Cinética da fermentação e balanço de massa da produção de cachaça artesanal

8/14/2019 Cinética da fermentação e balanço de massa da produção de cachaça artesanal

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Braz. J. Food Technol., VII BMCFB, dez. 2008

Resumo

O presente trabalho descreve os resultados obtidos em uma aula práticada disciplina Tecnologia de Bebidas Fermentadas e Destiladas, ministrada paragraduandos em Engenharia Bioquímica na Escola de Engenharia de Lorena.Como orma de demonstrar, na prática, conceitos e métodos envolvidos naermentação e destilação de bebidas alcoólicas, propôs-se aos alunos produziraguardente artesanal a partir de caldo de cana-de-açúcar. Inicialmente, 5 dúziasde cana (139 kg) oram submetidas à moagem, gerando 52 L de caldo com21 °Brix. Após a diluição do teor de sólidos solúveis para 15 °Brix, o mosto(73 L) oi transerido para uma dorna de aço inox (100 L) e inoculado com 365 gde ermento prensado, resultando em concentração inicial de células igual a

5 x 107 cels.mL–1. A ermentação oi conduzida em temperatura ambiente e, aonal de 114 h, a atenuação do mosto chegou a aproximadamente 75%. Houvecrescimento celular intenso durante as primeiras 12 h de ermentação, comvelocidades especícas de multiplicação iguais a 0,28 h-1 (0-4 h) e 0,09 h-1 (4-12 h).Entre 12 e 114 h de ermentação, porém, a concentração de células suspensas nomeio se comportou de maneira irregular, variando entre 1,3 e 3,1 x 108 cels.mL–1.Considerando-se o etanol como produto de interesse, obteve-se: produção de47,4 g.L–1, produtividade de 0,42 g.L–1.h–1 e rendimento de 0,41 g.g–1 (80,4% deeciência). O vinho obtido (teor alcoólico de 6,0 °GL) oi submetido à destilaçãoem um alambique de cobre (25 L), em 4 bateladas (17,5 L cada). Desprezaram-se10% do volume teórico de aguardente como destilado de cabeça (cerca de0,2 L em cada batelada). Em seguida, recolheu-se o destilado de coração até

a graduação alcoólica atingir um valor em torno de 40 °GL (cerca de 2,5 L emcada batelada). Por m, o aquecimento do alambique oi suspenso e a vinhaçadescartada. O rendimento global do processo oi de 72 L de aguardente decoração (40,5 °GL) por tonelada de cana processada.

Palavras-chave: Cachaça; Fermentação; Destilação; Cinética;

Balanço de massa.

Cinética da fermentação e balanço de massa da produção de cachaça artesanal

Fermentation kinetics and mass balance of the production of cachaça artesanal

Autores | Authors

Walter CARVALHO

Universidade de São Paulo (USP)

Escola de Engenharia de Lorena (EEL) Departamento de Biotecnologia

Estrada Municipal do Campinho, s/n

Caixa Postal: 116

CEP: 12602-810 Lorena/SP – Brasil

e-mail: [email protected]

Larissa CANILHA


Escola de Engenharia de Lorena (EEL)

Departamento de Biotecnologia


João Batista de ALMEIDA e SILVA


Escola de Engenharia de Lorena (EEL) Departamento de Biotecnologia



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Braz. J. Food Technol., VII BMCFB, dez. 2008

Summary

This manuscript describes the results obtained in a practical course othe discipline Technology o Fermented and Distilled Beverages ministered toundergraduate students majoring in Biochemical Engineering at the Engineering

College o Lorena. As a way to demonstrate concepts and methods involved inthe ermentation and distillation o alcoholic beverages, it was proposed to thestudents to produce cachaça artesanal rom the sugarcane juice. Initial ly, 5 dozenso cane (139 kg) were submitted to crushing, generating 52 L o juice (21 °Brix).Ater dilution to 15 °Brix with drinking water, the juice (73 L) was transerred toa 100-L stainless steel ermenter and inoculated with 365 g o pressed baker’syeast, resulting in an initial cell concentration o 5 x 107 cells.mL–1. The ermentationwas carried out under ambient temperature and, ater 114 h, the consumption osoluble solids reached approximately 75%. The cell growth was intense duringthe rst 12 h o ermentation, with specic growth rates o 0.28 h–1 (0-4 h) and0.09 h-1 (4-12 h). Ater this period, the concentration o suspended cells in themedium behaved in an irregular ashion, varying between 1.3 and 3.1 x 108 cells.

