Tecnologia Industrial – Fermentação

Por: Alisson Henrique 

MESMO APRESENTANDO CUSTOS MENORES DE OPERAÇÃO E OUTRAS VANTAGENS, O SISTEMA CONTÍNUO NÃO SUPERA, NA MAIORIA DOS CASOS, O RENDIMENTO DA FERMENTAÇÃO EM BATELADA

A discussão é bastante antiga, mas o tema ainda gera dúvidas quando o assunto é fermentação, afinal, qual é o melhor sistema? Contínuo ou em batelada? Bem, apesar da resposta parecer óbvia para alguns, o assunto ainda tem muito a ser discutido, afinal, unidades que desejam elevar suas eficiências no processo de fermentação muitas vezes não sabem quais os reais ganhos e perdas de cada um destes dois sistemas, que continuam sendo pesquisados e aprimorados por centros de pesquisa.

A fermentação contínua foi proposta pelo CTC (Centro de Tecnologia Canavieira) nos anos 80 e se baseia na alimentação contínua de todo o mosto – líquido açucarado que pode ser fermentado – para uma ou mais dornas que se mantém permanentemente cheias durante o processo.

“O vinho, já parcialmente fermentado, segue por transbordamento para uma segunda dorna também mantida cheia, e, em seguida, para uma terceira ou quarta, em série, até que todos os açúcares tenham sido consumidos. Este processo acontece no mesmo tempo da fermentação em batelada. Da última dorna, o vinho fermentado segue para a centrifugação, onde o leite de levedura é tratado, em geral também continuamente com água e ácido em mais de um tanque em série. Daí o fermento tratado segue de volta para a primeira dorna onde é alimentado junto com o mosto”, explica Jaime Finguerut, diretor do ITC (Instituto de Tecnologia Canavieira).

Já a fermentação em batelada, que também pode ser chamada de descontínua é, em termos de biotecnologia industrial, um processo fermentativo caracterizado pela inoculação e incubação de microrganismos de modo que forneça boas condições para a fermentação. O modo de operação é dividido em três partes:

1) A solução nutriente esterilizada é inoculada com o microrganismo desejado, de modo que permita a fermentação em boas condições;

2) Durante o processo fermentativo, além da adição de oxigênio (em processos aeróbicos), adiciona-se também o antiespumante e o ácido ou base, que efetuam o controle do pH, evitando a morte dos microrganismos;

3) Após o fim do processo de fermentação, ocorre o descarregamento da dorna e o fermentado segue para tratamentos finais.

Uma das principais características da fermentação em batelada é o seu volume, que permanece constante, tendo em vista que não há adição de soluções para o controle do processo e nem perdas de material por evaporação. Uma das principais vantagens da fermentação descontínua, afirmam especialistas, são os menores riscos de contaminação, o que permite maior flexibilidade de operação, ou seja, a fabricação de vários produtos.

CONTÍNUA X BATELADA

A fermentação contínua teve um tempo de prestígio no Brasil, já que além dos custos de instalação serem menores, o sistema propicia redução de custos com anti-espumantes. No entanto, o que mais se consolidou na maioria das usinas é o sistema em batelada.

Segundo Henrique Berbert de Amorim Neto, vice-presidente da Fermentec, o principal motivo é justamente a contaminação bacteriana. “Como no sistema contínuo é possível lavar as dornas, a contaminação reduz o rendimento das fermentações e o custo de produção acaba ficando mais elevado, pois a usina precisa usar muito mais insumos como ácido sulfúrico e antimicrobianos.”

Na fermentação contínua se adiciona o mosto e levedura na primeira dorna onde a fermentação inicia. Este mosto com leveduras é bombeado para mais três dornas, finalizando a fermentação na última dorna. “É um processo mais simples, mas muito complexo de operar, principalmente em unidades que têm muitas variações e paradas. Já o processo em batelada, utiliza sete dornas, é mais simples de operar, porém faz fermentações de maneira individual. A grande vantagem do sistema descontínuo é que o operador tem maior domínio do processo, podendo ter mais opções em momentos de dificuldades”, acrescenta Amorim Neto.

Há dez anos, a Fermentec publicou um trabalho no qual faz um comparativo de ambos os processos de fermentação com diversos parâmetros (International Sugar Journal, 2008, Vol. 110, N 1311). Neste trabalho foram comparadas 51 unidades que possuíam fermentação em batelada e 11 com sistemas contínuos. Em todos os parâmetros comparados o processo em batelada superou o contínuo.

