FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA

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1 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA

2 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Também conhecida como fermentação em batelada ou por carga é utilizada desde antiguidade, e ainda hoje são as mais empregadas para obtenção de vários produtos; Operação: Carrega-se a dorna, com o mosto e os microrganismos, de modo a permitir que a fermentação ocorra em condições ótimas

3 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Terminada a fermentação, descarrega-se se a dorna, e o meio fermentado enviado para a recuperação do produto, e novamente a dorna é utilizada para outra fermentação; Se não houver adição de soluções para controle do processo e nem perda de líquido por evaporação, o volume no decorrer da fermentação, permanece constante.

4 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA A fermentação descontínua pode levar a baixos rendimentos e produtividade, quando o substrato é adicionado de uma só vez, podendo exercer inibição; Apresenta tempos mortos tempos em que a fermentação não esta ocorrendo, como tempo de carga e de descarga, lavagens e esterilização dos equiapamentos.

5 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Grande flexibilidade de operação; Possibilidade de realizar fases sucessivas no mesmo recipiente; Condições de controle mais simples; Capacidade de identificar todos os materiais relacionados ao processo; Apresenta menores riscos de contaminação se comparada a fermentação contínua; É o processo mais utilizado na indústria de alimentos (iogurte, cerveja, vinho, etc.

6 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA INÓCULO Inóculo,, pé-de de-cuba ou pé-de de-fermentação é o quantidade adequada de microrganismo para garantir em condições econômicas a fermentação do volume do mosto; Cepas: manutenção do microrganismos selecionado em condições que possibilitem manter sua viabilidade e capacidade reprodutiva; Condições de manutenção: secagem, em agar inclinado, congelados; Recuperação do microrganismo: depende da técnica que utilizou para sua

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8 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA MOSTO O microrganismo necessita de condições ótimas de crescimento (ph, temperatura, O 2 dissolvido, etc) O meio de cultura, mosto ou meio de fermentação tem influência marcante no processo; Deve possuir nutrientes requeridos para o crescimento celular

9 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA MOSTO Elementos principais: (C, H, O, N); Elementos secundários: (P, K, S, Mg); Vitaminas e hormônios; Traços de elmentos (Ca, Mn, Fe,, Co, Cu, Zn) Na formulação de um meio de cultivo, deve-se levar em conta as necessidades desses nutrientes para a formação dos produtos.

10 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Composição Elementar Típica de um Microrganismo Elemento Carbono Nitrogênio Fósforo Enxofre Magnésio Porcentual no MO ,0 0,5

11 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Mosto Um meio de cultura deve no mínimo conter os elementos da célula na proporção correta; Exceto para carbono, oxigênio e hidrogênio, a formulação dos nutrientes é baseada na Tabela anterior; Os microrganismos coordenam eficiente o seu catabolismo e anabolismo; O substrato limitante são as fontes de

12 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Tipos de Mosto Meios naturais: (sucos de uvas, leite, caldo de cana, milhocina,, etc); Meios sintéticos: (meios quimicamente definidos); Alguns substratos (açúcares, melaços, soro de leite, celulose, amido, resíduos, como água de maceração de milho, metanol, etanol, óleos e gorduras, etc.

13 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DESCONTÍNUOS 1. Cada dorna recebe um inóculo; 2. Processo com recirculação do microrganismo; 3. Processo de cortes

14 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA 1. CADA DORNA RECEBE UM INÓCULO Cada dorna recebe um microrganismo propagada a partir de uma cultura pura; Pouco riscos de contaminação; Fermentações com meios ricos e passíveis de contaminação este tipo é indicado;

15 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA 2. COM RECIRCULAÇÃO DE MICRORGANISMOS Reaproveitamento do inóculo da cultura anterior; Espera-se se que o microrganismo flocule (cerveja), ou centrifuga-se o meio fermentado (álcool); Aumenta-se o risco de contaminação em cada nova batelada; Necessidade de tratamento da suspensão de células, com água e ácido sulfúrico, eliminando contaminantes e leveduras em degeneração.

