Estudo do Processo Fermentativo de Usina Sucroalcooleira e Proposta para sua Otimização

Transcrição

1 Estudo do Processo Fermentativo de Usina Sucroalcooleira e Proposta para sua Otimização A Study on the Fermentation Process in a Sugarcane Mill and an Optimization Proposal Glauce Paschoalini Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo (FEAU) Universidade Metodista de Piracicaba (Unimep) gal.pas@hotmail.com Valmir Eduardo Alcarde Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo (FEAU) Universidade Metodista de Piracicaba (Unimep) valcarde@unimep.br Res u m o Fermentação alcoólica é o processo de transformação do açúcar em álcool por meio da levedura Saccharomyces cerevisiae, em condições de anaerobiose. Muitos fatores exercem influência nessa fermentação, tais como: qualidade do substrato, temperatura de processo, ph, oxigenação, teor alcoólico, aditivos químicos, contaminação microbiana, floculação celular, tipo de processo fermentativo, entre outros. A fermentação alcoólica é uma das principais etapas para a produção de álcool, seu rendimento é determinante para a definição da eficiência global desse processo. Este trabalho pretende verificar as análises físico-químicas e microbiológicas realizadas na Usina Costa Pinto, localizada em Piracicaba, Estado de São Paulo, sua importância para o processo de fabricação do álcool e a metodologia empregada para avaliação do rendimento do processo fermentativo, a fim de estudar possibilidades de otimização desses procedimentos. Por meio dos dados coletados na referida usina, pode-se concluir que as análises físico-químicas e microbiológicas realizadas nessa unidade industrial, para o controle e monitoramento do processo fermentativo, estão adequadas e suficientes. Tanto os parâmetros utilizados, a retirada das amostras e a frequência das coletas estão em perfeita sincronia, resultando em um processo eficiente, que apresentou um bom rendimento na safra 2009/2010. Palavras-chave f e r m e n ta ç ã o a l c o ó l i c a; u s i n a; á l c o o l. Revista de Ciência & Tecnologia v.16, n. 32, p

2 Ab s t r a c t Alcoholic fermentation is the process of turning sugar into alcohol through the action of yeast (Saccharomyces cerevisiae) in anaerobic conditions. Many factors interfere in the fermentation, such as the substrate quality, process temperature, ph, oxygenation, alcoholic content, chemical additives, microbial contamination, cell flocculation, type of fermentation process, and others. The alcoholic fermentation is one of the main steps for the production of alcohol and its performance is essential to determine the efficiency of the process. The intention of this work is to verify the physicochemical and microbiological analyses performed at Usina Costa Pinto (Piracicaba - SP), their importance for the process of alcohol production, and the methodology used to estimate the performance of the fermentation process in order to study possibilities of optimization for such procedures. The collected data showed that physicochemical and microbiological analyses performed in this industrial plant for the control and monitoring of the fermentation process are adequate and sufficient. The parameters used, the collection of samples and the frequency of collections are in perfect sync, resulting in an efficient process and a good crop yield in 2009/2010. Keywords a l c o h o l i c f e r m e n tat i o n; p l a n t; a l c o h o l. In t r o d u ç ã o Na região do interior de São Paulo predomina o cultivo da cana-de-açúcar, e o governo procura incentivar a produção de álcool. A região abriga o polo nacional de biocombustíveis e há perspectiva de empregos nesse setor. Cabe enfatizar que o álcool é um combustível renovável e menos poluente que a gasolina, as indústrias sucroalcooleiras da região têm expandido a área agrícola e o volume de produção de açúcar e álcool e, além disso, a questão do meio ambiente, poluição efeito estufa e mercado de créditos de carbono tem favorecido o setor sucroalcooleiro. Nesse sentido, avanços tecnológicos no processo de fabricação de álcool são bem-vindos para aqueles que trabalham nessas indústrias, e as agências de fomento à pesquisa também têm incentivado trabalhos nessa área. O estudo do processo fermentativo na indústria sucroalcooleira visa propor alternativas para sua otimização, com o objetivo de reduzir os custos da indústria e propor melhorias nas etapas de produção. A fermentação alcoólica é a biotransformação de substrato (açúcar) em álcool por meio de um micro-organismo. Usualmente é utilizada a levedura da espécie Saccharomyces cerevisiae, a qual realiza a fermentação dos açúcares com um único objetivo: conseguir energia química necessária à sua sobrevivência, sendo o etanol apenas um subproduto desse processo (AMO- RIM; BASSO; ALVES, 1996). A levedura é o principal constituinte da fermentação alcoólica, sendo responsável pela transformação do açúcar em etanol. Para um bom desempenho na indústria, ela deve apresentar algumas caracteristicas, tais como: elevada velocidade de fermentação, tolerância ao álcool, bom rendimento, resistência e estabilidade (RIBEIRO; BLUMER; HORII, 1999). Uma elevada velocidade de fermentação é importante, pois aumenta a eficiência de transformação de açúcar em álcool, otimizando o processo, diminuindo o tempo de fermentação e reduzindo os riscos de infecção por micro-organismos contaminantes. 60 jul./dez. 2009

