Cana: ferramenta evita perdas e maximiza a eficiência no processo industrial

Publieditorial 

Os cuidados na condução do processo fermentativo e, em especial, a suplementação nutricional balanceada, beneficiam as atividades vitais da levedura priorizando a conversão do açúcar em etanol

Ao analisar o que acontece com os açúcares depois que são assimilados pela levedura, estes não são transformados imediatamente em etanol, dióxido de carbono, biomassa e outros produtos, uma vez que existe uma sequência de reações bioquímicas (passos metabólicos) catalisadas por enzimas produzidas pela própria levedura que consomem os nutrientes do meio extracelular.

Figura 1: Passos metabólicos – Sequência de reações bioquímicas catalisadas enzimaticamente

Especialistas explicam que tanto o desequilíbrio dos nutrientes como as condições operacionais podem provocar alterações metabólicas significativas. As enzimas sofrem ações de diversos fatores que interferem em sua atividade e limitam a produtividade como concentração e proporção dos nutrientes, vitaminas, pH, temperatura, substâncias do próprio metabolismo, agentes tóxicos etc. Tudo isso acaba levando a levedura a produzir subprodutos indesejáveis com desvio dos açúcares presentes no substrato e afetando o desempenho do processo.

De acordo com o Engenheiro Químico Edson Mikus, Diretor Comercial da Biocane Química Industrial, a suplementação balanceada garante à levedura a existência de nutrientes, íons e vitaminas de forma equilibrada, oferecendo condições apropriadas para a ativação de enzimas específicas, estimulando a atividade da levedura, beneficiando o processo metabólico, reduzindo a geração de produtos secundários e eventuais prejuízos no rendimento.

PARTIDA DE FERMENTAÇÃO

O perfeito desenvolvimento da propagação do fermento, seja por meio da inoculação de cepas selecionadas ou mesmo personalizadas (leveduras nativas isoladas na própria unidade), depende do passo-a-passo operacional, manutenção dos parâmetros de trabalho, controle de infecção.

Adicionalmente, faz-se necessário o fornecimento dos nutrientes e íons essenciais devidamente balanceados, sendo de fundamental importância para obtenção de uma levedura robusta e uma população ideal capaz de assimilar os volumes para condução do processo na safra, em função da quantidade de Etanol que se pretende produzir.

O Diretor Comercial da Biocane Química Industrial explica que a velocidade em que as células novas são reproduzidas depende essencialmente de três fatores: temperatura; nutrientes e; oxigênio.

“O acompanhamento da viabilidade do fermento é realizado na etapa de multiplicação, bem como no decorrer da safra, onde verifica-se a existência de células mortas e perdas de levedura no processo (centrífugas e fundo de dorna). O controle do equilíbrio de percentual de células ativas é atingido criando condições de reprodução das células e tomando cuidados especiais na condução do processo”, ressalta.

De acordo com ele, a quantidade de fermento na dorna está sempre correlacionada positivamente com a sua viabilidade (porcentagem de células vivas), sendo que, um volume adequado de levedo contribui na velocidade da fermentação e torna mais estável o processo, favorecendo a recuperação das infecções, beneficiando o rendimento, entretanto, exige um eficiente sistema de refrigeração.

CRESCIMENTO POPULACIONAL DA LEVEDURA

Quando microrganismos crescem em um determinado meio, geralmente se observam etapas ou fases no transcorrer de seu desenvolvimento. “Estas refletem as variações que ocorrem na célula e no seu ambiente”, conta Mikus. A curva típica de crescimento populacional no decorrer do tempo é mostrada no gráfico:

Gráfico 1. Curva de crescimento populacional da levedura (Fonte: Partida da Fermentação – COPERSUCAR).

IMPORTÂNCIA DA ETAPA DE MULTIPLICAÇÃO DO FERMENTO 

A etapa de propagação é importante, pois a fermentação exige uma quantidade de massa viva que realizará a biotransformação do açúcar em etanol nas condições operacionais da unidade.

