CONTROLE E COMBATE DE MICROORGANISMOS INDESEJÁVEIS NO PROCESSO DE FERMENTAÇÃO ETANÓLICA

Transcrição

1 CONTROLE E COMBATE DE MICROORGANISMOS INDESEJÁVEIS NO PROCESSO DE FERMENTAÇÃO ETANÓLICA Daniel Alves da Silva Junior 1, Fernando Antonio Ferreira Damazo 2, Johnny Cardoso Santos 3 Ma. Elisete Peixoto de Lima 4, Msc. Maurício Ferreira de Macedo 5 1,2,3 Acadêmicos do Curso Pós-graduação em Tecnologia em Química Industrial do Centro Universitário de Lins-Unilins, Lins-SP, Brasil 4,5 Docentes do Curso Pós-graduação Tecnologia em Química Industrial do Centro Universitário de Lins - Unilins, Lins-SP, Brasil. Resumo Durante o processo de fermentação da sacarose para a produção de etanol, o bem estar da levedura Saccharomyces cerevisiae deve ser mantido para resultar um processo produtivo mais eficiente. Para alcançar esse objetivo, deve-se implantar diferentes técnicas de monitoramento operacional que visam combater os microrganismos indesejáveis que promovem o estress na levedura. Neste trabalho, será apresentado dois métodos práticos de controle de infecção bacteriana, sendo um deles preventivo e outro corretivo. Esses controles de infecção bacteriana no processo fermentativo, para produção de etanol, foram aplicados na safra de 2010 em uma usina de açúcar e álcool no interior do estado de São Paulo. O objetivo deste trabalho é avaliar se os métodos propostos se mostram eficazes tanto na forma preventiva como na corretiva, demonstrando as técnicas e métodos que podem ser utilizadas para reduzir a proliferação bacteriana na fermentação alcoólica, para índices aceitáveis aliados a um severo monitorando do andamento ou situação da fermentação. Assim, para se obter um processo industrial mais eficiente, será necessário avaliar o custo benefício de implantação das metodologias que serão propostas. Palavras chaves fermentação etanólica, infecção bacteriana, prevenção e controle. Introdução O ambiente que favorece a ação competitiva das bactérias com as leveduras utilizadas no processo fermentativo da sacarose deriva da grande dificuldade encontrada pelas usinas para operar com um mosto esterilizado [1]. Esse fator contribui para que ocorra frequentemente contaminação bacteriana, geradora de transtornos operacionais e econômicos para as usinas que precisam lançar mão de programas preventivos e curativos e eficazes. A contaminação bacteriana também se prolifera devido a condições operacionais da própria usina como: sistema de moagem, tratamento térmico (muitas vezes ineficiente), pontos mortos ou estagnantes (no sistema circulatório de levedo/mosto do processo), recontaminação nos trocadores de calor a placas, tubulações, caixa de caldo, água utilizada na diluição do levedo, falha na assepsia das dornas e interrupções irregulares no processamento da matéria prima [2]. A assepsia no processo fermentativo é fundamental, para que haja uma redução nos índices de infecção bacteriana, pois se trata de um método preventivo que assegura uma estabilidade aceitável no nos índices de microrganismos indesejáveis no processo fermentativo. Atualmente compreende-se que alguns sistemas de limpeza (preventivos) são de valores demasiadamente elevados, o que gera

