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TEIA DOTEIA DO SABERSABER2005

METODOLOGIA DE ENSINO DE DISCIPLINAS DA ÁREA DE CIÊNCIAS DA NATUREZA, MATEMÁTICA E SUAS TECNOLOGIAS DO ENSINO

MÉDIO: FÍSICA, QUÍMICA E BIOLOGIA

Fundação de Apoio às Ciências: Humanas, Exatas e Naturais

Material Pedagógico para uso do professorEVenda Proibida Coordenação GeralProf. Dr. Mauricio dos Santos Matos(16) 3602-3670 e-mail:[email protected]

Acompanhe a programação pela internet: http://sites.ffclrp.usp.br/laife

O Processo da Fermentação:Transformações Químicas

e Biológicas(Parte 1)

Prof. Dr. Marcelo Tadeu MotokaneDra. Daniela Gonçalves de Abreu

GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULOSECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO

DIRETORIA DE ENSINO - REGIÃO DE RIBEIRÃO PRETOAv. Nove de Julho no. 378 - Ribeirão Preto

Curso I (Inicial)

TEIA DO SABER 2005 Metodologia de Ensino de Disciplinas da Área de Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma Inicial)

O Processo da Fermentação:

Transformações Químicas e Biológicas

Prof. Dr. Marcelo Tadeu Motokane e Dra. Daniela Gonçalves de Abreu

APRESENTAÇÃO DOS PROFESSORES RESPONSÁVEIS PELO MÓDULO DE ENSINO

Dra. Daniela Gonçalves de Abreu: Bacharel (1997) e Licenciada em Química (2000), Mestre

(2000) e Doutora em Ciências (2003) pela Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto -

Universidade de São Paulo (FFCLRP/USP). Professora do Curso de Licenciatura em Química (desde

2002) e do curso de Especialização em Educação Química da Universidade de Franca (UNIFRAN)

(desde 2003). Contratada como Educadora do Departamento de Química da FFCLRP/USP desde 2002.

Desenvolve atividades relacionadas ao ensino de Ciências junto às escolas da rede pública da região de

Ribeirão Preto como participante ativa do CEIQ (Centro de Ensino Integrado de Química).

Prof. Dr. Marcelo Tadeu Motokane: Formado em Ciências Biológicas pelo Instituto de

Biociências da Universidade de São Paulo. Mestre e Doutorando em Ensino de Ciências pela

Faculdade de Educação da USP. Atuou no ensino fundamental e médio como Professor de Biologia e

Ciências de escolas públicas (Colégio de Aplicação da USP) e particulares (Escola da Vila). É docente

do Depto. de Psicologia e Educação da FFCLRP/USP e responsável pelas disciplinas de Prática de

Ensino de Biologia e Metodologia do Ensino de Ciências. Autor de livros didáticos de ciências naturais

pela editora FTD e do material para Educação de Jovens e Adultos do Telecurso 2000. É membro do

Conselho Científico-Pedagógico do LAIFE desenvolvendo projetos de ensino, pesquisa e extensão na

área de ensino de ciências.

TEIA DO SABER 2005 Metodologia de Ensino de Disciplinas da Área de Ciências da Natureza, Matemática e suas

2Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma Inicial)

APRESENTAÇÃO DAS ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS

Caros Professores:

O tema desta oficina é “O processo de fermentação: transformações químicas e biológicas”.

Pretende-se discutir as etapas industriais envolvidas na produção do açúcar e álcool

(combustível e bebidas), a partir da cana de açúcar, destacando-se conceitos científicos envolvidos no

processo. A cachaça é uma bebida genuinamente brasileira, com teor de etanol entre 38% e 54% em

volume, a 20°C, obtida através da destilação do caldo de cana-de-açúcar fermentado. O processo de

fabricação da cachaça será destacado, uma vez que esta ocupa uma posição de destaque na história do

Brasil. Inicialmente produzida através de tecnologias rústicas e saberes do povo, a cachaça é hoje

objeto de pesquisa científica, inovação tecnológica e faz parte dos programas de exportação do

Governo Federal. Trata-se de um patrimônio cultural do povo brasileiro.

O tema pode ser abordado nas disciplinas de ciência da natureza recorrendo-se à diferentes

recursos e estratégias didáticas. Nesta apostila, além de textos sobre o assunto, você encontrará

sugestões de experimentos de baixo custo que podem ser realizados em sala de aula.



PROGRAMAÇÃO

1o. Momento: Discussão das etapas realizadas em usinas para obtenção de açúcar e álcool a partir da

cana-de-açúcar. Será destacada a obtenção de bebidas alcoólicas como a cachaça.

2o. Momento: Demonstração de experimentos sobre destilação fracionada para obtenção de álcool a partir do

caldo de cana fermentado (produção de bebidas) e discussão de estratégias que poderiam ser

aliadas ao experimento.

Realização do experimento pelos professores visando simular o funcionamento de um

bafômetro. Bebidas como cerveja, vinho e sidra serão utilizadas.



