Rendimento de Fermentação

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁUNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁCENTRO DE TECNOLOGIACENTRO DE TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA

RENDIMENTO DE RENDIMENTO DE FERMENTAÇÃOFERMENTAÇÃO

Marco Aurélio CanhaMarco Aurélio Canha

Orientadora: Profa. Dra. Eliane D. G. DanesiOrientadora: Profa. Dra. Eliane D. G. Danesi

CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM CADEIA PRODUTIVA EM CADEIA PRODUTIVA

SUCROALCOOLEIRASUCROALCOOLEIRA

Evolução da ProduçãoEvolução da Produção

Brasil foi o pioneiro na utilização do Brasil foi o pioneiro na utilização do etanol como combustível (Proálcool – etanol como combustível (Proálcool – 1975)1975)

– Energia renovávelEnergia renovável– Tecnologia 100% nacionalTecnologia 100% nacional– Mão-de-obra diretaMão-de-obra direta– Estratégico (nacionalístico e dispersão Estratégico (nacionalístico e dispersão

territorial)territorial)

Nova fase do etanol brasileiro:Nova fase do etanol brasileiro:

– Flex FuelFlex Fuel– Protocolo de Quioto (etanol + Protocolo de Quioto (etanol +

energia elétrica)energia elétrica)– ExportaçõesExportações

Paraná: 2º Produtor NacionalParaná: 2º Produtor NacionalÁlcool (em m³)

Safras Área de

Cana (hectares)

Cana Moída Toneladas

Açúcar Toneladas Anidro Hidratado Total

90/91 - 10.862.957 221.113 47.491 579.588 627.079 91/92 179.684 11.401.098 235.827 107.369 629.608 736.977 92/93 180.850 11.989.326 232.776 97.024 635.347 732.371 93/94 191.314 12.475.268 305.148 67.250 663.449 730.699 94/95 202.203 15.531.485 430.990 77.612 809.180 886.792 95/96 236.511 18.596.119 555.842 99.099 979.613 1.078.712 96/97 273.679 22.258.512 789.858 199.998 1.047.023 1.247.021 97/98 313.928 25.035.471 973.718 425.002 915.756 1.340.758 98/99 315.819 24.524.685 1.261.913 366.185 673.197 1.039.382 99/00 313.052 24.537.742 1.430.202 432.412 604.034 1.036.446 00/01 293.633 19.416.206 996.542 262.429 536.839 799.268 01/02 296.077 23.120.054 1.367.066 367.141 593.071 960.212 02/03 319.781 23.990.528 1.481.723 409.082 568.489 977.571 03/04 332.123 28.508.496 1.854.528 488.210 736.037 1.224.247 04/05 356.377 29.059.588 1.814.525 419.418 794.445 1.213.863 05/06 363.843 24.809.178 1.503.421 347.368 692.463 1.039.831 06/07 403.741 31.994.580 2.178.076 427.754 892.729 1.320.483 07/08 486.127 40.369.063 2.509.288 370.350 1.488.203 1.858.553 08/09 555.563 44.829.652 2.459.512 432.775 1.618.640 2.051.415

Objetivo do estudoObjetivo do estudo

Apresentar formas para o cálculo Apresentar formas para o cálculo do Rendimento de Fermentaçãodo Rendimento de Fermentação

Aumento de 1% no rendimento Aumento de 1% no rendimento de fermentação 1,8 de fermentação 1,8 milhões de litros em usinas de 2 milhões de litros em usinas de 2 milhões de toneladas de canamilhões de toneladas de cana

Processo ProdutivoProcesso Produtivo

Cana-de-açúcar:Cana-de-açúcar:

– Gramínea semi pereneGramínea semi perene– Áreas de cultivo: centro-Áreas de cultivo: centro-

Sul e Norte-NordesteSul e Norte-Nordeste– Origem: Sudeste AsiáticoOrigem: Sudeste Asiático– Brasil: primórdios da Brasil: primórdios da

colonização. colonização. – Clima favorável.Clima favorável.

