PRODUÇÃO DE ETANOL. Breve histórico 1532 – montado o primeiro engenho de açúcar Primeira...
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PRODUÇÃO DE ETANOL
Breve histórico
1532 – montado o primeiro engenho de açúcar Primeira Guerra – álcool como combustível de
motores de explosão 1929/1931 – Crise internacional; instalação da
primeira destilaria de álcool anidro – obrigatoriedade da mistura de 5% de etanol à gasolina (Dec. 19717)
1974 – crise do petróleo – Pró-álcool
Importância
O etanol ou álcool etílico, apresenta duas funções principais : "commodity chemical" e indústria de bebidas alcoólicas.
-Após a água, o álcool é o solvente mais comum, além de representar a matéria-prima de maior uso no laboratório e na indústria química
Vias de obtenção: destilatória, sintética e fermentativa
Importância
No Brasil, o etanol é utilizado de duas maneiras:
- como mistura na gasolina, na forma de 22% de etanol anidro, a 99,6º Gay-Lussac (GL) e 0,4 % de água, formando uma mistura "gasohol" com o objetivo de aumento da octanagem da gasolina;
- como etanol puro, na forma de etanol hidratado, a 95,5º GL
Produção de etanol
No Brasil a cana de açúcar é a principal matéria prima utilizada; na França é a beterraba; nos EUA e na maioria dos países europeus o bioetanol é essencialmente produzido a partir de cereais, principalmente milho.
Produção de etanol
Por continente
Produção de etanol
Produção de etanol
Impacto da Produção de Etanol no Brasil
Economia US$ 141 bilhões com óleo importado e juros
Empregos 70.000 agricultores 347 destilarias 1 milhão de pessoas
Meio Ambiente 1.000 L de etanol sequestram 2,6 t de CO2 da atmosfera
Fonte: Valor Econômico, 2005
Produção de açúcar e álcool
Produçãodo açúcar
açúcar
Fermentaçãodo açúcar
Destilaçãoálcool
Cana-de-açúcar
Lavagem Extração
TratamentoDo caldo
TratamentoDo caldo
Metabolismo microbianoMetabolismo microbiano
Balanço Energético da Fermentação
DefiniçãoDefiniçãoFermentação alcoólica é o processo através
do qual certos açúcares, principalmente a Sacarose, Glicose e Frutose são transformados em Álcool Etílico (ou Etanol).
Mecanismo anaeróbio de produção de energia que não envolve cadeia respiratória ou citocromos.
Matérias-primas
O etanol pode ser produzido a partir de qualquer carboidrato fermentável pela levedura .
Classificação das matérias-primas:
- açucaradas
- amiláceas ou feculentas
- celulósicas
Matérias-primas: preparo Matérias açucaradas
- diretamente fermentescíveis: monossacarídeos - sucos de frutas
- não diretamente fermentescíveis : dissacarídeos – sacarose da cana-de-açúcar e dos melaços
Dissacarídeos Hidrólise(inversão)
Açúcar fermentescível
Matérias celulósicas - fermentam após hidrólise
Matérias-primas: preparo
Matérias amiláceas e feculentas- fermentam após hidrólise do amido – sacarificação:
* via química* via enzimática* via biológica
** ação enzimática do malte** ação microbiana de certos fungos
Sacarificação pelo malteGrãos –limpeza e classificação
MaceraçãoÁgua:grão 3:1; 10-12°C
Germinação
Malte verde Malte seco
Amido
Pesagem/Moagem
Hidratação
Cozimento
Goma de amido
Agitação 65°C/1hResfriamento 28 a 30 °C
Sacarificação microbianaAmido
Goma de amidoInóculo
Fungos amilolíticosÁgua
Agitação e aeração24 h
Fermentação microrganismo
Preparo do SubstratoPreparo do Substrato O Preparo dos mostos nas destilarias faz-se em seções
que constam de: • tanques de medição;• balanças;• diluidores mecânicos;• depósitos de sais minerais;• depósitos de antissépticos;• aquecedores e refrigerantes;• medidores de ácido.
Fatores que afetam a fermentação
* O etanol é inibidor à altas concentrações, e a tolerância das leveduras é um ponto crítico para uma produção elevada deste metabólito primário.
* A tolerância ao etanol varia consideravelmente de acordo com as linhagens de leveduras.
