Post on 05-Jul-2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS UNIDADE ACADEMICA DE ENGENHARIA AGRICOLA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE AGRONOMIA E MEDICINA VETERINÁRIA DEPARTAMENTO DE SOLOS E ENGENHARIA RURAL
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM GESTÃO SUCROALCOOLEIRA
TRATAMENTO TÉRMICO DO CALDO DE CANA PARA O
PROCESSO DE FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA:
O ESTADO DA ARTE
ANNY KELLY VASCONCELOS DE OLIVEIRA LIMA
CAMPINA GRANDE- PB 2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS UNIDADE ACADEMICA DE ENGENHARIA AGRICOLA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
FACULDADE DE AGRONOMIA E MEDICINA VETERINÁRIA DEPARTAMENTO DE SOLOS E ENGENHARIA RURAL
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM GESTÃO SUCROALCOOLEIRA
TRATAMENTO TÉRMICO DO CALDO DE CANA PARA O PROCESSO DE
FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA: O ESTADO DA ARTE
ANNY KELLY VASCONCELOS DE OLIVEIRA LIMA Engenheira Agrônoma
Orientador: Prof. Dr. Flavio Luiz Honorato da Silva
Monografia apresentada à Universidade Federal de Campina Grande, para obtenção do título de Especialista em Gestão na Indústria Sucroalcooleira.
CAMPINA GRANDE- PB 2010
Às minhas filhas, Maria Luiza e Ana Beatriz,
conceito de amor incondicional
A meus pais, a quem devo todas as minhas alegrias
À minha irmã que tanto amo
A meu esposo Fred pela força em todas as horas
Dedico com amor
TRATAMENTO TÉRMICO DO CALDO DE CANA PARA O PROCESSO DE
FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA: O ESTADO DA ARTE
RESUMO
A partir da cana que o etanol e o açúcar são produzidos, além de
subprodutos como o bagaço e o melaço. Para a produção do açúcar e etanol
é preciso escolher a cultivar adequada para cada região e para sua utilidade.
Depois de cultivada e colhida à cana é transportada até as unidades
beneficiadoras onde passam por processo de limpeza e extração do caldo
sendo este o principio para a produção de cada um destes produtos. Após a
obtenção dos caldos este passa por vários processos e equipamentos
diferentes para cada produto final respeitando a sequência e o tempo de
duração de cada processo. Para o processo de obtenção de etanol é
necessário o controle das etapas como a contaminação do caldo e do
fermento, buscando alternativas eficazes que possam estar diminuindo ou
eliminando a carga microbiana bem como melhorando o rendimento de
produção. Na produção do etanol a etapa mais importante e crítica é a
fermentação, por isso, há necessidade de focar a atenção no processo
fermentativo, em função de contaminações que afetarão o rendimento do
processo, para minimizar perdas na produção. O uso de tratamento térmico
mostra-se eficiente nessa etapa do processo, capaz de destruir
microrganismos contaminantes do caldo ou ainda inativar enzimas.
Palavras-chave: etanol, processo fermentativo, temperatura.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Fluxograma de produção de etanol e açúcar.......................... 13
Figura 2. Colheita manual (A) e mecânica (B) ....................................... 15
Figura 3. Transporte da cana-de-açúcar para as usinas........................ 15
Figura 4. Moenda: equipamento onde se extrai o caldo da cana-de-açúcar......................................................................................................
16
Figura 5. Esquema de extração de caldo em moenda de 6 ternos........ 17
LISTA DE QUADRO
Quadro 1. Variação dos principais componentes do caldo de cana-de-açúcar..........................................................................................................12
SUMÁRIO
RESUMO LISTA DE FIGURAS LISTA DE QUADRO
1. INTRODUÇÃO........................................................................... 7
2. OBJETIVO.................................................................................. 10
3. CALDO DE CANA-DE-AÇÚCAR............................................... 11
4. PROCESSAMENTO DA CANA................................................. 13
4.1. Colheita........................................................................... 14
4.2. Higienização................................................................... 15
4.3. Moagem da cana............................................................ 16
4.4. Preparo do caldo para obtenção do etanol................. 18
5. FERMENTAÇÃO ALCOOLICA................................................. 20
6. TRATAMENTO TÉRMICO........................................................ 23
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS...................................................... 28
8. REFERÊNCIAS CONSULTADAS............................................. 29
7
1. INTRODUÇÃO
A cana-de- açúcar (Sacharum ssp) é uma das gramíneas mais
cultivadas nas regiões tropicais e subtropicais devido à grande contribuição
socioeconômica que sua exploração representa em razão de armazenar
grande quantidade de sacarose (Stupiello, 1987).
