Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Campo Mourão Processamento da Cana-de-açúcar: Fabricação do Álcool

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1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Campo Mourão Processamento da Cana-de-açúcar: Fabricação do Álcool Profª. Camila Ortiz Martinez

2 Produção de etanol 2015/2016: 30,5 bilhões de litros 2016/2017: 30,6 bilhões de litros 11,2 bilhões de L de etanol anidro (11,7) São Paulo, Minas Gerais, Goiás, Bahia, Alagoas, Pernambuco e Maranhão 19,3 bilhões de L de etanol hidratado (18,6) Goiás, Minas Gerais, Mato Grosso do Sul, Bahia e Pernambuco Rondônia, Tocantins, Ceará, Rio de Janeiro e Rio Grande do Sul devem destinar seu ATR total à produção de etanol (só hidratado) Indústrias de alimentos, perfumes, cosméticos, insumo da indústria química, combustível

3 Produção de etanol total por região

4 Produção de etanol total por Estado

5 Países de destino das exportações de etanol

6 ETANOL PRODUÇÃO POR VIA SINTÉTICA OU POR VIA BIOTECNOLÓGICA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

7 INDÚSTRIA DO ETANOL

8 INDÚSTRIA DO ETANOL

9 ETAPAS DO PROCESSAMENTO??? Fonte: Conab dez 2014

10 Terminologia MOSTO Mistura açucarada (caldo mel água) destinada a fermentação alcóolica BRIX Porcentagem de sólidos solúveis contidos em uma solução. ACIDEZ Utilizada para quantificar o índice de infecção Porcentagem em peso de açúcares contido no caldo: glicose e frutose AR ART Porcentagem em peso de açúcares contido no caldo da cana: sacarose (invertase ou hidrólise ácida), glicose e frutose.

11 Pré-evaporação Mosto = solução de açúcar com [ ] ajustada méis + caldo = Brix (água p/ ajuste) 100Kg de açúcar = 60 L álcool Pré-evaporação: caldo a 115ºC, é concentrado Esterilização: microorg. q concorrentes

12 Resfriamento do caldo Duas etapas: Caldo esterilizado passa por um trocador de calor em contracorrente com o caldo misto frio (é aquecido): 60 C Passa em trocadores de placas utilizando água em contracorrente, como fluido de resfriamento: 30 C Livre de impurezas e esterilizado fermentação

13 Preparo do mosto Mosto mais limpo fermenta melhor, espuma menos, suja menos as colunas de destilação Condições gerais de trabalho: regulagem da vazão, teor de açúcares e temperatura Densímetros, medidores de vazão e controlador de Brix automático

14 CORREÇÕES DO MOSTO Correção da acidez com H 2 SO 4 ph 4,5 P 2 O 5 0,1 g/l KH 2 PO 4 0,1 g/l (NH 4 ) 2 SO 4 0,1 g/l Uréia 0,1 g/l TEMPERATURA Mesófilas (> 32 ºC = degradação enzimas) ASSEPSIA Tratamento térmico do mosto 115ºC Utilização de antissépticos e antibióticos para... (penicilina, tetraciclina) H 2 SO 4

15 Consequências de Temperaturas Elevadas do Mosto: Aumento da proliferação bacteriana Redução da viabilidade celular Queda no rendimento fermentativo Probabilidade maior de floculação

16 Mostos muito diluídos Fermentam mais rapidamente Sujam menos os aparelhos de destilação Exigem maior volume útil de fermentadores Mais espaço, consumo de vapor, e água Favorecem as infecções (ácidos) Mostos muito concentrados Maiores perdas em açúcares não fermentados (limite açúcares = 150g/L) Temperaturas mais altas durante a fermentação Sujam mais os aparelhos de destilação

17 LEVEDURAS Tolerância a altas concentrações de álcool e gás carbônico, e ph baixo Crescimento e fermentação rápidos Comportamento frente ao oxigênio Inibição pelo produto (110g etanol/l cessa atividade)

18 Leveduras Unicelulares e se reproduzem por gemação >s do que as bactérias Células esféricas, elípticas ou cilíndricas, variando em suas dimensões Sacccharomices cerevisae: 2 a 8 micrometros de diâmetro e 5 a 30 micrometros de comprimento Sacccharomices uvarum

19 Fatores biológicos de controle Na presença de oxigênio: forma CO 2 e H 2 O ( reprodução + rápida) Anaerobiose álcool e CO 2 Necessidades nutricionais: elementos químicos ph entre 4,5 e 5,0 Temperatura de 20 a 30ºC (>s) - Metabolismo libera calor

20 Multiplicação das leveduras Controle do percentual de células ativas, cuidando na condução do processo observando: Teor alcóolico Tempo de tratamento Adição de bactericidas e antibióticos Cinética de Crescimento

