TEIA TEIA DO DO SABER SABER

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1 TEIA TEIA DO DO SABER SABER 2005 Fundação de Apoio às Ciências: Humanas, Exatas e Naturais GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO DIRETORIA DE ENSINO - REGIÃO DE RIBEIRÃO PRETO Av. Nove de Julho no Ribeirão Preto METODOLOGIA DE ENSINO DE DISCIPLINAS DA ÁREA DE CIÊNCIAS DA NATUREZA, MATEMÁTICA E SUAS TECNOLOGIAS DO ENSINO MÉDIO: FÍSICA, QUÍMICA E BIOLOGIA Curso I (Inicial) O Processo da Fermentação: Transformações Químicas e Biológicas (Parte 1) Prof. Dr. Marcelo Tadeu Motokane Dra. Daniela Gonçalves de Abreu Material Pedagógico para uso do professor Venda Proibida (16) teiadosaber@ffclrp.usp.br Acompanhe a programação pela internet: Coordenação Geral Prof. Dr. Mauricio dos Santos Matos

2 O Processo da Fermentação: Transformações Químicas e Biológicas Prof. Dr. Marcelo Tadeu Motokane e Dra. Daniela Gonçalves de Abreu APRESENTAÇÃO DOS PROFESSORES RESPONSÁVEIS PELO MÓDULO DE ENSINO Dra. Daniela Gonçalves de Abreu: Bacharel (1997) e Licenciada em Química (2000), Mestre (2000) e Doutora em Ciências (2003) pela Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto - Universidade de São Paulo (FFCLRP/USP). Professora do Curso de Licenciatura em Química (desde 2002) e do curso de Especialização em Educação Química da Universidade de Franca (UNIFRAN) (desde 2003). Contratada como Educadora do Departamento de Química da FFCLRP/USP desde Desenvolve atividades relacionadas ao ensino de Ciências junto às escolas da rede pública da região de Ribeirão Preto como participante ativa do CEIQ (Centro de Ensino Integrado de Química). Prof. Dr. Marcelo Tadeu Motokane: Formado em Ciências Biológicas pelo Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo. Mestre e Doutorando em Ensino de Ciências pela Faculdade de Educação da USP. Atuou no ensino fundamental e médio como Professor de Biologia e Ciências de escolas públicas (Colégio de Aplicação da USP) e particulares (Escola da Vila). É docente do Depto. de Psicologia e Educação da FFCLRP/USP e responsável pelas disciplinas de Prática de Ensino de Biologia e Metodologia do Ensino de Ciências. Autor de livros didáticos de ciências naturais pela editora FTD e do material para Educação de Jovens e Adultos do Telecurso É membro do Conselho Científico-Pedagógico do LAIFE desenvolvendo projetos de ensino, pesquisa e extensão na área de ensino de ciências.

3 2 APRESENTAÇÃO DAS ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS Caros Professores: O tema desta oficina é O processo de fermentação: transformações químicas e biológicas. Pretende-se discutir as etapas industriais envolvidas na produção do açúcar e álcool (combustível e bebidas), a partir da cana de açúcar, destacando-se conceitos científicos envolvidos no processo. A cachaça é uma bebida genuinamente brasileira, com teor de etanol entre 38% e 54% em volume, a 20 C, obtida através da destilação do caldo de cana-de-açúcar fermentado. O processo de fabricação da cachaça será destacado, uma vez que esta ocupa uma posição de destaque na história do Brasil. Inicialmente produzida através de tecnologias rústicas e saberes do povo, a cachaça é hoje objeto de pesquisa científica, inovação tecnológica e faz parte dos programas de exportação do Governo Federal. Trata-se de um patrimônio cultural do povo brasileiro. O tema pode ser abordado nas disciplinas de ciência da natureza recorrendo-se à diferentes recursos e estratégias didáticas. Nesta apostila, além de textos sobre o assunto, você encontrará sugestões de experimentos de baixo custo que podem ser realizados em sala de aula.

4 3 PROGRAMAÇÃO 1 o. Momento: Discussão das etapas realizadas em usinas para obtenção de açúcar e álcool a partir da cana-de-açúcar. Será destacada a obtenção de bebidas alcoólicas como a cachaça. 2 o. Momento: Demonstração de experimentos sobre destilação fracionada para obtenção de álcool a partir do caldo de cana fermentado (produção de bebidas) e discussão de estratégias que poderiam ser aliadas ao experimento. Realização do experimento pelos professores visando simular o funcionamento de um bafômetro. Bebidas como cerveja, vinho e sidra serão utilizadas.

