Processos fermentativos industriais: fermentação alcoólica

Prof. Dr. Fabiano Kenji Haraguchi

A fermentação alcoólica pode ser considerada como aoxidação anaeróbica parcial da glicose com a produção finalde álcool etílico e CO2, além de outros produtos secundários.Este processo é desencadeado principalmente por leveduras.

• PRIMEIROS ESTUDOS SOBRE FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

– BECHNER: Século 17 - somente os líquidos açucarados são capazes de

entrar em fermentação alcoólica. O álcool se formava durante o

processo de fermentação, erradamente julgando a necessidade de ar

para causar o fenômeno que dizia ser semelhante à combustão;

– BLACK: Século 18 - postulou que o álcool etílico e o gás carbônico

eram os únicos produtos formados do açúcar durante a fermentação

alcoólica;

– LAVOISIER: 1789 - primeiro a efetuar um estudo quantitativo da

fermentação alcoólica, identificou além do álcool etílico e do gás

carbônico um outro composto, o ácido acético.

• GAY LUSSAC: Seguiu os estudos de Lavoisier, formulou a equação que

julgava representar o fenômeno da fermentação alcoólica:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

• PASTEUR: 1857 - Explicou a natureza da fermentação alcoólica,

atribuindo-a a atuação de seres vivos, as leveduras, como agentes

causais.

• EMBDEN, MEYERHOF, ROBISON, NEUBERG, CORI, PARNAS E WARBURG:

Século 19 - Foram os arquitetos pioneiros da identificação das rotas

bioquímicas que hoje representam a fermentação alcoólica em todas as

suas etapas.

Matérias-primas

• Ainda que todo produto que contenha carboidratos transformáveis

em álcool – sacarose, glicose, frutose, amido, celulose, etc., possa

ser considerado matéria-prima para a fermentação alcoólica, é

imprescindível considerações em torno dos seguintes pontos:

– Custo aquisitivo da matéria-prima;

– Facilidade de transformação;

– Rendimento em álcool;

– Disponibilidade de expansão;

– Fonte de energia empregada

• As matérias-primas empregadas podem ser agrupadas

em 3 grupos:

– Açucaradas: melaço e cana-de-açúcar;

– Amiláceas e feculentas: mandioca, milho, babaçu, batata

doce;

– Celulósicas: bagaço residual, resíduos de madeiras,

resíduos sulfíticos das fábricas de papel, palha de

amendoim, sabugos, palhas de milho.

• Açucaradas:

– Fermentescíveis: contém monossacarídeos (glicose, frutose). Ex:

sucos de frutas

– Não diretamente fermentescíveis: contém os dissacarídeos.

Neste caso, a enzima é produzida pelo próprio micro-organismo.

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6

sacarase

sacarase

• Amiláceas - mandioca, batata, milho, arroz, trigo, e

outros cereais, utilizados na produção de cerveja, e

certas bebidas destiladas – amido infermentescível.

• Devem sofrer uma hidrólise prévia – sacarificação -

para disponibilizarem os monossacarídeos. Ex: bebidas

de cereais (cerveja, uísque).

• Química: ácidos ou bases fortes

Enzimática: a sacarificação enzimática do amido pode ser feita por três processos diferentes

1) Maltagem, ou emprego do malte (Produção de cerveja, uísque).

Malte é um cereal germinado em condições especiais de umidade, temperatura e aeração. Durante a germinação, a semente secreta enzimas – amilase, que transforma o amido em maltose, que é desdobrada pela maltase em 2 moléculas de glicose. A maltose é utilizada entre outros, em cervejaria e na produção de uísque.

2) Pelo processo amilo, que consiste no emprego simultâneo de

um fungo capaz de produzir a amilase que atua sobre o amido

(Rhizopus japonicum, Aspergillus orizae, Mucor delemar,

Amylomyces rouxii e outros) e da levedura encarregada da

fermentação do açúcar proveniente da hidrólise. Este

processo é utilizado na produção do sakê.

3) Preparados enzimáticos produzidos previamente em culturas

puras, por certos microrganismo (Fungos e Bactérias).

• Celulósicas: a celulose da madeira pode,

eventualmente, ser utilizada na fermentação

alcoólica, necessitando, porém, ser hidrolisada

por via química – produção de álcool etílico

– Dificuldades:

• Preparação do mosto.

• Presença de elementos tóxicos nos hidrolisados.

• Baixo rendimento em açúcares fermentescíveis (2-3%).

• Alto volume de resíduos da destilação.

