GRUPO TCHÊ QUÍMICA
Produção de Etanol
Porto Alegre, RS
www.tchequimica.com
Versão 1.1
ÍNDICE
1. Introdução ................................................................................................................03
2. Fundamentação Teórica ...........................................................................................05
2.1. Caracterização de Células de Leveduras ................................................................05
2.2. Fermentações Industriais ........................................................................................06
2.2.1. Fermentação Alcoólica ......................................................................................06
2.2.1.1.Matéria-prima ....................................................................................................08
2.2.1.2. Agentes de Fermentação Alcoólica ..................................................................09
2.2.1.3. Fatores que Afetam a Fermentação Alcoólica .................................................10
2.2.1.4. Sistemas de Fermentação .................................................................................12
2.2.1.5. Recipientes de Fermentação .............................................................................13
2.2.1.6. Salas de Fermentação .......................................................................................13
2.2.1.7. Destilação .........................................................................................................14
2.2.1.7.1. Destilação Contínua ....................................................................................14
2.2.1.7.2. Destilação Descontínua ...............................................................................14
2.2.1.8.Desidratação do Etanol .....................................................................................14
2.2.1.9.Verificação Prática da Pureza das Fermentações .............................................15
2.3. Obtenção do Etanol a partir da Cana-de-açúcar ....................................................16
2.3.1. Características da Cana-de-açúcar ....................................................................18
2.3.2. Síntese do Processo Produtivo ..........................................................................19
2.3.3. Preparo da Matéria-prima .................................................................................20
2.3.4. Tratamento do Caldo ........................................................................................21
2.3.5. Fermentação .....................................................................................................23
2.3.6. Fluxograma do Processo ..................................................................................25
2.3.7. Resíduos Gerados na Produção de Álcool e seu Destino ................................26
3. Considerações Finais .............................................................................................27
4. Referências Bibliográficas ....................................................................................28
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1. INTRODUÇÃO
Quimicamente, álcool é um termo genérico aplicado a uma série de compostos
formados por átomos de Hidrogênio e Carbono ligados a um ou mais grupos oxidrila. Na
prática, contudo, o termo álcool é a nomenclatura comum do álcool etílico ou etanol, cuja
fórmula molecular é C2H5-OH. O álcool não é encontrado espontaneamente na natureza,
podendo ser obtido por diferentes processos a partir de diversas fontes. No Brasil, a
biomassa é a fonte de maior significância, onde se destaca a cana-de-açúcar como matériaprima.
No Brasil, as indústrias de açúcar e de álcool estiveram sempre intimamente
ligadas, desde o tempo do descobrimento. Deduz-se que a produção de álcool iniciou na
Capitania de São Vicente, porque nela foi montado o primeiro engenho de açúcar do país,
após a vinda das primeiras mudas de cana-de-açúcar, trazidas da ilha da madeira em 1532.
Certamente, transformava-se o melaço residual da fabricação do açúcar em cachaça e,
diretamente da garapa fermentada produzia-se aguardente. Por séculos, as bebidas
destiladas foram o único álcool produzido. A indústria de álcool industrial desenvolveu-se
na Europa, nos meados do século 19; no último quarto desse século iniciou-se a produção
de etanol no Brasil, com as sobras de melaço da indústria do açúcar, que ampliava sua
capacidade produtiva.
A Alemanha e, principalmente, a França, deram grande contribuição ao
desenvolvimento das técnicas de fermentação alcoólica, de destilação e de construção de
aparelhos de destilação. Utilizava-se o etanol para fins farmacêuticos, para a produção de
alguns produtos químicos derivados, para bebidas e como fonte de energia térmica, por
combustão, em algumas atividades. A I Grande Guerra (1914/1918) contribuiu para o
desenvolvimento da produção em grande escala. Naquele período usou-se o álcool como
combustível líquido de motores a explosão. Em 1929 a grande crise internacional colocou
em xeque as economias de todos os países e, no Brasil, a indústria açucareira não ficou a
salvo. Sobrava açúcar e cana e faltavam divisas para a aquisição de combustível líquido. A
primeira destilaria de álcool anidro foi instalada e o Governo Federal, em 1931, estabeleceu
a obrigatoriedade da mistura de 5% (hoje entre 22 e 24%) de etanol à gasolina, como
medida de economia na importação de combustível a para amparar a lavoura canavieira.
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Por muitos anos não houve álcool suficiente para misturar a todo combustível consumido.
Durante a guerra de 1939 a 1945, faltou gasolina e fez-se necessário substituí-la por
gasogênio ou álcool. Terminada a guerra, voltou à importação de gasolina e o combustível
alternativo perdeu sua importância. Entretanto, continuou-se a misturar etanol à gasolina
em larga escala.
A crise internacional do petróleo que se deflagrou em 1974, fez com que se
iniciasse, no Brasil, uma nova fase na produção de etanol. Na busca de alternativas para
combustível líquido, o álcool adquiriu uma importância sem paralelo. Dos 700 milhões de
litros por ano, em pouco tempo a indústria passou a produzir 15 bilhões de litros, para
abastecer uma frota de mais de quatro milhões de automóveis que se movem com álcool
puro e também para misturar-se a toda gasolina usada no país. Com a utilização desse
combustível alternativo, ampliou-se o parque canavieiro, fez-se a modernização das
destilarias anexas, a instalação de unidades autônomas, a criação de grande número de
empregos diretos e indiretos e uma rápida e importante evolução na construção de motores
para esse combustível. O plano de desenvolvimento da produção de álcool no Brasil,
denominado de Proálcool, não foi uma solução improvisada para a crise de combustível;
não foi mais do que a continuidade e evolução de um programa de uso do álcool como
combustível, iniciado em 1931. Com o abaixamento do preço do petróleo no mercado
internacional, perdeu-se o interesse político pela sua produção.
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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. CARACTERIZAÇÃO DAS CÉLULAS DE LEVEDURAS
As leveduras constituem um grupo de microrganismos unicelulares, que se
reproduzem assexuadamente por brotamento ou por cissiparidade e que desenvolvem a
fermentação alcoólica. São largamente encontradas na natureza: são comuns no solo, na
superfície de órgãos dos vegetais, principalmente em flores e frutos, no trato intestinal de
animais, em líquidos açucarados, e numa grande série de outros locais.
