BRPI0306523B1 - Processo de produção de etanol com microrganismos imoblizados em sabugos de milho e processo para imobilização de microrganismos em sabugos de milho - Google Patents

Description

"PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL COM MICRORGMISMOS IMOBILIZADOS EM SABUGOS DE MILHO E PROCESSO PARA IMOBILIZAÇÃO DE MICRORGANISMOS EM SABUGOS DE MILHO" A presente invenção se refere a uma técnica de imobilização de microrganismos vivos em sabugos de milho. Refere-se, também, ao processo para a produção de etanol (tanto em batelada como de forma contínua) com o uso de mostos de caldo de cana-de-açúcar, melaço e misto(caldo mais melaço) sem nenhum tratamento físico-químico visando sua clarificação, esterilização, remoção de impurezas presentes nos mesmos ou concentração em açúcar. Este processo elimina a etapa de separação (separadoras centrífugas contínuas), simplificando o processo e barateando os custos de produção do etanol.

Esta invenção utiliza as mesmas condições operacionais e de matérias-primas utilizadas nas unidades industriais produtoras de etanol no Brasil. Se as condições das matérias-primas forem melhoradas, como é o caso de algumas unidades industriais, o desempenho do processo será melhorado.

Na atualidade, a maior parte da produção brasileira de etanol se dá pela condução do processo fermentativo em batelada alimentada com vazão variável de alimentação. Esta forma de condução consiste, em linhas gerais, do seguinte: após o final da fermentação o mosto fermentado (vinho), ainda contendo os microrganismos agentes da fermentação alcoólica em suspensão, é submetido à separação, através de separadoras centrífugas contínuas, onde é separado em duas frações, sendo uma concentrada - creme ou leite de leveduras - e a outra, com pequena quantidade dos microrganismos agentes da fermentação alcoólica. 0 creme ou leite de leveduras, antes de sua reutilização em outra fermentação, é tratado adequadamente em recipientes denominados de cubas de tratamento ou pré-fermentadores. Nestes, adiciona-se ácido sulfúrico para correção do pH entre 2,3 e 2,8 e repouso por 2 a 3 horas, antes de seu retorno para um novo ciclo fermentativo. Este procedimento se repete por toda a safra sucroalcooleira, que dura de 5 a 6 meses. 0 vinho, com pequena quantidade dos microrganismos agentes da fermentação alcoólica, é encaminhado para um reservatório pulmão(dorna volante) do qual é enviado para a destilação, obtendo-se o etanol.

Esta forma de condução traz como inconvenientes os tempos improdutivos (carga, descarga, limpeza, etc.) elevados, os altos custos de separação do microrganismo agente da fermentação alcoólica, a necessidade de elevada capacidade volumétrica dos fermentadores e, naturalmente, o fato do processo ser descontínuo.

Por outro lado, a produção de etanol pelo processo contínuo tem crescido ano a ano no Brasil estimando-se que, na atualidade, mais de 30% de toda a produção nacional de etanol se dá através desta forma de condução, de acordo com a literatura especializada, com tendência de crescimento. A fermentação continua, quando comparada com a descontínua, apresenta como vantagens: maior produtividade em etanol; menor capacidade volumétrica instalada para a mesma produção; maior facilidade de automação; maior uniformidade de operação tendo, como conseqüência, melhor qualidade do álcool; menores tempos improdutivos; menor gasto com mão-de-obra, entre outras.

Atualmente no Brasil, em muitos casos, os processos de fermentação alcoólica industrial são transformados de descontínuos para contínuos, sem nenhum estudo qualitativo ou quantitativo sobre a cinética do processo, seja em batelada ou contínuo. Estas transformações, no geral, tem-se dado mais por adaptação da estrutura já existente do que por processos concebidos para tal fim.

