PRODUÇÃO DE ETANOL. Breve histórico 1532 – montado o primeiro engenho de açúcar Primeira...

PRODUÇÃO DE ETANOL

Breve histórico

1532 – montado o primeiro engenho de açúcar Primeira Guerra – álcool como combustível de

motores de explosão 1929/1931 – Crise internacional; instalação da

primeira destilaria de álcool anidro – obrigatoriedade da mistura de 5% de etanol à gasolina (Dec. 19717)

1974 – crise do petróleo – Pró-álcool

Importância

O etanol ou álcool etílico, apresenta duas funções principais : "commodity chemical" e indústria de bebidas alcoólicas.

    -Após a água, o álcool é o solvente mais comum, além de representar a matéria-prima de maior uso no laboratório e na indústria química

Vias de obtenção: destilatória, sintética e fermentativa

Importância

No Brasil, o etanol é utilizado de duas maneiras:

- como mistura na gasolina, na forma de 22% de etanol anidro, a 99,6º Gay-Lussac (GL) e 0,4 % de água, formando uma mistura "gasohol" com o objetivo de aumento da octanagem da gasolina;

- como etanol puro, na forma de etanol hidratado, a 95,5º GL

Produção de etanol

No Brasil a cana de açúcar é a principal matéria prima utilizada; na França é a beterraba; nos EUA e na maioria dos países europeus o bioetanol é essencialmente produzido a partir de cereais, principalmente milho.

Produção de etanol

Por continente

Produção de etanol

Produção de etanol

Impacto da Produção de Etanol no Brasil

Economia US$ 141 bilhões com óleo importado e juros

Empregos 70.000 agricultores 347 destilarias 1 milhão de pessoas

Meio Ambiente 1.000 L de etanol sequestram 2,6 t de CO2 da atmosfera

Fonte: Valor Econômico, 2005

Produção de açúcar e álcool

Produçãodo açúcar

açúcar

Fermentaçãodo açúcar

Destilaçãoálcool

Cana-de-açúcar

Lavagem Extração

TratamentoDo caldo

TratamentoDo caldo

Metabolismo microbianoMetabolismo microbiano 

Balanço Energético da Fermentação

DefiniçãoDefiniçãoFermentação alcoólica é o processo através

do qual certos açúcares, principalmente a Sacarose, Glicose e Frutose são transformados em Álcool Etílico (ou Etanol).

Mecanismo anaeróbio de produção de energia que não envolve cadeia respiratória ou citocromos.

Matérias-primas

O etanol pode ser produzido a partir de qualquer carboidrato fermentável pela levedura .

Classificação das matérias-primas:

- açucaradas

- amiláceas ou feculentas

- celulósicas

Matérias-primas: preparo Matérias açucaradas

- diretamente fermentescíveis: monossacarídeos - sucos de frutas

- não diretamente fermentescíveis : dissacarídeos – sacarose da cana-de-açúcar e dos melaços

Dissacarídeos Hidrólise(inversão)

Açúcar fermentescível

Matérias celulósicas - fermentam após hidrólise

Matérias-primas: preparo

Matérias amiláceas e feculentas- fermentam após hidrólise do amido – sacarificação:

* via química* via enzimática* via biológica

** ação enzimática do malte** ação microbiana de certos fungos

Sacarificação pelo malteGrãos –limpeza e classificação

MaceraçãoÁgua:grão 3:1; 10-12°C

Germinação

Malte verde Malte seco

Amido

Pesagem/Moagem

Hidratação

Cozimento

Goma de amido

Agitação 65°C/1hResfriamento 28 a 30 °C

Sacarificação microbianaAmido

Goma de amidoInóculo

Fungos amilolíticosÁgua

Agitação e aeração24 h

Fermentação microrganismo

Preparo do SubstratoPreparo do Substrato O Preparo dos mostos nas destilarias faz-se em seções

que constam de: • tanques de medição;• balanças;• diluidores mecânicos;• depósitos de sais minerais;• depósitos de antissépticos;• aquecedores e refrigerantes;• medidores de ácido.

Fatores que afetam a fermentação

* O etanol é inibidor à altas concentrações, e a tolerância das leveduras é um ponto crítico para uma produção elevada deste metabólito primário. 

* A tolerância ao etanol varia consideravelmente de acordo com as linhagens de leveduras. 