21 PREPARO DO FERMENTO Brasil: Melle Boinot recuperação da levedura Após a fermentação: se "desgasta Fermento a 60% é diluído a 25% Tratamento da levedura com H 2 SO 4 (ph 2-2,5): desfloculante e bacteriostático 3 a 4 horas de agitação = pé-de-cuba Desnaturação de contaminantes e degradação das leveduras velhas O substrato recebe uma concentração ótima de células (3 x 10 6 cél/ml) Entra rapidamente em fase de intensa fermentação Vantagens econômicas

22 BIOQUÍMICA DA FERMENTAÇÃO cana Sacarose Glicose glicólise O 2 Piruvato Ciclo de Krebs Acetaldeído ETANOL Alcool desidrogenase (NADH2 NAD+) 1 mol glicose 2 mol etanol + 2 mol CO 2 Glicólise piruvato acetaldeído etanol + CO 2

23 Respiração aeróbia: C 6 H 12 O 6 + 6O ADP + 38Pi 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP Fermentação alcoólica C 6 H 12 O ADP + 2Pi 3C 2 H 3 CH 2 OH + CO 2 + 2ATP Etanol: 43-49% CO 2 : 41-47% Biomassa: 1-2%

24 METABOLISMO SECUNDÁRIO Necessários a constituição da biomassa: polissacarídeos, lipídeos, ptnas, ácidos nucléicos...) São formados: glicerol (3-6%), ácidos orgânicos (0,3 a 2%) Rendimento da fermentação alcoólica ideal Pasteur Componente (%) Etanol 48,4 CO 2 46,6 Glicerol 3,3 Ácido succínico 0,6 Matéria celular 1,2

25 PRÁTICA DA FERMENTAÇÃO ALCÓOLICA 1 FASE PRELIMINAR Inicia-se no momento de contato da levedura com o mosto Multiplicação celular intensa, pequena elevação da temperatura e pequeno desprendimento gás Produção de grande quantidade de células com poder fermentativo máximo Inóculo volumoso

26 FASE TUMULTUOSA Desprendimento volumoso e intenso de CO 2 Temperatura eleva-se rapidamente Assemelha-se à um processo de ebulição Densidade do mosto reduz Concentração de álcool e acidez aumentam Espuma, caldo não clarificado

27 FASE COMPLEMENTAR Diminuição da intensidade de desprendimento de CO 2 Diminuição da temperatura Concentração de açúcares chega ao fim

28 COMO EVITAR CONTAMINAÇÃO Cana Uso de inóculo pesado Assepsia e limpeza g de cloro ativo/t melaço Sais de cobre, benzoato de sódio, anidrido sulfúrico, ácidos, álcalis... Controle temperatura e ph Odor (ácido, ranço indicam irregularidade). Inconvenientes da infecção: Modifica as condições > consumo de nutrientes Altera pureza do produto > gastos com tratamento (antibióticos e bactericidas, antiespumantes) Floculação problemas operacionais

29 INDICATIVOS DA FERMENTAÇÃO Parâmetros indicativos de uma ótima fermentação : viabilidade da levedura acima de 85% teor alcoólico superior a 9% quantidade de ácido sulfúrico máxima de 2kg/m 3 de leite de levedura formação de ácido lático abaixo de 250 ppm e rendimento superior a 90%

30 VERIFICAÇÃO PRÁTICA DA PUREZA DAS FERMENTAÇÕES 1 tempo de fermentação 2 odor da fermentação 3 aspecto da espuma 4 drosófilas 5 temperatura 6 densidade do mosto 7 consumo de açúcares do mosto 8 acidez no substrato em fermentação

31 Processos de fermentação * Melle-Boinot: escalas menores de produção - Descontínuo - Pé-de-cuba Contínuo escalas maiores de produção, processo mais comum

32 FERMENTAÇÃO - DORNAS TIPOS DE PROCESSO DE FERMENTAÇÃO BATELADA COM CENTRIFUGAÇÃO Fermentação Batelada (MELLE BOINOT) MOSTO FERMENTO TRATADO ÁGUA ÁCIDO DORNA CUBA VOLANTE DE VINHO TURBINADO CENTRÍFUGA ÁGUA TROCADOR DE CALOR TANQUE PULMÃO VINHO BRUTO DESTILAÇÃO

33 Processo de fermentação - Contínuo Contínua e agitada Vantagens Dornas litros, altura 2 x o diâmetro Chapas de aço ao carbono Fechadas: recuperação de álcool (lavagem dos gases em torres: absorção em água) até 1% Layout: controle, reparo e higiene Agitadores: 50 rpm

34 Processo de fermentação - Contínuo Saccharomyces uvarum Fermentação = aumento de temperatura trocadores de calor (tubulação) ou serpentinas internas Vinho 9,5% de álcool Tempo de Fermentação 6 a 8h