5 4 PRIMEIRA PARTE O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE AÇÚCAR E ÁLCOOL (TEXTO 1) No Brasil e em outras regiões tropicais do planeta o açúcar e o álcool são produzidos a partir da cana-de-açúcar, enquanto na Europa o açúcar é extraído da beterraba. No Brasil, a maior parte do álcool produzido é obtida da cana de açúcar. A mandioca também é utilizada, mas em pequena escala. Um hectare de plantação de cana pode produzir 3350L de álcool, a mesma área de plantação de mandioca, produz 2550L. Nos canaviais, a cana-de-açúcar passa pelas fases de crescimento na época quente e de chuvas e maturação na época fria e seca. Nesta fase a quantidade de sacarose aumenta muito. Chega então o momento do corte, que deve ser feito na época certa, senão a própria planta começa a consumir o açúcar que produziu, diminuindo a quantidade de álcool a ser obtida.as usinas são responsáveis pela transformação da cana em AÇÚCAR e ÁLCOOL. Esta produção envolve áreas agrícolas e industriais. A cana é composta em média, de 65% a 75% de água, mas seu principal componente é a sacarose, correspondendo de 70 a 91% de seus sólidos solúveis. A planta também contém glicose (de 2% a 4%), frutose ( de 2% a 4%), sais (de 3% a 5 %), proteínas (de 0,5% a 0,6%), amido (0,001% a 0,05%), ceras e graxas (0,05% a 0,15%) e corantes (3% a 5%). Após o corte, a cana é transportada para as usinas, onde é lavada desprendendo a sujeira mais grossa, picada e moída

6 5 PROCESSO Moagem A cana que chega à unidade industrial é processada o mais rápido possível. Este sincronismo entre o corte, transporte e moagem é muito importante, pois a cana é uma matéria prima sujeita a contaminações e conseqüentemente de fácil deterioração. Antes da moagem, a cana é lavada nas mesas alimentadoras para retirar a terra proveniente da lavoura. Após a lavagem, a cana passa por picadores que trituram os colmos, preparando-a para a moagem. Após o preparo, a cana desfibrada é enviada à moenda para ser moída e extrair o caldo. Na moenda, a cana desfibrada é exposta entre rolos submetidos a uma pressão de aproximadamente 250 kg/cm², expulsando o caldo do interior das células. Este processo é repetido por seis vezes continuamente. Adiciona-se água numa proporção de 30%. A isto se chama embebição composta, cuja função é embeber o interior das células da cana diluindo o açúcar ali existente e com isso aumentando a eficiência da extração, conseguindo-se assim extrair cerca de 96% do açúcar contido na cana. O caldo extraído vai para o processo de tratamento do caldo e o bagaço para as caldeiras. Apesar do tratamento preliminar citado, o caldo de cana contém, ainda, impurezas menores, que podem ser solúveis, coloidais ou insolúveis. Assim, ele passa por um tratamento químico que visa principalmente à coagulação, à floculação, e à precipitação destas impurezas, que são eliminadas por sedimentação. É necessário ainda fazer a correção do ph para evitar inversão e decomposição da sacarose. O caldo tratado pode ser enviado á fabricação de açúcar ou de álcool, e o bagaço é utilizado como combustível na geração de vapor. O bagaço que sai da moenda com muito pouco açúcar e com umidade de 50%, é transportado para as caldeiras, onde é queimado para gerar vapor, que se destina a todas as necessidades que envolvem o acionamento das máquinas pesadas, geração de energia elétrica e o processo de fabricação de açúcar e álcool. A sobra de bagaço é vendida para outras indústrias. O bagaço é muito importante na unidade industrial, porque é o combustível para todo o processo produtivo. Um bom sistema térmico é fundamental.