Apresentam grande importância sob vários aspectos. Industrialmente, apresenta
como principal ponto de interesse o fato de serem agentes de fermentação alcoólica, na
produção do álcool industrial e de todas as bebidas alcoólicas destiladas ou não destiladas.
As células vegetativas da maioria das leveduras industriais variam em tamanho, de
quatro a oito micras de largura por 7 a 12 de comprimento, havendo, evidentemente,
espécies maiores e espécies menores que as citadas. Forma e tamanho das células, mesmo
em espécies monomorfas, podem variar de acordo com o nutriente, as condições
ambientais, o estado fisiológico ou a idade.
Quanto à estrutura as leveduras apresentam membrana celular bem definida, pouco
espessa, em células jovens; rígidas em células adultas, de constituição variável, com
predominância de hidratos de carbono, e menor quantidade de proteínas e graxas.
Internamente delimitando o citoplasma, existe a membrana citoplasmática, mais evidente
em células adultas, por plasmólise. No geral, as leveduras se apresentam sem cápsula, se
bem que algumas espécies de Torulopsis se apresentem com cápsula, constituída de
hidratos de carbono.
O citoplasma de células adultas apresenta inúmeros vacúolos e granulações
variadas. Entre estas, são encontradas:
•
Grânulos metacromáticos: constituídos de polimetafosfato inorgânicos, e de
função em parte conhecida.
•
Glicogênio, hidratos de carbono: encontrado em células adultas.
•
Grânulos lipóides: em quantidade variável com a espécie de levedura, a idade da
célula e o substrato.
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•
Mitocôndrias: apresentam-se com aspecto filamentoso, constituído de lipoproteínas
com pequena quantidade de ácido ribonucléico, e contendo enzimas respiratórias.
O núcleo é bem definido, pelo menos em células em vias de reprodução; pequeno, a
esférico ou reniforme, de localização variável, associado a vacúolo nuclear.
A reprodução pode se dar sob a forma assexuada e sexuada. Sendo que na
reprodução assexuada as leveduras se multiplicam por brotamento, processo pelo qual na
superfície da célula adulta (célula mãe) desenvolve-se uma pequena saliência (célula-filha)
que se transformará numa nova célula.
Alguns gêneros e espécies se dividem por cissiparidade semelhante às bactérias,
outras foram blastrósporos, pequenos esporos formados na extremidade de um esterigma,
ou ainda artrósporos, formado pela fissão de uma célula em vários pontos.
Já na reprodução sexuada as leveduras se reproduzem assexuadamente por esporos
endógenos (Ascósporos), contido no interior da célula-mãe, agora transformada em asca.
Os ascósporos são geralmente em número de quatro a oito, variando de acordo coma
espécie envolvida: são esférico em Saccharomyces cerevisiae, anelados (anel de Saturno)
em Hansenula saturnus alongadas com flagelos em nematospora, etc.
2.2. FERMENTAÇÕES INDUSTRIAIS
Muitas vezes a atividade microbiana pode ser utilizada pelo homem na obtenção de
compostos orgânicos de grande utilidade, através de processos industriais, simples ou
complexos, que, no geral, consistem na oxidação parcial de uma substância orgânica. Entre
as várias fermentações utilizadas pelo homem, trataremos sobre a fermentação alcóolica.
2.2.1. FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
O homem vem se utilizando a fermentação alcoólica desde a mais remota
Antigüidade; há mais de 4000 anos os egípcios fabricavam o pão e produziam bebidas
alcoólicas a partir de cereais e frutas. Entretanto, apenas recentemente é que se pode
relacionar a fermentação com a levedura. Assim, a humanidade por longo período se
beneficiou desse organismo, mesmo sem saber de sua existência, notada pela primeira vez
por Antonie van Leewenhoek (1623-1723), ao observar amostra de cerveja em
fermentação, com seu microscópio rudimentar.
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Depois da formulação da estequiometria da fermentação por Gay-Lussac (1815),
Pasteur (1863) demonstrou a natureza microbiológica da fermentação alcoólica como um
processo anaeróbico. A parir daí, e principalmente durante as primeiras décadas de 1900, as
pesquisas culminaram com a elucidação das reações enzimáticas responsáveis pela
transformação química do açúcar em etanol e gás carbônico no interior da levedura.
A fermentação alcoólica pode ser considerada como a oxidação anaeróbica parcial
da glicose, por ação de leveduras, com a produção final de álcool etílico e anidrido
carbônico, além de outros produtos secundários. É processo de grande importância, através
do qual é obtido todo o álcool industrial, e todas as bebidas alcoólicas, destilada e não
destiladas e, como produto secundário, o gás carbônico. E ainda utilizado na panificação e
na obtenção de leveduras prensadas.
O mecanismo de fermentação se dá pela oxidação da glicose pelas leveduras e se
desenvolve segundo um esquema de seqüência ordenada em 12 reações, cada qual
catalisada por uma enzima específica. São no total 15 enzimas e 3 coenzimas. As reações
incluem transferência de fosfato, oxidação-redução, descarboxilação e isomerização além
de outras. É processo de oxidação-redução intramolecular, anaeróbico, exotérmico.
Essas enzimas sofrem ações de diversos fatores, alguns que estimulam e outros que
reprimem a ação enzimática, afetando o desempenho do processo fermentativo conduzido
pelas leveduras.
Em aerobiose, há oxidação total da glicose:
C6H12O6 + 6O → 6CO2 + 6H2O
Neste caso, na prática, diminui o rendimento em álcool, ao mesmo tempo em que,
pelo maior aproveitamento da energia proveniente da oxidação da glicose, há maior
produção de células de leveduras.
Devido à importância econômica de processos biotecnológicos envolvendo a
Saccharomyces, tal organismo pode ser considerado o eucariótico mais estudado e cujo
metabolismo é o mais conhecido.
Convém ressaltar que a levedura Saccharomyces é um aeróbio facultativo. Assim os
produtos finais de metabolização irão depender das condições ambientais em que a
levedura se encontra. Deste modo, enquanto uma porção de açúcar é transformada em
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biomassa (CO2 e H2O) em aerobiose, a maior parte é convertida em etanol e CO2 em
anaerobiose.
