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- 2. Breve histórico 1532 – montado o primeiro engenho de açúcar Primeira Guerra – álcool como combustível de motores de explosão 1929/1931 – Crise internacional; instalação da primeira destilaria de álcool anidro – obrigatoriedade da mistura de 5% de etanol à gasolina (Dec. 19717) 1974 – crise do petróleo – Pró-álcool
- 3. Importância O etanol ou álcool etílico, apresenta duas funções principais : "commodity chemical" e indústria de bebidas alcoólicas. -Após a água, o álcool é o solvente mais comum, além de representar a matéria-prima de maior uso no laboratório e na indústria química Vias de obtenção: destilatória, sintética e fermentativa
- 4. Importância No Brasil, o etanol é utilizado de duas maneiras: - como mistura na gasolina, na forma de 22% de etanol anidro, a 99,6º Gay-Lussac (GL) e 0,4 % de água, formando uma mistura "gasohol" com o objetivo de aumento da octanagem da gasolina; - como etanol puro, na forma de etanol hidratado, a 95,5º GL
- 5. Produção de etanol No Brasil a cana de açúcar é a principal matéria prima utilizada; na França é a beterraba; nos EUA e na maioria dos países europeus o bioetanol é essencialmente produzido a partir de cereais, principalmente milho.
- 6. Produção de etanol Por continente
- 9. Impacto da Produção de Etanol no Brasil Economia US$ 141 bilhões com óleo importado e juros Empregos 70.000 agricultores 347 destilarias 1 milhão de pessoas Meio Ambiente 1.000 L de etanol sequestram 2,6 t de CO2 da atmosfera Fonte: Valor Econômico, 2005
- 10. Produção de açúcar e álcool Produção do açúcar açúcar Fermentação do açúcar Destilação álcool Cana- de-açúcar Lavagem Extração Tratamento Do caldo Tratamento Do caldo
- 13. Definição Fermentação alcoólica é o processo através do qual certos açúcares, principalmente a Sacarose, Glicose e Frutose são transformados em Álcool Etílico (ou Etanol). Mecanismo anaeróbio de produção de energia que não envolve cadeia respiratória ou citocromos.
- 14. Matérias-primas O etanol pode ser produzido a partir de qualquer carboidrato fermentável pela levedura . Classificação das matérias-primas: - açucaradas - amiláceas ou feculentas - celulósicas
- 15. Matérias-primas: preparo Matérias açucaradas - diretamente fermentescíveis: monossacarídeos - sucos de frutas - não diretamente fermentescíveis : dissacarídeos – sacarose da cana-de-açúcar e dos melaços Dissacarídeos Hidrólise (inversão) Açúcar fermentescível Matérias celulósicas - fermentam após hidrólise
- 16. Matérias-primas: preparo Matérias amiláceas e feculentas - fermentam após hidrólise do amido – sacarificação: * via química * via enzimática * via biológica ** ação enzimática do malte ** ação microbiana de certos fungos
- 17. Sacarificação pelo malte Grãos –limpeza e classificação Maceração Água:grão 3:1; 10-12°C Germinação Malte verde Malte seco Amido Pesagem/Moagem Hidratação Cozimento Goma de amido Agitação 65°C/1h Resfriamento 28 a 30 °C
- 18. Sacarificação microbiana Amido Goma de amido Inóculo Fungos amilolíticos Água Agitação e aeração 24 h Fermentação microrganismo
- 19. Preparo do Substrato O Preparo dos mostos nas destilarias faz-se em seções que constam de: • tanques de medição; • balanças; • diluidores mecânicos; • depósitos de sais minerais; • depósitos de antissépticos; • aquecedores e refrigerantes; • medidores de ácido.
