Produção Industrial de etanol a partir da cana-de-açúcar

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Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
Instituto de Ciências Exatas
Departamento de Química
Bioquímica I
Professor: Marco André
Produção Industrial de etanol a partir da cana-de-açúcar
Seropédica, de novembro de 2012.
Vanessa de Jesus da Silva Ribeiro
2010020462
Objetivo
Neste trabalho, serão discutidos os principais aspectos relacionados às fermentações industriais, no âmbito da engenharia química com foco em produção de etanol.
Introdução
A fermentação é um processo de liberação de energia que ocorre em um processo anaeróbico. Compreendida um conjunto de reações enzimaticamente controladas, através das quais uma molécula orgânica é degradada em compostos mais simples, liberando energia. A glicose é uma das substâncias mais empregadas pelos micro-organismos como ponto de partida na fermentação.
A fermentação é um processo de obtenção de energia utilizado por algumas bactérias e outros organismos, como os fungos. Um exemplo de fermentação é o processo de transformação dos açúcares das plantas em álcool. Ela ocorre com a quebra da glicose (ou outros substratos como o amido) em piruvato, que depois é transformado em algum outro produto, como o álcool etílico e lactato, definindo fermentação alcoólica e láctica.
Algumas indústrias se utilizam desse processo na produção de alguns produtos, como: iogurte, pão, cerveja, vinagre, entre outros.
Outro exemplo de fermentação é a que ocorre nos músculos, quando submetidos à atividade física intensa e na ausência de oxigênio, com a formação de lactato (ácido láctico).
Processos fermentativos
Para a execução com sucesso de um processo fermentativo, é necessário que sejam respeitadas as características do agente fermentativo. Dependendo de cada grupo, gênero, espécie e linhagem microbiana, tanto em termos de crescimento quanto de formação de produtos, haverá a necessidade da formulação de um meio de cultura com a adequada proporção de nutrientes. (BARROS, 2002, p. 48)
Para uma aplicação industrial, espera-se que os micro-organismos apresentem as seguintes características gerais: 
Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto;
Permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada concentração no caldo fermentado; 
Não produzir substâncias incompatíveis com o produto; 
Apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico; 
Não ser patogênico; 
Não exigir condições de processo muito complexas;
Não exigir meios de cultura dispendiosos; 
Permitir a rápida liberação de produto para o meio. (SCHMIDELL, 2001)
Principais fases de um processo fermentativo
Preparo do Inóculo 
Chama-se inóculo, pé-de-cuba ou pé-de-fermentação um volume de suspensão de micro-organismo de concentração adequada capaz de garantir, em condições econômicas, a fermentação de um dado volume de mosto( mistura destinada à fermentação alcoólica). Para que se obtenha um inóculo com capacidade produtiva elevada, devem-se dar condições para que o micro-organismo desejado seja propagado, que incluem desde sua manutenção até a propagação propriamente dita. (SCHMIDELL, 2001, p. 194)
O preparo do inóculo consiste de uma série de passos que visam obter uma população microbiana elevada, ativa e adaptada às condições do processo, a ser adicionada ao meio do fermentador principal, para iniciar a fermentação. Pode-se partir de culturas puras estocadas em laboratório e aumentar gradativamente o volume da suspensão microbiana, através de transferências sucessivas para frascos cada vez maiores. Outras vezes, os micro-organismos utilizados numa batelada são recuperados por centrifugação ou filtração, tratados para a eliminação de contaminantes, e reutilizados na batelada seguinte. A opção pela forma de preparo do inóculo depende de cada processo. Se um micro-organismo é muito suscetível a mutações ou alterações de comportamento, ou ainda, se o nível de contaminação por agentes externos da planta industrial for muito elevado, a reutilização do cultivo deve ser evitada. (BARROS, 2002, p.58 - 59) 
	