O objetivo primordial da levedura, ao metabolizar anaerobicamente o açúcar é gerar
uma forma de energia (ATP, adenosina trifosfato) que será empregada na realização de
diversos trabalhos fisiológicos e biossínteses, necessários à manutenção da vida,
crescimento e multiplicação, para perpetuar a espécie. O etanol e o CO2 resultantes se
constituem, tão somente, de produtos de excreção, sem utilidade metabólica para a célula
em anaerobiose. Entretanto o etanol, bem como outros produtos de excreção podem ser
oxidados metabolicamente, gerando mais ATP e biomassa, mas apenas em condições de
aerobiose.
Na seqüência de reações enzimáticas de produção de ATP, e intrínsecas à produção
de etanol, rotas metabólicas alternativas aparecem para propiciar a formação de materiais
necessários à constituição da biomassa, bem como para a formação de outros produtos de
interesse metabólico. Dessa forma, juntamente com o etanol e o CO2, o metabolismo
anaeróbico permite a formação e excreção de glicerol, ácidos orgânicos (succínico, acético,
pirúvico e outros), álcoois superiores, acetaldeído, acetoína, butilenoglicol, e outros.
Simultaneamente ocorre o crescimento da levedura.
2.2.1.1. MATÉRIA PRIMA
A matéria prima utilizável na fermentação alcoólica varia com as características
agrícolas da região e com a finalidade da fermentação alcoólica. Pode ser agrupada como
segue:
•
Sacarinas: nas quais figuram a glicose e a levedura (melaço, uso de uvas, suco de
frutas, mel e outras), e a sacarose (caldo de cana). Neste caso, a sacarose é
hidrolisada por uma exo-enzima, sacarose, produzida pela levedura.
•
Amiláceas: tais como a mandioca, batata, milho, arroz, trigo, e outros cereais,
utilizados na produção de álcool fino, cerveja, e certas bebidas destiladas. Tem que
se considerar que as leveduras não produzam amilase, para a hidrólise do amido.
Consequentemente, tais substâncias tem que sofrer uma operação prévia de
Sacarificação, para ficarem em condições de serem utilizadas pelas leveduras. Essas
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sacarificação ou hidrólise do amido pode se puramente química, por ação de ácidos
fortes, como na produção de álcool de mandioca ou batata. Entretanto, na obtenção
de bebidas como a cerveja, o uísque, o sakê e outras, o amido é hidrolisado, pela
ação enzimática. A maltose surge de modo semelhante à sacarose. A sacarificação
enzimática do amido pode ser feita por três processos diferentes: através da
maltagem, ou emprego do malte. Este produto é preparado a partir de sementes de
cereais, em germinação, secas e reduzidas a pó, e se caracteriza pela sua riqueza em
amilase. Adicionado ao amido previamente preparado, transforma-o em maltose. A
maltose é utilizada entre outros, em cervejaria e na produção de uísque. Pelo
processo amilo, que consiste no emprego simultâneo de um fungo capaz de produzir
a amilase que atua sobre o amido (Rhizopus japonicum, R. tonkinensis, R. delama,
Mucor rouxi e outros) e da levedura encarregada da fermentação do açúcar
proveniente da hidrólise. Este processo é utilizado na produção do sakê. Pelo
emprego de preparados enzimáticos produzidos previamente em culturas puras, por
certos microrganismos (Fungos e Bactérias).
•
Celulósicas: a celulose da madeira pode, eventualmente, ser utilizada na
fermentação alcoólica, necessitando, porém, ser hidrolisada por via química:
2.2.1.2. AGENTES DE FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
As leveduras, de um modo geral, são capazes de desdobrar a glicose, com produção
de álcool etílico e gás carbônico. Entretanto, o número de espécies envolvidas na
fermentação industrial é bastante reduzido. As mais importantes são:
•
Saccharomyces cerevisiae utilizada principalmente na produção de álcool comum,
aguardente, cerveja e outras bebidas e na panificação;
•
S. ellipsoideus (S. cerevisiae var. ellipsoideus Dekker) utilizadas na produção de
vinho de uva;
•
S. calbergensis, para a produção de cerveja.
•
S. uvarum, para a produção de vinho.
A levedura empregada na fermentação depende de várias circunstâncias, entre as
quais o substrato ou matéria prima utilizado, o teor alcoólico desejado no produto final, a
duração da fermentação, as propriedades do produto, e outros.
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2.2.1.3. FATORES QUE AFETAM A FERMENTAÇÃO
Entre os vários fatores ambientes que afetam a fermentação citamos:
•
Temperatura: as leveduras são mesófilas. As temperaturas ótimas para a produção
industrial de etanol situam-se na faixa de 26 a 35° C, mas a temperatura nas
destilarias pode alcançar 38° C. A temperatura é variável de acordo com o tipo e
finalidade do processo; assim, o ótimo para a produção de álcool, aguardente, vinho
e outros produtos se situa entre 26 e 32º C, ao passo que, para a cerveja, está entre 6
a 20ºC;
•
pH do mosto: também variável entre 4,0 e 5,0 para a produção de álcool, entre 4,0
e 6,0 para a cerveja. O pH baixo inibe o desenvolvimento de bactérias
contaminantes, sem prejudicar o desenvolvimento das leveduras.
•
Concentração matéria prima: se bem que a levedura suporta concentrações de
açúcar em torno de 22 a 24%, nos processos industriais ela é variável de acordo com
a finalidade do processo: situa-se entre 12-14% no melaço, para a produção de
álcool, entre 6-9% para a produção de cerveja, entre 22-24% no suco de uva para
obtenção de vinho;
•
Teor alcoólico do produto: o aumento do teor alcoólico do mosto em fermentação
inibe o desenvolvimento da própria levedura: no geral este cessa, concentrações de
11-l2% do álcool. Deve-se terem conta que o teor alcoólico depende do teor inicial
em açucares, o qual, por sua vez, é variável com o fim que se tem em mira. Na
produção do álcool industrial, por exemplo, parte-se de uma concentração baixa de
açucares (12-14%) para se obter seu desdobramento total em 24-48 horas, sem que a
levedura seja inibida pelo teor alcoólico final;
•
Oxigênio: em anaerobiose, o rendimento em álcool é maior, uma vez que, em
aerobiose, há oxidação total da glicose;
•
Elementos minerais: certos tipos de matéria-prima requerem a adição de
substâncias minerais para suprir as necessidades da levedura em certos elementos
principalmente P e K (geralmente adicionados sob a forma de K2HPO4) outros ainda
podem ser citados como nitrogênio, enxofre, magnésio, cálcio, zinco, manganês,
cobre, ferro, cobalto e iodo. A levedura Saccharomyces cerevisiae utiliza o
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nitrogênio nas formas amoniacal, amídica ou amínica, não tendo atividade
metabólica para aproveitar o nitrato e com pouquíssima ou nenhuma capacidade de
utilizar as proteínas do meio.