O Brasil é um país de grande potencial para elaboração de produtos
derivados da cana-de-açúcar, pois possui condições favoráveis para o seu
cultivo, ou seja, apresenta duas estações distintas, uma quente e úmida,
para provocar a germinação, perfilhamento e desenvolvimento vegetativo,
seguida por outra fria e seca, para promover a maturação e conseqüente
acúmulo de sacarose nos colmos. (Rodrigues & Ortiz, 2006). Há referências
de cultivo da cana e produção de açúcar no Nordeste brasileiro desde a
época da colonização, especificamente no Estado de Pernambuco (então
Capitania de Pernambuco), onde se implantou o primeiro centro açucareiro
do Brasil (Truda, 1971).
Conforme classificação botânica está na divisão Embryophita,
subdivisão Angiosperma, classe Monocotyledonal, ordem Glumifloral, família
Poaceae, tribo Andropogonal, subtribo Saccharal, gênero Saccharum,
espécie Saccharum spp. De acordo com Trento-Filho (2008), as principais
características dessa família são a forma da inflorescência (espiga), o
crescimento do caule em colmos, e as folhas com lâminas de sílica em suas
bordas e bainha aberta.
A agroindústria é um campo em crescimento e desenvolvimento, e
novas tecnologias estão surgindo para aumentar a eficiência dos processos
industriais. Dentre as culturas do setor, a cana-de-açúcar vem sendo alvo de
pesquisas devido aos seus produtos de grande importância econômica como
o etanol (biocombustível), o açúcar e a energia elétrica (cogeração). Com o
crescimento econômico, busca-se o aumento do rendimento industrial e
melhorias das tecnologias de produção.
8
A agroindústria do álcool representa um considerável gerador
econômico, sendo esse setor de suma importância para o país. O Brasil
tornou-se o primeiro país do mundo a desenvolver um programa de
combustível alternativo em substituição à gasolina, e é o maior produtor de
cachaça (Nobre, 2005).
O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, com cerca de
33% da produção, seguido da Índia (22,84%) e China (6,8 %). A produção
mundial de açúcar total é de 165,5 milhões de toneladas, e o Brasil
novamente ocupa a primeira posição, com 19% deste total, seguido pela
Índia, com quase 17% e a China, com 9%. Além de maior produtor, o Brasil
é o maior exportador mundial de açúcar. Em 2008, o Brasil exportou cerca
de 13.625 mil toneladas de açúcar bruto e 5,124 mil m³ de álcool. O valor
das exportações brasileiras de açúcar atingiu US$ 3.649,55 milhões (Anuário
Estatístico Da Agroenergia, 2009).
O processamento industrial da cana-de-açúcar no Brasil e no mundo
pode ter diferentes usos. Além de produzir açúcar e etanol, gera inúmeros
subprodutos como o bagaço, o mel, o vinhoto ou vinhaça, a torta de filtro, o
óleo fusel (álcoois superiores) e a levedura de fermentação alcoólica, trata-
se de explorá-la de forma racional utilizando a forma mais eficiente, para
uma exploração máxima.
Além da produção de açúcar, álcool e aguardente, a cana-de-açúcar é
muito utilizada para a produção de garapa (caldo de cana), muito apreciada
pelo consumidor brasileiro. É uma bebida energética, refrescante, não
alcoólica e acima de tudo de baixo custo, se comparada com outras bebidas
industrializadas. Uma parte do caldo de cana consumido no Brasil é
comercializado por vendedores ambulantes que utilizam moendas para
extração distribuídos em vários pontos das grandes e pequenas cidades
(SoccoL et al., 1990).
A crescente necessidade de ampliar de modo sustentável o uso de
fontes renováveis de energia, para proporcionar maior segurança ao
suprimento energético e reduzir os impactos ambientais associados aos
combustíveis fósseis, encontra no etanol uma alternativa viável
9
economicamente e com significativo potencial de expansão. A produção e o
uso de etanol como combustível veicular vem evoluindo durante as últimas
décadas. Nos dias atuais cresce a procura por veículos “flex” fuel. Com a
possibilidade de escolher o combustível o consumidor em sua grande
maioria vem optando pelo álcool. Países do mundo todo buscam tecnologias
alternativas de energia renovável (Ceballos-Schiavone, 2009).
O setor sucroalcooleiro vem crescendo visando a busca por uma
maior produção de etanol. Desde a segunda metade da década de 70, e
como resposta à primeira crise do petróleo, o governo brasileiro
implementou o Programa Proálcool, uma iniciativa de alcance nacional
financiada pelo governo para proporcionar uma redução progressiva de
todos os veículos que utilizavam combustível derivado de petróleo e
incentivando a substituição da gasolina pelo etanol produzido a partir da
cana-de-açúcar
Segundo Ceballos-Schiavone (2009) para a produção do etanol um
dos parâmetros principais a ser controlado é a fermentação, para isso
necessita-se de um ambiente e meio de fermentação assépticos utilizando
apenas os microrganismos desejáveis, responsáveis pela maior eficiência
fermentativa. Para isso são utilizadas leveduras selecionadas que utilizam os
nutrientes presentes no caldo da melhor forma possível e transformando-os
na maior quantidade de etanol.
