BR102013022434B1 - processo para fermentação microbiana de substratos açucarados - Google Patents

Abstract

processo para fermentação microbiana de substratos açucarados e uso do hidrogênio no estado atómico, iónico ou gasoso no referido processo. a presente invenção refere-se a um processo bioquímico para aumentar, seletivamente, a produção de álcool através da fermentação de substratos açucarados por meio da inoculação de hidrogênio nos micro-organismos em processo fermentativo compreendendo mosto açucarado,nutrientes e micro-organismos do gênero fungo ou bactéria. a produção de hidrogênio ocorre pela aplicação de uma tensão elétrica em regime de pré-eletrólise ou plena eletrólise, sob corrente elétrica continua ou alternada, no meio fermentativo, o uso do hidrogênio no estado atómico, iônico ou gasoso para inoculação nos micro-organismos presentes em um meio fermentativo para produção seletiva de álcool também é descrito.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA FERMENTAÇÃO MICROBIANA DE SUBSTRATOS AÇUCARADOS".

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um processo bioquímico para aumentar, seletivamente, a produção de álcool através da fermentação mi-crobiana de açúcares.

Particular mente, inoculam-se concentrações adequadas de hidrogênio, nos micro-organismos em processo, podendo ocorrer em um regime de produção contínuo, semicontfnuo ou em batelada, dito processo compreendendo mosto açucarado, micro-organismos do gênero fungo ou bactéria, com características natural mente ocorrentes, ou especial mente selecionadas ou adaptadas, ou de linhagens recombinantes, floculantes, em suspensão no mosto em fermentação ou em leito imobilizado e micro nutri entes.

Antecedentes da Invenção Os alcoóis são compostos orgânicos que possuem o grupo funcional hidroxila (ΌΗ) ligado a um ou mais carbonos saturados, contendo um ou mais átomos de carbono, O mais conhecido composto desta classe é o etanol ou álcool etílico, Este pode ser encontrado em bebidas alcoólicas, em produtos de limpeza, em produtos farmacêuticos, como solvente químico e também na sua mais volumosa aplicação como combustível para motores de combustão interna.

Mais de 90% do etanol é produzido mundialmente a partir da fermentação de açúcares provenientes de fontes diretas como cana-de-açúcar, melaço e polpas de frutas, ou indiretamente obtidos pela hidrólise de amido e celulose. Nesses grupos amiláceos e feculentos e celulósicos, destacam-se grande variedade de grãos como milho, mandioca, outros tubérculos, sorgo, trigo, cevada, bagaço de cana, batata, soro de leite, etc. A manufatura do etanol por fermentação e destilação, divide-se basicamente em 4 fases: preparo da matéria-prima ou sacarificação, liquefa- ção, fermentação e destilação. Para as produções de vinho e cerveja não se tem a fase de destilação. O preparo da matéria-prima, como moagem, es-magamento e lixiviação, compreende a passagem da fonte de açúcar, amido ou celulose por processadores. Na segunda fase obtém-se substratos diluídos que poderão ser processados diretamente na fermentação, ou passarem por outros processamentos intermediários de quebra das cadeias amiláceas ou celulósicas em moléculas de açúcares, por efeito de hidrólise. O caldo açucarado ou mosto obtido passa à fermentação. A fase de fermentação compreende a adição de microorganismos, fungos ou bactérias, que transformam os açúcares, via série de reações enzimáticas, em álcool. Após esse processo, em escalas industriais, que se caracterizam por períodos de fermentação como mostrados na Tabela , se obtém o mosto fermentado ou vinho.______________________________ O vinho, então, segue para a quarta e última etapa, a destilação fracionada, dando origem ao álcool hidratado ou anidro, dependendo das características processuais de destilação e desidratação desejadas e empregadas. A etapa que afeta mais diretamente o resultado da produção de álcool e, portanto, uma das mais estudadas é a fermentação, também chamada de fermentação alcoólica ou etílica, no caso da rota etílica, que é o processo bioquímico de transformação de açúcares como polissacarídeos e monossacarídeos como trioses, tetroses, pentoses e hexoses, destacando-se a sacarose, glicose, frutose e xilose, em álcool. Nesss processo, participam micro-organismos que são responsáveis pela conversão dos açúcares em moléculas de ácido pirúvico ou píruvato, em série de reações enzimáticas intracelulares, usualmente denominada de rota glicolítica. Posteriormen- te, em condições anaeróbicas, ocorrem duas outras reações enzimáticas que caracterizam o processo fermentativo. A primeira reação, de descarboxi-lação do piruvato, é desempenhada pela enzima piruvao descarboxilase, por meio da qual o grupo carboxila é eliminado da molécula piruvato, convertendo-a em molécula de acetaldeído, com a liberação de gás carbônico. A segunda reação é a redução do acetaldeído a etanol, desempenhada pela enzima desidrogenase alcoólica, completando a reação fermentativa propriamente dita.

Em geral, os processos fermentativos caracterizam-se por combinarem substratos, tipos e cepas de micro-organismos e condições operacionais especialmente adequadas, com o objetivo da msximização do rendimento de processo e características especiais a serem transferidas ao mosto em fermentação, uma vez que o mesmo está sujeito a várias condições, tanto ativadoras como inibidoras da fermentação, com consequente interferência na eficiência e na qualidade do próprio processo.

Rendimento do Processo Fermentativo Os principais aspectos que caracterizam todas as reações, sejam químicas ou enzimáticas, são aqueles relacionados com os fatores de conversões ou, mais especificamente, com as eficiências ou rendimentos dessas conversões. Evoluindo, desde a concepção da teoria da geração espontânea, a fermentação alcoólica passou por avaliações experimentais e considerações teóricas, consolidando-se como um dos processos mais bem conhecidos pelo estado da técnica. Aliados à natureza celular dos microorganismos, principalmente dos fungos, enquanto organismos monocelula-res eucaríontes, como as células de natureza animal, seu estudo e compreensão foram privilegiados, como meio de fácil acesso experimental, nos processos respiratórios aeróbico e anaeróbico, esse último também conhecido por fermentação alcoólica e lática, desenvolvem-se francamente.

Em 1810, Louis Joseph Gay-Lussac formulava a equação este-quiométrica que relaciona a produção de etanol e gás Cerbônico, a partir da fermentação alcoólica da glicose, sendo até hoje conhecida como: Em 1863, Louis Pasteur introduz o conceito e ação de microorganismos responsável pela conversão da glicose (monossacarídeo) em etanol e gás carbônico. Trinta e quatro anos depois, em 1897, Eduard Buchner fermentou açúcar em laboratório sem a utilização de micro-organismos vivos, introduzindo o conceito e ação enzimática do processo fermentativo, ilustrando-se abaixo: Glicose Micro-organismo Etanol Gás Carbônico Zymase refere-se a um complexo enzimático que catalisa a fermentação de açúcar em etanol e gás carbônico.

Assim, Buchner apresentava a hipótese de que células de leve-do secretavam proteínas no meio, promovendo a fermentação do açúcar. Pouco mais tarde ficava demonstrado que essas reações de fermentação ocorriam no interior (célula) do levedo.

