Álcool e Açúcar - Unidade VII - Fermentação Alcoólica

Álcool e Açúcar - Unidade VII - Fermentação Alcoólica

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Unidade VII – Fermentação Alcoólica

1. Introdução

Figura 1 – Produção Mundial de Combustíveis (Milhões de Toneladas, 2005)

Figura 1.2 – Matriz Energética

Figura 1.3 – Matriz Energética Brasil (2005)

Figura 1.4 – Brasil: Matriz de Combustíveis Veiculares (2005)

Figura 1.5 – Etanol: Custo de Produção (da matéria prima ao produto final)

Figura 1.6 – Produtividade do Etanol (litro por hectare)

Figura 1.7 – Produção de Etanol no Brasil

Figura 1.8 – Balanço Energético

Figura 1.9 – Cana de Açúcar, Etanol e CO2

Figura 1.10 – A Fronteira Tecnológica da Cana de Açúcar

Figura 1.11 – (Safra 2007 / 2008: Região Centro – Sul)

Figura 1.12 – Auto-suficiência de Energia

Figura 1.13 – Vantagens da Bioeletricidade

2. Processos Fermentativos

Figura 2.1 – Processo Fermentativo

Os mecanismos de reações biológicas para obtenção de energia para as células, sob condições anaeróbias, foram denominados de fermentação por Pasteur por volta de 1860, que definiu fermentação como vida na ausência de ar.

Já que muitos processos microbiológicos industriais, tais como fabricações de vinho eram anaeróbios, o termo fermentação também foi atribuído a eles.

Posteriormente, todos os processos de conversão microbianos passaram a ser denominados de fermentação, sejam eles aeróbios ou anaeróbios.

O sucesso de um processo fermentativo vários fatores, destacando-se o microrganismo, o meio de cultura, a forma de condução do processo fermentativo e as etapas de recuperação do produto.

Na verdade esses quatro fatores interagem enormemente, sendo necessário buscar defini-los de forma conjunta levando em consideração aspectos econômicos e biológicos, o que torna bastante complexa a adequada definição.

Para tornar clara esta idéia, pode-se mencionar que sempre se pretende empregar meios de cultura baratos, mas deve-se lembrar que o microrganismo deve encontrar neste meio de cultura condições adequadas par realizar a conversão pretendida.

As operações finais para recuperação do produto (operações de downstream) são igualmente da mais alta importância. Sabe-se, por exemplo, que a melhor forma para a recuperação de etanol depois de uma fermentação alcoólica, é a operação de destilação, mas ela incide diretamente no custo do produto final em virtude da energia necessária para sua execução.

Para produtos de alto valor agregado, tais como proteínas (insulina, hormônios, vacinas), antibióticos ou enzimas, o custo do processo de purificação pode representar até mais de 70% do custo total do produto final.

Figura 2.2 – Fermentação

Figura 2.3 – Processo Fermentativo Genérico

2.1 Aplicações dos processos Fermentativos

Processos fermentativos são utilizados industrialmente na produção de bebidas alcoólicas (vinho, cerveja, sidra, aguardente), vinagres, etanol, ácidos orgânicos (cítrico, láctico, fumárico), biopolímeros (dextrana, xantana, PHB), solventes (butanol, acetona, isopropanol), vitaminas (riboflavina, ácido ascórbico), antibióticos (penicilina, estreptomicina, tetraciclina) polissacarídeos, aminoácidos, alimentos fermentados.

Vários processos fermentativos visam a produção industrial de microrganismos, que por sua vez podem ser utilizados, como:

  • Agentes de outros processos fermentativos como leveduras para panificação, leveduras para a fabricação de etanol, bactérias para tratamento biológico de efluentes.

  • Na alimentação do homem e de animais, quer na forma de concentrados protéico-vitamínicos (algas, leveduras), quer no enriquecimento protéico principalmente pela ação de bolores de vários materiais (farinha, farelo, resíduos da industrialização de fruta).

  • Como fixadores do nitrogênio do ar na agricultura (bactérias do gênero Rhizobium).

  • No controle biológico de pragas (bactérias do gênero Bacillus).

  • Na produção de vacinas (bactérias dos gêneros Corynebacterium, Bordetella, Neisseria, Mycobaterium).