16 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA 3. PROCESSO DE CORTES Inicia-se o processo normalmente em uma Dorna A; Quando a fermentação atingir a fase adequada passe a metade do volume da Dorna A, para uma Dorna B, até então vazia; Em seguida completa-se o volume das duas dornas; Os cortes podem ser feitos na fase de crescimento mais ativa, ou no final da fermentação; Estes cortes podem ser feitos sucessivamente mas podem sofrer sérias quedas no

17 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS Tendo em vista, o alto custo de um fermentador,, bem como otimizar o espaço que ocupa, é necessário definir o número de dornas para uma empresa produzir o que deseja; BORZANI, sugeriu uma metodologia para calcular o número de fermentadores para um processo descontínuo.

18 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS Considere, uma instalação funcionando por processo descontínuo, onde o líquido fermentado deva abastecer de maneira inenterrupta,, o setor de separação dos produtos BORZANI, sugeriu uma metodologia para calcular o número de fermentadores para um processo descontínuo.

19 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS F: vazão média de liquido fermentado; t f : tempo necessário para que o conteúdo da dorna fermente completamente; V: capacidade útil da dorna; D: número de dornas; t d : tempo necessário para se descarregar uma dorna; t c : tempo necessário para se limpara e carregar uma dorna;

20 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS O valor da vaza F, depende dos seguintes fatores: i. da quantidade de produto final que se deseja obter na unidade de tempo; ii.. do rendimento dos tratamentos finais, que devem conduzir ao produto desejado; iii.. da concentração do produto final no líquido fermentado, que sua vez é função do processo de fermentação;

21 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS Se M,, é a massa de produto final que interessa produzir em um tempo t,, sendo r o rendimento dos tratamento finais e com C a concentração do produto final no líquido fermentado, então tem- se que: F = M C. t. r

22 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS O valor médio de t f, por sua vez, depende do processo de feermentação enquanto que o tempo de descarga pode ser calculado por: t d = V F

23 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS A capacidade útil de cada dorna depende do fabricante; Dorna com centenas de metros cúbicos, são de dificeis controle, principalmente de agitação e de aeração: Para o dimensionamento da dorna, propõe-se que: t = t c d Essa igualdade, facilita a avaliação de D

24 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS Consideremos uma dorna que será identificada com Dorna 1, em início de trabalho, no intervalo de tempo t c = t d, e ela será limpa e carregada; decorrido um intervalo de temp t f, o líquido nela contido estará completamente fermentado e após, outro intervalo de tempo t d, ele se estará vazia e em condições de reinciar o ciclo de trabalho; Para que não ocorra interrupção de fornecimento ded material fermentado, quando terminar a descaraga da Dorna 1, deverá existir outra Dorna 2, pronta par ser descarregada. Quando a terminar a descarga da Dorna 2, outra Dorna deverá está pronta para descarga. Esta sequencia pode ser visualizadada na Figura a seguir:

25 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS Fim da descarga t d t d Fim da fermentação Fim da Carga D1 Dn D1 Inicio do preparo da dorna t d t f Tempo Cronograma de funcionamento de dornas de um sistema descontínuo

26 NÚMERO DE DORNAS ( D 1). t d = t d + t f D = 2 + t t f d D = 2 + ( F. t V f ) F, V e t f, devem ser conhecidos

27 AO LONGO DA HISTÓRIA O HOMEM TEM BUSCADO INTENSAMENTE FERRAMENTAS PARA CRIAR E DESENVOLVER PROCESSOS QUE POSSIBILITEM MAIOR PRODUTIVI- DADE AO MENOR CUSTO.

28 A EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA TEM CONTRIBUÍDO PARA O AUMENTO DOS RENDIMENTOS E EFICIÊNCIAS POSSIBILITANDO DESTA FORMA MAIOR LUCRATIVIDADE.