Na opinião de Tercio Marques Dalla Vecchia, CEO da Reunion Engenharia, a fermentação contínua é uma excelente solução para algumas situações porque proporciona estabilidade de matéria-prima (vazão com poucas flutuações), qualidade de operação, ótimo controle de temperatura, além de ter duas linhas em paralelo para eventuais reduções de produção, e ainda leveduras adaptadas ao meio. No entanto, este sistema, na melhor das hipóteses, chega a um rendimento próximo da fermentação em batelada, mas nunca superior, o que se deve ao fato de sempre haver maior teor de açúcar residual no vinho.

“A grande vantagem da fermentação contínua é a redução de custos de implantação, manutenção, automação e operação. Entretanto, problemas sérios de infecções e de queda de rendimento são comuns, daí a opção de muitas usinas pela fermentação em batelada, onde o processo fica mais na mão”, adiciona Dalla Vecchia.

O custo do sistema contínuo pode ficar em torno de 50 a 60% mais barato que a fermentação em batelada, uma vez que não há necessidade de grandes áreas para a sua instalação. Além disso, o sistema tem menor custo de automação e é mais barato por ter menor número de dornas. Segundo Eloisa Mocheuti Kronka, diretora da Al Sukkar Biotecnologia Industrial, esta fermentação é indicada para plantas que utilizam matéria-prima de melhor qualidade como, por exemplo, caldo evaporado com adição de até 40% de ART proveniente do mel.

Por outro lado, a fermentação em batelada, apesar de utilizar várias dornas com capacidade menor – que são processadas uma a uma – e de possuir alto custo de instalação, automação e de manutenção, são mais fáceis de limpar, propiciam um melhor controle microbiológico e oferecem melhor rendimento, o que exige menos investimentos em insumos.

Normalmente, a unidade produtora vai decidir pelo tipo de fermentação que melhor se adapta as características de espaço físico da sua unidade, das características da matéria-prima e até do clima da região onde a usina fica localizada. “Assim, cada uma das fermentações tem seus prós e contras e a escolha vai depender das características de cada unidade produtora. Um aspecto relevante na comparação entre os tipos de fermentações, é no volume de vinhaça produzido, pois, sem dúvida, o futuro da indústria sucroalcooleira vai depender da produção de menor volume deste resíduo e isto implica em trabalhar com alto teor alcoólico no vinho. Este fator deverá alterar o desenho das fermentações para atender as necessidades do processo sem perda da eficiência fermentativa”, destaca Eloisa.

Para Finguerut, a fermentação contínua, quando construída para minimizar os custos de instalação, é menos flexível e tem maior inércia, isso significa que alterações significativas das condições de operação afetam mais a contínua do que em batelada.

“Como o rendimento da fermentação e o teor alcoólico final na contínua são muito parecidos, não há atratividade em colocar uma contínua numa ampliação, numa reforma ou numa nova instalação. Hoje as usinas buscam maximizar os ganhos na comercialização e portanto alteram o seu mix de produtos de forma a atender rapidamente as demandas, o que ocorre às vezes sem programação prévia, alterando as condições de alimentação da fermentação, afetando a contínua de forma mais negativa do que o sistema em batelada. A batelada é um pouco mais cara, porém é mais robusta”, destaca.

MONITORAMENTO GARANTE EFICIÊNCIA

Atualmente as usinas conseguem atingir eficiências entre 88% e 92% nos processos fermentativos, que são os responsáveis pelas maiores perdas de açúcares na indústria – chegando a 60% do total de perdas – causadas principalmente pela ação das bactérias contaminantes provenientes do solo (que entra junto com a cana) e da água.

“Para minimizar as perdas é necessário medir, analisar e melhorar as condutas de controle do processo, ou seja, fazer um controle e monitoramento que forneça informações mais precisas aos operadores, de modo a permitir que sejam tomadas medidas para melhorar as condições de operação do processo e proporcionar um ambiente adequado para que a levedura tenha um alto rendimento fermentativo”, afirma a Eloisa.

Para Amorim Neto, não existe fórmula mágica para se chegar a um percentual de eficiência perfeita. “Na fermentação, como trabalhamos com organismos vivos, dar maior atenção aos detalhes na condução do processo é o mais importante. Portanto, não existe uma fórmula correta para o melhor rendimento fermentativo. A usina precisa mudar a condução do seu processo dependendo do mix que trabalha, das instalações que possui e da levedura que está na dorna.”

Ainda de acordo com ele, se a usina não realizar análises bem feitas e que a permita tomar decisões em cada parte do processo, não há possibilidade alguma de se elevar o rendimento fermentativo. De uma maneira geral, explica o vice-presidente da Fermentec, as unidades que estão trabalhando com teores alcoólicos mais elevados e que possuem cromatógrafos e um laboratório adequado, são aquelas que terão maiores rendimentos. “O máximo que se consegue em rendimento é 92%. A média das unidades clientes da Fermentec é de 89,9%, mas alguns clientes possuem valores acima de 91% de rendimento fermentativo.”

