Fermentação
11º SBA Seminário Brasileiro Agroindustrial
Ribeirão Preto, Outubro|2010
Henrique Amorim
SEDE FERMENTEC
SEDE FERMENTEC
Nossos Serviços
• CONSULTORIA (TRANSFERENCIA DE
TECNOLOGIA)
• CURSOS E TREINAMENTOS
• PESQUISA & DESENVOLVIMENTO E
ANÁLISES
AREAS
• PRODUÇÃO DE ETANOL
• BEBIDAS DESTILADAS
• INDÚSTRIAS DO AÇÚCAR
Profissionais especializados em:
• BIOQUÍMICA
• QUÍMICA
• MICROBIOLOGIA
• CIÊNCIAS AGRÍCOLAS
Nossa Equipe
Formação
TOTAL
PhD and post Doctoral
9
Master's Degree
9
MBA
4
BS
18
ADM
10
TOTAL
50
Clientes com Contrato Anual
Produção anual
Cana de açúcar (Mi de ton.)
160
Açúcar (Mi de ton.)
9
Álcool (Bilhões de litros)
7
Bebidas destiladas (Mi litros)
500
Bebidas Destiladas
Clientes Fermentec
• MULLER 51 (Cachaça)
• VALE VERDE (Cachaça)
• CASA CUERVO (Tequila)
• CAZADORES (Tequila)
• BACARDI (Rum)
1. O que fazemos bem e
precisamos melhorar
Contração de volume e medição do
rendimento da fermentação
Contração de volume na fermentação
Porque este estudo?
Perda de massa
O que é contração de volume?
Como se mede o rendimento da
destilaria?
Porque ocorre esta contração?
Medição do rendimento da fermentação
Rendimento
Fermentação
Volume vinho bruto
x
Gl vinho bruto
-
=
Volume pé
x
Gl pé
=
X 100
Volume mosto
x %ARTmosto
x 0,6475
Medição do rendimento da fermentação
Inicio da alimentação do levedo tratado
Medição do rendimento da fermentação
Medição do volume de levedo tratado (cuba)
Medição do rendimento da fermentação
Alimentação do mosto
Medição do rendimento da fermentação
Volume de Vinho Bruto Total = Mosto + Levedo
Medição do rendimento da fermentação
Medição do Volume de Vinho Bruto (final da fermentação)
Medição do rendimento da fermentação
Volume de Mosto
=
Volume de vinho Bruto - Volume de Levedo Tratado
H1 = Volume alimentado de mosto + Levedo
H2 = Volume medido final da fermentação
H2 < H1
Porque ocorre este fenômeno?
1. Hidrolise da Sacarose
GLICOSE
H2O
O
INVERTASE
+
FRUTOSE
342 g SACAROSE
360 g AÇ.REDUTORES
5,26 g de Água é Incorporada em 100 g
de Sacarose
2. Perda de Massa na Fermentação
GLUCOSE
FERMENTAÇÃO
49 g DE GÁS
CARBÔNICO
+
FRUTOSE
51 g DE
ETANOL
100 g AR
3. com a fermentação, além da perda de massa, ocorre
nova acomodação entre as moléculas de água e etanol
Objetivo do Estudo
Avaliar o erro do volume do mosto e
conseqüentemente o efeito no cálculo do
rendimento da fermentação
Condições do experimento
Teste conduzido em triplicata
14 testes realizados
10% levedo no vinho
%Álcool
Vinho
%Álcool
no pé
%Levedo
no pé
%ART
mosto
4,79
6,45
8,70
10,93
3,19
3,94
4,96
5,72
40
38
40
38
9,72
13,61
18,80
23,00
Resultados
Média de 3 experimentos em 2005/2006 mais
1 experimento realizado em 2004
Tendência foi constante em todos os
experimentos
Resultados
Teor
%Erro no
Alcoólico rendimento
4,79
0,134
Correlação
Equação
6,45
0,330
R2
8,33
0,520
0,9915
9,07
0,685
10,93
0,901
a
b
0,1255 0,4789
y = 0,1255x + 0,4789
Contração de Volume
1,000
0,900
%Erro no Rendimento
0,800
0,700
0,600
y = 0,1255x - 0,4789
R2 = 0,9915
0,500
0,400
0,300
0,200
0,100
0,000
4,00
6,00
8,00
10,00
%Álcool no Vinho Bruto
12,00
Conclusão
1. Durante a fermentação a perda de massa (CO2) e
um rearranjo molecular, acarretando uma redução
no volume
2. A redução de volume é proporcional ao teor
de açúcar no mosto. Quanto maior o ART do
mosto maior a contração do volume
3. O erro induzido no rendimento é de cerca de
0,12% a mais para cada 1% de teor alcoólico
a mais. (faixa testada de 4,5 a 11% de álcool)
Determinação do rendimento da
fermentação por subprodutos
Mosto
Fermento
tratado
Açúcares (sac + gli + fru)
Sais
Ácidos orgânicos
Outros
Fermento (levedo)
Etanol
Ácidos
Sais
Glicerol
Outros
Vinho
Etanol
Glicerol
Levedo (biomassa)
Ácidos
Açúcares residuais
Soma tem que
dar 100
Realidade
Normalmente subestimamos os subprotutos, porque:
Biomassa: Quando flocula ou decanta, não
conseguimos medir.