10
2. OBJETIVO
O objetivo desta revisão foi identificar e consequentemente analisar as
influências do tratamento térmico sob o caldo de cana para o
desenvolvimento do processo fermentativo.
Para atingir este objetivo principal os seguintes objetivos parciais foram
levados em consideração:
• Discutir as etapas industriais envolvidas na produção do etanol a
partir da cana-de- açúcar, destacando os conceitos envolvidos no
processo.
• Reafirmar de acordo com a literatura a necessidade de mudanças
operacionais visando o aumento da produtividade do etanol,
• Observação de uma estratégia preventiva no controle dos
contaminantes do processo de fermentação alcoólica,
• Recomendação para utilização de um processo térmico a fim de
reduzir a carga microbiana contaminante e a inativação das enzimas
que causam a deterioração dos nutrientes durante o processo.
11
3. CALDO DE CANA-DE-AÇÚCAR
O caldo de cana-de-açúcar é definido como uma solução diluída de
Sacarose, também chamado de garapa é uma bebida opaca, de coloração
variável de pardo a verde escura, e viscoso (Molina et al, 2007a). É um
produto de elevado valor nutritivo, não alcoólico e muito consumido
principalmente em épocas quentes, por ser refrescante (Molina et al.,
2007b), obtido através da moagem da cana, realizada em moendas elétricas
ou manuais, e em seguida, coado em peneiras, podendo ser servido com
gelo, e consumido puro ou adicionado de suco de frutas ácidas, sendo
normalmente comercializado por vendedores ambulantes, denominados
garapeiros, em vias públicas, parques, praças e feiras (Prati et al, 2005)
O caldo de cana-de-açúcar, por conter várias quantidades de
nutrientes orgânicos e inorgânicos, alta atividade de água, pH entre 5,0 e 5,5
e temperatura de 25 a 30ºC, é um produto extremamente perecível e estraga
rapidamente (Gallo & Canhos, 1991), que favorece o desenvolvimento de
microrganismos deterioradores do tipo leveduras e bactérias (Prati et al.,
2003). Passadas 24 horas, mesmo sob refrigeração, já apresenta sinais de
alteração de sabor e aparência (Yusof et al., 2000). A perda de qualidade do
produto é principalmente devida à sua fermentação, que resulta em um
produto ácido (Bhupinder et al., 1991).
Segundo Mafra (2004) o caldo de cana-de-açúcar pode apresentar
uma variação de composição, devido principalmente à variedade, idade e
fitossanidade da cana, condições climáticas, tratos culturais, condições do
solo, tempo de colheita até o processamento.
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No quadro 1, pode-se observar a variação dos principais
componentes do caldo de cana-de-açúcar
Quadro 1. Variação dos principais componentes do caldo de cana-de-açúcar bruto.
Componentes Variação analítica
Mínimo Máximo
Sacarose 8,0% 20%
Açucares redutores 0,3% 2,5%
mg/100mL mg/100mL
Cinzas 250 600
Cálcio (Ca) 8 30
Magnésio (MgO) 10 30
Potássio (K2O) 80 250
Sódio (Na2O) 30 60
Fósforo (P2O5) 7 40
Ferro (Fe2O3) 2 10
Alumínio (Al2O3) 2 5
Cloro (Cl) 15 30
Sulfato (SO4) 30 50
Sílica (SiO4) 10 50
Proteínas (N * 6,25) 150 400
Gomas 20 50
Pectinas 20 100
Ceras, Gorduras 50 150
Amido 55 50
Ácidos Orgânicos 50 150
Fonte: Mafra (2004)
13
4. PROCESSAMENTO DA CANA
A execução das etapas é diferenciada de produtor para produtor, mas
de modo geral são similares. Estando no estado de maturação adequado a
cana é colhida e processada o mais rápido para que não ocorra degradação
e perda de sacarose.
As etapas na produção do açúcar e do etanol diferem apenas a partir
da obtenção do caldo, que poderá ser fermentado para a produção de álcool
ou tratado (tratado) para a produção de açúcar.
Secagem Figura 1. Fluxograma de produção de etanol e açúcar Fonte: Camargo et al. (1990).
Recepção da cana
Lavagem
Moagem Caldeiras
Fermentação Preparo do caldo
Armazenamento e comercialização
Armazenamento e comercialização
Destilação
Tratamento químico
Colheita e transporte
ETANOL
AÇÚCAR
Cristalização
Concentração do caldo
Centrifugação
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4.1. Colheita
A colheita da cana consiste em um processo dinâmico, que permite o
fornecimento de matéria prima à indústria e, envolve desde o planejamento
de queima (se for o caso) e corte até a entrega da cana na indústria.