Em linhas gerais, os processos contínuos de fermentação alcoólica industrial com células livres, são conduzidos com os reatores dispostos em série (com número e volumes variáveis de processo para processo). Nestes, o mosto é alimentado continuamente e a retirada do vinho também é feita continuamente e na mesma vazão. 0 processamento do mosto fermentado é semelhante ao que ocorre com o do processo descontínuo. 0 tratamento do fermento (creme ou leite de leveduras) também ocorre de modo semelhante ao do processo em batelada, diferindo apenas pelo fato de que todas as operações são contínuas e as cubas de tratamento são dispostas em série, denominando-se de tempos de residência tanto na dorna quanto nas cubas, ao invés de tempos de fermentação e de repouso, respectivamente. A fermentação contínua já é um avanço em relação ao processo em batelada. A fermentação alcoólica com células livres, descrita no parágrafo anterior, apresenta como vantagens, em relação ao processo com células imobilizadas: maior contato células - nutriente e o domínio da tecnologia atual. Porém, apresenta como desvantagens: maiores custos de reposição/recirculação do microrganismo agente da fermentação alcoólica e de instalação; maior risco de contaminação; susceptibilidade a variações ambientais e limitação da taxa de diluição na fermentação contínua. 0 uso do processo contínuo de fermentação alcoólica, em escala industrial, com levedura floculenta, tem-se mostrado uma alternativa promissora, já existindo algumas unidades industrias operando com esta tecnologia. Porém, problemas operacionais relativos às características fisiológicas dos microrganismos empregados e a "taxa de diluição", especialmente nas destilarias anexas, parecem ainda não incentivar o aumento do número de unidades industriais com tal processo. Esta forma de condução traz como vantagem em relação ao processo com células livres, a eliminação da etapa de separação (separadoras centrífugas contínuas), onerosa na instalação e na manutenção. As vantagens decorrentes da eliminação da etapa de separação permanecem, quando tal processo é comparado com aquele que usa células livres. Porém, quando comparado com a fermentação contínua com leveduras imobilizadas, apresenta como custos adicionais os equipamentos para sedimentação e reciclo dos microrganismos agentes da fermentação alcoólica.

Outra alternativa é a utilização da fermentação alcoólica com células imobilizadas em suportes inertes. Apresenta como vantagens: redução dos custos de separação e reciclo; durabilidade do biocatalisador; permite trabalhar com altas concentrações de células no fermentador; redução do risco de contaminação; ampliação da faixa ótima do pH. Apresenta como desvantagens: resistências oferecidas à transferência de massa de alguns suportes; abrasão dos suportes e rompimento dos suportes pela evolução do gás carbônico. Ressalte-se que, no caso dos sabugos de milho, estas duas últimas desvantagens inexistem.

Os trabalhos consultados sobre produção de etanol com leveduras imobilizadas em suportes inertes, de modo geral, utilizam matérias-primas bastante purificadas ou, quando se utiliza melaço, este tem tratamento diferenciado (clarificação e esterilização) do que ocorre nas indústrias alcooleiras do Brasil. As conclusões apresentadas nestes estudos, invariavelmente, são altamente animadoras tanto em termos de eficiência como em produtividade, além de outros aspectos considerados relevantes no processo fermentativo. Os dados da produtividade em etanol, com eficiências fermentativas equivalentes, são superiores aos do processo em batelada, de acordo com as conclusões de diversos estudos publicados na literatura especializada.

Os suportes utilizados são os mais variados, sendo utilizados alginato de cálcio, resinas artificiais, aço inoxidável, bagaço de cana-de-açúcar pulverizado, K - carragenina, Pectina, Gel de poliacrilamida, esponja vegetal, tecido de juta, vermiculita, entre outros.

Devido à qualidade da matéria-prima utilizada atualmente nas destilarias do Brasil, os suportes para imobilização, apresentados nos diversos trabalhos, parecem inviabilizar-se tanto técnica quanto economicamente para utilização nos citados processos. Outro aspecto é que nem sempre os suportes são abundantes na própria região produtora e, em alguns casos, importados.

Para se passar dos índices antes do PROÁLCOOL para os atuais, o esforço tecnológico talvez tenha sido menor do que o requerido para se evoluir dos atuais para, 2 ou 3% acima. Neste caso, etapas como a instrumentação e o controle do processo, o uso de leveduras floculentas e processo com células imobilizadas, certamente serão fortes aliados nesta evolução tecnológica.