Todo esse desenvolvimento concorda quanto à natureza da eficiência ou rendimento da transformação de açúcares em álcool, pela constatação de que, nas condições naturais de fermentação, uma molécula de glicose poderia produzir até duas moléculas de etanol e duas moléculas de gás carbônico. Esse rendimento é bastante conhecido com Rendimento Gay-Lussac (G-L), sendo que seu valor máximo, na fermentação da glicose é de 51,1% (massa/massa). As figuras 1 e 2 ilustram as sequências de reações e o máximo rendimento mássico na fermentação da glicose Para efeitos comparativos mostram-se, abaixo, as equações simplificadas para rendimentos de processos fermentativos de pentoses, hexoses e dissacarídeo (sacarose). O Dissacarídeo Sacarose é o açúcar predominante na cana-de-açúcar.

Invertase refere-se a uma enzima que catalisa a hidrólise da sa-carose em hexose, frutose e glicose, cuja mistura é também chamada de xarope de açúcar invertido.

Na indústria do álcool por fermentação de açúcares, a perseguição a maiores rendimentos de processo é uma constante envolvendo completos e complexos estudos e experimentos, nos domínios físico-químicos e biológicos. De uma forma geral, pode-se escrever uma equação para o tratamento completo do processo de fermentação alcoólica, sob a ótica da eficiência ou rendimento alcoólico, como abaixo: [Açúcar] + [Micro-organismos] -> [Etanol] + [CO2] + [Subprodutos] + Energia Aqui, entende-se como rendimento máximo real o cociente entre a concentração de etanol produzido [Etanol] pela concentração de açúcar [Açúcar] consumido na conversão.

Durante o processo de fermentação, várias naturezas de microorganismos podem concorrer ao consumo do açúcar, como levedo, que são fungos, e bactérias. Esses micro-organismos consomem o substrato açucarado para o crescimento celular da espécie e, também, na produção de subprodutos, como ácidos e alcoóis superiores, desviando em processos parasí-ticos e acarretando reduções no rendimento fermentativo.

Em 1937, Firmin Boinot patenteia na França e em 1941 obtém a patente Norte-Americana US 2.230.318, de um processo para a realização de fermentações alcoólicas industriais. Nos anos 30 esse processo chega ao Brasil, contribuindo marcantemente com o aumento do rendimento fermentativo, hoje profusamente difundido no mundo e conhecido pelo nome de processo Melle-Boinot, e principalmente, mas não exclusiva mente, aplicado às fermentações com levedo. Esse processo tem por mérito a redução direta e concorrente de açúcar, propiciado pelo reaproveitamento dos microorganismos e pelo tratamento e reciclo dos mesmos, mediante sua separa- ção centrífuga, seguida de tratamento ácido por períodos de duas a quatro horas em meio com pH de 2 a 3, na forma concentrada, o que promove a drástica redução da população bacteriana. Após esse tratamento o leite de levedura, denominação do levedo centrifugado, concentrado e tratado, é retornado ao processo, Essa operação pode acarretar em consumo de açúcar reduzido para menos de 1% (um porcento) do açúcar disponível. O gás carbônico, como produto liberado na descarboxilação do piruvato, é considerado como produto paralelo do processo fermentativo.

Além dos subprodutos advindos de processos parasíticos, como abordado acima, outros produtos são gerados durante a fermentação alcoólica, como: glicerol, ácidos orgânicos (succínico, acético, pirúvico e outros) e alcoóis superiores, acetaldeído, acetoína, butilenoglicol e outros compostos. Estima-se que de 3% a 5% (três a cinco porcento) do açúcar disponível no processo, sejam consumidos nessas conversões.

Em termos energéticos, ilustrativamente, em condições de anae-robiose o levedo desvia seu metabolismo para a fermentação alcoólica, sendo o etanol e o gás carbônico apenas como os dois excretas de todo o processo. Assim, tem-se: (ΔΘ0 = -56 kcal/mol) Já, em condições de aerobiose, particularmerite na fase de multiplicação celular, o levedo realiza respiração. Ao contrário da fermentação que ocorre no seu citoplasma, a respiração, que ocorre na mitocôndria, leva à formação de uma quantidade de ATP - Adenosina Tr fosfato (moeda de troca energética) dezenove vezes maior que a obtida na fermentação alcoólica, como ilustrado abaixo: (ΔΘ0 = -686 kcal/mol) Muitas ações são, ainda, tomadas durante o processo fermentativo, como iniciativas em busca de reduzir os consumeis de açúcares em processos parasíticos e subprodutos indesejáveis. Controle de pH e temperatura do mosto em fermentação, bem como o controle de micronutrientes e contaminantes presentes, são variáveis que assumem poèições importantes no processo, podendo estimular ou inibir a dinâmica bioquímica. O pH baixo do meio (pH<4,0), particularmente associado a altas temperaturas de operação (Top>38°C), demonstra ser o fator de maior estresse fisiológico para o levedo obtido e utilizado em unidades de produção industrial de etanol, quando comparado com outros fatores também inibidores como sulfito, ácido lático, teor alcoólico e concentrações de açúcares elevadas). O pH 4,5 no mosto, com temperatura entre 20°C e 37°C, permite uma proteção contra os fatores de estresses, obtendo-se maior viabilidade celular, brotamento, rendimento alcoólico, morfologia regular das leveduras, diminuição no açúcar residual e menor liberação de aminoácidos no meio, propiciando melhor eficiência alcoólica e estabilidade do processo.

Quanto à nutrição, o levedo é um micro-orgLnismo heterótrofo que se alimenta por absorção. Os principais nutrientes, liecessários ao desenvolvimento das leveduras, para que ocorra uma fermentação satisfatória, são: (i) o nitrogênio, elemento de transformação plástica, importante para o crescimento da levedura; o (ii) fósforo, elemento de translocação de energia - em sua ausência, não ocorrerá fermentação; (iii) o potássio, (iv) o magnésio, (v) o zinco, (vi) o manganês, todos importantes nas reações enzimáticas; vitaminas do complexo B, que são aceleradoras das fermentações, além da presença de outros sais, a exemplo de cobalto cobre, enxofre, boro que são referidos como micronutrientes O levedo é, também, um micro-organismo saprófito que exige uma fonte de carbono elaborada - glicose ou outro açúcar, que forneça a energia química e o esqueleto carbônico de suas estruturas celulares, constituídas predominantemente de carbono, oxigênio e hidrogênio. Algumas vitaminas, como tiamina e ácido pantotênico, também são exigidas.

Quanto à fonte de nitrogênio o levedo utiliza esse elemento nas formas amoniacal (NH4+), amídica (ureia) ou amínica (na forma de aminoácidos), não tendo habilidade metabólica para aproveitar o nitrato e com pouquíssima ou nenhuma capacidade de utilizar as proteínas do meio.

Sendo a principal forma a amoniacal, na ausência desta, o leve- do procura outras fontes, como os aminoácidos, com isso acarreta um aumento na produção de componentes secundários, tais como os álcoois iso-amílico, amílico, propílico, isopropílico, butílíco, isobutílico. O fósforo é absorvido na forma de íon H2PO4', forma predominante em pH 4,5, enquanto o enxofre pode ser assimilado do sulfato, sulfito ou tiossulfato. Com o uso de ácido sulfúrico no tratamento do levedo, no entanto, como apresentado acima, ou no uso de melaço em mosto misto, evita-se o uso jadiciona! de enxofre, que em excesso é letal ao micro-organismo, na medida que o enxofre presente mostra-se suficiente ao processo.

