TEMPERATURA: IMPORTÂNCIA NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
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1 Discentes na Faculdade de Tecnologia de Araçatuba “Prof. Fernando Amaral de Almeida Prado” 2 Docentes na Faculdade de Tecnologia de Araçatuba “Prof. Fernando Amaral de Almeida Prado” [email protected] Conclusões Conclui-se que a temperatura é um fator importante para desempenho da levedura S. cerevisiae influenciando diretamente na eficiência e no rendimento da fermentação alcoólica. Referências CRUZ, M. L. et al.. Influência da Temperatura da Resistência ao Etanol da Levedura Saccharomyces cerevi-sae Y904. Conference: XI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica. Conference Paper. Jun. 2015. GÓES-FAVONI, S. P., et. al. Fermentação alcoólica na produção de etanol e os fatores determinantes do rendimento. Ibero-American de Ciências Ambientais, São Paulo, v. 9, n. 4, abr./maio 2018. Disponível em: <https://www.sustenere.co/index.php/rica/article/ view/CBPC2179-6858.2018.004.0023/1387>. Acesso em: 03 abr. 2021. LIMA, U. de A.; BASSO, L. C.; AMORIN, H. V. Produção de etanol. In: LIMA, U de A. et al.. Biotencologia industrial: processos fermentativos e enzimáticos. 1. ed. São Paulo: Blucher, 2001. v. 3. p. 1-43. LOPES, C. H.; GABRIEL, A. V. M. D.; BORGES, M. T. M. R. Produção de etanol a partir da cana-de-açúcar: tecnologia de produção de etanol. 1.ed. São Carlos: UAB-UFSCar, 2011. p. 1-129. LOPES, M. L. E., et. al. Linhagens de leveduras personalizadas® para produção de etanol: seleção dirigida pelo processo. 1. ed. Piracicaba: Fermentec, 2014. 40 p. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. p. 243-280. Marcelo da Silva Costa 1 , Cristiane Rodrigues Xavier 1 , Marcos Roberto Pereira 1 , Osvaldino Brandão Junior 2 e Lucinda Giampietro Brandão 2 TEMPERATURA: IMPORTÂNCIA NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA Introdução Fermentação é um termo geral para a degradação anaeróbia da glicose ou de outros nutrientes orgânicos para obtenção de energia, conservada como ATP (NELSON e COX, 2014). O objetivo desse estudo foi apresentar a importância da temperatura na fermentação alcoólica. A metodologia foi básica, qualitativa, descritiva e por pesquisa bibliográfica. Figura 1. Estrutura da célula eucarótica como a da Saccharomyces cerevisiae. O processo de de glicólise até piruvato e a fermentação de piruvato até etanol ocorre no citoplasma celular. A leveduras possui trealose e glicogênio endógenos que podem ser usados no processo, enquanto a sacarose, frutose e glicose são de origem exógena. Fonte: LIMA, BASSO e AMORIN, 2001, p. 13; NELSON e COX, 2014, p. 37. Figura 4. Fermentação em batelada em diferentes temperaturas. Concentração inicial de 180 g/L de sacarose e concentração inicial de inóculo 9 % v/v, sem qualquer adaptação da levedura nas temperaturas de 20 e 25 o C. Perfis de concentração de sacarose (☐) e concentração de etanol (●) em função do tempo em diferentes temperaturas. Experimento A à 20°C: após 39 horas de fermentação o teor alcoólico de 8,64 o GL foi atingido com rendimento alcoólico de 70,38%. Experimento B à 25 o C: após 25 horas o teor alcoólico atingiu 11,3 o GL e rendimento de 92,6%. Experimento C à 32 o C: o tempo para o consumo total do açúcar foi de 8 horas, o teor de álcool chegou a 9,86 o GL e, o rendimento da fermentação foi de 80,31%. Fonte: CRUZ, et. al., 2015. Desenvolvimento e resultados A levedura Saccharomyces cerevisiae (Figura 1) é um aeróbio facultativo: em aerobiose o açúcar é transformado em biomassa, CO 2 eH 2 O; em anaerobiose a maior parte é convertida em etanol e CO 2 (fermentação alcoólica) (Figuras 2 e 3). Os substratos podem ser endógenos ou exógenos. Para fermentação alcoólica há matérias-primas açucaradas, amiláceas/feculentas e celulósicas, que podem ser diretamente fermentescíveis ou não diretamente fermentescíveis. A sacarose