“Além desse ponto, é importante notar que o avanço da técnica da cariotipagem das leveduras, aliado às técnicas de codificação do DNA, possibilitou aos pesquisadores identificar genes que são essenciais para a resistência das leveduras a agentes estressantes relacionados à fermentação.”

Desta forma, de acordo com Mikus, muitas unidades utilizam linhagens específicas de leveduras mais robustas (geralmente da Saccharomyces cerevisiae) com o intuito de otimizarem o processo fermentativo, e a multiplicação do fermento com predominância dessa linhagem é primordial para que a estratégia da unidade seja atendida.

“Para que a multiplicação seja eficiente no tocante à obtenção de quantidade de massa viva com viabilidade e resistência às condições estressantes da fermentação adequadas para a obtenção de etanol, é importante que a levedura se desenvolva em condições específicas, que são diferentes daquelas relacionadas com a fermentação”, explica.

Isso se deve, especialmente, à bioquímica dos processos. Enquanto a fermentação ocorre em ausência de oxigênio, com reações em nível citoplasmático, a multiplicação ocorre em condições aeróbias, com oxidação total do açúcar na mitocôndria.

Figura 2. Multiplicação de levedura selecionada com emprego do BIOCANE NUTRIPLUS – Unidade Região Centro-Sul

No crescimento e multiplicação celular, é de suma importância que determinadas condições operacionais sejam atendidas, como fornecimento de oxigênio, concentrações adequadas de açúcar e uma nutrição adequada que favoreça o crescimento celular e maior resistência às condições estressantes da fermentação.

“Essa nutrição está relacionada necessariamente com os íons (macro e micronutrientes) que podem atuar como ‘blocos construtores’ das leveduras (que formarão os aminoácidos e proteínas), no centro catalítico da atividade enzimática (em especial, na glicólise), bem como na função estrutural da célula”, acrescenta o Diretor Comercial da Biocane.

De acordo com ele, o nutriente BIOCANE NUTRIPLUS possibilita que o fermento alcance rápido crescimento, pois garante à levedura a existência dos íons essenciais que integram os processos metabólicos, de forma equilibrada, promovendo a ativação das reações bioquímicas essenciais ao seu crescimento, controlando a síntese de lipídeos e carboidratos.

“Além disso, evita o acúmulo de açúcares de reserva pela levedura, tamponando a célula contra efeitos adversos do meio, regulando o transporte de cátions bivalentes, estimulando o crescimento e a fermentação, bem como participando de processos enzimáticos, tendo importante papel na glicólise e na síntese de algumas vitaminas, ativando as enzimas envolvidas na síntese de proteínas e tiamina (coenzima).”

Por consequência, Mikus conta que o produto promove um estímulo a multiplicação, a viabilidade e atividade celular dando maior consistência ao brotamento, fortalecendo assim a levedura para as condições adversas da fermentação, mantendo os níveis de células viáveis e minimizando perdas de eficiência no processo.

MONITORAMENTO DA ETAPA DE MULTIPLICAÇÃO DO FERMENTO

Tabela 1. Evolução da multiplicação através da quantificação da massa viva no processo

Gráfico 2. Monitoramento da partida de fermentação Unidade Região Centro-Sul

RECUPERAÇÃO DA ATIVIDADE DA LEVEDURA

Com o aumento do mix para etanol das últimas safras, o processo fermentativo tem sido mais exigido e, a variação dos fatores que interferem na atividade da levedura e limitam a produtividade, tem ampliado as perdas e reduzido a margem de segurança dos processos.

Além de dificuldades operacionais e de controle de infecção, com a baixa atividade da levedura, pode-se notar aumento nas perdas no final da fermentação, maior geração de subprodutos e também uma diminuição na taxa de conversão (% de transformação do ART do mosto em Etanol), impactando a eficiência e a produção. As principais ocorrências e consequências são:

Queda na atividade da levedura, na viabilidade e brotamento;

Baixa atividade da levedura, aumentando o custo com insumos, especialmente uso de antibióticos em intervalos cada vez menores e sem efetividade;

Condições do fermento ocasionando dificuldades operacionais (floculação, perdas nas centrífugas);

Alimentação do mosto com menor ART e maior quantidade de água nas cubas para reduzir teor alcoólico no levedo, refletindo em queda no teor alcoólico das dornas, afetando diretamente a produção de etanol, o consumo de vapor na destilação e o volume de vinhaça gerado;

Queda no índice de conversão que relaciona o teor alcoólico nas dornas e o ART do mosto evidenciando, juntamente com as perdas na fermentação, a baixa atividade celular.