Com 0 exposto acima, considerando exemplarmente 0 rendimento da fermentação alcoólica com substrato glicose 01 com açúcares diretamente fermentáveis, no rendimento G-L mássico máximo teórico de 0,511 rn/rn, conforme a equação (1), como sendo 100% de máximo rendimento teórico, rendimento do processo fermentativo real pode atingir valores máximos entre 92% e 94%, isso em ambientes produtivos dos mais assépticos e controlados. Em unidades de menor controle e assepsia, esse valor pode ficar inferior a 85%, o que equivale a consideráveis perdas no processo produtivo.

Nesse sentido, todo e qualquer aumento de eficiência é continuamente buscado, focando-se controles operacionais mais aprimorados e adequados, cepas e naturezas de micro-organismos, selecionadas, recom-binadas e modificadas, com mais produtividade e resistências processuais. Aumentos no rendimento fermentativo de 0,1% a 0,5% já justificam investimentos consideráveis, tendo em vistas os elevados números relacionados com a produção alcoólica nesses meios industriais.

Desenvolvimento do Estado da Técnica Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos para melhorar o rendimento de um processo de produção de etanol, conforme exemplificado abaixo: O documento US 4.451.566 descreve métodos e aparelhos para a produção enzímática de etanol a partir de açúcares fermentáveis. Uma sequência de enzimas para a catálise da conversão dos açúcares em etanol é retida em uma diversidade de zonas de reação. A solução de açúcar fer-mentável passa sequencialmente por estas zonas e o álcool é recuperado na ultima zona. Apesar de proporcionar uma reação mais eficiente que o processo usual, o presente documento fornece uma solução onerosa, complexa e de difícil manutenção. O pedido de patente WO 2007/064545 descreve um processo para melhorar o rendimento do etanol, diminuir o tempo de fermentação e reduzir a formação de subproduto pela monitoração e controle do potencial óxi redutor do fermentador. No entanto, este processo requer um monitoramento muito específico e difícil de manter devido aos allos custos envolvidos, comprometendo a aplicação industrial desta solução. O pedido de patente WO 2008/024331 descreve um método para fermentação magnética que inclui sujeitar um material biológico a um campo magnético estático para afetar a fermentação dc material biológico em um produto fermentado. A reação de fermentação pode ocorrer em meio alcalino ou ácido e o campo magnético pode ser positivo ou negativo. O presente documento faz uso do campo magnético estático para prover um ambiente mais propício para a reprodução celular dos micro-organismos. Apesar de aumentar o número de microrganismos na fermentação alcoólica e, desta forma, aumentar o rendimento da reação, este processo precisa de um monitoramento constante e de um controle total da reação o que o torna excessivamente dispendioso e, portanto, economicamente inviável para uma aplicação industrial. O estado da técnica revela, também, métodos para melhorar a eficiência de captura de carbono, tal como descrito na patente US 8.377.665. Este método compreende uma fermentação bacteriana, utilizando substratos gasosos segundo a rota Wood-Ljungdahl, que compreende uma sequência de reações enzimáticas que ocorre em linhagens de bactérias.

Embora haja muitas referências bibliográficas que descrevam sobre processos fermentativos para melhorar o rendimento da produção de etanol, o estado da técnica não descreve, especificamerte, sobre a ação do hidrogênio em um processo metabólico de fermentação, com o objetivo da produção seletiva, processo esse que constitui uma tecnologia inovadora e original. Outro mais, todos os processos desenvolvidos têm buscado o aumento do rendimento real, até o teto do limite teórico do rendimento G-L. Objetivos da Invenção A presente invenção tem por objetivo fornecer um processo de fermentação microbiana de substratos açucarados compreendendo a inocu-lação de hidrogênio nos micro-organismos do gênero fungo ou bactéria, com características naturalmente ocorrentes, ou especialmente selecionadas ou adaptadas, ou de linhagens recombinantes, floculantes, em suspensão no mosto em fermentação ou em leito imobilizado.

Um segundo objetivo da invenção consiste no uso do hidrogênio no estado iônico, atômico ou gasoso ou mistura dos mesmos para inocula-ção nos micro-organismos do gênero fungo ou bactéria, com características naturalmente ocorrentes, ou especialmente selecionadas ou adaptadas, ou de linhagens recombinantes, floculantes, em suspensão no mosto em fermentação ou em leito imobilizado, para produção seletiva de álcool.

Um terceiro objetivo da invenção consiste em estabelecer um processo bioquímico inovador para a produção seletiva de álcool através da fermentação de açúcares como polissacarídeos e monossacarídeos como trioses, tetroses, pentoses e hexoses, destacando-se a sacarose, glicose, frutose e xiiose, com maior aproveitamento do carbono e consequente aumento na produção seletiva de álcool, suplantando o rend mento teórico G-L, e redução na emissão de gás carbônico, na fermentação.

Entende-se, aqui, por estado atômico ou iônico, o hidrogênio na forma atômica (H) ou iônica (H+). .

Entende-se, aqui, por estado gasoso, o hidrogênio molecular (H2).

Um quarto objetivo da invenção consiste em estabelecer um processo eficaz e ambientalmente justificável, visto que traz benefícios como o aumento na sua eficiência, com maior aproveitamento do carbono na conversão dos açúcares em fermentação em álcool, além da redução da emissão de gás carbônico ao meio ambiente.

Um quinto objetivo da invenção consiste em remover o limite de eficiência para patamares mais elevados, alterando o metabolismo celular dos micro-organismos, sem alterá-los geneticamente.

Pela sua simplicidade, economicidade e eficiência, o processo da presente invenção pode ser aplicado em novas unidades industriais de produção ou implementado em estruturas e unidades já instaladas.

Breve Descrição da Invenção A presente invenção refere-se a um processo para fermentação microbiana de substratos açucarados que compreende a inoculação de hidrogênio nos micro-organismos dos gêneros fungo ou bactéria presentes em suspensão no mosto em fermentação ou em um leito imobilizado, dito mosto em fermentação ou leito imobilizado contendo substratos açucarados e mi-cronutrientes. A inoculação do hidrogênio no estado atômico, iônico ou gasoso nos micro-organismos presentes na fermentação ocorre por meio de pelo menos dois eletrodos aplicados diretamente no mosto em fermentação ou em leito imobilizado com aplicação de tensão em regime ce pré-eletrólise ou em plena eletrólise. Esse gás hidrogênio também é produzido externamente ao biorreator, via eletrólise da água, sendo que neste caso a inoculação dos micro-organismos ocorre via borbotagem direta no dito bio-reator. O controle do hidrogênio no estado atômico, iônico ou gasoso ocorre por meio da tensão aplicada nos eletrodos atuantes no mosto em fermentação ou em leito imobilizado, sendo a tensão em regime de pré-eletrólise na faixa de 0,1V a 1,24V e a tensão em regime em plena eletrólise na faixa de 1,24V a 30V, em corrente contínua ou alternada, sendo este último compreendendo ciclos de 50Hz a 100Hz, de 100 Hz a 500Hz e de 500Hz a 1000Hz. A presente invenção também se refere ao uso do hidrogênio no estado atômico, iônico ou gasoso ou suas misturas, caracterizado por ser para a inoculação nos micro-organismos presentes em um meio fermentativo contendo substratos açucarados, como polissacarídeos e monossacarídeos como trioses, tetroses, pentoses e hexoses, destacando-se a sacarose, gli- cose, frutose e xilose, para produção seletiva de álcool. O processo descrito na presente invenção condiste, portanto, na modificação do limite de eficiência mássica de produção c e álcool para patamares mais elevados, alterando o metabolismo celular dos microorganismos, sem alterá-los geneticamente. A ação redutora do hidrogênio, aliada com a facilidade que possui de permear as membranas celulares dos micro-organismos, acessando seus compartimentos interiores, citoplasma, mitocôndrias e organelas intracelulares, propicia um processo bioquímico inovador para a produção seletiva de álcool através da fermentação de açúcares, acarretando maior do aproveitamento do carbono, com consequente aumento no rendimento alcoólico na reação de fermentação e redução no teor de emissão de gás carbônico.