2 um custo inviável ao processo, encarecendo de forma significativa a obtenção do produto final. Dessa forma torna-se fundamental a constante busca por alternativas, que sejam eficientes e economicamente viáveis. Por isso a utilização de uma substância de baixo custo como a solução de hidróxido de sódio (NaOH) vem sendo uma alternativa excelente nesta situação[3]. A solução mais utilizada para esses fins de assepsia é a hidróxido de sódio a 50%, que ajuda retirar o restante de matéria orgânica incrustada nas tubulações e placas dos trocadores de calor. Essa técnica é comumente realizada na assepsia devido seu baixo custo financeiro e sua eficácia. Para assegurar uma fermentação alcoólica pura, sem competição entre microrganismos, é obrigatória a adição de anti-séptico aos mostos que não receberam tratamento térmico [4]. Na fermentação pode-se realizar o Teste de Sensibilidade para por em prova a eficiência dos produtos usados para o combate de bactérias, sendo possível prever o estado da fermentação e como será sua reação. Os mesmos remédios não servem para todos os doentes. Essa frase expressa o quanto é indispensável o monitoramento, o diagnóstico correto e a solução eficaz para conter um determinado agente de contaminação [5]. A fermentação alcoólica em si é obrigatoriamente composta por vários microrganismos vivos que merecem cuidados especiais, e como existe uma variedade muito grande de microrganismos indesejáveis que podem causar infecção no mosto, é de extrema importância a identificação desses agentes para que se efetue com eficiência seu controle. A implantação de ação corretiva na fermentação faz-se necessário no sentido de que todos os pontos críticos de contaminação, sejam monitorados com a necessidade de implantar para cada um deles uma ação diferente, porém, exclusiva e eficaz sendo elaborada a base de análises de laboratório e rotas de monitoramento. Essas etapas corretivas do processo fermentativo são realizadas para a diminuição dos gastos com compras de antibióticos e para elevar a eficiência na transformação da sacarose em etanol. [6] Metodologia O foco deste artigo é a abordagem de dois métodos comumente utilizados nos processos de fermentação etanólica: um deles baseia-se numa medida preventiva que consiste em Controles de Assepsia e a outra é a implantação de uma medida corretiva, que se baseia num Teste de Sensibilidade para melhor escolha dos antibióticos a serem aplicados na produção de etanol. O sistema de alimentação da fermentação é composto por duas linhas de tubos que por linguagem técnica são denominados linha A e linha B. A necessidade da existência de duas linhas de tubulações paralelas independentes é exatamente, para que haja uma alternância na utilização das mesmas, devido à necessidade de se ter uma delas em operação e a outra linha em assepsia, simultaneamente. Para a realização da assepsia é preciso o bloqueio da entrada do caldo na linha A, em que se deseja realizar o método de assepsia denominado Clean-In-Place" (CIP). Simultaneamente, deve-se desbloquear a segunda linha (linha B) de alimentação, para que não ocorra uma interrupção desnecessária na alimentação de caldo nas dornas da fermentação. Após as trocas do sistema de linhas de alimentação, faz-se necessário injetar água clarificada no sistema de linha A, para que o excedente de caldo desse sistema seja retirado e despejado nas dornas da fermentação (continuando a alimentação), até que não haja mais resíduo de caldo tanto nas tubulações quanto, nas placas dos trocadores de calor. Depois de realizado o enxágüe com água, efetua-se a realização da drenagem da linha A, que será promovido pelas válvulas instaladas na parte inferior dos trocadores de calor. Essa água é extraída por gravidade, ficando toda a tubulação e placas, dos trocadores de calor vazios. Com a linha adequada para realização da assepsia inicia-se o processo com a