Composição das principais matérias-primasutilizadas na fermentação alcoólica

• Cana-de-açúcar– Composição: 74,5% água, 14% carboidratos, 10%

fibras.– Carboidrato predominante: sacarose– Caldo obtido pela moagem: 10-20% de sacarose– O caldo de cana-de-açúcar invariavelmente é

utilizado in natura, podendo, às vezes ser diluído e/ou aquecido e clarificado.

• Melaço– Líquido denso, viscoso e de coloração escura,

resultante do processo de fabricação de açúcar. Apresenta composição variável (qualidade da matéria-prima, métodos de fabricação, condições técnicas, condições e tempo de armazenamento)

– Valores médios:• 62% açúcares (32% sacarose; 14% dextrose e 16% levulose)

• 20% água

• 8% cinzas

• 3% material nitrogenado

• 7% outros resíduos

• O melaço deve ser diluído com água para alcançar

graduações entre 15 e 250 Brix, com médias de 18-200

Brix.

• Mostos muito diluídos fermentam mais rapidamente,

mas favorecem contaminações.

• Mostos muito concentrados fermentam mais

lentamente e pode ser incompleta (açúcar residual

alto), gerando menor rendimento da fermentação.

• Milho– Principal matéria-prima para produção de etanol

combustível e borbon whiskey nos EUA• 59-70% amido

• 9-15% água

• 5-15% proteínas

• 2,5-8,5% material celulósico

• 1,3-4% cinzas

• Outras matérias-primas– Sorgo:

• cogitado sua utilização durante Proálcool (1970)

• Embora apresentasse alto teor de açúcares fermentescíveis, apresenta período de colheita curto, inviabilizando sua utilização

– Arroz, centeio, cevada, trigo, batata, batata doce:• Maior importância na produção de bebidas

FLUXOGRAMA DA PRODUÇÃO DE ETANOL

ExtraçãoCana-de-açúcar

Bagaço

Caldeira

Vapor

Caldo Fermentação

Tratamento

Sacarificação

Matérias amiláceas

malte

Melaço

Destilação

Álcool

Vinhoto

AGENTES DA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

– a) Saccharomyces cerevisiae : álcool comum, aguardente, cerveja, outras

bebidas e na panificação;

– b) Saccharomyces ellipsoideus : utilizadas na produção de vinho de uva;

– c) Saccharomyces calbergensis: cerveja

• A levedura empregada na fermentação, depende de vários fatores,

entre as quais o substrato ou matéria prima utilizada, o teor alcoólico

desejado no produto final, a duração da fermentação, entre outros.

AGENTES DA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

Bactérias

– Zymomonas mobilis

– Erwinia amylovora

– Spirochaeta litoralis

– Thermonaerobacter ethanolicus

Exigências Nutricionais

• Levedura é quimiorganotrófica:

– C, N, P, S, Mg, K, Ca, Fe, I, entre outros elementos

– Exemplo: O caldo de cana-de-açúcar: deficiente em N

e P

– A levedura S. cerevisiae utiliza N nas formas NH4+,

uréia ou amnoácidos. Nenhuma capacidade de utilizar

proteínas do meio

– O mosto preparado com caldo de cana-de-açúcar deve

conter entre 14-18% de sólidos solúveis (o Brix):

– <14% - baixo rendimento, risco de contaminação

– >18: inibe o crescimento

Nutriente [ ] (mg/L)

NH4+ 50-150

P 62-560

K 700-800

Ca++ 120

Mg++ 70-200

SO4- 7-280

Na+ 200

Co++ 3,5

Zn++ 0,5-10

Cu++ 7

Mn++ 10-33

Fe++ 0,2

Fatores que afetam a fermentação

• Temperatura: variável de acordo com o tipo e finalidade do

processo

– Álcool, aguardente, vinho e outros produtos se situa entre 20 e 30o C

– Cerveja entre 6 a 20oC;

• pH do mosto:

– Álcool: 4,0 ~ 5,0

– Cerveja: 4,0 ~ 4,5

– O pH baixo inibe o desenvolvimento de bactérias contaminantes, sem

prejudicar o desenvolvimento das leveduras.

Fatores que afetam a fermentação

• Concentração matéria prima (açúcar): variável

de acordo com a finalidade do processo:

• Ajuste de teor de açúcar – Graus O Brix

– Caldo da cana considerada madura: 18 a 20 o Brix

– Para fermentação: 15 a 16 o Brix

– Diluição é feita com água potável

Fatores que afetam a fermentação

• Teor alcoólico do produto: o aumento do teor alcoólico do

mosto em fermentação inibe o desenvolvimento da própria

levedura: no geral este cessa em concentrações de 11-12%

do álcool.