Além disso, a produtividade volumétrica de preparação dos diversos suportes estudados é baixa. Desta forma, como nas indústrias se trabalha com fermentadores de várias centenas de metros cúbicos de capacidade volumétrica, só este fato, isoladamente, parece inviabilizar o uso dos suportes citados anteriormente, na produção comercial de etanol.

Com o objetivo de solucionar os inconvenientes mencionados é que foi desenvolvida a presente invenção. Refere-se a uma técnica de imobilízação de microrganismos produtores de etanol em sabugos de milho e a um processo para a produção de etanol com o uso destes microrganismos imobilizados. A matéria-prima é a utilizada nas unidades industriais produtoras de etanol. A imobilízação se processa sem o uso de ácidos, álcalis, agente formador de radical, radiação, solvente orgânico ou qualquer reagente. Se o microrganismo for uma levedura alcoólica, a suspensão concentrada para a imobilízação é preparada, a partir de fermento granulado seco (8% de umidade), fermento prensado (75% de umidade e preferível em relação ao fermento granulado seco) ou de cepas selecionadas (partindo-se de tubos de cultura e repicagens sucessivas e posterior concentração). Desta forma, o microrganismo imobilizado jamais sofrerá qualquer dano por este processo.

Como todo o procedimento, assim como o material usado no processo de imobilízação é natural, um possível descarte dos sistemas sabugo-levedura não causam danos ambientais. Pelo contrário, é excelente complemento para ração animal, sendo mais um benefício do uso deste processo.

Os microrganismos que podem ser imobilizados são todos os que produzem etanol, comercialmente conhecidos, como é o caso da Saccbaromyces cerevisiae ou mesmo bactérias, tal como a Zymomonas mobilis. A etapa de imobilízação consiste da utilização de pedaços de sabugos de milho, obtidos após a colheita mecânica dos grãos do referido cereal. Eles apresentam comprimento de 5,1 a 9,9cm e diâmetro de 2,8 a 3,7cm, podendo variar de acordo com a variedade do milho, condições climáticas, tipo de solo, tratos culturais, etc., e o procedimento de colheita. Desta forma, como o sabugo de milho é natural e não exige nenhum processamento prévio para seu uso como suporte, a velocidade de produção de grandes quantidades dele, com a levedura imobilizada, é muito grande, eliminando talvez o maior problema do possível uso de suportes para a produção industrial de etanol, que é a elevada capacidade volumétrica dos fermentadores, de centenas de metros cúbicos. Nestes casos, produzir o sistema suporte-células em grande quantidade, com baixo custo e rapidamente é fundamental. A suspensão de microrganismos (também previamente preparada a partir de uma das três maneiras citadas anteriormente) é imobilizada por adsorção, conforme evidenciado na figura 1. Por esta figura, o sabugo de milho, que é o sólido adsorvente[1], é inserido em suspensão celular concentrada previamente preparada [2], sendo o processo de imobilização praticamente instantâneo. Apenas por precaução, espera-se 30 minutos entre a inserção dos sabugos de milho na suspensão celular e o início do processo fermentativo propriamente dito, seja em batelada seja de forma continua.

Esta é uma das etapas da presente invenção. De posse do microrganismo imobilizado nos sabugos de milho, pode-se optar pela fermentação alcoólica conduzida em batelada, batelada alimentada ou de modo contínuo (processo mais recomendado pelas razões já apresentadas).

