Tecnologia do Álcool Etílico: Fermentação de Leveduras Alcoólicas, Esquemas de Materiais

Baixe Tecnologia do Álcool Etílico: Fermentação de Leveduras Alcoólicas e outras Esquemas em PDF para Materiais, somente na Docsity! 1 Universidade de São Paulo – USP Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – Esalq Departamento de Agroindústria, Alimentos e Nutrição - LAN TECNOLOGIA DO ÁLCOOL ETÍLICO – LAN 5811 Prof. Antonio Sampaio Baptista Processos industriais de condução da fermentação 2 1.1 LEVEDURAS INDUSTRIAIS - Classificação atual Fungos do Phylum: Ascomycetes Classe: Hemiascomycetes Ordem: Saccharomycetales Familias :  Saccharomycetaceae Gênero e espécie: Saccharomyces cerevisiae 1. INTRODUÇÃO Autores: Scott Federhen, F.ª Harrington, Ian Harrison, Carol Holton, Detlef Leipe, Vladimir Sousov (2000) - “Yeasts” - site de taxonomia da ordem: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/htbin-post/Taxonomy/wgetorg 5 (1) Parede celular  30% peso seco/célula; Composição: polímeros de glucana (“celulose”), manana (“goma”), quitina, lipídeos, fosfatos e esteróides. Enzimas extracelulares: invertase, fosfatase, amilo-pectidases, glucoamilase, etc. (translocação e desdobramento das fontes para utilização pelo citoplasma). 6 (2) Membrana citoplasmática ou plasmalema. Posição: abaixo da parede celular e delimita em seu interior todas as microestruturas e o hialoplasma. Integridade e estabilidade  cátions inorgânicos (Mg2+, Ca2+ e K+). Permeabilidade seletiva (controle de translocação de compostos do meio externo ao interior da célula e vice-versa). 7 (5) Núcleo Onde está contido o material genético da célula. 10 4. REPRODUÇÃO EM LEVEDURAS Reprodução (a) brotamento ou gemulação (multiplicação vegetativa) - assexuado - (a) brotamento Figura 2 - Ciclo vegetativo de leveduras alcoólicas. (Horii, 1980) 11  Metabolismo da levedura: catabolismo anabolismo degradação síntese do substrato de material celular libera uso da energia Energia para síntese (1) Respiração  oxidação biológica de substratos orgânicos sob sistemas multi-enzimáticos que catalisam a oxidação  transporte de elétrons na cadeia respiratória onde há ativação do oxigênio (aceptor e-) e formação de água. (2) Fermentação  reações em que compostos orgânicos atuam como substratos e como agentes de oxidação, em uma seqüência ordenada de reações enzimáticas. respiração fermentação 5. FISIOLOGIA E E METABOLISMO DAS LEVEDURAS Introdução - Habitat — Morfologia — Citologia — Fisiologia - Aplicações - Metabolismo 1-R $ . E. Onidativo: €,H,,0, CO, + H,0 2 - Fermentação Fermentativo: C,H,,0, > 2C,H,0H+2C0, 15 3 – Efeito da concentração de açúcar 1 – Presença de altas concentrações de oxigênio e de açúcar – Efeito Crabtree; Figura 8 - Efeito da condição ambiental sobre o comportamento metabólico em S. cerevisiae 2 – Presença de altas concentrações de oxigênio e de baixa de açúcar – Efeito Pasteur; 3 – Ausência de oxigênio e altas concentrações de açúcar; 4 – Ausência de oxigênio e baixas concentrações de açúcar; Efeito Crabtree:  Valor crítico da concentração de açúcar varia de 0,05 a 0,75 %; 16 Etanol Desidratação/rehidratação Temperatura Esgotamento de nutrientes, anaerobiose /CO2 Choque de pHEnvelhecimento de células Estresse osmótico Estresse mecânico, Pressão hidrostática Bactéria 17Figura 10 - Influência do etanol na fermentação. (7.3) Efeito da concentração de Etanol Inibe a atividade metabólica e leva as células de leveduras à morte (sem condição de sobrevivência); Limite no vinho: 12% de álcool  variável por: espécie e linhagem de leveduras e condições da fermentação. Há estudos que relatam a fermentação com produção de vinhos com 23 % (m/v) de etanol. 20 6 Velocidade de fermentação Figura 1 – Variação de teor de substrato (S), teor de leveduras (X) e do teor alcoólico (P) com o tempo em um processo descontínuo. S 21 6 Velocidade de fermentação A título de exemplo são mostradas a seguir as velocidades médias de consumo de substrato (rs), de formação de produto (rp) – produtividade e de crescimento celular ( rx), entre os instante inicial (to) e o final (tf) do processo. 1 (g/L.h) to- tf Sf - So t Ssr _     2 (g/L.h) to- tf Po - Pf t Ppr _     3 (g/L.h) to- tf Xo - Xf t Xxr _     22 6 Velocidade de fermentação Considerando as informações a seguir, calcule: a) velocidade média de consumo de substrato (rs); b) velocidade média de formação de produto (rp) – produtividade; c) velocidade média de crescimento celular ( rx), entre os instante inicial (to) e o final (tf) do processo. Informações: Cálculo - Concentração de açúcar inicial no mosto: 160 g/L - Concentração de açúcar inicial no mosto: 15 g/L - Teor alcoólico inicial: 0 g/L - Teor alcoólico final: 70 g/L - Concentração celular inicial: 20 g/L - Concentração final: 120 g/L - Tempo de fermentação: 8 h. 25 PREPARO DO INÓCULO 26 PROCESSOS FERMENTATIVOS