29 QUE CUIDADOS SÃO NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DOS MELHORES RESULTADOS NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA?? COMO A APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA PODE CONTRIBUIR PARA MAIOR LUCRATIVIDADE??

30 PRODUÇÃO DE ETANOL

31 MATÉRIA PRIMA CANA DE AÇÚCAR

32 MOAGEM DA CANA: OBJETIVO: AUMENTAR A EXTRAÇÃO DE SACAROSE DA CANA, MELHORANDO A EFICIÊNCIA DA MOENDA.

33 TRATAMENTO DO CALDO: OBJETIVO: RETIRAR DO CALDO AS IMPUREZAS MENORES QUE NÃO FORAM RETIDAS NO PENEIRAMENTO, ESTAS IMPUREZAS SÃO BASICAMENTE DO TIPO: SOLÚVEIS, COLOIDAIS E INSOLÚVEIS.

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35 O PROCESSO DE FERMENTAÇÃO MAIS COMUMENTE UTILIZADO NAS DESTILARIAS DO BRASIL É O MELLE- BOINOT, CUJA CARACTERÍSTICA PRINCIPAL É A RECUPERAÇÃO DE LEVEDURAS ATRAVÉS DA CENTRIFU- GAÇÃO DO VINHO.

36 O PROCESSO CONSISTE BASICAMENTE NO USO DE SOLUÇÃO DE AÇÚCAR PRONTA PARA FERMENTAÇÃO DO MOSTO, FORMADO POR CALDO TRATADO E MELAÇO, COM CONCENTRAÇÃO FINAL DE APROX. 18º BRIX.

37 INICIALMENTE A DORNA DE FERMENTAÇÃO É ALIMENTADA COM A LEVEDURA PREVIAMENTE TRATADA E PREPARADA EM CERCA DE 1/3 DO SEU VOLUME, ESTE É O CHAMADO PÉ-DE-CUBA, SENDO O MOSTO ALIMENTADO EM SEGUIDA DE MANEIRA GRADUAL, POIS A RÁPIDA FORMAÇÃO DE CO2, PODERÁ CAUSAR DANOS À DORNA POR EXPANSÃO DO DIÓXIDO DE CARBONO.

38 OS AÇÚCARES SÃO TRANSFORMADOS EM ÁLCOOL, SEGUNDO A REAÇÃO SIMPLIFICADA DE GAY LUSSAC: C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 + 23,5 KCAL

39 COMO PODEMOS VERIFICAR NA EXPRESSÃO ANTERIOR, O PROCESSO DE FERMENTAÇÃO GERA CALOR QUE DEVE SER RETIRADO PARA QUE AS LEVEDURAS MANTENHAM AS CONDIÇÕES IDEAIS REQUERIDAS.

40 O RESFRIAMENTO DE DORNA NO BRASIL E NOS DEMAIS PAÍSES TROPICAIS PODE SER FEITO DE DUAS FORMAS: SERPENTINA TROCADOR DE CALOR A PLACAS EXTERNO

41 A SEGUNDA OPÇÃO É A MAIS MODERNA E MAIS EFICIENTE, JÁ QUE O TROCADOR PROPORCIONA UMA MELHOR HOMOGENEIDADE DA TEMPERATURA NO INTERIOR DA DORNA COM A SANITARIEDADE QUE NA SERPENTINA ACABA FICANDO COMPROMETIDA.

42 O TEMPO DE FERMENTAÇÃO VARIA EM FUNÇÃO DO TIPO DE LEVEDURA EMPREGADA, GRAU BRIX DO MOSTO E DE OUTROS FATORES MENORES. ATUALMENTE O TEMPO VARIA ENTRE 6 E 8 HORAS COM UM TEOR ALCOÓLICO DE ATÉ 10ºGL (10% EM VOLUME) NO FINAL DO PROCESSO.

