Baixe Fermentação2 e outras Resumos em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity!
Fermentação - Produção Industrial de Cerveja
A produção de cerveja envolve duas etapas básicas :
- A preparação do mosto
- A fermentação alcóolica do mosto esterilizado
A fermentação alcoólica por sua vez é a transformação dos açúcares fermentáveis do mosto em álcool, gás carbônico e calor. Pode-se dividir a fermentação em três etapas:
1 · Fase de Adaptação: são as primeiras horas da fermentação, é quando a levedura se adapta ao meio.
2· Fase de Multiplicação: é quando a levedura se multiplica, havendo uma grande produção de calor e gás carbônico. Esta fase depende da temperatura do mosto, do teor de açúcares e principalmente da aeração do mosto.
3· Fase da Fermentação: esta fase inicia-se com o término do oxigênio, é caracterizada pela produção de álcool, gás carbônico e calor, reduzindo o teor de açúcares.
Basicamente temos duas etapas básicas no processo :
Fase aeróbia – Crescimento e adaptação das leveduras => necessidade de aeracão. Fase anaeróbia – Fermentação alcóolica do mostro => ausência ou muito baixa concentração de O (^2)
A fermentação é uma etapa muito importante na fabricação de cerveja. Neste caso, como a cerveja produzida é do tipo lager, realiza-se uma fermentação baixa, numa temperatura entre 3 e 14°C.
As alternativas tecnológicas para este processo são:
· Sistema em batelada
- Tanque aberto
- Tanque fechado · Sistema contínuo
O tanque aberto é pouco utilizado hoje em dia devido às diversas desvantagens:
- O CO2 é liberado ao ambiente não sendo recuperado e provocando riscos de asfixia entre os funcionários além da necessidade de um sistema de ventilação eficiente;
- São provocadas algumas perdas de etanol decorrentes da própria liberação do anidrido carbônico;
- O tempo de fermentação é maior que o requerido para tanque fechado (tempo estimado entre 8 e 10 dias). Os fermentadores fechados são geralmente construídos em aço inox e possuem alta capacidade de fermentação. Apresentam várias vantagens: · existe um controle de temperatura mediante camisas de refrigeração melhorando a qualidade do produto final; · as perdas durante o processo de fermentação são pequenas; · o anidrido carbônico é recuperado, sendo reincorporado ao produto de forma artificial posteriormente; · a utilização do lúpulo é maior do que a do tanque aberto pois neste último, se forma uma capa de leveduras que adsorve as resinas do lúpulo, o que não acontece no tanque fechado; · o sistema de limpeza é automatizado, in situ (CIP); · existem correntes de mistura auto-geradas provocadas pelo CO2 ; · a sedimentação da levedura é facilitada pois fica compactada no extremo cônico do fermentador;
· a fermentação é mais rápida do que no tanque aberto pela vigorosa agitação do CO2 produzido, levando entre 5 e 7 dias para ser realizada.
TANQUE FECHADO PARA FERMENTAÇÃO E MATURAÇÃO
O método de fermentação contínua do mosto emprega uma série de tanques providos de agitadores. No primeiro deles é depositada a levedura e é alimentado com um fluxo contínuo de mosto, a levedura fermenta o mosto, que passa ao segundo tanque. A principal vantagem do sistema contínuo é a mínima necessidade de limpeza (uma vez atingido o equilíbrio), podendo ficar de seis a nove meses sem ser realizada. Os problemas relacionados com este tipo de sistema são: · dificuldade de atingir o ponto de equilíbrio, podendo transcorrer de duas a três semanas sem que se consiga uma qualidade adequada; · maior perigo de contaminação que o sistema em batelada pela possibilidade de desenvolvimento de leveduras selvagens no sistema; · dificuldade na obtenção de um aroma homogêneo na cerveja produzida em comparativo ao sistema descontínuo, especialmente nas do tipo lager. Atualmente, o método mais empregado pela indústria, na fabricação de cerveja, é o sistema em batelada com tanque fechados, pois oferece o maior numero de vantagens em relação aos outros métodos.
Os processos contínuos levam a maior volume processado ao longo do período , logo são mais produtivos e geram um produto final mais uniforme.