Composição da canaComposição da cana

Fibra + Caldo AbsolutoFibra + Caldo Absoluto– Caldo Absoluto: Caldo Absoluto:

18 - 25% de sólidos solúveis (ºbrix)18 - 25% de sólidos solúveis (ºbrix) 75 – 82% água75 – 82% água

– Sólidos solúveis:Sólidos solúveis: 18% açúcares (principalmente sacarose, 18% açúcares (principalmente sacarose,

glicose e frutose)glicose e frutose) Não-açúcares orgânicos (proteínas, Não-açúcares orgânicos (proteínas,

aminoácidos, ácidos málico, succínico e aminoácidos, ácidos málico, succínico e outros) e inorgânicos – cinzas (ferro, outros) e inorgânicos – cinzas (ferro, cobre, alumínio, enxofre, outros)cobre, alumínio, enxofre, outros)

Cana x milhoCana x milho

Milho: 3 a 4 mil litros de etanol Milho: 3 a 4 mil litros de etanol por hectarepor hectare

Cana-de-açúcar: 6 mil litros de Cana-de-açúcar: 6 mil litros de etanol por hectare (podendo etanol por hectare (podendo chega a 8,1 mil litros/hectare)chega a 8,1 mil litros/hectare)

IndústriaIndústria

Recepção de canaRecepção de cana

Colheita manual (cana queimada) ou Colheita manual (cana queimada) ou mecânica (cana crua)mecânica (cana crua)

Transporte predominantemente rodoviárioTransporte predominantemente rodoviário Descarregamento: guindaste tipo HiloDescarregamento: guindaste tipo Hilo

Mesa AlimentadoraMesa Alimentadora

Inicialmente Inicialmente inclinação de 15ºinclinação de 15º

Melhorar a Melhorar a performance da performance da lavagem: lavagem: inclinações de até inclinações de até 50º50º

Preparo de canaPreparo de cana

Extração de caldoExtração de caldo

Moenda

Difusor

Tratamento de caldoTratamento de caldo


Sequência de processo físicos e Sequência de processo físicos e químicos.químicos.– Peneira rotativa: remoção de Peneira rotativa: remoção de

impurezas grosseiras do caldo.impurezas grosseiras do caldo.

– Sulfitação: Dióxido de enxofre (SOSulfitação: Dióxido de enxofre (SO22). ). Coagulação de matérias coloidais. Coagulação de matérias coloidais. Ação anti-séptica.Ação anti-séptica.

Tratamento de caldoTratamento de caldo– Caleação: Ca(OH)Caleação: Ca(OH)22 (leite de cal). (leite de cal).

Precipitar impurezas e neutralizar o pH.Precipitar impurezas e neutralizar o pH.– Aquecimento: 100 a 105ºC. Redução da Aquecimento: 100 a 105ºC. Redução da

viscosidade e densidade. Sais formados viscosidade e densidade. Sais formados são insolúveis a altas temperaturassão insolúveis a altas temperaturas

– Flasheamento: eliminação do ar Flasheamento: eliminação do ar dissolvido no caldodissolvido no caldo

– Decantação: polímero aniônico Decantação: polímero aniônico (promove o agrupamento dos flocos). (promove o agrupamento dos flocos). Remoção das impurezas por Remoção das impurezas por sedimentação.sedimentação.

DecantadorDecantador


– Filtro rotativo: Filtro rotativo: filtrar o lodo filtrar o lodo proveniente do proveniente do processo de processo de decantação.decantação.

EvaporaçãoEvaporação Consiste na retirada de água do caldo através Consiste na retirada de água do caldo através

de evaporadores de múltiplo efeito. Este de evaporadores de múltiplo efeito. Este processo dá origem ao xarope (60 – 70º Brix)processo dá origem ao xarope (60 – 70º Brix)

Cozimento, Cozimento, cristalização e cristalização e centrifugaçãocentrifugação Cristalização: etapa mais Cristalização: etapa mais

importante da produção de importante da produção de açúcar – qualidadeaçúcar – qualidade

Equipamento: cozedores a vácuoEquipamento: cozedores a vácuo Sistema de duas massasSistema de duas massas

Produção de AçúcarProdução de Açúcar

Recuperação de Recuperação de AçúcarAçúcar 1 Ton Cana

140 Kg Pol

Lavagem

Extração 138,6 Kg

Perdas 5,6 Kg

Perdas 1,4 Kg

Tratamento de Caldo 133 Kg

Produção de Açúcar 132,3

Perdas 0,7 Kg

Perdas 1,5 Kg

Melaço 16,45 Kg

Açúcar (Pol=96,05%) 114,35 Kg

Açúcar Produzido 119,05 Kg

Rend: 85,04%

Produção de EtanolProdução de Etanol

Processo Biotecnológico = FERMENTAÇÃOProcesso Biotecnológico = FERMENTAÇÃO

Processo Termo-físico = DESTILAÇÃOProcesso Termo-físico = DESTILAÇÃO

Produção de EtanolProdução de Etanol

Preparo do mosto: ajuste da concentração Preparo do mosto: ajuste da concentração de açúcares do mosto a valores de açúcares do mosto a valores adequados (caldo, xarope, mel, água)adequados (caldo, xarope, mel, água)

