Produção de etanol

1 INTRODUÇÃO O etanol ou álcool etílico é um dos mais antigos produtos utilizados pelo homem e que atualmente conta com diversas aplicações, dentre as quais: solvente para diversos tipos de indústria, além de ser considerado um importante combustível por ser mais limpo em comparação aos combustíveis fósseis. O Brasil possui bastante destaque no cenário internacional na produção de etanol, sendo que a produção de álcool etílico anidro combustível corresponde a mais de 50% do total produzido, ficando o restante destinado para a produção de álcool etílico hidratado, o qual além de também ter uma aplicação como combustível, se aplica em outros setores da indústria química e de alimentos. (JUNIOR, 2010). 1.1 PROCESSOS FERMENTATIVOS PARA PRODUÇÃO DE ETANOL. A produção de etanol via rota fermentativa pode ser realizada a partir de qualquer matéria - prima que seja composta por açúcares. Essas podem ser divididas em três grupos: sacarinas, amiláceas e celulósicas. Os açúcares contidos, por exemplo, na cana-de-açúcar, beterraba açucareira, melaços e frutas, podem ser convertidos diretamente a etanol, uma vez que os organismos comumente empregados metabolizam glicose, frutose e sacarose. Por isso, são chamados de açúcares fermentescíveis. O amido presente no milho, batata, mandioca e outras raízes necessita ser hidrolisado a açúcares fermentescíveis para, então, ser convertido a etanol. Assim como os materiais celulósicos (madeira, resíduos da indústria do papel e outros resíduos agroindustriais), que também devem ser convertidos em açúcares antes de serem fermentados (LIN e TANAKA, 2006). 1.2 ETANOL A PARTIR DE CANA-DE-AÇÚCAR. A cana-de-açúcar é uma planta da família das gramíneas, oriundas de regiões temperadas quentes a tropicais da Ásia, especialmente da Índia. A planta é composta pelos colmos, pontas e folhas. Do colmo é extraído o caldo usualmente empregado na produção de etanol. O teor de açúcares diretamente fermentescível (glicose, frutose) e sacarose nos colmos atingem em média 15% em massa (BNDES e CGEE, 2008). Atualmente a cana-de-açúcar é uma das principais matérias-primas empregadas na produção de etanol. Seja a partir do caldo diretamente, seja partir de melaços, que são caldos concentrados oriundos da produção de açúcar, ou da mistura de ambos. No Brasil, em torno de 79% do etanol é produzido a partir de caldo e o restante a partir de melaços (SÁNCHEZ e CARDONA, 2008).

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Nas usinas brasileiras, as principais etapas envolvidas no processamento da cana para obtenção de etanol são: moagem, clarificação do caldo, concentração do caldo, fermentação, separação e reciclo de leveduras e destilação. Um fluxograma simplificado do processo pode ser visualizado na Figura 1. Figura 1 - Fluxograma simplificado do processo de produção e etanol.

Usualmente, a cana é descarregada e transportada por esteiras até as moendas. Antes da moagem, a cana pode ser submetida a uma limpeza com água a fim de eliminar terra e outras impurezas que podem prejudicar as próximas etapas do processo. Nas moendas, o caldo é extraído pela compressão dos colmos da cana ao passa entre rolos. A composição típica dos caldos de cana-de-açúcar pode ser visualizada na Tabela 1. Tabela 1 – Composição média dos caldos de cana-de-açúcar.

O caldo, então, passa por tratamento físico, que visa remover sólidos insolúveis por peneiramento. E, em seguida, esse passa por tratamento químico, no qual são adicionados ácido fosfórico, cal e polímero floculante a fim de promover a coagulação, floculação e decantação das partículas. O outro objetivo do tratamento químico é neutralizar o pH do caldo, evitando a decomposição dos açúcares redutores. Estes tratamentos compõem a etapa de clarificação do caldo. O lodo obtido na decantação é filtrado e a torta é lavada com água, a fim de recuperar os açúcares residuais. O tipo de filtro mais comumente empregado nas usinas é o rotatório a

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vácuo. A torta obtida é normalmente utilizada como fertilizante na lavoura e o filtrado é reciclado ao caldo clarificado, seguindo para a etapa de concentração e esterilização (DIAS, 2008). Quando o caldo for utilizado diretamente na fermentação, ele deve ser concentrado em evaporadores múltiplo efeito, aumentando o Brix de aproximadamente 15% até 22%. O caldo concentrado e esterilizado, que é enviado para fermentação, é chamado de mosto. Quando a destilaria é anexa à fábrica de açúcar, uma mistura de caldo e melaço pode ser utilizada para adequar o Brix do mosto. Muitas usinas ainda não realizam a etapa de esterilização (BNDES e CGEE, 2008). A fermentação do mosto é baseada no processo em batelada com reciclo de células desenvolvida por Firmino Boinot, em 1930, nas destilarias francesas da região de Melle (AMORIM e LEÃO, 2005). Em 2011, aproximadamente 85% das unidades já utilizavam o processo em batelada alimentada, enquanto, apenas 15% operavam o processo de forma contínua. Também são características marcantes das instalações encontradas no Brasil, a utilização de grandes dornas (entre 500.000 e 3.000.000 de litros) e altas densidades de células (10–15% m.v-1) (AMORIM et al., 2011). O microrganismo empregado é a levedura Saccharomyces cerevisiae, pela sua capacidade de metabolizar a sacarose presente no caldo de cana, hidrolisando-a em glicose e frutose. Em temperaturas entre 32°C e 35°C, esta levedura é capaz de produzir até 11% (em volume) de etanol em um período de 6 a 11 horas (BASSO et al., 2008). A reação de produção de etanol está apresentada na Figura 2. Figura 2 - Reação de produção de etanol

Através dessa equação demostrada na Figura 2, calcula-se o rendimento estequiométrico da conversão de açúcares em etanol: 0,51 . Entretanto, devido ao crescimento celular e às situações de estresse, parte dos açúcares é convertida em biomassa e outras substâncias, como, por exemplo, em glicerol (DIAS, 2008). Depois de fermentado, o mosto passa a ser chamado usualmente de vinho. O vinho é centrifugado para separação e recuperação das leveduras. O vinho sem leveduras segue para destilação, enquanto o creme de levedura é encaminhado para