Universidade de So Paulo USP Escola Superior de

Universidade de São Paulo – USP Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – Esalq Departamento de Agroindústria, Alimentos e Nutrição - LAN 685 - Tecnologia do Álcool Centrifugação Tratamento ácido Processos fermentativos contínuos Prof. Antonio Sampaio Baptista

INTRODUÇÃO A fermentação contínua teve início em 1670 na produção de vinagre antes mesmo de se conhecer microrganismos. Já havia reatores contínuos no século XVII. n O estudo sistemático da fermentação contínua tem 60 a 70 anos. n Basicamente os reatores ou processos de fermentação contínua obedecem dois esquemas: n

INTRODUÇÃO a ) de mistura completa, agitado ou homogêneo: aquele que em todos os pontos do sistema tem a mesma composição; b ) pistonado ou tubular: - aquele que em cada secção do reator, as concentrações do componente de interesse são as mesmas, porém em secções F diferentes apresenta composição diferente. F F F 1 V a 2 b 3

Figura 1 - Fluxograma do processo de fermentação contínua

Condições para uma fermentação contínua n Regime permanente ou estacionário (“steady-state”) Quando se define permanente, tem que se referir em relação a qual parâmetro. Tomemos um componente C, cuja concentração [ C ] é constante em relação ao tempo. d [C] Então =0 dt : Pode existir regime permanente para um só parâmetro ou para vários parâmetros.

Regime transiente ou transitório (“unsteady-state”) n É quando a concentração de [C] varia com o tempo. [C] = variável com t Portanto d [C] ≠ 0 dt

Regimes de comportamento em um reator contínuo P (g/L) P S S e X (g/L) X 1 2 t Ø Antes de 1 é transiente para os três parâmetros v Entre 1 e 2 é permanente somente para P ü Depois de 2 é permanente para os três parâmetros P, X e S

FERMENTAÇÃO CONTÍNUA - PAR METROS IMPORTANTES 1) Vazão específica de alimentação, “dilution rate” (D), é definida como: F D= V L F= h Onde: D = vazão específica (h-1); F = fluxo (L h-1); V = volume útil (L) V = volume útil em litros (L) 1 L/h D= = = h-1 h L

2) Tempo de residência hidráulico: - É o tempo que demora para substituir todo o líquido de um reator. V θ= F = 1 D Se, por exemplo, D for 0, 1 h-1 → θ = 10 h Na prática costumeiramente pode ocorrer diferentes tempos de residência do líquido e do microrganismo ou partículas, quando estes floculam e o sistema deixa de ser homogêneo como em um decantador ou em uma dorna com

Balanço material do microrganismo em um intervalo de tempo t e t + dt Variação da massa de microrganism o na dorna Fluxo da massa de + = microrganismo que entra ↓ ↓ Se V = cte; X = cte variação de massa de microrganism o na dorna = 0 Considerand o que não entra 0 Regime permanent microrganism o pelo mosto; massa = 0 Variação da massa de microrganism o reproduzido ↓ Aumento da massa de microrganism o pela reprodução (d. X)r - Fluxo da massa de microrganismo arrastado ↓ Saída + (d. X)r. V – F. dt. X

Balanço material do microrganismo num intervalo de tempo t e t + dt Variação da massa de microrganism o na dorna Fluxo da massa de + = microrganismo que entra ↓ 0 ↓ = 0 Variação da massa de microrganism o produzido ↓ - Fluxo da massa de microrganismo arrastado ↓ + (d. X)r. V – F. dt. X V. (d. X)r = F. dt. X

Balanço material do microrganismo num intervalo de tempo t e t + dt 3) Velocidade específica de crescimento microbiano ( ) V. (d. X)r = F. dt. X 1. (d. X)r = F X. dt V = µ Como por definição , µ (velocidade específica de crescimento do microrganismo) é expressa como: 1 d. X F. e D = X dt V

µ=D Logo Condição válida quando o reator é de mistura, onde não entra microrganismo, não há morte de microrganismo e em regime permanente. Ou a variação de massa durante um período pod expressa por: Variação de massa na dorna d. X = Massa que se reproduz = µX - DX dt 0 = µX – DX donde µ=D - Massa que é arrastada Em regime permanente e massa constante no reator :

n Processo contínuo com reciclo de células F X 0 V X F X X 0 Células em reciclo X > X 0 No regime transiente: Variação da massa no reator V. d. X = = Fluxo de massa que entra F. dt. X 0 + + Variação da massa que reproduz - V. d. Xr _ Fluxo da massa que sai F. dt. X