•
Nutrição orgânica: as leveduras exigem uma fonte de carbono elaborada (glicose e
outro açúcar) que fornece a energia química e o esqueleto carbônico de suas
estruturas celulares.
•
Concentração de inóculo: maiores concentrações de levedura na dorna permitem
fermentações mais rápidas, com maior produtividade e com maior controle sobre as
bactérias contaminantes, além de restringir o crescimento da própria levedura. Por
outro lado, elevado teor de levedura exige maior energia de manutenção, ou seja,
maior consumo de açúcar para manter as células vivas, gerando uma competição
pelos nutrientes do meio diminuindo à viabilidade do fermento.
•
Contaminação Bacteriana: ocorre principalmente por Lactobacillus e Bacillus.
Dependendo da intensidade, compromete o rendimento do processo fermentativo.
As altas temperaturas de fermentação favorecem a contaminação bacteriana, o
aumento do tempo de fermentação e o estresse da levedura.
•
Anti-sépticos: cada um atua de uma forma diferente, agindo sobre um ou mias
grupos de microrganismos. Alguns agem favoravelmente às leveduras, ao mesmo
tempo em que inibem bactérias e fungos.
•
Antibióticos: agem da mesma forma como os anti-sépticos. A escolha do
antibiótico depende de seu custo no tratamento.
•
Aeração: A aeração tem influência sobre a reprodução dos microorganismos
aumentando o crescimento. A aeração favorece, também, a maior distribuição do
fermento no meio que contém o substrato.
•
Vitaminas: A adição de traços de vitaminas junto aos nutrientes garante o
crescimento das células do fermento não influindo, no entanto, na taxa de
fermentação.
•
Água: Convém ressaltar a importância da água na fermentação, pois é indispensável
para:
•
Diluir os açúcares e meios nutrientes das células;
•
É o meio dentro do qual as células se desenvolvem;
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•
Serve como transportador dos produtos para o metabolismo da célula bem
como dos produtos (enzimas) resultantes do metabolismo;
•
•
A água participa em reações de hidrólise e hidratação de açúcares;
Tempo de fermentação e número de microorganismos inicial: Quanto maior o
tempo de fermentação, maior será o rendimento. Porém, podemos encontrar uma
relação ótima entre o número inicial de microorganismos, o tempo de fermentação e
o rendimento para uma dada concentração inicial de açúcares.
2.2.1.4. SISTEMAS DE FERMENTAÇÃO
Há processos descontínuos e contínuos; os contínuos são relativamente recentes,
embora seu uso industrial tenha se iniciado na década de 1940. Mesmo que se tenha
ensaiado usar processo de fermentação contínua anteriormente, o interesse pelo seu uso
despertou após o estímulo a produção de etanol decorrente da crise econômica causada pela
alta dos preços de petróleo na década de 1970.
Nos processos descontínuos distinguem-se quatro tipos de fermentação industrial, são
eles:
•
Sistema de Cortes: depois que se faz à primeira fermentação, divide-se o volume do
mosto fermentado por dois recipientes, completam-se os dois e deixa-se fermentar. Um
envia-se para a destilaria e o outro serve para produzir o inóculo para mais dois e assim
por diante.
•
Sistema de Reaproveitamento de Inóculo: após a fermentação deixa-se decantar as
leveduras, retira-se o substrato fermentado para a destilação, trata-se o inóculo
precipitado no fundo da dorna, ao qual se denomina de pé de cuba, e se realimenta com
um novo mosto.
•
Sistema de Cultura Pura: sistema clássico de fermentação, no qual parte-se de um
tubo de cultura pura para cada ciclo de fermentação, seguindo-se todas as fases de
preparo do inóculo, nas etapas de laboratório e industrial, até as dornas de fermentação,
nas quais se juntam o inóculo e o mosto.
•
Sistema de Recuperação de Leveduras: nesse sistema, após a fermentação passa-se
todo o produto por centrífugas, nas quais se separa um líquido espesso com a aparência
de um creme, que recebe a denominação de creme ou leite de levedura. Envia-se para a
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purificação em um tanque onde se dilui com mesmo volume de água e coloca-se sob
agitação por 3 a 4 horas, após faz-se um tratamento com ácido sulfúrico até pH 2,2 a
3,2. Depois do tratamento envia-se o leite tratado para outra dorna, na qual reinicia-se
nova fermentação após realimentação com novo mosto.
Existe ainda o processo de fermentação contínua que se faz, em sua forma mais
simples, alimentando uma dorna com fluxo contínuo de meio em uma determinada
concentração, retirando-se dela, de forma contínua, o produto que se encaminha para a
destilação.
2.2.1.5. RECIPIENTES DE FERMENTAÇÃO
São dornas abertas ou fechadas, construídas de aço carbono, cilíndricas, com altura
igual a duas vezes o diâmetro, em média.
O controle da temperatura faz-se por meio de trocadores de calor de placas, que
eventualmente podem servir como aquecedores do mosto em fermentação.
O volume dos recipientes de fermentação varia; tecnicamente recomenda-se que
seja harmônico com a capacidade dos destiladores. Na prática, considera-se conveniente
que tenham a capacidade de duas a duas vezes e meia a capacidade horária de destilação.
2.2.1.6. SALAS DE FERMENTAÇÃO
São as construções onde se abrigam as dornas abertas ou fechadas, as centrífugas, os
pré-fermentadores, os tanques de tratamento do fermento e outros equipamentos ligados ao
processo de fermentação.
Sua construção se faz segundo preceitos técnicos e de engenharia, variáveis para
cada região, de acordo com as condições de clima, de forma que se obtenha sempre o
máximo de higiene, controle de temperatura, iluminação e ventilação adequadas e
escoamento de resíduos.
