Aula 11 - Produção de etanol

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FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
Tecnologia de Produção de Etanol Comercial
CÁLCULO DO RENDIMENTO, 
EFICIÊNCIA E PRODUTIVIDADE
ÁLCOOL
◼ Combustível verde;
◼ Utilizado em industrias de alimentos, cosméticos e 
como insumo da indústria química;
◼ Em abril de 2016-março 2017 o Brasil produziu 30 
bilhões de litros de etanol;
Biocombustível de maior sucesso: 
Etanol
• Ajustável ao setor de transporte → Desafios enfrentados:
• Desenvolvimento de propriedades físicas adequadas; 
• Logística de distribuição e de armazenamento; 
• Combustão, menor capacidade energética;
◼ Desenvolvimento por parte de EMBRAPA: 
◼ Responsável por um considerável ganho de 
produtividade (2.500 l/hec) e aperfeiçoamento de 
técnicas de extração do álcool da cana.
PRO-ÁLCOOL
◼ Fonte energética oriunda da Biomassa mais 
difundida no Brasil é a Cana de Açucar 
❑ “ do boi só não se aproveita do berro”.
Produção de Etanol
◼ O álcool etílico é obtido principalmente por 
fermentação de cana ou melaço (resíduo da 
fabricação de açucar) através de um processo 
bioquímico.
◼ Pode ser produzido a partir de qualquer carboidrato
❑ Ex: suco de frutas, milho, beterraba, batata, 
malte, cevada, aveia, centeio, arroz
❑ No caso de carboidratos mais complexos é 
necessária uma hidrólise.
◼ O agente de fermentação: LEVEDURA
Processo de Fermentação
❑ 1ª ETAPA - Hidrólise da sacarose
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6
sacarose invertase glicose + frutose
❑ 2ª ETAPA – Fermentação Alcoólica
C6H12O6 → 2H3C-CH2-OH + 2CO2
Monossacarídeo Etanol Gás Carbônico
GLICOSE (6 C´s)
SACAROSE (12 C´s)
AMIDO (nC´s)
Forma natural das
plantas armazenarem 
energia.
CELULOSE (polímero da
glicose)
zimase
CÁLCULO DE BALANÇO DE MASSA:
◼ 51% do açucar vira ETANOL
Agente de Fermentação
◼ Na fermentação alcoólica são empregadas 
linhagens selecionadas da levedura 
Saccharomyces cerevisae;
A cultura deve possuir:
❑ Crescimento vigoroso;
❑ Elevada tolerância ao etanol;
❑ Estabilidade;
❑ Alta produção;
◼ O etanol em altas concentrações age como 
inibidor, e a tolerância das leveduras é um 
ponto crítico para uma produção elevada.
A tolerância ao etanol varia de acordo com as 
linhagens das leveduras
❑ O crescimento dos microrganimos cessa 
quando a produção atinge 5% de etanol (v/v).
❑ A taxa de produção é reduzida a zero, na 
concentração de 6 a 11% de etanol (v/v).
Etapas da Fermentação
1) Preparo do Substrato;
2) Preparo do Mosto;
3) Preparo do Inóculo;
4) Fermentação;
5) Destilação;
Etapas da Fermentação:
1. Preparo do Substrato
◼ Moagem da cana → arraste de 
impurezas (bagacilhos e terra)
❑ Separação através de peneiras fixas, 
rotativas ou vibratórias;
❑ Impurezas Menores → Decantação
Etapa de disponibilização dos nutrientes para 
os microrganimos.
Etapas da Fermentação:
2. Preparo do Mosto
◼ Mosto: meio reacional ou de cultivo
❑ A concentração de açucar é definida conforme 
a produção pretendida e viabilidade da 
levedura.
❑ Características desejáveis do mosto:
◼ Isenção de sólidos (bagacilhos, areia e terra)
◼ 10 a 20% de açucares totais (Grau Brix)
◼ Nutrientes minerais
◼ pH – 4,5 a 5,5;
◼ Temperatura – 26 a 35oC
◼ Contaminação por bactérias < 102 (ideal) →
agentes antissépticos e antibióticos
Etapas da Fermentação:
3. Preparo do Inóculo
◼ Utilização de nutrientes → favorecer a multiplicação 
rápida da levedura. 
