Ebook - DA CANA-DE-AÇÚCAR AO ETANOL: UMA ABORDAGEM MICROBIOLÓGICA E BIOQUÍMICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DA CANA-DE-AÇÚCAR AO ETANOL: UMA ABORDAGEM MICROBIOLÓGICA E 
BIOQUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Guilherme Henrique Lima 
 
Vinícius Luís de Moura 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Alfenas/MG 
 
2020 
1 INTRODUÇÃO 
 
No Brasil, a maior parte da produção de etanol produto da cana-de-açúcar é 
para a indústria de combustíveis desde a década de 1970, após as Crises do Petróleo 
incentivarem a diversificação de combustíveis. Destilarias industriais brasileiras de 
alta eficiência especializadas em produção de etanol são capazes de produzir 90 litros 
a partir de 1 tonelada de cana-de-açúcar. Com isso, um hectare plantado produz entre 
5 e 8 mil litros de álcool. 
Quanto às vias de obtenção do etanol, as três conhecidas são a destilatória, 
sintética e fermentativa. Destacando a via fermentativa para produção de etanol, ela 
é incontestavelmente a mais barata e ecologicamente viável. Nela, a biomassa 
vegetal é a matéria prima transformada em etanol por ação de microorganismos e 
separado por destilação. No Brasil, este processo é considerado o mais importante, 
devido à grande disponibilidade de matéria-prima, favorecendo custos menores de 
produção. 
Na biossíntese do etanol é empregado linhagens selecionadas de 
Saccharomyces cerevisiae, que realizam a fermentação alcoólica, a partir de um 
carboidrato fermentável - no caso, a sacarose. É muito importante que a cultura de 
levedura possua um crescimento vigoroso e uma elevada tolerância ao etanol, 
apresentando assim a fermentação um grande rendimento final. 
Este trabalho de revisão visa abordar o assunto “etanol combustível” com uma 
visão focada na bioquímica e microbiologia do processo de obtenção do etanol. Dessa 
forma, entende-se que mais tempo e conteúdo serão empregados na etapa da 
fermentação. Entretanto, aspectos secundários relacionados ao processo, tais como, 
etapas anteriores e posteriores à fermentação, fluxogramas e observações de viés 
industrial podem ser abordados com caráter de contextualização. 
 
2 PROCESSOS PRÉ-FERMENTATIVOS 
 
Existem algumas etapas que compõem, antes da fermentação, o processo de 
obtenção do etanol. Dessa forma, ao chegar a cana de açúcar em sua forma pura, a 
primeira etapa é a lavagem, em que se retira sua poeira, areia, terra etc. Em seguida, 
a cana é picada e passa por um eletroímã, que tem como função retirar qualquer 
material metálico no produto. 
 
Continuando, tem-se a moagem, em que a cana é moída por rolos trituradores, 
processo em que se extrai o melado, que compõe 70% do produto, já os 30% 
restantes se transformam em bagaço. Do melado, continua-se o processo de 
fabricação do etanol, enquanto o bagaço pode ser utilizado para geração de energia. 
Na sequência, a sulfitação é um processo com o objetivo de inibir as reações 
de escurecimento do açúcar e auxiliar na clarificação do caldo. Logo depois, a 
calagem é um processo que corrige a acidez do caldo, neutralizando os efeitos tóxicos 
de elementos como o alumínio e o manganês, essa correção é importante pois há um 
limite de teor de dióxido de enxofre no açúcar, desse modo, a dosagem do enxofre 
no caldo deve ser realizada com o máximo de controle de pH. 
A próxima etapa é a clarificação do melado, o líquido passa por uma peneira e 
vai direto para um tanque para o repouso, assim, se houver alguma impureza no 
líquido, ela irá se depositar no fundo. Após o processo de decantação, o melado puro 
é extraído e recebe o nome de caldo clarificado. Este segue para o último processo 
de extração de impurezas, a esterilização, em que o caldo é aquecido para eliminar 
os micro-organismos presentes. 
 
