FERMENTAÇÃO DO SUCO DO COLMO DO SORGO SACARINO PARA OBTENÇÃO DE ÁLCOOL ETÍLICO

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1 FERMENTAÇÃO DO SUCO DO COLMO DO SORGO SACARINO PARA OBTENÇÃO DE ÁLCOOL ETÍLICO J. G. F. da SILVA 1, M. J. V. da SILVA 2, C. S. S. LIMA 1 e L. S. CONRADO 1 1 Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia Química 2 Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia de Processos para contato: guimaraes.jullie@gmail.com RESUMO Os combustíveis fósseis e seus derivados têm sido os grandes representantes da matriz energética mundial, porém esses combustíveis são muito agressivos ao meio ambiente. O etanol surge como uma fonte de energia alternativa, se apresentando como um combustível renovável e autossustentável. No Brasil, a produção de etanol fornece um mercado em crescimento, sustentado no uso de biomassa de origem agrícola. O sorgo sacarino é uma espécie agrícola com colmos suculentos, que contêm açúcares diretamente fermentáveis, sendo uma opção de matéria-prima para a produção de etanol. Nesse trabalho foram estudados quatro cultivares de sorgo sacarino, BR 506, IPA P15, IPA P134 e IPA EP17, com o intuito de realizar o acompanhamento da cinética fermentativa dessas variedades. Os sucos dos colmos do sorgo sacarino foram inicialmente caracterizados e esterilizados, posteriormente efetuou-se fermentações em sistema batelada simples, com temperatura e agitação constantes. Os resultados mostram que os cultivares oferecem concentrações expressivas de açúcares fermentáveis, apresentando potencial para a produção de etanol. Dessa forma, é possível diversificar o processo de produção de álcool etílico. 1. INTRODUÇÃO Sabe-se que atualmente os combustíveis fósseis e seus derivados suprem a maioria de nossas necessidades energéticas, entretanto a queima desses produtos contribui diretamente com o aumento de problemas ambientais, mas com o crescente processo de industrialização de diversos países a utilização dessa fonte de energia só aumenta. Por diversos fatores, sendo eles econômicos, políticos ou ambientais, as atenções do mundo se voltam para fontes alternativas de energia, tendo os combustíveis de origem fóssil como a principal base energética mundial, caracterizado como uma fonte de energia não renovável, com reservas limitadas e localizadas em grande parte em regiões de conflitos político territoriais com fatores que geram uma irregularidade de preços, fornecimento e distribuição (FERRARI, 2013). Em resposta a essa problemática, vêm sendo desenvolvidas inúmeras pesquisas na área de

2 biocombustíveis que buscam obter fontes de energia renovável por meio de óleos vegetais e biomassa. No Brasil a cadeia produtiva de etanol é bastante relevante, sua produção fornece um mercado em crescimento para a geração de combustível renovável e para o estabelecimento de uma indústria química de base, sustentada na utilização de biomassa de origem agrícola (PARRELLA et al, 2010). Nas últimas décadas, o etanol vem se destacando como uma fonte de energia alternativa, pois se apresenta como um combustível renovável e autossustentável. No Brasil destaca-se a produção de etanol por meio da fermentação do caldo da cana-de-açúcar, porém vem se difundindo estudos com novas espécies vegetais que possam complementar a produção desse biocombustível (PARRELLA et al, 2010). O sorgo sacarino surge como uma alternativa para a produção nacional de etanol a partir da cana-de-açúcar que é a matéria-prima mais tradicional para a obtenção desse biocombustível, mas que apresenta algumas limitações como a dificuldade de seu cultivo em áreas de precipitação reduzida. Usualmente o sorgo sacarino produz de 40 t.ha -1 a 60 t.ha -1 de colmos, sendo o suco extraído do colmo, rico em sacarose, glicose e frutose, a parte de maior interesse para a produção de etanol de primeira geração, além de ser uma espécie agrícola grosseira que apresenta uma boa adaptação a estresses ambientais (GOMES et al, 2011; PARRELLA et al., 2010; WU et al., 2010). Com o estudo da produção de etanol por sorgo sacarino amplia-se as possibilidades de obtenção desse biocombustível, além de gerar oportunidades de desenvolvimento a regiões desprovidas de meios de sobrevivência. Nesse trabalho foram realizadas fermentações do suco do colmo do sorgo sacarino de novas variedades desenvolvidas pelo Instituto Agronômico de Pernambuco (IPA) utilizando a levedura industrial Saccharomyces cerevisia como agente metabolizador e, por meio do acompanhamento cinético da fermentação observar os perfis do consumo do substrato, produção de biomassa e produção de produto (etanol) para determinação do rendimento e da produtividade. Por meios comparativos dos dados obtidos, podem ser avaliadas essas variedades frente aos parâmetros cinéticos obtidos, definindo qual dessas variedades possui maior potencial para obtenção de etanol. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Para o desenvolvimento desse trabalho foram utilizados colmos de sorgo sacarino de diferentes cultivares. Os colmos foram gentilmente cedidos pelo Instituto de Pesquisas Agropecuárias de Pernambuco (IPA) em convênio com o Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco (IFPE). A área de plantio está situada no município de Vitória de Santo Antão PE, localizado na Zona da Mata de Pernambuco (long.: 08 08'S, lat.: 35 22'W, altitude: 146 m) com precipitação pluviométrica média anual de mm, concentrada no período de abril a julho, e temperatura média de 27,1 C. As cultivares avaliadas foram: IPA P15, IPA P134, IPA EP17 e BR 506, nomenclatura determinada pelo próprio instituto, a colheita foi realizada em 120 dias após o plantio. Após a