do caldo de cana-de-açúcar e do melaço ou mel final são usadas para fermentação alcoólica industrial e o preparo do mosto é obtido por diluição conveniente com água para 15 a 25° Brix. A fermentação envolve 12 reações no citoplasma celular. Há fatores que afetam a fermentação: agente de fermentação, nutrição mineral e orgânica, temperatura, pH, inibidores da fermentação, concentração de açúcares, concentração de inóculo, contaminação bacteriana, antissépticos e antibióticos. Eles alteram a eficiência e rendimento da conversão de açúcar em etanol e levam à maior formação de produtos secundários, como glicerol e ácidos orgânicos, além de biomassa. A S. cerevisiae é um organismo mesófilo: para crescimento entre 20°C-45°C; para fermentação entre 26-35°C. A temperatura nas destilarias pode alcançar 38°C, já que transformação das hexoses em álcool é exotérmica (∆H= -53 kcal/mol); o controle da temperatura consiste num fator importante durante o processo, usando, para grandes volumes, trocadores de calor. Se retirada do calor não for realizada pode prejudicar os microrganismos e levar a morte celular. À medida que a temperatura aumenta, aumenta a velocidade da fermentação, mas favorece a contaminação bacteriana, ao mesmo tempo que a levedura fica mais sensível a toxidez do etanol. Por outro lado, temperaturas elevadas permitem maior perda de etanol por evaporação em dornas abertas (concentração volumétrica álcool, v/v) (CRUZ, et. al., 2015; LOPES, GABRIEL e BORGES, 2011; GÓES- FAVONI et al., 2018; LIMA, BASSO e AMORIN, 2001; LOPES, 2014;NELSON e COX, 2014). Figura 5. Fermentação em batelada alimentada (descontínuo) em diferentes temperaturas. Concentração inicial de 180 g/L de sacarose e concentração inicial de inóculo 9% v/v, sem qualquer adaptação das levedura nas temperaturas de 20, 25 e 32 o C. O açúcar foi adicionado ao reator na forma de solução concentrada, sempre que a concentração de açúcar chegava a valores mínimos. Perfis de concentração de sacarose (☐) e concentração de etanol (●) em função do tempo em diferentes temperaturas. Após completar o volume do reator por batelada alimentada, a concentração de sacarose correspondeu a 300 g/L em processos de batelada convencionais. Experimento A a 20 o C, indicaram um tempo de fermentação de aproximadamente 72 horas, teor alcoólico de 14,62 o GL e um rendimento de 78,5%. Experimento B a 25 o C apresenta tempo de fermentação de 60 horas, teor de alcoólico de 17,36°GL, e rendimento de 85%. Experimento C 32 o C o tempo de fermentação foi de 32 horas, atingindo 15,73 o GL, com um rendimento de 83,%. Fonte: CRUZ, et. al., 2015. Figura 2. As duas fases da glicólise. (a) Fase preparatória e (b) fase de pagamento. Em processos aeróbicos esse processo continua na mitocôndria com ênfase no metabolismo para multiplicação celular com produção de CO 2 eH 2 O. No caso da fermentação o processo continua no citoplasma, com pouco aumento de biomassa, mas grande produção de CO 2 e etanol. Fonte: LIMA, BASSO e AMORIN, 2001, p. 13; NELSON e COX, 2014, p. 545. Figura 3. Reações de piruvato até etanol. O piruvato é metabolizado em CO 2 e etanol no citoplasma. Fonte: LIMA, BASSO e AMORIN, 2001, p. 13; NELSON e COX, 2014, p. 565. Sendo assim, a pesquisadora Mariana L. Cruz e colaboradores (2015) estudaram a influência da temperatura na resistência ao etanol pela levedura Saccharomyces cerevisae Y904 no processo fermentativo em batelada e batelada alimentada. Os resultados preliminares de fermentações batelada (Figura 4 A, B e C) e batelada alimentada (Figura 5 A, B e C) realizadas em 20, 25 e 32 o C indicaram que as temperaturas mais baixas favoreceram o processo em ter-mos de conteúdo e produção de álcool, mas resultou em tempos de fermentação mais elevados. A 25 o C no processo descontínuo com alimentação (batelada alimentada), a concentração de etanol atingiu 17,36 o GL (concentração volumétrica álcool, v/v).