Processo contínuo com reciclo de células Regime transiente Fluxo da massa que entra no reator = F. Xo. dt Variação da massa de = D microrganismo reproduzida no reator V. d. Xr (h-1) Regime transiente Fluxo de massa de microrganismos = que sai do reator F. X. dt D (h-1). X 0(g/L) X (g/L) (h-1). (1 - X 0 (g/L)) Velocidade Específica de = D (h-1) Crescimento Massa (h-1) que sai D (h-1) ou F V Regime permanente X (g/L) Velocidade Específica de Crescimento D (h-1). (1 - X 0 (g/L)) X (g/L) Massa proveniente da reprodução (h-1)= D (h-1)

Processo contínuo com reciclo de células Resumo do balanço de massa de microrganismos no reator contínuo com reciclo de células Regime transiente Velocidade Específica de = D (h-1) Crescimento Massa (h-1) que sai Regime permanente (h-1)= D (h-1). (1 - X 0 (g/L)) X (g/L) Massa proveniente da reprodução

n Exemplo 1: Em um reator em regime permanente com reciclo de células considere: Vazão específica de alimentação (D) = 0, 11 (h-1) 2) Massa que microrganismo que entra no reciclo (Xo) = 28 g/L 3) Massa de microrganismo que sai no final da fermentação = 35 g/ Regime permanente com reciclo X = cte Calcule: massa de a) microrganismo Cálculo da variação do fluxo da massa que entra no reator = D (h-1). 1 - X 0 (g/L) reproduzida (V. d. Xr) X (g/L) 1) no reator V. d. Xr (h-1) = 0, 11. (1 - 28 ) = 0, 11. (1 – 0, 8) 35 V. d. Xr (h-1) = 0, 11. 0, 2 = 0, 022 h -1

Exemplo 1: Em um reator contínuo em regime transiente com reciclo de células considere: b) Cálculo da velocidade de crescimento específico ( ) Velocidade Específica de= D (h-1) - D (h-1). (1 - X 0 (g/L)) X (g/L) Crescimento (h-1) 0, 11 – 0, 11. (1 - 28) = 0, 11 – 0, 11. (1 – 0, 8) 35 = 0, 11 – 0, 11. 0, 2 = -1 = 0, 088 h

Exemplo 1: Em um reator em regime permanente com reciclo de células considere: C) Cálculo do tempo de residência hidráulico ( ) (h) = 1 D (h 1) (h) = - 1 0, 11 = 9, 09 h (h) Nota: Isso significa que todo o substrato que entra no reator demora 9, 09 h para ser retirado ou que o tempo de permanência do substrato no reator deve ser 9, 09 h. Caso o tempo de fermentação seja maior que esse valor vai ocorrer sobra de ART no vinho

n n n Exemplo 2: Qual é a percentagem de microrganismo que precisa multiplicar durante a fermentação? µ = 0, 09 h-1 D = 0, 12 h-1 % de multiplicação= 1 - (h-1) x de microrganismos 100 D (h-1) X 0 = 1 - =1 - 0, 09 = 1 – 0, 75 = 0, 25 X D 0, 12 Isso significa que falta 25% de microrganismo para atingir regime permanente. ü Qual é o tempo de residência hidráulico ( )? 1 (h) = D (h 1) (h) = - 1 0, 12 (h) = 8, 33 h

n Exemplo 3: Considere uma fermentação que deve ocorrer em 8 h e trabalhe com reciclo de 80 % das células (30 % de massa seca). Além disso, que no final da fermentação se encontre 100 g de levedura/litro de vinho contendo teor de álcool de 10 % (m/v). Calcule: n a) Vazão de alimentação específica (D); n b) Massa de microrganismo que entra no fermentador (Xo), em função do reciclo de células; n c) Massa de microrganismo que deve ser multiplicada (dxr) durante a fermentação para garantir o tempo de residência hidráulico; n d) Velocidade específica de crescimento ( ); n e) Trabalhando nesta situação, qual é a quantidade de levedura que pode ser retirada por sangria no processo de produção de etanol, considerando que a destilaria produza 1000 m 3 de

n Exemplo 4: Considere uma destilaria que trabalhe com fermentação contínua em série composta por 5 reatores de mesmo volume. Essa unidade deseja produzir diariamente 37 t de leveduras secas. O processo é projetado para um tempo de residência hidráulico de 8 h e permitir retirar na sangria 20 g de levedura seca por litro de etanol produzido, sendo que o restante das células de leveduras deve ser reaproveitado no ciclo fermentativo seguinte, a fim de garantir a produtividade. Ao final da fermentação são encontradas 120 g de levedura por litro de vinho, o qual contém teor alcoólico de 12 % (m/v) Para cada tonelada de cana processada a usina consegue obter 85 litros de álcool. No entanto o mix da usina é de 50 % de açúcar e 50 % de álcool. Com base nessas informações calcule: n a) Vazão de alimentação específica (D); n b) Variação da massa de microrganismo que deve ocorrer durante a fermentação para garantir o tempo de residência hidráulico; n c) Trabalhando nesta situação, qual é a quantidade de álcool que deve ser produzida diariamente; n d) Quantidade de cana que deve ser processada diariamente.