A época de colheita no Brasil varia com a região. Nas regiões
sudeste, centro oeste e sul a colheita inicia-se entre abril e maio
prolongando-se até novembro, período em que a cana atinge a maturação
plena. Na região Nordeste a colheita tem inicio de julho a agosto e prolonga-
se até março do ano seguinte, em alguns casos.
No Brasil o uso da queima ainda é muito usado com o objetivo de
eliminar a palha e a ponteira da cana, facilitando a colheita manual devido ao
maior acesso à cultura. Entretanto, provoca uma evaporação de parte da
água presente, o que não é um fato desejado para cana destinada à
fabricação de açúcar e etanol (Tfouni et al.,, 2007).
A colheita pode ser realizada de forma manual ou mecânica (Figura 2
A e B). A mecânica tem um maior custo quando comparada com a colheita
manual; socialmente provoca uma redução na procura por mão-de-obra
devido à substituição desta mão de obra por máquinas (Embrapa, 2004).
Outro inconveniente da colheita mecânica é a maior quantidade de
matéria estranha, o que causa redução de qualidade tecnológica da matéria-
prima. No caso da cana crua, ou seja, quando não houve queima do
canavial antes da colheita, a incidência de materiais estranhos e perdas
tende a aumentar devido a maior massa vegetal processada pela colhedora.
Existem dois tipos de perda na colheita de cana. As visíveis, que são
detectadas visualmente, e as perdas invisíveis, que estão presentes no
produto na forma de caldo, como os estilhaços (Neves et al., 2004).
15
Figura 2 A e B: Colheita Manual e Colheita mecânica Fonte: www.pitaa.com.br /galimages.html
Após o corte, a cana é transportada para as usinas (Figura 3), onde é
lavada desprendendo a sujeira mais grossa e moída.
Figura 3: Transporte da cana-de- açúcar para as usinas Fonte:www.luvep.com.br/
4.2. Higienização
A cana-de-açúcar transportada à usina passa pelo processo de
lavagem, para retirada das impurezas, tais como: areia; pedras, folhas. De
acordo com Carvalho & Magalhães (2007) os comerciantes não armazenam
a cana de forma correta, expondo diretamente no chão, com objetivo de
atrair consumidores, não seguindo as Boas Práticas de Fabricação (BPF), e
os cuidados de higienização necessários ao produto antes do
processamento, efetuando apenas a raspagem para retirar a casca.
De acordo com os mesmos autores, irregularidades higiênico-
sanitárias no processamento podem causar sérios problemas à saúde do
consumidor; a ingestão de produtos processados em condições
16
insatisfatórias pode levar a intoxicações. No ano de 2005 em Santa Catarina
ocorreu um surto de casos agudos de Mal de Chagas, ocasionando o óbito
de três pessoas, tendo as investigações epidemiológicas apontado como
causa à ingestão de caldo de cana contaminado pelo protozoário
Trypanossoma cruzi.
4.3. Moagem da cana
A moagem é uma operação unitária que visa a extração do caldo da
cana, presente nos tecidos de reserva ou células parenquimatosas dos
colmos, (Venturini Filho, 2005). A extração do caldo é um dos fatores que
governam o rendimento de cachaça, açúcar ou álcool por tonelada de cana
processada, estando este diretamente relacionado com o número e tipo de
unidades esmagadoras, como também o perfeito desempenho das
moendas. Extração quer dizer a quantidade de açúcar (ou, de forma mais
simples, caldo) extraído por tonelada de cana.
A moenda é um equipamento composto por cilindros ou rolos (Figura
4). A fonte de energia para o funcionamento do motor do equipamento pode
ser elétrica, diesel, ou vapor, e possuem reguladores de pressão com
objetivo de controlar as aberturas de entrada e saída, e também a pressão
exercida sobre a massa de bagaço (Venturini-Filho, 2005).
Figura 4: Moenda: equipamento onde se extrai o caldo da cana-de- açúcar
Fonte: www.pitaa.com.br /galimages.html
17
O caldo primário (Figura 5) é aquele extraído do primeiro terno
isoladamente e o secundário, aquele extraído do segundo, sendo acumulado
a ele o caldo dos demais ternos, mais a embebição. O caldo misto, por sua
vez, é a mistura dos dois. O caldo primário é mais rico em açúcar redutor
total (ART) que o secundário, ou misto, sendo, assim, mais apropriado para
a fabricação do açúcar, uma vez que, para sua fabricação, é necessário
promover a concentração (elevar o °Brix) desse ART ao longo das fases
seguintes (Dal Bem, s.d).
