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PRODUÇÃO DE ETANOL

PRODUÇÃO DE ETANOL. Breve histórico. 1532 – montado o primeiro engenho de açúcar Primeira Guerra – álcool como combustível de motores de explosão

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PRODUÇÃO DE ETANOL

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Presentation Transcript

  1. PRODUÇÃO DE ETANOL

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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.

  6. Produção de etanol Por continente

  7. Produção de etanol

  8. Produção de etanol

  9. 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

  10. Tratamento Do caldo álcool Fermentação do açúcar Destilação Cana- de-açúcar Lavagem Extração açúcar Tratamento Do caldo Produção do açúcar Produção de açúcar e álcool

  11. Metabolismo microbiano

  12. Balanço Energético da Fermentação

  13. Definição • Fermentação 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.

  14. Matérias-primas • O etanol pode ser produzido a partir de qualquer carboidrato fermentável pela levedura . • Classificação das matérias-primas: - açucaradas - amiláceas ou feculentas - celulósicas

  15. Hidrólise (inversão) Dissacarídeos Açúcar fermentescível Matérias-primas: preparo • Matérias açucaradas - diretamente fermentescíveis: monossacarídeos - sucos de frutas - não diretamente fermentescíveis : dissacarídeos – sacarose da cana-de-açúcar e dos melaços • Matérias celulósicas - fermentam após hidrólise

  16. 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

  17. Amido Grãos –limpeza e classificação Pesagem/Moagem Maceração Água:grão 3:1; 10-12°C Hidratação Cozimento Germinação Goma de amido Malte verde Malte seco Agitação 65°C/1h Resfriamento 28 a 30 °C Sacarificação pelo malte

  18. Amido Inóculo Fungos amilolíticos Goma de amido Água Agitação e aeração 24 h Fermentação microrganismo Sacarificação microbiana

  19. Preparo 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.

  20. Fatores que afetam a fermentação • Agente de fermentação: • Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces sp * 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.

  21. Fatores que afetam a fermentação • Temperatura • - 26 a 35°C • - chega a 38 °C • pH - mostos industriais: 4,5 a 5,5 • Nutrição mineral e orgânica • - fonte de carbono • - vitaminas: tiamina, ácido pantotênico • - Nitrogênio: sais de amônio • - Sais minerais: P, S, K, Mg, Ca, Zn, etc

  22. 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

  23. Fatores que afetam a fermentação • Inibidores • - etanol • - K e Ca • - sulfito • Concentração de açúcares • Concentração de inóculo • Contaminação bacteriana • Antissépticos • Antibióticos

  24. 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 por litro de mosto ou pentaclorofenol na proporção de 0,01 a 0,05 g/litro de substrato. • O ácido sulfúrico utilizado na correção do pH, também age como antisséptico.

  25. 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 penicilina (500-1000 UI/L de mosto) que é economicamente mais recomendável ou cloranfenicol, tetraciclina e clorotetraciclina.

  26. Cultura estoque Frascos 100 a 12.500 mL Pré-fermentadores 50 a 1.000 L 10% volume industrial 5.000 a 15.000 L 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

  27. Prática da fermentação alcoólica

  28. Verificação prática da pureza • Tempo de fermentação • Odor (frutas maduras) • Aspecto da espuma • Presença de drosófilas • Temperatura e densidade • Açúcares • Acidez

  29. Verificação prática da pureza • Tempo 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 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 espuma - A espuma varia com a natureza do mosto, temperatura, espécies e linhagem de leveduras. Alterações nas características indicam irregularidade no processo.

  30. Verificação prática da pureza • Drosófilas – São as “moscas do vinagre” que ocorrem quando há infecção acética • Temperatura – Alterações importantes na curva de temperatura, do início ao final da fermentação, alertam para possíveis defeitos no processo. • Densidade 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.

  31. Verificação prática da pureza • Açúcares no mosto – consomem-se de acordo com a curva de densidade. • 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.

  32. 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

  33. Sistemas de fermentação

  34. Sistemas de fermentação Batelada

  35. Sistemas de fermentação Contínuo

  36. 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

  37. etanol vinho Destilação Retificação desidratação flegma Etanol 97,2% em volume Destilação • Mistura azeotrópica • Vinhos: sólidos, líquidos e gases • Água (88 a 93%) e etanol (12 a 7%) • Descontínua ou contínua

  38. Destilado de cabeça vinho Destilação Destilado de coração Destilado de cauda Destilação descontínua • Alambiques e pequenas destilarias de aguardente ou de bebidas de vinhos

  39. Destilação contínua • Destilarias com produção superior a 2.000 L

  40. 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 Retificação e desidratação

  41. 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

  42. 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

  43. Cana-de-Açúcar

  44. Cana-de-Açúcar

  45. Bagaço Excedente 6 a 16 milhões de toneladas/ano Cana-de-Açúcar Quantidade de Resíduos Lignocelulósicos gerados anualmente no Brasil ~350 x 106 toneladas (40% de umidade)

  46. Energia da Cana 1 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

  47. Perspectivas futuras

  48. Desenvolvimento de processos visando à produção de linhagens melhoradas da levedura Saccharomyces cerevisiae: • 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.

  49. 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.

  50. 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

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