Innledning – Revisjonens mål og revisjonskriterier

A gestão e controlo eficientes dos reactores bioquímicos é, actualmente, de extrema importância, não só devido às crescentes exigências económicas resultantes da competição dos mercados livres, como também devido aos rigorosos padrões de qualidade a que os produtos devem obedecer para a satisfação dos consumidores, e às fortes restrições dos regulamentos ambientais relativos a consumos energéticos, resíduos e poluentes. Este conjunto de exigências faz com que a obtenção de produtos biotecnológicos seja um processo complexo e careça de uma permanente procura de novas soluções mais eficazes e fiáveis. No cerne do desenvolvimento de novas soluções de engenharia está o desenho e a obtenção de modelos exactos e legíveis desses processos. Durante vários anos os modelos mecanistas foram largamente utilizados no desenvolvimento das estratégias de controlo de processos biotecnológicos. A análise destes modelos, em malha aberta, permitia antever as propriedades dinâmicas dos processos e problemas de controlo, bem como servir de apoio ao desenho estrutural dos controladores.

Existem diversas razões para se definirem modelos matemáticos que descrevam o processo de fermentação. A capacidade de interpretar as medições com vista a uma detecção antecipada de uma fraca fermentação, a possibilidade de prever comportamentos futuros do processo fermentativo e o controlo e optimização do sistema de refrigeração constituem, resumidamente, algumas das vantagens associadas à utilização destes modelos. Além disso, um modelo capaz de prever a evolução da fermentação alcoólica seria um instrumento valioso com vista à melhoria da qualidade do vinho, permitindo definir uma estratégia de controlo adequada, com vista à optimização do processo, decorrendo deste facto importantes vantagens económicas.

Neste capítulo far-se-á referência às principais variáveis exógenas e endócrinas dos modelos da fermentação alcoólica e apresentar-se-ão os principais modelos mecanistas utilizados durante as últimas décadas.

Introdução CAPÍTULO 1

Nas últimas décadas, em Portugal como no resto do Mundo, a produção de vinhos tem vindo a recorrer cada vez com maior frequência à utilização das novas tecnologias para a melhoria dos processos de produção. Este facto deve-se fundamentalmente ao aumento da concorrência por parte de países cuja produção vinícola não era significativa, caso da Austrália e até mesmo a China, mas que com processos de produção avançados e bem organizados têm vindo a impor-se no mercado [FAO, 2006]. Este aumento de concorrência conduziu a que determinados países produtores mais tradicionais, caso de Portugal, França e Itália, entre outros, apostassem largamente na qualidade dos vinhos produzidos. O aumento da qualidade deve-se essencialmente à selecção das frutas usadas, ao ajuste de castas a cada região, às misturas de castas utilizadas e ainda à melhoria dos processos de fabrico. Neste último, inclui-se o aperfeiçoamento do processo fermentativo, o qual passa fundamentalmente por garantir uma temperatura adequada por forma a melhorar a viabilidade dos microrganismos responsáveis pela fermentação, melhorando a concentração de álcool final e permitindo um controlo mais eficaz da velocidade da reacção.

De acordo com o modelo físico usado, interferem no processo de fermentação dois tipos de variáveis: endógenas e exógenas. Nas primeiras incluem-se as concentrações de microrganismos, a sua viabilidade e as concentrações de açúcares. A fermentação é um processo que decorre da acção metabólica dos microrganismos (leveduras) sobre o substrato (açúcar), do que resulta um aumento da concentração de etanol e uma variação da temperatura do processo. A acção dos microrganismos depende da temperatura do mosto, a qual depende de dois aspectos: da reacção em si e da troca de calor com o exterior, pelo que esta última desempenha um papel importante no processo de fermentação.

Um dos aspectos mais importantes na produção de vinhos de qualidade refere-se ao controlo da temperatura durante o processo de fermentação. Para se efectuar um controlo ajustado é fundamental conhecer as relações existentes entre a temperatura do mosto e a actividade metabólica das leveduras responsáveis pelo processo de fermentação, uma vez que é esta actividade metabólica que determina a taxa de fermentação e, consequentemente, a evolução do calor produzido. Contudo, o facto das relações entre os microrganismos e a temperatura do meio não serem completamente entendidas dificulta esta tarefa. São exemplos desta dificuldade as relações existentes entre o meio e a taxa de fermentação instantânea, geralmente mal quantificadas, e no modo como se processa a fermentação, que conduzida de “forma fechada” (batch fermentation) faz com que as concentrações de substrato e produto

CAPÍTULO 1 Fermentação Alcoólica

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variem continuamente, dificultando desta forma a previsão do comportamento da fermentação [BOULTON, 1980].

Nos últimos anos foram publicados diversos trabalhos que descrevem o comportamento cinético do processo de fermentação alcoólica. A maioria destes modelos tende a considerar o maior número possível de fenómenos que afectam o processo, requerendo, por este motivo, a estimação de um elevado número de parâmetros que, muitas vezes, são de difícil identificação [BOULTON, 1980] [ÖZILGEN et al, 1991] [NANBA et al, 1987]. Outros há, porém, que resultam da análise macroscópica do processo e que necessitam de menos parâmetros [BOVEÉ e STREHAIANO, 1984]. Apesar de existirem diversos modelos, resultantes de aproximações distintas do problema, todos eles apresentam um objectivo comum: a previsão do comportamento cinético do processo de fermentação baseada nas características iniciais do mosto [MARIN, 1999].

De seguida, descrevem-se os mecanismos químicos e fisiológicos essenciais à modelação de processos biológicos, com especial atenção sobre a fermentação. O modelo de fermentação alcoólica utilizado é detalhadamente descrito.