Noções Sobre Fermentação e Produção de Álcool na Fazenda

Transcrição

1 CAPÍTULO I Noções Sobre Fermentação e Produção de Álcool na Fazenda Juarez de Sousa e Silva Julio César de Jesus Sandra Maria Couto Generalidades O álcool de cana, se considerado como uma alternativa para a geração de empregos em um país com excesso de mão-de-obra pode, ainda, gerar ganhos com a redução na importação de combustíveis fósseis e rendimento com a possibilidade de exportação do álcool excedente. Deve-se, também, salientar o aspecto ambiental, já que o álcool gera menor quantidade de resíduos tóxicos e contribui para uma menor emissão de gases causadores do efeito estufa. Como o material gerado (CO2) é seqüestrado pela fotossíntese quando do crescimento ou da formação do novo canavial, o Brasil poderá, ainda, ser beneficiado com a comercialização dos créditos de carbono. No que se refere ao uso do álcool combustível, este pode ser utilizado em motores de ciclo Otto ou Diesel. Nos motores de ciclo Otto, o álcool pode ser utilizado por meio da mistura de álcool anidro com gasolina ou puro, na forma de álcool hidratado. Em motores diesel, ele pode ser utilizado de quatro formas: mistura de álcool com emulsificantes; mistura de álcool com óleo diesel; em motor com duplo

2 18 Capítulo 1 sistema de injeção, um para o álcool e outro para o óleo diesel; na instalação de sistema de carburação para misturar o álcool ao ar aspirado pelo motor. O álcool, apesar da possibilidade de ser obtido por síntese química, é mais econômico produzi-lo, devido às condições de terra e clima do Brasil, a partir da fermentação, em que açúcares de diferentes matériasprimas são desdobrados em álcool e dióxido de carbono, por ação dos chamados fermentos alcoólicos ou leveduras. Na produção por fermentação, o álcool é obtido por destilação em alambiques simples ou, industrialmente, em colunas especiais e de forma contínua. Se o teor de álcool, após a operação de destilação, for de 80 % ou mais, o líquido é chamado de álcool hidratado e se for apenas ao redor de 50 % o líquido é denominado aguardente, que é, em geral, utilizado como bebida. Processo de fermentação Fermentação alcoólica é a transformação de açúcares em álcool etílico (etanol) e gás carbônico (CO 2 ) pela ação de um determinado grupo de organismos unicelulares denominados leveduras. Os mais importantes e usados na produção do etanol são os do gênero Saccharomyces. Esses organismos são desenvolvidos para propiciar fermentação uniforme, rápida e com alto rendimento em etanol. As leveduras devem ser tolerantes a grandes variações de temperatura, a níveis de acidez (ph) e a altas concentrações alcoólicas. Elas podem crescer na presença ou na ausência de oxigênio e, em um ciclo normal de fermentação, usam o oxigênio do início do processo até que ele seja todo consumido. Somente durante o período anaeróbio é que as leveduras produzem o etanol. Apesar de as leveduras resistirem a um ambiente anaeróbio, elas são essencialmente aeróbias. Por essa razão, na preparação do pé de cuba ou pé de fermentação, deve-se fornecer oxigênio ao mosto para que ocorra um crescimento intenso da população de organismos.

3 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 19 No caso da fermentação propriamente dita, deve-se evitar a oxigenação para se obter o máximo em álcool e o mínimo em crescimento celular. A falta do controle de temperatura, que é um fator importante na conversão de açúcar em etanol, causa reações indesejáveis e altera o rendimento e a qualidade do produto final (aguardente ou álcool combustível). A fermentação inicia-se logo após a adição do fermento ao caldo. Todavia, existem três fases da fermentação depois da adição do fermento: na fase inicial os organismos vão se adaptando ao novo ambiente e começam a crescer; nesta fase, o mosto, mesmo sem ter sido oxigenado, contém, ainda, uma determinada quantidade de oxigênio para facilitar o início do desenvolvimento das leveduras. O aumento de temperatura nesta fase é insignificante e não se nota formação de bolhas, que caracterizam o desprendimento de gás carbônico na produção do etanol. Após 30 minutos, as leveduras começam a se reproduzir rapidamente e o número de organismos aumenta exponencialmente. Dióxido de carbono (CO 2 ) é liberado em grandes quantidades, com borbulhamento intenso. Com o prosseguimento da fermentação, o fermento tende a se aglomerar (floculação). Essa fase é conhecida como fermentação principal ou tumultuosa. É nessa fase que se detecta um aroma agradável e característico. Também, a temperatura e o teor alcoólico amentam, com correspondente redução no teor de açúcar do mosto. A última fase é a estacionária; o alimento começa a ficar escasso e a taxa de crescimento das leveduras é reduzida. A produção de gás carbônico diminui e o fermento precipita. As três fases da fermentação alcoólica, em condições normais, têm duração máxima de 36 horas. É durante a fermentação tumultuosa, em que ocorre um grande desprendimento de CO 2, principalmente, que se torna necessário o controle da temperatura por meio da refrigeração interna ou externa das dornas (CLEMENTE 1995). Além da necessidade de se preparar adequadamente o caldo, o sucesso do processo de fermentação só será alcançado quando mantido o controle adequado da higiene, da temperatura e das instalações que compõem a destilaria.