Descrição das Figuras A Figura 1 refere-se à rota glicolitica (glicólise) do estado da técnica que ocorre no citoplasma de um micro-organismo ou célula eucarionte ou procarionte, no processamento da glicose compreendendo, as últimas etapas dessa sequência, a produção do piruvato. A Figura 2 esquematiza as reações de fermentação alcoólica envolvidas em um processo de fermentação do estado da técnica onde cada molécula de piruvato, através da piruvato descarboxilase, sofre liberação da carboxila e consequente liberação de uma molécula de gás carbônico e uma molécula de acetaldeído sendo, este último, transformado a etanol, pela ação da enzima desidrogenase alcoólica. A Figura 3 esquematiza as reações de fermentação envolvidas no processo descrito pela presente invenção, onde a redução do grupo carboxila com o grupo hidroxila, derivado pela descarboxilação das duas moléculas de piruvato, pela enzima piruvato descarboxilase, em adição a Equivalente Redutores, preferencialmente reduzidos pela elevada disponibilidade de hidrogênio, acarreta na formação de uma molécula de acetaldeído sintetizado através do duplo grupo carboxila como produto de uma nova rota de fermentação alcoólica. A Figura 4 refere-se a um gráfico contendo as faixas de opera- ção baseadas em Equivalentes Molares da presente invenção, contendo os limites de curvas para a sacarose, hidrogênio, etanol, gás carbônico, rendimento mássico (m/m) e aumento de rendimento mássico em relação ao máximo rendimento teórico mássico G-L (%), para sacarose, conforme a equação (3). A Figura 5 refere-se a um gráfico contendo as médias logarítmi-cas das curvas de rendimento mássico, aumento percentual do rendimento mássico e das concentrações em Equivalentes Molares para [H], [Etanol] e [C02], na presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção Conforme descrito anteriormente, processos para a produção de álcool através da fermentação de açúcares já são conhecidos pelos versados na técnica e são universalmente considerados, em seus limites de eficiência, pela equação estequiométrica formulada por Gay-Lussac em 1810 (equação (1)). Segundo essa formulação, no atual estado da técnica, uma molécula de Glicose, em fermentação, é capaz de produzir, no máximo, 2 moléculas de álcool etílico e 2 moléculas de gás carbônico, como mostra a equação (2). (equação (2)) 1 kg 0,511 kg 0,488kg Conversivamente, considerando a fermentação a partir da sacarose, substancialmente presente em açúcar de cana-de-açúcar obtém-se, alternativamente, a equação abaixo: (equação (3)) 1kg 0,538kg 0,514kg Constata-se, pelas equações (2) e (3), a condição de máxima eficiência mássica de 0,511 (m/m), massa/massa, na fermentação da glicose, e 0,538m/m na fermentação da sacarose. Mesmo pelos equacionamentos mais recentes, os quais consideram as ações de reações enzimáticas, esse limite tem sido considerado na avaliação global de rendimento, nos processos compreendidos pelo atual estado da técnica.

Conforme o estado da técnica, na rota glicolítica, também chamada por glicólise, que é a sequência de reações enzimáticas que ocorre no citoplasma celular do micro-organismo, que pode ser unicelular eucarionte ou procarionte, no processamento da glicose (açúcar com seis átomos de carbono na molécula), nas últimas etapas dessa sequência, ocorre a produção do piruvato (íon ), ácido, em cuja molécula existem 3 (três) átomos de carbono, conforme mostrado na Figura 1. Dessas reações, portanto, originam-se duas moléculas de piruvato a partir de uma molécula de glicose. Em sequência, em regime anaeróbico, com a ausência de oxigênio, ocorre a fermentação alcoólica. Nesse processo fermentativo, de ~ada molécula de piruvato, através da piruvato descarboxilase, ocorre a liberação da carboxila e consequente liberação de uma molécula de gás carbônico e uma molécula de acetaldeído, depois do quê esse último é transformado a etanol pela ação da enzima desidrogenase alcoólica, como mostrado na Figura 2. Essas reações enzimáticas são reversíveis.

Dessa forma, de acordo com o estado da técnica, tem-se a relação de máxima produção de duas moléculas de etanol e duas moléculas de gás carbônico, para cada molécula do açúcar glicose, no processo de fermentação alcoólica, também chamada de fermentação etílica.

Assi"" ~ '^'•‘ução do grupo carbo ) que é derivado da união do grupo i ( ), radical de cetonas e aldeídos, com o grupo O—H hidroxila ( )‘, radical de alcoóis e fenóis, derivado pela descarboxilação das duas moléculas de piruvato, pela enzima piruvato descarboxilase, em adição a Equivalentes Redutores - ER, preferencialmente reduzidos pela elevada disponibilidade, ou abundância, de hidrogênio, acarreta na formação de uma molécula de acetaldeído sintetizado através do duplo grupo carboxila, como produto de uma nova rota de fermentação alcoólica. Com a abundância de hidrogênio, ocorre o aumento na concentração de coenzimas NA-DH, NADPH e FADH2, entre outros importantes transportadores de elétrons nos processos citopiasmático e mitocondrial de óxido-red jção. As equações abaixo ilustram o processo de oxirredução dessas coenzimas: Redução da Coenzima Nicotinamida Adenina Dinucleótido (equaçãi) (4)) Redução da Coenzima Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato (equação (5)) Redução da Coenzima Dinucleótido de Flavina e Adenina ■ (equação (6)) Em sequência, as moléculas de acetaldeído sãL reduzidas a moléculas de etanol, pela ação redutora da enzima desidrogenase alcoólica, como ilustrado pela Figura 3.

Deste modo, a presente invenção permite obter equações genéricas e simplificadas, tal como a equação (7) abaixo, para as típicas concentrações de açúcares, de hidrogênio, micro-organismo e produtos obtidos nesse tipo de fermentação, como concentração de etanol, de gás carbônico e de água: [Açúcares]+[H] Ί [Micro-organismo] (equação (7)) Os termos em "[ ]" denotam as respectivas concentrações de açúcares, hidrogênio, micro-organismos vivos, etanol, gás carbônico e água, agentes e produtos da fermentação alcoólica na presença de hidrogênio, em uma reação típica de fermentação de mosto açucarado, empregando levedura, fungo unicelular eucarionte. O símbolo objetiva ilustrar a inoculação de hidrogênio no micro-organismo.