Gráfico 3. Recuperação do fermento utilizando BIOCANE NUTRIPLUS após interrupção da moagem devido às chuvas

Para Mikus, o nutriente balanceado BIOCANE NUTRIPLUS tem importante papel também na recuperação da atividade da levedura, em especial, em momentos de interrupção na moagem, paradas por chuvas, queda repentina de viabilidade por algum fator adverso (pH, acidez, temperatura, etc.).

Isso porque, segundo ele, assegura ao levedo condições ideais de desenvolvimento, reduzindo perdas (subprodutos e açúcar residual) e maximizando a produção de etanol. Assim, é importante para uma boa safra não só garantir uma perfeita multiplicação na partida de fermentação, mas também recuperar o fermento com rapidez em condições de baixa atividade.

Os resultados alcançados na recuperação do fermento com emprego do BIOCANE NUTRIPLUS são caracterizados pelos seguintes pontos:

1.) Reflexo direto no aumento da viabilidade, beneficiando a atividade da levedura;

2.) Aumento da concentração de levedura/mL;

3.) Aumento da viabilidade possibilitando reduzir gradativamente a concentração de levedo nas dornas;

4.) O aumento da viabilidade e da concentração de levedura otimiza o processo fermentativo, possibilitando aumentar a vazão de mosto, bem como manter ou elevar o ART do mosto, aumentando o GL das dornas e trazendo importantes ganhos na produção de etanol;

5.) Redução das perdas de açúcar residual no final da fermentação (ARRT do Vinho);

6.) Minimiza perdas significativas no processo fermentativo, aumentando a taxa de conversão (relação °GL dorna e ART do mosto), beneficiando a eficiência da fermentação.

AUMENTO DA CONVERSÃO, VELOCIDADE E EFICIÊNCIA DO PROCESSO FERMENTATIVO 

Durante a fermentação, na sequência de reações intrínsecas à formação de etanol, rotas metabólicas alternativas aparecem para propiciar a formação de materiais necessários à produção de biomassa (polissacarídeos, proteínas, ácidos nucléicos, etc.), bem como para a formação de outros produtos de interesse metabólico relacionados direta ou indiretamente com a adaptação e sobrevivência, os quais desviam carbonos provenientes do açúcar, reduzindo a produção de etanol.

Os principais subprodutos da fermentação etanólica são:

– Produtos secundários: biomassa, glicerol e ácidos orgânicos (ácido succínico e ácido acético);

– Carboidratos de reserva: trealose e glicogênio.

Como esses produtos formados provém do mesmo açúcar contido no mosto, quando ocorre aumento na formação de um deles, necessariamente ocorre a redução do outro produto, desta forma, a formação de subprodutos consome açúcar em detrimento da produção de etanol:

A equação acima de transformação de glicose a etanol e gás carbônico, sem levar em conta a produção de mais células e de subprodutos é chamada equação de Gay-Lussac.

Rendimento teórico de etanol, Yt = 0,511 gramas de etanol por grama de glicose consumido é considerado 100%. Considerando ART como glicose:

180 gramas de ART produzem 92 gramas (2*46) de etanol, ou seja:
cada 100 kg de ART correspondem a 51,11 Kg de etanol.

Na prática observa-se um rendimento da ordem de 85-92%, sendo que essa diferença em relação ao rendimento teórico, corresponde ao consumo de açúcar pela levedura para formação de massa celular (crescimento) e subprodutos. Havendo níveis crescentes de contaminação por outros microrganismos (bactérias), o rendimento real pode ser ainda mais impactado.