– O teor alcoólico depende do teor inicial em açucares, o qual, por

sua vez, é variável com o fim a que se destina.

– Álcool: 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;

Fatores que afetam a fermentação

• Oxigênio: em anaerobiose, o rendimento em álcool é maior,

uma vez que, em aerobiose, há oxidação total da glicose;

• Anti-sépticos e Antibióticos : – utilizados para controlar o

problema das contaminações. Cada produto age

diferentemente. Alguns favorecem a atividade de leveduras

ao mesmo tempo em que inibem bactérias e fungos.

– Vinhos: SO2

– Penicilina, cloranfenicol, tetraciclina e clorotetraciclina.

Preparo do inóculo

• Pequenas destilarias: micro-organismos

selvagens

• Grandes destilarias: leveduras para panificação

– Usa-se de 10-20g/L de mosto

• Fase preliminar: inicia-se no momento do contato

do levedo com o mosto. Caracteriza-se por:

– multiplicação celular intensa;

– pequena elevação de temperatura e pequeno

desprendimento de dióxido de carbono;

– produção de álcool é mínima;

– dura de 4 a 6h e varia de acordo com o sistema de

fermentação usado;

ETAPAS DA FERMENTAÇÃO

• Fase tumultuosa ou principal: Caracteriza-

se por:

– desprendimento volumoso e intenso de CO2

– grande número de células;

– Temperatura eleva-se rapidamente, assim

como a densidade do mosto diminui;

– Elevada produção de álcool e acidez;

– A duração desta fase depende: riqueza em

açúcares do mosto, volume de levedo,

preparo do mosto – 10 a 15 h

• Fase complementar: Caracteriza-se por:

– diminuição da intensidade do desprendimento de CO2, maior tranquilidade no líquido e diminuição da temperatura e da espuma;

– Esta fase é controlada pelas medições de brix, até o ponto favorável para a destilação. O brix final varia de 3o a 8o Brix, dependendo da concentração inicial do mosto e outros fatores.

– Esta fase é consequente do esgotamento do mosto em nutrientes, assim, as leveduras passam a consumir o próprio álcool produzido.

Produtos secundários da fermentação alcoólica

• Qualquer outro produto que se origine durante o processo

fermentativo que não o álcool.

• A ocorrência dos produtos secundários depende: da natureza da

matéria-prima, dos microorganismos e das condições de

fermentação;

• Podem ser produtos derivados de fermentações paralelas,

normalmente por efeito de microorganismos contaminantes: ácido

acético, ácido láctico, ácido butírico, dextranio, cetonas, gás

sulfídrico, bases nitrogenadas, ácidos graxos, furfural, aldeídos,

ésteres e outros.

• Dentre um grupo de mais de 250 compostos,

temos aqueles conferem o “bouquet” à cachaça,

são os chamados congêneres.

• O que diferencia a cachaça de uma mistura

hidroalcoólica qualquer é exatamente a presença

dos congêneres em proporções equilibradas

Ésteres como o acetato de etila

Grandes quantidades (>200mg/100mL EtOH) - aroma enjoativo

• Produtos secundários:

• CO2: formado em grande quantidade nas fermentações, sendo um

produto normal e final do ciclo das reações enzimáticas;

• Alcoóis superiores: originado pela transformação de aminoácidos pelas

leveduras (leucina – álcool isoamílico) – quando há o esgotamento do

nitrogênio na forma amoniacal, as leveduras passam a utilizar a dos

aminoácidos como fonte nitrogenada);

• Glicerina: glicerol é normalmente formado durante a fermentação

alcóolica;

• Ácido succínico: a partir do ácido glutâmico, proveniente da autólise das

leveduras;

• Aldeído acético: consequência de fermentações incompletas.

Produção mundial de etanol

Produção mundial de cachaça

Cerca de 3 bilhões/ano

– Batelada simples (cultura pura):• Alto custo

• Alto grau de pureza (melhor controle microbiológico)

• Menor rendimento

– Batelada sequencial:

– Batelada com reaproveitamento do inóculo:• Após a fermentação, deixa-se decantar as leveduras para utilizá-lo em

uma nova fermentação.