Esse princípio inventivo, conjuntamente com a equação genérica (7), é também aplicado em fermentações que envolvam bactérias, células procariontes, com processamento de carboidratos, como polissacarídeos e monossacarídeos como trioses, tetroses, pentoses e hexoses, destacando-se a sacarose, glicose, frutose e xilose, com produção seletiva de etanol ou de alcoóis superiores.

Pela sua simplicidade, economia e eficiência esse invento pode ser aplicado em novas unidades de produção, ou implementado em estruturas e unidades já instaladas. A presente invenção refere-se, portanto, a um processo bioquímico para aumentar, seletivamente, o rendimento da produção de álcool através de modificações e melhorias na etapa de fermentação das soluções contendo açúcares, empregando micro-organismos fermJntativos dos grupos fungos ou bactérias. Essas melhorias consistem na inoculação de hidrogênio, na fase atômica, iônica ou gasosa ou suas misturas, nos microorganismos que participam da reação fermentativa do mosto açucarado. O presente processo compreende a adição de 5% a 30% (mas-sa/volume) de substratos açucarados, entre 5% a 25% (massa/volume) de micro-organismos. Os micronutrientes são completados automática e contro-ladamente no processo, em função dos teores necessários e os disponíveis no mosto em fermentação.

Para a inoculação de hidrogênio, é necessário um sistema para gerar tal hidrogênio, dito sistema compreendendo: (i) Fornecer ao meio fermentativo a uma tensão elétrica em pré-eletrólise por meio de eletrodos, cuja tensão compreende valores abaixo da tensão necessária para a ocorrência de eletrólise da água no meio, caracterizada pelas condições iônicas do mosto em fermentação, preferencialmente entre 0,1 V e 1,24 V, ou (ii) Fornecer ao meio fermentativo a uma tensão elétrica em plena eletrólise por meio de eletrodos, cuja tensão é igual ou superior à tensão de eletrólise da água, caracterizada pelas condições iônicas do mosto em fermentação, preferencialmente entre 1,24 V e 30 V. (iii) A produção de hidrogênio externamente ao reator ocorre via eletrólise da água, com tensão entre 1,5 V e 30 V, Os eletrodos aplicados ao meio fermentativoj compreendem pelo menos um cátodo e um ânodo, onde o cátodo e o ânodo atuam preferencialmente diretamente no mosto em fermentação.

Em uma modalidade da invenção os eletrodos, ânodo e cátodo são aplicados diretamente sobre os micro-organismos, na fase de sua alimentação ao biorreator.

Em uma segunda modalidade da invenção, |os eletrodos usados no meio fermentativo, compreendendo pelo menos um cátlsdo e um ânodo, onde o cátodo atua preferencialmente diretamente no mosto em fermentação, enquanto o ânodo pode ser aplicado em outro eletrólito, alternativamente esse sendo salino, conforme dois eletrólitos, com meios separados por membrana separadora e permeável a íons. O mosto açucarado compreende açúcares como polissacarídeos e monossacarídeos como trioses, tetroses, pentoses e hexoses, destacando-se a sacarose, glicose, frutose e xilose, ou mistura dos mesmos.

Em uma modalidade da invenção, os micro-organismos fermen-tativos da invenção são selecionados dentre leveduras do grupo fungo, como do gênero Saccharomyces e mais especificamente a cepa Saccharomy-ces cerevisiae e as espécies dos gêneros Schizosaccnaromyces pombe, Pichia stipitis, Torula, Candida shehatae, de linhagens naturalmente ocorren-tes, ou especialmente selecionadas ou adaptadas, ou de linhagens recombi-nantes, floculantes, em suspensão no mosto em fermentação ou em leito imobilizado.

Em uma segunda modalidade da invenção, os micro-organismos fermentativos são selecionados dentre o grupo bactéria, mais especialmente como as espécies dos gêneros Zymomonas mobilis, Escherichia coli e Clos-trídium, de linhagens naturalmente ocorrentes, ou especialmente selecionadas e adaptadas, ou de linhagens recombinantes, floculantes, em suspensão no mosto em fermentação ou em leito imobilizado.

Em uma caracterização preferencial, o micro-organismo fermentativo selecionado compreende o fungo na espécie Saccharomyces cerevisi-ae.

Em outra caracterização preferencial, o micro-organismo fermentativo selecionado compreende a bactéria na espécie Zymomonas mobilis. O mosto de fermentação admite, também, a adição de micronu-trientes tais como nitrogênio, fósforo, potássio, magnésio, cálcio, zinco, manganês, cobre, ferro, enxofre, cobalto, iodo ou suas misturas.

Os micronutrientes são adicionados em teores como variáveis e devem ser controlados durante o processo, sob demandja.

Particularmente, o processo da invenção uuiijsisie na inoculação de concentrações adequadas de hidrogênio atômico, iônico ou molecular, dito hidrogênio produzido na condição de pré-eletrolise du plena eletrólise, nos micro-organismos em processo, controladamente, de acordo com a equação (7), a Tabela 2 e a Figura 4. Os processos de fermentação em regime de batélada, contínuo e semicontínuo são contemplados pela presente invenção, podendo ser adotados arranjos de biorreatores, em número e volumes, em funções semelhantes ou diferenciados em suas condições operacionais de concentrações de substratos, micro-organismos e disponibilidade do inóculo hidrogênio na fase iônica ou molecular.

Embora não se tenha ainda estabelecido, definitiva e academicamente, as rotas de transformações dos açúcares em alcoóis, tanto nos regimes anaeróbico como aeróbico, na presença de fungos ou bactérias em meios de abundante concentração de hidrogênio, já se pode apontar pela produção seletiva de substâncias nesses processos respiratórios e fermenta-tivos.

Experimentos comparativos conduzidos na presente invenção apontam para aumento teórico no rendimento de produção de etanol de até 50%, acarretando na máxima eficiência teórica mássica de 0,8m/m na fermentação de açúcares (Sacarose), com consequente redução teórica do gás carbônico emitido de até 100%, com a levedura Saccharomyces cerevisiae.

Na presente invenção, através de testes realizados, observou-se que, na rota etílica de fermentação de açúcares com leveduras, as duas moléculas de ácido pirúvico, originárias da glicólise, nas suas descarboxilações pela enzima piruvato descarboxilase, são promovidas as liberações das duas carboxilas ( ) que, subsequentemente reduzidas por Equivalentes Redutores - ER, pela ação do hidrogênio abundantemente presente no meio, pode produzir outra molécula de acetaldeído que, desidrcgenada pela enzima álcool desidrogenase, na redução a etanol, ocasionsindo seu aumento seletivo. Como consequência, tem-se a redução de gás carbônico liberado, conforme se depreende pela Figura 3.