•Agente de fermentação:Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces sp
Fatores que afetam a fermentação
•Nutrição mineral e orgânica- fonte de carbono- vitaminas: tiamina, ácido pantotênico- Nitrogênio: sais de amônio- Sais minerais: P, S, K, Mg, Ca, Zn, etc
•Temperatura- 26 a 35°C- chega a 38 °C
•pH - mostos industriais: 4,5 a 5,5
Fatores que afetam a fermentação
•Preparo e correção do mosto- melaço: diluição – 15 a 25°Brix
fosfato e sais de amônio
- cana-de-açúcar: bruta ou clarificada fosfatos, sais de amônio, sais de Mg, Mn e Co
- materiais amiláceos: sacarificação fosfatos, acidez pH 4 a 5 com H2SO4
Fatores que afetam a fermentação•Inibidores
- etanol- K e Ca - sulfito
•Concentração de açúcares•Concentração de inóculo•Contaminação bacteriana•Antissépticos•Antibióticos
Antissépticos
• No Brasil, não é usual esterilizarem-se os mostos nas destilarias de álcool e aguardente. Para controlar o problema das contaminações, usam-se antissépticos para criar ambiente favorável ao desenvolvimento das leveduras e desfavorável a outros microrganismos.
• Obtém-se boas fermentações usando-se 4 mg de hexaclorofeno hexaclorofeno por litro de mosto ou pentaclorofenol pentaclorofenol na proporção de 0,01 a 0,05 g/litro de substrato.
• O ácido sulfúricoO ácido sulfúrico utilizado na correção do pH, também age como antisséptico.
Antibióticos
• Pela mesma razão por que se empregam os antissépticos, usam-se os antibióticos na fermentações industriais para produção de etanol.
• Sua ação é de agente esterilizante, em virtude de suas propriedades bacteriostáticas.
• Aplica-se a penicilinapenicilina (500-1000 UI/L de mosto) que é economicamente mais recomendável ou cloranfenicol, tetraciclina e clorotetraciclina.
Preparo do inóculo
•Vinhos e pequenas destilarias – flora natural leveduras selecionadas
•Vinhos e sidra – leveduras encapsuladas em alginato
•Grandes destilarias – leveduras de panificação leveduras selecionadas
Culturaestoque
Frascos100 a 12.500 mL
Pré-fermentadores50 a 1.000 L
10% volume industrial5.000 a 15.000 L
Prática da fermentação alcoólica
fases descrição
Preliminar Contato da levedura com o mosto
Características: intensa multiplicação celular, pequena elevação de temperatura e pequeno
desprendimento de CO2
Tumultuosa Intensa liberação de CO2 – a mistura ferve
Aumento da temperatura e da acidez; diminuição da densidade
Final ou complementar
Diminuição da intensidade de desprendimento do CO2, menor agitação do líquido, diminuição
da temperatura
Verificação prática da pureza
Tempo de fermentação Odor (frutas maduras) Aspecto da espuma Presença de drosófilas Temperatura e densidade Açúcares Acidez
Verificação prática da pureza
• Tempo de fermentaçãoTempo de fermentação – duração média de um processo fermentativo em mosto de melaço ou de caldo de cana-de-açúcar é de 24 horas e as de mosto amiláceo de 36 horas.
• Odor da fermentaçãoOdor da fermentação - O aroma das fermentações puras é penetrante, ativo, e tende para odor de frutas maduras. Cheiro ácido, ranço, ácido sulfídrico e outros indicam irregularidades no processo.
• Aspecto da espumaAspecto da espuma - A espuma varia com a natureza do mosto, temperatura, espécies e linhagem de leveduras. Alterações nas características indicam irregularidade no processo.
Verificação prática da pureza
• Drosófilas Drosófilas – São as “moscas do vinagre” que ocorrem quando há infecção acética
• TemperaturaTemperatura – Alterações importantes na curva de temperatura, do início ao final da fermentação, alertam para possíveis defeitos no processo.
• Densidade do mostoDensidade do mosto – Durante a fermentação a densidade do mosto decresce segundo uma curva harmônica, com as fases da fermentação. De sua observação, percebe-se as alterações da marcha fermetativa.
Verificação prática da pureza
• Açúcares no mostoAçúcares no mosto – consomem-se de acordo com a curva de
densidade. • Acidez no substrato em fermentação Acidez no substrato em fermentação – não deve haver grande
alteração entre a acidez final e a inicial. Quando a final for maior que o dobro da inicial, é indicação de má fermentação.