❑ Mais utilizados são: N, Mg, K e outros (Zn, P, Ca e 
etc)
◼ AERAÇÃO
❑ Ar comprimido e agitação mecânica
◼ TEMPERATURA
❑ Ideal : 35 a 37oC
❑ Emprego de antibióticos → inibir o crescimento 
de bactérias.
Etapas da Fermentação:
4. Fermentação
◼ É realizada em dorna/fermentador/reator
❑ Podem ser abertas ou fechadas;
❑ Pode ser realizada de forma contínua ou 
descontínua;
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA OU BATELADA
❑ Neste processo são utilizadas várias dornas, que 
são cheias, fermentadas e processadas uma a 
uma.
Fermentação Contínua 
◼ Neste processo utiliza-se dornas de grandes 
dimensões, operando da seguinte forma:
❑ 1) o mosto é misturado ao inóculo na 1ª dorna;
❑ 2) passará para as demais num processo contínuo até 
chegar a última dorna onde a concentração de açucares 
é a menor possível;
❑ 3) O vinho bruto desta última dorna é enviado para a 
centrifugação;
❑ 4) O vinho centrifugado é enviado para destilação;
Utilização dos Resíduos:
◼ Produção de energia elétrica através dos resíduos da 
cana de açucar.
❑ Na cana cerca de 1/3 da energia solar é fixada como açúcar, 
enquanto o restante corresponderá fibra vegetal (celulose, 
hemicelulose e lignina) 
◼ QUEIMA dos resíduos como o bagaço e as palhas.
◼ 1ton de cana moída → 270 kg de bagaço de cana →
queimado em caldeiras para geração do vapor. Esse vapor 
aciona turbo-geradores produzindo energia elétrica que por 
sua vez é utilizado nas próprias indústrias.
CO-GERAÇÃO
◼ Vinhoto: 
❑ Cada 1L de etanol produz 12 litros de vinhoto.
❑ Usado para adubação de canaviais
❑ Produção de bio-gás através de bio-
digestores.
1ton cana -> 70 L de etanol + 270 kg de bagaço + 
840 litros de vinhoto.
12m3 de biogás (65% 
metano e 35%CO2)
Aplicação do Gás: 
fornos industriais, 
caldeiras, acionamento 
de motores das usinas 
em transporte 
Desafios na Produção de Etanol
◼ Aumento da produção do ponto de vista de 
processamento industrial pode ocorrer de 2 formas:
❑ Aperfeiçoamento das tecnologias para produção 
de etanol de 1ª geração (a partir da sacarose).
❑ Pelo desenvolvimento tecnológico de produção 
de etanol de 2ª geração (etanol lignocelulósico), 
produzido a partir da conversão a celulose e 
hemicelulose em etanol.
Etanol – 1ª Geração
Possibilidades de desenvolvimento
◼ Aplicação de melhores práticas agronômicas, 
desenvolvimento de melhores variedades para novas áreas e 
de cultivos mais produtivos e resistentes
◼ Seleção de linhagem e melhoria das características dos 
microorganismos que garantam alta eficiência ,ou seja, que 
apresentem maior velocidade de fermentação, maior 
conversão, resistência álcool, pH, além de estabilidade 
genética.
◼ Desenvolvimento de tecnologia de fermentação a baixa 
pressão e extração a vácuo do etanol, evitando assim a 
redução da produtividade em decorrência da inibição pelo 
produto. Diminui os custo com a destilação.
◼ Redução os níveis de formação de subprodutos no 
processo fermentativo, e consequentemente elevação do 
rendimento, conseguidas evitando-se que ocorra estresse 
celular.
◼ Desenvolvimento de estratégias de imobilização dos 
micoorganismos, permitindo operá-lo com maior 
densidade celular, o que garante aumento da 
produtividade do etanol. Esse sistema dispensa a etapa de 
centrifugação e reciclo (representa 16% nos custos de 
processamento).
❑ Fermentação empregando leveduras imobilizadas: 15 g/L.H
❑ Fermentação convencional: 8 g/L.h
◼ Integração energética da planta de produção, visando o 
estabelecimento de uma rede de energia mínima, visando 
maior aproveitamento energético e redução dos custos de 
instalação e manutenção de utilidades.
◼ Aprimoramento da tecnologia de digestão anaeróbia para 
aproveitamento da vinhaça e produção do biogás a partir 
desse subproduto, que apresenta elevada carga orgânica.