n Exemplo 4: Considere uma destilaria que trabalhe com fermentação contínua em série composta por 5 reatores de mesmo volume. Essa unidade deseja produzir diariamente 37 t de leveduras secas. O processo é projetado para um tempo de residência hidráulico de 8 h e permitir retirar na sangria 20 g de levedura seca por litro de álcool produzido, sendo que o restante das células de leveduras deve ser reaproveitado no ciclo fermentativo seguinte, a fim de garantir a produtividade. Ao final da fermentação são encontradas 120 g de levedura por litro de vinho, o qual contém teor alcoólico de 12 % (m/m) Para cada tonelada de cana processada a usina consegue obter 85 litros de álcool. No entanto o mix da usina é de 50 % de açúcar e 50 % de álcool. Com base nessas informações calcule: n a) Vazão de alimentação específica (D); n b) Massa de microrganismo que entra no fermentador, em função do reciclo de células; n d) Velocidade específica de crescimento ( ); n f) O volume de cada reator (volume útil equivalente a 86 % de volume da dorna)

3. 2. PROCESSOS CONTÍNUOS 1) Adaptação das atuais dornas (batelada) unidas por tubulações saindo do fundo p/ cima da seguinte. 2) 1 as dornas executam 70% da fermentação e as últimas como segurança (evitar perdas de ART); 3) Resfriamento do mosto - trocadores de calor a placa, Cuidados e externos à dorna e também agitação por circulação forçada na lateral ao fundo; conceitos técnicos 4) Recirculação do fermento tratado c/ abaixamento de p. H em cascata (controle de infecção); 5) Conhecimentos cinéticos da fermentação para otimização e redução do volume e tempo; 6) Ocorrência frequente de acúmulo de sólidos, c/ formação de grandes depósitos; 7) Vazão específica de alimentação de mosto constante é a chave para obtenção de regime estacionário no processo;

Fermentação descontinua x Fermentação continua Pontos a considerar Fermentação descontinua: - com fundo de dorna - mais equipe de pessoal operacional - difícil automação - maior tempo de retenção - maior retorno de vinho - maior consumo de antiespumante Fermentação continua: - menos pessoas no operacional - facilidade de automação - menor tempo de retenção - menor retorno de vinho

Fermentação descontínua x Fermentação continua Pontos a considerar Fermentação descontínua: - controle industrial mais difícil - maior segurança - menor produtividade - instalação maior e ampla Fermentação continua: - controle industrial mais fácil - menor segurança - maior produtividade - instalação compacta

3. 2.

Fermentação continua - Usina São Manoel

n 3. 3. RECUPERAÇÃO DO FERMENTO Vantagens: 1) Latência de bactérias láticas. 2) Redução de contaminantes. 3) Limpeza química da superfície celular das leveduras. 4) Reduz a contaminação bacteriana pelo abaixamento de p. H. 5) Álcool de melhor qualidade em consequência. 6) Diminuição das incrustações nos aparelhos de destilação.

n Considerações finais 1) A fermentação contínua é estudada sistematicamente a pouco mais de 70 anos; 2) Para conduzir um processo fermentativo contínuo de forma eficiente é importante o conhecimento da cinética de fermentação; 3) A fermentação contínua pode ser conduzida em reatores de mistura ou reatores pistonados; 4) A fermentação contínua apresenta maior produtividade do que a fermentação em batelada alimentada.

12 Referências n COOPERATIVA DOS PRODUTORES DE CANA-DE-AÇÚCAR E ÁLCOOL DO ESTADO DE SÃO PAULO. Centro de Tecnologia. Divisão industrial. Fermentação. São Paulo, COPERSUCAR, 1987. 434 p. n WALKER, G. Yeast physiology and biotechnology. New York: John Wiley & Sons Ltd, 1998. 350 p. n BORZANI, W. , SCHIMIDELL, W. , LIMA, U. A. , AQUARONE, E. Biotecnologia Industrial. Edgard Blücher: São Paulo, 2001. 593 p. vol. III. STANBURY, P. F. ; WHITAKER, A. Principles of fermentation technology. Oxford, Pergamon Press, 1986. 255 p. 489 p. USHIMA, A. K. , RIBEIRO, A. M. M. , SOUZA, M. E. P. , SANTOS N. F. Conservação de energia na indústria do açúcar e do álcool. São Paulo, IPT, 1990. 796 p. n n