3 ETAPA DA FERMENTAÇÃO 
 
3.1 LEVEDURAS 
 
As leveduras são agentes biologicamente ativos capazes de metabolizar os 
açúcares anaerobicamente através de uma via chamada fermentação alcoólica. Além 
disso, são eucariotos definidos como fungos, heterotróficos, unicelulares e 
aclorofilados. 
As leveduras podem ser classificadas fisiologicamente em relação a 
capacidade de obtenção de energia quando submetidas a diferentes ambientes. 
Dessa forma, em situação de anaerobiose executam a fermentação, formando pouca 
biomassa e muito etanol; em condição de aerobiose, seu metabolismo é destinado a 
crescimento celular; e quando as leveduras possuem a capacidade de sobrevivência 
em ambos ambientes é classificada como facultativa. Dependendo do meio de cultivo, 
as leveduras apresentam dimensões e formas variáveis, como ovoides, esféricas ou 
elipsoidais. 
Os critérios tecnológicos que fazem com que uma levedura seja utilizada 
comercialmente na fermentação alcoólica são: o alto rendimento e elevada 
produtividade, ou seja, rápida conversão de açúcar em álcool, com baixa produção 
de componentes secundários; resistência a etanol; resistência a pH baixo, resistência 
a antissépticos, e estabilidade genética para que as qualidades das leveduras sejam 
mantidas durante sucessivos reusos. A espécie mais importante de levedura alcoólica 
é a Saccharomyces cerevisiae. 
Os gêneros de leveduras aplicados nos processos fermentativos de obtenção 
do etanol dependem, principalmente, da fonte de carboidrato usado no processo. Na 
Tabela 1 são encontrados alguns exemplos. 
 
Tabela 1 - Relação entre fonte de carbono e levedura. 
 
Substrato Espécie 
Grão de milho S. cerevisiae 
Melaço de cana de açúcar S. cerevisiae 
Melaço de cana de açúcar Kluyveromyces marxianus 
Celulose K. marxianus 
Dextrinas S. cerevisiae 
Amido S. (diastaticus) cerevisiae 
Xilose Candida shehatae 
Lactose S. cerevisiae 
 
3.2 SACCHAROMYCES CEREVISIAE 
 
Nas indústrias brasileiras, predomina-se a utilização da Saccharomyces 
cerevisiae cuja função é frequentemente associada às fermentações industriais para 
a obtenção de bebidas alcoólicas e etanol combustível. 
Taxonomicamente, as S. cerevisiae, são pertencentes ao domínio dos 
Eukaryoto, do reino Fungi, filo Ascomycota, classe Saccharomycetes, ordem 
Saccharomycetales, família Saccharomycetaceae do gênero Saccharomyces. 
Quanto à morfologia, elas podem ser esféricas, elípticas, ovais; não possuem flagelo; 
formam colônias cremosas, brilhantes com bordas regulares e com crescimento 
apical. Citologicamente, são constituídas principalmente por três partes: parede 
celular, citoplasma e o núcleo. A parede celular confere proteção à célula. 
 
 
 
Figura 1 - Saccharomyces cerevisiae observada por meio de microscopia óptica de campo claro. 
 
Uma fina camada compacta de membrana plasmática semipermeável e 
seletiva envolve internamente a parede celular e o citoplasma. Dentro desses dois 
envoltórios são dissolvidas substâncias como: água, proteínas, nutrientes, sais, 
metabólitos e substâncias de reserva. Dependendo do estado fisiológico da célula, o 
citoplasma apresenta espaços com variadas formas, tamanhos e importância. Entre 
os espaços, além do núcleo, estão os vacúolos, glicogênio, substâncias de cromatina, 
grânulos metacromáticos, corpos basófilos, mitocôndrias e é onde ocorre a 
fermentação. No núcleo encontra-se o material genético da levedura responsável pela 
hereditariedade e organização celular. 
A reprodução das S. cerevisiae, quando encontrada em condições nutricionais 
favoráveis, é dada pelo brotamento (assexuada). A célula original é chamada como 
"mãe", origina uma célula “filha” elipsoidal: 
 
 
 
Figura 2 - Esquema simplificado da reprodução por brotamento da S. cerevisiae. 
 
Na fase inicial da reprodução por brotamento, a parede da célula torna-se mais 
fina e flexível na região em que é forçada pela pressão interna do conteúdo celular, 
formando uma pequena saliência esférica. Essa protuberância, denominada de brota, 
cresce e aumenta de tamanho, logo em seguida o núcleo da célula-mãe divide e se 
move para dentro da saliência. Os dois núcleos, ainda unidos, se organizam em suas 
respectivas células ea parede celular então se estreita até a definitiva ruptura dando 
origem a mais uma célula. A reprodução é feita diversas vezes durante a vida da 
levedura e é interrompida na apoptose da célula “mãe”. 
 
