Estudos para otimização da produção de Etanol

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1 2011 Estudos para otimização da produção de Etanol Mogi Guaçu/SP

2 ESTUDOS PARA OTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE ETANOL Equipe da Faculdade Municipal Prof. Franco Montoro João Alexandre Bortoloti Responsável técnico Elaboração e desenvolvimento do projeto Estéfano Vizconde Veraszto Coordenação geral de pesquisa e extensão Fabiano Correa da Silva Supervisão geral de pesquisa e extensão Jomar Barros Filho Desenvolvimento do projeto José Tarcísio Franco de Camargo Desenvolvimento do projeto Daniel de Campos Freitas Aluno de iniciação científica Jéssica de Lima Gomes Aluna de iniciação científica Objetivo Realizar uma série de estudos sobre condições de fermentação para otimizar a produção de Etanol. Introdução Teórica Fermentação é o processo no qual se obtém energia por meio da oxidação imcompleta da glicose sem a presença de oxigênio, a partir de microorganismos como 2

3 bactérias e fungos. Um exemplo seria o processo da transformação de açucares em alcool conhecido como fermentação alcoólica. A Fermentação alcoólica é um processo biológico o qual se converte açucares como glicose, sacarose e frutose em energia celular produzindo como resíduos metabólicos etanol e dióxido de carbono. É um processo anaeróbico por ser realizado sem a presença de oxigênio. As leveduras e todos os outros organismos que realizam a fermentação alcoólica, incluindo plantas, fermentam a glicose em etanol e CO 2, de maneira que toda massa de glicose está contida nos produtos, não sendo utilizada nenhum outro tipo de matéria-prima. Todos os organismos vivos utilizam a glicose para produzir energia para a realização de seus processos metabólicos, este processo é chamado de glicólise, comum nas fermentações, produz ácido pirúvico, que em meio celular encontra-se ionizado na forma de piruvato e um intermediário reduzido (NADH). O NADH tem que ser oxidado na continuação do processo de produção de energia, a forma como será oxidado caracteriza o tipo de fermentação. Na fermentação alcoólica, o piruvato sofre descarboxilação (perde CO2), pela ação da enzima piruvato descarboxilase formando aldeído acético. Por sua vez, este aldeído sofre redução oxidando o NADH para NAD+, formando assim o etanol, por meio da enzima álcool desidrogenase. 3

4 As células de levedo produzem a energia necessária para sobreviver através da degradação da matéria orgânica que pode ser de duas formas: a respiração que necessita de oxigênio do ar ou a fermentação que ocorre na ausência de oxigênio. A fermentação alcoólica equivale a uma má utilização da energia, assim a levedura precisa transformar o açúcar em álcool para suprir suas necessidades energéticas. Nessas condições a multiplicação da levedura é pequena, enquanto a transformação de açúcar em álcool é grande em relação ao peso da levedura. As leveduras utilizadas na fermentação apresentam um número de espécies bastante reduzido. As mais usadas na fermentação alcoólica são as espécies do gênero Saccharomyces sendo uma das principais a Saccharomyces cerevisiae na 4

5 produção do álcool, há também a S. ellipsoideus usada na produção de vinho de uva e a S. calbergensis para produção de cerveja. As leveduras empregadas na fermentação dependem de vários parâmetros, entre eles o tipo de substrato ou matéria-prima a ser utilizado, o teor alcoólico desejado no produto final, a duração da fermentação, as propriedades do produto, entre outros. Fatores que afetam a fermentação: Temperatura: Variável de acordo com o tipo e finalidade do processo. Referente à produção de álcool, aguardente, vinho e outros produtos a temperatura ideal seria entre 26 e 32ºC, enquanto que para cerveja é entre 6 a 20ºC; ph do mosto: Variável entre 4,0 e 4,5 para a produção de álcool e entre 4,0 e 6,0 para a cerveja. O ph baixo inibe o desenvolvimento de bactérias contaminantes, sem prejudicar o desenvolvimento das leveduras; Concentração matéria-prima: A levedura é capaz de suportar concentrações de açúcar entre 22 a 24%. Nos processos industriais depende da finalidade do processo: Está entre 12-14% no melaço para produção de álcool, entre 6-9% para a produção de cerveja e entre 22-24% no suco de uva para obtenção de vinho; Teor alcoólico do produto: O aumento do teor alcoólico do mosto em fermentação inibe o desenvolvimento da própria levedura, normalmente as concentrações são de 11-12%. Porém tem que se levar em conta que o teor alcoólico depende do teor inicial de açucares. Na produção de álcool industrial usam-se concentrações baixas de açucares (12-14%) para se obter seu desdobramento total em horas sem que a levedura seja inibida pelo teor alcoólico final; Oxigênio: Em meio anaeróbico o rendimento em álcool é maior, uma vez que em meio aeróbico a glicose sofre oxidação total; 5