Ácidos: Alguns ácidos são metabolizados por
bactérias e parte do acético evapora com o CO2.
Manitol: Produto formado por lactobacilos
heterofermentativo.
Se subestimamos estes
subprodutos, vamos superestimar
o rendimento da fermentação
Avaliação mais realista do rendimento
da fermentação
Infermentescíveis do Melaço
USINA
Açúcares
Totais
(HPAEC)
(Eynon-Lane)
Infermentescíveis
(%)
ART
A
56,13
60,87
8,45
B
54,05
57,45
6,28
C
58,67
62,81
7,05
D
52,60
56,46
7,33
E
54,54
59,36
8,83
F
60,88
66,47
9,18
Açúcares residuais em vinhos
Somogyi e Nelson
Resultados HPAEC-PAD
USINA
%Glicose
A
B
C
D
E
% Frutose %Sacarose
0.043
0.034
0.362
0.020
< 0,001
1.362
0.017
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0.044
0.017
0.020
%Açúcares
totais
%ART
0.459
1.454
0.017
< 0,001
0.082
0.599
2.094
0.295
0.214
0.650
Determinando o Fim da Fermentação
10
X
4
8
3
6
2
4
1
2
0
X
4
5
6
ART/DIONEX
7
8
9
HORAS
ART/SOMOGYI
10
20
BRIX REFR
0
BRIX REFRATOMÉTRICO
ART (%)
5
Determinando o Fim da Fermentação
Simulação
Número de dornas
Tempo de fermentação (h)
Tempo de centrifugação (h)
Tempo economizado por ciclo
Tempo economizado por dorna por dia (h)
Tempo economizado total por dia (h)
Tempo economizado por 200 dias de safra (h)
Número de fermentações extras por safra
7
10
2
1
2
14
2800
255
Determinando o Fim da Fermentação
Simulação
Número de dornas
Tempo de fermentação (h)
Tempo de centrifugação (h)
Tempo economizado por ciclo
Tempo economizado por dorna por dia (h)
Tempo economizado total por dia (h)
Tempo economizado por 200 dias de safra (h)
Aumento de produção
7
10
2
1
2
14
2800
+ 9%
Biofoss FTIR:
Em 2 Minutos:
Glicerol
Teor Alcoólico
Acetato
Manitol
Sacarose
Frutose
Glicose
Etanol
Acetato
Glicerol
Sacarose
2. Utilização de produto e
resultado obtido
(Caso 1)
A toxidez do alumínio e a linhagem
da levedura
41
12,2
38
11,6
34
11,0
31
10,5
27
9,9
23
9,3
20
8,8
16
8,2
13
7,6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
semana
Y = 7,28186344 + 0,1022381 X
(*
r = 0,65960)
13
14
15
Tempo de Fermentação
Alumínio no mosto
Estudo de caso na Industria - 2006
Alumínio (teste laboratório) 130ppm
Viabilidade
100
80
% 60
40
20
0
1
2
CAT-1
3
PE-2
4
BG-1
BY
5 ciclos
Alumínio (teste laboratório) 130ppm
100
Rendimento
95
%
90
85
1
2
3
CAT-1
PE-2
4
BG-1
BY
5
ciclos
Estudo de caso – 10 primeiras semanas
Tempo de fermentação
Etanol
100% PE-2
100% PE-2
40% PE-2
60% CAT-1
10% PE-2
90% CAT-1
2007
2008
2009
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
2006
Tempo de fermentação (h)
Etanol vinho (%)
2. Utilização de produto e
resultado obtido
(Caso 2)
Destilaria A
SAFRA 2006/2007
100%
80%
60%
40%
20%
0%
25
82
159
214
235
CAT-1
PE-2
SELVAGENS
BG-1
Selvagem D1
Selvagem D3
DIAS
Destilaria A
