Fermentação11º SBA Seminário Brasileiro AgroindustrialRibeirão Preto, Outubro|2010

Henrique Amorim

SEDE FERMENTEC

SEDE FERMENTEC

• PESQUISA & DESENVOLVIMENTO E ANÁLISES

• CURSOS E TREINAMENTOS

• CONSULTORIA (TRANSFERENCIA DE TECNOLOGIA)

Nossos Serviços

• INDÚSTRIAS DO AÇÚCAR

• BEBIDAS DESTILADAS

• PRODUÇÃO DE ETANOL

AREAS

• BIOQUÍMICA

• CIÊNCIAS AGRÍCOLAS

• MICROBIOLOGIA

• QUÍMICA

Profissionais especializados em:

Formação TOTAL

PhD and post Doctoral 9

Master's Degree 9MBA 4

BS 18

ADM 10

TOTAL 50

Nossa Equipe

Cana de açúcar (Mi de ton.)

Álcool (Bilhões de litros)

Açúcar (Mi de ton.)

160

79

Clientes com Contrato AnualProdução anual

Bebidas destiladas (Mi litros) 500

• MULLER 51 (Cachaça)

• VALE VERDE (Cachaça)

• CASA CUERVO (Tequila)

• CAZADORES (Tequila)

• BACARDI (Rum)

Bebidas DestiladasClientes Fermentec

1. O que fazemos bem e precisamos melhorar

Contração de volume e medição do rendimento da fermentação

Porque este estudo?

Perda de massa

O que é contração de volume?

Como se mede o rendimento da destilaria?

Porque ocorre esta contração?

Contração de volume na fermentação

Medição do rendimento da fermentação

Volume vinho bruto x

Gl vinho bruto

Volume pé x

Gl pé

Volume mosto x %ARTmosto

x 0,6475

= X 100

=

-

Rendimento Fermentação

Inicio da alimentação do levedo tratado

Medição do rendimento da fermentação

Medição do volume de levedo tratado (cuba)

Medição do rendimento da fermentação

Alimentação do mosto

Medição do rendimento da fermentação

Volume de Vinho Bruto Total = Mosto + Levedo

Medição do rendimento da fermentação

Medição do Volume de Vinho Bruto (final da fermentação)

Medição do rendimento da fermentação

Volume de Mosto

Volume de vinho Bruto Volume de Levedo Tratado-

=

H1 = Volume alimentado de mosto + Levedo

H2 = Volume medido final da fermentação

H2 < H1

Medição do rendimento da fermentação

Porque ocorre este fenômeno?1. Hidrolise da Sacarose

O

342 g SACAROSE

H2O

INVERTASE+

GLICOSE

FRUTOSE

360 g AÇ.REDUTORES

5,26 g de Água é Incorporada em 100 g

de Sacarose

2. Perda de Massa na Fermentação

+

GLUCOSE

100 g AR

FRUTOSE

FERMENTAÇÃO

49 g DE GÁS CARBÔNICO

51 g DE ETANOL

3. com a fermentação, além da perda de massa, ocorre nova acomodação entre as moléculas de água e etanol

Objetivo do Estudo

Avaliar o erro do volume do mosto e conseqüentemente o efeito no cálculo do rendimento da fermentação

Condições do experimento

Teste conduzido em triplicata14 testes realizados10% levedo no vinho

%Álcool Vinho

4,79 6,45 8,70 10,93

%Álcool no pé

3,19 3,94 4,96 5,72

%Levedo no pé

40 38 40 38

%ART mosto

9,72 13,61 18,80 23,00

Resultados

Média de 3 experimentos em 2005/2006 mais 1 experimento realizado em 2004

Tendência foi constante em todos os experimentos

Teor Alcoólico

%Erro no rendimento

Correlação

4,79 0,134R2

Equação

6,45 0,330 a b

8,33 0,520 0,9915 0,1255 0,4789

9,07 0,685 y = 0,1255x + 0,4789

10,93 0,901

Resultados

y = 0,1255x - 0,4789R2 = 0,9915

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

%Álcool no Vinho Bruto

%Er

ro n

o R

endi

men

to

Contração de Volume

Conclusão

1. Durante a fermentação a perda de massa (CO2) e um rearranjo molecular, acarretando uma redução no volume

2. A redução de volume é proporcional ao teor de açúcar no mosto. Quanto maior o ART do mosto maior a contração do volume