3 Diversos fatores afetam a fermentação alcoólica, como a presença de álcool etílico, metabolismo tóxico, tempo de fermentação, temperatura, bactérias contaminantes, ph, tipo de processo (contínuo ou batelada), tipo de levedura, concentração de açúcar, entre outros. Para Ribeiro, Blumer e Horii (1999), a fermentação alcoólica industrial pode ser dividida em três fases: fermentação preliminar ou pré-fermentação, fermentação principal ou tumultuosa e fermentação complementar ou pós-fermentação. A fermentação preliminar é o processo que se dá no começo da safra. A fermentação principal se mostra quando ocorre o aumento da produção de álcool, evidenciado pelo maior desprendimento de CO 2. A fermentação complementar é caracterizada pela diminuição da temperatura do vinho, elevação da acidez e a diminuição da viabilidade da levedura. Essa fase da fermentação deve ser evitada, pois ocorre perdas em relação à levedura e desperdício de tempo, portanto o vinho deve ser processado no fim da fase tumultuosa (RIBEIRO; BLU- MER; HORII, 1999). Dias (2008) relata que, nas indústrias brasileiras, a fermentação alcoólica para a obtenção de álcool é realizada de duas maneiras: batelada alimentada (processo descontínuo) com reciclo de células ou por processo contínuo. Uma das principais perdas no processo de fermentação está relacionada à contaminação bacteriana, afetando diretamente a produção de álcool (AMORIM; BASSO; ALVES, 1996). A floculação de leveduras é uma das consequências dessa contaminação, na qual as células de levedura aglomeram-se formando flocos que dificultam o contato com o substrato, reduzindo o rendimento e aumentando o tempo de fermentação. Além disso, ocorrem dificuldades operacionais relacionadas principalmente ao entupimento de canalizações e problemas na separação do fermento nas centrífugas (ALTHERTHUM et al., 1984). A eficiência do processo fermentativo é dada em função direta da manutenção das células ativas dispersas no mosto em contato com o substrato. A remoção precoce das células devido à floculação provoca redução do rendimento e aumenta o tempo de fermentação, com perdas econômicas significativas. Mas, se a floculação ocorrer num ponto desejável na fermentação, atuará eficientemente na remoção das células do mosto, contribuindo na diminuição do custo do processo e aumentando sua produtividade (MARTINS, 1997). Alguns parâmetros de monitoramento contribuem para uma maior eficiência (rendimento) do processo de fermentação alcoólica, como análise de densidade ou Brix, temperatura, ph, contaminação bacteriana, velocidade de alimentação e açúcares residuais. Segundo Ribeiro, Blumer e Horii (1999), a eficiência do processo de fermentação alcoólica pode ser avaliada por meio do método de rendimento de subproduto (análises de ART, glicerol, ART residual, % de álcool, acidez, teor de levedo e floculação do fermento) e rendimento convencional (balanço de massa). Este trabalho pretende verificar as análises físico-químicas e microbiológicas realizadas na unidade industrial, sua importância para o processo de fabricação do álcool e a metodologia empregada para avaliação do rendimento do processo fermentativo, a fim de estudar possibilidades de otimização desses procedimentos. Me t o d o l o g i a I. Unidade industrial: O trabalho foi desenvolvido em uma unidade industrial de produção de álcool, situada na região de Piracicaba, Estado de São Paulo. Revista de Ciência & Tecnologia v.16, n. 32, p