6 Elementos minerais: Alguns tipos de matéria-prima necessitam da adição de substâncias minerais para suprir necessidades das leveduras em certos elementos como Fósforo (P) e Potássio (K) que geralmente são adicionados na forma de K 2 HPO 4 ; A qualidade da matéria-prima pode ser definida como as características que devem atender as exigências da indústria, existem fatores limitantes para o desenvolvimento da cana que podem resultar em má qualidade refletindo direta ou indiretamente no processo industrial. Assim, a composição química da cana é dependente de diversas etapas: ambientais e climáticas propriedades físicas, químicas e biológicas, tipo de cultivo variedades empregadas e idade do colmo, estado sanitário da cultura, estágio de maturação, além do sistema de colheita/carregamento e transporte dos colmos. O processo de obtenção do etanol através da cana-de-açúcar pode ser dividido em quatro fases: 1ª Fase (Moagem da cana): A cana é prensada para se obter uma mistura com alto teor de sacarose, conhecida como caldo de cana ou garapa. 2ª Fase (Produção do Melaço): Por aquecimento controlado, elimina-se uma parte da água do caldo de cana, obtendo-se uma solução com cerca de 40% em massa de sacarose (Melaço), e parte da sacarose se cristaliza (açúcar). 3ª Fase (Fermentação do Melaço): Acrescentando leveduras (Saccharomyces) consegue-se transformar a sacarose em etanol em duas etapas. Na primeira etapa a sacarose se hidrolisa na presença da enzima invertase, produzindo frutose e glicose, ambas monossacarídeos. C 12 H 22 O 11 C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 (glicose e frutose) Em seguida, pela ação da enzima zimase, os monossacarídeos são fermentados, produzindo etanol com liberação de gás carbônico. C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 (Etanol e gás carbônico) A liberação de gás carbônico é visível pela formação de bolhas na mistura, o que pode dar a impressão de que está em ebulição, não sendo verdade (fervura fria). 6

7 Após a fermentação o mosto fermentado apresenta cerca de 12% em volume de etanol. 4ª Fase (Destilação do Mosto Fermentado): Pelo processo de destilação fracionada, é possível obter uma solução de até 96% de Etanol e 4% de água em volume, sendo denominada 96º GL. Para obter etanol puro pode-se adicionar cal virgem (CaO) que reage com a água formando a cal apagada [Ca(OH) 2 ], que é separada do álcool por filtração. O álcool de postos de combustível apresenta teor alcoólico em torno de 88º GL. Otimização Multivariada Nos últimos trinta anos métodos multivariados de otimização estão sendo aplicados em laboratórios químicos. Como o laboratório industrial precisa se preocupar com controle de qualidade e otimização de processos além de pesquisa e desenvolvimento seus usos na indústria são bastante comuns. Trabalhos no âmbito universitário aplicando estes métodos são encontrados na literatura científica cada vez com mais freqüência. 1 Métodos multivariados de otimização baseados em conceitos estatísticos estão tendo bastante sucesso por várias razões. Primeiro, interações entre fatores somente podem ser descobertas usando-se estratégias multivariadas. O método clássico é univariado onde cada fator é otimizado separadamente dos outros. Experimentos são feitos mantendo-se todos os fatores constantes, variando somente o valor (nível) de um fator. Após isto os níveis dos outros fatores são variados da mesma maneira, um de cada vez, até o melhor resultado ser obtido. Este procedimento não funciona porque o valor otimizado de um fator depende dos valores dos outros fatores. 1,2 7

