexistente quando as células de uma cultura parental estão em ativo crescimento (fase exponencial) e quando a composição, tanto do meio anterior como do atual, são semelhantes. A fase de aceleração do crescimento, caracterizada pelo aumento gradual da velocidade de multiplicação celular, é dada pelas diferentes capacidades individuais dos microrganismos de se adaptarem ao meio e atingirem, individualmente, sua máxima atividade metabólica em tempos diferentes. A fase exponencial de crescimento tem início após a fase de aceleração, ocasião em que se inicia um aumento exponencial do número de células dado pela população atingir a velocidade máxima de crescimento, sendo que cada célula se divide a intervalo constante de tempo. O tempo que as leveduras levam para se duplicar denomina-se tempo de geração e este é, mais ou menos, constante para cada cultura. Nesta fase também é observada a máxima produtividade de etanol.

A duração da fase exponencial é controlada, em grande parte, pela composição e estado físico do meio, bem como pelo número de células por unidade de volume. O acúmulo de metabólitos e produtos finais produzem inibição da multiplicação. A quantidade de inóculo não influencia o tempo de geração durante a fase exponencial, mas, pequeno volume de inóculo prolonga a fase de ativa multiplicação, visto que o ponto de equilíbrio da população demora mais a ser atingida, em função, principalmente, da concentração dos produtos finais. Após um certo tempo, dependendo da linhagem da levedura considerada e das condições ambientais, o período de crescimento exponencial tende a um final. Inicialmente, a velocidade de multiplicação tende a diminuir até que o número de células permaneça por um considerável período de tempo, quase constante. Em realidade, o que acontece é um baixo consumo de energia , somente para a manutenção da viabilidade até esgotamento das reservas quando inicia um processo de morte. É a fase estacionária. De um modo geral, os fatores preponderantes que determinam esse período são a depleção de nutrientes e o acúmulo de produtos finais. Após esse período o número de células que morre reduz a população e então, a cultura se encontra em fase de declínio. A rapidez com que as células morrem ou sobrevivem por mais tempo é ditada pela composição do meio (esgotamento de nutrientes, acúmulo de produtos finais etc) e pelas condições físicas e químicas do meio (pH, temperatura). Por vezes, devido a autólise das células, as sobreviventes podem se multiplicar aumentando esta fase. Por fim, muitas delas que sobrevivem nesta fase entram num estágio diferente de seu ciclo vital podendo formar esporos ou ascósporos. As fases de crescimento de leveduras em função do tempo de fermentação são ilustradas na figura 2

3.2. Fisiologia de leveduras

A atividade celular é uma ordenada sequência de reações bioquímicas mediadas por enzimas. O metabolismo nas leveduras é resultante de dois processos fundamentais: o catabolismo ou desassimilação e o anabolismo ou assimilação. No catabolismo, os microrganismos promovem a degradação do substrato, enquanto no anabolismo, eles promovem a síntese de material celular. As reações químicas associadas ao catabolismo envolvem reações exergônicas e, desta forma, ocorre a liberação de energia para utilização nas sínteses dos elementos celulares, sendo o excedente perdido na forma de calor. Os fenômenos catabólicos compreendem a respiração e a fermentação. A respiração é uma oxidação biológica dos substratos orgânicos onde atuam sistemas multienzimáticos que catalizam a oxidação, o transporte de elétrons na cadeia respiratória onde o oxigênio é o último aceptor de elétrons, até a formação da água. A fermentação é constituída de reações em que compostos orgânicos atuam como substratos e como agentes de oxidação, em uma seqüência ordenada de reações enzímicas. Tem em comum com a respiração a via glicolítica, até a formação de piruvato, o qual é descarboxilado a aldeído acético, seguindo a redução a etanol. Muitas leveduras são organismos facultativos que possuem a habilidade de obter energia para seu próprio uso, a partir de adequados compostos orgânicos, tanto sob condições aeróbicas quanto anaeróbicas. Nas células de leveduras, sob condições aeróbicas, os açúcares são metabolizados a CO 2 e água, com liberação de energia que, nessa via, é máxima. Portanto, na presença de oxigênio e em baixa concentração de açúcares decresce a taxa de fermentação alcóolica. É o chamado efeito Pasteur. Se não houver oxigênio disponível, a liberação de energia por molécula de açúcar é baixa e, sob esta condição, a fermentação do açúcar conduz primariamente à formação de etanol e do CO 2. Na figura 3 é mostrado o efeito ambiental sobre o comportamento metabólico em Saccharomyces cerevisae , onde observa-se a formação preferencial de biomassa apenas em baixas concentrações de açúcares e em presença de oxigênio.