•Agente de fermentação:Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces sp

Fatores que afetam a fermentação

•Nutrição mineral e orgânica- fonte de carbono- vitaminas: tiamina, ácido pantotênico- Nitrogênio: sais de amônio- Sais minerais: P, S, K, Mg, Ca, Zn, etc

•Temperatura- 26 a 35°C- chega a 38 °C

•pH - mostos industriais: 4,5 a 5,5

Fatores que afetam a fermentação

•Preparo e correção do mosto- melaço: diluição – 15 a 25°Brix

fosfato e sais de amônio

- cana-de-açúcar: bruta ou clarificada fosfatos, sais de amônio, sais de Mg, Mn e Co

- materiais amiláceos: sacarificação fosfatos, acidez pH 4 a 5 com H2SO4

Fatores que afetam a fermentação•Inibidores

- etanol- K e Ca - sulfito

•Concentração de açúcares•Concentração de inóculo•Contaminação bacteriana•Antissépticos•Antibióticos

Antissépticos

• No Brasil, não é usual esterilizarem-se os mostos nas destilarias de álcool e aguardente. Para controlar o problema das contaminações, usam-se antissépticos para criar ambiente favorável ao desenvolvimento das leveduras e desfavorável a outros microrganismos.

• Obtém-se boas fermentações usando-se 4 mg de hexaclorofeno hexaclorofeno por litro de mosto ou pentaclorofenol pentaclorofenol na proporção de 0,01 a 0,05 g/litro de substrato.

• O ácido sulfúricoO ácido sulfúrico utilizado na correção do pH, também age como antisséptico.

Antibióticos

• Pela mesma razão por que se empregam os antissépticos, usam-se os antibióticos na fermentações industriais para produção de etanol.

• Sua ação é de agente esterilizante, em virtude de suas propriedades bacteriostáticas.

• Aplica-se a penicilinapenicilina (500-1000 UI/L de mosto) que é economicamente mais recomendável ou cloranfenicol, tetraciclina e clorotetraciclina.

Preparo do inóculo

•Vinhos e pequenas destilarias – flora natural leveduras selecionadas

•Vinhos e sidra – leveduras encapsuladas em alginato

•Grandes destilarias – leveduras de panificação leveduras selecionadas

Culturaestoque

Frascos100 a 12.500 mL

Pré-fermentadores50 a 1.000 L

10% volume industrial5.000 a 15.000 L

Prática da fermentação alcoólica

fases descrição

Preliminar Contato da levedura com o mosto

Características: intensa multiplicação celular, pequena elevação de temperatura e pequeno

desprendimento de CO2

Tumultuosa Intensa liberação de CO2 – a mistura ferve

Aumento da temperatura e da acidez; diminuição da densidade

Final ou complementar

Diminuição da intensidade de desprendimento do CO2, menor agitação do líquido, diminuição

da temperatura

Verificação prática da pureza

Tempo de fermentação Odor (frutas maduras) Aspecto da espuma Presença de drosófilas Temperatura e densidade Açúcares Acidez

Verificação prática da pureza

• Tempo de fermentaçãoTempo de fermentação – duração média de um processo fermentativo em mosto de melaço ou de caldo de cana-de-açúcar é de 24 horas e as de mosto amiláceo de 36 horas.

• Odor da fermentaçãoOdor da fermentação - O aroma das fermentações puras é penetrante, ativo, e tende para odor de frutas maduras. Cheiro ácido, ranço, ácido sulfídrico e outros indicam irregularidades no processo.

• Aspecto da espumaAspecto da espuma - A espuma varia com a natureza do mosto, temperatura, espécies e linhagem de leveduras. Alterações nas características indicam irregularidade no processo.

Verificação prática da pureza

• Drosófilas Drosófilas – São as “moscas do vinagre” que ocorrem quando há infecção acética

• TemperaturaTemperatura – Alterações importantes na curva de temperatura, do início ao final da fermentação, alertam para possíveis defeitos no processo.

• Densidade do mostoDensidade do mosto – Durante a fermentação a densidade do mosto decresce segundo uma curva harmônica, com as fases da fermentação. De sua observação, percebe-se as alterações da marcha fermetativa.

Verificação prática da pureza

• Açúcares no mostoAçúcares no mosto – consomem-se de acordo com a curva de

densidade. • Acidez no substrato em fermentação Acidez no substrato em fermentação – não deve haver grande

alteração entre a acidez final e a inicial. Quando a final for maior que o dobro da inicial, é indicação de má fermentação.

Sistemas de fermentação

Descontínuo- sistema de cortes- sistema de reaproveitamento do inóculo- sistema de cultura pura- sistema de recuperação de leveduras

Contínuo- várias configurações

Células imobilizadas

Sistemas de fermentação

Sistemas de fermentação

Batelada

Sistemas de fermentação

Contínuo

Instalações e equipamentos

Salas de fermentação- até 1.000 m3

- dornas, centrífugas, pré-fermentadores, tanques de tratamento

Recipientes de fermentação- dornas abertas ou fechadas- cilíndricas: H = 2 D- trocadores de calor- volume: 2 a 2,5 vezes a capacidade horária

de destilação

Destilação

Mistura azeotrópica Vinhos: sólidos, líquidos e gases Água (88 a 93%) e etanol (12 a 7%) Descontínua ou contínua

vinho Destilaçãoetanol

flegmaRetificação desidratação

Etanol97,2% em volume

Destilação descontínua

Alambiques e pequenas destilarias de aguardente ou de bebidas de vinhos

Destilaçãovinho

Destilado de cabeça

Destilado de coração

Destilado de cauda

Destilação contínua

Destilarias com produção superior a 2.000 L

Retificação e desidratação

Retificação- separação do álcool das impurezas- separam-se como produtos de cabeça ou de cauda- colunas depuradora, destiladora, retificadora, de repasse final