◼ Racionalização do uso de água de produção de etanol e 
estudos de métodos mais eficientes de tratamento de água 
residuária. 
Etanol de 2ª geração
Possibilidades de desenvolvimento
◼ O material lignocelulósico é constituído de 3 tipos 
de polímeros:
❑ Celulose (sub-unidades de D-glicose unidas por 
ligação glicosídica), hemicelulose (pentoses, 
hexoses e açucares ácidos) e lignina (associada 
a parede vegetal)
◼ Diversas rotas são pesquisadas:
◼ Pré-tratamento que efetua a separação da 
hemicelulose → fermentação das pentoses
◼ Celulose é então hidrolisada→ fermentada
◼ Lignina → queima
◼ Combinação das rotas de 1ª e 2ª 
geração:
❑ Possibilidade de aumentar a quantidadede 
combustível sem aumentar o volume matéria 
prima cultivada.
◼ Como consequência, ter-se-à menor 
disponibilidade de bagaço para a geração de 
energia elétrica.
◼ Comportamento do mercado:
Bagaço Caldo
Etanol Energia Açucar Etanol
Cálculo do Rendimento, 
Eficiência e Produtividade de 
Processos Fermentativos
BioProcessos Industriais
◼ Nomenclatura:
❑ P, concentração de produto (g/L; kg/m3)
❑ S, concentração de substrato(g/L; kg/m3)
❑ X, concentração de células (g/L; kg/m3)
❑ Y, rendimento ou fator de concentração 
(g/g; kg/kg)
❑ Q, produtividade volumétrica (g/L.h; kg/m3.h)
❑ PM, produtividade mássica (kg/h; g/h)
❑ Ef, eficiência do bioprocesso
❑ Eg, eficiência global da planta
◼ Fator de Rendimento ou de Conversão (formação de 
células em função do consumo de substrato)
◼ Fator de Rendimento ou de conversão de substrato em 
produto (formação de produto em função do consumo 
de substrato)
◼ Fator de Rendimento ou de conversão de biomassa e 
produto (formação de produto em função da quantidade 
de células- crescimento )
s
x
SX
dtdS
dtdX
SS
XX
dS
dX
Y


=
−
=
−
−
=
−
=
/
/
)(
)(
0
0
s
p
o
SP
dtdS
dtdP
SS
PP
dS
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Y


=
−
=
−
−
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−
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/
/
)(
)( 0
x
po
XP
dtdX
dtdP
XX
PP
dX
dP
Y


==
−
−
==
/
/
)(
)(
0
Caldo de cana: 20º Brix (20 g/100ml)
Mosto fermentado : 8oGL de etanol (8g/100ml)
mlg
mlg
Y
S
P
100/20
100/8
=
Quantidade de caldo de cana: 1000 kg
Quantidade de Etanol 300 Litros
1000
 x 300 
=
S
PY
Eficiências Global da Planta e 
Eficiência do Processo
MP na contido substrato
 dopartir a obtenível produto de massa
recuperado produto de massa
Eglobal =
◼ Algumas perdas possíveis:
❑ Tratamento da Matéria prima
❑ Preparo do Meio
❑ Esterilização do meio
❑ Separação de células
❑ Recuperação do produto
Eficiências
◼ Eficiência de cada etapa do processo
◼ Considera a quantidade de produto obtido, com relação 
ao esperado - Eficiência do processo:
◼ Relacionando com Rendimento:
100 
 triaestequiomepor obtenível produto do Massa
produto do Massa
xEP =
Valor 
esperadoCaldo de cana: 20º Brix (20 g/100ml)
Mosto fermentado: 8oGL de etanol (8g/100ml)
0,51 x 100/20
100/8
mlg
mlg
Efic = Teor Max de etanol
possível
teóricoSP
realSP
f
Y
Y
E
)(
)(
/
/=
Exercício
Considerando um processo de fermentação alcoólica em que 
se partiu de um mosto contendo 120g/L de glicose por litro, 
verificou-se que a concentração de etanol ao final do processo 
foi de 48g/L e que o mosto fermentado ainda continha 
2g/100mL. Após os processo de separação por destilação e 
purificação por retificação, verificou-se que cada litro de 
mosto conduziu a 40 g de álcool anidro.
Qual o rendimento e a eficiência do processo?