- 20. Fatores que afetam a fermentação * O etanol é inibidor à altas concentrações, e a tolerância das leveduras é um ponto crítico para uma produção elevada deste metabólito primário. * A tolerância ao etanol varia consideravelmente de acordo com as linhagens de leveduras. •Agente de fermentação: Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces sp
- 21. Fatores que afetam a fermentação •Nutrição mineral e orgânica - fonte de carbono - vitaminas: tiamina, ácido pantotênico - Nitrogênio: sais de amônio - Sais minerais: P, S, K, Mg, Ca, Zn, etc •Temperatura - 26 a 35°C - chega a 38 °C •pH - mostos industriais: 4,5 a 5,5
- 22. Fatores que afetam a fermentação •Preparo e correção do mosto - melaço: diluição – 15 a 25°Brix fosfato e sais de amônio - cana-de-açúcar: bruta ou clarificada fosfatos, sais de amônio, sais de Mg, Mn e Co - materiais amiláceos: sacarificação fosfatos, acidez pH 4 a 5 com H2SO4
- 23. Fatores que afetam a fermentação •Inibidores - etanol - K e Ca - sulfito •Concentração de açúcares •Concentração de inóculo •Contaminação bacteriana •Antissépticos •Antibióticos
- 24. Antissépticos • No Brasil, não é usual esterilizarem-se os mostos nas destilarias de álcool e aguardente. Para controlar o problema das contaminações, usam-se antissépticos para criar ambiente favorável ao desenvolvimento das leveduras e desfavorável a outros microrganismos. • Obtém-se boas fermentações usando-se 4 mg de hexaclorofeno por litro de mosto ou pentaclorofenol na proporção de 0,01 a 0,05 g/litro de substrato. • O ácido sulfúrico utilizado na correção do pH, também age como antisséptico.
- 25. Antibióticos • Pela mesma razão por que se empregam os antissépticos, usam-se os antibióticos na fermentações industriais para produção de etanol. • Sua ação é de agente esterilizante, em virtude de suas propriedades bacteriostáticas. • Aplica-se a penicilina (500-1000 UI/L de mosto) que é economicamente mais recomendável ou cloranfenicol, tetraciclina e clorotetraciclina.
- 26. Preparo do inóculo •Vinhos e pequenas destilarias – flora natural leveduras selecionadas •Vinhos e sidra – leveduras encapsuladas em alginato •Grandes destilarias – leveduras de panificação leveduras selecionadas Cultura estoque Frascos 100 a 12.500 mL Pré-fermentadores 50 a 1.000 L 10% volume industrial 5.000 a 15.000 L
- 27. Prática da fermentação alcoólica fases descrição Preliminar Contato da levedura com o mosto Características: intensa multiplicação celular, pequena elevação de temperatura e pequeno desprendimento de CO2 Tumultuosa Intensa liberação de CO2 – a mistura ferve Aumento da temperatura e da acidez; diminuição da densidade Final ou complementar Diminuição da intensidade de desprendimento do CO2, menor agitação do líquido, diminuição da temperatura
- 28. Verificação prática da pureza Tempo de fermentação Odor (frutas maduras) Aspecto da espuma Presença de drosófilas Temperatura e densidade Açúcares Acidez
- 29. Verificação prática da pureza • Tempo de fermentação – duração média de um processo fermentativo em mosto de melaço ou de caldo de cana-de- açúcar é de 24 horas e as de mosto amiláceo de 36 horas. • Odor da fermentação - O aroma das fermentações puras é penetrante, ativo, e tende para odor de frutas maduras. Cheiro ácido, ranço, ácido sulfídrico e outros indicam irregularidades no processo. • Aspecto da espuma - A espuma varia com a natureza do mosto, temperatura, espécies e linhagem de leveduras. Alterações nas características indicam irregularidade no processo.
- 30. Verificação prática da pureza • Drosófilas – São as “moscas do vinagre” que ocorrem quando há infecção acética • Temperatura – Alterações importantes na curva de temperatura, do início ao final da fermentação, alertam para possíveis defeitos no processo. • Densidade do mosto – Durante a fermentação a densidade do mosto decresce segundo uma curva harmônica, com as fases da fermentação. De sua observação, percebe-se as alterações da marcha fermetativa.
- 31. Verificação prática da pureza • Açúcares no mosto – consomem-se de acordo com a curva de densidade. • Acidez no substrato em fermentação – não deve haver grande alteração entre a acidez final e a inicial. Quando a final for maior que o dobro da inicial, é indicação de má fermentação.