– Batelada com reciclo de células - MELLE BOINOT • Caracteriza-se pela recuperação por centrifugação, tratamento ácido e

reutilização das leveduras

Formas de condução da Fermentação alcoólica

FERMENTAÇÃO - DORNAS FERMENTAÇÃO - DORNAS

BATELADA COM CENTRIFUGAÇÃO (MELLE BOINOT)

ÁGUA ÁCIDO

DORNA

ÁGUA

TROCADOR DE CALORTANQUE PULMÃO

VINHO BRUTO

VOLANTE DE VINHO

TURBINADO CENTRÍFUGA

CUBA

FERMENTO TRATADO

MOSTO

TIPOS DE PROCESSO DE FERMENTAÇÃO Fermentação Batelada

DESTILAÇÃO

– Contínuo com reciclo de células (Andrietta-Stupiello)

• -Rendimento igual ou superior ao Melle-Boinot;

• -Maior produtividade;

• -Menor volume de dornas e redução de equipamentos (geral);

• -possibilidade de automação (parcial ou total);

• -Menor consumo de insumos;

• -Avanço tecnológico;

• -Menor operações de limpeza, enchimento, esvaziamento,

transferência do fermento.%

Formas de condução da Fermentação alcoólica

• Para a produção artesanal da cachaça: batelada

• Para produção de etanol: batelada com

reciclagem de células. Quando se utilizam

melaços de boa qualidade o rendimento máximo

é de 95% do valor teórico.

Acidentes da fermentação alcoólica

• Ocorre por alterações nas condições de temperatura, pH, concentração de

açúcares, conservação da matéria-prima, higiene, deficiência no preparo

do pé-de-cuba;

• Desenvolvimento de bactérias que ao atuarem sobre os açúcares ou sobre

os produtos originados da fermentação alcoólica, forma outros compostos

orgânicos;

• São indesejáveis, provocam fermentações estranhas, que se desenvolvem

paralelamente à fermentação alcoólica, diminuindo o rendimento em

álcool – FERMENTAÇÕES SECUNDÁRIAS

• Dentre as fermentações secundárias destaca-se:

– Fermentação acética: bactérias acéticas que oxidam o álcool

produzindo ácido acético – gênero Acetobacter. A oxidação do

álcool pelas bactérias é aeróbia, de maneira que, o arejamento

do mosto em fermentação favorece o desenvolvimento das

bactérias;

– Fermentação láctica: detecta-se pela elevação da acidez,

diminuição das espumas normais e devido ao aumento do ácido

láctico formado, o meio vai se tornando desfavorável às

leveduras – Lactobacillus e Streptococcus;

• Dentre as fermentações secundárias destaca-se:

– Fermentação butírica: desenvolve-se quando as duas anteriores já estão generalizadas, causando aumento de acidez, odor penetrante, rançoso – Clostridium;

– Fermentação do dextrâneo: consequência da má qualidade da matéria-prima – promove ainda entupimento dos bicos de turbina e tubulações – Leuconostoc mesenteroides;

– Fermentação do levânio: polissacarídeo formado pela ação das bactérias do gênero Bacillus, Aerobacter e Streptococcus –aumento da viscosidade, dificultando o desprendimento de gás carbônico, resultando a formação de grandes bolhas, transbordando as dornas de fermentação;

• Controle dos acidentes de fermentação:

– matéria-prima bem conservada;

– preparo adequado do mosto;

– utilizar antissépticos;

– empregar um fermento vigoroso e puro e em quantidade suficiente;

– conduzir a fermentação sob controle, com alimentação do mosto adequado e temperatura adequada.

– Análises físicas e químicas, complementadas por observações microscópicas do mosto em fermentação:

– Atenuação do oBrix: verificação da queda do brix ou da densidade do mosto em fermentação – de modo geral, à medida que as fases de fermentação se sucedem, a densidade e o brix caem rapidamente;

FLUXOGRAMA DA PRODUÇÃO DE ETANOL

ExtraçãoCana-de-açúcar

Bagaço

Caldeira

Vapor

Caldo Fermentação

Tratamento

Sacarificação

Matérias amiláceas

malte

Melaço

Destilação

Álcool

Vinhoto

Destilação

• Etapa responsável por separar todas as

substâncias de interesse formadas pela

fermentação.

• Fase de extrema importância para obtenção de

uma cachaça de qualidade.

Fluxograma da destilação

• A separação das frações de interesse é realizada

com base na T oC de ebulição das substâncias.