4 II. Fluxograma do processo de produção de álcool: Elaborou-se o fluxograma desde a matéria-prima até o álcool produzido, assim como a descrição das etapas dessa unidade industrial. III. Análises físico-químicas: Investigou-se as análises físico-químicas realizadas para o controle e monitoramento do processo de fermentação alcoólica. IV. Análises microbiológicas: Investigou-se as análises microbiológicas realizadas para o controle e monitoramento do processo de fermentação alcoólica. V. Proposta para otimização do controle e monitoramento da produção final: Fez-se um estudo crítico, visando otimização das análises físico-químicas realizadas, no entanto não houve a necessidade de propor melhorias para o controle do processo, pelo fato delas serem suficientes e eficientes para um bom controle. Resultados e Discussões Unidade industrial O trabalho foi realizado na indústria do Grupo Cosan S.A. Unidade Costa Pinto. Fluxograma do processo de produção de álcool Abaixo segue o fluxograma do processo de fabricação de álcool da Usina Costa Pinto, com as etapas de processamento desde a matéria-prima até o produto final (álcool). Figura 1. Fluxograma de fabricação de açúcar e álcool. Usina costa pinto jul./dez. 2009

5 A unidade industrial apresenta duas linhas de produção, sendo quatro pré-fermentadores em cada linha. O tempo de permanência nos pré-fermentadores é de duas a três horas. Na linha de produção ocorre a diluição e o tratamento ácido (ácido sulfúrico) do fermento e a aplicação de dispersantes. Nos quatro fermentadores, o tempo de permenência é de aproximadamente nove horas. A fermentação da Usina Costa Pinto ocorre em processo contínuo Análises Físico-Químicas Realizadas na Unidade Industrial para o Controle e Monitoramento do Processo de Fermentação Alcoólica Os valores apresentados a seguir referem-se à safra de 2009, os quais são a média dos valores obtidos no decorrer de toda a safra. Cabe ressaltar que os procedimentos utilizado pela usina em 2009 são os mesmos até hoje. 1.1.Análises do Mosto concentração em Brix A análise da concentração do mosto medida em Brix é realizada por meio de um aparelho chamado refratômetro, apresentando um valor médio no decorrer da safra de 2009 de 22,8. Essa análise é realizada a cada quatro horas, e a amostra é retirada de forma contínua ph O ph é medido por meio de um aparelho chamado phmetro, apresentando valor médio de 5,8 no decorrer da safra. A amostra é retirada em um ponto determinado e verificada uma vez por turno açúcares redutores totais (ART) A análise de ART é realizada pelo método de Somogyi e Nelson, sendo que o mosto apresentou valor médio de 18,8 % no decorrer da safra. A amostra é retirada de forma contínua e analisada a cada quatro horas pureza A análise de pureza apresentou valor médio de 82,4% na safra de Essa análise foi realizada a cada duas horas acidez total A análise de acidez total é realizada por meio da titulação do mosto com NaOH, apresentando valor médio no decorrer da safra de 1,2 mg/l. A amostra é retirada em um ponto determinado e analisada uma vez por turno temperatura O valor médio da temperatura no decorrer da safra foi de 30 C. A amostra é retirada de forma contínua e várias vezes por dia P 2 O 5 A análise de P 2 O 5 é realizada quinzenalmente, e as amostras são retiradas a cada quatro horas de forma contínua. Os valores são expressos em ppm nitrogênio amoniacal O nitrogênio amoniacal é amostrado a cada quatro horas de forma contínua e analisado uma vez por dia. Revista de Ciência & Tecnologia v.16, n. 32, p

6 micronutrientes A análise de micronutrientes é realizada quinzenalmente por um laboratório terceirizado. A amostra é retirada de forma contínua a cada quatro horas Análises das Dornas A Usina Costa Pinto tem quatro dornas de fermentação, sendo que nas dornas 1 e 4 tem-se o maior número de análises. Na dorna 1 ocorre o começo da fermentação, ou seja, são adicionados todos os constituintes para que o processo se inicie. Na dorna 4 é o final da fermentação, isto é, ocorre a retirada do produto de interesse (vinho) e micro-organismos (leveduras e bactérias). Portanto, nessas dornas (1 e 4) há a necessidade de maior controle e monitoramento Análises da dorna 1 Nesse momento que a dorna 1 é analisada, ocorre o início da fermentação, portanto é importante verificar se todos os parâmetros estão de acordo com as necessidades da fermentação temperatura A análise da temperatura é realizada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado. O valor médio no decorrer da safra foi de 31 C tempo de retenção A verificação do tempo de retenção é feita uma vez por turno, e a amostragem é realizada em um ponto determinado nível das dornas O nível das dornas é verificado uma vez por turno, e sua amostragem é feita em um ponto determinado porcentagem de levedo Essa análise é realizada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado. O valor médio no decorrer da safra foi de 16% concentração em Brix A análise da concentração em Brix é realizada por meio de um aparelho chamado refratômetro, apresentando valor médio no decorrer da safra de 3,83. Essa análise é realizada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado ph O ph é medido em um phmetro. Essa análise é realizada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado. O valor médio no decorrer da safra foi de 4, açúcares redutores totais (ART) A análise de ART é realizada pelo método Somogyi e Nelson, apresentando valor médio de 1,887 % no decorrer da safra. A amostra é retirada em um ponto determinado e analisada uma vez por turno teor alcoólico O teor alcoólico apresentou valor médio de 7,8 GL no decorrer da safra. Essa análise é realizada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado Análises das dornas 2 e temperatura 64 jul./dez. 2009