Figura 3 - Efeito da condição ambiental sobre o comportamento metabólico em S. cerevisiae Isto ocorre em função do efeito “Crabtree”, que é a inibição e repressão dos citocromos pela concentração de açúcares, reduzindo portanto a respiração, o que faz com que as leveduras acelerem o processo fermentativo mesmo que haja oxigênio dissolvido no meio de fermentação. Ocorre portanto uma típica fermentação anaeróbica com produção de etanol ainda que em presença de oxigênio. Embora a condição de anaerobiose seja fundamental para o sucesso da produção industrial de álcool, existem outras condições ditadas pelas necessidades das leveduras, como determinados nutrientes e fatores ambientais, que devem ser atendidos. Por exemplo, os elementos C, H, O, N, P, K, S, Ca e Mg , em concentrações maiores e os elementos Mn e Fe em concentrações menores são fundamentais, desempenhando papéis de grande importância no metabolismo. É importante lembrar que C 6 H 10 O 3 N compõe a maior parte da matéria seca das leveduras, sendo esses elementos responsáveis por 92% da fórmula geral da matéria orgânica. Todos os minerais juntos somam os restantes 8% da matéria seca. Na reação aeróbica de dissimilação do açúcar ou num cultivo aeróbico, poucos produtos resultam do metabolismo. O açúcar e uma adequada fonte de N promovem a formação de massa celular, CO 2 e H 2 O. Cada 100 g de ART é capaz de se transformar

3.3. Preparo do mosto

Mosto é o termo empregado em tecnologia para definir um líquido açucarado passível de ser fermentado. O caldo misto se enquadra dentro das características de mosto, enquanto que o melaço “in natura” requer uma preparação adequada para condicioná-lo às exigências do agente da fermentação alcoólica. No preparo dos mostos, cuidados devem ser tomados quanto a concentração de açúcares totais e a sua relação com os sólidos solúveis, acidez total e pH, sendo que em determinadas condições pode ser necessária a suplementação com nutrientes, a adição de anti-sépticos, o aumento da temperatura, a fim de se obter rendimentos satisfatórios. O preparo do mosto de melaço é simples, restando-se em uma correção dos sólidos solúveis e, consequentemente de açúcares totais através de diluição, enquanto que no caldo deve-se evitar a diluição, considerando que normalmente o caldo não apresenta valores elevados de açúcares totais pelas próprias limitações da cana e da embebição durante a extração. A concentração do caldo em pré-evaporadores (20- brix) ou mesmo, em evaporadores (xarope) eleva o teor de açúcar total do mosto e, consequentemente, o grau alcoólico do vinho. A suplementação em nitrogênio e fósforo não tem sido necessária nas destilarias de álcool em decorrência dos teores destes elementos encontrados no caldo de cana. A acidez e o pH têm papel importante nas fermentações, particularmente quanto à atividade ótima das leveduras em meio ácido (pH 4,5-5,0) e o controle dos contaminantes que atuam na faixa próxima da neutralidade. O uso de anti-sépticos tem o objetivo de controlar os contaminantes. O ácido sulfúrico tem se mostrado o melhor controlador das contaminações. As leveduras desempenham melhor sua atividade à temperatura de 32 a 34º C. Assim as temperaturas baixas, especialmente de início de safra, devem ser corrigidas para se garantir uma boa produtividade já que abaixo de 30º C na dorna, a fermentacão tende a se prolongar por muito tempo, diminuindo a produtividade. O caldo bruto deve sofrer um tratamento térmico visando, a eliminação dos microrganismos contaminantes e a sua desproteinização, de maneira a reduzir a formação de espumas durante o processo fermentativo. Este tratamento, em síntese, consiste em um aquecimento do caldo (105ºC) e remoção das impurezas por decantação e

resfriamento até a temperatura de 30ºC antes da fermentação, conforme anteriormente descrito.

3.4. Preparo de fermento

Os mostos preparados industrialmente devem ser inoculados com as leveduras, que são os microrganismos responsáveis pela fermentação alcoólica. Para que as fermentações tenham uma condução satisfatória é necessário que se adicione aos mostos uma quantidade compatível de microrganismos capazes de desdobrar em tempo hábil os açúcares em álcool e gás carbônico, sendo esta suspensão de células de leveduras denominada de “fermento”, “pé de cuba” ou “starter”. Estes “fermentos” ou “pés-de-cuba” ou “starters” são o inóculo inicial. Na grande maioria das destilarias brasileiras é empregado como inóculo inicial o fermento prensado de panificação, dada a possibilidade de compra da quantidade inicialmente necessária, evitando-se a operação de multiplicação e seus riscos, traduzindo-se principalmente em economia de tempo. Este tipo de inoculação é chamado de "partida direta". Já no caso da utilização de cultura pura, é requerido da indústria um melhor nível tecnológico, pois à partir de gramas de levedura seca viva ou acondicionada em tubos de cultura, deve-se produzir através de fermentações sucessivas em volumes de substrato crescentes, a quantidade inicial necessária, comumente na ordem de grandeza de toneladas.