35 FERMENTAÇÃO - DORNAS TIPOS DE PROCESSO DE FERMENTAÇÃO Fermentação Continua MOSTO ÁCIDO ÁGUA CENTRÍFUGA TRATAMENTO DO FERMENTO DESTILAÇÃO

36 Centrifugação do vinho Vinho aparelhos de destilação: álcool é separado, concentrado e purificado. Fermento a [ ] de 60% cubas de tratamento 7 a 10ºGL

37 Graduação alcoólica Grau GL ( o GL): Gay Lussac Porcentagem em volume (%Vol) Fração ou percentual em volume do álccol puro existente no volume de uma mistura Ex: Cerveja = 330mL a 4,7 o GL ou %Vol 4,7% do seu volume de álcool puro 330 x 4,7% = 15,51 ml

38 Graduação alcoólica Grau INPM ( o INPM) Instituto Nacional de Pesos e Medidas Fração ou percentual em massa do álccol puro existente na massa de uma mistura Ex: frasco de álcool a 92 o INPM tem 92% em massa de álcool e 8% em massa de água Massa e peso são diferentes Massa específica Água = 1 g/ml Álcool =0,8 g/ml

39 Exercício Conversão de o GL para o INPM Conversão de o INPM para o GL

40 Exercícios 1) Em um litro de álcool 90ºGL qual o valor do percentual em massa de álcool em relação a massa total da mistura (o INPM)? Considerar a massa específica do álcool e da água. 2) Em um quilograma de álcool 92ºINPM qual o valor do percentual em volume de álcool em relação ao volume total da mistura (ºGL)? Considerar a massa específica do álcool e da água.

41 Em um litro de álcool 90oGL qual o valor do percentual em massa de álcool em relação a massa total da mistura (o INPM)? Considerar a massa específica do álcool e da água. Considerar: Massa específica Água = 1 g/ml Álcool =0,8 g/ml Temos 900mL de álcool e 100mL de água 900mL x 0,8g/mL = 720 g 100mL x 1g/mL = 100 g Massa total = 820g 720 g de álcool = 87,8% da massa total = 87,8ºINPM

42 Em um quilograma de álcool 92oINPM qual o valor do percentual em volume de álcool em relação ao volume total da mistura (ogl)? Considerar a massa específica do álcool e da água. Temos 920g de álcool e 80g de água 920g / 0,8g/mL = 1150 ml 80g / 1g/mL = 80 ml Volume total = 1230mL 1150 ml de álcool em % = 93,5% do volume total = 93,5oGL

43 Bibliografia Urgel de Almeida Lima, et al. Biotecnologia industrial. Processos fermentativos e enzimáticos. Volume 3. Editora Edgard Blucher Ltda, São Paulo. 593p. SHIKIDA, Pery Francisco Assis; RISSARDI JÚNIOR, Darcy Jacob. A agroindústria canavieira do Paraná pós-desregulamentação. Cascavel: Coluna do Saber, p. REGULY, J. C. Biotecnologia dos processos fermentativos. Pelotas: Ed. Universitária/UFPel, 1998, 222 p. BARROS, Reynaldo. Energia para um novo mundo. Rio de Janeiro: CREA-RJ, PAYNE, John Howard. Operações unitárias na produção de açúcar de cana. São Paulo, SP: Sociedade dos Técnicos Açucareiros e Alcooleiros do Brasil, p. Manual Dos Derivados De Cana De Açúcar Instituto Cubano De Pesquisas Dos Derivados De Cana-De-Açúcar La Habana Icidca 1999 EVANGELISTA, José. Tecnologia de alimentos. 2. ed. São Paulo: Atheneu, p. RIPOLI, T. C. C.; RIPOLI, M. L. C. Biomassa de cana-de-açúcar: colheita, energia e ambiente. Piracicaba: Barros & Marques Ed. Eletrônica, p.

44 Bibliografia FREIRE, Wesley Jorge; CORTEZ, Luís Augusto Barbosa. Vinhaça de cana-deaçúcar. Guaíba: Agropecuária, p. (Engenharia Agrícola) INSTITUTO CENTRO DE ENSINO TECNOLÓGICO. Produtor de cana-deaçúcar. 2. ed. rev. Fortaleza: Edições Demócrito Rocha, p (Cadernos tecnológicos) FOUST, Alan S. et al. Princípios das operações unitárias. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, p. Consecana (site) Conab (site)

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46 CANA-DE-AÇÚCAR OBTENÇÃO DE LEVEDURAS DESTILARIA AUTÔNOMA DESTILARIA ANEXA PURIFICAÇÃO DORNAS DE FERMENTAÇÃO VINHO P/ CENTRIFUGAÇÃO CLARIFICAÇÃO/ EVAPORAÇÃO/ CRISTALIZAÇÃO/ CENTRIFUGAÇÃO MELAÇO ÁLCOOL AÇÚCAR LEITE DE LEVEDURAS DESTILARIA CONCENTRADO PROTÉICO VINHAÇA

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