4 20 Capítulo 1 Biomassa para produção de álcool Por meio da fermentação, o etanol pode ser produzido com quatro tipos básicos de matéria-prima: Matéria-prima açucarada produto no qual o carboidrato está presente na forma simples. Dentre as matérias-primas que contêm as substâncias diretamente fermentáveis estão a cana-de-açúcar, a beterraba açucareira, frutas, mel, etc. A cana-de-açúcar é uma das matérias-primas açucaradas que apresentam maior viabilidade econômica. Como o processo é de simples conversão de energia, ela é considerada uma matéria-prima ideal para a produção de álcool combustível em nosso país. Além do álcool, produz biomassa para a destilação e resíduos para fertilizante. Matérias-primas amiláceas entre os materiais que contêm carboidratos mais complexos, como o amido, que podem ser transformados por hidrólise com ácido ou por ação de enzimas em moléculas simples com seis ou doze carbonos, estão o milho, o sorgo, as batatas e a mandioca. Tais produtos, muito ricos em amido e amplamente difundidos no Brasil, podem, depois da cana-de-açúcar, ser considerados os mais viáveis economicamente para a produção de álcool combustível. Matérias-primas celulósicas: as matérias celulósicas de maior importância na produção de álcool são os resíduos agrícolas e a madeira. Entretanto, a produção de álcool por meio da celulose é mais complexa quando comparada com o processo de matérias-primas açucaradas e ou ricas em amido. Em grandes unidades produtoras de álcool, deve-se avaliar, economicamente, a utilização do bagaço da cana para álcool ou para geração de eletricidade. Matérias-primas fermentadas: são constituídas por matérias já fermentadas (vinho e cerveja) e destiladas (aguardentes). Nesse caso, o álcool já se encontra presente e a sua separação é feita por destilação simples. A não ser o álcool residual da produção de aguardente de qualidade, as matérias-primas não constituem uma fonte normal de produção econômica de álcool, sendo utilizadas apenas em alguns casos,

5 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 21 como, por exemplo, quando grandes volumes de bebidas se tornam impróprias para o consumo humano. Para uma matéria-prima ser considerada economicamente viável, deve-se levar em conta os seguintes requisitos: teor do elemento fermentável, custo de produção, custo de transformação, disponibilidade e custo do transporte. Embora o álcool possa ser obtido a partir de diferentes fontes alternativas, como mencionadas anteriormente, a cana-de-açúcar, pela maneira como é cultivada, é a matéria-prima mais importante e mais aconselhada para a produção de álcool no Brasil. Quando o produtor de aguardente tem a intenção de manter a qualidade de seu produto, ele deveria, obrigatoriamente, tratar a fermentação de forma correta. Como dito anteriormente, a fermentação deveria ser processada de tal forma que, pela ação de leveduras, transformasse todo açúcar em etanol e gás carbônico. Caso o produtor queira produzir aguardente, álcool combustível ou pré-destilado para retificação posterior, usando um mesmo material fermentado, ele deverá manter, além de um controle rigoroso no processo, um fermento artesanal com o desenvolvimento de microrganismos específicos. Evitando a contaminação do mosto fermentado ou vinho com microrganismos inadequados, a qualidade da aguardente será mantida. Por outro lado, não se deve esperar um alto rendimento em álcool. Um processo prático para a produção de etanol seria armazenar os resíduos (cabeça e cauda) da fabricação de aguardente de qualidade para que sejam destilados para a produção exclusiva de combustível, cujo vinho deverá ser produzido a partir de um fermento industrial de qualidade. Por questões de conveniência, um pequeno produtor deveria optar pela produção de álcool combustível com o mesmo tipo de vinho utilizado para a produção de aguardente, pois, mesmo que isto acarrete menor rendimento na produção de álcool, o padrão de qualidade da aguardente para o mercado consumidor será mantido, sem mudanças no seu processo produtivo.

6 22 Capítulo 1 O químico francês Louis Pasteur comprovou que a fermentação é provocada pelo processo vital de microrganismos. Para suas condições de trabalho, o químico obteve, a partir de 100g de glicose, 48,5g ou 61ml de etanol a 15 C. Comparativamente com os resultados atuais, obtidos com tecnologia avançada em laboratório, os de Pasteur foram excelentes. Convém ressaltar que, mesmo com os grandes avanços tecnológicos, o rendimento obtido por Louis Pasteur é usado na avaliação da eficiência da fermentação, sendo conhecido como Rendimento de Pasteur. Outro método usado para o cálculo da eficiência do processo de fermentação, de forma criteriosa, é relacionar o teor alcoólico real da destilação com o valor teórico da equação de Gay Lussac, equação (1.1). Na equação clássica de Gay Lussac, os açúcares são fermentados para a formação do álcool e liberação de gás carbônico. A diferença entre os dois métodos se deve às perdas no processo produtivo, tendo como causa principal o consumo de açúcar por microrganismos indesejáveis ao processo de fermentação e evaporação (LIMA, 2002). Os rendimentos acima são impossíveis de se conseguir na prática, pois o processo de fermentação é muito complexo para ser descrito por uma reação química de biodegradação como a de Gay Lussac. O rendimento que se pode esperar, na prática, vai depender, dentre outros fatores, do tipo da destilaria, do tipo de levedura e, principalmente, do gerenciamento empregado (será detalhado mais adiante). C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2CO 2 + Calor (1.1) Glucose etanol Gás carbônico Fermentação do caldo açucarado As dornas de fermentação ou reservatórios onde se processa a fermentação devem ser construídas em aço carbono ou aço inoxidável (preferencialmente), possuir fundo cônico, serpentina para controle de temperatura do vinho, possuir agitadores e serem instaladas em bases suspensas. As dornas principais devem ser dispostas uma ao lado da