Figura 5: Esquema de extração de caldo de moenda de 6 ternos
Fonte: DAL BEM, (s.d)
A maior parte do peso total da cana-de- açúcar é proveniente de
liquido. É constituída de uma parte dura, composta pela casca e nós, que
representa aproximadamente 25% do peso da cana, dentro desta parte tem-
se 15% do líquido total. Possui também uma parte mole, que representa os
outros 75% do peso, é representado pela medula, onde se encontra 85% do
liquido total (Venturini Filho, 2005).
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
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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.
4.4. Preparo do caldo para obtenção de etanol
O caldo de cana após sua extração apresenta impurezas, também
chamadas de bagacilhos, que devem ser removidas, pois, pode trazer uma
série de inconvenientes, dentre eles o entupimento de canais e bicos, além
de formação de produtos indesejados para qualidade do produto final
(Venturini-Filho, 2005).
A clarificação visa à obtenção de um caldo livre de impurezas. Para
esse objetivo estão envolvidas as etapas de peneiragem, tratamento
químico, aquecimento, decantação e filtragem do caldo (Dal Bem, s.d).
A clarificação do caldo de cana melhora a cor do produto. Sua
finalidade não é a obtenção de um liquido límpido e sim turvo amarelado
(Prati, et al,, 2005). Uma forma de realizar a clarificação do caldo de cana é
através da coagulação, floculação e precipitação dos colóides e substâncias
que conferem cor, eliminadas por posterior decantação e filtração, ou seja,
forma-se um precipitado insolúvel que absorve e arrasta tais constituintes do
caldo (Mafra, 2004). A coloração amarelada do caldo de cana está ligada à
degradação da clorofila. O meio ácido faz com que a tonalidade verde se
torne amarela, pois a interação da clorofila com ácido resulta na perda do
magnésio das clorofilas, sendo substituído por um próton fornecido pelos
ácidos (Iaderoza & Draetta, 1991).
Inicialmente adiciona-se anidrido sulfuroso (SO2) 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; e diminuir a viscosidade do caldo
e; conseqüentemente do xarope, massas cozidas e méis, facilitando as
19
operações de evaporação e cozimento. 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 (Mafra, 2004).
Em seguida o tratamento consiste em aquecer o caldo a
aproximadamente 105 ºC sem adição de produtos químicos, e após isto,
decantá-lo. O aquecimento do caldo proporciona a redução da viscosidade e
densidade do caldo e acelera a velocidade das reações químicas,
agrupando as impurezas na forma de pequenos “flocos“. Os sais formados
são insolúveis a altas temperaturas, possibilitando a sua decantação (Silva
et al., 2006).
Após decantação, o caldo clarificado irá para a pré-evaporação e o
lodo para novo tratamento. Na pré-evaporação o caldo é aquecido a
aproximadamente 115 ºC, 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 esterilizado, o caldo está
pronto para ser enviado á destilaria (Roza, 2008).
Prepara-se o mosto, cuja concentração de açúcar foi ajustada de
forma a facilitar sua fermentação e 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 definem-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.
A função do tratamento de caldo para açúcar é a retirada de
insolúveis (areia, bagacilho, etc.), ceras, colóides hidrófilos, cinzas, ácidos
orgânicos, enfim substâncias que provocam: aumento da viscosidade de
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xaropes, massas cozidas e méis; diminuição da velocidade de cristalização
da sacarose; ou seja que irá conferir uma produção de açúcar de baixa
qualidade. Com relação ao tratamento de caldo para fabricação de álcool
quanto mais completo for o tratamento térmico, maior será a tendência de
aumentar a eficiência da fermentação, e, portanto, maior a produção de
álcool por tonelada de cana. O rendimento em álcool na fermentação será
tanto maior quanto melhor for: a redução do teor de impurezas grosseiras
que acompanham o caldo, tanto de natureza vegetal como mineral; a
redução do número de microrganismos oriundo do campo, também
multiplicados durante as operações preliminares do processamento; a
garantia de continuidade do processo fermentativo nas paradas das
moendas (Camargo et al.,1990).
5. FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
A fermentação alcoólica consiste na transformação dos açúcares do
mosto em álcool, gás carbônico e energia, sobre a ação enzimática das
leveduras (Camargo et al., 1990).
As leveduras são microrganismos eucariontes (possuem estrutura
interna complexa), unicelulares, desprovidos de clorofila e podem ser
encontrados em quase todo lugar no ambiente. A habilidade de converter
açúcares em etanol é característica de um pequeno grupo de
microrganismos, sendo Saccharomyces cerevisiae, dentre as leveduras, a
que mais se destaca pela alta produção e tolerância a concentrações
elevadas de etanol (Schwan & Castro, 2001).