3. O erro induzido no rendimento é de cerca de 0,12% a mais para cada 1% de teor alcoólico a mais. (faixa testada de 4,5 a 11% de álcool)

Determinação do rendimento da fermentação por subprodutos

Mosto

Fermento tratado

Açúcares (sac + gli + fru)SaisÁcidos orgânicosOutros

Fermento (levedo)EtanolÁcidosSaisGlicerolOutros

Vinho

EtanolGlicerolLevedo (biomassa)ÁcidosAçúcares residuais

Soma tem que dar 100

Realidade

Normalmente subestimamos os subprotutos, porque:

Biomassa: Quando flocula ou decanta, não conseguimos medir.

Ácidos: Alguns ácidos são metabolizados por bactérias e parte do acético evapora com o CO2.

Manitol: Produto formado por lactobacilos heterofermentativo.

Se subestimamos estes subprodutos, vamos superestimar o rendimento da fermentação

Avaliação mais realista do rendimento da fermentação

Infermentescíveis do Melaço

USINAAçúcares

Totais(HPAEC)

ART (Eynon-Lane)

Infermentescíveis (%)

A 56,13 60,87 8,45B 54,05 57,45 6,28C 58,67 62,81 7,05D 52,60 56,46 7,33E 54,54 59,36 8,83 F 60,88 66,47 9,18

Açúcares residuais em vinhos

Somogyi e Nelson

%Glicose % Frutose %Sacarose %Açúcares totais

%ART

A 0.043 0.034 0.362 0.459 0.599B 0.020 < 0,001 1.362 1.454 2.094C 0.017 < 0,001 < 0,001 0.017 0.295D < 0,001 < 0,001 < 0,001 < 0,001 0.214E 0.044 0.017 0.020 0.082 0.650

Resultados HPAEC-PAD

USINA

X

X

4 5 6 7 8 9 10 20HORAS

0

2

4

6

8

10

ART/DIONEX BRIX REFRART/SOMOGYI

BR

IX R

EFR

ATO

MÉT

RIC

O

ART

(%)

1

2

3

4

5

0

Determinando o Fim da Fermentação

SimulaçãoNúmero de dornas 7Tempo de fermentação (h) 10Tempo de centrifugação (h) 2Tempo economizado por ciclo 1Tempo economizado por dorna por dia (h) 2Tempo economizado total por dia (h) 14Tempo economizado por 200 dias de safra (h) 2800Número de fermentações extras por safra 255

Determinando o Fim da Fermentação

Número de dornas 7Tempo de fermentação (h) 10Tempo de centrifugação (h) 2Tempo economizado por ciclo 1Tempo economizado por dorna por dia (h) 2Tempo economizado total por dia (h) 14Tempo economizado por 200 dias de safra (h) 2800

Aumento de produção + 9%

Determinando o Fim da Fermentação

Simulação

Em 2 Minutos:Glicerol Teor AlcoólicoAcetatoManitolSacaroseFrutose Glicose

Biofoss FTIR:

Etanol

Acetato

Glicerol

Sacarose

2. Utilização de produto e resultado obtido (Caso 1)

A toxidez do alumínio e a linhagem da levedura

13

16

20

23

27

31

34

38

41

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

semana

Alum

ínio

no

mos

to

7,6

8,2

8,8

9,3

9,9

10,5

11,0

11,6

12,2

Tem

po d

e Fe

rmen

taçã

o

Y = 7,28186344 + 0,1022381 X (* r = 0,65960)

Estudo de caso na Industria - 2006

Alumínio (teste laboratório) 130ppmViabilidade

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 ciclos

%

CAT-1 PE-2 BG-1 BY

85

90

95

100

1 2 3 4 5 ciclos

%

CAT-1 PE-2 BG-1 BY

Rendimento

Alumínio (teste laboratório) 130ppm

456789

10111213

2006 2007 2008 2009

Tempo de fermentação (h) Etanol vinho (%)