SAFRA 2007/2008
100%
80%
60%
40%
20%
0%
21
CAT-1
SELVAGENS
Selvagem D3
106
224
PE-2
Selvagem D1
Selvagem D4
247
DIAS
SA-1
Selvagem D2
Destilaria A
SAFRA 2009/2010
100%
80%
60%
40%
20%
0%
92
CAT-1
SELVAGENS
Selvagem D4
220
PE-2
Selvagem D1
DIAS
SA-1
Selvagem D3
Destilaria A
SAFRA 2010/2011
100%
80%
60%
40%
20%
0%
DIAS
2
CAT-1
12
PE-2
17
FT858L
26
Selvagens
Concentração centrífuga: unidade V2
CONC. CENTRÍFUGAS (%)
90
SAFRA 2008/09
SAFRA 2009/10
SAFRA 2010/11
80
70
60
50
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
SEMANA
Desempenho FT858L
Aglomeracao (%)
Cont. Bact. (10x7)
Viabilidade (%)
% alcool vinho
Tempo ferm. (h)
Antibiotico (mg/L)
Acido (g/L)
2009
Lev. Selv.
42
3,5
82
8,9
9,8
11,7
5,6
2010
FT 858
1,7
1,2
87
9,5
9,6
8,7
6,1
3. Eficiências (reais) alcançadas
Dificuldade de se medir
corretamente o rendimento
Dados tem que ter coerência
Biomassa
Glicerol
Contaminação
Açúcar Residual
Realidade
Média máxima 92%
Picos 93%
Média clientes Fermentec 90,4%
4. Desafios Futuros
ECOFERM
Fermentação com até 16% de teor alcoólico:
Reduzindo a vinhaça pela metade
Tadeu Fessel
ECOFERM - Fermentação com Até 16% de Teor
Alcoólico: Reduzindo a Vinhaça pela Metade
O Processo de Fermentação ECOFERM
A Planta de Demonstração ECOFERM
Tadeu Fessel
Processo
Mosto
Açúcar
14 – 30 %
% etanol
7 – 16 %
Levedura
TEOR ALCOÓLICO e TEMPO DE FERMENTAÇÃO
XAROPE – FT - A
BG-1
26,00
24,00
24,00
22,00
22,00
20,00
20,00
18,00
18,00
16,00
16,00
14,00
14,00
12,00
12,00
10,00
10,00
8,00
8,00
6,00
6,00
1
6
11
16
21
26
31
36
41
46
51
56
61
66
71
76
81
86
91
Rodadas
Tempo de fermentação
Teor Alcoólico
96
101 106 111 116 121 126
% álcool (v/v)
Tempo ferm. (h)
26,00
VIABILIDADE e TEOR ALCOÓLICO
XAROPE – FT - A
BG-1
92,00
18,00
84,00
16,00
76,00
14,00
68,00
12,00
60,00
10,00
52,00
8,00
%
20,00
44,00
6,00
1
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 105 109 113 117 121 125 129
Rodadas
Viabilidade
Teor Alcoólico
% álcool (v/v)
100,00
TEOR ALCOÓLICO e TEMPO DE FERMENTAÇÃO
XAROPE – FT - B
20,00
25,00
23,00
18,00
21,00
16,00
17,00
14,00
15,00
13,00
12,00
11,00
9,00
10,00
1
9
17
25
Rodadas
Tempo de fermentação
Teor Alcoólico
% álcool (v/v)
Tempo ferm. (h)
19,00
ECOFERM - Fermentação com Até 16% de Teor
Alcoólico: Reduzindo a Vinhaça pela Metade
A Planta de Demonstração ECOFERM
Tadeu Fessel
Ecoferm: Planta de Demonstração
 Localizada na Usina
Bom Retiro – Grupo Cosan
(Capivari – SP – Brasil)
 Capacidade de
Fermentação de 20.000 L
de etanol/dia
 Operação 2008/2009/2010
 Utiliza vinhaça como fonte
de calor
Ecoferm: Processo de fermentação com resfriamento
por água gelada
PRÉ FERMENTADOR
CO2
VAPORES
ÁGUA
ÁGUA + ETANOL
MOSTO
COLUNA DE LAVAGEM
FERMENTAÇÃO
36,3 C
ÁGUA DA TORRE
VINHO/ VINHO EM FERMENTAÇÃO