3 abertura de válvulas de entrada e retorno da solução de Hidróxido de Sódio a 50%, estando com a mesma em recirculação constante pelo tempo estimado de 2 horas. Após a circulação em circuito fechado pelo tempo de 2 horas a solução de Hidróxido de Sódio a 50%, é novamente reaproveitada para o tanque de fibra de vidro utilizando-se as válvulas automáticas de retorno. O enxágüe com água clarificada é novamente realizado para a retirada completa dessa solução, evitando uma contaminação com o fermento. Após o término do enxágüe a linha estará pronta para entrar novamente em operação da circulação do caldo e estará encerrado o método preventivo de contaminações bacterianas no processo de fermentação do etanol. Como método corretivo faz-se de extrema importância a aplicação do Teste de Sensibilidade, realizado pelo laboratório, demonstrando o quanto esse instrumento serve para monitorar e diagnosticar a situação atual de contaminação, e quais são os bactericidas mais indicados, para ser utilizados em alta escala nas dornas de fermentação. Para o combate direto nas infecções é necessário a utilização de antibióticos específicos que reduzem a população de bactérias na fermentação. A realização do Teste de Sensibilidade, efetuado no laboratório de microbiologia, visa identificar qual o melhor antibiótico para o combate das bactérias, portando essa medida torna-se um método de correção. [6] O procedimento em laboratório de microbiologia, consiste em transferir para um tubo de ensaio 15 ml de vinho fermentado, o meio de cultivo, mais 0,15 ml de actidiona, mais 0,45 ml de antibiótico e mais 0,15 ml de vinho turbinado. Após a preparação descrita acima, direciona-se a amostra para o aparelho denominado espectrofotômetro e realiza-se a leitura de absorbância (ABS) inicial a 520 nanômetros (nm). Coloca-se essa solução na estufa à 35 +/- 2 ºC por 6 horas. Após 6 horas realiza-se a leitura de ABS final a 520 nm. Resultados e Discussões O método CIP é uma medida de prevenção da contaminação bacteriana na fermentação, ou seja, sua função é fazer a descontaminação dos equipamentos e tubulações reduzindo e eliminando a presença de bactérias e evitando sua proliferação. Com a adição da solução aquosa de NaOH a 50% é possível remover a matéria orgânica, evitando e inibindo a proliferação de microrganismos contaminantes. Após a realização da limpeza por método CIP nas paredes internas dos trocadores de calor a placas, fica evidente que há uma drástica redução na taxa de infecção bacteriana na fermentação. Os resultados apresentados na Tabela 1 demonstram que entre os meses de abril a julho de 2010, os valores na taxa de infecção bacteriana estavam em constante ascensão, devido ao fato de ainda não ter sido implantado o método da assepsia com NaOH. Tabela-1 Razão de infecção de bactérias por ml em relação aos meses de Abril a Outubro da safra Meses Razão infecção bactéria/ml Média 1º quinzena 2º quinzena Abril 1,482x10 8 1,777x10 8 Maio 1,592x10 9 1,691x10 9 Junho 1,739x10 9 1,902x10 10 Julho 1,992x ,029x10 11 Agosto 1,021x ,355x10 7 Setembro 1,854x10 7 1,213x10 6 Outubro 1,003x10 6 1,957x10 5 Fonte: Próprios autores. Após a realização da assepsia com a solução de NaOH a 50% no processo de distribuição de mosto, observou-se que houve redução significativa dos microrganismos contaminantes do processo fermentativo.

4 O emprego de assepsia por método CIP, aliado a seleção correta do antibiótico promoveu um declínio satisfatório no grau de infecção bacteriana. A redução no índice de infecção bacteriana no processo fermentativo na safra de 2010, da usina em questão fica bem evidente se comparados os valores de infecção no mês de abril com o mês de outubro (em especial os valores da segunda quinzena de outubro), descritos na Tabela 1. O método CIP é uma ferramenta muito poderosa na prevenção da proliferação bacteriana, porém não é o suficiente para combatê-las, sendo necessário a utilização de antibióticos. Para a escolha do melhor antibiótico se faz necessário à realização do Teste de Sensibilidade das bactérias aos antibióticos pré-selecionados. Esse método é um excelente recurso no que diz respeito ao controle da população bacteriana que tanto afeta a produção de etanol. Tendo em vista a necessidade de selecionar o melhor antibiótico que se adequada ao tipo de infecção bacteriana presente no processo fermentativo, foram realizados os Testes de Sensibilidade das bactérias em relação a seis diferentes tipos de antibióticos. Os valores relacionados à eficiência de cada antibiótico estão expressos no Figura 1. Conforme análise realizada em todos os antibióticos, aquele que apresentou menor variação entre a absorbância inicial e a final foi o mais indicado para uso na fermentação. Notou-se que os antibióticos Discovery (Reibrand) líquido, Efective (Reibrand) líquido, Betabio45 (Hopstener) líquido, apresentaram baixa variação, de aproximadamente 0,1 absorbâncias (AU) mostrando uma eficiência de 100% contra as bactérias. A Figura 2 demonstra a sensibilidade alcançada pelos antibióticos testados, exaltando quais são os indicados para a aplicação na fermentação. Figura 2 Índice de eficácia dos antibióticos. Figura-1 Variação de eficiência de antibióticos na fermentação. Fonte: Próprios autores. Fonte:Próprios autores. Conforme já discutido anteriormente, os antibióticos Isostab (LNF) líquido, Discovery (Reibrand) em pó, Efective (Reibrand) em pó apresentaram alta variação de absorbância, demonstrando baixa eficiência em relação aos outros antibióticos testados, com eficiências de 14%, 2% e 1% respectivamente, ou seja, quanto menor a variação entre a absorbância inicial e a final mais eficiente será o combate bacteriano. Baseados nestes testes, dos antibacterianos testados, os que apresentaram maior eficiência e alto desempenho em relação ao rendimento foram os antibióticos

