A Fermentação alcoólica nas usinas está evoluindo graças às novas formas de controle, mais conhecimento sobre as leveduras e ferramentas de big data e inteligência artificial.
Nos últimos anos, o desenvolvimento tecnológico tem permitido reduzir o volume de vinhaça, minimizar as perdas de açúcares ao final da fermentação, melhorar as estratégias no controle da contaminação bacteriana e minimizar os desvios operacionais, conferindo maiores eficiências fermentativas a custos viáveis. Dentre os principais avanços estão questões relacionadas aos aspectos biológicos (leveduras selecionadas e Personalizadas), processos de produção (fermentação com alto teor alcoólico, diagrama de ocupação e automação) e gestão industrial (metodologias, métricas e dados).
A escolha da levedura
Há pouco tempo, o conhecimento sobre a diversidade genética das linhagens de leveduras industriais e contaminantes era baseado em perfis de cromossomos resultantes da técnica de cariotipagem, metodologia que trouxe um grande avanço para o monitoramento e seleção de leveduras (BASSO et al., 1994) e permitiu o desenvolvimento de quatro linhagens que são amplamente utilizadas pelas destilarias nacionais e internacionais e que, atualmente, respondem por 70% da produção de etanol no brasil.
Figura 01. Leveduras industriais selecionadas pela Fermentec.
A introdução das análises de DNA mitocondrial permitiu o uso de outra ferramenta biomolecular para avaliação da diversidade de levedura, bem como a distinção entre linhagens que acumulam rearranjos cromossômicos e as selvagens sem nenhum parentesco. Quando uma nova linhagem aparece e domina a população de leveduras em fermentadores industriais, ela tem o potencial para se tornar uma levedura personalizada (LOPES, 2000).
Linhagens personalizadas de leveduras têm sido selecionadas desde 2008 e estão sendo introduzidas na fermentação de 26 destilarias brasileiras nos últimos anos. Estas unidades produziram juntas mais de quatro bilhões de litros de etanol na última temporada.
Figura 02. Evolução do volume total de etanol produzido em cada Safra pelas destilarias que utilizaram leveduras Personalizadas selecionadas pela Fermentec (2008 a 2019).
Novas ferramentas para diagnóstico da contaminação na fermentação
Para acelerar a análise que até então levava de dois a três dias, a Fermentec desenvolveu na década de 80 o método de contagem de bactérias vivas ao microscópio com resultados em 15 minutos. Esta metodologia hoje está amplamente difundida nas destilarias no Brasil e no mundo, permitindo mensurar a contaminação bacteriana e impacto sobre o rendimento de fermentação (Amorim, 1981).
Devido aos efeitos nocivos dos contaminantes bacterianos nas fermentações industriais e a observação da coexistência de cepas com diferentes tipos de metabolismo em ambientes de fermentação, é importante mensurar os teores de ácido lático e manitol, juntamente com a contagem de bactérias, para melhorar o diagnóstico do processo e a tomada de decisão.
Isso significa que para um mesmo número de bactérias vivas por mililitro de vinho fermentado em duas destilarias industriais, as perdas de etanol devido a produção de metabólitos da atividade bacteriana podem ser diferentes, alterando a gestão das aplicações de antibióticos.
Figura 03. Correlação e regressão linear simples entre contagem de bactérias vivas ao microscópio (10^5 bast./mL) e ácido láctico no vinho (mg/L) em duas diferentes destilarias industriais.
Outra importante tecnologia que tem sido desenvolvida para complementar as análises tradicionais e ampliar a capacidade de monitoramento e rastreamento das bactérias é a metagenômica, técnica desenvolvida com base na análise direta do DNA dos microrganismos, sem a necessidade de cultivo. Através do sequenciamento e comparação dos resultados com bancos de dados internacionais, é possível fazer não só a identificação dos micro-organismos em diferentes táxons como também estimar a sua abundância relativa em cada amostra. Assim, já é possível identificar as espécies contaminantes da fermentação e direcionar os melhores antibióticos.
Figura 4. Diversidade, frequência relativa e flutuação na população de bactérias em uma fermentação industrial, por meio da análise de metagenômica.