Segundo Ribeiro et al. (1987), as células de leveduras apresentam
necessidades nutricionais durante o processo de fermentação alcoólica,
influenciando diretamente na multiplicação e no crescimento celular como
também na eficiência da transformação de açúcar em álcool. Para que
ocorra uma vigorosa fermentação, é necessária que as exigências
nutricionais da levedura (fermento) sejam supridas, permitindo, assim, a
produção e garantindo a viabilidade celular (Schwan & Castro, 2001).
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Inicialmente, a sacarose, que é um dissacarídeo, se hidrolisa na
presença da enzima invertase, produzindo glicose e frutose, ambas
monossacarídeos (C6H12O6).
H2O
C12H22O11 C6H12O6 + C6H12O6 Sacarose invertase glicose frutose
Na sequência, sob ação da enzima zimase, os monossacarídeos são
fermentados produzindo etanol e gás carbônico.
Zimase
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 Glicose 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, Esse fenômeno é conhecido como fervura fria. O
tempo de fermentação varia de 4 a 12 h. 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 (Camargo et al, 1990).
Devido à grande quantidade de calor liberado durante o processo e á
necessidade da temperatura ser mantida baixa (34 °C), é preciso realizar o
resfriamento do fermentado (mosto), circulando água em serpentinas
internas às dornas, ou em trocadores de calor, por onde o mosto é
bombeado continuamente com água contracorrente. Após a fermentação o
mosto fermentado é enviado para as centrífugas, para que a levedura usada
no processo seja recuperada.
22
A levedura após passar pelo processo de fermentação se "desgasta",
por ficar exposta a teores alcoólicos elevados. Após a separação do
fermento do mosto fermentado, 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 (Ribeiro et al., 1987).
É possível obter etanol de três formas: por via destilatória, por via
sintética (a partir de hidrocarbonetos não saturados e de gases de petróleo e
da hulha) e por via fermentativa. A forma fermentativa é a mais vantajosas
aqui no Brasil, uma vez que há uma grande disponibilidade de matéria-prima
(Lima et al., 2001). A produção de etanol via fermentativa no Brasil é feita
utilizando-se, principalmente, a cana-de-açúcar que foi introduzida no Brasil
no século XVII (Gouveia, 2006).
Nos países em que não há produção de cana-de-açúcar outras
matérias-primas são utilizadas na produção de etanol e de bebidas
alcoólicas. As mais utilizadas são as frutas e os cereais. Os sucos de frutas
são geralmente boa fonte de açúcares fermentescíveis, e as frutas são desta
forma, usadas como matéria-prima para a produção de bebidas alcoólicas,
devido a sua relativa abundância, alto conteúdo de açúcar e baixo custo, o
que fez das uvas uma escolha favorável. Outras matérias-primas
começaram a serem utilizadas, mesmo aquelas não diretamente
fermentescíveis como os cereais. Atualmente os cereais são amplamente
utilizados na produção de algumas bebidas alcoólicas, como a cerveja, o
uísque, saquê, dentre os quais podemos citar: o milho, a cevada, o trigo, o
centeio, entre outros (Cole & Noble, 1995).
Em geral, a fermentação pode ser conduzida por três diferentes
sistemas: convencional em batelada, descontínuo-alimentado e contínuo,
que são escolhidos pelos produtores de acordo com o tipo de indústria. O
método convencional é o comumente adotado pelos produtores de
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aguardente artesanal e consiste em colocar o inóculo e todo o meio a ser
fermentado juntos na dorna de fermentação. Após 24 horas, destila-se o
produto, lava-se a dorna e inicia-se novo processo. Esse método interfere
significativamente no metabolismo das leveduras, fazendo com que as
células sejam mais sensíveis aos efeitos tóxicos do etanol. No sistema de
bateladas sucessivas, há o aproveitamento do fermento em várias
fermentações subseqüentes. No sistema descontínuo alimentado, a dorna é
alimentada aos poucos, de modo que mantenha um teor de açúcar pré-
estabelecido e inferior ao utilizado no sistema de batelada. No processo
contínuo, alimenta-se a dorna com fluxo contínuo de substrato, em
concentração conveniente, e retira-se também de forma contínua parte do
líquido (sem levedura) a ser destilado (Schwan & Castro 2001).
A produção de etanol no Brasil é atualmente realizada pelo processo
de fermentação em batelada alimentada ou contínuo, com reciclo de células
de leveduras, de forma que contaminantes bacterianos são também
reciclados e podem causar problemas devido à competição pelo mesmo
substrato (Meneghin et al., 2008).
6. TRATAMENTO TÉRMICO
Segundo Baruffaldi & Oliveira (1998) a aplicação do tratamento
térmico tem como objetivo a inativação enzimática, diminuição da carga
microbiana e destruição de bactérias patogênicas, visando a conservação
dos nutrientes do meio. A intensidade do tratamento térmico depende
principalmente do valor do pH, da composição e das características físicas
dos alimentos e é o resultado da combinação de parâmetros tempo-
temperatura.