Para fazer este controle e monitoramento com melhor eficiência, a Al Sukkar desenvolveu um sistema de análise que identifica as bactérias contaminantes individualmente e nos principais pontos de contaminação: no caldo que entra, na água, no mel, no mosto e vinho. Com isto, tem-se uma informação mais precisa da contaminação em todos os pontos críticos, antes e depois da dorna (a qual avalia-se também as condições da levedura no processo).

Este sistema de análises, chamado Sukkarbio, é composto por um kit que contem meios específicos para a identificação e quantificação das principais bactérias contaminantes do processo. “Com o uso deste kit, tem-se uma atuação preventiva no processo, ou seja, tem-se a informação da contaminação de todo o processo antes e depois da dorna. Com isto, é possível melhorar as condições de operação do processo e assim, o rendimento fermentativo. Na evolução do Sukkarbio, estamos desenvolvendo outro sistema chamado de Femsystem, que fará o controle e monitoramento da contaminação através de análises químicas dos subprodutos das bactérias. Este sistema terá um software que vai permitir fazer uma correlação entre o teor dos ácidos orgânicos (subprodutos das bactérias) com a concentração das respectivas bactérias, emitindo online relatórios com diagnósticos da contaminação em tempo real, ou seja, dentro do ciclo fermentativo”, explica Eloisa.

Este é um novo conceito e uma nova tecnologia para o controle do processo fermentativo industrial. “Este sistema trará ganhos em até 1% no rendimento fermentativo, proporcionando uma redução de 40% a 50% nas perdas como também no consumo de produtos”, adiciona Eloisa.

FERMENTAÇÃO DE ALTO TEOR ALCOÓLICO

Para produzir um menor volume de vinhaça é preciso que se tenha um vinho de alto teor alcoólico e, para isto, a fermentação deverá estar desenhada para atender esta necessidade sem perda de eficiência. Amorim Neto, explica que a elevação do teor alcoólico no vinho bruto tem sido uma das prioridades do setor por propiciar uma série de vantagens econômicas e técnicas como a redução do consumo de água no tratamento de fermento, do uso de vapor na destilação, do volume de vinhaça e do consumo de energia elétrica para a centrifugação de fermento.

Segundo Amorim Neto, com tantas vantagens, a fermentação de alto teor alcoólico vem gerando cada vez mais investimentos em leveduras adaptadas e melhorias no controle dos processos por meio da cromatografia. As dificuldades impostas ao processo fermentativo por uso exclusivo ou de grande proporção de mel final na formulação do mosto estão sendo amenizadas por meio de procedimentos específicos que tornam possível a condução da fermentação com teores alcoólicos superiores a 10% para unidades que fermentam mel e água.

O avanço deste tipo de fermentação a partir de melaço se confirma quando são analisados os dados das dez unidades industriais com os maiores teores alcoólicos. Entre estas usinas, 40% fermentam com mosto a base de melaço e água, 30% com mostos mistos (caldo + melaço) e as 30% restantes com mostos de caldo evaporado. A proporção de unidades que fermentam com teores alcoólicos acima de 10% tem aumentado (entre 9% e 10% dos clientes Fermentec) assim como a proporção de unidades que trabalham com teores entre 9% e 10% também vem aumentando progressivamente, o que indica que é uma tendência de mercado.

Amorim Neto destaca que antes de se pensar em investir altos valores em concentradores de vinhaça, as usinas devem pensar em aumentar o teor alcoólico dos seus processos de fermentação. “Os benefícios são muitos. Usinas que estão trabalhando com teores alcoólicos de 10% a 12%, obtém vinhaça concentrada em até 30%. Desta forma, a usina pode economizar milhões de reais.”

FERMENTAÇÃO CONTÍNUA MULTIESTÁGIO

Também pensando na questão da diminuição do teor de vinhaça no processo industrial, os pesquisadores do CTBE (Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol) desenvolveram, entre 2012 e 2015, um sistema de Fermentação Contínua Multiestágio. Segundo Daniel Atala, coordenador da Divisão Agrícola do CTBE, o projeto surgiu de um desafio de olhar para algo muito bem estabelecido, como a fermentação contínua, e tentar implementar melhorias significativas com base nas melhores informações disponíveis na literatura e práticas de engenharia existentes. “Assim surgiu o conceito da Fermentação Contínua Multiestágio, que permite alcançar vinhos fermentados com 15% em volume de teor alcoólico. Trata-se de um processo parecido com o sistema contínuo existente, só que com alguns diferenciais significativos.”