7 A análise da temperatura é realizada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado. O valor médio no decorrer da safra foi de 30,7 C, na dorna 2, e de 26,4 C, na dorna tempo de retenção A verificação do tempo de retenção é feita uma vez por turno, e a amostragem é realizada em um ponto determinado nível das dornas Os níveis das dornas são verificados uma vez por turno, e sua amostragem é feita em um ponto determinado açúcares redutores totais (ART) A análise de ART é realizada pelo método Somogyi e Nelson, apresentando valor médio de 0,619%, na dorna 2, e 0,411%, na dorna 3, no decorrer da safra. A amostra é retirada em um ponto determinado e analisada uma vez por turno Análises da dorna porcentagem de levedo Essa análise é realizada a cada quatro horas e amostrada de forma contínua. O valor médio no decorrer da safra foi de 16,67% concentração em Brix A análise da concentração em Brix é realizada a cada quatro horas e amostrada de forma contínua, por meio de um aparelho chamado de refratômetro, apresentando valor médio no decorrer da safra de 2, ph O ph é medido em um phmetro. Essa análise é realizada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado. O valor médio no decorrer da safra foi de 4, açúcares redutores totais (ART) A análise de ART é realizada pelo método Somogyi e Nelson, apresentando valor médio de 0,446% no decorrer da safra. A amostra é retirada em um ponto determinado e analisada de quatro em quatro horas GL A análise do GL é realizada a cada quatro horas, sendo que sua amostragem é feita de forma contínua glicerol A análise da porcentagem de glicerol é realizada a cada quatro horas, e sua amostragem é feita de forma contínua P 2 O 5 A análise de P 2 O 5 é realizada quinzenalmente, e as amostras são retiradas a cada quatro horas de forma contínua. Os valores são expressos em ppm nitrogênio amoniacal O nitrogênio amoniacal é amostrado a cada quatro horas em um ponto determinado, sendo análisado uma vez por dia floculação A análise de floculação apresentou valor médio de 14% no decorrer da safra. A amostragem é feita a cada dois dias e é retirada em um ponto determinado. Revista de Ciência & Tecnologia v.16, n. 32, p

8 temperatura A análise da temperatura é realizada a cada quatro horas e amostrada em um ponto determinado Análises do Levedo Tratado porcentagem de álcool no levedo pronto A porcentagem de álcool no levedo pronto apresentou valor médio de 2,2% no decorrer da safra. Essa análise é realizada a cada quatro horas e a amostragem é realizada em um ponto determinado porcentagem de levedo A porcentagem de levedo apresentou valor médio de 41,33% no decorrer da safra. A análise é realizada a cada quatro horas, e a amostragem é realizada em um ponto determinado ph O ph é medido em um phmetro. Essa análise é realizada a cada quatro horas e é amostrada em um ponto determinado. O valor médio no decorrer da safra foi de 2, acidez A acidez é analisada uma vez por turno, e sua amostragem é feita em um ponto determinado glicerol A análise da porcentagem de glicerol é realizada a cada quatro horas, e sua amostragem é feita em um ponto determinado Análises da Torre de CO Recuperação torre % A recuperação de álcool na torre foi, em média, 0,85% na safra de A ánalise é realizada a cada quatro horas GL O álcool na torre apresentou valor médio de 2,56 GL na safra de Essa análise é realizada a cada quatro horas e amostrada em um ponto determinado Análises da Dorna Volante GL O álcool presente na dorna volante apresentou valor médio de 10,33 GL na safra. Essa análise é realizada a cada quatro horas e amostrada em um ponto determinado Porcentagem de levedo A porcentagem de levedo apresentou valor médio de 0,6% no decorrer da safra. A análise é realizada a cada quatro horas, e a amostragem é feita em um ponto determinado Açúcares redutores totais (ART) A análise de ART é realizada pelo método Somogyi e Nelson. A amostra é retirada em um ponto determinado e analisada uma vez por turno Acidez A acidez é analisada uma vez por turno, e sua amostragem é feita em um ponto determinado Centrífugas Porcentagem de concentração de fermento na centrífuga A porcentagem da concentração de fermento na centrífuga é analisada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado. O valor médio no decorrer safra foi de 71,43%. 66 jul./dez. 2009

