Destaque
Otimização do Processo Fermentativo: aumento da conversão, do rendimento e da produção de etanol
Os cuidados na condução do processo fermentativo são essenciais e o emprego de ferramentas que beneficiam as atividades vitais da levedura contribuem em minimizar a geração de produtos secundários, priorizando a conversão do açúcar em etanol.
A fermentação industrial é um processo complexo com inúmeras variáveis e sujeito à variabilidade de diferentes fontes, como propriedades da matéria-prima, condições de processo e comportamento dos micro-organismos. Para manter condições ótimas de crescimento e funcionamento, as leveduras precisam de um ambiente intracelular específico e balanceado, sendo que qualquer mudança no meio pode resultar em situações que impactam a atividade enzimática, interrompem o fluxo metabólico, danificam estruturas celulares, alteram os gradientes químicos, levando a célula a uma condição de instabilidade.
Ao analisarmos 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 secundários, 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 CATALIZADAS ENZIMATICAMENTE MATERIAL TÉCNICO BIOCANE, 2023: SANTOS, ADRIANO DOS; MIKUS, EDSON B.
A própria transformação do açúcar até resultar em etanol e gás carbônico (que envolve 12 reações em sequência ordenada, cada qual catalisada por uma enzima específica), também traz influência e eventual prejuízo ao rendimento pois, tais enzimas sofrem ações de diversos fatores, alguns que estimulam outros que reprimem a ação enzimática, afetando o desempenho do processo.
Esses fatores refletem na atividade da levedura e podem acarretar, além de dificuldades operacionais, uma diminuição na taxa de conversão (% de transformação do ART do mosto em Etanol), aumentando as perdas e impactando assim o rendimento fermentativo e industrial e a produção.
Quando submetidas à condição de estresse, as leveduras desenvolvem uma resposta molecular rápida para recuperar danos e consequentemente proteger as estruturas celulares dos efeitos causados.
FIGURA 2. FATORES DE ESTRESSE NO PROCESSO FERMENTATIVO; MATERIAL TÉCNICO BIOCANE, 2023: SELVENCA, LEONARDO PEREIRA; MIKUS, EDSON B.
Fatores que interferem na atividade celular e limitam a produtividade:
- Agentes tóxicos: Sulfito, Excesso de Cálcio, Potássio, Alumínio, etc
- Minerais e Polivitamínicos: Manutenção das reações e atividades enzimáticas e metabólicas;
- Temperatura: Pode interferir quando se encontra muito abaixo ou acima do parâmetro ideal;
- Concentração de Etanol;
- Acidez: Decorrente de degradação do mel, presença de micro-organismos contaminantes e assepsia eventualmente deficiente;
- Pressão Osmótica – Açúcares e Sais;
- Contaminação – Bactérias e Leveduras;
- Velocidade de alimentação: Afeta diretamente as reações enzimáticas;
- Interrupções de processo: períodos superiores a 24 horas podem ser prejudiciais ao levedo e requer cuidados quanto a perda de linhagem;
- Cepa da Levedura (devido as diferenças de Invertase das leveduras selecionadas, estas podem requerer maior ou menor tempo de enchimento.
Balanço de massa da fermentação e a formação de subprodutos
Na sequência de reações intrínsecas à formação de etanol, as rotas metabólicas alternativas aparecem para propiciar a formação de materiais necessários à produção de biomassa (polissacarídeos, proteínas, ácidos nucleicos 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
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.
Como esses produtos secundários formados provém do mesmo açúcar contido no mosto, quando ocorre aumento na formação de um deles, necessariamente ocorre a redução do outro, desta forma, a geração de subprodutos consome açúcar em detrimento da produção de etanol:
TABELA 1. BALANÇO DE MASSA DA FERMENTAÇÃO JACKMAN, E.A., 1987
A formação dos produtos secundários, portanto, compete com a formação do etanol. A equação de transformação de glicose a etanol e gás carbônico, sem levar em conta a produção de mais células e de subprodutos é denominada equação de Gay-Lussac.
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) e fatores de estresse, afetando a atividade enzimática e metabólica, o rendimento pode ser ainda mais impactado.