PRIMEIRA PARTE

O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE AÇÚCAR E ÁLCOOL

(TEXTO 1)

No Brasil e em outras regiões tropicais do planeta o açúcar e o álcool

são produzidos a partir da cana-de-açúcar, enquanto na Europa o açúcar é

extraído da beterraba. No Brasil, a maior parte do álcool produzido é obtida

da cana de açúcar. A mandioca também é utilizada, mas em pequena escala.

Um hectare de plantação de cana pode produzir 3350L de álcool, a mesma

área de plantação de mandioca, produz 2550L.

Nos canaviais, a cana-de-açúcar passa pelas fases de crescimento – na época quente e de chuvas

– e maturação – na época fria e seca. Nesta fase a quantidade de sacarose aumenta muito. Chega então

o momento do corte, que deve ser feito na época certa, senão a própria planta começa a consumir o

açúcar que produziu, diminuindo a quantidade de álcool a ser obtida.As usinas são responsáveis pela

transformação da cana em AÇÚCAR e ÁLCOOL. Esta produção envolve áreas agrícolas e industriais.

A cana é composta em média, de 65% a 75% de água, mas seu principal componente é a sacarose,

correspondendo de 70 a 91% de seus sólidos solúveis. A planta também contém glicose (de 2% a 4%),

frutose ( de 2% a 4%), sais (de 3% a 5|%), proteínas (de 0,5% a 0,6%), amido (0,001% a 0,05%), ceras

e graxas (0,05% a 0,15%) e corantes (3% a 5%).

Após o corte, a cana é transportada para as usinas, onde é lavada

desprendendo a sujeira mais grossa, picada e moída



PROCESSO

Moagem

A cana que chega à unidade industrial é processada o mais rápido possível. Este sincronismo

entre o corte, transporte e moagem é muito importante, pois a cana é uma matéria prima sujeita a

contaminações e conseqüentemente de fácil deterioração.

Antes da moagem, a cana é lavada nas mesas alimentadoras para retirar a terra proveniente da

lavoura. Após a lavagem, a cana passa por picadores que trituram os colmos, preparando-a para a

moagem. Após o preparo, a cana desfibrada é enviada à moenda para ser moída e extrair o caldo. Na

moenda, a cana desfibrada é exposta entre rolos submetidos a uma pressão de aproximadamente 250

kg/cm², expulsando o caldo do interior das células. Este processo é repetido por seis vezes

continuamente. Adiciona-se água numa proporção de 30%. A isto se chama embebição composta, cuja

função é embeber o interior das células da cana diluindo o açúcar ali existente e com isso aumentando a

eficiência da extração, conseguindo-se assim extrair cerca de 96% do açúcar contido na cana. O caldo

extraído vai para o processo de tratamento do caldo e o bagaço para as caldeiras.

Apesar do tratamento preliminar citado, o caldo de cana contém, ainda , impurezas menores,

que podem ser solúveis, coloidais ou insolúveis. Assim, ele passa por um tratamento químico que visa

principalmente à coagulação, à floculação, e à precipitação destas impurezas, que são eliminadas por

sedimentação. É necessário ainda fazer a correção do pH para evitar inversão e decomposição da

sacarose.

O caldo tratado pode ser enviado á fabricação de açúcar ou de álcool, e o bagaço é

utilizado como combustível na geração de vapor.

O bagaço que sai da moenda com muito pouco açúcar e com umidade de 50%, é transportado

para as caldeiras, onde é queimado para gerar vapor, que se destina a todas as necessidades que

envolvem o acionamento das máquinas pesadas, geração de energia elétrica e o processo de fabricação

de açúcar e álcool. A sobra de bagaço é vendida para outras indústrias. O bagaço é muito importante na

unidade industrial, porque é o combustível para todo o processo produtivo. Um bom sistema térmico é

fundamental.



Parte do vapor gerado é enviado aos turbogeradores, que

produzirão energia elétrica suficiente para movimentar todos os

acionamentos elétricos e a iluminação.

Tratamento químico do caldo

Inicialmente adiciona-se anidrido sulfuroso (SO2) ao caldo, que o absorve, baixando o seu pH

original a aproximadamente 4,0. Este processo tem como objetivos principais inibir reações que

causam a formação de cor; a coagulação de colóides solúveis e conseqüentemente auxiliar na

sedimentação das partículas de impureza; a formação do precipitado CaSO3 (sulfito de cálcio); e

diminuir a viscosidade do caldo e; conseqüentemente do xarope, massas cozidas e méis, facilitando as

operações de evaporação e cozimento. O SO2 gasoso é produzido na usina através da queima do S

(enxofre) na presença de ar, em fornos especiais.