43 O PRODUTO FORMADO NO FINAL PASSA A SE CHAMAR VINHO QUE APÓS A CENTRIFUGAÇÃO PARA SEPARAÇÃO DAS LEVEDURAS, ESTE PASSA A SE CHAMAR VINHO DELEVEDURADO E ENTÃO É ENCAMINHADO PARA A DESTILARIA PARA A OBTENÇÃO DO ÁLCOOL HIDRATADO E ANIDRO.

44 A TEMPERATURA RECOMENDADA PARA SE MANTER AS DORNAS É DE 32ºC, SENDO ESTE PATAMAR EXTREMA- MENTE INFLUENCIADO PELA TEMPERATURA AMBIENTE, JÁ QUE É UTILIZADA ÁGUA DE TORRE DE RESFRIAMENTO COMO FONTE FRIA.

45 EXISTEM ESTUDOS DE SE MANTER A DORNA COM TEMPERATURAS INFERIORES A 32ºC, MAS NESTE PATAMAR SERÁ NECESSÁRIO UM RESFRIAMENTO COMPLEMENTAR ATRAVÉS DE REFRIGERAÇÃO MECÂNICA (COMPRESSOR FRIGORÍFICO, EVAPORADOR, CONDENSADOR, ETC.) OU ATRAVÉS DE EJETOR UTILIZANDO VAPOR D ÁGUA COMO MOTOR TÉRMICO, PORÉM ATÉ O MOMENTO NÃO FOI ATINGIDO O EQUILÍBRIO TÉCNICO-ECONÔMICO.

46 OS PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO DIVIDEM-SE BASICAMENTE EM DOIS TIPOS: TIPO BATELADA E DO TIPO CONTÍNUA, SENDO O PRIMEIRO O MAIS COMUM E COM MENORES PROBLEMAS DE CONTAMINAÇÃO, NO SEGUNDO REDUZ-SE O TEMPO MORTO ENTRE CICLOS, PORÉM FICA MAIS EXPOSTO AO RISCO DE SE PERDER TODO O MOSTO DAS DORNAS POR CONTAMINAÇÃO, EXIGINDO DESTA FORMA UM CONTROLE MICROBIOLÓGICO MAIS RIGOROSO.

47 UMA OUTRA TENDÊNCIA PARA MELHORAR A FERMENTAÇÃO, É O USO DE AGITADOR MECÂNICO NO INTERIOR DA DORNA PARA HOMOGENEIZAR A TEMPERATURA INTERNA, ESTE DISPOSITIVO PERMITE UMA ATUALIZAÇÃO DAS DORNAS MAIS ANTIGAS ONDE A CIRCULAÇÃO DO MOSTO COM AS LEVEDURAS, PODE SER INTENSIFICADA.

48 CONTAMINANTES NA FERMENTAÇÃO EM VIRTUDE DA MATÉRIA-PRIMA (CANA DE AÇÚCAR) ESTAR EXPOSTA A VÁRIOS MICROORGANISMOS NO CAMPO, A PRESENÇA DE LEVEDURAS SELVAGENS E BACTÉRIAS NO CALDO É INEVITÁVEL.

49 EM ESCALA INDUSTRIAL TORNA-SE IMPRATICÁVEL E TAMBÉM ANTI-ECONÔMICA A ESTERILIZAÇÃO DOS MEIOS DE FERMENTAÇÃO, RESTANDO AO USUÁRIO O CONTROLE DO NÍVEL DE CONTAMINAÇÃO NAS FASES DO PROCESSO ATRAVÉS DE ESTERILIZAÇÃO DOS PONTOS CRÍTICOS E DO USO DE ANTIBIÓTICOS NOS CASOS DE ALTO GRAU.