FIGURA 3: BIOTRANSFORMAÇÃO DE AÇÚCAR EM ETANOL X DESVIO DE CARBONO; MIKUS, EDSON B. ADAPTADO DE BIANCHI, ROBERTA MARTINS DA COSTA, SETEMBRO, 2019, REVISTA CIENTÍFICA MULTIDISCIPLINAR
As condições operacionais podem provocar alterações metabólicas significativas. As enzimas sofrem ações dos fatores que interferem em sua atividade e limitam a produtividade, prejudicam o metabolismo da levedura, dentre outros, sendo que estes fatores estimulam ou reprimem a ação enzimática, levando a levedura a produzir subprodutos indesejáveis com desvio dos açúcares presentes no substrato e afetando o desempenho do processo.
Os cuidados na condução do processo fermentativo são essenciais e o emprego de ferramentas que beneficiam as atividades vitais da levedura contribuem em minimizar a geração de produtos secundários, priorizando a conversão do açúcar em etanol. O desafio dos gestores na busca da eficiência e maiores rendimentos implica no controle microbiano e operacional do processo, bem como na compreensão das atividades enzimáticas e metabólica da levedura.
Reações Intracelulares e o Vigor Metabólico (Vitalidade Celular)
As respostas das leveduras as condições estressantes são variáveis a linhagem empregada na fermentação, sendo que as reações intracelulares são afetadas de acordo com o tipo de estresse sofrido.
A recuperação da viabilidade é gradativa, a levedura se adapta as condições do meio, porém é um processo gradual, taxas elevadas de inibidores levam a diminuição da população, pois nem todas as leveduras da população são tolerantes.
Maximizar as reações intracelulares significa elevar o vigor metabólico e contribui para uma adaptação mais rápida as situações adversas.
Antes que a levedura perca a integridade da membrana (morte celular), ela apresenta alguns sinais vitais, que são observados como elevação do tempo de fermentação, dificuldade de assimilação de açúcares, elevada geração de produtos secundários e isso culmina em reflexo no rendimento fermentativo.
O etanol apesar de ser produzido pela levedura é uma fonte de estresse, pois é capaz de desnaturar proteínas e a membrana celular, tornando a levedura mais suscetível a morte celular, elevados teores de sais ocasiona para a célula de levedura uma resposta imediata da saída de água intracelular, essa alteração de potencial hídrico leva ao rompimento da membrana o que causa morte celular.
Ferramentas para evitar perdas e maximizar o rendimento
Para uma boa safra é primordial não apenas garantir uma perfeita multiplicação na partida de fermentação, assegurando robustez, flexibilidade e resiliência para assimilar as condições de operação e elevar a capacidade de permanecer no processo de forma dominante durante a dinâmica de crescimento populacional mas, manter a atividade e o vigor metabólico em seu transcorrer para otimizar o processo fermentativo e evitar perdas decorrentes de desvios de carbono.
FOTO 2: SACCAROMYCES CEREVISIAE – LEVEDURA RESPONSÁVEL PELA BIOTRANSFORMAÇÃO DE AÇÚCAR EM ETANOL: MONITORAMENTO TÉCNICO FASE DA PARTIDA DE FERMENTAÇÃO E PROPAGAÇÃO DO FERMENTO BOMBONATO, GLASIELLI; VENTURA, MARCELO; ABEL, JONATHAN DA SILVA.
O programa de tratamento e monitoramento técnico Biocane para otimização do processo fermentativo tem como premissas:
- Partir a fermentação e multiplicar o fermento com utilização de levedura personalizada ou selecionada e emprego do Nutriente Composto e Balanceado BIOCANE NUTRIPLUS;
- Estimular e manter as atividades enzimáticas e metabólicas da levedura, minimizando perdas;
- Obter um fermento com robustez, flexibilidade e resiliência para assimilar as condições usuais de operação;
- Aumentar a taxa de conversão, elevando a produção e o rendimento do processo com o Ativador Metabólico para Levedura BIOCANE ACTIVE PLUS.
FIGURA 4: ESCOPO DO PROGRAMA DE TRATAMENTO BIOCANE
BIOCANE NUTRIPLUS é utilizado como importante ferramenta para partida de fermentação e multiplicação do fermento, bem como na rápida revitalização da atividade celular, da viabilidade e do brotamento.