Devem-se fazer construções suficientemente amplas para que o equipamento se
instale com espaços livres à volta, permitindo acesso fácil para assepsia, reparos,
substituições e modificações.
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2.2.1.7. DESTILAÇÃO
A destilação é um processo de separação pelo um líquido, por efeito de
aquecimento, passa para a fase gasosa e, em seguida, volta ao estado líquido por meio de
resfriamento. Quando se trata de uma única substância, o líquido destilado tem a mesma
composição do líquido original. Quando se trata da ocorrência conjunta de líquidos
imiscíveis, o destilado encerra o líquido que tem ponto de ebulição mais baixo. No caso de
líquidos perfeitamente miscíveis, os vapores destilados se compõem de uma mistura de
vapores dos dois, com predominância daquele de menor volatilidade. Com uma série de
destilações é possível separar os dois líquidos em estado de pureza, desde que não se forme
mistura azeotrópica.
2.2.1.7.1. DESTILAÇÃO CONTÍNUA
Realiza-se em colunas de destilação, fazendo-se a alimentação contínua do aparelho
com o produto, retirando-se continuamente o resíduo pela base e o destilado pelo topo.
A separação dos componentes secundários, que se constituem de todas as
substâncias que não o etanol, faz-se pelo topo, pela base ou lateralmente em alturas
determinadas, segundo a natureza das impurezas.
2.2.1.7.2. DESTILAÇÃO DESCONTÍNUA
Quando se realiza uma destilação intermitente, faz-se uma carga no aparelho,
esgota-se o produto de seu componente álcool por aquecimento, evaporação, condensação e
refrigeração, descarrega-se o resíduo, faz-se nova carga, e assim por diante.
2.2.1.8. DESIDRATAÇÃO DE ETANOL
Não se pode apenas por destilação, obter álcool etílico com concentração
superior a 97,2% em volume (95,6% em peso), porque, nessa concentração, a mistura de
água e etanol é azeotrópica.
Os processos industriais para a desidratação classificam-se em químicos e físicos.
Os primeiros baseiam-se no emprego de substâncias químicas, como óxido de cálcio,
acetato de sódio, carbonato de potássio e outros, que são capazes de absorver a água do
etanol retificado no estado de vapor ou líquido.
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Os processos físicos baseiam-se na variação da pressão, destilação de mistura
hiperazeotrópica obtida por processos químicos, absorção de vapores usando corpos
sólidos, atmólise, destilação em presença de um terceiro corpo e uso de absorventes
regeneráveis, que fracionam a mistura azeotrópica pela absorção de água ou de álcool e na
separação do etanol por membranas. Denominadas de peneiras moleculares.
2.2.1.9. VERIFICAÇÃO PRÁTICA DA PUREZA DAS FERMENTAÇÕES
A fermentação alcoólica industrial é um processo fermentativo rústico, que certas
vezes se processa em condições tecnicamente adversas. A rusticidade do processo se deve
inegavelmente à capacidade biológica das leveduras, bastando que lhes dêem condições de
concentração adequada, nutrientes e alguns desinfetantes, para que o processo se
desenvolva satisfatoriamente. Pode-se verificar a pureza das fermentações observando os
seguintes aspectos:
•
Tempo de fermentação: fixando-se os tempos médios gastos numa destilaria, de
acordo com os procedimentos técnicos que se adotam, uma alteração para mais ou para
menos, é um sinal de importância relevante na observação da fermentação.
•
Odor da fermentação: o aroma das fermentações puras é penetrante, ativo e tende para
odor de frutas maduras. Cheiro ácido, a ranço, ácido sulfídrico e outros indicam
irregularidade.
•
Aspecto da espuma: embora varie com a natureza do mosto, temperatura e a raça da
levedura, a espuma apresenta-se com aspecto típico e característico, nas mesmas
condições de fermentação. Alterações nessas características indicam irregularidades.
•
Drosófilas: infalivelmente, quando há infecção acética, aparecem “moscas do vinagre”
em número proporcional a contaminação.
•
Temperatura: alterações importantes na curva de temperatura, do início ao final da
fermentação, são um indício de possíveis defeitos.
•
Densidade do mosto: durante a fermentação a densidade do mosto decresce segundo
uma curva condizente com as fases da fermentação. De sua observação percebem-se as
alterações da marcha fermentativa.
•
Açúcares no mosto: consomem-se de acordo com a curva de densidade. A
irregularidade no consumo indica defeitos na fermentação.
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•
Acidez no substrato em fermentação: do começo ao final da fermentação nota-se um
acréscimo da acidez titulável. Não deve haver grande diferença entre a final e a inicial.
Quando a acidez final for maior do que o dobro da inicial é sinal de má fermentação.
2.3. OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DA CANA DE AÇÚCAR
Obtém-se etanol por três maneiras gerais: por via destilatória, por via sintética e por
via fermentativa. A via destilatória não tem significação econômica no Brasil, a não ser
para certas regiões vinícolas, para o controle de preço de determinadas castas de vinhos de
mesa. Por via sintética obtém-se o etanol a partir de hidrocarbonetos não saturados, como o
eteno e o etino, e de gases de petróleo e da hulha. Nos países em que há grandes reservas de
petróleo e uma indústria petroquímica avançada, é uma forma econômica de produzir
álcool.
A via fermentativa é a maneira mais importante para a obtenção do álcool etílico no
Brasil. Mesmo que venha a haver disponibilidade de derivados de petróleo que permitam a
produção de álcool de síntese, a via fermentativa ainda será de grande importância para a
produção de álcool. Um dos fatores que torna a produção de etanol por fermentação a
forma mais econômica de sua obtenção, é o grande número de matérias-primas naturais
existentes em todo o país. Sua distribuição geográfica, que encerra diversos climas e tipos
de solos, permite seu cultivo em quase todo o território e durante todo o ano.