7 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 23 outra na sala de fermentação (Figura 1.1), mantendo-se um espaçamento entre elas para facilitar a movimentação livre de uma pessoa. Figura Sala de fermentação com várias dornas com fundo cônico em aço inoxidável. A sala de fermentação deve ser arejada e de fácil acesso para facilitar a lavagem e a higienização total da sala. Chaves (2002) indica alguns cuidados na construção da sala de fermentação, tendo em vista a necessidade de limpeza e da estabilidade de temperatura (Figura 1.2). Antes de iniciar o processo de fermentação os seguintes cuidados devem ser tomados: Escolher cana madura e de boa qualidade e sem palha; Manter boa higiene das moendas; Moer a cana no máximo 48 horas depois do corte (melhor seria moer no mesmo dia da colheita); Coar com peneira fina para separação do bagacilho; Fazer uma cuidadosa decantação para separação de materiais pesados existentes no caldo;

8 24 Capítulo 1 Caso o processo seja executado unicamente para a produção de álcool, fazer a esterilização do caldo por meio de aquecimento e resfriamento; Caldo com teor de açúcar acima de 16 Brix está sujeito a fermentação com atraso ou incompleta. Ao atingir 16 % de álcool no vinho, as atividades das leveduras são paralisadas e, caldo muito abaixo de 16 Brix apresenta baixo rendimento em álcool, o que implica em aumento dos custos da destilação; Quando o teor de açúcar estiver acima de 16 Brix, deve-se fazer uma diluição para esse valor, conforme equação (1.2), mantendo a temperatura do caldo na faixa de 25 a 30 o C. Normalmente, o teor de açúcar de um caldo de cana madura e de boa qualidade é de 22 Brix. Para evitar contaminação, fazer a diluição com água potável de boa qualidade; e Fazer a correção da acidez para ph entre 4,5 e 5 (um bom fermento desenvolve melhor nessa faixa). As seguintes correções devem ser realizadas: (a) para ph abaixo de 4, devese adicionar ao mosto um produto alcalino como o bicarbonato de sódio ou hidróxido de sódio, essa correção diminui a produção de ácidos superiores; e (b) caso o ph esteja acima de 5, faz-se a adição de ácido cítrico comercial ou, de uma forma mais artesanal, usar o caldo de limão, que reduzirá a produção de ácido acético e de furfural. Volume Total = Volume do Caldo x Brix do Caldo (1.2) Brix Desejado Exemplo: pretende-se reduzir, de 21 para 16, o teor de açúcar de 1.000L de caldo de cana. Quantos litros de água serão necessários? (21 16) Vol. de água = x ; Vol. de água = 312, 5L. 16

9 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 25 Figura Resfriamento de dorna com água fria. Assim, o volume total será de, aproximadamente, 1.312L (caldo mais água). O rendimento, em caldo, que se espera de uma cana de qualidade e utilizando moendas de média capacidade é de aproximadamente 600L por tonelada. Com fermentação e destilação normal, pode-se obter, em média, 65L de álcool 92%. Seguindo todas as etapas mencionadas, tem-se o produto, classicamente, denominado de mosto, que é a solução considerada ideal para o início do processo de fermentação. O controle adequado desse processo resultará no êxito do processo de destilação, no qual é recuperado o álcool formado durante a fermentação do mosto (LIMA, 1999). Temperatura Durante a fermentação, o metabolismo das leveduras libera 11,7kcal por quilo de substrato consumido (LIMA 2002). A temperatura

10 26 Capítulo 1 é um fator importante, pois influencia o processo de transformação, podendo, dependendo do seu valor, causar a morte das leveduras. Há divergências entre autores no que diz respeito ao valor ótimo da temperatura a ser usada no processo de fermentação. O conhecimento desta grandeza é de suma importância, pois irá definir, dentro de margens ideais, uma maior produção de álcool. Nutrientes O caldo de cana, que é pobre em proteínas e sais minerais, necessita de adição complementar de nutrientes para que a fermentação ocorra satisfatoriamente. Essa adição deve ser realizada em proporções específicas para cada processo. Segundo Chaves (2002), a suplementação é feita com o fubá de milho integral (5,0kg), farelo de arroz (1,0kg) e farelo de soja (2,0kg) para cada mil litros de mosto. A adição excessiva desses nutrientes aumenta a produção de produtos secundários, influenciando o rendimento do fermento. Composição do vinho Após a fermentação, o mosto fermentado recebe a denominação de vinho e apresenta constituições variáveis, envolvendo substâncias gasosas, sólidas e líquidas. As primeiras são representadas, principalmente, pelo dióxido de carbono dissolvido em pequena proporção no vinho. As sólidas se fazem presentes pelas células de leveduras, bactérias, sais minerais, açúcares não-fermentados e impurezas não-filtradas depois da moagem que ficam em suspensão no vinho. A água e o etanol são as substâncias líquidas mais importantes presentes nos vinhos. Produtos secundários como aldeído acético, ácido succínico, ácido acético, ácido lático, ácido burítico, ésteres, álcoois superiores e, às vezes, o furfural, estão presentes. A água e o etanol, nos vinhos comuns, são encontrados em percentagens que variam, respectivamente, de % a 7-12 % (BORZANI, 1988).