mL–1. Considering the ethanol as product o interest, a production o 47.4 g.L–1, aproductivity o 0.42 g.L–1.h–1 and a yield o 0.41 g.g–1 (eciency o 80.4%) wereachieved in the ermentation. The wine thus obtained (6.0 °GL) was submittedto distillation in a 25-L copper still (4 batches). In each batch, the still was lledwith 17.5 L o wine, the heating was turned on, and the rst 0.2 L o distillatewas discarded as head’s distillate. The heart’s distillate was then collected downto an alcoholic content o 40 °GL (approximately 2.5 L o distillate produced ineach batch). The run was ended up by turning the heating o and appropriatelydiscarding the vinasse. Overall, the yield o the process was o 72 L o heart’scachaça (40.5 °GL) per ton o sugarcane processed.

Key words: Cachaça; Fermentation; Distillation; Kinetics; Mass balance.


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CARVALHO, W. et al.

www.ital.sp.gov.br/bj

No presente trabalho, descrevemos a metodologiautilizada para a produção de cachaça artesanal emuma aula prática ministrada na Escola de Engenhariade Lorena. Este experimento oi proposto a estudantesde graduação com o objetivo de demonstrar, na prática,conceitos e métodos envolvidos na ermentação e desti-lação de bebidas alcoólicas. Os resultados obtidos oramanalisados buscando-se explorar a cinética da ermen-tação e o balanço de massa do processo, o que permitiuaos alunos aplicar conceitos abordados em outras disci-plinas do curso de Engenharia Bioquímica.

Material e métodos2

A Figura 1 apresenta o fuxograma utilizado paraa produção da cachaça artesanal, conduzida na Planta

Piloto de Bebidas da Escola de Engenharia de Lorena.A cana-de-açúcar oi adquirida de um pequeno produtorlocal. Cinco dúzias de colmos maduros oram colhidasdiretamente na lavoura, sendo as olhas e os ponteirosdescartados. Os colmos oram então transportados até aEscola de Engenharia de Lorena e lavados para remoçãode terra e sujidades. Após pesagem (139 kg), oram

Introdução1

A história da cachaça se conunde com aprópria história do Brasil. A sua produção teve início no

século XVI, quando se observou que a borra (cachaza)separada do processo de concentração da garapapara a produção de açúcar, colocada em recipiente edeixada de um dia para o outro, ermentava produzindoum líquido com cheiro e sabor dierente. Submetido àdestilação, o líquido gerava uma bebida transparente,brilhante e ardente. Considerando-se que parecia comágua, optou-se por chamá-la “água ardente”. Outro nomeque lhe oi atribuído oi “cachaça”, por ser originada daborra ou cachaza (LIMA, 2001).

Até o m da 2ª Guerra (1939-1945), o plantio eprocessamento da cana-de-açúcar e a comercializaçãoda aguardente eram realizados por engenhos de pequenacapacidade. A quantidade consumida era menor que aproduzida, sendo o excedente armazenado em tonéis demadeira. Após a 2ª Guerra, a população aumentou muito etambém o consumo, que passou a exigir maior volume deprodução e, consequentemente, ampliação das lavourase das capacidades abris (LIMA, 1999).

Atualmente, são comuns as grandes destilarias,com capacidades de produção que podem chegar a20.000 L.h–1, e as engarraadoras autônomas, que detêmmarcas comerciais conhecidas em todo o País e possuem

capacidade de engarraar até 400.000 garraas de600 mL por dia (LIMA, 1999; LIMA, 2001). Estima-se quea produção anual seja superior a 1,3 bilhões de litros, oque coloca a bebida como a segunda mais vendida noBrasil, perdendo apenas para a cerveja (MALTA, 2006).Embora a produção seja consumida quase que totalmenteno mercado interno, há potencial para aumento signi-cativo nas exportações, pois é crescente a aceitação dabebida no exterior (ESTANISLAU et al., 2002; MIRANDAet al., 2007).

Do ponto de vista da legislação brasileira, aaguardente de cana, popularmente conhecida comopinga, deve conter entre 38 e 54% de álcool (expressoem volume). É constituída de água e etanol em grandesproporções, além de vários outros componentes (ácidosorgânicos, ésteres, aldeídos e alcoóis superiores) produ-zidos em pequenas quantidades durante a ermentação.Estes componentes minoritários, porém extremamentediversicados, são os principais responsáveis pelo sabore aroma da bebida (DATO et al., 2005).

A produção de cachaça segue operações simples.Entretanto, sabe-se que o desconhecimento da ciênciaenvolvida na produção desta bebida limita a quantidade

e a qualidade do produto disponibilizado no mercadopor pequenos produtores, sendo este um dos principaisentraves para a exportação de grandes quantidades doproduto (MIRANDA et al., 2007).