3.3 METABOLISMO DA SACCHAROMYCES CEREVISIAE 
 
Na via glicolítica, a hexose é utilizada como fonte energética para 
desenvolvimento de biomassa e produção de álcool, existindo assim duas vias 
distintas (ver Figura 3). Na primeira, o objetivo é a multiplicação celular (aumento de 
biomassa), e na segunda, a fermentação (para produção de álcool). 
 
 
 
Figura 3 - Vias metabólicas da fermentação alcoólica. 
 
Essencialmente, a via glicolítica é comum a todas as espécies de levedura, 
sendo a regulação do fluxo feita via pentose fosfato. Após a quebra da sacarose 
(Figura 4), os monômeros de glicose ou frutose resultantes, entram na via glicolítica 
para formar moléculas de piruvato. 
 
 
 
 Figura 4 – Reação simplificada da quebra da sacarose. 
 
 Resumidamente, a glicólise constitui-se de duas fases: 
1. Ocorre a fosforilação da glicose para frutose-1,6-bifosfato, seguido pela 
quebra e isomerização deste composto em duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato; 
2. Ocorre a oxidação e fosforilação por fosfato inorgânico do gliceraldeído-3-
fosfato à 1,3-bifosfatoglicerato, essa última molécula libera energia na forma do grupo 
fosfato e é convertida a duas moléculas de piruvato. 
Uma das rotas que o metabolismo da levedura pode seguir é a da fermentação 
do piruvato a etanol e gás carbônico, em que as duas moléculas de ácido pirúvico são 
convertidas em duas moléculas de acetaldeído mais duas moléculas de gás 
carbônico. Através do álcool desidrogenase, o acetaldeído é reduzido a etanol, com 
o NADH, derivado da atividade da gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase, fornecendo 
o poder redutor. 
 
 
 
 Figura 5 - Reação simplificada da quebra da hexose. 
 
É importante ressaltar que como a quantidade de NADH é limitada e ele é 
necessário na sua forma oxidada (NAD+) na glicólise e, consequentemente, na 
continuação do processo de produção de energia, o NADH tem que ser oxidado. Essa 
é a importância da realização da fermentação. 
 
 
 
Figura 6 - Esquema dos tipos de fermentação com sequência enzimática simplificada da conversão 
de glicose a etanol. 
 
3.4 PRODUÇÃO DO ETANOL E FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA 
 
A produção brasileira de etanol foi baseada no processo chamado de Melle-
Boinot patenteado em 1938 com constante retificação: 
 
 
 
Figura 7 - Esquema do processo Melle-Boinot de obtenção do etanol. 
 
Esse mecanismo pode ser simplificado de forma a melhorar a compreensão e 
visualização, como traz a Figura 8: 
 
 
Figura 8 - Processo Melle-Boinot de obtenção do etanol simplificado. 
 
A nível bioquímico, a fermentação é definida como um processo que: 
1. libera energia a partir de açúcares ou outras moléculas orgânicas, como 
aminoácidos, ácidos orgânicos, purinas e pirimidinas; 
2. não requer oxigênio (mas pode ocorrer na sua presença); 
3. não requer a utilização do ciclo de Krebs ou de uma cadeia de transporte de 
elétrons; 
4. utiliza uma molécula orgânica sintetizada na célula como aceptor final de 
elétrons; 
5. produz somente uma pequena quantidade de ATP (somente uma ou duas 
moléculas de ATP para cada molécula de matéria inicial), uma vez que grande parte 
da energia original na glicose permanece nas ligações químicas dos produtos 
orgânicos finais, como o ácido láctico ou o etanol. 
O processo de fermentação alcoólica caracteriza-se como uma via catabólica, 
na qual há degradação de moléculas de açúcar (glicose ou frutose), no interior da 
célula de microorganismos (levedura ou bactéria) até a formação de etanol e CO2 
havendo liberação de energia química e térmica. 
No decorrer das fermentações, as leveduras sofrem inúmeras tensões, 
algumas na ordem ambiental (deficiência de nutrientes, alta temperatura e 
contaminação) ou até mesmo do metabolismo (inibição do etanol ao crescimento e 
produção de etanol). A Figura 9 resume algumas dessas tensões. Algumas delas são 
sinérgicas, afetando as células de levedura mais severamente do que de forma única, 
levando a redução da viabilidade e vigor das leveduras, bem como menor produção 
de etanol: 
 
 
 
Figura 9 - Efeitos do ambiente na fermentação para S. cerevisiae. 
 