Características desejáveis de meios de cultivo para aplicação industrial
Algumas características gerais, que devem ser consideradas, são:
ser o mais barato possível;
atender às necessidades nutricionais do micro-organismo;
auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser ligeiramente tamponado, o que evita variações drásticas de pH, ou evitar uma excessiva formação de espuma; 
não provocar problemas na recuperação do produto; 
os componentes devem permitir algum tempo de armazenamento, a fim de estarem disponíveis todo o tempo; 
ter composição razoavelmente fixa;
não causar dificuldades no tratamento final do efluente. 
Após a sua preparação, o meio pode ser esterilizado, a fim de eliminar micro-organismos contaminantes e evitar a queda do rendimento do processo, dentre outros problemas. A esterilização é, em geral, feita por tratamento térmico. (BARROS, 2002, p. 60)
Produção de etanol
A via fermentativa é a maneira mais importante para a obtenção de álcool etílico no Brasil. Mesmo que haja 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 de boca, sob a forma de aguardentes. Um dos fatores que torna a produção do etanol por fermentação a forma mais econômica de sua obtenção, é o grande numero de matérias-primas naturais existentes em todo o país. Na obtenção do álcool por via fermentativa, distinguem-se três fases: o preparo do substrato, a fermentação e a destilação. (LIMA, 2001, p. 1 – 42)
O preparo do substrato é o tratamento da matéria-prima para dele se extraírem os açúcares fermentescíveis. A fermentação é um processo comum a todos os substratos açucarados, cujo principio é a transformação dos açucares em etanol e dióxido de carbono.
 Na destilação, separa-se o etanol, geralmente em duas operações. A primeira para separar do substrato fermentado, sob a forma de mistura hidroalcoólica não purificada com aldeídos, ésteres, alcoóis superiores e ácidos orgânicos. Outra, para separar as impurezas do etanol. (LIMA, 2001, p. 1 – 42)
Diferentes espécies microbianas – bactérias e leveduras – são capazes de produzir etanol. Industrialmente, entretanto, leveduras anaeróbicas facultativas pertencentes ao gênero Saccharomyces, e especialmente, à espécie S. cervisiae, são as mais empregadas. (BARROS, 2002, p. 62 – 64)
As leveduras utilizadas no processo de fermentação alcoólica não tem a capacidade de metabolizar diretamente polissacarídeos como o amido e a celulose. Nesse caso, matérias-primas contendo esse tipo de carboidratos necessitam ser previamente tratadas, a fim de produzir xaropes de substratos simples como a glicose. Em alguns países do hemisfério norte, o uso de materiais amiláceos para a produção de álcool etílico é relativamente comum. No Brasil, por outro lado, considerando sua posição geográfica, o cultivo da cana-de-açúcar é favorecido e, com isso, o caldo de cana-de-açúcar ou o melaço resultante da produção de açúcar são as matérias-primas utilizadas. Nessas matérias-primas, a sacarose é o principal constituinte, com teores da ordem de 14% a 20% (p/v) no caldo e 60% no melaço. Normalmente, na preparação do mosto, são incorporadas fontes de fosfato, como o superfosfato e o nitrogênio inorgânico, como o sulfato de amônio, visto que o melaço e o caldo de cana-de-açúcar são pobres desses nutrientes. (BARROS, 2002, p. 62 – 64)
Hoje em dia, no Brasil, o processo fermentativo de produção de etanol é realizado por processo em regimes descontínuo alimentado ou contínuo, a fim de manter baixos teores de substrato e, em decorrência, aumentando a produtividade em virtude da redução do tempo de processo. (BARROS, 2002, p. 62 – 64)
Diferentes formas de produção de etanol
Hidratação direta do etileno
Hidratação indireta do etileno
 
Fermentação
Esquema resumido do processo de obtenção do etanol a partir da cana-de-açúcar
Conclusão
Bibliografia
BARROS, N, M; AZEVEDO, J, L; SERAFINI, L, A. Biotecnologia: avanços naagricultura e na agroindústria. Caxias do Sul – RS: Editora EDUCS, 2002. 
BORZANI, W; SCHMIDELL, W; LIMA, U; AQUARONE, E. Biotecnologia industrial: Fundamentos. São Paulo: E. Blücher, 2001. 1 v. 
	
LEHNINGER, Albert L.; NELSON, David L.; COX, Michael M. Lehninger princípios de bioquímica. 3. ed. São Paulo: Sarvier, 2002. 975 p.
LIMA, U; AQUARONE, E; BORZANI, W; SCHMIDELL, W. Biotecnologia industrial: Processos Fermentativos e Enzimáticos. São Paulo: E. Blücher, 2001. 3 v.