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Nova estratégia para operação de fermentação batelada com tratamento ácido contínuo

Nova estratégia para operação de plantas bateladas com tratamento do fermento contínuo

 

Introdução

Várias unidades de fermentação batelada utilizam tratamento de fermento contínuo, uns por acharem esta forma de tratamento mais adequado por facilitar o ajuste de pH e levar a uma economia de ácido e outros por necessidade, já que foram construídas dornas novas de maior volume sem se fazer os ajustes necessários no tratamento do fermento.

O principal problema na utilização do tratamento ácido contínuo para fermentações bateladas está no fato de que o tempo que as leveduras ficam em contato com o ácido não é igual para toda a população, já que na operação normal o fermento é acidificado assim que sai da centrifuga e fica aguardando na última cuba até atingir o volume para ser enviado de volta a dorna. Supondo que o tempo de centrifugação da dorna seja 2 horas, as primeiras células que foram centrifugadas estarão expostas ao ácido 2 horas a mais em relação àquelas centrifugada por último.

Visando minimizar este problema, sem ter que substituir o tratamento ácido existente, foi elaborada uma estratégia operacional pela BioContal que permite a operação destas unidades com equalização do tempo de tratamento, a qual está descrita abaixo

Descrição da estratégia

Com o surgimento das plantas com fermentação sem reciclo, ficou claro que a concentração elevada de açúcares nas dornas de fermentação não interfere diretamente no desempenho das células de levedura. Nestas unidades, a alimentação dos fermentadores é feita de forma rápida com uma quantidade de fermento pequena, elevando a concentração de açúcares no meio em fermentação e isto não diminui a velocidade de fermentação, muito pelo contrário, acaba acelerando o processo fermentativo. Testes realizados em laboratório mostraram que alta concentração de glicose e frutose no meio aumenta a velocidade de fermentação, ou seja, o efeito inibidor do substrato na conversão é muito pequeno. Assim, estratégias de operação onde altas concentrações de ART no meio fermentativo são atingidas elevará a produtividade do sistema.

A estratégia proposta é alimentar uma única dorna ou mais com o mosto e fermento já misturado. Adicionando o fermento a linha de mosto na saída do trocador utilizado para resfriar este fluído, protege-se esta linha dos microrganismos contaminantes, pois, tem-se presente as células de levedura em grande número e baixo pH. Assim, estas linhas tornam-se parte integrante das dornas. Este fato faz com que estas linhas estejam protegidas e o sistema de CIP das mesmas possa ser bem menos rigoroso.

O enchimento das dornas se faz com esta mistura que deve ser controlada por uma malha onde a vazão de fermento é proporcional a vazão de mosto, segundo a taxa de reciclo desejada. Desta forma, para uma taxa de reciclo de 30%, ou seja, o volume de fermento tratado é 30% do volume de vinho (mosto mais fermento), a concentração de ART no meio fermentativo será de aproximadamente 70% daquela contida no mosto ou o brix do material em fermentação será aproximadamente 70% daquele apresentado pelo mosto. Como exemplo, uma dorna que é alimentada com mosto a 20 de brix, pode atingir 14 de brix no material em fermentação, o que acaba acelerando o processo fermentativo devido a alta concentração de ART.

Esta estratégia possui algumas vantagens importantes, sendo elas:

- Maior velocidade de conversão

- Tempo de ciclo menor por não possuir a etapa de transferência de fermento da cuba para as dornas

- Elimina a linha de distribuição de fermento para as dornas

- Diminui o risco de contaminação na linha de alimentação de mosto às dornas

- Permite correção da quantidade de fermento adicionado as dornas quando ocorrer variação de vazão de mosto

- Em caso de alimentação de uma única dorna, permite a automação completa do processo somente com os medidores de vazão de mosto e fermento, dispensando os medidores individuais das dornas.

- Simplifica os diagramas de ocupação utilizado no sincronismo das malhas.

Como desvantagem apresenta:

- Maior quantidade de calor liberado devido a maior velocidade de conversão

- Pode levar a um consumo maior de dispersante e antiespumante.

Validação

Para validar a nova estratégia de operação, foi realizado em escala de laboratório 2 ensaios fermentativos em fermentadores de 5 litros de volume, utilizando a mesma suspensão celular e o mesmo mosto.

A suspensão de fermento foi preparada hidratando fermento seco de forma a atingir 97 gMS/ L de células. A este foi adicionado etanol para que no final o mesmo atingisse 36 g de etanol/L.