O etanol pode ser obtido, portanto, em processos fermentativos, a partir de três
grupos de matérias-primas: sacarídeas, amiláceas e celulósicas. As sacarídeas, matériasprimas que apresentam açúcares na sua constituição, como é o caso das canas-de-açúcar, do
sorgo sacarino, da beterraba e das frutas em geral, podem ser convertidas diretamente em
álcool. As amiláceas (mandioca, batata-doce, cereais, etc.) precisam primeiro ser
sacrificadas por ação de enzimas. E as celulósicas (madeira, bambu, resíduos
agroindustriais, etc.) também necessitam ser convertidas a açúcares fermentáveis por ação
de ácidos minerais ou enzimas.
Pela simplicidade e economia do processo, bem como pela facilidade de produção, a
cana-de-açúcar assumiu no Brasil grande destaque como matéria-prima para a produção do
etanol. Em tese, basta extrair-se o caldo do colmo da cana e fermentar a sacarose nele
contida para obter-se o álcool. Todavia, o rendimento industrial é o aspecto mais relevante
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da questão, sendo influenciado pela qualidade da matéria-prima, medida pela quantidade de
açúcar contido nos colmos (tipo de caule característico da cana-de-açúcar). Por sua vez, o
teor de sacarose é função de uma série de fatores, destacando-se: variedade, grau de
amadurecimento, regime de chuvas e práticas culturais empregadas.
Para ressaltar a importância do conteúdo de açúcar na cana, apresentam-se, a seguir,
os rendimentos máximos que podem ser obtidos em função do teor de sacarose.
Teor de Sacarose (%)
Litros de álcool por tonelada de cana
10
51
11
57
12
62
13
67
14
72
Em função desta significativa importância, o nosso trabalho estará voltado para a
obtenção de etanol a partir da cana de açúcar, mas não deixaremos de citar as outras
matérias-primas que podem ser utilizadas na obtenção deste.
•
Melaços: denominam-se melaços os resíduos da fabricação de açúcar que não são
mais utilizados para a separação da sacarose. Eles se originam nas usinas de açúcar,
pela centrifugação das massas cozidas para a separação dos cristais de açúcar. Podese admitir que encerra até 62% de açúcares, 20% de água, 8% de cinzas, 3% de
matérias nitrogenadas e 7% de outros como gomas e ácidos.
•
Milho: o milho limpo, ventilado, em condições de armazenamento, apresenta-se
com 9 a 15% de água, 59 a 70% de extrativos não nitrogenados, 5 a 15% de
material protéico, 1,5 a 8,5% de material celulósico e 1,3 a 4% de cinzas.
•
Milho Sacarino: é um tipo de ilho com reserva de açúcar em seu colmo. Possui
elevado teor de sacarose.
•
Sorgo Sacarino
•
Mandioca: as raízes frescas contêm de 67 a 75% de água, 18 a 23% de fácula e o
restante distribuído entre material protéico, celulose, graxas e cinzas.
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•
Resíduos Celulósicos: são representados por palhas, folhas, resíduos de exploração
de madeira e outros.
•
Outras matérias primas: podemos ainda citar arroz, centeio, cevada, miheto, trigo,
batata, batata doce, beterraba e tupinambo, entre outros.
•
Cana-de-açúcar: as características serão descritas ao longo do trabalho.
2.3.1. CARACTERÍSTICAS DA CANA-DE-AÇÚCAR
A cana-de-açúcar é composta de bagaço e caldo, separados no esmigalhamento da
cana que é feito através de moendas. O bagaço é constituído principalmente de fibras e
pode destinar-se a uma série de aplicações. O caldo tem uma constituição que depende do
solo e das condições ambientais. Sua composição média é de 78% de água e 22% de
sólidos solúveis, dos quais cerca de 90% são açúcares.
A tabela abaixo apresenta dados mais detalhados de uma análise de caldo de cana.
Composição do Caldo de Cana
ÁGUA
75 a 82%
SÓLIDOS SOLÚVEIS
18 a 25%
•
•
AÇÚCARES
15 a 24%
-
Sacarose
14,5 a 23,5%
-
Glicose
0,2 a 3,0%
-
Levulose
zero a 0,5%
NÃO AÇÚCARES
1,0 a 2,5%
-
Orgânicos
0,8 a 1,8%
-
Cinzas
0,2 a 0,7%
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2.3.2. SÍNTESE DO PROCESSO PRODUTIVO
A cana bruta que dá entrada à unidade produtiva é descarregada
através de talha em um depósito.
Através de esteiras, a cana é conduzida aos trituradores,
constituídos de um conjunto de facas rotativas.
A cana triturada segue para uma bateria de moendas onde o caldo é
extraído.
O bagaço segue para a estação de geração de vapor como
combustível de caldeira.
O caldo extraído é bombeado a um filtro onde é separado do
bagaço residual.
A seguir, é filtrado passando por uma esterilização em trocador de
calor.
O caldo sofre uma diluição, adição de corretivos, tem seu pH
corrigido, seguindo para as dornas de fermentação.
Parte do caldo é utilizada na preparação do inoculo que é
adicionado juntamente com o caldo nas dornas de fermentação. O tempo
de fermentação é de 22 horas. O vinho resultante da fermentação é
centrifugado e separado em leite de levedura e vinho delevurado. O leite
de levedura constitui-se em novo inoculo enquanto que o vinho
delevurado segue para uma coluna de destilação para obtenção do álcool.
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O processo usado na fabricação de álcool etílico por fermentação depende da
natureza da matéria-prima, além de vários outros fatores que também são fundamentais
para a eficiência global do processo, tais como a teor de açúcares redutores totais do mosto,
o pH, a temperatura de fermentação, a adição de nutrientes específicos ao mosto e, caso
necessário, a seleção de uma cape de levedura com grande tolerância alcoólica. Além
desses fatores, diretamente relacionados com a etapa química do processo, são também
relevantes o preparo da matéria-prima e a purificação do produto, relacionado às etapas
físicas. As etapas químicas e de purificação do produto independem do tipo de matériaprima utilizada.
2.3.3. PREPARO DA MATÉRIA-PRIMA
O rendimento industrial das destilarias é altamente influenciado pela qualidade da
matéria-prima. Partindo de uma matéria-prima adequada, após a lavagem (5-10 m3 de água
por tonelada de cana), o preparo desta para a moagem deve considerar que, sob o ponto de
vista industrial, a cana-de-açúcar é constituída de:
•
Partes duras: representam 25% em peso e contêm 15% do caldo;
•
Partes moles: representam 75% em peso e contêm 85% do caldo;
A liberação do caldo dessas partes duras e moles é função de sua proporção na matériaprima, da natureza e do estado de apresentação destas. Para que o caldo seja mais
facilmente extraído da cana-de-açúcar, é necessário desintegrar essa matéria-prima ao
máximo, de tal forma que se possa também extrair o máximo desse líquido, tanto pelo
processo de moagem como pelo da difusão.