ALTFERM – Fermentação de alto teor alcoólico
A tecnologia ALTFERM® baseia-se num conjunto de práticas e técnicas que permitem elevar o teor alcoólico das fermentações e, desta forma, reduzir os volumes de vinho a destilar e de vinhaça que fica mais concentrada em potássio. Com a tecnologia ALTFERM® é possível reduzir até 33% o volume de vinhaça elevando o teor alcoólico de oito para até 12%. Com as reduções no volume de vinhaça, consumo de diesel e de fertilizantes a base de potássio, o ALTFERM® reduz a intensidade de carbono e aumenta a nota de eficiência energético-ambiental.
Graças ao uso da cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) tem sido possivel monitorar os teores reais de açúcares residuais no vinho. Algumas unidades que fermentam a base de melaço e água têm trabalhado com teores extremamente baixos de açúcares residuais no vinho bruto (< 0,08%) e teores alcoólicos que ultrapassaram o limite de 12% em algumas semanas da safra 2019/20.
Figura 5. Resultados industriais de fermentação com teores alcoólicos que ultrapassaram o limite de 12% e com açúcar residual no vinho abaixo de 0,08% na safra 2019/20.
Automação no controle da fermentação
Processos fermentativos de alta performance necessitam de uma atenção especial quanto ao preparo do mosto, condução da alimentação, controle da temperatura de fermentação e procedimentos de CIP. É possível implantar um sistema de controle adequado a operação da planta industrial, levando em conta o uso otimizado dos equipamentos existentes, as características de entrada da matéria-prima, as leveduras e o teor alcoólico desejado, baseado no que é chamado de diagrama de ocupação.
A aplicação deste tipo de controle ao processo de enchimento promove uma melhor distribuição do açúcar no tempo aumentando o rendimento, com otimização da produção de álcool e redução dos custos de produção.
Figura 06. Influência da automação no desempenho dos clientes Fermentec na safra 2014/15.
GAOA – Gestão Avançada e Operação Assistida
A Fermentec desenvolve tecnologias para implantar a usina 4.0, em que todos os processos são automatizados e conectados, gerando dados que são armazenados na nuvem e analisados em tempo real por sistema de inteligência artificial.
Figura 07. Funcionalidades do GAOA.
• Monitoramento de processos em tempo real: a adoção de analisadores em linha com tecnologia NIR (Near Infrared Spectroscopy), ou mais recentemente a espectroscopia Raman, traz benefícios na gestão do tempo e recursos do laboratório.
• Algoritmos computacionais e Inteligência artificial: a capacidade cognitiva humana se atrapalha com a quantidade de dados disponíveis e não consegue distinguir o que é importante do que não é. Neste ambiente será fundamental uma camada ‘máquina’ que, por meio de métodos estatísticos, ciência de dados, aprendizado de máquinas e balanço de massa, poderá extrair valor dos dados.
• Especialista virtual: poderá cooperar com o “Especialista Humano” na execução de análise para identificação de desvios, agregando agilidade na comunicação entre a operação, assim como efetuar a proposição de solução de problemas.
As ferramentas de inteligência serão cada vez mais imprescindíveis para aumentar a eficiência industrial. Toda essa modernização permite tomadas de decisões mais rápidas, que levam à redução de custos e maior rentabilidade.
Referências bibliográficas
Amorim, Henrique Vianna de. Infecção na fermentação: como evitá-la. Álcool e Açúcar, v. 1, n. 5, p. 12-18, 1981.
BASSO, L. C.; OLIVEIRA, A. J.; ORELLI, V. F.; CAMPOS, A. A.; GALLO, C. R.; AMORIM, H. V. Dominância das leveduras contaminantes sobre as linhagens industriais avaliada pela técnica da cariotipagem. In: CONGRESSO NACIONAL DA STAB, 5, 1993, Águas de São Pedro. Anais… Piracicaba: Sociedade dos Técnicos Açucareiros e Alcooleiros do Brasil, 1994. p. 246-250.
LOPES, M.L. Estudo do polimorfismo cromossômico em S. cerevisiae (linhagem PE-2) utilizada no processo industrial de produção de etanol. 2000. 118 f. Tese (Doutorado em Microbiologia Aplicada), Universidade Estadual Julio de Mesquita Filho, Rio Claro, 2000.
Autores: Claudemir Bernardino e Fernando Henrique C. Giometti da Fermentec