3 colheita efetuava-se a extração do suco em sistema moenda de um terno, os sucos obtidos foram armazenados em freezer à -4 C. Para realização das fermentações descongelou-se os sucos a uma temperatura de 30 C e efetuou-se a determinação de Brix, ph e açúcares redutores in natura. As análises foram realizadas em triplicatas. Posteriormente foi realizada uma esterilização do mosto para redução de carga microbiana em autoclave a uma temperatura de 105 C. Em seguida, realizou-se uma nova caracterização para determinar Brix, ph e açucares redutores pós esterilização. As análises foram realizadas em triplicatas. Para determinação de Brix utilizou-se um refratômetro de bancada tipo ABBE, o ph foi determinado por meio fitas teste de ph e para a determinação dos açúcares redutores utilizou-se a espectrofotométrica baseada no método DNS, por meio do espectrofotômetro BEL Modelo SF200DM UV Vis. As fermentações foram efetuadas em sistema batelada simples em Erlenmeyers de 250 ml de volume total no equipamento Shaker Marconi modelo MA-420 sob temperatura controlada a 30 C com agitação de 150 rpm. Nos Erlenmeyers foram adicionados 250 ml de suco de sorgo sacarino e 2 g/l de inoculados de fermento industrial seco Y-904 (Saccharomyces cerevisiae), 3% de nutrientes NPK e 0,3 ml de antibiótico (10 mg/ml em 70% álcool). Os ensaios foram realizados em quadruplicatas. Durante as fermentações foram retiradas alíquotas de 1,5 ml dos sucos fermentados. O material coletado era adicionado em tubetes e conservado a -4 C para posterior determinação de açucares utilizando espectrofotômetro BEL Modelo SF200DM UV Vis, de etanol utilizando ebuliômetro, construído em aço inoxidável, e para a realização da contagem de células também se utilizou o espectrofotômetro BEL Modelo SF200DM UV Vis. 2.1 Determinação de parâmetros cinéticos para o processo fermentativo Os parâmetros cinéticos determinados nas fermentações foram: o rendimento YP/S, velocidade específica de crescimento microbiano (µ), produtividade total em etanol (QP) e eficiência de conversão de açucares em etanol (ECA). O rendimento foi determinado com base nas Equação 1, exposta abaixo. Y P S P P S 0 0 S (1) Onde: P e P0 - concentração de etanol no tempo final e inicial de fermentação (g/l) S e S0 - concentração de Glc, Frt e Scr no tempo final e inicial da fermentação (g/l)