A temperatura influencia o desenvolvimento da fermentação. Esta é
pouco provável abaixo dos 12º C e torna-se mais rápida quanto mais
elevada for à temperatura. Porém, as temperaturas mais elevadas eliminam
as leveduras responsáveis por laborar os aromas e propiciam o
aparecimento da indesejável acidez volátil, pelo que se torna necessário
24
controlá-la o que pode prolongar o tempo de fermentação de um mosto até
várias horas. Existem múltiplas formas de controlar a temperatura de
fermentação - desde sistemas elétricos de refrigeração a simples chuveiros
sobre cubas de aço inox, passando por adegas bem frescas (Gouveia,
2006).
De acordo com Marafante (1993), o aquecimento do caldo consiste na
elevação da temperatura do caldo pelo vapor de escape ou vapor vegetal
(por ser oriundo do processo de concentração do caldo, vindo dos
evaporadores) em trocadores de calor do tipo tubular, denominados
aquecedores, até à temperatura entre 90° a 105°C, visando remover
albuminas e impurezas coloidais, induzindo sua separação por floculação e
precipitação nos decantadores. Nesta temperatura, o caldo estará adequado
à decantação e pasteurização, isto é, praticamente isento de bactérias
contaminantes. O aquecimento proporciona também a degradação das
proteínas do caldo de cana, ocasionando menor formação de espuma nas
dornas, durante a fase de fermentação.
Segundo Amorim et al. (1989) uma das principais preocupações na
indústria sucro-alcooleira é combater os microrganismos contaminantes do
processo de produção de álcool, representados pelas bactérias e leveduras
selvagens que se instalam no processo. Estes contaminantes são
causadores de problemas tais como: o consumo de açúcar, a queda de
viabilidade de células de levedura devido às toxinas excretadas no meio, a
floculação do fermento, o que acarreta perda de células de levedura pelo
fundo de dorna ou na centrífuga e a queda no rendimento industrial.
O método empregado tradicionalmente pela indústria sucroalcooleira
para tratamento do fermento é a utilização do ácido sulfúrico concentrado
com o objetivo de reduzir sua carga microbiana contaminante. O ácido
sulfúrico comumente empregado é do tipo comercial com 98% em peso de
ácido sulfúrico, no processo essa quantidade torna-se pequena comparada
aos outros insumos, porém deve-se dar uma atenção especial. A
periculosidade deste ácido, revelada pela corrosividade para a maioria dos
metais principalmente nas concentrações mais baixas e pelo poder de
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oxidação e desidratação, constitui risco sério seja para a unidade seja para
os indivíduos envolvidos no manuseio. A instalação de armazenagem e
distribuição deve ser projetada com cuidados especiais (Nobre, 2005).
Valsechi (2005), em pesquisa visando aplicar uma metodologia que
propiciasse o controle das contaminações microbianas, especialmente as
bactérias produtoras de ácido lático (BAL), submeteu as linhagens
CCT4143; CCT4144; CCT4145; CCT4146 e FT038B de Lactobacillus
fermentum ao aquecimento provocado por radiações eletromagnéticas
(microondas) e aquecimento convencional. Nessa condição foi verificada a
eliminação total de L. fermentum quando irradiadas com microondas (2450
MHz), em 9 s quando a temperatura atinge 58,3 °C, ao passo que quando
submetidas ao aquecimento convencional nesta mesma temperatura a
diminuição foi de 80% após 10 min.
Sivasubramanian & Pai (1994), estudando diferentes formas de
tratamento térmico e sua influência na qualidade do caldo de cana,
submeteram a cana a diferentes tratamentos de branqueamento a vapor e
obtiveram melhores resultados com o branqueamento feito após um
descascamento parcial das canas. Os melhores resultados em termos
sensoriais no tratamento térmico do caldo foi o processo Hight Temperature
Short Time (HTST), pois a sua alta taxa de transferência de calor e
resfriamento, não permitiu a formação de produtos de degradação. O
branqueamento inicial garantiu uma melhor coloração do produto, verde
amarelado. O descascamento parcial associado ao tratamento térmico,
possivelmente inativou o complexo polifenol-oxidase, que é responsável pela
oxidação dos compostos fenólicos presentes na cana, causando assim um
escurecimento do caldo extraído.
Franchi et al. (2003) testaram o efeito da temperatura sobre os
microrganismos, e determinaram o valor D60C, para as bactérias
contaminantes do gênero Lactobacillus em meio de caldo de cana clarificado
a 14 ºBrix e pH = 6,5. Os valores de D60C obtidos foram: 0,75 min para L.
fermentum, 0,29 min para L. plantarum e 1,57 min para Leuconostoc
mesenteroides e um valor z para L. fermentum de 7,7 °C.