4. DESTILAÇÃO 
 
Ao finalizar o processo de fermentação e a recuperação das leveduras, obtém-
se o caldo fermentado composto de uma solução hidroalcóolica e outros 
componentes como aldeídos e ésteres etc., estes são denominados componentes 
secundários. Para se otimizar a produção de etanol, é necessário a retirada desses 
componentes através da operação chamada de retificação. Além disso, emprega-se 
a destilação para separar e obter o etanol. Desse modo, tem-se o álcool hidratado, 
usado como etanol combustível, com teor alcoólico em cerca de 96%. 
O processo de destilação é uma operação unitária que permite a separação de 
misturas de líquidos em seus componentes puros ou próximos da pureza, por meio 
de evaporação e condensação dos componentes em questão. O princípio da 
destilação se baseia na diferença do ponto de ebulição das substâncias envolvidas. 
Os vapores são produzidos, geralmente, mais concentrado dos componentes mais 
voláteis do que no líquido, possibilitando a separação das frações enriquecidas nos 
componentes desejados. 
 
Tabela 2 - Pressão de vapor da água e do álcool etílico em diferentes temperaturas. 
Temperatura °C Água Etanol 
20 17,4 43,8 
40 54,9 140,0 
50 91,9 221,5 
78,5 ** 760,0 
90 525,4 ** 
100 760,0 ** 
 
A técnica de destilação se baseia na diferença do ponto de ebulição dos dois 
líquidos, no caso, a água (100 °C) e o álcool (78,4 °C). A mistura de água e álcool 
possui um ponto de ebulição variável por conta do grau alcoólico, desse modo, o 
ponto de ebulição é intermediário, entre o ponto de água e do álcool e quanto maior 
for o grau alcoólico da solução, seu ponto de ebulição será mais próximo do ponto do 
álcool. 
 
 
 
 
 Figura 10 – Destilador simples do tipo alambique. 
 
A partir da Tabela 2 e dos conceitos apresentados, nota-se que etanol é mais 
volátil, apresenta menor ponto de ebulição e maior pressão de vapor. Com isso, o 
álcool atinge a condição de vapor antes da água, possibilitando concluir que o etanol 
hidratado é que está presente no receptor do destilado (Figura 10). 
 
5. DESIDRATAÇÃO 
 
A próxima etapa é a desidratação, que retira o restante de água contida no 
álcool hidratado para fazer o álcool anidro, com teor alcoólico em cerca de 99,5%, 
utilizado misturado à gasolina como combustível. Sendo assim, para elevar a 
concentração do álcool a valores superiores ao seu ponto azeotrópico utiliza-se 
processos tecnológicos de desidratação. Os mais utilizados pelas usinas e destilarias 
no Brasil são: 
. Processo azeotrópico por meio do uso do benzol ou do ciclo-hexano como 
agente desidratante; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 – Desidratação azeotrópica: 
 A) Fluxograma geral do processo; 
 B) Fluxos de matéria na coluna desidratadora C. 
 
. Processo extrativo utilizando a glicerina ou o monoetileno glicol (MEG): 
 
 
 
A B 
 
 
 
 Figura 12 – Fluxograma simplificado do processo de desidratação por MEG. 
 
. Peneira molecular pela ação das zeólitas: 
 
 
 
 Figura 13 – Fluxograma do processo de desidratação por peneira molecular. 
 
Por fim, o armazenamento, em que o etanol anidro e o hidratado são 
armazenados em enormes tanques, até serem levados por caminhões que 
transportam até as distribuidoras. 
 
6 CONCLUSÃO 
 
O etanol ou álcool etílico, cuja fórmula química é C2H5OH, pertence a uma 
família de compostos químicos que possuem uma ou maishidroxilas ligadas a um 
radical alquila. É um produto que se encontra na forma pura na natureza, para 
produzi-lo é necessário extrair o álcool de outras substâncias. A forma mais comum 
de obtê-lo é através da fermentação executada por leveduras - principalmente S. 
cerevisiae - de moléculas de açúcares, que são normalmente encontradas em 
vegetais como cana-de açúcar, milho, beterraba, batata, trigo e mandioca, dentre 
esses, a cana-de-açúcar é o recurso mais simples e produtivo. 
 