Enquanto o aumento na produção de etanol pode atingir o limite teórico de 50%, a redução de gás carbônico pode atingir o consequente nível teórico extremo de 100% em relação ao processo tradicional. Ainda nesse modelo fermentativo, em face das concentrações de açúcares aumentadas no processamento intracelular, em função do aumento na concentração de hidrogênio disponível, provocando maiores complexidades das reações enzimáticas, constatam-se reduções na cinética das reações, o que pode acarretar em um aumento no período de fermentação. O hidrogênio presente no meio em fermentação pode estar nos estados atômico, iônico ou gasoso ou suas misturas. Para a obtenção do hidrogênio, é necessário um sistema para gerar o hidrogênio, dito sistema podendo compreender: (i) submeter o meio fermentativo a uma tensão elétrica em pré-eletrólise (tensão abaixo da tensão necessár a para a ocorrência de eletrólise da água, caracterizada pelas condições iônicas do mosto em fermentação) ou (ii) submeter o meio fermentativo a una tensão elétrica, em plena eletrólise, igual ou superior à tensão de eletrólise da água, caracterizada pelas condições iônicas do mosto em fermentação.

No regime em pré-eletrólise, ocorre a formação de hidrogênio iônico e atômico, sem hidrogênio gasoso. Para que seja possível a formação de tal hidrogênio iônico e atômico, somente, é necessário que ocorra uma tensão elétrica abaixo da tensão necessária para a ocorrência de eletrólise da água, que é caracterizada pelas condições iônicas do mosto em fermentação. Esta tensão elétrica variando entre 0,1 V a 1,24 V, e preferencialmente entre 0,7 V a 1,1 V.

No regime em plena-eletrólise ocorre a forméção de hidrogênio iônico, atômico e gasoso. A tensão elétrica necessária ρε ra se obter o regime em plena-eletrólise, é de 1,24 V a 30 V, ou preferencialmente de 1,2 V a 20 V.

Os sistemas de geração de hidrogênio em pré-eletrólise e plena-eletrólise podem ocorrer de forma que a tensão seja con :ínua ou alternada, sendo que nessa última pode se ter ciclos de 50 a 2.000Hz, preferencialmente entre 50Hz a 150Hz, ou entre 100Hz a 500Hz ou entre 400Hz a 1.000Hz.

Em uma modalidade da invenção, o sistema compreende corrente contínua na condição de plena eletrólise, evitando adicionar oxigênio ao mosto em fermentação, para favorecimento de condições anaeróbicas, o cátodo atuar preferencialmente diretamente no mosto em fermentação, enquanto o ânodo está aplicado em outro eletrólito, este sendo salino, conforme dois eletrólitos, com meios separados por membrana separadora e permeável a íons, é uma membrana porosa ou feita preferencialmente em material poroso.

Ao se iniciar o sistema de geração de hidrogênio em um reator, operando em regime batelada, semicontínuo ou contínuo, é importante que o processo seja continuamente controlado pelas medições de pH, temperatura, concentrações de açúcares, concentração de hidrogênio, concentrações de micro-organismo vivo, concentrações de álcool, concentrações de gás carbônico e teores e concentração de micronutrientes.

Adicionalmente ou exclusivamente, o hidrogênio na fase gasosa pode ser introduzido diretamente no biorreator em fermentação, por borbo-tagem direta no mosto em fermentação no biorreator, ou em vias de alimentação e recirculação de mosto ao biorreator. Esse gás h drogênio pode ser produzido via fermentação bacteriana ou por algas, em outros processos fermentativos paralelos, caracterizadas pela produção de hidrogênio, ou via eletrólise da água, externamente ao biorreator ou ser hidrogênio industrial.

Destaca-se, ainda, que o hidrogênio deve ser inoculado imediatamente no início do processo fermentativo ou anteriormente a esta etapa, ou seja, durante o preparo do micro-organismo. O processo descrito na presente invenção reflete um comportamento diferenciado aos processos fermentativos do estado da técnica, visto que: - a alta dosagem de hidrogênio atua como um poderoso agente redutor; - fornece melhores rendimentos na concentração de álcool. - não há modificação genética dos micro-organismos; - consequente redução do teor de gás carbônico liberado; e - ocorre a alteração na cinética da reação.

Ademais, o processo da invenção fornece ás seguintes vantagens em relação a um processo de fermentação convencional: 1. permite uma fácil difusão de hidrogênio através da membrana celular do micro-organismo, fungo ou bactéria, permitindo que compartimentos intracelulares sejam alcançados; 2. não influencia nos parâmetros fisiológicos da célula (temperatura, pressão, pH e p02); 3. não interfere nas reações metabólicas de oxidação-redução, sem prejuízos das espécies reativas de oxigênio ROS, e de sinalização celular; 4. altas concentrações de hidrogênio são bem toleradas e consequentemente fornecem menos efeitos colaterais sistêmicos; e 5. pode ser aplicado em fermentações ros regimes de ba-telada, semicontínuo e contínuo, sendo de fácil adaptação a processos e equipamentos de fermentação preexistente.

Controle de processo e rendimento produtivo conforme a invenção Conforme a equação genérica (7), o processo fermentativo passa a oferecer e demandar controle operacional das variáveis de processo. Compõem o elenco de variáveis aquelas compreendidas pelo estado da técnica, destinadas a manter o processo dentro de padrões "ísicos, químicos e processuais, tipicamente utilizados nos processos fermentativos abrangidos pelo estado da técnica, como: pH e temperatura, controles de níveis, alimentação e descarga, inovadoramente adicionados aos controles e às concentrações de reagentes e produtos, incluindo-se micronutrierites. Esse controle é atuante durante todo o processo de produção, permitindo dirigir o dito processo dentro de condições operacionais adequadas e pretendidas. O controle sobre concentrações, na presente invenção, difere de controles sobre a concentração de sólidos solúveis e açúcares, como nos casos de fermentação VHG - Very High Gravity, pelos quais se obtém concentração de álcool acima de 12% em volume, proveniente do processamento fermentativo de mostos com elevado teor de açúcares, evitando danos aos micro-organismos ou stuck and sluggish fermentation, como também sobre processos onde se objetivam controle ou limite do período de fermentação, como instrumento de controle produtivo. Nesses casos tradicionais, o controle sobre concentração de açúcares e micro-organismos resume-se a estabelecimentos de limites operacionais processuais.

Very High Gravity Fermentation é a fermentação a partir de elevadas concentrações de substratos, no objetivo de se produzir vinhos com elevados teores alcoólicos, com concentrações típicas superiores a 12% em volume.

Stuck and sluggish fermentation (fermentação presa e lenta) ocorre quando o processo de fermentação se interrompe ou reduz dramaticamente sua cinética, mesmo com a existência de substrato, em decorrência de fatores estressantes, como excessivo teor alcoólico ou falta de micronu-trientes estruturais ao micro-organismo.

De acordo com a presente invenção, o controle sobre as concentrações extrapolam os limites acima comentados, antes, configurando-se em controle de processo bioquímico, objetivando rendimento produtivo dentro dos conceitos envolvidos pela equação genérica (7). O equilíbrio estequiométrico da equação genérica e simplificada (7) está diretamente ligado aos limites de rendimento produtivo, considerando as concentrações de substratos, açúcares, micro-organismos vivos e inó-culo [H], tendo por objetivo a produção seletiva de álcool e a consequente redução na produção de gás carbônico.