Fermentação: as leveduras convertem os Fermentação: as leveduras convertem os açúcares do mosto a etanol (vinho bruto)açúcares do mosto a etanol (vinho bruto)

Centrifugação: Separação entre o leite de Centrifugação: Separação entre o leite de levedura e o vinho delevedurado.levedura e o vinho delevedurado.

Fermentação e centrifugaçãoFermentação e centrifugação

DestilaçãoDestilação

Baseia-se na diferença de Baseia-se na diferença de volatilidade em uma mistura de volatilidade em uma mistura de líquidos a serem separadoslíquidos a serem separados

Coluna A: coluna de esgotamentoColuna A: coluna de esgotamento– VinhaçaVinhaça– FlegmaFlegma

DestilaçãoDestilação

Coluna B: coluna de RetificaçãoColuna B: coluna de Retificação– Álcool HidratadoÁlcool Hidratado– FlegmaçaFlegmaça

Coluna C: coluna de DesidrataçãoColuna C: coluna de Desidratação– Álcool AnidroÁlcool Anidro– CiclohexanoCiclohexano– MEGMEG– Peneira MolecularPeneira Molecular

FermentaçãoFermentação

Fermentação: conhecida desde a Fermentação: conhecida desde a antiguidade.antiguidade.

1857: Pasteur descobriu que o 1857: Pasteur descobriu que o etanol obtido na fermentação era etanol obtido na fermentação era produto da leveduraproduto da levedura

Processo de reações químicas Processo de reações químicas catalizada por um microrganismo catalizada por um microrganismo chamado Saccharomyces chamado Saccharomyces cerevisiae cerevisiae

Sequência Sequência de reações de reações da da fermentaçãfermentaçãoo

FermentaçãoFermentação

2tancos COolEeGli levedura

61262112212 2 OHCOHOHC

2526126 22 COOHHCOHC

Resumidamente:

Sacarose é invertida a glicose e frutose:

Frutose é invertida a glicose e etanol é produzido pela conversão das hexoses:

Outros produtos da Outros produtos da fermentaçãofermentação

Glicerol:está acoplada ao Glicerol:está acoplada ao crescimento, à formação de ácido crescimento, à formação de ácido e a situações de stress para a e a situações de stress para a levedura, tais como stress levedura, tais como stress osmótico.osmótico.

Ácido Succínico: atividade Ácido Succínico: atividade antibacteriana.antibacteriana.

Ácido lático, Ácido acético, etc.Ácido lático, Ácido acético, etc.

Processos Processos FermentativosFermentativos Fermentação bateladaFermentação batelada Fermentação batelada Fermentação batelada

alimentada (Melle Boinot)alimentada (Melle Boinot) Fermentação ContínuaFermentação Contínua

Rendimento Rendimento EstequiométricoEstequiométrico

22361262112212 442 COOHCHCHOHCOHOHC 342g

sacarose18gágua

2*180gAçúcares invertidos

4*46getanol

4*44gGás carbônico

Assim, 342 gramas de sacarose produzem 360 gramas de açúcares redutores totais, que por sua vez produzem 184 gramas de etanol, ou seja, cada 100 gramas de sacarose correspondem a 53,80 gramas de etanol

Essa massa de etanol (INPM=100%) pode ser transformada Essa massa de etanol (INPM=100%) pode ser transformada em massa de álcool dividindo-se pela graduação INPMp do em massa de álcool dividindo-se pela graduação INPMp do álcool. Dividindo-se a massa de álcool pela sua massa álcool. Dividindo-se a massa de álcool pela sua massa específica (MEp em kg/m3) obtém-se o volume de álcool específica (MEp em kg/m3) obtém-se o volume de álcool com graduação INPMp a ser produzido de cada molécula de com graduação INPMp a ser produzido de cada molécula de sacarose.sacarose.