4 Os rendimentos das fermentações foram obtidos pelo fator de conversão de açúcares totais em etanol, sendo comparados ao rendimento teórico máximo das fermentações alcoólicas de 51,11%. Os valores de produtividade total em etanol de cada processo (QP), serão obtidos por meio da Equação 2, conforme definição de Gaden Júnior (1959). P Q P t (2) Onde: t- tempo de fermentação (h) Para se obter a eficiência do processo foi utilizada a seguinte Equação 3. Y P.100 S ECA 0,51 (3) A velocidade específica de crescimento microbiano foi determinada de acordo com a Equação 4, definida por Borzani (2001). ln X ln X 0 t Onde: X e X0 - concentração de células no tempo final e inicial de fermentação (g/l). (4) 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela 1 encontram-se os valores de Brix, açúcares redutores e ph obtidos da caracterização do suco do colmo do sorgo sacarino das quatro variedades estudas, determinados in natura e após a esterilização. Tabela 1 Dados obtidos na caracterização do suco de sorgo sacarino in natura e após esterilização para as quatro variedades estudadas. IN NATURA PÓS ESTERILIZAÇÃO Variedade ph Brix AR (g/l) ph Brix AR (g/l) BR ,67 ± 0,26 158,31± 2, ,62 ± 0,25 165,70 ± 2,05 IPA P15 5 6,00 ± 0,35 43,75 ± 1,43 5 6,33 ± 0,13 50,06 ± 1,85 IPA EP17 5 7,50 ± 0,00 76,78± 3,40 5 8,00 ± 0,00 89,69 ± 2,22 IPA P ,33 ± 0,29 78,62± 1,78 5 9,25 ± 0,30 85,15 ± 1,97

5 Os resultados obtidos mostram que a esterilização não alterou o ph do suco do colmo do sorgo sacarino e gerou um aumento na concentração de açúcares redutores e nos teores de Brix. Percebe-se também que a variedade BR 506, apresentou a maior concentração de açúcares redutores (165,70 g/l), se destacando como uma ótima opção para a produção de etanol. Mas apesar das demais variedades conterem concentrações inferiores à BR 506, elas ainda assim apresentam concentrações de açúcar relevantes para a fermentação, principalmente as variedades IPA EP17 e IPA P134, que apresentaram em média 89,69 g/l e 85,15 g/l de açúcares, respectivamente. Com esse resultado nota-se que os sucos apresentam potencial para o início da fermentação. 3.1 Crescimento celular e consumo de açúcar Na Figura 1 é exposto as curvas de crescimento celular das quatro variedades estudadas, obtidas por meio dos experimentos. Figura 1 Curvas de crescimento microbiano. Por meio da curva de crescimento celular para a variedade BR 506, exposto na Figura 1, podese verificar a fase exponencial acontecendo nas primeiras 24 horas, no período entre 48 e 72 horas de

6 fermentação já não ocorria mais nenhum crescimento, atingindo uma concentração máximo de 12,79 g/l. Observa-se que na variedade IPA P15 ocorreu um crescimento exponencial nas primeiras 12 horas de fermentação, após esse período o processo apresentou um crescimento celular mais brando, atingindo uma concentração máxima de 7,70 g/l. Para a variedade IPA EP17 o crescimento celular foi exponencial nas primeiras 24 horas de fermentação, em seguida o processo encontrava-se na fase estacionário, na qual alcançou uma concentração máxima de 8,58 g/l. Já a variedade IPA P134 apresentou um crescimento celular mais expressivo até as 48 horas de fermentação, após esse período o processo atingiu a fase estacionária, com uma concentração máxima de 9,83 g/l. Estudos do crescimento microbiano para Saccharomyces cerevisiae, realizados por Stroppa et al (2009), apresentaram um crescimento exponencial mais expressivo entre 3 e 12 horas de fermentação, produzindo uma concentração máxima de células na faixa de 10 a 14 g/l. Realizando um análise entre os resultados obtidos nesse trabalho e o estudo de Stroppa et al, pode-se perceber que o crescimento celular determinado apresenta uma aproximidade com a literatura. Na Figura 2 é exposto as curvas de consumo de açúcar das quatro variedades estudadas, obtidas por meio dos experimentos. Figura 2 Curvas para o consumo de açúcar.