- 32. Sistemas de fermentação Descontínuo - sistema de cortes - sistema de reaproveitamento do inóculo - sistema de cultura pura - sistema de recuperação de leveduras Contínuo - várias configurações Células imobilizadas
- 36. Instalações e equipamentos Salas de fermentação - até 1.000 m3 - dornas, centrífugas, pré-fermentadores, tanques de tratamento Recipientes de fermentação - dornas abertas ou fechadas - cilíndricas: H = 2 D - trocadores de calor - volume: 2 a 2,5 vezes a capacidade horária de destilação
- 37. Destilação Mistura azeotrópica Vinhos: sólidos, líquidos e gases Água (88 a 93%) e etanol (12 a 7%) Descontínua ou contínua vinho Destilação etanol flegma Retificação desidratação Etanol 97,2% em volume
- 38. Destilação descontínua Alambiques e pequenas destilarias de aguardente ou de bebidas de vinhos Destilação vinho Destilado de cabeça Destilado de coração Destilado de cauda
- 39. Destilação contínua Destilarias com produção superior a 2.000 L
- 40. Retificação e desidratação Retificação - separação do álcool das impurezas - separam-se como produtos de cabeça ou de cauda - colunas depuradora, destiladora, retificadora, de repasse final Desidratação - uso de arrastadores - absorvente regenerável - peneiras moleculares
- 41. Cana-de-Açúcar 1 t de cana contém: 140 kg de açúcar 140 kg de fibra (bagaço) 140 kg de fibra das folhas e pontas Isso representa ~ 1 barril de petróleo
- 42. Cana-de-Açúcar 1 Ha (10.000m2):produz 80 barris equivalentes de petróleo BRASIL:5,5 milhões de hectares de cana POTENCIAL:440 milhões de barris equivalentes de petróleo Fonte: Valor econômico 15/08/2005
- 43. Cana-de-Açúcar
- 44. Cana-de-Açúcar
- 45. Cana-de-Açúcar Bagaço Excedente 6 a 16 milhões de toneladas/ano Quantidade de Resíduos Lignocelulósicos gerados anualmente no Brasil ~350 x 106 toneladas (40% de umidade)
- 46. Energia da Cana 1 TON DE CANA (COLMOS) Energia (MJ) • 140 kg de açúcar 2 300 • 280 kg de bagaço (50% umidade) 2 500 • 280 kg de palha (50% umidade) 2 500 TOTAL 7 300 (0.16 TEP) 360 milhões de toneladas de cana 58 milhões TEP Consumo de energia primária no Brasil: 200 x106 TEP/ano
- 48. Linhagens mais produtivas, com características desejáveis para produção de etanol e com monitoramento na indústria por técnicas de marcação molecular, foram desenvolvidas em vários laboratórios, destacando-se o da ESALQ/USP, em Piracicaba. Desenvolvimento de processos visando à produção de linhagens melhoradas da levedura Saccharomyces cerevisiae:
- 49. Por tecnologia do DNA recombinante, os laboratórios de pesquisa das universidades de Brasília e da USP desenvolveram em conjunto linhagens de leveduras contendo genes de amilases capazes de utilizar o amido, por exemplo de mandioca ou batata-doce, na produção de etanol. Essas leveduras manipuladas geneticamente estão sendo aperfeiçoadas e poderão desempenhar um importante papel na produção de etanol. A tecnologia do DNA recombinante tem sido também usada por esses e outros laboratórios brasileiros e do exterior na clonagem e seqüenciamento de genes de interesse industrial em fungos.
- 50. Papel da Biotecnologia Avanços e melhorias não seriam possíveis sem a ajuda da biotecnologia, tanto para a matéria prima como para seu processamento Com a ajuda da biotecnologia a cana de açúcar vai continuar sendo imbatível como matéria prima para produção de energias renováveis Melhoria do Balanço de GEE Aumento da Competitividade
- 51. Bioetanol de Segunda Geração Hidrólise Ácida dos Polissacarídeos (HEMICELULOSE e CELULOSE) do Complexo Lignocelulósico
- 53. Legislação Brasileira Fermentadas Fermento-destiladas Por mistura Destiladas Destilo-retificadas Bebida alcoólica = refrescante, aperitivo, ou estimulante destinado à ingestão humana no estado líquido, sem finalidade medicamentosa e contendo mais de 0,5 grau Gay-Lussac de etanol.
- 54. Generalidades sobre bebidas alcoólicas classificação bebidas Matérias-primas °GL Fermentadas Cerveja Vinho Vinho de frutas Sidra Saquê Malte de cevada Suco de uvas Suco de frutas Suco de maçãs Arroz sacarificado variável 10 a 13 10 a 13 4 a 8 14 a 26 Fermento- destiladas Aguardente de cana Uísque Tequila Vodca Caldo de cana Cevada maltada Suco de agave Cereais ou tubérculos 38 a 54
- 55. Glossário Grau Brix = 1° Brix corresponde a 1 g de sólidos dissolvidos em 100 g de solução à 20°C Grau Gay-Lussac = porcentagem em volume de etanol a 15°C Vinho = bebida fermentada de mosto de frutas; meios açucarados provenientes de uma fermentação alcoólica Flegma = líquido alcoólico mais rico que o líquido original e impuro
- 56. Gráficos