7 6 Parte do vapor gerado é enviado aos turbogeradores, que produzirão energia elétrica suficiente para movimentar todos os acionamentos elétricos e a iluminação. Tratamento químico do caldo Inicialmente adiciona-se anidrido sulfuroso (SO 2 ) ao caldo, que o absorve, baixando o seu ph original a aproximadamente 4,0. Este processo tem como objetivos principais inibir reações que causam a formação de cor; a coagulação de colóides solúveis e conseqüentemente auxiliar na sedimentação das partículas de impureza; a formação do precipitado CaSO 3 (sulfito de cálcio); e diminuir a viscosidade do caldo e; conseqüentemente do xarope, massas cozidas e méis, facilitando as operações de evaporação e cozimento. O SO 2 gasoso é produzido na usina através da queima do S (enxofre) na presença de ar, em fornos especiais. Posteriormente, adiciona-se ao caldo uma solução de hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 ). Este processo tem por objetivo a eliminação de corantes do caldo, a neutralização de ácidos orgânicos e a formação de sulfito e fosfato de cálcio, produtos estes que, ao sedimentar, arrastam consigo impurezas presentes no líquido e elevam o ph do caldo para valores da ordem de 6,8 a 7,2. A solução de hidróxido de cálcio também é produzida na própria usina segundo a equação: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + calor Tratamento de caldo PRODUÇÃO DE AÇÚCAR Após ter passado por tratamento químico, o caldo é aquecido a aproximadamente 105ºC, com a finalidade de acelerar e facilitar a coagulação e floculação de colóides, emulsificar graxas e ceras, ou seja acelerar o processo químico, aumentando a eficiência da decantação. Após o aquecimento, o caldo segue para um balão de

8 7 flash onde ocorre uma despressurização e expulsão do ar existente no caldo, que em seguida é enviado para os clarificadores, onde sofrerá decantação das impurezas, tendo como produto de fundo o lodo, e como sobrenadante, o caldo clarificado. O caldo clarificado e limpo segue o processo para evaporação e o lodo irá para filtração à vácuo onde é recuperada a sacarose ainda existente. Como o lodo ainda é rico em sacarose, é feito uma filtração nos filtros rotativos à vácuo para succionar o material líquido, chamado de caldo filtrado, que sofrerá novo tratamento de clarificação. O material sólido retido nas telas dos filtros é denominado torta de filtro. Esta torta é enviada à lavoura, sendo utilizada como adubo. O caldo clarificado obtido da decantação do caldo é submetido a um processo de concentração através da eliminação da água. O evaporador é formado por caixas, normalmente em número de quatro ou cinco, ligadas em série, de maneira que o caldo sofre uma concentração progressiva da primeira á última. Para isso é necessário injetar vapor só na primeira caixa, pois a própria água evaporada irá aquecer o caldo nas caixas seguintes. O caldo apresenta inicialmente uma concentração de 14 a 16 ºBrix (% de sólidos solúveis) chegando, no final, a 60-68ºBrix, quando recebe a denominação de xarope. Este xarope é bombeado aos tachos de cozimento para a cristalização do açúcar. Há dois tipos de cristalização: a evaporativa ou cozimento e a cristalização por resfriamento. Na cristalização por cozimento são utilizados equipamentos denominados cozedores, tachos, etc, semelhantes às caixas dos evaporadores, que trabalham individualmente sob vácuo, de forma descontínua ou contínua. A evaporação da água dá origem a uma mistura de 50% de crsiatis envolvidos em mel (solução açucarada) que recebe o nome de massa cozida. A concentração desta massa cozida é de aproximadamente 91 93% ºBrix. Na cristalização por resfriamento a massa cozida é descarregada dos cozedores nos chamados cristalizadores (tanques em forma de U), dotados de agitadores, onde irá ocorrer o resfriamento lento, geralmente com o auxílio de água ou ar. Esta operação visa recuperar parte da sacarose que ainda se achava dissolvida no mel, pois pelo resfriamento haverá deposição da sacarose nos cristais existentes, aumentando o tamanho dos mesmos. Dos cristalizadores, a massa cozida resfriada segue para o setor de centrifugação. A centrífuga é constituída por um cesto perfurado, fixado a um eixo e acionado por um motor que o gira a alta velocidade. A ação da força centrípeta faz com que o mel atravesse as perfurações da tela do cesto,