A geometria do fermentador é muito importante para evitar a formação de zona mortas , onde não há fermentação. O CO 2 gerado no processo ajuda a homogeneizar o meio e garantir uma fermentação mais eficiente e uniforme , logo a melhor geometria é a cilíndrica ( e algumas variantes desta ) ,porque permite maior tempo de residência das bolhas em movimento aleatório no interior do meio reacional , que naturalmente auxiliam na agitação e carregam as impurezas presentes para a superfície do liquido fermentado ,no interior da dorna.
Em toda fermentação alcóolica , a relação (^)
D
H
do bioreator deverá ser maior que a unidade ,
este é um dado importante e estudos recentes visando a otimização do processo apontam neste sentido. Para a otimização da fermentação alcóolica teremos então :
^1 ,^8
D
H
Abaixo Esboço de vários arranjos para fermentação contínua.
Os processos contínuos modernos usam células imobilizadas para a fermentação alcóolica.
Fermentação com Células Imobilizadas.
Vantagens:
- Facilidade de separação de células do meio de fermentação , não necessita das etapas de separação das leveduras.
- Aumentas a estabilidade do bioreator
- Possibilidade de fermentação com alta concentração de células.
- Possibilidade de operação com altas diluições.
- Redução dos riscos de contaminação.
- Redução do volume do fermentador.
- Aumento da durabilidade do biocatalisador.
Desvantagens :
- Problemas de transferencia de massa
- Alto custo de instalação e operação.
- Possibilidade de rompimento de suportes devido a pressão de CO (^2)
OBS : Biocatalisador = Células viáveis e ativas + suporte inerte.
Biocatalisador para fermentação alcóolica :
Sacharomyces cerevisiae suportada em bagaço de cana.
O suporte pode ser ativado quimicamente por agentes bifuncionais , melhorando a aderência das células ao mesmo e facilitando o processo.
Tal aderência pode ser obtida por :
Adesão química : 1- Compostos bifuncionais – agentes de ligações cruzadas e lábeis , facilmente reversíveis por mudança das condições reacionais. 2- Substancias químicas que formam pontes de hidrogênio entre a membrana celular ( superfície de contato da célula com o suporte ) e o suporte.
Adesão física :
Adesão superficial
- Adesão natural : Celulose, bagaço de cana , resinas troca íons carregadas , etc.
Células imobilizadas são aquelas que estão fisicamente confinadas ou localizadas em uma região definida do espaço com retenção de sua atividade catalítica , de sua viabilidade e de seu metabolismo, podendo ser reutilizadas continuamente por um longo período. As células ficam aderidas e imobilizadas em um suporte e o conjunto recebe o nome de biocatalisador. Isto permite reunir alta concentração de células por unidade de área.
O uso de biocatalisador esta relacionado a fatores tais como :
1- Geometria do bioreator 2- Maior população de células no bioreator 3- Possibilidade de reutilização em períodos mais longos 4- Problemas difusoriais porque uma parte da membrana celular esta aderida ao suporte , dificultando as trocas com o meio ,porem este efeito pode ser compensado pela alta população celular.
O processo contínuo com células imobilizadas é bem recente , já se tem realizado fermentações alcóolicas em pequena escala mas ainda não se tem processos em larga escala industrial. Bem como não se viabilizou este método para a fabricação de cerveja, visto que os custos são mais elevados e temos um bom rendimento com os métodos tradicionais em batelada, no entanto é importante encarar a fermentação continua com células imobilizadas como uma possibilidade futura ,visto possuir algumas vantagens sobre os métodos contínuos já bem estabelecidos.
Os arranjos de varias dornas fermentativas permite maior rendimento e no processo contínuo há maior estabilidade da levedura sem muita perda de biomassa ,pois esta cresce e se repõe ,havendo reciclo de células.
Equacionando o sistema contínuo :
dt
dX
X
V
F
dt
dX
V X
F
VdX = XFdt => ^
X
X
t
t
dX F dt
X
Fdt V
X
dX
V
0 0
Única dorna sem reciclo :
P 0 Y X 0
X
P E temos que :
X
X YP
P
Substrato
dt
dS X FS FS V Y
S S
S
X
^
^1 0
1
0
Dorna Única com Reciclo
1 1 Cf Cf = Fator de concentração => Cf >
= Razão do Reator ( geométrica )
1
0 0 0
dt
dX FCfX FX V dt
dX
V Balanço mássico no bioreator
No regime continuo as dosagens são constantes.
Há muitas outras equações e modelos , aqui temos apenas alguns exemplos mais simples.
