BR102012029731A2 - processo e equipamento para fermentação contínua multiestágio com recuperação, reativação e reciclo de fermento para obtenção de vinhos com alto teor alcoólico - Google Patents

Abstract

processo e equipamento para fermentação continua multiestágio com recuperação, reativação e reciclo de fermento para obtenção de vinhos com alto teor alcoólico. o processo e equipamento para fermentação contínua multiestágio com recuperação, reativação e reciclo de fermento para obtenção de vinhos com alto teor alcoólico desenvolve um processo e equipamento com padronização físico, química e microbiológica de mostos que será alimentado em um conjunto de biorreatores para fermentação (brf) composta por 4 (quatro) ou 5 (cinco) biorreatores, no qual ocorrerá a conversão de açúcares a etanol através da biocatálise dos micro-organismos, especificamente leveduras de cepas industrial; um conjunto de biorreatores de reativação de biocatalisador (brr) composto por 1 (um) a 3 (três) biorreatores com agitação e aeração, no qual ocorrerá a etapa de recuperação e reativação celular para o reciclo de fermento ao processo de fermentação alcoólica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA MULTIESTÁGIO COM RECUPERAÇÃO, REATIVAÇÃO E RECICLO DE FERMENTO PARA OBTENÇÃO DE VINHOS COM ALTO TEOR ALCOÓLICO” O processo e equipamento para fermentação contínua multiestágio com recuperação, reativação e reciclo de fermento para obtenção de vinhos com alto teor alcoólico desenvolve um processo e equipamento com padronização físico, química e microbiológica de mostos que será alimentado em um conjunto de biorreatores para fermentação (BRF) composta por 4 (quatro) ou 5 (cinco) biorreatores, no qual ocorrerá a conversão de açúcares a etanol através da biocatálise dos micro-organismos, especifica mente leveduras de cepas industrial: um conjunto de biorreatores de reativação de biocatalisador (BRR) composto por 1 (um) a 3 (três) biorreatores com agitação e aeração, no qual ocorrerá a etapa de recuperação e reativação celular para o reciclo de fermento ao processo de fermentação alcoólica. BREVE DESCRICÃQ DA TÉCNICA ANTERIOR O Brasil é o segundo maior produtor mundial de etanol do mundo, sendo superado somente pelos EUA. Na safra brasileira de 2007/2008 foram processadas 493 milhões de toneladas de cana-de-açúcar, sendo produzidas 22,5 milhões de litros de etanol (anidro e hidratado) e 30,7 milhões de toneladas de açúcar. Existem basicamente dois tipos de usinas no Brasil: 1) as autônomas, que só produzem etanol a partir da cana e; 2) as anexas, que produzem açúcar e etanol (Dedini - PI 0905395-6 A2, 2009). A maior parte do etanol produzido no Brasil é obtida por meio de um processo de fermentação em batelada alimentada com reciclo de fermento (aproximadamente 80 % da produção nacional). O etanol remanescente é produzido por fermentação contínua, a partir do emprego de biorreatores em multiestágio com reciclo de fermento.

Um dos processos de fermentação contínua empregados no Brasil foi o chamado Biostil (GB2013716), em que há retomo da vinhaça do processo de destilação para auxiliar na diluição do melaço, diminuindo assim o volume desse resíduo, o qual é um contaminante do solo e tratamento do vinho por meio de centrífugas. O documento também trás o tratamento por pasteurização para esterilização do produto residual da etapa de separação térmica ou extrativa do etanol e licor de fermentação, que retorna ao fermentador. Esse processo não é amplamente utilizado nas usinas devido às dificuldades operacionais em decorrência da alta pressão osmótica do acúmulo de sais e baixo rendimento fermentativo associado principalmente a produção de glicerol e de células. O documento IN2010CH01199 descreve uma fermentação contínua, na presença de diversos tanques, que utiliza de 3 (três) separadoras do tipo centrifuga para separaras células/fermento do vinho. Após essa etapa as células são enviadas a um tanque separador e o vinho para um decantador. A levedura retirada desse último tanque será enviada em conjunto com aquelas recuperadas do tanque separador. Nesse sistema não há reativação celular e a alimentação do mosto e fermento ocorre em um só tanque. WIECZOREK & MICHALSKI (1994) Utilizaram 1 (um) biorreator do tipo torre com leveduras floculantes operando com leito fluidizado, ou seja, na presença de aeração, para a produção de etanol. Nesse caso as leveduras floculantes são utilizadas, pois não há necessidade de uma centrífuga, no entanto, os microorganismos não são recuperados e reativados. O caldo destinado à produção de etanol passa por um tratamento físico-químico e é enviado para as dornas de fermentação, juntamente com o mel final esgotado (licor mãe), proveniente da fabricação de açúcar. Esta mistura denominada mosto, passa pelo processo de fermentação alcoólica em tanques agitados (fermentadores ou dornas), utilizando principalmente leveduras (Saccharomyces cerevisiae), gerando um mosto fermentado contendo aproximadamente 6 a 11 % de etanol. O mosto fermentado resultante é então submetido a centrifugação, onde o fermentado é separado e reciclado e, o vinho, contendo etanol, é encaminhado para a destilação (Dedini - PI 0905395-6 A2, 2009).