11 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 27 O vinho, quando a leitura do Brix for aproximadamente zero, deve ser destilado imediatamente, independentemente da sua finalidade, para evitar que o álcool se transforme em vinagre e provoque variações na qualidade do produto final (CHAVES, 2002). Processo da fermentação alcoólica A variação dos processos fermentativos, na prática, só pode ser estimada com segurança por tentativas. A partir de resultados obtidos em escala de laboratório, procura-se determinar as condições de trabalho favoráveis em fermentadores de maior capacidade. Conhecendo esses resultados, dimensiona-se valores semelhantes para tanques de maior capacidade, estabelecendo as melhores condições de operação (BORZANI, 1988). A fermentação na indústria de álcool pode ser conduzida por processos, tais como: Processo de fermentos individuais: nesse caso, a quantidade de fermento necessária para cada dorna é produzida e eliminada ao término da fermentação do mosto. Esse processo só é usado quando as características do mosto não permitem o reaproveitamento do fermento. Evidentemente, em tal processo, há um gasto adicional de açúcar para a produção do fermento. Processo de cortes: consiste em iniciar a fermentação com fermento em uma dorna a que, posteriormente, em plena atividade, terá o seu conteúdo dividido para ceder metade à outra dorna. Posteriormente, a dorna da qual se retirou metade do volume é completada com o mosto corrigido; deixa-se fermentar até o final e depois o vinho é destilado. A outra dorna, que recebeu a metade do volume do mosto da dorna anterior, é realimentada também com o mosto corrigido. Na prática, adota-se como ponto de corte o momento em que o Brix do mosto em fermentação cair para cerca da metade do Brix de alimentação. A proporção do corte deve ser efetuada de tal maneira a evitar a excessiva passagem de fermento de uma dorna para a outra, diminuindo assim a quantidade de leveduras com aumentando o tempo de fermentação.

12 28 Capítulo 1 Processo de decantação: é um processo intermitente de fermentação no qual se faz a recuperação de grande parte do fermento utilizado através da decantação, sendo esse fermento remanescente utilizado como pé-de-cuba para a fermentação subseqüente. É um processo muito empregado em destilarias de aguardente e que está sendo usado novamente nas destilarias de álcool para produção em pequena escala, como nas micro destilarias (HORII, 1980). Processo Melle-Boinot: Este processo foi idealizado com base no fato de que, uma vez atingida certa concentração, a levedura não se multiplica, cessando as funções reprodutivas e iniciando as funções fermentativas. Assim, neste processo, separam-se a partir do vinho, por meio de centrífugas especiais, em duas fases: leite de levedura, mais densa e rica em células de levedura e outra, mais fluida que é enviada para a destilação (HORII, 1980). Processo de fermentação contínua: nesse processo, o mosto entra continuamente na dorna de fermentação e, ao mesmo tempo, o vinho também sai continuamente com todos os açúcares transformados em etanol. Em qualquer desses processos, a alimentação do mosto nas dornas deve ser feita cuidadosamente para evitar concentrações excessivas de açúcares e sais. Esses componentes podem causar inibição das enzimas fermentativas das leveduras. O enchimento de uma dorna, independentemente do seu volume, deve ser realizado em algumas horas e, durante este tempo, deve-se controlar a vazão de alimentação segundo o ritmo de consumo de açúcares. O aumento do tempo de fermentação significa necessidade de maior volume nas dornas e, conseqüentemente, maior mão-de-obra, menor produtividade, maior gasto de água, equipamentos, além de maior risco de infecção, qualquer que seja o processo (HORII, 1980). Álcool a partir do caldo fermentado Como dito anteriormente, o primeiro passo consiste em determinar o ponto ideal para a colheita da cana, o que deverá ser feito, percorrendo

13 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 29 o canavial e colhendo algumas canas aleatoriamente. Nesse momento, é muito importante ficar atento para fazer uma boa amostragem, ou seja, que as canas colhidas sejam bem representativas do talhão de canavial que será colhido. Depois de colhidas, as canas deverão ser moídas, e o caldo utilizado na determinação do teor de açúcar. Isso é feito colocando o caldo em uma proveta e mergulhando o brixímetro, cuidadosamente, no caldo para que ele flutue e indique o teor de açúcar (Figuras 1.3 e 1.4) lido diretamente na haste do brixímetro. Figura 1.3- Vista geral de um brixímetro comum. Figura 1.4- Medição do teor de açúcar inicial (20 Brix). Outro cuidado que se deve ter, antes de determinar o teor de açúcar, refere-se à retirada de bagacilhos e pedaços de folhas que, eventualmente, possam ser encontrado flutuando no caldo. Se o teor de açúcar for