INDUSTRIAIS CARACTERISTICAS DE INTERESSE NAS LEVEDURAS Velocidade de fermentação; Tolerância ao álcool;  Rendimento fermentativo;  Resistência à acidez;  Estabilidade. Produtividade: g de álcool/L de vinho/hora. Rendimento fermentativo: g de álcool/g de açúcar 27  Fermento Selecionado (cultura pura)  Fermento Prensado  Fermento Reaproveitado do Ciclo Anterior PREPARO DO INÓCULO PARA INICIAR A SAFRA Leite de leveduras Vinho delevurado Cubas de| tratamento Melaço Diluidor Dorna volante Ba Filtro Esgôto 31 PROCESSOS FERMENTATIVOS INDUSTRIAIS Pé-de-cuba: é o conjunto de microrganismos (leveduras - Saccharomyces cerevisiae) capaz de converter o açúcar em álcool e gás carbônico, dentro de determinadas condições e em tempo desejável. 32 PROCESSOS FERMENTATIVOS INDUSTRIAIS O pé-de-cuba pode ser obtido a partir de leveduras selvagens (fermentações aleatórias, irregulares e de baixo rendimento). Contudo, linhagens selvagens podem ser selecionadas e apresentarem um elevado potencial produtivo.  O volume de pé-de-cuba equivale é cerca de 20 % do volume da dorna, sendo que a massa de células de leveduras equivale de 50 a 60 % desse volume, o restante é composto por vinho e água adicionada no tratamento ácido, que acompanham o creme de levedura. 35 PROCESSOS INDUSTRIAIS DA CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA  Processos de fermentação em batelada alimentada;  Processos de fermentação contínua; 36 Processos fermentativos para a condução da fermentação - Processos contínuos - com reciclo de células - Processos descontínuos - sem reciclo de células BRASIL: - PREDOMINA PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO EM BATELADA ALIMENTADA, COM RECICLO DE CÉLULAS. - Os processos contínuos de fermentação, existentes no país, também usam reciclo de células. Processo de Melle- Bomot (década 30) Leite de leveduras Vinho delevurado | Cubas de tratamento Fermento Mosto Dorna volante Da Filtro 40  Cuidados técnicos:  4) Tempo de tratamento ácido do fermento - 2 a 3 h e pH na faixa de 2,5 -2,8 (controle de contaminantes);  5) Contaminação intensa na fermentação apenas o tratamento ácido e uma centrifugação podem não ser suficientes. Há casos de haver a necessidade do uso de antibiótico após a centrifugação ou até eventualmente centrifugar duas vezes. 41 1) Adaptação das atuais dornas (batelada) unidas por tubulações saindo do fundo e entrando pela parte superior da dorna seguinte. 2) 1as dornas executam 70% da fermentação e as últimas como segurança (perdas de ART); 3) Resfriamento do mosto - trocadores de calor a placa, externos à dorna e também agitação por circulação forçada na lateral ao fundo; 3.2. PROCESSOS CONTÍNUOS Cuidados e conceitos técnicos Pesquisa: 45 a 50 anos Indústria: 30 anos 42 4) Recirculação do fermento tratado c/ abaixamento de pH em cascata (controle de infecção); 5) Conhecimentos cinéticos da fermentação p/ otimização e redução do volume e tempo; 6) Evitar acúmulo de sólidos, c/ formação de grandes depósitos; 3.2. PROCESSOS CONTÍNUOS Cuidados e conceitos técnicos Pesquisa: 45 a 50 anos Indústria: 30 anos 45 Vantagens dos processos contínuos  Redução ampla de operações como limpeza, enchimento, esvaziamento, transferência de fermento, resultando em redução de mão-de-obra e tempo de operação;  Redução no consumo de insumos de uma maneira geral;  É um avanço tecnológico. 3.2. PROCESSOS CONTÍNUOS 46 Desvantagens do processo contínuo  O processo exige uma indústria que possua um adequado sistema de tratamento de caldo para a destilaria ou que trabalhe apenas com diluição de xarope e méis para garantir a homogeneidade de mosto, uma vez que o processo possui dimensionamento crítico e adapta-se à faixas estreitas de variações de mosto;  Um bom gerenciamento dos processos e sistemas anteriores a fermentação para que possam manter fluxos e qualidade estáveis ao processo. 3.2. PROCESSOS CONTÍNUOS 47 50 3.3. RECUPERAÇÃO DO FERMENTO Tratamento ácido:  Diluição do leite de levedura com água (proporção – 1:1), homogeneização e adição de ácido sulfúrico (pH 2,5 a 2,8). Tempo de exposição de 2 a 3 horas. Efeitos do tratamento ácido 1) Latência de bactérias láticas. 2) Redução de contaminantes. 3) Limpeza química da superfície celular das leveduras. 4) Reduz a contaminação bacteriana pelo abaixamento de pH. 51 3.3. RECUPERAÇÃO DO FERMENTO Vantagens: 1) Elevado rendimento alcoólico na fermentação; 2) Maior rapidez de fermentação pelo maior teor de levedo recuperado; 3) Álcool de melhor qualidade; 4) Diminuição das incrustações nos aparelhos de destilação. 52 3.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS  O preparo do inóculo deve ser iniciado de 15 a 30 dias antes do início da safra ou ter um local certo para obtê-lo no momento de interesse;  O processo de fermentação em batelada alimentada é o mais usando na indústria de álcool brasileira;