Desidratação

- uso de arrastadores

- absorvente regenerável

- peneiras moleculares

Cana-de-Açúcar

1 t de cana contém: 140 kg de açúcar 140 kg de fibra (bagaço) 140 kg de fibra das folhas e pontas

Isso representa ~ 1 barril de petróleo

Cana-de-Açúcar

1 Ha (10.000m2):produz 80 barris equivalentes de petróleo

BRASIL:5,5 milhões de hectares de cana POTENCIAL:440 milhões de barris

equivalentes de petróleo

Fonte: Valor econômico 15/08/2005

Cana-de-Açúcar

Cana-de-Açúcar

Cana-de-Açúcar

Bagaço Excedente 6 a 16 milhões de Bagaço Excedente 6 a 16 milhões de toneladas/anotoneladas/ano

Quantidade de Resíduos Lignocelulósicos gerados anualmente no Brasil

~350 x 106 toneladas (40% de umidade)

Energia da Cana1 TON DE CANA (COLMOS) Energia (MJ)• 140 kg de açúcar 2 300• 280 kg de bagaço (50% umidade) 2 500• 280 kg de palha (50% umidade) 2 500

TOTAL 7 300 (0.16 TEP)360 milhões de toneladas de cana 58 milhões TEP

Consumo de energia primária no Brasil: 200 x106 TEP/ano

Perspectivas futuras

Linhagens mais produtivas, com características desejáveis para produção de etanol e com monitoramento na indústria por técnicas de marcação molecular, foram desenvolvidas em vários laboratórios, destacando-se o da ESALQ/USP, em Piracicaba.

Desenvolvimento de processos visando à produção de linhagens melhoradas da levedura Saccharomyces cerevisiae:

Por tecnologia do DNA recombinante, os laboratórios de pesquisa das universidades de Brasília e da USP desenvolveram em conjunto linhagens de leveduras contendo genes de amilases capazes de utilizar o amido, por exemplo de mandioca ou batata-doce, na produção de etanol. Essas leveduras manipuladas geneticamente estão sendo aperfeiçoadas e poderão desempenhar um importante papel na produção de etanol.

A tecnologia do DNA recombinante tem sido também usada por esses e outros laboratórios brasileiros e do exterior na clonagem e seqüenciamento de genes de interesse industrial em fungos.

Papel da Biotecnologia

Avanços e melhorias não seriam possíveis sem a ajuda da biotecnologia, tanto para a matéria prima como para seu processamento

Com a ajuda da biotecnologia a cana de açúcar vai continuar sendo imbatível como matéria prima para produção de energias renováveis

Melhoria do Balanço de GEE Aumento da Competitividade

Bioetanol de Segunda Geração

Hidrólise Ácida dos Polissacarídeos Hidrólise Ácida dos Polissacarídeos (HEMICELULOSE e CELULOSE) do (HEMICELULOSE e CELULOSE) do

Complexo LignocelulósicoComplexo Lignocelulósico

Bebidas alcoólicas

Legislação Brasileira

Fermentadas

Fermento-destiladas

Por mistura

Destiladas

Destilo-retificadas

Bebida alcoólica = refrescante, aperitivo, ou estimulante destinado à ingestão humana no estado líquido, sem finalidade medicamentosa e contendo mais de 0,5 grau Gay-Lussac de etanol.

Generalidades sobre bebidas alcoólicas

classificação bebidas Matérias-primas °GL

Fermentadas Cerveja

Vinho

Vinho de frutas

Sidra

Saquê

Malte de cevada

Suco de uvas

Suco de frutas

Suco de maçãs

Arroz sacarificado

variável

10 a 13

10 a 13

4 a 8

14 a 26

Fermento-destiladas

Aguardente de cana

Uísque

Tequila

Vodca

Caldo de cana

Cevada maltada

Suco de agave

Cereais ou tubérculos

38 a 54

Glossário

Grau Brix = 1° Brix corresponde a 1 g de sólidos dissolvidos em 100 g de solução à 20°C

Grau Gay-Lussac = porcentagem em volume de etanol a 15°C

Vinho = bebida fermentada de mosto de frutas; meios açucarados provenientes de uma fermentação alcoólica

Flegma = líquido alcoólico mais rico que o líquido original e impuro

Gráficos