14 30 Capítulo 1 superior a 20º Brix, o canavial já poderá ser colhido. Antes, porém, é preciso preparar o pé-de-cuba que poderá ser feito por um dos três processos descritos a seguir: a) Pé-de-cuba com fermento prensado O procedimento a seguir refere-se ao preparo de 30L de pé-decuba, que é uma quantidade suficiente para iniciar a fermentação em três dornas de 260L cada. Colher e moer, no mesmo dia, uma quantidade de cana suficiente para obter um pouco mais de 30L de caldo. Lembrese que o teor de açúcar da cana deverá ser, preferencialmente, superior a 20º Brix; Ferver um pouco mais de 5L desse caldo; Corrigir o Brix do caldo fervido para 12 a 14 Brix. A correção do teor de açúcar do caldo deverá ser feita, adicionando-se água de boa qualidade, cuja quantidade deverá ser calculada pela fórmula anteriormente apresentada. (20 14) Vol. de água = 5 x Vol. de água = 2,15L. 14 Mesmo calculando a quantidade de água a ser acrescentada ao caldo, antes de colocar todo o volume calculado deverá ser usado o brixímetro para conferir o teor de açúcar; Adicionar ao caldo fervido 100g de fermento prensado (fermento de padaria). A adição do fermento só deverá ser feita quando a temperatura do caldo fervido baixar para, aproximadamente, 32ºC; Esperar tempo suficiente para que o Brix caia para 2 a 3; Adicionar 25L de caldo com teor de açúcar corrigido para 12 a 14 Brix; Acrescentar 30g de sulfato de amônia, 15g de superfosfato de cálcio e 30g de farelo de arroz;

15 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 31 Como no quinto passo, esperar tempo suficiente para que o teor de açúcar do caldo caia para 2 a 3 Brix; Adicionar 120L de caldo, com teor de açúcar corrigido para 12 a 14º Brix, juntamente com 120g de sulfato de amônia; 60g de superfosfato de cálcio e 60g de farelo de arroz; Esperar o teor de açúcar cair para 2 a 3º Brix e tem-se o péde-cuba preparado. Em geral, o tempo necessário para preparar o pé-de-cuba varia de 3 a 5 dias. b) Pé-de-cuba selvagem Esse método consiste em utilizar leveduras naturalmente existentes na natureza para obter o pé-de-cuba. Ele pode ser preparado de diversas maneiras, alterando-se as quantidades dos ingredientes utilizados. Colocar em um saco de aniagem 2 a 3kg de farelo de arroz; 2 a 3kg de fubá de milho; 0,5kg de bolacha e caldo de limão ou laranja azeda, em quantidade suficiente para formar uma pasta. Deixar o material em repouso por até 24h ou até que surjam rachaduras na superfície da pasta; Adicionar caldo de cana diluído em água de boa qualidade, na proporção de 1:1, até que a pasta fique submersa; Cobrir com um pano e deixar em repouso por mais 24 h; Ao observar efervescência ou formação de borbulhas, adicionar uma quantidade maior de caldo de cana diluído em água, na proporção de 1:1 (2 a 5 vezes); Deixar o material novamente em repouso e fazer nova adição de caldo diluído, nas mesmas proporções; Esta operação deverá ser repetida até que o volume do pé-decuba preparado seja equivalente a 0,2 do volume de mosto a ser fermentado na dorna principal.

16 32 Capítulo 1 Esse método pode apresentar dois inconvenientes: um deles é a maior possibilidade de contaminações do pé-de-cuba, ou seja, presença de outros microrganismos, além das leveduras, que poderão retardar o processo de fermentação. O outro inconveniente é a necessidade de mãode-obra e mais tempo para o preparo. c) Pé-de-cuba com levedura selecionada O método consiste em preparar um meio de inoculação com cultura pura de leveduras, devidamente selecionadas em laboratório. Em seguida, a multiplicação da cultura de leveduras deverá ser sucessiva, em caldos de cana com teores sucessivos de açúcar. Prepara-se o material segundo os passos seguintes: Inicialmente, deve-se inocular uma porção da cultura em 100mL de caldo diluído, com teor de açúcar igual a 5 Brix, enriquecido e esterilizado; Após o crescimento, acrescentar 400mL de caldo com 7 Brix, preparado como no 1 o passo, continuando o procedimento até atingir o volume suficiente ou 10% do volume total. Após o preparo do pé-de-cuba, será preciso preparar o mosto, que é a mistura do pé-de-cuba com o caldo de cana, com 16 Brix. Os 30L de pé-de-cuba obtidos com fermento prensado, por exemplo, são suficientes para preparar 160L de mosto. Para isso, basta adicionar ao pé-de-cuba 130L de caldo com teor de açúcar corrigido para 16 Brix. Feito isso, basta esperar o teor de açúcar da mistura cair para 2 a 3 Brix, para que o mosto possa ser utilizado na inicialização da fermentação nas dornas. Isso poderá ser feito de duas maneiras: corte de dornas ou dorna únicas. O corte de dornas é feito da seguinte maneira: 1. Distribuem-se os 160 L de mosto nas dornas 1 e 2 (80 L em cada dorna);