Todas as vezes que a proporção da fibra cresce na cana-de-açúcar, a extração do caldo
decresce. Daí a necessidade do aperfeiçoamento da preparação da matéria-prima. Os
principais objetivos do preparo da cana-de-açúcar são os seguintes:
•
Destruição da resistência das partes duras (casca e nós);
•
Rompimento dos vasos celulares
•
Produção de uma massa fibrosa homogênea e compacta, de alta densidade, de forma
a facilitar o trabalho das moendas e aumentar a sua eficiência extrativa.
As vantagens do preparo da cana-de-açúcar são:
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20
•
Aumento da eficiência das moendas, em termos de capacidade de moagem e de
extração;
•
Permite aumentar a velocidade das moendas;
•
Melhora a uniformidade da alimentação da primeira unidade esmagadora;
•
Permite a utilização de menores pressões hidráulicas;
•
Permite melhorar as condições absortivas do bagaço;
•
Proporciona um menor desgaste das moendas;
Na prática açucareira e alcooleira, o preparo da cana-de-açúcar é feito por facas
rotativas e desfibradores e a moagem, através das moendas, constituídas de conjuntos de
cilindros justapostos, denominados trens ou tandens, podendo ser acionados por máquinas
a vapor ou eletricidade. Cada conjunto de três cilindros é conhecido como “terno”. Esses
rolos têm por objetivo esmagar a cana e são frisados a fim de aumentar a extração do caldo.
2.3.4. TRATAMENTO DO CALDO
O tratamento do caldo consiste em prepará-lo de modo a transformá-lo num líquido
açucarado apto ou suscetível a sofrer fermentação alcoólica, passando, então, a ser
denominado mosto, que será tanto melhor fermentável quanto melhor ajustados estiverem
alguns parâmetros promotores da fermentação. Dentre esses, destacam-se:
a) Aquecimento – o objetivo deste é clarificar o caldo através da precipitação de
colóides que, aumentando a viscosidade do caldo, provocam grande formação de
espuma, impedindo o fluxo de CO2 (formado durante a fermentação) e obrigando a
preencher a dorna com um volume menor para evitar transbordamento. Além disso,
o aquecimento elimina algumas bactérias contaminantes, esterilizando o caldo. Por
outro lado, já que o processo fermentativo é exotérmico, o aquecimento torna-se um
problema. Para contorná-lo, após um aquecimento até 100ºC, faz-se um
resfriamento a 30ºC, temperatura ideal para a fermentação.
b) pH - o pH da cana madura varia de 5,2 a 5,5, valor inferior ao ponto isoelétrico de
colóides que não tenham sido precipitados, mesmo após o aquecimento. Para atingir
esse ponto e intensificar a precipitação, costuma-se adicionar leite de cal ao caldo, a
fim de elevar o pH para cerca de 6,5. O caldo é deixado em repouso para total
precipitação e as impurezas, chamadas de lodo ou borra, são decantadas e
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removidas através de filtração a vácuo; como são substâncias gelatinosas, torna-se
necessário mistura-las com bagacinho para evitar o entupimento do filtro. Dessa
maneira, recupera-se o caldo que embebia o lodo e a mistura de lodo mais
bagacinho, chamada de torta, é utilizada nos canaviais como adubo, pois é rica em
fósforo (P2O5), nitrogênio e potássio.
c) Concentração de açúcares – o caldo, ainda quente, depois de decantado e filtrado,
é transferido para os evaporadores, que têm por objetivo aumentar a concentração
de sólidos solúveis por evaporação da água.
d) Elementos nutrientes – Estes são necessários para permitir uma boa atividade das
leveduras, pois são vitais a estas. Os elementos essenciais são, normalmente,
adicionados sob a forma de sais minerais, destacando-se o nitrogênio, fósforo e
potássio.O fósforo é importante na produção alcoólica, pois participa diretamente do
ciclo fermentativo; já o nitrogênio é fundamental para o crescimento celular,
enquanto que o potássio, que deve ser adicionado em pequenas quantidades para
não reverter seu efeito, é também responsável pela multiplicação das leveduras e
absorção do íon fosfato. Outros elementos também são importantes para a atividade
fermentativa das leveduras. Manganês e magnésio atuam como ativadores
enzimáticos. Em pequenas quantidades, são igualmente necessários ferro, zinco e
enxofre.
e) Vitaminas – hoje em dia são poucas as destilarias que as empregam, apesar de
aumentarem a velocidade da fermentação. As vitaminas que se sobressaem são as
do complexo B.
f) Outros – a ausência quase total de luz facilita a multiplicação das células, enquanto
que a ausência de oxigênio é fundamental para a fermentação alcoólica. Se há
agitação do meio, há uma maior interação entre levedura e mosto; geralmente, não
há necessidade de agitação mecânica, pois a própria turbulência do mosto em
fermentação é suficiente para aumentar o contato das leveduras com aquele.
Também devem ser eliminados elementos tóxicos como cobre, cádmio, prata,
ósmio, mercúrio e paládio, que inibem o desenvolvimento das leveduras.
