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.

12

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

14

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

18

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

20

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).

21

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

23

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

25

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

27

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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