17 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo Preencher essas dornas com caldo diluído para 16º Brix, até completar o volume das dornas (260 L), tomando-se cuidado para o teor de açúcar final não superar 7º Brix (metade de 16 menos 1).Observação: 260 L é o volume útil de cada dorna que corresponde a 80% do volume total, que é de 325 L. Isso deve ser feito para evitar transbordamento de espuma durante a fermentação como é visto na Figura 1.2; 3. Transferir metade do material da dorna 2 para a dorna 3; 4. Completar o volume dessas dornas para 260 L, com caldo a 16º Brix; 5. Esperar até o teor de açúcar da dorna 1 cair a zero (transformação total do açúcar em álcool), quando o seu conteúdo será levado para destilar; 6. Lavar a dorna 1 e transferir para a mesma metade do conteúdo da dorna 3; 7. Preencher essas dornas com caldo, com 16º Brix; 8. Esperar o teor de açúcar da dorna 2 cair para zero e levar seu conteúdo para destilar; 9. Lavar a dorna 2, para receber metade do conteúdo da dorna 1; 10. Completar o volume dessas dornas, utilizando-se mosto com 16 Brix; 11. Esperar o teor de açúcar da dorna 3 cair para zero, quando o material será encaminhado para a destilação. Em resumo, o processo de corte das dornas é feito da seguinte maneira (Figura1.5): a) Quando parte do material da dorna 2 é transferido para a dorna 3, destila-se o conteúdo da dorna 1; b) Quando parte do material da dorna 3 é transferido para a dorna 1, destila-se o conteúdo da dorna 2; e

18 34 Capítulo 1 c) Quando parte do material da dorna 1 é transferido para a dorna 2, destila-se o conteúdo da dorna 3. Figura Fermentação pelo processo de corte das dornas. O processo de dorna única, para ser utilizado na fermentação, deverá ser conduzido da seguinte maneira: Colocam-se os 160 litros de mosto na dorna; Em seguida, completa-se o volume da dorna com caldo diluído para 16 Brix; Espera-se que o teor de açúcar cai para zero; Quando isso acontecer, aguardar 20 minutos e retirar 90% do volume da dorna; Aos 10% restantes, deve-se adicionar água, cujo volume deverá corresponder a 5% do volume da dorna (a dorna ficará com 15% do volume ocupado após adição da água); Nessas condições, aguardar uns 15 minutos e retirar a parte liquida. O material que restar no fundo da dorna será o novo pé-de-cuba.

19 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 35 Independentemente do processo a ser utilizado para a fermentação, o vinho deverá ser transferido o mais rápido possível para a destilação, para a separação do álcool. Álcool a partir de pré-destilados A produção de cachaça artesanal, de qualidade, é muito parecida com a produção de álcool, feita a partir da fermentação do caldo, uma vez que as etapas se repetem. Neste caso, é preciso fazer: o preparo do péde-cuba, a moagem da cana, a decantação e a diluição do caldo, a fermentação; e a destilação. Porém, a destilação da cachaça é feita em alambiques tradicionais (Figura 1.6). Já o álcool, é destilado em equipamentos especiais denominados coluna de retificação (Figura 1.7). Figura Alambiques utilizados na fabricação artesanal de cachaça de qualidade.

20 36 Capítulo 1 Figura Vista geral de uma coluna de refluxo para produção de álcool em pequena escala. Entretanto, a produção de cachaça de qualidade resulta na obtenção de subprodutos com teor alcoólico considerável e que não são devidamente aproveitados. Estamos falando dos pré-destilados, constituídos pela cabeça e pela cauda da destilação. A cabeça se refere ao início da destilação que possui elevado teor alcoólico, geralmente superior a 50 G.L. Além disso, essa fração da destilação possui também outros componentes como aldeídos, ésteres e álcoois superiores que não devem fazer parte da cachaça de qualidade. E, de forma semelhante, a fração final possui, entre outros elementos, o óleo fúsel que é o principal causador de ressaca.

21 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 37 Assim sendo, na produção de uma boa cachaça, o processo consiste em eliminar a cabeçada e a cauda, que consiste em eliminar entre 10 a 15% no início e 10% no final da destilação. Assim, em cada alambicada são desconsiderados, aproximadamente, 20% de pré-destilado rico em álcool. Ao invés de ser considerado como resíduo perdido, a cabeça e a cauda deverão ser levados para uma coluna de retificação para serem transformados em álcool combustível. Também, o produtor de aguardente, em períodos de ociosidade na fabricação, pode produzir uma espécie de pré-destilado, sem a necessidade de separar a cabeça e a cauda e destinar o produto para fabricação de álcool. Ou, ainda, um produtor de aguardente pode produzir um pré-destilado e enviar esse material para ser transformado em álcool em uma pequena central de retificação. Rendimento em álocol Uma questão importante que deve ser abordada é o rendimento, em álcool, possível de ser obtido em uma pequena unidade de destilação. Pode-se considerar que, para produzir álcool a partir da fermentação do caldo, serão necessários, em média, 100L de mosto para produzir, pelo menos, 10L de álcool combustível. Como de uma tonelada de cana consegue-se extrair, com o uso de pequenos engenhos, 600L de caldo, concluí-se que uma tonelada de cana possibilita a obtenção de 60L de álcool. Se for considerado que um hectare de cana bem conduzido forneça, em média, 100ton, chega-se à conclusão que, de um hectare de cana podese obter, pelo menos, 6.000L de álcool (veja, mais adiante, planejamento de uma micro-destilaria). Essa quantidade de álcool é suficiente para abastecer um veículo popular para rodar km por ano. Caso a produção de álcool seja feita a partir de pré-destilados da cachaça, podemos considerar que a quantidade de caldo obtida de uma tonelada de cana, ou seja, 600L, serão suficientes para produzir em torno de 11L de álcool. Portanto, de um hectare que produza, em média, 100 t de cana, pode-se produzir 1.100L de álcool e mais L de cachaça de qualidade.

