Bioálcool

Bioálcool

Fermentação alcoólica: conceito atual e importante na formação do Químico Industrial Este texto é resultado do projeto de Iniciação à Docência da aluna de Química Industrial Ixthá Hasselmann Valeriano que direciona o conceito da fermentação alcoólica, principalmente, para a turma de Química Industrial da disciplina Tecnologia Enzimática e das Fermentações (MTC-Faculdade de Farmácia-UFF). O principal produto da fermentação alcoólica é o etanol. As indústrias brasileiras que produzem álcool por via fermentativa são chamadas de usinas alcooleiras ou sucroalcooleiras1 (quando fabricam concomitantemente o açúcar) e geralmente usam como matéria-prima a cana-de-açúcar e como agente da fermentação a Saccharomyces cerevisiae2. O álcool etílico das usinas pode ser classificado como álcool hidratado, álcool hidratado neutro ou álcool anidro e encontra aplicações nas seguintes indústrias: químicas, alcoolquímicas, farmacêuticas, cosméticas e alimentícias, de acordo com as especificações exigidas em cada planta industrial. Ele também pode ser usado diretamente como álcool de limpeza (álcool hidratado) ou álcool combustível, aplicação que vem ganhando destaque por motivos ambientais, sendo chamado de bioetanol. A produção de bebidas alcoólicas, apesar de também ser uma fermentação, tem o seu processo bastante diferente do utilizado para a produção de etanol e não é alvo do presente texto. O bioetanol pode ser misturado à gasolina3 (álcool anidro) ou ser usado puro (álcool hidratado) em motores flex fuel. Ele teve a sua produção e seu consumo impulsionados em todo o mundo, principalmente a partir de 2005 com a vigência do protocolo de Kioto4, acordo entre nações que se comprometem reduzir as emissões dos gases causadores do efeito estufa e que estabelece metas para serem alcançadas entre 2008 e 2012. A queima do etanol não contribui para o efeito estufa, visto que o CO2 liberado por motores movidos por este tipo de álcool será consumido por uma nova plantação de cana-de-açúcar (ou de outra matéria prima usada). Diferentemente do petróleo, o etanol pode ser obtido a cada nova safra. Portanto, esse recurso renovável e não poluente do grupo dos biocombustíveis vem substituindo a gasolina, combustível fóssil derivado do petróleo, como fonte de energia. Entretanto, existem discussões que tratam do embate envolvendo as plantações destinadas à produção de biocombustíveis e à alimentação5. Já em 1975, o etanol combustível produzido no Brasil teve a sua produção aumentada e subsidiada pelo governo através do programa Proálcool6 (1970-1980) devido à crise do petróleo, que elevou o custo da gasolina. No início, aumentou-se a porcentagem de álcool anidro misturada à gasolina, depois, o governo brasileiro incentivou a compra de carros movidos exclusivamente a álcool pela população. Apesar do programa não ter continuado e a venda de carros a álcool ter parado, o conhecimento do setor canavieiro sobre a fermentação de cana e o estudo das linhagens de S. cerevisiae foram muito desenvolvidos. A fermentação alcoólica, por sua vez, foi descoberta há 6000 a. C. pelos povos antigos que produziam bebidas alcoólicas a partir de cereais e frutas. No entanto, o agente da fermentação mais usado pelas usinas brasileiras, a levedura S. cerevisiae, só foi reconhecido por volta de 1860, mais ou menos na mesma época em que Pasteur7 (1822-1895) descobriu que a fermentação era um processo anaeróbio. Na década de 1900, as reações enzimáticas que ocorrem no metabolismo do fungo unicelular facultativo S. cerevisiae foram elucidadas, possibilitando um maior controle deste processo. Como citado anteriormente, as usinas brasileiras usam o caldo de cana-de-açúcar como matéria-prima8 açucarada, assim como o melaço, subproduto do processamento do açúcar, rico em sacarose. Nos EUA, o milho é a matéria prima amilácea usada para a fabricação do etanol. Outras matérias-primas açucaradas (ex. beterraba) e amiláceas (ex. mandioca) também podem ser processadas para a obtenção de etanol de 1ª geração. A matéria-prima celulósica (biomassa9 da cana, madeira, etc.), que era usada apenas para gerar energia elétrica10, vem sendo aproveitada para a produção de etanol de 2ª geração11. Tanto as matérias amiláceas quanto celulósicas devem passar por um tratamento anterior à fermentação, que costuma ser uma hidrólise ácida ou enzimática, para que unidades de glicose estejam biodisponiveis para os agentes da fermentação. A condução da fermentação pode der feita por batelada, com reciclo de células (usualmente Melle Boinot) ou por processo contínuo. O processo pode usar células livres ou imobilizadas12,13. O A fermentação em batelada apresenta três fases distintas: preliminar, tumultuosa e complementar. No final da fermentação, o material fermentado passa por uma centrífuga que separa os sólidos em suspensão da solução, chamada de vinho, que segue para colunas de fracionamento, retificação e desidratação para a obtenção dos alcoóis hidratado, neutro e anidro, nesta ordem. Os principais subprodutos de ambos os processos são: gás carbônico, óleo fúsel, levedura, vinhoto. A concentração de sacarose inicialmente no mosto deve ser entre 15 e 20º Brix (medida de concentração da sacarose, que pode ser obtido através de um sacarímetro, um densímetro calibrado com sacarose pura, em % (p/v)). Para uma boa eficiência de fermentação, a escolha e o tratamento da matéria-prima devem ser cuidadosamente feitos. Por exemplo, escolhendo-se o melaço como o material contendo o substrato (80 °B), a etapa de preparação do mosto começa com o ajuste da concentração de sacarose dentro da faixa, portanto é necessário fazer uma diluição de acordo com a equação: W = 100 x (B – b), b onde W é a quantidade de água a ser adicionada em 100 mL de caldo de cana, B é a concentração (°B) inicial de sacarose e b é a concentração (°B) desejada de sacarose. A adição de nutrientes como fontes de fósforo e de nitrogênio, também é feita, pois tanto o caldo de cana quanto o melaço são pobres nesses elementos. Em seguida, ajusta-se o valor de pH entre 4 e 5 e acrescentam-se antibióticos, para evitar a contaminação do mosto por outros microrganismos. Esse procedimento diminui os custos de produção por eliminar a esterilização das grandes quantidades de mosto, embora possa trazer problemas futuros em relação ao uso de antibióticos que podem afetar o meio ambiente. O inoculo, antes de ser adicionado ao mosto, deve ter as células adaptadas à alta concentração de açúcar e ser propagado, de modo a permitir uma inoculação maciça do mosto (106-107 células/mL). A fermentação do mosto ocorre, porque a levedura possui a enzima invertase que converte a sacarose em glicose e frutose, açúcares que serão usados no metabolismo desta levedura para a produção de energia, CO2 e etanol em condições apropriadas (meio concentrado em açúcar e anaerobiose).