Para uma massa conhecida de sacarose (Qs), o volume de Para uma massa conhecida de sacarose (Qs), o volume de álcool a ser obtido (Ves) será:álcool a ser obtido (Ves) será:


1000*342**

100*46*4*

PPses MEINPM

QV

Ves = volume de álcool com graus INPMp correspondente à sacarose (litro)Qs = massa conhecida de sacarose (kg)MEp = massa específica do álcool (kg/m3), obtida em tabelas de correspondência com o grau INPMINPMp = grau INPM do álcool que se deseja obter (% peso/peso)

Volume de álcool a ser produzido com Volume de álcool a ser produzido com rendimento de 100% por quilograma de ART.rendimento de 100% por quilograma de ART.

Assim, 180 gramas de ART produzem 92 Assim, 180 gramas de ART produzem 92 gramas (2*46) de etanol, ou seja, cada 100 gramas (2*46) de etanol, ou seja, cada 100 kg de ART correspondem a 51,11 Kg de kg de ART correspondem a 51,11 Kg de etanol. etanol.


2526126 *2*2 COOHHCOHC 180g

Açúcares Redutores Totais

2*46gEtanol

2*44gGás Carbônico

O volume de álcool que pode ser O volume de álcool que pode ser produzido por quilograma de ART com produzido por quilograma de ART com rendimento de 100 % será:rendimento de 100 % será:


180**

1000*46*2*100

ppeq MEINPM

REND

Tipo de Álcool INPMp (%) MEp (kg/m3) Rendimento (100%)

Etanol 100 789,3 0,6475

Anidro 99,3 791,5 0,6503

Hidratado 93,2 809,3 0,6776

Rendimento por medidores de Rendimento por medidores de vazãovazão

Para o cálculo do volume de vinho bruto computam-se todas as dornas já Para o cálculo do volume de vinho bruto computam-se todas as dornas já turbinadas. Se uma dorna estiver sendo turbinada no fechamento do processo, turbinadas. Se uma dorna estiver sendo turbinada no fechamento do processo, computam-se a parte que foi turbinada nesse dia e o restante deixa-se para o dia computam-se a parte que foi turbinada nesse dia e o restante deixa-se para o dia seguinte.seguinte.

Se houver dorna pulmão de vinho bruto antes das centrífugas, deve-se computar Se houver dorna pulmão de vinho bruto antes das centrífugas, deve-se computar todas as dornas já turbinadas mais o volume já turbinado da última dorna mais todas as dornas já turbinadas mais o volume já turbinado da última dorna mais volante não turbinado da última dorna do dia anterior mais volume da pulmão do volante não turbinado da última dorna do dia anterior mais volume da pulmão do dia anterior menos volume da pulmão hoje.dia anterior menos volume da pulmão hoje.

Se a destilaria tiver recuperação de álcool do CO2 com retorno para a cuba de Se a destilaria tiver recuperação de álcool do CO2 com retorno para a cuba de tratamento ou para a volante, o volume desse álcool recuperado deve ser somado tratamento ou para a volante, o volume desse álcool recuperado deve ser somado ao álcool produzido na fermentação para cálculo de rendimento de fermentação e ao álcool produzido na fermentação para cálculo de rendimento de fermentação e destilação, destilação,

2)*º()*º( ColunaCOcubaCubaDornaDornaproduzido ÁlcoolGLVGLVV

100*6475,0*%*

Pr

MostoMosto

oduzidoF ARTV

VREND

Rendimento por Rendimento por subprodutossubprodutos

Em uma fermentação, parte dos açúcares Em uma fermentação, parte dos açúcares presentes no meio é consumida em reações presentes no meio é consumida em reações paralelas necessárias para a síntese de paralelas necessárias para a síntese de etanol. etanol.

Outros produtos como glicerol e ácidos Outros produtos como glicerol e ácidos orgânicos (principalmente ácido acético e orgânicos (principalmente ácido acético e succínico) podem ser formados.succínico) podem ser formados.

A sequência de equações a seguir A sequência de equações a seguir calcula o rendimento de fermentação calcula o rendimento de fermentação levando em consideração a formação levando em consideração a formação desses subprodutos.desses subprodutos.


7893,0*º

33,0*%

VT

VOLANTE

GL

FKI KI = perdas de fermento

•%Fvolante: Porcentagem de fermento no vinho da volante.

•ºGLVT: Porcentagem de álcool (vol/vol) do vinho turbinado

•Glicerol: Teor de glicerol produzido em %m/v..

•ARRT: teor de açúcares redutores residuais total.