22 38 Capítulo 1 Um tipo de unidade de destilação que será apresentada, mais adiante, pode, dependendo do gerenciamento, produzir entre 40 a 50L de álcool por hora, quando a matéria-prima utilizada for um pré-destilado. E, para utilizar vinho ou mosto fermentado, o seu rendimento médio será de, aproximadamente, 25L por hora. Sendo assim, durante 10 horas de operação diária, conseguiremos produzir entre 300 a 500L de álcool combustível, a partir de pré-destilados ou 250L deste combustível, a partir de mosto fermentado. Caso o produtor opte por produzir o álcool a partir do mosto fermentado, é sugerido que faça um investimento extra para construir um prédestilador (Figura 1.8) e que será, também, detalhado mais adiante. Figura Vista geral de um pré-destilador modelo UFV.

23 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 39 Se considerarmos que a safra é de 200 dias de operação com unidade de destilação, conseguiremos produzir, com uma unidade com essas características, L de álcool, a partir de prédestilados. Ou, ainda, L, se for utilizado o mosto fermentado como matéria-prima. Processo de destilação A finalidade da destilação é a separação dos elementos de uma solução que apresentam temperaturas de ebulição diferentes. Puros, o álcool etílico apresenta uma temperatura de ebulição de 78,15 ºC e a água, nas mesmas condições, de 100 ºC (Figura 1.9). O aquecimento de uma solução água-álcool, até uma temperatura adequada, proporcionará a mudança de estado do álcool de líquido para vapor e, posteriormente, para o estado líquido, após submeter o vapor ao resfriamento (condensação). Neste processo busca-se a recuperação de álcool dentro dos padrões de qualidade estabelecidos, em níveis compatíveis com os equipamentos e atendendo às metas de produção. Para uma operação eficiente dos equipamentos, devem-se controlar as temperaturas nas diversas fases do processo, bem como as vazões de alimentação da água de refrigeração e dos trocadores de calor. O processo de destilação sucessiva proporciona um álcool etílico mais concentrado. A separação das substâncias de uma só vez é impossível, pois a temperatura de ebulição de uma solução álcool-água varia conforme o percentual de cada componente da mistura (CLEMENTE, 1995).

24 40 Capítulo Temperatura ºC Composição do líquido Composição do vapor 80 Azeotropo ,5 47,4 85,6 100 Percentagem volumar (líquido) 95,6 78,2 C Figura Composição do vapor e do líquido do sistema água-álcool, a 760 mmhg, em função da temperatura. Destilação descontínua Na destilação descontínua ou intermitente, faz-se uma carga no aparelho; destila-se o álcool por aquecimento, separando-se os vapores por condensação e refrigeração; descarrega-se o resíduo ou vinhaça; faz-se nova carga e assim por diante (Figura 1.10). Esse tipo de destilação é realizado em alambiques simples, de um só corpo, ou em aparelhos de dois a três corpos, nos quais se consegue recuperar

25 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 41 calor pela condensação dos vapores destilados, por meio de resfriamento com o líquido que será destilado em uma próxima carga. Quando se executa uma destilação descontínua, realiza-se uma destilação simples, vaporizando primeiro as substâncias mais voláteis do que a água e o álcool. O primeiro destilado é uma mistura de água, álcool, bases voláteis, aldeídos e ácidos e chama-se, na prática, de destilado de cabeça. Depois de sua separação, os vapores do vinho são mais ricos em etanol, com menor quantidade de impurezas voláteis, sendo denominado destilado de coração. No final do processo, são retirados do vinho vapores ricos em água e óleo fúsel (LIMA, 1999). a) álcool de baixo grau

26 42 Capítulo 1 b) álcool de alto grau Figura Esquema básico de destilações descontínuas. Destilação contínua A destilação contínua é realizada em colunas de destilação, fazendose a alimentação contínua do aparelho com vinho e retirando continuamente a vinhaça ou vinhoto na base e o destilado (álcool) no topo da coluna de destilação. A separação dos componentes secundários, com exceção do etanol, é feita pelo topo da coluna e pela lateral do equipamento, segundo a natureza das impurezas. As colunas de destilação (Figura 1.11) constituem-se de gomos cilíndricos superpostos, contendo seções transversais às quais se dá o nome de bandejas ou pratos. Os gomos e as bandejas, superpostos,

27 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 43 formam uma série de aparelhos de destilação simples, um destilando os seus vapores no outro, através de calotas ou placas perfuradas, e recebendo líquido residual do gomo imediatamente superior através de tubos denominados sifões (Figura 1.12). Figura Coluna de destilação composta de borbulhadores e seus componentes básicos. O aquecimento das colunas é feito na base por meio de vapor de água, por injeção, por serpentina ou por trocadores de calor, segundo a riqueza do líquido no interior ou a natureza da operação. O aquecimento das bandejas é proporcionado pelo calor dos vapores ascendentes na coluna. Os vapores emitidos por uma solução etanol-água são mais ricos