CabeçaP.E. superior ao do etanol: metanol, aldeídos (acetaldeído) e ésteres (acetato de etila e metila)

CoraçãoP.E. intermediário

Fração de interesse para composição do produto final

P.E. inferior ao etanol: compostos fenólicos, ácidos

orgânicosCauda

Em relação à maneira de se conduzir a destilação: batelada ou descontínua e contínua

• DESTILAÇÃO DESCONTÍNUA (Batelada)

• realizada em pequenos alambiques para produção deaguardente.

• Do tipo “começo e fim”. faz-se uma carga no aparelho,esgota-se o vinho pela destilação, descarrega-se oresíduo ou vinhaça, faz-se nova carga e assim pordiante.

• Tempo de produção elevado;

• Maior gasto de combustível;

• Maior consumo de água para resfriamento;

• Ciclo de destilação anti-econômico, longo;

• Pode acarretar em grandes concentrações de compostos

secundários pela dificuldade de separação das frações;

• Baixo rendimento

• Destilação contínua

• Realiza-se em colunas de destilação fazendo-se a

alimentação continua do aparelho com vinho,

retirando-se continuamente a vinhaça na base e o

destilado no topo.

• A separação dos componentes secundários, faz-se

pelo topo do aparelho, pela base ou lateralmente em

alturas determinadas segundo a natureza das

impurezas. Os compostos com pontos de ebulição

maiores irão condensar e os de menores pontos de

ebulição vaporizarão. Assim o destilado será bastante

puro.

As colunas de destilação

constituem-se de gomos cilíndricos

superpostos, contendo bandejas ou

pratos transversais, formando uma

série de aparelhos de destilação

simples, um destilando os seus

vapores no outro, através de

calotas, e recebendo liquido

residual do imediatamente superior.

• Destilação contínua

• Utilizadas por médios e grandes

produtores.

• Inicialmente utilizado somente para a

produção de álcool combustível.

• Precisou sofrer diversas adaptações

para a produção de cachaça, pois o

álcool produzido era de elevada

graduação, porém pobre em

componentes secundários.

O aquecimento das bandejas faz-se pelo

calor dos vapores que ascendem na

coluna. Os vapores vão condensando-se

no prato imediatamente superior,

enriquecem o liquido aí existente e

aquecem-no à ebulição, gerando

vapores mais ricos, e assim por diante. A

temperatura na coluna decresce da base

para o topo, ao mesmo tempo em que o

teor alcoólico aumenta da base para o

topo do aparelho.

Os vapores que saem na parte superior da coluna dirigem-se para o

condensador, onde passam para a fase líquida. Desse líquido, retorna-se uma

parte a cabeça da coluna e envia-se o restante a um refrigerador e, daí, para

fora do circuito. A retrogradação, ou refluxo auxilia a manutenção de vapores

ricos na cabeça da coluna.

•Destilação de baixo grau: Se faz a alimentação da coluna de destilação pelo

topo. Os vapores que ali se emitem não são muito concentrados.

•Destilação de alto grau: Se faz a alimentação pela altura média do aparelho,

dividindo a coluna em dois troncos: um de esgotamento, abaixo da

alimentação e outro de concentração, acima da alimentação. Os vapores são

mais ricos em etanol, e geralmente mais puros.

Numa coluna de destilação, a graduação

alcoólica maior ou menor obtém-se em

função do número de pratos superpostos.

Um número maior eleva mais a

graduação alcoólica dos vapores.

Envelhecimento da cachaça

• Processo natural desenvolvido em recipientes de

madeira com capacidade máxima de 700 L.

• Diversas reações químicas estão associadas ao

processo de envelhecimento e maturação da cachaça.

• Reações têm como base a decomposição de

macromoléculas da madeira (lignina, celulose e

hemicelulose) e sua incorporação à bebida, além da

extração dos compostos secundários da madeira

(gorduras, resinas, substâncias pécticas, inorgânicas).

• A porosidade da madeira permite trocas gasosas que

melhoram as características sensoriais da bebida

• Madeiras usadas:– Carvalho– Amburana– Bálsamo– Ipê-amarelo– Pau-Brasil– Jequitibá-rosa– Jatobá– Cedro– Grapia– Entre outras

Quanto menor for o volume do recipiente, maior será a relação madeira/cachaça,

Cachaça nova,recém destilada

Transparente, como qualquer destilado

Meses “Vanila”

1-2 anosodor típico da madeira e atonalidade mais acentuada

3 anos

Odor da cachaça se torna harmonioso. Não mais se

distinguem com facilidade as contribuições da fermentação ou da madeira, devido à associação

entre os componentes destas etapas.