7 As variedades BR 506, IPA P134, IPA P15 e IPA EP17 tiveram 94,84%, 90,78%, 92,23% e 95,07%, respectivamente, do açúcar consumido nas primeiras 24 horas de fermentação. 3.2 Parâmetros cinéticos determinados Na Tabela 2 encontram-se os parâmetros cinéticos determinados a partir dos dados experimentais obtidos. Tabela 2- Parâmetros cinéticos determinados experimentalmente. Variedade P (g/l) µ (h -1 ) (g/lh) ECA (%) BR ,97 0,46 0,049 1,54 89,48 IPA P15 9,86 0,21 0,018 0,21 41,82 IPA EP17 24,66 0,29 0,065 0,51 56,44 IPA P134 16,44 0,20 0,030 0,34 39,69 Analisando os dados obtidos do processo de fermentação percebe-se que a variedade que obteve os melhores resultados foi a BR 506, pois apresentou a maior produção de etanol, 73,97 g/l, o melhor rendimento, 0,46, e a melhor eficiência do processo, 89,48%. Foi visto anteriormente que a BR 506 apresentou a maior concentração de AR, o que favoreceu a produção de etanol. Um estudo desenvolvido por Toniato (2013), determinou velocidades específicas de crescimento microbiano, para fermentação do caldo de cana-de-açúcar utilizando Saccharomyces cerevisiae, valores entre 0,01 e 0,06 h-1. Dessa forma as velocidades específicas de crescimento microbiano para Saccharomyces cerevisiae determinas para as quatro variedades foram satisfatórias, embora o meio fermentativo não seja o mesmo, mas o caldo da cana-de-açúçar e o suco do colmo do sorgo sacarino apresentam semelhanças. 4. CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos e apresentados a cerca do presente estudo, pode-se concluir que o suco do sorgo sacarino contém concentrações de açúcares relevantes, e que por meio dele é possível obter boas conversões de açúcares em etanol. Conclui-se então que o sorgo sacarino é uma excelente opção de matéria-prima para processos fermentativos que buscam produzir etanol, surgindo como uma tecnologia renovável. Além que a aplicação dessa tecnologia pode provocar desenvolvimentos em regiões desfavorecidas economicamente, já que pode ser aplicada em locais de condições climáticas mais desafiadoras. 5. REFERÊNCIAS

8 BORZANI, W.; SCHMIDELL, W.; LIMA, Urgel de A.; AQUARONE, E.. Biotecnologia Industrial. Volume 1. Editora Edgard Blucher LTDA FERRARI, F. C. S.. Fatores operacionais e cinética do processo fermentativo para otimização da produção de etanol em escala industrial. Dissertação (Mestrado em Microbiologia Agropecuária). Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade Estadual Paulista. Jaboticabal, GADEN JÚNIOR, E. C. Fermentation process kinetics. The J. of Microb. & Biochem. Tech., v.1, p , GOMES, A., RODRIGUES, D., OLIVEIRA, P.. Caracterização do sorgo para a produção de etanol, Agroenergia em Rev., Brasília, p. 26, v. 2, n. 3, agosto de PARRELLA, R. A. C., MENEGUCI, J. L. P., RIBEIRO, A., SILVA, A. R., PARRELLA, N. N. L. D., RODRIGUES, J. A. S., TARDIN, F. D., SCHAFFERT, R. E. Desempenho de cultivares de sorgo sacarino em diferentes ambientes visando a produção de etanol. XXVIII Congresso Nacional de Milho e Sorgo, Goiânia, p , STROPPA, C. T., ALVES, J. G. L. F., FIGUEIREDO, A. L. F., CASTRO, C. C.. Parâmetros cinéticos de linhagens de levedura isoladas de alambiques mineiros. Ciênc. Agrotec., Lavras, v. 33, Edição Especial, p TONIATO, J.. Determinaçâo de parâmetros cinéticos de fermentação alcoólica em diferentes substratos. Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP. Botucatu, São Paulo WU, X.; STAGGENBORG, S.; PROPHTER, J. L.; ROONEY, W. L. Features of sweet sorghum juice and their performance in ethanol fermentation. Industrial Crops and Products. v.31, n.1, p , 2010.