Quadro 1 – Características físico-químicas do álcool etílico. 
 
Ponto de fusão -117,3 °C 
Ponto de ebulição 78,35 °C 
Massa molecular 46,06 g mol-1 
Aspecto Líquido incolor 
 
 
Solubilidade 
 
Composto fortemente polar devido ao 
radical hidroxila, e por isso tem grande 
afinidade com a água e com outras 
substâncias polares. Dissolve também 
numerosas substâncias orgânicas e 
inorgânicas, como essências, 
hidrocarbonetos, graxas etc. 
 
Solubilidade em água 
Solúvel em qualquer proporção. A mistura 
de álcool com água resulta em uma 
contração do volume 
Índice de refração 1,36 (25 °C) 
Viscosidade 1.200 cp (20 °C) 
 
Existem alguns tipos de álcool com funções variadas, tais como: 
. Álcoois hidratados: que contêm um teor de umidade residual de 4% a 6% e é 
utilizado como combustível de veículos a álcool ou do tipo Flex. 
. Álcoois anidros: que possuem um teor alcoólico inferior a 1% e sua utilização 
é na adição à gasolina em uma proporção em torno de 25% atualmente, além disso 
ele opera como agente antidetonante pela elevação do índice de octanas do 
combustível. 
O álcool anidro, assim como o hidratado para fins combustíveis, é especificado 
pela Agência Nacional do Petróleo (ANP, 2005), visto na Tabela 3 a seguir: 
 
 Tabela 3 – Especificação técnica para o álcool anidro e hidratado. 
Característica Unidade Álcool Anidro Álcool Hidratado 
Aspecto * Límpido e isento de impurezas 
Cor * De incolor a amarelado e isento de corantes 
Acidez total como ácido acético 
(máx.) 
mg/L 30 30 
Condutividade elétrica (máx.) mS/m 500 500 
Massa específica a 20 °C (máx.) kg/m³ 791,5 807,6 a 811,0 
Teor alcoólico (min.) °INPM 99,3 92,6 a 93,8 
pH * * 6 a 8 
Resíduo por evaporação (máx.) mg/100mL 3 3 
Teor de hidrocarbonetos (máx.) %vol 3 3 
Íon cloro (máx.) mg/kg * 1 
Teor de etanol (mín.) %vol 99,6 95,1 
Íon sulfato (máx.) mg/kg * 4 
Íon ferro (máx.) mg/kg * 5 
Sódio (máx.) mg/kg * 2 
Cobre (máx.) mg/kg 0,07 * 
 
7 REFERÊNCIAS 
 
COMO OCORRE A PRODUÇÃO DE ÁLCOOL / ETANOL?. CBIE, 2020. Disponível 
em: https://cbie.com.br/artigos/como-ocorre-a-producao-industrial-de-alcool-etanol/. 
Acesso em: 21 de out. de 2020. 
 
FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA. Portal São Francisco. Disponível em: 
https://www.portalsaofrancisco.com.br/quimica/fermentacao-alcoolica. Acesso em: 
21 de out. de 2020. 
 
LOPES, H. L.; GABRIEL, A. V. M. D.; BORGES; M. T. M. R. Produção de etanol a 
partir da cana-de-açúcar: tecnologia de produção de etanol. Departamento de 
Produção Gráfica – UFSCAR, São Carlos, 2011. 
 
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DO ETANOL. NovaCana.com. Disponível em: 
https://www.novacana.com/etanol/fabricacao. Acesso em: 21 de out. de 2020. 
 
SANTOS, M. V. Estudo da competência de Saccharomyces cerevisiae em co-
cultura para a produção de etanol. 2017. 131f. Dissertação (Mestrado em 
Engenharia Química) – Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, 
Goiânia, 2017. 
 
TORTORA, G. J.; FUNKE, B. R.; CASE, C. L. Microbiologia. 12 ed. Porto Alegre: 
Artmed, 2017. 
 
https://cbie.com.br/artigos/como-ocorre-a-producao-industrial-de-alcool-etanol/
https://www.portalsaofrancisco.com.br/quimica/fermentacao-alcoolica
https://www.novacana.com/etanol/fabricacao
VOLPE, P. L. O. Estudo da fermentação alcoólica de soluções diluídas de diferentes 
açucares utilizando microcalorimetria de fluxo. Química Nova, Campinas, v.20, n. 5, 
p. 528 - 534, 1997.