Atualmente, o método preconizado para o tratamento de caldo utilizado em fermentações alcoólicas é realizado a partir da separação do bagacilho, seguido do tratamento de clarificação do caldo e evaporação. Ocorre que o mosto obtido a partir deste processo apresenta sólidos em suspensão, os quais irão influenciar negativamente no processo fermentativo e, não menos importante, encontram-se contaminantes, dentre os quais se destacam os micro-organismos termo rresistentes. A visão geral do processo contínuo de fermentação é a apresentação de vasos agitados conectados em série, em que o mosto e o fermento são alimentados no primeiro estágio. A concentração de açúcares redutores totais (ART) no último estágio é praticamente zero e também se faz necessário, assim como no processo em batelada alimentada, o resfriamento do sistema por troca térmica. O teor final de etanol no meio é de cerca de 6 -8°GL, podendo atingir de 8,5 -11°GL.

Após a fermentação o mosto fermentado é submetido à centrifugação e o vinho resultante vai para a destilação (etanol anidro ou hidratado) resultando em cerca de 5 a 14 L de vinhaça por L de etanol produzido. O fermento concentrado após a centrifugação é transferido para tanque agitado, submetido ao tratamento com ácido (geralmente H2S04) retornando ao processo.

Outra etapa de extrema importância para o processo é o resfriamento da fermentação alcoólica, que requer temperaturas que não ultrapassem os 34°C (preferencialmente 28 -32°C), estando a inibição pelo etanol fortemente atrelada a temperatura de operação. Fermentações com altos teores de etanol no vinho finai somenfe sâo possiveis com temperaturas abaixo de 32-C. Temperaturas de ferijnentação elevadas (imediatamente acima de 34°C) favorecem o desenvolvimento de infecções bacterianas. ^ O resfriamento do vinho é feito em trocadores de calor a placas. Predominando a prática de instalar um trocador, para uso alternado deste entre duas dornas. Mais recentemente, algumas usinas estão passando a instalar uma unidade de resfriador por dorna. O meio refrigerante é água de processo, que circula entre os trocadores de calor e as torres de resfriamento. Uma alternativa é a refrigeração por ejetores (Lorentzen, 1994).

Pode-se verificar como estado da técnica, de acordo com o documento PI9106024, um processo contínuo de fermentação, que resfria o meio pela injeção direta de água de processo estéril e recicla as células por meio de uma centrifuga que são enxaguadas com água filtrada estéril. O processo não se aplica diretamente para a produção do etanol e não utiliza como exemplo de aplicação principal a Sacharomyces cerevisiae. A fermentação VHG (Very High Gravíty) é caracterizada pelo alto teor alcoólico no vinho final da fermentação, pioneiramente desenvolvido na indústria cervejeira. Essa tecnologia foi testada por Bayrock e Ingledew (2001) para produção de etanol combustível em um conjunto de 5 (cinco) biorreatores de laboratório com meio sintético conectados em série e todos controlados na temperatura de 28°C com agitação magnética a 100 rpm. Houve injeção de ar estéril a 2 litros por minuto no primeiro estágio com o intuito de impedir o retorno de mosto pela bomba de alimentação, evitar contaminação no reservatório de mosto de alimentação e permitir a manutenção da membrana através da síntese de ácidos não-saturados e esteróis pela levedura. O micro-organismo empregado foi levedura Saccharomyces cerevisiae e a concentração de glicose no mosto de alimentação foi de 15,2 a 31,2% (w/v). A máxima concentração de etanol obtida foi de 132 g/ L ou aproximadamente 16,73% (v/v) quando alimentado no primeiro estágio com 31,2% (w/v) de glicose. Nessa condição houve um decréscimo significativo da viabilidade celular, abaixo de 50%. Nesse trabalho não foi explorado o reciclo de células e consequentemente, a reativação celular.