50 OS AGENTES CONTAMINANTES DO MOSTO ACABAM POR REDUZIR O RENDIMENTO DA FERMENTAÇÃO POR DUAS RAZÕES: ALGUMAS BACTÉRIAS HOMOFERMENTATIVAS TÊM COMO RESÍDUOS DO SEU METABOLISMO VÁRIOS ÁCIDOS, TAIS COMO: LÁTICO, BUTÍRICO, ACÉTICO, FÓRMICO, ETC.; QUE SÃO TÓXICOS PARA AS LEVEDURAS ALCOÓLICAS REDUZINDO ASSIM SEU METABOLISMO, E CONSEQÜENTEMENTE A QUANTIDADE DE ÁLCOOL PRODUZIDA;

51 COMO SE TRATA DA ATIVIDADE METABÓLICA DAS LEVEDURAS ALCOÓLICAS, O ALIMENTO DISPONÍVEL PARA ESTAS (AÇÚCAR PRESENTE NO MOSTO), É REDUZIDO EM FUNÇÃO DA CONCORRÊNCIA COM OS DEMAIS MICROORGANISMOS, A QUANTIDADE DE ÁLCOOL PRODUZIDA TAMBÉM É MENOR MEDIANTE A PRESENÇA DESTES CONTAMINANTES.

52 AS DESTILARIAS MAIS MODERNAS JÁ ESTÃO UTILIZANDO TROCADORES DE CALOR A PLACAS SANITÁRIOS NO LUGAR DOS DO TIPO CASCO E TUBOS, QUE ALÉM DE NÃO TEREM PONTOS DE ACÚMULO DE MATERIAL QUE PODEM GERAR FOCOS DE CONTAMINAÇÃO, SÃO FÁCEIS DE LIMPAR QUIMICAMENTE SEM DESMONTAGEM, OU QUANDO REQUER DESMONTAGEM, A SANITIZAÇÃO É RÁPIDA.

53 ESTE CUIDADO COM EQUIPAMENTOS SANITÁRIOS INICIA DESDE OS REGENERADORES DE CALDO MISTO COM CALDO DECANTADO/CLARIFICADO, PASSANDO PELAS TUBULAÇÕES, CONEXÕES, VÁLVULAS, FLANGES E TERMINA DAS DORNAS E SEUS PERIFÉRICOS (RESFRIADORES, SPRAY-BALLS, BOMBAS DE MOSTO, ETC.)

54 UMA BOA PRÁTICA PARA AS USINAS QUE NÃO DISPÕEM DE DECANTADOR/ CLARIFICADOR DE CALDO É A PASTEURIZAÇÃO DO CALDO BRUTO COM O USO DE TROCADORES TIPO FREE-FLOW, QUE PERMITEM A PASSAGEM DE CALDO COM BAGACILHO E REDUZEM O GRAU DE CONTAMINAÇÃO DENTRO DE NÍVEIS ACEITÁVEIS PELO PROCESSO FERMENTATIVO. OUTROS CUIDADOS:

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61 O VINHO DELEVEDURADO COM UM TEOR ALCOÓLICO DE 7 A 10º GL, É ENCAMINHADO À DESTILARIA PARA PROCESSAMENTO. INICIALMENTE O VINHO PASSA PELO CONDENSADOR CHAMADO E NO TOPO DA COLUNA B TAMBÉM CHAMADA DE RETIFICADORA, É ENTÃO PRÉ-AQUECIDO NO TROCADOR K SITUADO NO PÉ DA COLUNA A TAMBÉM CHAMADA DE ESGOTAMENTO, ATRAVÉS DA VINHAÇA QUE SAI, ENTRANDO NA PARTE SUPERIOR CHAMADA DE A1.

62 O VINHO VAI DESCENDO E ESGOTANDO-SE DE ÁLCOOL ATÉ CERCA DE 40/50ºGL QUANDO É CHAMADO DE FLEGMA, DEIXANDO ESTA COLUNA PARA SER ENCAMINHADO À COLUNA B. O ESGOTAMENTO CONTINUA ATÉ QUE O PRODUTO DE FUNDO DE COLUNA CHAMADO VINHAÇA É RETIRADO COM UM TEOR ALCOÓLICO MÁXIMO DE 0,03ºGL.