Quanto à utilização de enzimas, principalmente em meio aquoso, como agentes de transformação em escala industrial, sua importância vem crescendo acentuadamente.

Cita-se a seguir, de maneira resumida algumas indústrias em que são utilizados preparados enzimáticos para fins específicos: detergentes (misturas de amilases, proteases, lípases), cerveja (papaína), panificação (lipases, amilases), indústria têxtil (-amilase, celulases), amido e derivados (-amilases, -amilases, amiloglicosidases, glicose-isomerase), produção de vinhos (pectinases), indústria de leite (lactases ou -galactosidases, catalase, lipase), indústria de carnes (papaína), entre outras.

2.2 Fontes de Microorganismos de Interesse

Microrganismos que possam ter interesse industrial podem ser obtidos basicamente das seguintes formas:

  • Isolamento a partir de recursos naturais;

  • Compra em coleções de culturas;

  • Obtenção de mutantes naturais;

  • Obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais;

  • Obtenção de microrganismos recombinantes por técnicas de engenharia genética.

O isolamento de microrganismos a partir de recursos naturais, tais como água, plantas, resíduos sempre foi uma atividade de grande importância para a obtenção de novas linhagens de interesse industrial.

Trata-se de uma atividade que envolve muito trabalho experimental, significa um custo relativamente elevado, porém pode conduzir ao isolamento de linhagens melhor produtoras de um dado produto, mas, mais importante do que isso pode conduzir à descoberta de novos produtos, o que confere a esta possibilidade uma relevância inquestionável.

Cumpre lembrar que as grandes empresas produtoras de antibióticos, ou enzimas mantêm programas de isolamento de linhagens de recursos naturais, justamente com o objetivo de incrementar a produção de certos produtos, ou com o objetivo de encontrar linhagens produtoras de novos antibióticos, por exemplo.

É claro que o isolamento de linhagens deve ter início com certas premissas, definindo-se o que se pretende obter, pois o simples isolamento poderá levar à disponibilidade de um número inimaginável de culturas, o que dificulta a convergência para o processo ou o produto que se pretende produzir.

A compra em coleções de culturas é atualmente bastante viável, tendo em vista a existência de muitas coleções de culturas em vários países.

Nesse sentido, STANBURY et al., (1995) listam nada menos do que 11 coleções de culturas em vários países, podendo-se ainda acrescentar a Agricultural Research Service Culture Collection (EUA), também conhecido como NRRL Culture Collection http://nrrl.ncaur.usda.gov) e a Coleção de Culturas Tropical (Campinas, SP; http://www.cct.org.br). O contato com essas coleções é atualmente muito facilitado, podendo-se utilizar os recursos da Internet para tal tarefa (Schmidell, 2001).

É de se esperar que o microrganismo utilizado para a produção de um dado antibiótico (ou outro produto de interesse industrial qualquer) não esteja disponível em uma coleção de culturas, sendo, com muita freqüência, oriundo de programas de melhoramento genético.

Como se sabe, quando uma dada célula prolifera, há sempre uma pequena possibilidade de surgimento de mutantes naturais, os quais podem ser isolados e ensaiados objetivando a verificação de sua potencialidade de produção.

2.3 Características Desejáveis para Microrganismos para Aplicação em Processos Industriais

Para uma aplicação industrial, espera-se que os microrganismos apresentem as seguintes características gerais:

  • Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto.

  • Permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada concentração do produto no caldo fermentado, com o mínimo de inibição pelo produto.

  • Não produzir substâncias incompatíveis com o produto.

  • Apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico.

  • Não ser patogênico.

  • Não exigir condições de processo muito complexas.

  • Não exigir meios de cultura muito dispendiosos.

  • Permitir a rápida liberação do produto para o meio.

É muito difícil mencionar as características de microrganismos sem associá-los a um determinado meio de cultivo. Algumas características gerais, que devem ser consideradas são:

  • Ser o mais barato possível.

  • Atender as necessidades nutricionais do microrganismo.

  • Auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser ligeiramente tamponado o que evita variações drásticas do pH, ou evitar uma excessiva formação de espuma.

  • Não provocar problemas na recuperação do produto.

  • Os componentes devem permitir algum tempo de armazenamento, a fim de estarem disponíveis todo o tempo.

  • Ter composição razoavelmente fixa.

  • Não causar dificuldades no tratamento final do efluente.

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