8 Segundo, os parâmetros calculados para modelos multivariados são mais precisos do que as medidas individuais usadas para determinar o modelo. Esta constatação é baseada no teorema do limite central da estatística, o mesmo teorema que comprova que o erro no valor médio é menor do que o erro de uma observação individual. Como os parâmetros do modelo multivariado chamados efeitos são diferenças entre médias, estes são mais precisos do que as observações individuais. Terceiro, planejamentos multivariados economizam experimentos. Otimizações são conseguidas usando menos tempo, menos material e de uma maneira bem mais segura. O pesquisador pode sistematizar seu trabalho usando métodos multivariados de forma bem mais objetiva do que usando métodos convencionais de otimização. Isto acontece porque métodos multivariados tratam todos os efeitos, a serem otimizados, com a mesma importância eliminando possíveis preconceitos errados por razão de nossa intuição química que nem sempre é correta. Em resumo métodos multivariados de otimização têm maior aplicabilidade, menos custo e maior precisão do que métodos univariados. Além disto, às vantagens de usar métodos multivariados em relação ao univariado aumentam quando o número de fatores a serem otimizados aumenta. 4 Em geral existem dois tipos de variáveis ou fatores para serem otimizados. Um tipo de fator, chamado fator de processo, permite ajustes de qualquer fator independentemente dos valores dos outros fatores. A resposta ou resultado da otimização depende dos valores absolutos dos fatores empregados. Outro tipo de fator não pode ser ajustado independentemente dos outros fatores estudados. A resposta depende somente das proporções empregadas destes fatores. Este tipo de variável é 2,3 1 8

9 chamado variável de mistura. Aplicações multivariadas que otimizam somente os valores de variáveis (fatores) de processos ou somente valores de variáveis de misturas estão ficando relativamente comuns em laboratórios de química e engenharia química. Mas estudos ajustando os dois tipos de fatores simultaneamente são bastante raros, especialmente em estudos químicos. Se existir efeitos de interação entre variáveis de processo e variáveis de mistura as condições de otimização dificilmente serão descobertas usando procedimentos restritos a um tipo de variável. Por isto métodos gerais tratando os dois tipos de variáveis são importantes e planejamentos experimentais envolvendo ensaios em que todas as variáveis do processo e de mistura são ajustadas simultaneamente são necessários para achar as condições otimizadas para sistemas complexos 5. Cronograma Revisão bibliografia: 1º e 2º semestres de 2011 Análise dos resultados: 2º Semestre de 2011 e 1º Semestre de 2012 Elaboração de artigos, divulgação científica: 2 Semestre de 2012 Referências Bibliográficas 1) Benício B.N., Scarminio I.S., Bruns R.E. Planejamento e Otimização de experimentos, Editora da Unicamp, 1996, Campinas 9

10 2) Box, G.E.P, Hunter W.G., Hunter J.S. Statistics for experimenters An introduction to design, data analysis and model building, Wiley, 1978,New York 3) Anderson R.L., Bancroft, T.A. Statistical Theory in Research, McGraw-Hill, 1952, New York 4) Wooding W.M. J. Qual. Tech. 1973, 5, 16 5) Cornell J.A. J. Qual. Tech. 1988, 20, 2 <http://pt.wikipedia.org/wiki/fermenta%c3%a7%c3%a3o> Acessado em 18/05/2011 <http://pt.wikipedia.org/wiki/fermenta%c3%a7%c3%a3o_alco%c3%b3lica> Acessado em 11/05/2011 <htttp://ftp.unilins.edu.br/cursos/seq_gestao_qualidade_alimentos_t3/aula_130908_ Profa_Elisete/Influencia%20temperatura%20fermentacao.doc> Acessado em 11/05/2011 <http://analgesi.co.cc/html/t23743.html> Acessado em 11/05/

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