100% PE-2

Estudo de caso – 10 primeiras semanas100% PE-2 40% PE-2

60% CAT-110% PE-290% CAT-1

Tem

po d

e fe

rmen

taçã

oEt

anol

2. Utilização de produto e resultado obtido(Caso 2)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

25 82 159 214 235

CAT-1 PE-2 SELVAGENSBG-1 Selvagem D1 Selvagem D3

Destilaria ASAFRA 2006/2007

DIAS

0%

20%

40%

60%

80%

100%

21 106 224 247

CAT-1 PE-2 SA-1SELVAGENS Selvagem D1 Selvagem D2Selvagem D3 Selvagem D4

SAFRA 2007/2008

DIAS

Destilaria A

0%

20%

40%

60%

80%

100%

92 220CAT-1 PE-2 SA-1SELVAGENS Selvagem D1 Selvagem D3Selvagem D4

SAFRA 2009/2010

DIAS

Destilaria A

SAFRA 2010/2011

DIAS

Destilaria A

0%

20%

40%

60%

80%

100%

2 12 17 26

CAT-1 PE-2 FT858L Selvagens

Concentração centrífuga: unidade V2

50

60

70

80

90

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

SEMANA

CON

C. C

ENTR

ÍFU

GA

S (%

)

SAFRA 2008/09 SAFRA 2009/10 SAFRA 2010/11

Desempenho FT858L

2009Lev. Selv.

2010FT 858

Aglomeracao (%) 42 1,7Cont. Bact. (10x7) 3,5 1,2Viabilidade (%) 82 87% alcool vinho 8,9 9,5Tempo ferm. (h) 9,8 9,6Antibiotico (mg/L) 11,7 8,7Acido (g/L) 5,6 6,1

3. Eficiências (reais) alcançadas

Dificuldade de se medir corretamente o rendimento

Biomassa

Glicerol

Contaminação

Açúcar Residual

Dados tem que ter coerência

Média máxima 92%Picos 93%Média clientes Fermentec 90,4%

Realidade

4. Desafios Futuros

ECOFERMFermentação com até 16% de teor alcoólico:Reduzindo a vinhaça pela metade

Tadeu Fessel

Tadeu Fessel

O Processo de Fermentação ECOFERM

A Planta de Demonstração ECOFERM

ECOFERM - Fermentação com Até 16% de Teor Alcoólico: Reduzindo a Vinhaça pela Metade

ProcessoMosto

Açúcar

14 – 30 %

% etanol

7 – 16 %

Levedura

BG-1XAROPE – FT - A

TEOR ALCOÓLICO e TEMPO DE FERMENTAÇÃO

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

22,00

24,00

26,00

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126

Rodadas

Tem

po fe

rm. (

h)

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

22,00

24,00

26,00

% álcool (v/v)

Tempo de fermentação Teor Alcoólico

BG-1XAROPE – FT - A

VIABILIDADE e TEOR ALCOÓLICO

44,00

52,00

60,00

68,00

76,00

84,00

92,00

100,00

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 105 109 113 117 121 125 129

Rodadas

%

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

% álcool (v/v)

Viabilidade Teor Alcoólico

XAROPE – FT - B

TEOR ALCOÓLICO e TEMPO DE FERMENTAÇÃO

9,00

11,00

13,00

15,00

17,00

19,00

21,00

23,00

25,00

1 9 17 25

Rodadas

Tem

po fe

rm. (

h)

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

% álcool (v/v)

Tempo de fermentação Teor Alcoólico

Tadeu Fessel

A Planta de Demonstração ECOFERM

ECOFERM - Fermentação com Até 16% de Teor Alcoólico: Reduzindo a Vinhaça pela Metade

Localizada na UsinaBom Retiro – Grupo Cosan (Capivari – SP – Brasil)

Capacidade de Fermentação de 20.000 L de etanol/dia

Operação 2008/2009/2010

Utiliza vinhaça como fonte de calor

Ecoferm: Planta de Demonstração

CHILLER

Ecoferm: Processo de fermentação com resfriamentopor água gelada

FERMENTAÇÃO

ÁGUA + ETANOL

ÁGUA

CO2

COLUNA DE LAVAGEM

TORRE DE RESFRIAMENTO

VINHAÇA

ÁGUA GELADA (CHILLER)

