PROCESSO DE FERMENTAÇÃO CONTÍNUA ENGENHO NOVO - FERCEN

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1 PROCESSO DE FERMENTAÇÃO CONTÍNUA ENGENHO NOVO - FERCEN A ENGENHO NOVO, sempre atenta ao desenvolvimento de novas tecnologias para produção de etanol, pesquisou e desenvolveu um processo simples e eficiente de fermentação alcoólica contínua para otimização da produção de álcool, o consagrado Processo FERCEN. A seguir está apresentada uma descrição técnica dos processos contínuos destacando as características do Processo FERCEN. ANÁLISE GERAL DE SISTEMAS CONTÍNUOS Todos os sistemas contínuos consistem essencialmente em alguma forma de reator para o qual reagentes fluem continuamente e do qual produtos saem. Os principais fatores que governam a operação são: A geometria de fluxo pela qual o material passa através do reator (que depende do desing ); A cinética de reação características do processo. A engenharia química aplicada ao processo de cultura contínua, utiliza vários critérios diferentes para sua classificação. Uma distinção importante se faz entre sistemas homogêneos e heterogêneos: em sistemas homogêneos, como o FERCEN, a composição é uniforme em todo o sistema, enquanto que o sistema heterogêneo exibe gradientes de concentração de células e substrato ao longo do meio de fermentação. O sistema heterogêneo pode ser de fase única ou de múltiplas fases, enquanto que o sistema homogêneo é necessariamente unifásico, ou seja, um único estágio de fermentação. Durante as operações contínuas em sistema unifásico, todos os microorganismos contidos em um sistema homogêneo estão sob as mesmas condições ambientais, as quais são constantes ao longo do tempo; todas as células presentes no sistema, em qualquer tempo, estarão nas mesmas condições fisiológicas. Outro critério útil para classificação é o conceito de sistema aberto e sistema fechado. Sistemas fechados se assemelham ao Processo FERCEN na medida em que as células estão completamente contidas no sistema, impedidas de sair, seja através de uma membrana semipermeável, seja através da aderência a algum leito imobilizado, ou através de reciclo contínuo ao sistema. Sistemas abertos, por sua vez, são aqueles nos quais as células saem continuamente no efluente, isto é, sistemas em que o vinho efluente não é livre de células. O Processo FERCEN é classificado como um sistema homogêneo e aberto, devido às condições serem sempre semelhantes ao longo do reator e, à contínua retirada de células de fermento do sistema (sem prejuízos ao rendimento fermentativo), através das perdas esperadas durante a centrifugação ou por meio de purgas controladas.

2 O fermentador FERCEN consiste em um único estágio de fermentação agitado, com reciclo da quase totalidade de células ao fermentador, continuamente separadas do vinho efluente por centrifugação. A concentração de células no fermentador é, portanto, maior de que no efluente, em proporção determinada pela razão de reciclo (esta deve ser sempre menor que 100% ou o sistema se tornaria fechado). Este tipo de sistema tem sido utilizado na fabricação de fermento alimentício e na fermentação alcoólica. Existem, logicamente, limites para a razão de reciclo utilizada em processos aeróbicos pois, à medida que a fração de células recuperada aumenta, a concentração de células no meio cresce até se tornar impossível o suprimento de oxigênio a estas. Isto não se aplica ao processo anaeróbico, no qual a aplicação de alta razão de reciclo pode ser muito vantajosa. A fermentação contínua alcoólica tem como aspecto essencial o crescimento microbiano e a produção de etanol em condições pré-estabelecidas, constantes e estáveis quanto a: ph, concentração de nutrientes, produtos de metabolismo e oxigênio disponível, os quais, inevitavelmente, variam em um processo tipo batelada ou em um processo contínuo do tipo cascata. Estes fatores podem ser mais facilmente controlados, de forma independente e automática, em processos contínuos de estágio único como o FERCEN. DESCRIÇÃO DO PROCESSO No Processo FERCEN, o caldo ou melaço diluído é continuamente alimentado a um (ou vários) reator(es) agitado, operando a volume constante, com um tempo de residência pré-definido. Ar é periodicamente adicionado ao meio de fermentação, enquanto mosto fermentado é bombeado continuamente para separadoras centrífugas, onde é dividido em leite de leveduras e vinho delevurado. A corrente de leite é recirculada e pode ou não ter seu ph ajustado antes de retornar ao fermentador. O mosto centrifugado delevurado é então enviado à destilação. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO FERCEN AÇÚCAR RESIDUAL O Processo FERCEN é projetado e operando de modo que os açúcares fermentescíveis alimentados ao reator sejam consumidos durante o tempo médio de residência no fermentador. Operando com um tempo médio de 8 horas e uma concentração de fermento de cerca de 12% (v/v), o Processo FERCEN pode assegurar um residual de ART no caldo de cana fermentado de 0,8 g/l, no qual, em média, 0,3 g/l são açúcares não fermentescíveis. CONCENTRAÇÃO DE ETANOL NO VINHO No Processo FERCEN, caldo ou melaço diluído é alimentado ao reator com uma concentração total de ART na faixa de 100 a 160 g/l. Uma concentração total de açúcares redutores de 130 g/l leva a uma concentração de etanol de cerca de 7,7 GL, a qual é maior do que a obtida pelo processo batelada de Melle-Boinot, onde cerca de 20% do volume útil do fermentador é reservado ao inoculo diluído com água. A tabela abaixo compara a concentração de etanol no caldo fermentado para o Processo FERCEN e para o processo batelada, para uma dada concentração de ART no mosto e mesma eficiência de fermentação.