As vantagens do processo VHG aplicado à fermentação alcoólica são redução de circulação de grandes volumes de água no processo e pelo aumento da produtividade de etanol (produção de etanol por volume de reator e tempo). Ou seja, significa que o investimento de capital será amortizado em um tempo menor, por conta do aumento da produtividade, impactando diretamente na redução do dimensional dos biorreatores e de suas interligações e periféricos. Além disso, espera-se a obtenção de ganhos de rendimentos, devido à redução da quantidade de ART residual arrastada com o vinho e da quantidade de etanol residual arrastado na vinhaça. Outras vantagens associadas ao VHG é a redução da geração de vinhaça, menor consumo de insumos para a disposição dessa vinhaça e menor consumo de vapor na destilação do vinho.

Entretanto, o principal desafio da tecnologia VHG aplicado à fermentação alcoólica para produção de etanol combustível é a manutenção da atividade do principal agente da biotransformação de açúcares a etanol, os microorganismos, especificada mente leveduras do gênero Saccharomyces. Visto que o etanol em alta concentração representa uma elevada toxicidade para as leveduras com prejuízo em sua estrutura da membrana celular, nas proteínas hidrofóbicas e hidrofílicas e no retículo endoplasmático.

As estratégias para reduzir os impactos negativos do alto teor alcoólico nas células das leveduras são o controle de temperatura abaixo dos valores usuais de 32°C e a microaeração. Alfenore e outros (2004) avaliaram a aeração e a microaeração em fermentação alcoólica VHG com leveduras Saccharomyces cerevisiae em processo de batelada alimentada. A aeração e a microaeração reduziram significativamente o efeito inibitório pelo etanol, além disso, verificaram que a micro-aeração favorece a formação de glicerol e este é responsável pela manutenção do equilíbrio redox nas células.

No documento US2002155583, descreve-se um processo de microaeração por agitadores tradicionais e/ou por aeração dos tanques utilizados na fermentação contínua. O processo, no entanto, reivindica o sistema para leveduras floculantes, que são recuperadas por decantação.

Também como anterioridade pode-se citar a patente GB2199844, que apresenta um sistema de fermentação contínua com agitação, por meio do próprio desprendimento de C02, do primeiro ao último reator.

Adicionalmente com o objetivo de minimizar o efeito inibitório do etanol, a lavagem das células com água antes do tratamento ácido comumente empregado nas usinas, representa uma operação para remoção do etanol e ácidos alifáticos intracelulares, ou seja, um processo de dextoxificação celular.

Outro problema operacional presente nos processos de fermentação alcoólica com reciclo de células é a presença de micro-organismos contaminantes que competem pela fonte de açúcares com as leveduras produtoras de etanol. Segundo Gallo e Canhos (1991), os principais contaminantes encontradas no mosto e na fermentação são bactérias Gram-positivas (98,52%), Gram-negativas (1,48%), subdivididas em bastonetes Gram-positivos (86,28%), sendo esporulados (26,05%) e não esporulados (73,95%), cocos Gram-positivos (12,24%) e bastonetes Gram-negativos (1,48%). Os gêneros bacterianos mais frequentes nas amostragens foram Lactobacillus (59,75%) e Bacillus (26,58%). Em relação às espécies predominantes isoladas destacaram-se em ordem decrescente B. coagulans, L. fermentum, L helveticus, G. stearothermophilus, L plantarum, L, animalis e L. buchneri. A presença de contaminantes no processo de fermentação alcoólica provoca a floculação das leveduras, consequentemente, reduz a eficiência das centrífugas e, portanto, o rendimento fermentativo. Além disso, algumas bactérias contaminantes são capazes de consumir o etanol gerado e outras provocar a morte das leveduras pela produção de toxinas excretadas no meio.

Atualmente a prática nas usinas para o controle dos contaminantes é o emprego de produtos químicos e antibióticos que representam práticas condenadas na Europa e alguns países asiáticos. Visto que o uso intensivo de antibióticos provoca o desenvolvimento de resistência naturalmente pelos contaminantes. Ademais, a aplicação desses produtos no processo industrial é realizada de maneira corretiva, ou seja, quando os prejuízos operacionais já foram instalados.

Dessa forma, o tratamento térmico HTST (High temperature, short time) para a redução/ eliminação e controle dos contaminantes é uma proposta mais factível para a aplicação industrial visto a eliminação do uso de antibióticos e, além disso, é uma proposta de evitar os problemas dos contaminantes anteriormente aos seus prejuízos no processo fermentativo. Nolasco (2012) estudou o tratamento térmico em caldo e melaço de cana-de-açúcar para produção de etanol em uma unidade piloto de esterilização contínua e verificou que as propriedades dos açúcares são preservadas nas temperaturas de 125 °C, 130 °C e 135 °C e assim, foi mostrado nos ensaios que a fermentabilidade desses meios foi mantida em função da preservação dos nutrientes.