5 Discovery (Reibrand) líquido, Efective (Reibrand) líquido, Betabio45 (Hopstener) líquido. Conclusões Para se ter uma fermentação livre de bactérias é de extrema importância o controle preventivo e pró-ativo, pois os mesmos promovem a manutenção dos parâmetros fermentativos dentro dos limites aceitáveis de infecção não havendo assim nenhum tipo de não conformidades. Constatou-se que sem nenhum tipo de prevenção pró-ativa, a proliferação bacteriana tende a crescer, aumentando gradativamente os índices de infecção acarretando a redução da eficiência das leveduras utilizadas no processo fermentativo da sacarose em etanol. Por meio desse estudo, diagnosticouse que após a implantação do método CIP nas placas internas dos trocadores de calor e tubulações, com a adição de solução de Hidróxido de Sódio a 50 %, para promover a desinfecção através da remoção de matéria orgânica nos pontos de infecção (pontos mortos), houve alteração nos níveis de manifestações bacterianas, inibindo de forma significativa a recontaminação do processo fermentativo na fase de alimentação. Consequentemente esse é um fator decisivo na obtenção de excelentes resultados na aplicação diária de CIP no processo fermentativo. Os Testes de Sensibilidade das bactérias aos antibióticos selecionados, demonstraram ser uma excelente ferramenta, que viabiliza a escolha correta do antibacteriano, que melhor se ajusta ao tipo de infecção predominante no processo de fermentação etanólica. Conclui-se que o Teste de Sensibilidade, aliado a implantação do método de assepsia adequado, promove a redução nos índices de contaminação bacteriana nos pontos de infecção do processo, e são parceiros de suma importância, no que diz respeito à eficácia no controle preventivo e pró-ativo de infecção no processo fermentativo da produção de etanol, mostrando melhor rentabilidade em relação do consumo de insumos químicos, diminuindo gastos financeiros com correção microbiológica e elevando o volume da produção de etanol. Referências Bibliográficas [1] Stupiello, J.P., Horii, J. Considerações sobre tratamentos de caldo de cana para fermentação alcoólica. Álcool e Açúcar, Nº3, p: 40-46, [2] Pereira César, A.R. Programa de controle operacional da fermentação alcoólica, p , [3] Nolasco-Junior, J. Desenvolvimento de processo térmico otimizado para mosto de caldo de cana na fermentação alcoólica. Dissertação de Mestrado, FEA-UNICAMP, [4] Nolasco-Junior, J., Finguerut, J. Esterilização de mosto-processo cip-sip, CTC, RT /98, 1998b. [5] Phillips Aureolus Theophrsatus Bombastus Von Hoheneim Salsburgo, Zahar, p , [6] ANVISA. Metodologia dos Testes de Sensibilidade a Agentes Antimicrobianos por Diluição para Bactéria de Crescimento Aeróbico. Disponível em < Acesso em:16 out 2010.

6