63 A FLEGMA AO ENTRAR NA COLUNA B VAI DESALCOOLIZANDO-SE ATÉ A SAÍDA DO PRODUTO DE FUNDO CHAMADO FLEGMAÇA, O ÁLCOOL HIDRATADO COM UM TEOR MÁXIMO DE 97,2% É RETIRADO NO TOPO DESTA COLUNA E TEM DOIS ENCAMINHAMENTOS, SENDO UM PARA RESFRIAMENTO E POSTERIOR ESTOCAGEM E O SEGUNDO PARA A COLUNA DE DESIDRATAÇÃO, TAMBÉM CHAMADA C.

64 A INTERLIGAÇÃO DESTAS DUAS COLUNAS (B E C) MODERNAMENTE É FEITA ATRAVÉS DE UM TANQUE, PULMÃO CONTENDO ÁLCOOL QUENTE, ESTE RECURSO É EMPREGADO PARA SE CONSEGUIR UM FUNCIONAMENTO MAIS REGULAR DA COLUNA DE DESIDRATAÇÃO, MELHORANDO ASSIM O RENDIMENTO DESTA.

65 EM FUNÇÃO DA MISTURA BINÁRIA ÁLCOOL- ÁGUA SE TORNAR AZEOTRÓPICA NA CONCENTRAÇÃO DE 97,2%, O PONTO DE EBULIÇÃO DOS COMPONENTES ACONTECE NA MESMA TEMPERATURA, IMPOSSIBILITANDO A SEPARAÇÃO POR DESTILAÇÃO, PARA SE OBTER O ÁLCOOL ANIDRO (99,6ºGL).TEMOS QUE FAZER O USO DE ARTIFÍCIOS ESPECIAIS PARA

66 O BRASIL DISPÕEM DE VÁRIAS TECNOLOGIAS DE DESIDRATAÇÃO DE ÁLCOOL, QUE A SEGUIR RELACIONAMOS: CICLO BENZENO (ATUALMENTE PROIBIDO EM FUNÇÃO DE SER CANCERÍGENO, PORÉM FOI MUITO UTILIZADO NO PASSADO); CICLO HEXANO O MAIS UTILIZADO ATUALMENTE EM FUNÇÃO DA MIGRAÇÃO DO CICLO BENZENO PARA ESTE;

67 PENEIRA MOLECULAR; MEG (MONO ETILENO GLICOL). A ESCOLHA DE UMA DAS TECNOLOGIA DISPONÍVEIS É FEITA EM FUNÇÃO DA LEGISLAÇÃO, CUSTOS INDUSTRIAIS E DE INVESTIMENTOS. AS DUAS ÚLTIMAS TECNOLOGIAS PERMITEM UM CONSUMO DE VAPOR NA DESTILAÇÃO BASTANTE REDUZIDO, COMPARANDO-SE COM AS

68 DESTACA-SE A ÚLTIMA QUE FOI DESENVOLVIDA NO BRASIL E JÁ ENCONTRA- SE EM CERCA DE 10% DAS DESTILARIAS BRASILEIRAS POIS PERMITE A MIGRAÇÃO SIMPLES, DO CICLO HEXANO PARA O MEG SEM MODIFICAÇÕES RADICAIS NO PROCESSO.

69 O PROCESSO DE DESIDRATAÇÃO POR HEXANO OU MEG CONSISTE BASICAMENTE EM SE ADICIONAR UM DESTES TRATORES QUE ALTERA A TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DA MISTURA, FORMANDO UM TERNÁRIO (ÁLCOOL-ÁGUA-AGENTE) E FAZ COM QUE O ÁLCOOL FIQUE COM UM PONTO DE EBULIÇÃO SUPERIOR AO DA MISTURA ÁGUA- AGENTE, SENDO ESTE RETIRADO NO PÉ DA

70 COLUNA C, E OS VAPORES DE ÁGUA- AGENTE SÃO CONDENSADOS NO TOPO DA COLUNA, SEPARADOS NA COLUNA P E O AGENTE RECUPERADO PARA UM NOVO CICLO.