9 8 ficando retidos em seu interior, somente os cristais de sacarose. O processo se completa pela lavagem do açúcar com água e vapor, ainda no interior do cesto. O mel removido é coletado em um tanque e retorna aos cozedores para recuperação do açúcar dissolvido ainda presente, até que se atinja um maior esgotamento do mesmo. A partir deste ponto, o mel passa a ser denominado mel final ou melaço e é enviado para a fabricação de álcool. O açúcar descarregado das centrífugas apresenta alto teor de umidade (0,5% a 2%). Nesta etapa o açúcar passa no secador para a retirada da umidade contida nos cristais. Na saída do secador, o açúcar é enviado por esteiras sanitárias até o reservatório próprio para açúcar de onde é feito o ensacamento. FABRICAÇÃO DE ÁLCOOL O etanol (álcool etílico) foi uma das primeiras substâncias orgânicas obtidas pelo homem a partir de processos fermentativos. Seu ponto de fusão é -115 C e ponto de ebulição é 78,5 C. A temperatura ambiente este álcool é líquido. O etanol também é conhecido por álcool etílico ou álcool de cereais, e é obtido pela fermentação de polissacarídeos (amido, celulose) ou dissacarídeos (sacarose, maltose). As fontes naturais mais importantes são: cana-de-açúcar(brasil), beterraba, batata, cevada e arroz. Parte do caldo tratado quimicamente é desviada para tratamento específico para fabricação álcool. Este tratamento consiste em aquecer o caldo a aproximadamente 105ºC sem adição de produtos químicos, e após isto, decantá-lo. Após decantação, o caldo clarificado irá para a pré-evaporação e o lodo para novo tratamento, semelhante feito ao lodo do açúcar. Na pré-evaporação o caldo é aquecido a aproximadamente 115ºC, evapora água e é concentrado a 20ºBrix. Este aquecimento favorece a fermentação por fazer uma "esterilização" das bactérias e leveduras que concorreriam com a levedura do processo de fermentação. Livre de impurezas e devidamente esterelizado, o caldo está pronto para ser enviado á destilaria. Prepara-se o mosto, cuja concentração de açúcar foi ajustada de forma a facilitar sua fermentação) e

10 9 com a adição de levedura (fermentos biológicos), consegue-se a transformação da sacarose em etanol em duas etapas, devido ás enzimas produzidas pelas leveduras, tais como Saccharomyces Cerivisae. No preparo do mosto define-se as condições gerais de trabalho para a condução da fermentação como, regulagem da vazão, teor de açúcares e temperatura. Densímetros, medidores de vazão e controlador de Brix automático monitoram este processo. Inicialmente, a sacarose, que é um dissacarídeo, se hidrolisa na presença da enzima invertase, produzindo glicose e frutose, ambas monossacarídeos (C 6 H 12 O 6 ). Glicose e frutose são substâncias isoméricas, ou seja, apresentam a mesma fórmula molecular mas possuem arranjos geométricos diferentes. H 2 O C 12 H 22 O 11 C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 sacarose invertase glicose frutose Na seqüência, sob ação da enzima zimase, os monossacarídeos são fermentados produzindo etanol e gás carbônico. zimase C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 glicose ou frutose etanol gás carbônico Durante a reação, ocorre intensa liberação de gás carbônico, a solução aquece-se e ocorre a formação de produtos secundários como álcoois superiores, glicerol, aldeídos, etc. A liberação de gás carbônico é facilmente observada pela formação de bolhas, o que causa a impressão de que está em ebulição, o que não é verdade. Esse fenômeno é conhecido como fervura fria. O tempo de fermentação varia de 4 a 12 horas. Ao final deste período, praticamente todo o açúcar já foi consumido, com a conseqüente redução da liberação de gases. Ao terminar a fermentação, o teor médio de álcool nestas dornas é de 7% a 10%, e a mistura recebe o nome de vinho fermentado. Devido a grande quantidade de calor liberado durante o processo e á necessidade da temperatura ser