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1Discentes na Faculdade de Tecnologia de Araçatuba “Prof. Fernando Amaral de Almeida Prado” 2Docentes na Faculdade de Tecnologia de Araçatuba “Prof. Fernando Amaral de Almeida Prado”
Conclusões Conclui-se que a temperatura é um fator importante para desempenho daleveduraS.cerevisiaeinfluenciandodiretamentenaeficiênciaenorendimentodafermentaçãoalcoólica.
Referências CRUZ,M.L.etal..InfluênciadaTemperaturadaResistênciaaoEtanoldaLeveduraSaccharomycescerevi-saeY904.Conference:XICongressoBrasileirodeEngenhariaQuímicaemIniciaçãoCientífica.ConferencePaper.Jun.2015.GÓES-FAVONI,S.P.,et.al.Fermentaçãoalcoólicanaproduçãodeetanoleosfatoresdeterminantesdorendimento.Ibero-AmericandeCiênciasAmbientais,SãoPaulo,v.9,n.4,abr./maio2018.Disponívelem:<https://www.sustenere.co/index.php/rica/article/view/CBPC2179-6858.2018.004.0023/1387>.Acessoem:03abr.2021.LIMA,U.deA.;BASSO,L.C.;AMORIN,H.V.Produçãodeetanol.In:LIMA,UdeA.etal..Biotencologiaindustrial:processosfermentativoseenzimáticos.1.ed.SãoPaulo:Blucher,2001.v.3.p.1-43.LOPES,C.H.;GABRIEL,A.V.M.D.;BORGES,M.T.M.R.Produçãodeetanolapartirdacana-de-açúcar:tecnologiadeproduçãodeetanol.1.ed.SãoCarlos:UAB-UFSCar,2011.p.1-129.LOPES,M.L.E.,et.al.Linhagensdeleveduraspersonalizadas®paraproduçãodeetanol:seleçãodirigidapeloprocesso.1.ed.Piracicaba:Fermentec,2014.40p.NELSON,D.L.;COX,M.M.PrincípiosdebioquímicadeLehninger.6.ed.PortoAlegre:Artmed,2014.p.243-280.
Marcelo da Silva Costa1, Cristiane Rodrigues Xavier1, Marcos Roberto Pereira1, Osvaldino Brandão Junior2 e Lucinda Giampietro Brandão2
TEMPERATURA: IMPORTÂNCIA NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
Introdução Fermentaçãoéumtermogeralparaadegradaçãoanaeróbiadaglicoseoudeoutros nutrientes orgânicos para obtenção de energia, conservada comoATP(NELSONeCOX,2014).Oobjetivodesseestudofoiapresentaraimportânciadatemperatura na fermentação alcoólica. A metodologia foi básica, qualitativa,descritivaeporpesquisabibliográfica.
Figura1.EstruturadacélulaeucaróticacomoadaSaccharomycescerevisiae.Oprocessodedeglicóliseatépiruvatoeafermentação de piruvato até etanolocorre no citoplasma celular. Aleveduras possui trealose e glicogênioendógenos que podem ser usados noprocesso,enquantoasacarose,frutoseeglicose são de origem exógena. Fonte:LIMA, BASSO e AMORIN, 2001, p. 13;NELSONeCOX,2014,p.37.
Figura4.Fermentaçãoembateladaemdiferentestemperaturas.Concentraçãoinicialde180g/Lde sacarosee concentração inicialde inóculo9%v/v, semqualqueradaptaçãoda leveduranastemperaturasde20e25oC.Perfisdeconcentraçãodesacarose(☐)econcentraçãodeetanol(●)em função do tempo em diferentes temperaturas. Experimento A à 20°C: após 39 horas defermentação o teor alcoólico de 8,64oGL foi atingido com rendimento alcoólico de 70,38%.Experimento B à 25oC: após 25 horas o teor alcoólico atingiu 11,3oGL e rendimento de 92,6%.ExperimentoCà32oC:otempoparaoconsumototaldoaçúcar foide8horas,oteordeálcoolchegoua9,86oGLe,orendimentodafermentaçãofoide80,31%.Fonte:CRUZ,et.al.,2015.