Sistemas de fermentação
Descontínuo- sistema de cortes- sistema de reaproveitamento do inóculo- sistema de cultura pura- sistema de recuperação de leveduras
Contínuo- várias configurações
Células imobilizadas
Sistemas de fermentação
Sistemas de fermentação
Batelada
Sistemas de fermentação
Contínuo
Instalações e equipamentos
Salas de fermentação- até 1.000 m3
- dornas, centrífugas, pré-fermentadores, tanques de tratamento
Recipientes de fermentação- dornas abertas ou fechadas- cilíndricas: H = 2 D- trocadores de calor- volume: 2 a 2,5 vezes a capacidade horária
de destilação
Destilação
Mistura azeotrópica Vinhos: sólidos, líquidos e gases Água (88 a 93%) e etanol (12 a 7%) Descontínua ou contínua
vinho Destilaçãoetanol
flegmaRetificação desidratação
Etanol97,2% em volume
Destilação descontínua
Alambiques e pequenas destilarias de aguardente ou de bebidas de vinhos
Destilaçãovinho
Destilado de cabeça
Destilado de coração
Destilado de cauda
Destilação contínua
Destilarias com produção superior a 2.000 L
Retificação e desidratação
Retificação- separação do álcool das impurezas- separam-se como produtos de cabeça ou de cauda- colunas depuradora, destiladora, retificadora, de repasse final
Desidratação
- uso de arrastadores
- absorvente regenerável
- peneiras moleculares
Cana-de-Açúcar
1 t de cana contém: 140 kg de açúcar 140 kg de fibra (bagaço) 140 kg de fibra das folhas e pontas
Isso representa ~ 1 barril de petróleo
Cana-de-Açúcar
1 Ha (10.000m2):produz 80 barris equivalentes de petróleo
BRASIL:5,5 milhões de hectares de cana POTENCIAL:440 milhões de barris
equivalentes de petróleo
Fonte: Valor econômico 15/08/2005
Cana-de-Açúcar
Cana-de-Açúcar
Cana-de-Açúcar
Bagaço Excedente 6 a 16 milhões de Bagaço Excedente 6 a 16 milhões de toneladas/anotoneladas/ano
Quantidade de Resíduos Lignocelulósicos gerados anualmente no Brasil
~350 x 106 toneladas (40% de umidade)
Energia da Cana1 TON DE CANA (COLMOS) Energia (MJ)• 140 kg de açúcar 2 300• 280 kg de bagaço (50% umidade) 2 500• 280 kg de palha (50% umidade) 2 500
TOTAL 7 300 (0.16 TEP)360 milhões de toneladas de cana 58 milhões TEP
Consumo de energia primária no Brasil: 200 x106 TEP/ano
Perspectivas futuras
Linhagens mais produtivas, com características desejáveis para produção de etanol e com monitoramento na indústria por técnicas de marcação molecular, foram desenvolvidas em vários laboratórios, destacando-se o da ESALQ/USP, em Piracicaba.
Desenvolvimento de processos visando à produção de linhagens melhoradas da levedura Saccharomyces cerevisiae:
Por tecnologia do DNA recombinante, os laboratórios de pesquisa das universidades de Brasília e da USP desenvolveram em conjunto linhagens de leveduras contendo genes de amilases capazes de utilizar o amido, por exemplo de mandioca ou batata-doce, na produção de etanol. Essas leveduras manipuladas geneticamente estão sendo aperfeiçoadas e poderão desempenhar um importante papel na produção de etanol.
A tecnologia do DNA recombinante tem sido também usada por esses e outros laboratórios brasileiros e do exterior na clonagem e seqüenciamento de genes de interesse industrial em fungos.
Papel da Biotecnologia
Avanços e melhorias não seriam possíveis sem a ajuda da biotecnologia, tanto para a matéria prima como para seu processamento
Com a ajuda da biotecnologia a cana de açúcar vai continuar sendo imbatível como matéria prima para produção de energias renováveis
Melhoria do Balanço de GEE Aumento da Competitividade
Bioetanol de Segunda Geração
Hidrólise Ácida dos Polissacarídeos Hidrólise Ácida dos Polissacarídeos (HEMICELULOSE e CELULOSE) do (HEMICELULOSE e CELULOSE) do
Complexo LignocelulósicoComplexo Lignocelulósico
Bebidas alcoólicas
Legislação Brasileira
Fermentadas
Fermento-destiladas
Por mistura
Destiladas
Destilo-retificadas
Bebida alcoólica = refrescante, aperitivo, ou estimulante destinado à ingestão humana no estado líquido, sem finalidade medicamentosa e contendo mais de 0,5 grau Gay-Lussac de etanol.
Generalidades sobre bebidas alcoólicas
classificação bebidas Matérias-primas °GL
Fermentadas Cerveja
Vinho
Vinho de frutas
Sidra
Saquê
Malte de cevada
Suco de uvas
Suco de frutas
Suco de maçãs
Arroz sacarificado
variável
10 a 13
10 a 13
4 a 8
14 a 26
Fermento-destiladas
Aguardente de cana
Uísque
Tequila
Vodca
Caldo de cana
Cevada maltada
Suco de agave
Cereais ou tubérculos
38 a 54
Glossário
Grau Brix = 1° Brix corresponde a 1 g de sólidos dissolvidos em 100 g de solução à 20°C
Grau Gay-Lussac = porcentagem em volume de etanol a 15°C
Vinho = bebida fermentada de mosto de frutas; meios açucarados provenientes de uma fermentação alcoólica
Flegma = líquido alcoólico mais rico que o líquido original e impuro
Gráficos