VINHAÇA – FONTE QUENTE

VINHO/ VINHO EM FERMENTAÇÃO

36,3 C

20 C

25 C

29 C

85 C

PRÉ FERMENTADOR

MOSTO

BIOETANOL

VINHO

DESTILAÇÃO

K

78oC

ÁGUA DA TORRE

VAPORES

Ecoferm: Processo de fermentação com resfriamento por água gelada

Visão geral da planta Ecoferm

Ecoferm: Processo de fermentação com resfriamento por água gelada

Chiller Ecochill entre a torre de água e o fermentador

Balanço Energético

EVAPORAÇÃO1º EFEITO

EVAPORAÇÃO2º EFEITO FERMENTAÇÃO

TORRE DE RESFRIAMENTO

Caldo

Vegetal V1 p/ Destilaria

Vegetal V2 p/ Chiller

ECOCHILL

DESTILAÇÃO

Vinhaçap/ Chiller

Etanol

VaporEscape

CO2

Condensadosp/ Chiller Vegetal

V2p/ Chiller

Vinhaçap/ Chiller

Make upCondensados

Vegetal V2

Vinhaça

Fontes de Energia

1ª Opção2ª Opção

3ª Opção

% Etanol no vinho (GL)

Volume de vinhaça gerada (l/l et)

Água circulante na fermentação (l/l et)

Consumo de vapor na destilaria (kg/l et)

Tempo de fermentação (horas)

Energia disponível p/Cogeraçao (Kwh/tc)

8,0

10,6

99,9

2,60

8,1

78,2

9,0

9,1

100

2,36

9,06

79,7

10,0

8,0

100

2,16

10,6

81,0

11,0

7,0

101

1,99

11,0

82,2

Resultados para diferentes teores alcoólicos

16,0

3,9

53,5

1,46

16,2

82,3

16,0

3,9

53,5

1,46

16,2

83,8

2 efeitos

3 efeitos

Balanço de Energia no sistema de Fermentação com refrigeração por Chiller de Absorção

Evaporação com 1 efeitoIndicadores

Dados referentes a produção de etanol hidratado

Insumos

Ácido 0,73g/L etanol (Piloto)

Antibiótico

Antiespumante

Redução pela metade douso de centrífugas

Economia

Água de Diluição

Produção de 1.000 m3 etanol /dia

De 8% para 16% de teor alcoólico

Economia de 900 m3/dia

Redução 50% volume para diluição

Variação da Relação Volumétrica Vinhaça/Etanol em Função do Grau Alcoólico do vinho

Aquec. Indir.

Borbotagem5

Consumo de Vapor

Vinho (oGL)Consumo Vapor

(Kg/L etanol produzido)

8 2,609 2,3610 2,1611 1,9912 1,8513 1,7414 1,6115 1,5216 1,46

Ganho de 1,14Kg/L de etanol hidratado

Ganho – Distribuição Vinhaça

Distância (Km)

Teor Alcoólico do Vinho

9,5 p/ 12,00 9,5 p/ 14,00 9,5 p/ 16,6

Vinhaça Vinhaça Vinhaça

10,5 1.295.635,74 2.275.427,35 3.295.831,43

20,5 1.912.724,60 3.359.095,58 4.870.160,56

30,5 2.663.516,04 4.677.558,60 6.785.594,33

Produção de 216 milhões L/safra

Valores em R$

Economia

216.000 m3 de etanol produzido

90 L/tonelada de cana

R$ 6.785.594,33 – Unidade A

R$ 4.296.110,40 – Unidade B

Ganho com Vinhaça

- Redução do Volume de Vinhaça pela metade

- Economia de Água tratada, pela metade

- Economia de Insumos

- Otimização do Balanço Energético

- Economia na distribuição da vinhaça

- Redução de centrífugas, pela metade

Vantagens

Tadeu Fessel

• 1977 até 2008: somente recursos da Fermentec

• 2008 e 2009: CNPq - bolsistas

• 2010: FAPESP – PIPE - equipamentos

Pesquisa

Financiamento:

MUITO OBRIGADO