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Nolasco (2005) constatou que algumas bactérias dos gêneros
Sporolactobacillus e Bacillus apresentam baixa resistência térmica. Verificou
também que o processo de decantação assegura a total eliminação dos
lactobacilos contaminantes da fermentação alcoólica, de forma que se eles
aparecem posteriormente na fermentação é por recontaminação. Foram
utilizados em seus experimentos decantadores rápido sem bandeja (tempo
médio de residência de 1,15 horas) e decantadores convencionais com
bandeja (tempo de residência de 2,5 h) e a temperatura avaliada para a
letalidade foi de 93,61 °C.
Nos difusores o caldo é exposto a condições ideais para crescimento
microbiano de acordo com Chen (1985), visto que o pH é normalmente
acima de seis devido à calagem. Para evitar o crescimento bacteriano a
temperatura no difusor não deve ser menor que 75 ºC. Abaixo destas
temperaturas ocorrem o crescimento de bactérias láticas que consomem o
açúcar, diminuindo o ºBrix e aumentando a concentração de ácido lático
causando prejuízos à fermentação.
Ceballos-Schiavone (2009) utilizou em experimento caldos de cana-de-
açúcar clarificados por duas formas diferentes: por aquecimento e por adição
de fosfato mono hidratado de sódio, e observou que sete espécies de
Lactobacillus são sensíveis à temperatura da água em ebulição, não
sobrevivendo por mais de 4 minutos, não importando a forma como foi feita
a clarificação (aquecimento ou adição de fosfato mono hidratado de sódio).
Após a extração, o caldo de cana torna-se escuro e apresenta
sedimentação. São utilizados tratamentos térmicos para evitar esse
escurecimento, porém os tratamentos térmicos convencionais conferem um
sabor de melado ao caldo, afetando de forma negativa seu sabor
característico. Singh et al. (2002) ao pesquisarem sobre a preservação do
caldo de cana, a fim de se obter uma bebida pronta para beber, com boa
aceitação sensorial, concluiu que a pasteurização do caldo de cana a 70 °C
durante 10 minutos, seguida da adição de ácido cítrico (40mg/100ml de
suco), ácido ascórbico (40mg/100ml) e 150 ppm de metabissulfito de
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potássio, como agente conservador, conferiu ao produto acondicionado em
garrafas previamente esterilizadas, estabilidade de 90 dias sob refrigeração.
Já os autores Bhupinder et al. (1991), com o mesmo objetivo
mostraram que o tratamento térmico (80° C / 10 min) seguido da adição de
140 mg/L de metabissulfito de potássio, 3% de suco de limão e 1% de
extrato de gengibre conferiu uma estabilidade de 24 semanas ao produto
engarrafado e um bom índice de aceitação entre provadores.
A temperatura tem influência direta sobre o desenvolvimento da
fermentação sendo ela um dos fatores mais consideráveis nesse processo.
O tratamento térmico que venha a ser utilizado será um dos responsáveis
pela eficiência do processo, diminuindo a infestação microbiana e inativando
enzimas que causam a deterioração dos nutrientes durante o
armazenamento.
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7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
No Brasil, a cultura da cana-de-açúcar desde sua introdução até os
dias atuais é um importante fator socioeconômico. A agroindústria do açúcar
é uma das mais importantes do mundo, e o Brasil ocupa posição privilegiada
de um dos maiores produtores mundiais.
A grande produção canavieira fez do Brasil um dos pioneiros no uso
do etanol como energia renovável, e a cada dia desenvolvem-se tecnologias
eficientes de produção de etanol em grande escala, com menores custos e
emprego de matéria-prima com grande potencial energético.
Um dos parâmetros principais a ser controlado na produção do etanol
é a fermentação, para isso é necessário o controle das etapas como a
contaminação do caldo e do fermento, buscando alternativas eficazes que
possam estar diminuindo ou eliminando a carga microbiana bem como
melhorando o rendimento de produção. Por isso necessita-se de um
ambiente e meio de fermentação assépticos utilizando apenas os
microrganismos desejáveis, responsáveis pela maior eficiência fermentativa.
Logo, é necessária a utilização de leveduras selecionadas que utilizam os
nutrientes presentes no caldo da melhor forma possível e transformando-os
na maior quantidade de etanol.
A temperatura é indiscutivelmente um dos parâmetros mais
importantes que afetam a fermentação, ela influencia no metabolismo da
levedura e na produção de compostos voláteis. O tratamento térmico
mostra-se eficiente e conveniente, pois além de destruir microrganismos o
calor ainda inativa enzimas que podem causar a deterioração do alimento
durante a estocagem. A literatura cita vários tratamentos térmicos utilizados
e recomendados para a fermentação alcoólica de forma positiva, ou seja,
utilizados para o controle dos fatores negativos da fermentação para
obtenção do etanol.
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8. REFERENCIAS CONSULTADAS
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