Com o objetivo de se exemplificar o estabelecimento de regimes de controle, são definidas três faixas operacionais para as concentrações, a partir da concentração de substrato e hidrogênio, visando à concentração de álcool produzido. Essas definições, no entanto, não delimitam o invento pelo uso exemplar de faixas operacionais do processo, o qual opera, mais abrangentemente, no modo de controle contínuo. A Figura 4 mostra as faixas de operação baseadas em molares de sacarose, cujos valores limites das curvas levantadas, são transcritos para a Tabela 2, abaixo. A Figura 5 exibe as médias logarítmicas das curvas de rendimento mássico, aumento percentual do rendimento mássico e das concentrações em equivalente molares para [H], [Etanol] e [CO2]. Esses valores, considerando as condições estatísticas das reações enzimáticas intracelulares, mostram-se como mais realísticos quanto às constatações mais favoráveis, operacionalmente.

Ensaios comprobatórios do Invento Foram feitos alguns ensaios para validação e avaliação da eficácia do processo em mosto de fermentação, empregando caldo de cana-de-açúcar e micro-organismo levedo da espécie Saccharomyces cerevisiae, intensamente utilizado na indústria de etanol combustível e bebida. Segue abaixo o exemplo de um processo que não tem por objetivo limitar o escopo de proteção da presente invenção. As condições de ensLios e resultados e validação do modelo bioquímico estão relatados adiante.

Exemplo 1 - Comparação entre uma fermentação convencional em relação à fermentação conforme a invenção, em regime de pré-eletrólise.

Neste ensaio procurou-se pela influência do hidrogênio em fermentação etílica de mostos açucarados, com tensão abaixo da tensão ne- cessária à ocorrência de eletrólise da água. Nos ensaios inclusive nos que se seguirão, foram usados como reagentes o açúcar mascavo e fermento industrial Saccharomyces cerevisiae na fermentação em batelada.

Dois biorreatores foram construídos, um como base ou convencional e outro montado com um sistema de geração de hidrogênio (usada tensão com corrente contínua de 0,95V), para produzir hidrogênio iônico e atômico, durante o processo de fermentação.

Nos dois biorreatores, com um volume máxirro de 100 litros, foram adicionados os reagentes e água até o volume de funcionamento de 50 litros.

Mais especificamente, foram efetuados dois ensaios em cada biorreator, fermentando-se 8kg do substrato açúcar mascavo (fundamentalmente constituído por sacarose) com 5kg de fermento comercial (fungo, Saccharomyces cerevisiae), em dois lotes separados e simultaneamente. O substrato e o fungo foram dissolvidos e preparados antes de serem misturados nos biorreatores, mantendo-os agitados com agitador em pá plana em 60 a 90 rpm. Foram coletadas amostras dos reatores imediatamente após a mistura dos ingredientes e os parâmetros hiciais foram medidos, como os sólidos solúveis [Brix], temperatura [°C] e acidez [pH], Medidas de Brix, temperatura e pH foram realizadas a cada hora. A concentração de etanol foi medida de duas em duas horas, utilizando-se destilador e densí-metro digital, adotando-se procedimentos padrões de laboratório do gênero. Nenhum micronutriente foi adicionado ao processo, objetivando isolamento de variáveis. A Tabela 3 especifica os ingredientes utilizados nos experimentos e condições do teste em pré-eletrólise. Foram feitos dois ensaios em dois reatores simultâneos. A Tabela 4 especifica os equipamentos utilizados para o controle dos parâmetros de pH, temperatura, °Brix e concentraçjão de etanol. Nos testes foram observadas as variações dos parâmetros para o controle da fermentação.____ __ _____________________________________________ Os resultados obtidos nestes dois experimentos estão descritos na Tabela 5 abaixo: Tabela 5 - Resultados obtidos na fermentação de um hiorreator contendo um sistema de geração de hidrogênio, em regime ae pré-eletrólise e um biorreator convencional.________________________________________________ * Final da fermentação - Sistema elétrico do fermentador conforme invento, foi desligado após a 6a hora. Reatores foram mantidos operando, com agitação, após últimas medidas na 6a hora. Fermentação residual foi continuada por mais 16 horas adicionais. O aumento da produção de etanol pode ser facilmente observado no tempo de 6 horas, pois verifica-se em média 1,62°Bx a mais de açúcar para o processo da invenção. Este teor de açúca' adicional poderá produzir mais 1,1 °GL de etanol, caso a equação de Gay-l.ussac (1) for usada para se calcular o valor teórico de conversão do açúcar em etanol.

Como resultado, o rendimento na produção de etanol, diretamente lido na Tabela 5, aumentou de 6,8% e 8,3% em comparação com o valor teórico tradicional esperado (rendimento Gay-Lussac) tendo os mesmos critérios experimentais e cálculos de rendimento. O aumento da concentração de etanol e redução observada na libertação de gás carbônico foram acompanhadas por alterações na cinética química que mostram que o modelo bioquímico simplificado pode ser aplicado.

Exemplo 2 - Comparação entre uma fermentação convencional em relação à fermentação conforme a invenção em regime de plena eletrólise.

Nesse ensaio, foram inseridos nos dois biorreatores (o base e da presente invenção) 9kg de açúcar mascavo com 6kg de levedo industrial, Saccharomyses cerevisiae.

Os dois biorreatores foram utilizados no exemplo 1, um como base ou convencional e outro montado com um sistema de geração de hidrogênio, foram os mesmos utilizados nesse exemplo 2. Messe exemplo foi empregada a tensão elétrica de 1,6V - regime de Plena Bletrólise, produzindo hidrogênio iônico e gasoso, durante o processo de fermentação. A Tabela 6 especifica os ingredientes utilizados nos experimentos e condições do teste para plena-eletrólise._ ____ ______ _____ ____ Foram coletadas amostras dos reatores imedjiatamente após a adição dos ingredientes e os parâmetros iniciais foram medidos, como os sólidos solúveis [Brix], temperatura [°C] e acidez [pH]. Medidas de Brix, temperatura, pH e concentração alcoólica foram realizadas a cada hora. Nenhum micronutriente foi adicionado aos processos, objetivando isolamento de variáveis. Foi feito apenas um teste, com os dois biorreatores.

Os Resultados dos testes para este experimento estão descritos nas tabelas 7 e 8.

Tabela 7 e 8 - Resultados obtidos na fermentação de um biorreator contendo um sistema de geração de hidrogênio em plena-eletrólise e um biorreator convencional. - - * Final da fermentação - Sistema elétrico do fermentador conforme invento, foi desligado após a 6a hora. Reatores foram mantidos operando, com agitação, após últimas medidas na 6a hora. Fermentação resihual foi continuada por mais 16 horas adicionais. +Nota, os valores para (AEtJABx), referem-se aos rendimentos parciais, conforme rendimento G-L. Para a sacarose, o rendimento máximo é de 0,538 m/m e 0,682 v/v, conforme valores da última coluna à direita, em ambas as tabelas 7 e 8.

Como resultado o rendimento na produção de etanol no biorrea-tor da presente invenção foi de 17% a 20% acima ao valor máximo teórico tradicional esperado (rendimento Gay-Lussac), como se poderá observar mais claramente na Tabela 11.

Para os valores parciais, sabe-se que os métodos analíticos portam erros, entre preparo de amostras e continuidade do processo fermentativo, mesmo na amostra coletada, o que pode provocar desvios significativos quando os momentos de amostragem contiverem períodos de maior cinética da reação fermentativa em curso.