FOTO 3: DETALHE DO FERMENTO NAS CUBAS DE TRATAMENTO – MONITORAMENTO TÉCNICO DA PARTIDA DE FERMENTAÇÃO EM UNIDADE DA REGIÃO CENTRO-SUL DO BRASIL (POLO SÃO PAULO)
A qualidade das matérias-primas empregadas assegura que impurezas contaminantes, passíveis de ocasionar toxicidade a própria levedura, não sejam incorporadas ao processo e também contribui para maximizar a assimilação integral pela levedura, otimizando o consumo.
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 ativação das reações bioquímicas essenciais ao seu crescimento, controlando a síntese de lipídeos e carboidratos, evitando acúmulo de açúcares de reserva pela levedura, tamponando a célula contra efeitos adversos do meio, estimulando o crescimento e a fermentação.
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 no processo.
Já o ativador metabólico para levedura BIOCANE ACTIVE PLUS é aplicado continuamente pelas Unidades como forma de minimizar o estresse das condições/oscilações do meio fermentativo e aumentar a conversão de açúcar em etanol, o rendimento do processo fermentativo e industrial e a produção.
Fornece para a levedura polivitamínicos e cofatores enzimáticos que aumentam o vigor metabólico (vitalidade celular), beneficiando a saúde, a atividade da levedura e a velocidade da fermentação, conferindo em especial: robustez, tolerância, favorecimento da produção de etanol, por minimizar o estresse que a levedura está exposta.
A aplicação do BIOCANE ACTIVE PLUS permite que a levedura potencialize suas reações enzimáticas, o que amplia a tolerância devido a vitalidade celular ser elevada, minimizando desvios de açúcar que a própria levedura utilizaria para geração de subprodutos necessários a sua sobrevivência e adaptação.
Existem ainda fatores que impactam em ocasiões de estresse agudo, além das reações intracelulares, as organelas celulares. Nestes momentos que a levedura está mais fragilizada, o nutriente balanceado BIOCANE NUTRIPLUS atua como um Revitalizador Celular, sendo intercalado com o BIOCANE ACTIVE PLUS.
Cases: gráficos e resultados
GRÁFICO 1: TEOR DE ETANOL VINHO (ºGL) X ART DO MOSTO (%) – CASE 1: UNIDADE SUCROENERGÉTICA SITUADA NA REGIÃO CENTRO-SUL DO PAÍS (POLO MINAS GERAIS)
GRÁFICO 2: ÍNDICE DE CONVERSÃO (RELAÇÃO ºGL VINHO/ART DO MOSTO (%) – CASE 1: UNIDADE SUCROENERGÉTICA SITUADA NA REGIÃO CENTRO-SUL DO PAÍS (POLO MINAS GERAIS)
Podemos observar no gráfico 1 do case, a inversão na tendência da curva do teor alcoólico (ºGL) em relação ao ART do Mosto (%), mesmo com a redução do ART do Mosto de 21,013% (Antes) e para 20,864% (Durante Aplicação):
- Média do °GL (Antes) 9,64 ºGL
- Média do ºGL (Durante) 11,11 ºGL
O que representou um incremento de 15,1% no °GL e na produção de etanol. Já no gráfico 2 podemos notar o aumento no Índice de Conversão:
- Antes da aplicação, a média foi 45,92%
- Durante a aplicação, a média atingiu 53,31%
O ganho de conversão foi de 16,08%, até mais significativo que o ganho de ºGL pois a média do ART teve uma pequena queda no período durante a aplicação.
Conclusão e considerações finais
Os trabalhos conduzidos nas diferentes unidades, mostram-se coincidentes no que tange ao aumento da conversão do teor alcoólico da produção de etanol e do rendimento.
Em um case na região Centro-Sul (Polo São Paulo) de uma Unidade com duas linhas de fermentações em paralelo, com mesmo mosto alimentado em ambas, permitiu evidenciar o incremento no teor alcoólico e ganho de conversão, que foi aplicado em uma das fermentações:
- Fermentação 1 (com aplicação): atingiu-se teor alcoólico de 10,2 °GL
- Fermentação 2 (branco): manteve-se na faixa que vinha trabalhando 9,7 °GL.
O incremento obtido no teor alcoólico e na conversão de aproximadamente 5%, refletiu na produção de etanol, redução do volume de vinhaça e no resultado financeiro, permitindo obter o custo-benefício da aplicação e viabilizar o trabalho.