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2.3.5. FERMENTAÇÃO
A etapa de fermentação começa com a adição de fermento ao mosto, até
completar o volume da dorna, podendo ser realizada adicionando-se todo o levedo de uma
só vez, intermitentemente ou em filete contínuo. O método recomendado é o de filete
contínuo, pois permite que a densidade do mosto em fermentação se mantenha constante
durante o período de enchimento da dorna. As principais fases da fermentação são:
a) Preparo do fermento - o objetivo do preparo do fermento é o de evitar uma
fermentação irregular e de baixo rendimento, o que aconteceria caso o mosto
simplesmente entrasse em contato com microorganismos. Para o sucesso da
fermentação, é indispensável que se adicione ao mosto um volume de
microorganismos chamados de “levedo”, “pé-de-cuba” ou “fermento”, de tal
maneira que haja um bom desempenho do processo, já que esse é uma função da
qualidade do fermento utilizado. Os fermentos mais utilizados são o prensado e o
selecionado. O fermento prensado é um agregado de células de Saccharomyces
cerevisae e pode ser empregado em qualquer tipo de destilaria, sendo, por isso, o de
maior uso. O seu preparo consiste em adicionar diretamente à dorna 2,0 a 2,5 g de
fermento por litro de mosto diluído aquecido a 30ºC. O objetivo de se usar mosto
diluído é para que se obtenha um bom crescimento celular. A seguir, coloca-se o
mesmo volume de mosto aquecido até alcançar o volume final da dorna. Corta-se
então para outra dorna e assim sucessivamente. Quanto ao fermento selecionado,
que é constituído de células de Saccharomyces uvarum, tem as vantagens de
apresentar tolerância a maiores concentrações de açúcar e de álcool e a maiores
temperaturas, o que resulta em maiores rendimentos.
b) Pré-fermentação – esta fase caracteriza-se por não apresentar praticamente
produção de etanol. É uma etapa em que há multiplicação das leveduras, com
pequena elevação de temperatura. Verificou-se, experimentalmente, que a préfermentação termina quando começa o desprendimento de CO2, característico da
fermentação alcoólica. É interessante notar que o tempo da pré-fermentação deve
ser minimizado, na medida em que esta é uma etapa que consome açúcar sem
produzir etanol. Tal fato é conseguido através de um bom preparo do caldo e do
fermento.
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c) Fermentação principal – nesta etapa começa a formação da espuma devido ao
desprendimento de CO2, seguido de uma rápida elevação de temperatura, a qual
deve ser controlada para evitar perda de rendimento, tornando-se necessário resfriar
a dorna. O acompanhamento desta etapa é feito pela queda gradual da densidade do
mosto e subseqüente aumento do teor alcoólico e da acidez.
d) Pós-fermentação – nesta etapa, a fermentação se completa. Caracteriza-se pela
diminuição de temperatura até a temperatura ambiente e pela elevação do pH, assim
como pela estagnação do meio reacional. A duração desta fase também deve ser a
menor possível, para que não haja ataque de microorganismos prejudiciais ao
produto que ser quer obter (vinho, por exemplo). Ao fim desta etapa, seguida de
uma decantação, o produto está pronto para ser destilado.
e) Destilação – a finalidade da destilação é separar misturas binárias ou múltiplas em
seus elementos componentes, a fim de obter cada um deles com um alto grau de
pureza. A destilação baseia-se no fracionamento de líquidos voláteis com diferentes
pontos de ebulição.
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2.3.6. FLUXOGRAMA DO PROCESSO
Cana-de-açúcar
Pesagem
Recepção
Preparo
bagaço
Gerador de vapor
Moagem
Caldo
Tratamento do caldo
Tratamento do levedo e
pré-fermentação
Mosto
Fermentação
Leite de
leveduras
Separação centrífuga
vinhaça
Destilação
Armazenagem
Álcool
hidratado
Estocagem
Retificação
Lavoura
Desidratação
Álcool anidro
Estocagem
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2.37. RESÍDUOS GERADOS NA PRODUÇÃO DE ÁLCOOL E O SEU
DESTINO
a) Vinhoto – contém em média 93% de água e 7% de sólidos, 75% dos quais
correspondem à matéria orgânica. É descartado no canavial, objetivando a
fertirrigação. Sua aplicação em lavouras pode ser feita por aspersão a partir de
veículos-tanque alimentados por reservatório-pulmão. Quando a topografia é
favorável, pode-se distribuir o vinhoto com o auxílio da própria declividade.
Comparando-se as recomendações gerais de adubação para cana-de-açúcar e a
composição química do vinhoto, verifica-se um certo desbalanceamento nutricional
deste (rico em potássio e relativamente pobre em nitrogênio e fósforo). Portanto, seu
uso como fertilizante requer uma complementação com nitrogênio e fósforo.
b) Água de Lavagem – contém areia e açúcar, este em torno de 1kg por tonelada de
cana. Após o gradeamento para a remoção de sólidos grosseiros, passa por um
tanque de sedimentação, sendo o líquido recirculado ao processamento de lavagem.
Caso este efluente não seja recirculado, deve ser lançado diretamente na lavoura ou
tratado para a redução de carga orgânica.
c) Bagaço – é constituído, basicamente, de água, fibra e sólidos solúveis. Dentre esses,
destacam-se a sacarose, glicose, frutose e sais. A fibra, por sua vez, é constituída de
celulose, lignina e cinzas. É aproveitado na utilização como combustível de
caldeira, formando-se um excedente de até 40% do volume total produzido, o qual
pode ser empregado como insumo energético em outras plantas ou como fertilizante
natural, aglomerado para construção, insumo para a indústria de papel e celulose e
de produtos químicos.
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3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O homem, ao se utilizar da levedura para a produção industrial de etanol, elegeu o
álcool como principal produto, cuja eficiência de produção é comprometida pela formação
dos demais produtos da fermentação. Entretanto, o objetivo primordial da levedura é
crescer e multiplicar-se, sendo o etanol um produto a ser rejeitado. Percebe-se, então, que
os objetivos metabólicos da levedura, à primeira vista, não coincidem com aqueles traçados
pelo homem ao explorar industrialmente tal organismo. Porém, explorando a capacidade de
adaptação das leveduras, podem-se alterar as condições físico-químicas do meio de
fermentação para, em benefício do homem, favorecer a conversão do açúcar em etanol sem
negligenciar das necessidades metabólicas mínimas das leveduras.
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4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
AQUARONE, Eugênio; BORZANI, Walter; LIMA, Urgel de Almeida de;
SCHMIDELL,
Willibaldo.
Biotecnologia
industrial:
processos
fermentativos e enzimáticos. 1.ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher
LTDA, 2001. 593p. 4v. v.3, p.1-39.
LÁZARO, Átila et al. Projeto técnico de produção de álcool etílico a partir
da cana-de-açúcar. Porto Alegre: PUCRS, 1981.
PEREIRA, Plínio Edgar. A produção de álcool no Rio Grande do Sul.
Governo do Estado do Rio Grande do Sul, Secretaria da Indústria e Comércio,
1985.
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