O mosto foi preparado com sacarose como fonte de carbono, extrato de levedura e sais. A quantidade de sacarose foi adicionada para atingir uma concentração de 235 g de ART/L.

No fermentador 1, 3.500 mL mosto foi adicionado de uma vez e após ter atingido a temperatura de 34oC recebeu 1.500 mL de suspensão de célula. No fermentador 2, o mosto e o fermento foram misturados em linha na mesma proporção utilizada no fermentador 1 e enviada ao fermentador 2, sendo seu volume completado em uma hora.

Amostras do material em fermentação foram coletadas em intervalo de uma hora para determinar a concentrações de células, etanol e ART. A concentração de etanol, glicerol, sacarose, glicose e frutose foram analisadas por cromatografia com detector de índice de refração. A concentração de células foi realizada por método gravimétrico com lavagem sucessivas e secagem em estufa com circulação de ar a 60oC por 24 horas.

Resultados

As tabelas 1 e 2 trazem a concentrações de sacarose, glicose, frutose, glicerol, etanol e células para os ensaios corridos no fermentador 1 e fermentador 2 respectivamente.

Tabela 1 – Perfil de conversão dos açúcares em etanol, células e outros produtos em função do tempo de fermentação no fermentador 1

 Tabela 2 – Perfil de conversão dos açúcares em etanol, células e outros produtos em função do tempo de fermentação no fermentador 2

 

A Figura 1 mostra o perfil de consumo de sacarose glicose e frutose para o ensaio corrido no fermentador 1, onde todo o mosto foi colocado de uma só vez no fermentador.

Figura 1. Perfil de consumo de sacarose glicose e frutose em função do tempo no ensaio realizado no fermentador 1

 Observa-se pelas curvas contidas na Figura 1 que a sacarose é totalmente hidrolisada no inicio da fermentação causando acumulo de glicose e frutose no meio em fermentação. Em seguida, tem-se o consumo da glicose com velocidade mais elevada que o da frutose. Os dois açúcares são consumidos concomitantemente, no entanto a glicose com maior velocidade. Este fenômeno não é diauxia, pois se não, a frutose somente seria consumida após o término da glicose, o que não acontece. Provavelmente este efeito é devido a maior afinidade dos transportadores de hexose contidos na membrana das células com a molécula de glicose, sendo portanto, um fenômeno de transporte seletivo por afinidade.

As figuras 2 mostra os perfis de consumo de ART, produção de etanol, glicerol e células em função do tempo de fermentação para os dois fermentadores.

Figura 2. Perfis de concentração de ART, Etanol, Células e Glicerol em função do tempo para os dois fermentadores

Observa-se pelas curvas contidas na figura 2 que o consumo de ART no fermentador 1, onde todo o mosto foi adicionado de uma única vez foi mais rápido quando comparado com o ensaio corrido no fermentador 2, onde o mosto foi misturado com o fermento em linha e depois enviado para o fermentador. Isto mostra que quando maior for o tempo de enchimento do fermentador menor a velocidade de conversão. Este fato é importante para o processo industrial quando não se tem equipamento de troca térmica suficiente para uma fermentação muito rápida. Neste caso pode-se alimentar mais de uma dorna por vez e distribuir melhor a carga térmica gerada durante o processo.

Para avaliar o desempenho dos dois processos, foi elaborado um balanço de massa com o qual foi possível determinar os parâmetros utilizado nesta análise. Os resultados estão contidos na Tabela 3.

Tabela 3. Dados de balanço de massa para avaliação de desempenho

Observa-se pelos dados contidos na Tabela 3 que os rendimentos em etanol e células e a relação glicerol/etanol apresentadas pelos dois fermentadores foram praticamente iguais entre si, mostrando que a forma de alimentação não interfere no desempenho do processo.

No quesito produtividade, somente os termos de produtividade e consumo de substrato específico ficou ligeiramente menor para o ensaio corrido no fermentador 2, onde a alimentação do mesmo foi realizada com a mistura de fermento e mosto.

Comentários Finais

Pelos dados contidos neste trabalho, pode-se afirmar com segurança que esta estratégia de operação pode ser utilizada industrialmente, mantendo o desempenho observado quando se opera da forma tradicional, ou seja, alimentando as dornas com todo o fermento contido na mesma.

Nenhum ponto estudado forneceu indícios de perda de produtividade ou rendimento na utilização desta estratégia e as vantagens que a mesma apresenta a credencia para estudos em escala industrial.

 

 

 

 

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