No caso da batelada, a descrição da forma de condução, salvo pelo uso dos suportes com os microrganismos imobilizados, que não gera suspensão celular para tratamento e reutilização, é semelhante ao processo com células livres. Ά exemplo do que ocorre também com o processo contínuo com células imobilizadas, o meio fermentado é encaminhado diretamente para um tanque pulmão, que abastece a destilação. Dispensa, por isso, uma descrição detalhada. 0 processo contínuo de fermentação alcoólica com células imobilizadas em sabugos de milho, que é uma das reivindicações desta patente, consiste, em linhas gerais, do fluxograma representado na figura 2. Consta de 3 (três) fermentadores em série, fechados e os gases produzidos durante a fermentação são lavados com água em coluna específica, recuperando o etanol arrastado. Para a correção do pH do mosto e/ou do meio em fermentação e adição de antibióticos usam-se bombas dosadoras específicas [2,4], que fazem o bombeamento através dos respectivos reservatórios [1,3]. Os sabugos de milho contendo a levedura imobilizada [11] são mantidos em leito semi-fluidizado pela colocação de telas superior e inferior nas dornas. 0 mosto é alimentado continuamente pela parte superior do fermentador 1 [5], usando-se bomba específica [9,10] e a passagem do fermentador 1 para o fermentador 2 e do 2 para o 3 se dá por gravidade e sempre saindo pela base e alimentado pela parte superior. O meio fermentado, ao sair da dorna 3, é bombeado [8] para a dorna pulmão, que abastece a destilação. Entre as dornas, há interligação pela parte superior para a passagem dos gases formados e espuma[14], Trocadores de calor a placas [6,7], instalados nos dois primeiros fermentadores, são os responsáveis pela manutenção da temperatura do meio em fermentação na faixa desejada (34 ± 1°C) ou outra temperatura que possa ser considerada mais adequada.

Esta configuração de reatores pode ser alterada, não só em número e capacidade, como nos diversos modos de adição e fluxos. A configuração apresentada na figura 2 é a recomendada entre as diversas variações de alimentação de mosto estudadas, evitando-se problemas de perdas de carga/entupimento do leito contendo os microrganismos imobilizados.

Algumas observações podem ser destacadas: . Existem válvulas de amostragem [13] dispostas nas tubulações que interligam os fermentadores para avaliar os diversos parâmetros analíticos necessários ao acompanhamento do processo fermentativo; . A drenagem[15] periódica se faz necessária por causa do acúmulo de materiais insolúveis que sedimentam com o tempo de fermentação, além de leveduras existentes no meio de fermentação e/ou que se desprendem do suporte. Esta drenagem evita problemas maiores ao processo fermentativo. A adição de ar [12] a cada 24 ou 48 horas, durante alguns minutos, promove agitação do meio, fazendo com que os sabugos de milho contendo os microrganismos imobilizados mudem de posição, evitando aglomerações excessivas em determinados pontos do fermentador, evitando formação de caminhos preferenciais, enquanto a drenagem remove impurezas grosseiras. 0 ar também é importante como fonte supridora de oxigênio ao microrganismo produtor de etanol, para facilitar a multiplicação celular caso haja necessidade de reposição devido a possíveis perdas. . O mosto fermentado é encaminhado para um tanque pulmão, que alimenta a destilaria. Como este mosto fermentado contém ainda uma certa quantidade de microrganismos, pode-se, antes de seu encaminhamento para a destilação, passar por centrífuga(s) e/ou sedimentador(es), objetivando a utilização destes microrganismos na produção de proteína microbiana para ração animal.

Claims (4)

1) "PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL COM MICRORGANISMOS IMOBILIZADOS EM SABUGOS DE MILHO", caracterizado por compreender as etapas: (i) imobilização dos microrganismos agentes da fermentação alcoólica em sabugos de milho e (ii) colocação em contato os sistemas sabugo-células obtidos na etapa (i) com o meio de fermentação.

2) "PROCESSO PARA IMOBILIZAÇÃO DE MICRORGANISMOS EM SABUGOS DE MILHO", de acordo com a etapa (i) do processo da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: a) utilizar pedaços de sabugos de milho obtidos quando da colheita mecânica deste cereal; b) preparar suspensões apropriadas dos microrganismos a serem empregados; c) inserir os referidos pedaços de sabugo de milho em suspensão concentrada do microrganismo agente da fermentação alcoólica; d) após a imersão citada em (c) , esperar apenas 30 (trinta) minutos para o inicio do processo fermentativo propriamente dito.

3) "PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL", de acordo com a etapa (ii) da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de utilizar como meio de fermentação mostos de caldo de cana-de-açúcar, melaço e misto(caldo mais melaço) sem nenhum tratamento físico-químico visando sua clarificação e esterilização.

4) "PROCESSO", de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado pelo fato de poder ser conduzido em batelada ou em regime continuo.