Cana-de-açúcar

Moagem

Caldo de cana

MostoFermento

Vinho

Cachaça de "coração"Cachaça de "cabeça"

Bagaço

Filtração

Diluição (H2O)

Fermentação

VinhaçaDestilação

139 kg

52 L (21 °Brix)

73 L (15 °Brix)

70 L (6 °Brix)

10 L (40,5 °GL)

Figura 1. Fluxograma do processo de produção da cachaçaartesanal.




CARVALHO, W. et al.


onde E: Graduação alcoólica (°GL); BI: Brix inicial (°Brix);

BF= Brix nal (°Brix); C: Concentração celular (cels.mL–1);

N: Número total de células em 5 campos da câmara (cels);FD: Fator de diluição (-); A: Volume teórico de aguardentea 45 °GL (L); V

vinho: Volume de vinho (L); GA

vinho: Graduação

alcoólica do vinho (°GL).

A graduação alcoólica do destilado “de coração”oi determinada por densimetria, utilizando-se um alcoô-metro de Gay-Lussac calibrado a 20 °C. Após a medida,o teor de etanol oi corrigido levando-se em consideraçãoa temperatura ambiente no momento da medida.

Resultados e discussão3

No presente trabalho, procuramos sistematizaras rotinas operacionais e analíticas utilizadas por nós

para a produção de cachaça artesanal. A simplesadoção de rotinas semelhantes a estas permitiria aosmuitos pequenos produtores espalhados por todo oPaís conhecer o comportamento dos seus sistemas deprodução e, assim, aerir rendimentos e produtividadesem cada uma das etapas do processo. De posse destesdados, o produtor poderia detectar desvios do compor-tamento “adequado” em tempo real e, assim, ajustaras condições de operação para minimizar perdas naeciência de transormação e padronizar a qualidadeda bebida.

Conorme já mencionado, a cana oi inicialmentelavada, moída e ltrada. O pH (5,4) e a concentração desólidos solúveis (21 °Brix) determinados no caldo ltradooram condizentes com os valores esperados para canasmaduras: pH entre 5,4 e 5,8 e concentração de sólidossolúveis superior a 18 °Brix (LIMA, 1999).

Previamente à inoculação, o caldo oi diluído comágua potável para se ajustar o teor de sólidos solúveis em15 °Brix. A ermentação oi então iniciada adicionando-se365 g de ermento prensado ao caldo diluído, em umadorna de aço inox. A Figura 2 apresenta os pers devariação de temperatura (entre 24 e 30 °C), decréscimode pH (de 5,2 para 3,6), consumo de sólidos solúveis(de 15,0 para 4,0 °Brix) e produção de etanol (6,0 °GL),observados durante a ermentação.

A temperatura do mosto em ermentação, emboranão controlada, permaneceu próxima aos valores consi-derados como adequados para a ermentação alcoólica,entre 26 e 28 °C (LIMA, 1999). O pH do meio soreu umaqueda acentuada durante as primeiras 24 h de ermen-tação (de 5,2 para 3,7), vindo a se estabilizar em torno de3,5 posteriormente. O consumo progressivo dos açúcarespresentes no caldo oi observado durante as primeiras

100 h de ermentação, havendo estagnação em 4 °Brixapós este período (atenuação de cerca de 75%). A esteconsumo de açúcares, correspondeu uma produção deetanol igual a 6,0 °GL.

submetidos à moagem em um terno de moenda e o sucoobtido oi ltrado em um coador plástico. A concentraçãode sólidos solúveis no suco ltrado (52 L) oi de 21 °Brix.Previamente à inoculação, o suco oi diluído com 21 Lde água potável em uma dorna de aço inox com undocônico (volume total de 100 L). A ermentação oi iniciadainoculando-se os 73 L de mosto (15 °Brix) com 365 g deermento de panicação prensado (Fleischmann), o queresultou em uma concentração inicial de células iguala 5 x 107 cels.mL–1. A ermentação oi conduzida emtemperatura ambiente por um período de 114 h. Ao naldeste período, a levedura decantada no undo da dornaoi descartada e o vinho obtido (70 L, com graduaçãoalcoólica de 6 °GL) oi submetido à destilação em umalambique de cobre (volume total de 25 L), em 4 bate-ladas sucessivas. Em cada batelada, 17,5 L de vinhooram transeridos para o alambique e o aquecimento dacaldeira (com ogão a gás) oi iniciado. Do volume teóricode aguardente, os 10% iniciais oram descartados comodestilado “de cabeça” (cerca de 0,2 L em cada batelada).Controlando-se o aquecimento para o alambique não“vomitar”, a destilação oi conduzida lentamente até agraduação alcoólica da aguardente “de coração” apre-sentar um valor em torno de 40 °GL (cerca de 2,5 L emcada batelada). Por m, o aquecimento do alambique oisuspenso e a vinhaça descartada.