Resultados e Validação do Modelo Bioquímico Com o objetivo de melhor apresentar os resultados dos ensaios apresentados acima, as tabelas abaixo explicitam os valores referentes à produção parcial de etanol, durante o processo, e no firial do processo fer-mentativo, sempre acompanhados dos valores do biorreator conforme o invento e dos valores obtidos no processo convencional, ou biorreator base. Ressalta-se que esses valores exibidos são obtidos diretamente e tão somente, dos resultados obtidos durante os ensaios.

Observe-se que nas tabelas 9, 10 e 11 os valores nas colunas "Aumento Rendimento" exibem valores parciais acumulados e finais, sempre maiores para os obtidos conforme a invenção. Os valores finais, de 6,9% e 8,3%, em relação ao máximo rendimento fermentativo, considerando o estado da arte, de 0,538 massa/massa ou 0,682 volume/volume, obtidos nos respectivos ensaios 1 e 2, operando em regime de tensão de pré-eletrólise e corrente contínua, DC, por si só qualificam o invento nos seus limites produtivos. As concentrações, de [sacarose], [hidrogênio] e [levedo], situam-se em faixa de baixo (I) para médio (II) Equivalentes Molares.

Os valores apresentados na Tabela 11, relativos ao ensaio 3, para o "Aumento Rendimento", tanto parcial como final, são eloquentes e definitivos. Verifica-se que o valor final, ou acumulado, no ensaio 3, de 16,7% reflete a pronta resposta do processo segundo o invento, ao aumento da concentração hidrogênio nos estados atômico, iônicc e gasoso, com comportamento esperado pelas figuras 4 e 5. O modelo bioquímico, nos dois primeiros ensaios, adicionadas com os valores e peculiaridades apresentadas pelo ensaio 3, mostra-se vali- dado tecnicamente, nos seus limites tecnológicos e inovaldores.

Como esperado, o ensaio 3, operando com Equivalentes Molares na faixa moderada (II), teve a cinética de reação alterada substancialmente, uma vez que o processo teve redução na taxa de produção de etanol pelo açúcar consumido (ΔΕί/ΔΒχ), ainda com grande quantidade de açúcar presente no meio. A disponibilidade de micronutrientes, principalmente de N (nitrogênio), em face da elevada atividade microbiana, é fundamental para o aumento da biomassa, que é fenômeno natural em um processo fermentati-vo. A falta, principalmente, de nitrogênio, impede a mult plicação do microorganismo fermentativo, sendo uma condição estressante de fermentação.

Adicionalmente às analise feitas e aqui reportadas, a redução da emissão de gás carbônico durante o processo foi constatada qualitativamente, com clara evidência da sua redução, comparativamenie ao processo desenvolvido simultaneamente no biorreator convencional Os versados na técnica têm esses meios - de aparências e olfativos - para essa natureza de avaliação.

Na Tabela 12, apresentam-se os resumos dos resultados fer-mentativos, considerando-se o volume de etanol produzido, nos três ensaios.

Considera-se, assim, validado o processo inventado, conforme todos os resultados obtidos em ensaios laboratoriais. A redução de emissão de gás carbônico, c~...___nsequência do processo bioquímico, com o aumento seletivo na produção de álcool, surge como complemento tecnológico de larga importância ambiental e operacional. Algumas vantagens econômicas e ambientais, propiciadas pelo invento, podem ser listadas: 1- Aumento econômico direto, com o aumento na produção de álcool; 2- Aumento na produção, sem provocar aumento da área plantada; 3- Redução na produção de gás carbônico; 4- Equipamentos de processo não necessitam de ajustes quanto ao volume de produção, assim como os biorreatores e os. equipamentos de destilação; 5- Redução no dimensionamento e consumo de energia, nos equipamentos de recuperação de álcool, arrastado pelo jgás carbônico, na fermentação; 6- Aumento do Crédito de Carbono com aumento da produção de álcool e com a redução de gás carbônico liberado; 7- Tecnologia diretamente relacionada com a melhoria do meio ambiente. O etanol se completa como combustível verde e maior viabilidade econômica.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Processo para fermentação microbiana de substratos açucarados, caracterizado pelo fato de compreender a inoculação de hidrogênio nos mi-cro-organismos selecionados dentre o gênero Saccharomyces presentes em suspensão no mosto em fermentação ou em um leito imobilizado, dito mosto em fermentação ou leito imobilizado contendo açúcares e micronutrientes, sendo que a inoculação do hidrogênio no estado atômico, iônico, gasoso ou mistura dos mesmos nos micro-organismos presentes na fermentação ocorre por meio de pelo menos dois eletrodos aplicados no mosto em fermentação ou em leito imobilizado com aplicação de tensão na faixa de 0,1V a 1,24V (pré-eletrólise) e na faixa de 1,24V a 30V (plena eletrólise), em corrente contínua ou alternada para produção seletiva de etanol/álcool.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o hidrogênio é gerado pela aplicação dos eletrodos compreendendo pelo menos um cátodo e um ânodo, dito cátodo aplicado diretamente no mosto em fermentação e o ânodo aplicado em outro eletrólito, este sendo salino, conforme dois eletrólitos, compreendendo uma membrana separado-ra.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender a adição de: • 5% a 30% (massa/volume) de substratos açucarados, • 5% a 25% (massa/volume) de micro-organismos selecionados dentre o gênero Saccharomyces.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do regime de pré-eletrólise compreender uma tensão na faixa de 0,7 V a 1,1 V.

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do regime de plena eletrólise compreender uma tensão elétrica na faixa de 1,24 V a 20 V.

6. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato da tensão elétrica aplicada nos eletrodos ocorrer em regime contínuo ou alternado com ciclos de 50 Hz a 2000 Hz.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a tensão elétrica aplicada nos eletrodos ocorrer em regime alternado com ciclos entre 50Hz a 150Hz, entre 100Hz a 500Hz ou entre 400Hz a 1.000Hz.

8. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos açúcares serem selecionados dentre: polissacarídeos e monossacarí-deos como trioses, tetroses, pentoses e hexoses, destacando-se a sacarose, glicose, frutose e xilose ou mistura dos mesmos.

9. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os micro-organismos do Saccharomyces compreenderem, mais especificamente a cepa Saccharomyces cerevisiae.

10. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos micronutrientes serem selecionados dentre: nitrogênio, fósforo, potássio, magnésio, cálcio, zinco, manganês, cobre, ferro, cobalto, enxofre, iodo ou mistura dos mesmos.

11. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do hidrogênio gasoso adicionalmente ser produzido externamente ao biorre-ator por meio de aplicação de tensão elétrica na faixa de 1,24 V a 30 V em regime de eletrólise da água e ser posteriormente inserido de forma direta por borbotagem nos biorreatores.

12. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do processo fermentativo ocorrer em processo de batelada, contínuo ou se-micontínuo.

13. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato do processo fermentativo ser continuamente controlado por pH, temperatura, controle de níveis, alimentação e descarga, concentrações de reagentes como açúcares, concentração de hidrogênio, concentrações de micro-organismo vivo e concentração de produto como concentrações de álcool, concentrações de gás carbônico e teores e concentração de micronutrientes.