Tabela 1: Balanço de massa da fermentação Formação de produtos secundários compete com a formação de etanol

“Importante notar que o Glicerol é um componente chave da levedura para resistência ao estresse da fermentação industrial e para o balanço redox das células, já o Ácido Succínico é uma defesa natural da levedura contra as bactérias, ou seja, de acordo com as condições do processo e o reflexo dos diversos fatores sobre a levedura, esta produzirá maior ou menor quantidade de subprodutos”, conta Mikus.

De acordo com ele, pode-se concluir que não apenas a contaminação microbiana tem considerável importância em reduzir o rendimento fermentativo consumindo o açúcar durante processos infecciosos, mas a própria transformação do açúcar (glicose) até resultar em etanol e gás carbônico, também traz influência e eventual prejuízo ao rendimento, uma vez que tais enzimas sofrem ações de diversos fatores, estimulando ou reprimindo a atividade enzimática.

A busca da eficiência e maiores rendimentos implica, portanto, no controle microbiano e operacional do processo, bem como na compreensão das atividades enzimáticas e metabólica da levedura.

“O ativador metabólico BIOCANE ACTIVE PLUS P proporciona melhores condições gerais da levedura e da fermentação, minimizando o reflexo de condições adversas que ela está exposta. Além disso, beneficia sua atividade e a velocidade da fermentação, sendo que essa melhor condição celular reflete em redução na geração de subprodutos pela levedura e em menor açúcar residual no final da fermentação, direcionando as reações bioquímicas para o caminho metabólico do etanol, culminando em aumento da taxa de conversão, e da eficiência do processo fermentativo”, conclui.

A aplicação do produto no processo fermentativo, tem evidenciado os benefícios à seguir:

1. Aumento da taxa de conversão do açúcar em etanol, evidenciado pelo cálculo do índice de conversão (que relaciona o teor alcoólico nas dornas °GL e o ART do mosto);

2. Maior aproveitamento do açúcar disponível pela levedura, observado por meio da diminuição do ARRT do Vinho. Essa redução no açúcar residual significa menor quantidade de açúcar para as bactérias e favorece o controle dos níveis de contaminação;

3. Aumento na velocidade da fermentação, que pode ser observado pela (i) redução no tempo de fermentação e (ii) pelos volumes de produção diários. Com a levedura mais ativa, fermentação assimila melhor, permitindo eventual aumento de mix para etanol;

4. Redução do tempo de fermentação, a levedura é beneficiada por decorrência de sua menor exposição às condições de estresse do meio alcoólico;

5. Otimização da atividade da levedura estabelecendo uma barreira natural à ação microbiana, refletindo no controle de infecção e manutenção dos bastonetes em níveis reduzidos, algo que pode refletir em menor frequência de aplicações de antibióticos e reduzir o consumo dos insumos.

APLICAÇÃO DO ATIVADOR BIOCANE ACTIVE PLUS P

Os trabalhos conduzidos com o BIOCANE ACTIVE PLUS P nas diferentes unidades, mostram-se coincidentes no que tange ao aumento da conversão, do teor alcoólico e da produção de etanol.

Um case na região Centro-Sul de uma Unidade que possui duas fermentações em paralelo, com mesmo mosto alimentado em ambas, permitiu evidenciar o incremento no teor alcoólico com o produto, que foi aplicado em uma das fermentações:

• Fermentação 2 (com aplicação do BIOCANE ACTIVE PLUS P): atingiu-se teor alcoólico de 10,2 °GL
• Fermentação 1 (branco): manteve-se na faixa que vinha trabalhando 9,7 °GL.

A partir do incremento obtido no teor alcoólico (5%), foi possível calcular o impacto na produção de etanol e o resultado financeiro decorrente desse aumento, tendo como base de cálculo o valor médio diário de vinho de 5.000 m3, teor alcoólico do vinho de 9,7% (% V/V) e produção de etanol de 485.000 L/dia:

INVESTIMENTO COM APLICAÇÃO DO ATIVADOR

Consumo total do produto: 435 kg/dia, ou seja, um investimento diário de R$ 2.262,00/dia, já considerando a aplicação nas 2 linhas de fermentação.