7893,0*º VTGL

GlicerolKg KG = glicerol produzido

7893,0*º VTGL

ARRTKart Kart = perdas de açúcares

totais

Rendimento por Rendimento por subprodutossubprodutos Kac = acidez produzida e pode ser Kac = acidez produzida e pode ser

calculada por três métodos:calculada por três métodos:1) Balanço de massa

837,1*

3,789*)]100

º*)

%

%((

100

º[

)]*)%

%1(()*)

%

%(([

pé

pé

DornaDorna

mostopé

Dornapé

pé

DornaDorna

GL

F

FGL

AcidezF

FAcidez

F

FAcidez

Kac

•Acidezdorna: Quantidade de ácidos totais na dorna em gH2SO4/L.•Acidezpé: Quantidade de ácidos totais no pé-de-cuba em gH2SO4/L.•Acidezmosto: Quantidade de ácidos totais no mosto em gH2SO4/L.•%FDorna: porcentagem de fermento na dorna.•%Fpé: porcentagem de fermento no pé-de-cuba.•ºGLdorna: Porcentagem de álcool (vol/vol) da dorna.•ºGLpé: Porcentagem de álcool (vol/vol) do pé-de-cuba.


2) Balanço Volumétrico

•Vdorna: Volume da dorna.•Vpé: Volume do pé-de-cuba.•Vmosto: Volume de mosto utilizado.

837,1*3,789*))

100

º*()

100º

*((

)*()*()*(

pépé

DornaDorna

MostoMostopépéDornaDorna

GLV

GLV

AcidezVAcidezVAcidezVKac


3) Balanço Global

•VVT: Volume de vinho turbinado.

VVT e Vmosto podem ser estimados pelas equações abaixo:

837,1*3,789**º

)84,1*()*()*( 42

VTVT

SOHmostomostoVTVT

GLV

VAcidezVAcidezVKac

24*(%)Re*º

)/%(100Pr)/(

33

DestVTVT ndGL

diamoloduçãoÁlcohmV

eiteOdiluiçãolHVTmosto VVV 2

pé

péleite

Dornaleite

VTDornaVTteOdiluiçãeiH F

FF

FF

FFVhmV

%

%%*

%%

%%*)/( 3

2

•VH2Odiluiçãoleite: Volume de água para diluição do leite de levedura que sai da centrífuga•%Fleite: porcentagem de levedura no leite de levedura na saída da centrífuga.

Calculados todos os coeficientes, o Calculados todos os coeficientes, o rendimento fermentativo será dado rendimento fermentativo será dado pela seguinte equação:pela seguinte equação:


KartKacKgKInd oFermentaçã 51,051,050,019,11(

100(%)Re

ConclusõesConclusões

O rendimento de fermentação se mostra como um O rendimento de fermentação se mostra como um bom índice para medir o andamento do processo bom índice para medir o andamento do processo fermentativo.fermentativo.

Os dois métodos propostos são de fácil implantação e Os dois métodos propostos são de fácil implantação e já bastante usados pelos laboratórios das usinas.já bastante usados pelos laboratórios das usinas.

O rendimento através de medidores de vazão é o mais O rendimento através de medidores de vazão é o mais simples e rápido. No entanto, apresenta como simples e rápido. No entanto, apresenta como desvantagem não levar em conta todos os produtos desvantagem não levar em conta todos os produtos produzidos no processo de fermentação, já que produzidos no processo de fermentação, já que compara a produção com um rendimento teórico em compara a produção com um rendimento teórico em que 100% dos açúcares são convertidos em etanol. A que 100% dos açúcares são convertidos em etanol. A obtenção de medições precisas de volumes de dorna, obtenção de medições precisas de volumes de dorna, cuba e mosto são outra dificuldade.cuba e mosto são outra dificuldade.

ConclusõesConclusões

O rendimento por subprodutos é um O rendimento por subprodutos é um método mais exato, pois leva em conta método mais exato, pois leva em conta produtos obtidos paralelamente ao produtos obtidos paralelamente ao etanol no processo fermentativo. A etanol no processo fermentativo. A maior dificuldade é o elevado número maior dificuldade é o elevado número de cálculos envolvidos para obter-se o de cálculos envolvidos para obter-se o rendimento de fermentação. O nível de rendimento de fermentação. O nível de confiança nas análises do laboratório confiança nas análises do laboratório (acidez, glicerol, perdas de ART, etc.) é (acidez, glicerol, perdas de ART, etc.) é outro ponto a ser levado em conta.outro ponto a ser levado em conta.

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