3.5. Condução da fermentação alcóolica

Uma vez preparados o fermento e o mosto, ambos serão misturados nas dornas de fermentação, ocasião em que as leveduras irão, de modo gradativo, converter os açúcares em gás carbônico e álcool, sendo este último o objetivo desse processo industrial. A adição do mosto ao fermento deverá ser realizada de modo contínuo, sendo que a vazão de alimentação será controlada através do grau brix da mistura, sendo conduzida em vazão decrescente com o tempo e o brix da dorna controlado para que a fermentação não sofra inibição temporária pela excessiva concentração de açúcares.

Uma segunda classificação refere-se a reutilizacão da massa microbiana produzida, se reaproveitada ou não na fermentação posterior; são os processos com reciclo e sem reciclo de células, respectivamente. A maioria das instalações produtoras no País fermenta o mosto em regime de batelada alimentada com reciclo de células, observando-se atualmente o aumento na utilização de sistemas contínuos, também com reciclo, em decorrência de vantagens e de circunstâncias descritas a seguir.

3.5.2.1. Processos descontínuos

São os processos intermitentes, denominados batelada simples ou batelada alimentada. Na batelada simples a fermentação só tem início após o preenchimento do fermentador, ocasião em que se mistura o mosto com o fermento. Isto só é possível em condições de pequenas quantidades de mosto, tendo seu uso restrito às fermentações laboratoriais e farmacêuticas, dado pela capacidade de produção de mosto. Na produção industrial de etanol, o dispêndio de tempo para o abastecimento da dorna significa perda de produtividade e aumento de perdas por deterioração microbiana do mosto. Assim, na batelada alimentada, aproveita-se este tempo de enchimento com a fermentação misturando-se o mosto ao fermento conforme a dorna vai sendo abastecida. Trata-se portanto de um método mais produtivo e expõe as leveduras a menores riscos de choque osmótico que no processo de batelada simples.

3.5.2.2. Processos contínuos

Os processos contínuos vêm sendo pesquisados a cerca de 30 a 40 anos no país, entretanto, somente a pouco mais de 15 anos em caráter industrial. Os primeiros processos foram sistemas de dornas ligadas em série, com número e dimensões variadas, em cascata, onde as primeiras dornas continham cerca de 70% do volume total em fermentação, utilizando-se 2 a 4 dornas finais para a complementação da fermentação. A última dorna sempre foi como uma dorna de segurança a fim de conter as possíveis perdas de ART em função das variações de processo.

No resfriamento do mosto geralmente utiliza-se sistemas trocadores de calor a placas, externos à dorna, convenientemente colocados para promover resfriamento e agitação simultaneamente. Como nos processos descontínuos alimentados, o vinho resultante da fermentação é centrifugado e o leite de leveduras levado ao tratamento ácido, também em cascata e contínuo, com os mesmos objetivos já relatados anteriormente. A recirculação do fermento tratado auxilia a manutenção de um pH mais baixo na fermentação, auxiliando assim a controlar o nível de infecção. A evolução dos processos e dos conhecimentos cinéticos da fermentação, têm auxiliado na otimização dos mesmos com redução dos volumes e do tempo de fermentação com ganhos em produtividade e por consequência de produção. O processo ainda se mantém em cascata, com melhoramento nos sistemas de agitação, tornando-os agitados ou homogêneos e com diferenciado traçado geométrico das dornas e com variação no número de estágios ou dornas. O reciclo de células permite aumento de vazão específica de alimentação e o conveniente tratamento de caldo conduz a sistemas de agitação mais perfeitos sem preocupação de desgaste de centrífugas nem deposição de impurezas em fundo de dornas. Os processos em única dorna ou estágio, em torre com fermento floculante, com fermentação extrativa, com separação de etanol por membranas, sob vácuo, e outros, foram processos estudados em planta piloto, alguns em caráter industrial, mas a maioria ficou como projetos potenciais. Na figura 4 é mostrado um fluxograma do processo de fermentação contínua.