28 44 Capítulo 1 em etanol do que a solução geradora. Esses vapores, condensando-se no prato imediatamente superior, enriquecem o líquido aí existente e aquecemno até a ebulição, gerando vapores mais ricos, e assim por diante. A temperatura na coluna decresce da base para o topo, ao mesmo tempo em que o teor alcoólico aumenta. Figura Esquema básico de uma coluna de destilação por bandejas em série. Os vapores que saem na parte superior da coluna fluem para o condensador, onde passam para a fase líquida. Desse líquido, retornase uma parte de cabeça da coluna e envia-se por tubulação o restante a um refrigerador, e daí para fora do circuito. A retro gradação, ou refluxo auxilia a manutenção de vapores ricos na cabeça da coluna. Em uma coluna de destilação, a graduação alcoólica varia em função do número de pratos superpostos. Um número maior de pratos eleva mais a graduação alcoólica dos vapores.

29 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 45 Destilação industrial Para obtenção de etanol industrial com concentração acima de 96% de álcool em volume, isento de impurezas, fraciona-se o destilado em álcool de primeira e álcool de segunda, separando-se os álcoois superiores como subproduto e os outros componentes secundários (aldeídos, bases voláteis, ésteres e ácidos). No ramo industrial, o álcool pode ser aplicado em várias situações, como na indústria farmacêutica, na indústria de perfumes e cosméticos, para fins de corantes, na fabricação de vernizes e lacas, no preparo de materiais explosivos, na fabricação de matérias plásticas, entre outros (RASOVSKY, 1973). A purificação do etanol, denominada retificação, industrialmente é processada de forma contínua por destilações sucessivas em várias colunas, denominadas colunas depuradoras, destiladoras, retificadoras e de repasse final (Figura 1.13). Na primeira destilação, o substrato fermentado é aquecido em uma coluna com um número de bandejas suficiente para produzir, no topo, mistura de vapores de baixo ponto de ebulição, que é eliminada após a condensação e o resfriamento. Na segunda destilação, esgota-se o substrato retirando-se o etanol na extremidade superior da coluna, sob a forma de um destilado, com uma concentração próxima de 50 % de álcool em volume. Na base da coluna escoa-se o substrato isento de álcool. Na terceira coluna concentra-se o álcool e separam-se os álcoois superiores, de ponto de ebulição mais elevado que o etanol, na base da coluna. No topo, obtém-se uma mistura de vapores de ponto de ebulição menor, ao mesmo tempo em que se retira o etanol de alta concentração. Envia-se este à quarta coluna, onde se separam mais impurezas, de ponto de ebulição inferior ao do etanol. Ao final dessas destilações, obtém-se uma mistura binária de etanol e água que, no máximo, pode conter 95,6 % de etanol em volume (SHREVE, 1980).

30 46 Capítulo 1 Figura Fluxograma da destilação industrial. Resíduos provenientes da destilação Os resíduos provenientes da destilação de álcool são os bagaços e as vinhaças. A vinhaça, ou vinhoto é o principal resíduo proveniente da fabricação do álcool nas destilarias. Sua produção expandiu-se de forma acelerada com o Programa Nacional do Álcool causando, ao longo dos anos, impactos ambientais por possuir uma elevada demanda bioquímica de oxigênio (DBO), unidade que caracteriza a vinhaça como poluente. A fim de amenizar o impacto ambiental, vem sendo aplicada a fertirrigação, que consiste na adição de águas residuais, não-poluidoras, à vinhaça e na aplicação da mistura aos sulcos da lavoura. A aplicação da vinhaça como fertilizante de solos tem como benefício a elevação do ph e o aumento de resíduo rico em matéria orgânica, apresentando também elementos como cálcio, potássio, nitrogênio, fósforo, magnésio, enxofre e outros elementos em menor escala. De acordo com Stupiello (1978), além da disponibilidade dos nutrientes citados, a vinhaça aumenta o poder de retenção de água no solo, assim como a população de microrganismos. Mesmo apresentando grandes vantagens como fertilizante, a aplicação da vinhaça deve ser feita sob orientação para evitar efeitos prejudiciais ao solo e a qualidade do produto final.

31 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 47 O bagaço é um resíduo fibroso resultante da moagem da cana para a extração do caldo. Segundo Anciães et. al.(1981), dependendo do engenho o bagaço apresenta entre 40 e 50 % de umidade, com massa de 250 a 350 kg por tonelada de cana. Além de possuir várias aplicações, como na fabricação de papel e papelão, alimentação animal e adubação orgânica, este resíduo é empregado principalmente como combustível na geração de energia térmica e na co-geração de energia elétrica em grandes usinas. Como dito no início do manual, um dos objetivos desse trabalho seria o de analisar um sistema de aquecimento evaporativo com a finalidade de fornecer vapores hidroalcoólicos, em regime contínuo e que pudesse ser usado com diferentes tipos de colunas e de modo a atender a demanda por álcool hidratado nas atividades da fazenda ou para a produção de pré-destilado para a produção de álcool combustível em sistema cooperativo ou integrado que será descrito no próximo capítulo.