VINHAÇA – FONTE QUENTE
29 C
TORRE DE RESFRIAMENTO
ÁGUA GELADA (CHILLER)
DESTILAÇÃO
BIOETANOL
20 C
85 C
VINHO
K
VINHAÇA
25 C
CHILLER
78oC
Ecoferm: Processo de fermentação com
resfriamento por água gelada
Visão geral da planta Ecoferm
Ecoferm: Processo de fermentação com
resfriamento por água gelada
Chiller Ecochill entre a torre de água e o fermentador
Balanço Energético
Fontes de Energia
Make up
Condensados
TORRE DE
RESFRIAMENTO
Vegetal V2
Vinhaça
2ª Opção
1ª Opção
3ª Opção
Condensados
p/ Chiller
Vapor
Escape
Caldo
EVAPORAÇÃO
1º EFEITO
ECOCHILL
Vegetal
Vegetal
V2 V2
p/Chiller
Chiller
p/
EVAPORAÇÃO
2º EFEITO
Vinhaça
Vinhaça
p/
p/Chiller
Chiller
FERMENTAÇÃO
CO2
Vegetal V1
p/ Destilaria
DESTILAÇÃO
Etanol
Balanço de Energia no sistema de Fermentação
com refrigeração por Chiller de Absorção
Resultados para diferentes teores alcoólicos
Indicadores
Evaporação com 1 efeito
2
efeitos
3
efeitos
% Etanol no vinho (GL)
8,0
9,0
10,0
11,0
16,0
16,0
Volume de vinhaça gerada (l/l et)
10,6
9,1
8,0
7,0
3,9
3,9
Água circulante na fermentação (l/l et)
99,9
100
100
101
53,5
53,5
Consumo de vapor na destilaria (kg/l et)
2,60
2,36
2,16
1,99
1,46
1,46
8,1
9,06
10,6
11,0
16,2
16,2
78,2
79,7
81,0
82,2
82,3
83,8
Tempo de fermentação (horas)
Energia disponível p/Cogeraçao (Kwh/tc)
Dados referentes a produção de etanol hidratado
Economia
Insumos
Ácido 0,73g/L etanol (Piloto)
Antibiótico
Antiespumante
Redução pela metade do
uso de centrífugas
Água de Diluição
Produção de 1.000 m3 etanol /dia
De 8% para 16% de teor alcoólico
Redução 50% volume para diluição
Economia de 900 m3/dia
Variação da Relação Volumétrica Vinhaça/Etanol
em Função do Grau Alcoólico do vinho
Aquec. Indir.
5
Borbotagem
Consumo de Vapor
Vinho (oGL)
Consumo Vapor
(Kg/L etanol produzido)
8
2,60
9
2,36
10
2,16
11
1,99
12
1,85
13
1,74
14
1,61
15
1,52
16
1,46
Ganho de 1,14Kg/L de etanol hidratado
Ganho – Distribuição Vinhaça
Produção de 216 milhões L/safra
Teor Alcoólico do Vinho
9,5 p/ 12,00
9,5 p/ 14,00
9,5 p/ 16,6
Vinhaça
Vinhaça
Vinhaça
10,5
1.295.635,74
2.275.427,35
3.295.831,43
20,5
1.912.724,60
3.359.095,58
4.870.160,56
30,5
2.663.516,04
4.677.558,60
6.785.594,33
Distância (Km)
Valores em R$
Economia
216.000 m3 de etanol produzido
90 L/tonelada de cana
R$ 6.785.594,33 – Unidade A
R$ 4.296.110,40 – Unidade B
Ganho com
Vinhaça
Vantagens
- Redução do Volume de Vinhaça pela metade
- Economia de Água tratada, pela metade
- Economia de Insumos
- Otimização do Balanço Energético
- Economia na distribuição da vinhaça
- Redução de centrífugas, pela metade
Tadeu Fessel
Pesquisa
Financiamento:
• 1977 até 2008: somente recursos da Fermentec
• 2008 e 2009: CNPq - bolsistas
• 2010: FAPESP – PIPE - equipamentos
MUITO OBRIGADO