A fermentação alcoólica pode ser realizada através de processos descontínuos (“batch”), semi-contínuos ou contínuos.
Nos processos em descontinuo utilizam-se fermentadores de volumes previamente definidos equipados com sistemas de controlo de temperatura por injecção de água, vapor ou energia eléctrica, equipamento de agitação e medida e controlo do pH.
A adição de substrato e inóculo ao reactor é efectuada no início do processo e a temperatura é mantida entre 30 a 40º C para evitar a caramelização do mosto. A quantidade de inóculo utilizado deve ser suficiente para garantir que exista uma quantidade de células suficiente e que o tempo de latência seja mínimo. A velocidade de agitação deve ser reduzida e o pH da mistura deverá situar-se entre 4,5 a 5,5 para evitar contaminações do meio.
Nos processos semi-continuos utilizam-se habitualmente, dois ou três fermentadores com volumes diferentes,cuja carga é efectuada entre cada ciclo de produção e cujo controlo de temperatura é assegurado por serpentinas de água, ar ou vapor. Entre cargas efectua-se a limpeza dos reactores mantendo-se um pH ácido, para evitar possíveis contaminações microbianas.
Neste processo utiliza-se um inóculo inicial elevado (1,0 a 1,5% em peso de leveduras) e para aumentar a eficiência da bioconversão reciclam-se as células de leveduras após recuperação por centrifugação e lavagem a um pH ácido.
O crescimento celular é habitualmente elevado e a fracção de leveduras que não é utilizada na fermentação pode ser destinada a alimentação animal ou outros fins. Para restringir o crescimento celular pode reduzir-se o fornecimento de nutrientes, adicionar alguns inibidores ou efectuar um desarejamento com um gás inerte diferente do Azoto
Por este processo obtêm-se eficiências operacionais superiores às obtidas nos processos descontínuos mas os custos de operação são elevados.
Os processos em contínuo são os mais utilizados à escala industrial. Este processo consiste na adição contínua do substrato, inóculo e nutrientes (quando necessários) ao reactor. Para aumentar a eficiência da fermentação, utilizam-se fermentadores dispostos em cascata, de modo a incrementar o tempo de contacto células-substrato ou, em alternativa, pode aumentar- se a concentração das células, efectuando-se a recirculação das leveduras efluentes á cabeça do reactor. Este processo embora seja o que apresenta maiores vantagens processuais, é o que apresenta maiores custos em investimentos com a aquisição de equipamentos, maiores custos energéticos e de manutenção e custos de exploração igualmente elevados.
A implementação de um processo de fermentação em contínuo exige a garantia da disponibilidade de matéria-prima em quantidade e qualidade adequadas á produção das quantidades de produto final desejadas de modo a permitir a amortização dos custos de investimentos e exploração num período de tempo aceitável (10 a 15 anos).
O consumo de vapor associado à necessidade de garantir uma esterilização eficiente, representa uma parcela significativa dos custos de exploração. Como alternativa o processo pode ser realizado em vácuo (50 mmHg ) e utilizarem-se leveduras termófilas para permitir operar a temperaturas mais elevadas sem degradação térmica do substrato.
O processo em descontínuo devido ás baixas eficiências obtidas é pouco utilizado industrialmente, todavia é o que melhor se adapta às situações em que não existem garantias da disponibilidade matéria-prima e o que mais facilmente permite optimizar as diferentes variáveis processuais.
Para ilustrar o que se passa no decorrer de um processo em descontínuo, recorremos a um exemplo retirado dos textos de apoio do curso IMES – Master on Bionergy and Environment do GDEH-FCT-UNL elaborado pelo engenheiro “João Barbosa Morais”. Neste exemplo, é utilizado um fermentador com forma cilíndrica, equipado com agitador e sistema de controlo de temperatura e pH.
No exemplo referido o reactor foi limpo e esterilizado e alimentado com o substrato em conjunto com uma quantidade pré-definida de leveduras cujo crescimento foi monitorizado durante um período de tempo compreendido entre 4 a 6 horas. O pH foi ajustado a 5.5 e a temperatura do mosto controlada entre valores no intervalo de 28ºC a 30 ºC.
As concentrações de açúcar, álcool e leveduras, (expressas em gramas por litro) foram monitorizadas ao longo do tempo e os resultados obtidos foram utilizados na representação gráfica que apresentamos na Figura 2.12.
Figura 2.12- Produção de Etanol por leveduras num processo descontínuo
Fonte: Textos de apoio distribuídos no curso IMES – Master on Bionergy and Environment do GDEH-FCT-UN
A análise à figura 2.12 permite evidenciar claramente o modo como o consumo do substrato pelas leveduras está relacionado com o seu crescimento e com a produção de álcool etílico. Quando as concentrações em substrato não são suficientes para manter o crescimento das leveduras, a fermentação deixa de ocorrer, e as concentrações em álcool e em leveduras tendem a manter-se constantes ou a decrescer como resultado da ocorrência de eventuais reacções secundárias.
Como actualmente é aceite, por todos os investigadores desta área do conhecimento, a dinâmica dos processos de fermentação é consequência da hidrodinâmica do tipo de reactor, do modo como é efectuada a alimentação dos substratos e nutrientes e da cinética de crescimento dos microrganismos.
A cinética de crescimento dos microrganismos desenvolve-se de acordo com o modo como as reacções ocorrem no reactor. A literatura referente a processos biotecnológicos indica como reacções principais as seguintes:
• Reacções reguladas pelo crescimento microbiano (reacções microbiológicas)
• Reacções catalisadas por enzimas (reacções bioquímicas).
O processo de fermentação pode ser classificado como um processo biotecnológico com crescimento microbiano, no qual o consumo do substrato e a formação de produtos, está directamente associada com as fases de crescimento dos microrganismos utilizados.
Na Figura 2.13, representamos a variação do logaritmo do número de células vivas ao longo do tempo (a massa dessas células é designada por biomassa), durante o crescimento de um microrganismo préviamente seleccionado e utilizado num processo de fermentação descontínuo.
Figura 2.13– Variação do logaritmo do número de células ao longo do tempo num meio descontínuo
Imediatamente após a inoculação do substrato não se observa qualquer crescimento do número de células, o que está na origem da designação desta fase por fase de latência (1). Esta fase corresponde à adaptação dos microrganismos ao substrato.
Em seguida observa-se uma aceleração no crescimento das células (fase 2) e um crescimento em exponencial do número de células (fase 3), a que corresponde um aumento de produção de biomassa. Após esta fase segue-se uma desaceleração no crescimento (fase 4) e uma fase estacionária (fase 5), em que se atinge o tamanho máximo da população e consequentemente a maior produção de biomassa. Após esta fase ocorre habitualmente uma fase de declínio no número de células que corresponde a uma fase de degradação da biomassa ou morte celular (fase 6).
O descrito permite-nos afirmar que em qualquer processo de fermentação a monitorização ao longo do tempo do crescimento da biomassa é condição suficiente para determinar o momento em que o processo termina e minimizar a ocorrência de reacções secundárias.