Desenvolvimento e resultados A leveduraSaccharomyces cerevisiae (Figura1) éumaeróbio facultativo: emaerobioseoaçúcarétransformadoembiomassa,CO2eH2O; emanaerobioseamaiorparteéconvertidaemetanoleCO2(fermentaçãoalcoólica)(Figuras2e 3). Os substratos podem ser endógenos ou exógenos. Para fermentaçãoalcoólica há matérias-primas açucaradas, amiláceas/feculentas e celulósicas,que podem ser diretamente fermentescíveis ou não diretamentefermentescíveis. A sacarosedo caldode cana-de-açúcar e domelaçooumelfinalsãousadasparafermentaçãoalcoólicaindustrialeopreparodomostoéobtidopordiluiçãoconvenientecomáguapara15a25°Brix.A fermentaçãoenvolve 12 reações no citoplasma celular. Há fatores que afetam afermentação: agente de fermentação, nutrição mineral e orgânica,temperatura, pH, inibidores da fermentação, concentração de açúcares,concentração de inóculo, contaminação bacteriana, antissépticos eantibióticos.Elesalteramaeficiênciaerendimentodaconversãodeaçúcaremetanol e levam à maior formação de produtos secundários, como glicerol eácidosorgânicos,alémdebiomassa.AS.cerevisiaeéumorganismomesófilo:para crescimento entre 20°C-45°C; para fermentação entre 26-35°C. Atemperatura nas destilarias pode alcançar 38°C, já que transformação dashexosesemálcooléexotérmica(∆H=-53kcal/mol);ocontroledatemperaturaconsiste num fator importante durante o processo, usando, para grandesvolumes, trocadores de calor. Se retirada do calor não for realizada podeprejudicar os microrganismos e levar a morte celular. À medida que atemperaturaaumenta,aumentaavelocidadedafermentação,masfavoreceacontaminaçãobacteriana,aomesmotempoquealeveduraficamaissensívelatoxidez do etanol. Por outro lado, temperaturas elevadas permitem maiorperdadeetanolporevaporaçãoemdornasabertas(concentraçãovolumétricaálcool, v/v) (CRUZ, et. al., 2015; LOPES, GABRIEL e BORGES, 2011; GÓES-FAVONI et al., 2018; LIMA, BASSO e AMORIN, 2001; LOPES, 2014;NELSON eCOX,2014).
Figura 5. Fermentação em batelada alimentada (descontínuo) em diferentes temperaturas.Concentraçãoinicialde180g/Ldesacaroseeconcentraçãoinicialdeinóculo9%v/v,semqualqueradaptaçãodasleveduranastemperaturasde20,25e32oC.Oaçúcarfoiadicionadoaoreatornaformadesoluçãoconcentrada,semprequeaconcentraçãodeaçúcarchegavaavaloresmínimos.Perfis de concentração de sacarose (☐) e concentração de etanol (●) em função do tempo emdiferentes temperaturas. Após completar o volume do reator por batelada alimentada, aconcentração de sacarose correspondeu a 300 g/L em processos de batelada convencionais.ExperimentoAa20oC,indicaramumtempodefermentaçãodeaproximadamente72horas,teoralcoólico de 14,62oGL e um rendimento de 78,5%. Experimento B a 25oC apresenta tempo defermentação de 60 horas, teor de alcoólico de 17,36°GL, e rendimento de 85%.Experimento C32oCotempodefermentaçãofoide32horas,atingindo15,73oGL,comumrendimentode83,%.Fonte:CRUZ,et.al.,2015.
Figura2.Asduas fasesdaglicólise. (a)Fase preparatória e (b) fase depagamento. Em processos aeróbicosesse processo continua namitocôndriacom ênfase no metabolismo paramultiplicação celular com produção deCO2 e H2O. No caso da fermentação oprocesso continua no citoplasma, compouco aumento de biomassa, masgrande produção de CO2 e etanol.Fonte: LIMA,BASSOeAMORIN,2001,p.13;NELSONeCOX,2014,p.545.
Figura 3. Reações de piruvato atéetanol.OpiruvatoémetabolizadoemCO2 e etanol no citoplasma. Fonte:LIMA,BASSOeAMORIN, 2001, p. 13;
NELSONeCOX,2014,p.565.
Sendo assim, a pesquisadora Mariana L. Cruz e colaboradores (2015)estudaram a influência da temperatura na resistência ao etanol pelalevedura Saccharomyces cerevisae Y904 no processo fermentativo embatelada e batelada alimentada. Os resultados preliminares defermentaçõesbatelada(Figura4A, BeC) ebateladaalimentada(Figura5A, BeC)realizadasem20,25e32oC indicaramqueastemperaturasmaisbaixas favoreceram o processo em ter-mos de conteúdo e produção deálcool,masresultouemtemposdefermentaçãomaiselevados.A25oCnoprocesso descontínuo com alimentação (batelada alimentada), aconcentraçãodeetanolatingiu17,36oGL(concentraçãovolumétricaálcool,v/v).