9 Porcentagem concentração de levedo na centrífuga A porcentagem da concentração de levedo na centrífuga é analisada uma vez por turno e amostrada em um ponto determinado. Seu valor médio no decorrer da safra foi de 0,76%. 2. Análises Microbiológicas Realizadas na Unidade Industrial para o Controle e Monitoramento do Processo de Fermentação Alcoólica As análises microbiológicas realizadas na Usina Costa Pinto são feitas tanto para as leveduras quanto para as bactérias Análises do mosto viabilidade (%) A determinação da viabilidade é realizada pelo método de plaqueamento. Essa análise é realizada a cada dois dias, e a amostragem é feita em um ponto determinado Análises das dornas As análises microbiológicas são realizadas apenas no fim da fermentação (dorna 4), pois controla-se o número de micro-organismos que saem no processo. Na Usina Costa Pinto, a contaminação por bactérias das dornas de fermentação apresentaram valores médios de 0,43x 10 7 UFC porcentagem da viabilidade A determinação da viabilidade é realizada pelo método de plaqueamento. Na safra de 2009, a média dos valores foi de 78,68%. Essa análise é realizada a cada dois dias, e a amostragem é feita em um ponto determinado porcentagem de brotamento A determinação da porcentagem de brotamento é determinada com o intuito de verificar a reprodução microbiana. Na safra de 2009, o valor médio foi de 12,37%. Essa análise é realizada uma vez por dia, e a amostragem é feita em um ponto determinado viabilidade do brotamento vivo No decorrer da safra, o valor médio verificado foi de 71,15%. Essa análise é realizada uma vez por dia, e a amostragem é feita em um ponto determinado. Co n c l u s õ e s Por meio dos dados coletados na Usina Costa Pinto pode-se concluir que as análises físicoquímicas e microbiológicas realizadas nessa unidade industrial para o controle e monitoramento do processo fermentativo estão adequadas e suficientes para um bom controle do processo. Tanto os parâmetros utilizados, a retirada das amostras e a frequência das coletas estão em perfeita sincronia, resultando em um processo eficiente, que apresentou um bom rendimento na safra 2009/2010. O único problema verificado aconteceu no fim da safra de 2009, quando micro-organismos contaminantes entraram no processo. Isso ocorreu devido ao fato de que nesse periodo houve uma grande quantidade de chuva, acarretando em maior deterioração da cana-de-açúcar. De forma geral, pode-se concluir que o controle e o monitoramento realizados na Usina Costa Pinto para o processo de fermentação alcoólica é satisfatório. Revista de Ciência & Tecnologia v.16, n. 32, p

10 Referências ALTHERTHUM, F. et al. Efeito dos microrganismos contaminantes da fermentação alcoólica nas microdestilarias. STAB. açúcar, álcool e subprodutos, Piracicaba, v. 3, p , AMORIM, H. V.; BASSO, L. C.; ALVES, D.M. G. Processos de produção de álcool. Piracicaba, Centro de Biotecnologia Agrícola, DIAS, M. O. S. Simulação do processo de produção do etanol a partir do açúcar e do bagaço, visando a integração do processo e a maximização da produção de energia e excedentes do bagaço. Campinas, 2008, p (Mestrado em Engenharia Química) Faculdade de Engenharia Química/UNICAMP). MARTINS, C. V. B. Biologia e fusão de protoplastos de leveduras floculantes e H 2 S -, Piracicaba,1997, (Dissertação de Mestrado) Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Universidade de São Paulo. RIBEIRO, C. A. F.; BLUMER, S. A. G.; HORII, J. Fundamentos de tecnologia sucroalcooleira. Texto para aula; Apostila; Impresso. Piracicaba, v. 2, p. 7-25, Dados dos autores Glauce Paschoalini Aluna do curso de Engenharia de Alimentos da Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo (FEAU) Unimep/Santa Bárbara d Oeste/SP Valmir Eduardo Alcarde Coordenador do curso de Engenharia de Alimentos da Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo (FEAU) Unimep/Santa Bárbara d Oeste/SP Recebido: 22/12/09 Aprovado: 20/6/11 68 jul./dez. 2009