Mediante essa apresentação de anterioridade e dos problemas atuais enfrentados nas unidades produtos de etanol, conclui-se que há necessidade de uma nova concepção de processo de fermentação alcoólica contínua. Primeiramente, para um melhor aproveitamento da unidade instalada e redução da geração de efluente através do processo VHG. Para tornar essa tecnologia factível e viável na indústria é necessário projetar novos processos de tratamento do mosto e de fermento/ células.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO O processo e equipamento para fermentação contínua multiestágio com recuperação, reativação e reciclo de fermento para obtenção de vinhos com alto teor alcoólico apresenta cinco principais etapas necessárias para se atingir o objetivo da invenção. São elas: 1) formulação do mosto; 2) tratamento do mosto; 3) fermentação contínua em multiestágios; 4) separação de células e 5) tratamento de células.

Os projetos de fermentação alcoólica contínua ainda não atingiram sua maturidade tecnológica, devido a problemas operacionais verificados nas usinas atuais, principalmente, em relação à oscilação da qualidade da matéria-prima (caldo de cana-de-açúcar ou melaço) que apresentam altos índices de infecção bacteriana e alta presença de impurezas minerais. Dessa forma, verifica-se a necessidade de sanar estes problemas, por meio da 1) Formulação e 2) Tratamento do mosto que compreende em definir as quantidades de diferentes matérias-primas (caldo e mel final), polimento e tratamento térmico para redução da quantidade de contaminantes através do processo HTST (High temperature, short time), respectivamente. Adicionalmente com a inserção do aproveitamento do bagaço de cana-de-açúcar para conversão a etanol, o licor hemicelulósico gerado na etapa de pré-tratamento e o licor hidrolisado gerado na etapa de hidrólise serão acrescentados para a formulação do mosto. O controle da temperatura da fermentação alcoólica em processos batelada alimentada ou contínua apresenta grandes flutuações devido ao emprego de torres de resfriamento evaporativo, dessa forma a temperatura da fermentação poderá ser abaixo de 32°C durante o período mais frio e acima de 34°C nos períodos mais quentes. Tais flutuações de temperatura devem ser evitadas em processos para obtenção de vinhos de alto teor alcoólico, visto que a inibição das leveduras pelo etanol tem um efeito sinergético com a elevação da temperatura. Portanto, a presente invenção contemplará, em conjunto com os outros equipamentos, um sistema de resfriamento para produção de uma corrente fria, através de tecnologias disponíveis tais como chillers e ejetores. A etapa 4 e 5) Separação e Tratamento de células é fundamental para sustentar o processo de fermentação de elevado teor alcoólico durante toda a safra. A etapa do tratamento de células consistirá de uma destoxificação através da remoção do etanol e ácidos alifáticos intracelulares através de uma lavagem com água; e uma operação de reativação celular com adição de nutrientes para reconstrução da membrana celular, reativação do sistema enzimático e manutenção da taxa de brotamento necessário para a renovação de células.

BREVE DESCRICÃO DAS FIGURAS

Figura 1 - Diagrama de blocos do processo de fermentação alcoólica em multiestágio com reciclo de células para obtenção de vinho com alto teor alcoólico.

Figura 2 - Diagrama de blocos da etapa de tratamento de células.

Figura 3 - Projeto construtivo dos biorreatores do processo de fermentação alcoólica contínua em multiestágio.

DESCRICÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A Figura 1 apresenta o diagrama de blocos do processo global de fermentação alcoólica em multiestágio com reciclo de células para obtenção de vinho com alto teor alcoólico. A formulação do mosto (1) é feita a partir de caldo e mel final de cana-de-açúcar e posteriormente com o advento da tecnologia do etanol de segunda geração, o acréscimo de licores hemicelulósicos e hidrolisados. Nessa etapa, a formulação do mosto visa estabelecer a quantidade de ART/ °Brix e padronizá-lo de forma que não ocorram flutuações significativas na fermentação alcoólica em termos de taxas de conversão nos três primeiros estágios. O tratamento do mosto (2) consiste no tratamento físico, químico e microbiológico para eliminar os sólidos suspensos e reduzir drasticamente a carga de contaminantes. Após as etapas (1) e (2), o mosto padronizado é continuamente alimentada à fermentação nos dois primeiros biorreatores. O vinho fermentado proveniente do último estágio é enviado à etapa de Separação de células (4) em que o vinho delevedurado é enviado para a destilação e o fermento que será reciclado é enviado à etapa de Tratamento de células (5) que é detalhado na Figura 2. A Figura 2 apresenta o diagrama de blocos em detalhes à etapa (5) apresentada na Figura 1. A unidade de tratamento de células recebe as células ou creme de levedura da etapa de Separação de células (4) indicado na Figura 1, em um tanque para serem lavadas com água (5.1) e em seguida são recuperadas na Separação II (5.2) em centrífugas de disco. O creme de levedura será enviado ao tratamento ácido (5.3). Após um determinado período de tempo suficiente para promover a dispersão/ desfloculação das células de levedura, inicia-se o processo de reativação celular com a adição de nutrientes e injeção de ar estéril. A Figura 3 apresenta projeto construtivo do conjunto de biorreatores para o processo de fermentação alcoólica proposto. Os biorreatores BRF-1 e BRF-2 possuem um projeto do topo diferenciado dos demais com o objetivo de promover uma melhor distribuição do mosto alimentado e quebra da tensão superficial da espuma tipicamente gerado em fermentação alcoólica a partir de caldo ou melaço de cana-de-açúcar. Os demais biorreatores possuem teto convencional tipo torisférico com sistema de agitação mecânica. A formulação ou tratamento do mosto ocorrerá por meio de um processo conhecido, principalmente na indústria do açúcar, como polimento. Agentes floculantes, como por exemplo, polímeros, são adicionados ao mosto, em seguida inicia-se o processo de decantação para remoção de ácidos orgânicos e sais alcalinos e alcalinotérreos, matéria em suspensão e coloides. O processo diminui a presença de sólidos em suspensão. A esterilização do mosto novo como aquele reciclado ocorrerá pelo tratamento HTST, diminuindo assim a presença de microorganismos termorresistentes que influenciam negativamente o processo de fermentação contínua. A alimentação ocorrerá em BRF-1 e 2, para a melhoria da conversão de açúcares a etanol, distribuição da carga térmica e agitação pela liberação de dióxido de carbono. A separação do leite de levedura e vinho será realizado pela primeira centrífuga que enviará o vinho as colunas de destilação e o leite de levedura ao primeiro biorreator, onde será realizado um processo conhecido como washout, em que água de processo é adicionada as células de levedura para remoção do etanol e ácidos aiifáticos intracelulares, ou seja, um processo de dextoxificação celular. O leite de levedura desse processo será separado do vinho remanescente através de da segunda centrífuga, que enviará as células de leveduras ao segundo biorreator, onde ácido sulfúrico ou fosfórico e água de processo são adicionados, para dispersão de ditas células.

As células de levedura do segundo biorreator são reativadas em terceiro biorreator, junto com nutrientes, como por exemplo, fontes de carbono, nitrogênio e potássio. O controle da temperatura da fermentação alcoólica em processos batelada alimentada ou contínua apresenta grandes flutuações devido ao emprego de torres de resfriamento evaporativo, dessa forma a temperatura da fermentação poderá ser abaixo de 32°C durante o período mais frio e acima de 34°C nos períodos mais quentes. Tais flutuações de temperatura devem ser evitadas em processos para obtenção de vinhos de alto teor alcoólico, visto que a inibição das leveduras pelo etanol tem um efeito sinergético com a elevação da temperatura. Portanto, a presente invenção contemplará, em conjunto com os outros equipamentos, um sistema de resfriamento para produção de uma corrente fria, através de tecnologias disponíveis tais como chillers e ejetores.

Os dois ou três primeiros estágios da fermentação alcoólica são reatores cujo projeto construtivo promoverá o rompimento da tensão superficial da espuma com teto constituído por uma parte inferior toricônico e parte superior torisférico, fundo torisférico, sem agitação mecânica e dispositivo mecânico específico para alimentação de mosto.

Os dois últimos estágios são constituídos por biorreatores com agitação mecânica e fundo e teto torisférico.

No último estágio da fermentação contínua é necessária uma injeção de ar comprimido para manter uma microaeração para conservar a atividade celular na presença de alto teor alcoólico.

REIVINDICAÇÕES

Claims (1)

1. A separação do leite de levedura e vinho será realizado pela primeira centrífuga que enviará o vinho as colunas de destilação e o leite de levedura ao primeiro biorreator, onde será realizado um processo conhecido como washout, em que água de processo é adicionada as células de levedura para remoção do etanol e ácidos alifáticos intracelulares, ou seja, um processo de dextoxificação celular e o leite de levedura desse processo será separado do vinho remanescente através de da segunda centrífuga, que enviará as células de leveduras ao segundo biorreator, onde ácido sulfúrico ou fosfórico e água de processo são adicionados, para dispersão de ditas células.