As ermentações oram acompanhadas deter-

minando-se a temperatura do mosto em ermentação(com um termômetro convencional) e analisando-seamostras retiradas periodicamente quanto ao consumode açúcares e ao crescimento celular. As amostras oraminicialmente centriugadas a 4.000 rpm por 20 min. Ossobrenadantes oram utilizados para a determinação doteor de sólidos solúveis (por leitura direta em reratô-metro de °Brix) e do pH (por leitura direta em pHmetro– Ecomet P25). Os precipitados oram utilizados para aquanticação do crescimento celular (por contagem emcâmara de Neubauer) após ressuspensão e diluição emágua destilada.

O cálculo do teor de etanol e a concentraçãode células suspensas no mosto em ermentação oramdeterminados de acordo com as Equações 1 e 2, respec-tivamente. O volume teórico de aguardente descartadocomo destilado “de cabeça” oi calculado empregando-sea Equação 3 (SMILEY, 1999).

( )I FB B 4E

7,4

− ×=

(1)

C N 5E04 FD= × × (2)

vinho vinhoV GAA

45

×=

(3)




CARVALHO, W. et al.


açúcares

solução

açúcares 1

solução

gBrix 11,0

100g

11gBrix S 114,8 g.L

95,8mL

−

= ∴

= ∴ Δ =

(5)

11

P/ S P/ S P/ S1

P 47, 4 g.LY Y Y 0, 41 g.g

S 114,8 g.L

−−

−

Δ= ∴ = ∴ =

Δ (6)

2Sacarose Glicose Frutose 4Etanol 4CO→ + → +

(7)

onde: ρsolução

: densidade da solução (g.mL–1); °Brix:concentração de sólidos solúveis (°Brix); ΔS: variaçãoda concentração de substratos durante a ermentação(g.L–1); Y

P/S: ator de conversão de substrato em produto

(g.g–1); ΔP: variação da concentração de produtos durantea ermentação (g.L–1).

Conorme pode ser observado na Figura 3a, houvecrescimento celular intenso durante as primeiras 12 h deermentação. Após este período, porém, a concentraçãode células suspensas no meio se comportou de maneira

irregular, variando entre 1,3 e 3,1 x 108

cels.mL–1

.Considerando-se que a multiplicação celular

na ase de crescimento exponencial é descrita pelaEquação 8, as velocidades especícas de crescimento

Normalmente, espera-se que a ermentação alcoó-lica acuse atenuação completa (0 °Brix) em um período de24 a 36 h (LIMA, 1999). Entretanto, este comportamentonão oi observado no presente trabalho. Acredita-se quea utilização de um mosto mais diluído, suplementadocom nutrientes extras (vitaminas, sais minerais, etc.) einoculado com uma maior carga de ermento previamenteadaptado ao mosto, contribuiria para se obter um compor-tamento de ermentação mais próximo do esperado.

Considerando-se a dens idade do etanol(ρ = 0,79 g.mL–1), pode-se dizer que a produçãodeste álcool durante a ermentação oi de 47,4 g.L –1 (6 °GL = 60 mL álcool.L–1 vinho = 47,4 g álcool.L–1 vinho).Como esta produção oi observada após 114 h de ermen-tação, tem-se que a produtividade oi de 0,42 g.L –1.h–1 (Q

P= 47,4 g.L–1 /114 h). Convertendo-se o consumo

de açúcares de ºBrix para g.L–1, chega-se a um atorde rendimento (Y

P/S) de 0,41 g.g–1 (Equações 4, 5 e 6)

(SMILEY, 1999), que representa uma eciência de ermen-tação de 80% do valor estequiométrico de 0,51 g.g –1

(Equação 7).

solução

1

Brix 0,004 1,000

11,0 0,004 1,000 1,044g.mL−

ρ = × + ∴

ρ = × + ∴ ρ =

(4)

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

Tempo (h)

T e m p e r a t u r a

( ° C )

0,0

1,5

3,0

4,5

6,0

Tempo (h)

p H

0,0

4,0

8,0

12,0

16,0

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

Tempo (h)

S ó l i d o s s o l ú v e i s ( ° B r i x )

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

Tempo (h)

E t a n o l ( ° G L )

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

ab

c d

Figura 2. Pers de variação da temperatura (a), do pH (b) e das concentrações de sólidos solúveis (c) e etanol (d), observadosdurante a ermentação.