11 10 mantida baixa (34 C), é preciso realizar o resfriamento do vinho, circulando água em serpentinas internas às dornas, ou em trocadores de calor, por onde o vinho é bombeado continuamente com água contracorente. Após a fermentação o vinho é enviado para as centrífugas, para que a levedura usada no processo seja recuperada. A levedura após passar pelo processo de fermentação se "desgasta", por ficar exposta a teores alcoólicos elevados. Após a separação do fermento do vinho, o fermento a 60% é diluído a 25% com adição de água. Regula-se o ph em torno de 2,8 a 3,0 adicionando-se ácido sulfúrico que também tem efeito desfloculante e bacteriostático. O tratamento é contínuo e tem um tempo de retenção de aproximadamente uma hora. O fermento tratado volta ao primeiro estágio para começar um novo ciclo fermentativo; eventualmente é usado bactericida para controle da população contaminante. O vinho delevedurado irá para os aparelhos de destilação onde o álcool é separado, concentrado e purificado. Destilação O vinho que vem da fermentação possui em sua composição, 7 a 10 % de etanol, além de outros componentes de natureza líquida, sólida e gasosa. Dentre os líquidos, encontram-se água (89 a 93%), glicerina, aldeído acético, etc. Já os sólidos são representados por bagacilhos, leveduras e bactérias, sais minerais, etc, e os gasosos, principalmente CO 2 e SO 2. O etanol presente neste vinho é recuperado pela destilação, processo que se utiliza dos diferentes pontos de ebulição das diversas substâncias voláteis presentes, separando-as. A operação é realizada com auxílio de colunas de destilação. A destilação é processada em colunas superpostas, nas quais, o qual é separado do vinho e sai com a flegma (vapores com 40 a 50 GL). A destilação elimina ainda impurezas (estéres e aldeídos). Esta etapa tem por finalidade esgotar a maior quantidade possível de álcool do seu produto de fundo, que é denominado vinhaça. A vinhaça, rica em água, matéria orgânica, nitrogênio, potássio e fósforo, é utilizada na lavoura para irrigação da cana, na chamada fertirrigação. O álcool hidratado, produto final do processo de destilação e retificação, é uma mistura binária álcool e água que atinge um teor da ordem de 96 GL. Isto ocorre devido a formação de uma mistura azeotrópica, fenômeno físico no qual os componentes não são separados pelo processo de destilação. Este álcool hidratado pode ser comercializado desta forma ou passar pelo seguinte tratamento:

12 11 - Em uma coluna de desidratação, o ciclohexano (pode também utilizar benzeno) é adicionado á esta mistura, pois tem a capacidade de formar uma mistura azeotrópica ternária, ciclohexano-águaálcool, com ponto de ebulição inferior ao do álcool anidro, portanto o álcool é retirado do fundo da coluna com aproximadamente 99, 7 GL.

13 12 Diagrama simplificado do processo de produção de açúcar e álcool Cana-de- açúcar lavagem Vinho Centrifugação CO 2 Fermentação moagem caldo destilação Mosto bagaço etanol vinhoto Diluição do melaço Tratamento Primário Tratamento Químico (Clarificação do Concentração do caldo clarificado Mel final ou melaço cristalização centrifugação açúcar álcool açúcar

14 SEGUNDA PARTE ATIVIDADE EXPERIMENTAL: Sobre sua bancada encontram-se tubos de ensaio contendo 1 ml de solução de K 2 Cr 2 O 7 em meio ácido, citado no artigo anterior. Numere os tubos. a) No primeiro tubo acrescente 2 ml de água; b) No segundo tubo goteje álcool etílico até observar mudança de coloração. Anote o volume de etanol utilizado. c) No terceiro tubo goteje a amostra de vinho branco até observar mudança de coloração. Anote o volume da bebida adicionada. Elabore questões que pudessem ser abordadas com os alunos a partir do experimento. discutir e compartilhar suas idéias com os colegas. Prepare-se para Atenção: as soluções produzidas neste experimento não devem ser descartadas no esgoto. A solução contendo Cr 3+ deve ser tratada com Na 2 CO 3, para neutralizar o meio ácido e precipitar o íon Cr 3+, na forma de Cr(OH) 3. O sólido formado deve ser armazenado e pode ser utilizado em outras práticas experimentais. Todas as bebidas alcoólicas contêm um certo teor de etanol, podendo ser classificadas em dois grupos: bebidas destiladas e não destiladas. Bebida não destilada Teor alcoólico ( GL) Matéria-prima cerveja 3 a 5 Cevada, lúpulo, arroz e cereais maltados (germinados) vinho Até 12 Uvas champagne 11 Uvas sidra 4 a 8 Maçãs Bebida destilada cachaça 38 a 54 Cana-de-açúcar uísque 43 a 55 Cereais envelhecidos vodca 40 a 50 Batata, cereais conhaque 40 a 45 Destilado do vinho rum 45 Melaço da cana

15 14 BIBLIOGRAFIAS Texto 1: adaptado por Daniela G. de Abreu, após leitura das seguintes referências: acessado no dia 16 de setembro de 2005, ás 15h30. SILVA,E.R.; NÓBREGA, O.S. e SILVA, R.H. Química- Transformações e energia. São Paulo: Editora Áttica, Apostila sobre Transformações químicas e biológicas, utilizada no Programa Teia do Saber, realizado na Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras em 2004.