3 ART NO MOSTO CONC.DE ETANOL NO CONC.DE ETANOL NO (g/l) MOSTO FERMENTADO MOSTO FERMENTADO % (v/v) FERCEN % (v/v) BATELADA 120 7,15 6, ,74 7, ,34 7, ,94 8,22 AERAÇÃO No Processo FERCEN é prevista uma aeração controlada do meio de fermentação, de forma a suprir o oxigênio necessário ao processo. Apesar da fermentação alcoólica ter sido classicamente definida como totalmente anaeróbica, numeroso trabalho tem mostrado que traços de oxigênio estimulam a fermentação, e que alguns tipos de Saccharomyces cerivisae usualmente necessitam de oxigênio como um fator de manutenção. Oxigênio é necessário para a biossíntese de gorduras poli-insaturadas e lipídeos requeridos na membrana mitocondrial e plasmática. Também a produção do esteróide ergosterol necessita de oxigênio. EFICIÊNCIA DE FERMENTAÇÃO Na operação do Processo FERCEN, a manutenção de condições estáveis e otimizadas em todo o meio de fermentação pode ser obtida devido às características de continuidade e homogeneidade do sistema. Por outro lado, devido à alta concentração de fermento no meio, não ocorre crescimento excessivo de leveduras, liberando maior parcela de açúcares redutores para serem fermentados diretamente para a fabricação de etanol. A conjugação destas características confere ao Processo FERCEN eficiências médias de fermentação da ordem de 91% (Gay Lussac). CONTROLE DA TEMPERATURA Por ser um processo contínuo de estágio único, o controle da temperatura no Processo FERCEN fica extremamente facilitado, influenciando positivamente no desempenho da fermentação. A evolução de calor durante o processo de fermentação é relacionada à utilização do carbono como fonte de energia. Quando a fonte de carbono está sendo metabolizada para a manutenção da célula, toda entalpia associada à combustão é liberada como calor. Quando a fonte de carbono está sendo efetivamente incorporada na massa celular através do crescimento, cerca de 40-50% da entalpia é conservada na biomassa e o restante é eliminado como calor.

4 Se um produto está sendo formado (por exemplo etanol), então o calor liberado por unidade de fonte de carbono metabolizado está situado entre os dois extremos. A quantidade de calor está relacionada com a estequiometria para o crescimento e formação de produto, enquanto que a razão de evolução de calor é proporcional à cinética do processo. Dessa forma, o controle de temperatura do meio torna-se vital para a obtenção de um bom desempenho do processo. PRODUTIVIDADE Para um processo em batelada define-se produtividade como sendo a razão entre a massa de etanol produzida no fermentador pelo volume do reator, vezes o tempo total da batelada (carga, processamento, descarga e limpeza). Para o Processo FERCEN, produtividade é definida como a razão entre a massa de etanol produzida no fermentador pelo volume do reator vezes o tempo de residência. P = Massa de Etanol Produzida no Fermentador (g) Volume do Fermentador (l) x Tempo (h) Um processo batelada com um tempo total de 12,5 horas, considerando-se os tempos de fermentação, centrifugação e lavagem do sistema e um rendimento fermentativo de 92% (o rendimento é teórico e usado apenas para comparação) tem uma produtividade de 3,9 g/l.h para um mosto contendo 130 g ART/l de solução (caldo ou melaço). Sob as mesmas condições, a produtividade teórica do Processo FERCEN é 2,6 vezes a produtividade do processo batelada, cerca de 10,2 g/l.h. Em outras palavras, o Processo FERCEN tem a capacidade de produzir etanol 2,6 vezes mais rápido que a fermentação batelada, acarretando uma série de vantagens, com a redução do volume (ou número) necessário de reatores (dornas) para uma determinada produção. PRODUÇÃO DE FERMENTO SÊCO Por ser o FERCEN um processo homogêneo e contínuo, a operação de centrifugação fica facilitada graças à estabilidade das condições de concentração de levedo e da pressão de alimentação das separadoras. Isto acarreta uma perda reduzida de leveduras no vinho centrifugado, originando uma maior disponibilidade de fermento no meio. Como o Processo FERCEN opera com 10 a 14 % v/v de concentração celular e viabilidade de 80 a 90 % no fermentador, uma quantidade da massa celular excedente pode e deve ser continuamente purgada do sistema, possibilitando, após a recuperação do etanol nela contido, sua utilização para outros fins. PRINCIPAIS VANTAGENS DO PROCESSO FERCEN Devido às características técnicas abordadas anteriormente, o Processo FERCEN, quando comparado com outros processos de fermentação, apresenta benefícios operacionais e econômicos, conforme sumarizados a seguir: Menor espaço de instalação e menos equipamentos requeridos, o que leva a menores custos de investimento; Possibilidade de uso de diferentes tipos de mosto, como caldo de cana, melaço ou xarope; Menor necessidade de mão-de-obra;

5 Processo de simples operação e controle quando comparado ao processo batelada ou ao processo contínuo em cascata; Controle mais fácil de contaminantes no meio, devido ao baixo tempo de fermentação e à alta concentração de fermento dentro do fermentador; Meio de fermentação homogêneo por todo o sistema devido à recirculação de fermento e agitação mecânica constante do meio; Possibilidade de operar sob condições ótimas de fermentação durante todo o tempo; Melhores rendimentos e maior eficiência de fermentação (cerca de 91% da eficiência Gay Lussac); Redução do consumo de produtos químicos no meio fermentativo (especialmente ácido sulfúrico); Possibilidade do uso de projetos simples de automação; Maior produtividade (mais de 8g etanol/litro de fermentador/h); e, Possibilidade de operação com altos teores alcoólicos (9,5 o GL), compatíveis com a tolerância de cada microorganismo e respectivo sistema de refrigeração existente.