CARVALHO, W. et al.


Após o descarte das células decantadas no undoda dorna, o vinho obtido (70 L, graduação alcoólica de6,0 °GL) oi submetido à destilação em um alambiquesimples, aquecido por ogo direto. A destilação oi reali-zada lentamente (controlando-se o aquecimento) paramaximizar o rendimento e melhorar o aroma e o gosto dodestilado (LIMA, 1999). Conorme ilustrado na Figura 1,oram obtidos 10 L de aguardente de coração (gradu-ação alcoólica de 40,5 °GL) a partir dos 70 L de vinhosubmetidos à destilação, o que acarretou em eciênciade destilação de cerca de 96% (Equação 9).

álcool(destilado)

álcool(vinho)

álcooldestilado

destilado

álcoolvinho

vinho

V100

V

405mL10L

L 100 96, 4%60mL

70LL

η = × ∴

×

η = × ∴ η =

×

(9)

onde: η: eciência de destilação (%); Válcool (destilado)

: volumetotal de álcool recuperado no destilado (mL); V

álcool (vinho):

volume total de álcool contido no vinho (mL).

Considerando-se que os 10 L de aguardente decoração oram obtidos processando-se 139 kg de cana,tem-se que o rendimento global oi de 72 L de aguar-dente por tonelada de cana esmagada. Este rendimentoé bastante utilizado como parâmetro de avaliação do

processo por destilarias artesanais. Sob condições otimi-zadas, esperam-se valores entre 90 e 100 L cachaça/tcana esmagada (LIMA, 1999).

Conclusões4

O rendimento global do processo de produçãode cachaça alcançado no presente trabalho oi cercade 70% daquele obtido por destilarias artesanais queoperam sob condições otimizadas. Os conceitos emetodologias ora apresentados ornecem as diretrizesbásicas para que outras condições de processo possam

ser sistematicamente avaliadas em aulas práticas uturas.Outrossim, acredita-se que o presente trabalho possa serutilizado ora das ronteiras acadêmicas como um textointrodutório à ciência envolvida na produção de cachaçasartesanais.

Agradecimentos

Os autores agradecem a assistência técnica dosSrs. José Carlos S. Tavares e Cleber Mateus T. Oliveira eo empenho dos graduandos em Engenharia Bioquímica(TB/2º SEM 2007) para a realização do experimento.

Também agradecem o apoio inanceiro recebido daFAPESP, da CAPES e do CNPq para o desenvolvimentode projetos de pesquisa, alguns deles relacionados coma temática do presente manuscrito.

da levedura no início da ermentação oram determinadaspor meio dos plotes ln(X/X

0) x t para os intervalos compre-

endidos entre 0 e 4 h e entre 4 e 12 h de ermentação(Figuras 3b, c). Os valores de μ

X

assim determinados(0,28 e 0,09 h–1, respectivamente) oram próximos àquelesesperados para a levedura Saccharomyces cerevisiae (MARTINEZ-PEINADO e VAN UDEN, 1977).

0 Xln X ln X t= + µ × (8)

onde: X: concentração celular no tempo t (cels.mL –1); X0:

concentração celular inicial (cels.mL–1); μX: velocidade

especíica de crescimento celular (h–1); t: tempo deermentação (h).

Figura 3. Variação da concentração celular durante a ermen-tação (a) e plotes ln(X/X0) x t utilizados para o cálculo das

velocidades especícas de crescimento celular nos intervaloscompreendidos entre 0 e 4 h (b) e entre 4 e 12 h de ermen-tação (c).

0,00E + 00

1,25E + 08

2,50E + 08

3,75E + 08

5,00E + 08

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

Tempo (h)

C o n c . c e l u l a r ( c e l s / m l )

y = 0,2747x

R2 = 10,00

0,30

0,60

0,90

1,20

0 1 2 3 4

Tempo (h)

y = 0,0866x + 0,7487R2 = 0,9997

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

4 6 8 10 12

Tempo (h)

l n ( X / X

0 )

l n

X / X

0

a

b

c




CARVALHO, W. et al.


MALTA, H. L. Estudos de parâmetros de propagação de

fermento (Saccharomyces cerevisiae ) para produção de

cachaça de alambique. 2006. 70 . Dissertação (Mestrado emCiência de Alimentos) – Faculdade de Farmácia, Universidade

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SMILEY, I. (Ed.). Making Pure Corn Whiskey: a proessional

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