Neste sistema desenvolvido pelo CTBE, trabalha-se com cinco estágios de fermentação (não limitados a estes números) e não quatro como ocorre na maioria dos processos contínuos. Estes estágios apresentam um perfil de temperatura que diminui ao longo dos fermentadores (nos processos atuais o perfil de temperatura é constante), sendo este uma função do teor alcoólico no processo. Quanto maior o teor alcoólico, maior é o efeito inibitório exercido sobre a levedura, que é agravado com o aumento da temperatura. Assim, a medida que se diminui a temperatura da fermentação nos estágios finais, a tolerância ao etanol aumenta, o que permite trabalhar com elevados teores alcoólicos e ter a levedura sempre em condições ótimas nos diferentes estágios.

“Como o processo foi repensado, também foram propostas mudanças no processo de reciclo com a inclusão de uma segunda etapa de centrifugação com uma reativação celular, o que permite manter a levedura sempre ativa e viável garantindo assim o reciclo de biomassa”, destaca Atala.

Um ponto importante neste desenvolvimento foi a obtenção de vinhos com elevado teor alcoólico no processo, o que traz uma série de benefícios como:

• Barreira natural para contaminantes: funciona como uma barreira natural para a entrada de leveduras oportunistas (selvagens) e no estabelecimento de contaminantes bacterianos no processo, contribuindo assim, para a saúde da fermentação e para seu elevado índice de rendimento;

• Diminuição de Capex: aumento da produtividade, o que significa produzir mais etanol nos mesmos volumes de fermentadores, sendo uma excelente oportunidade para o retrofit de processos existentes (quando se quer aumentar a capacidade de moagem das unidades ou redução do volume de fermentadores para os novos processos);

• Diminuição de Opex: quanto maior for o grau alcoólico do vinho produzido, menor será o gasto de energia na destilação (Capex de destilaria) e menor será o volume de vinhaça gerada (Capex em concentrador de vinhaça) com consequências na sua aplicação no campo.

Este processo, segundo o coordenador da Divisão Agrícola do CTBE, por ter um teor alcoólico maior, gera um volume de vinhaça 60% menor ao encontrado hoje nas unidades produtoras, o que impacta no transporte e aplicação em campo. Por outro lado, este menor volume favorece energeticamente o processo de concentração de vinhaça com impactos diretos no transporte e aplicação.

A tecnologia foi desenvolvida e validada na Planta Piloto de Desenvolvimento de Processos (PPDP) do CTBE. A BP, que participou dos estudos como parceira desta tecnologia, poderá avaliar sua implementação em uma nova planta no futuro. “Como próximos passos, planejamos sua validação em planta demonstrativa e estamos avaliando sua prototipagem virtual através de modelagem bem como o aprimoramento da levedura para este processo.”

NA CONTRAMÃO DA MAIORIA

Enquanto a maioria das usinas fazem sua fermentação em bateladas a Usina Ferrari, localizada em Pirassununga, SP, escolheu adaptar o seu sistema e transformá-lo em contínuo. Conhecida como uma das mais avançadas quando o assunto são novas tecnologias, a empresa explica que na expansão da unidade o investimento para a adaptação do processo em batelada para contínua apresentou o melhor custo-benefício. Entre os motivos se destacaram a otimização operacional e ganhos como um menor volume de dornas instaladas, menor área de troca térmica e torres de resfriamento, redução do quadro operacional e maior estabilidade no processo.

Hênio Respondovesk, gerente Industrial Geral da Usina Ferrari, explica que dentro do processo de fermentação dois itens ajudam a obter uma maior eficiência para a usina, sendo eles a automação do processo e o sistema de agitação hidráulica das dornas.

“Hoje a usina produz 13 l de vinhaça para 1 l de etanol com um teor alcoólico de 8,5 %. O máximo de eficiência que conseguimos chegar tem sido 91%. As principais ações realizadas são o controle de temperatura e de infecção. A usina está planejando investimentos para o aumento do teor alcoólico e redução no volume de vinhaça”, finaliza.

Finguerut afirma que, assim como a Usina Ferrari, outras unidades continuam com este sistema porque os rendimentos e características dos vinhos finais são bastante parecidos com o que é obtido no sistema em bateladas. “As vantagens e desvantagens da fermentação contínua ficam balanceadas para uma planta que já usa este processo há bastante tempo. A usina segue com a contínua por causa da maior facilidade operacional e menor manutenção, mesmo que exija um maior aprendizado para sua otimização e bons controles laboratoriais”, conclui.