Posteriormente, adiciona-se ao caldo uma solução de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2). Este

processo tem por objetivo a eliminação de corantes do caldo, a neutralização de ácidos orgânicos e a

formação de sulfito e fosfato de cálcio, produtos estes que, ao sedimentar, arrastam consigo impurezas

presentes no líquido e elevam o pH do caldo para valores da ordem de 6,8 a 7,2. A solução de

hidróxido de cálcio também é produzida na própria usina segundo a equação:

CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor

PRODUÇÃO DE AÇÚCAR

Tratamento de caldo

Após ter passado por tratamento químico, o caldo é aquecido a

aproximadamente 105ºC , com a finalidade de acelerar e facilitar a

coagulação e floculação de colóides, emulsificar graxas e ceras, ou

seja acelerar o processo químico, aumentando a eficiência da

decantação. Após o aquecimento, o caldo segue para um balão de



flash onde ocorre uma despressurização e expulsão do ar existente no caldo, que em seguida é enviado

para os clarificadores, onde sofrerá decantação das impurezas, tendo como produto de fundo o lodo, e

como sobrenadante, o caldo clarificado. O caldo clarificado e limpo segue o processo para evaporação

e o lodo irá para filtração à vácuo onde é recuperada a sacarose ainda existente.

Como o lodo ainda é rico em sacarose, é feito uma filtração nos filtros rotativos à vácuo para

succionar o material líquido, chamado de caldo filtrado, que sofrerá novo tratamento de clarificação. O

material sólido retido nas telas dos filtros é denominado torta de filtro. Esta torta é enviada à lavoura,

sendo utilizada como adubo.

O caldo clarificado obtido da decantação do caldo é submetido a um processo de concentração

através da eliminação da água. O evaporador é formado por caixas, normalmente em número de quatro

ou cinco, ligadas em série, de maneira que o caldo sofre uma concentração progressiva da primeira á

última. Para isso é necessário injetar vapor só na primeira caixa, pois a própria água evaporada irá

aquecer o caldo nas caixas seguintes.

O caldo apresenta inicialmente uma concentração de 14 a 16 ºBrix (% de sólidos solúveis)

chegando, no final, a 60-68ºBrix, quando recebe a denominação de xarope. Este xarope é bombeado

aos tachos de cozimento para a cristalização do açúcar. Há dois tipos de cristalização: a evaporativa ou

cozimento e a cristalização por resfriamento.

Na cristalização por cozimento são utilizados equipamentos denominados cozedores, tachos,

etc, semelhantes às caixas dos evaporadores , que trabalham individualmente sob vácuo, de forma

descontínua ou contínua. A evaporação da água dá origem a uma mistura de 50% de crsiatis envolvidos

em mel (solução açucarada) que recebe o nome de massa cozida. A concentração desta massa cozida é

de aproximadamente 91 – 93% ºBrix.

Na cristalização por resfriamento a massa cozida é descarregada dos cozedores nos chamados

cristalizadores (tanques em forma de U), dotados de agitadores, onde irá ocorrer o resfriamento lento,

geralmente com o auxílio de água ou ar. Esta operação visa recuperar parte da sacarose que ainda se

achava dissolvida no mel, pois pelo resfriamento haverá deposição da sacarose nos cristais existentes,

aumentando o tamanho dos mesmos.

Dos cristalizadores, a massa cozida resfriada segue para o setor de centrifugação. A centrífuga é

constituída por um cesto perfurado, fixado a um eixo e acionado por um motor que o gira a alta

velocidade. A ação da força centrípeta faz com que o mel atravesse as perfurações da tela do cesto,



ficando retidos em seu interior, somente os cristais de sacarose. O processo se completa pela lavagem

do açúcar com água e vapor, ainda no interior do cesto.

O mel removido é coletado em um tanque e retorna aos cozedores para recuperação do açúcar

dissolvido ainda presente, até que se atinja um maior esgotamento do mesmo. A partir deste ponto, o

mel passa a ser denominado mel final ou melaço e é enviado para a fabricação de álcool.

O açúcar descarregado das centrífugas apresenta alto teor de umidade

(0,5% a 2%). Nesta etapa o açúcar passa no secador para a retirada da

umidade contida nos cristais. Na saída do secador, o açúcar é enviado por

esteiras sanitárias até o reservatório próprio para açúcar de onde é feito o

ensacamento.

FABRICAÇÃO DE ÁLCOOL

O etanol (álcool etílico) foi uma das primeiras substâncias orgânicas obtidas pelo homem a

partir de processos fermentativos. Seu ponto de fusão é -115 °C e ponto de ebulição é 78,5°C. A

temperatura ambiente este álcool é líquido. O etanol também é conhecido por álcool etílico ou álcool

de cereais, e é obtido pela fermentação de polissacarídeos (amido, celulose) ou dissacarídeos (sacarose,

maltose). As fontes naturais mais importantes são: cana-de-açúcar(Brasil), beterraba, batata, cevada e

arroz.

Parte do caldo tratado quimicamente é desviada para tratamento específico para fabricação

álcool. Este tratamento consiste em aquecer o caldo a aproximadamente 105ºC sem adição de produtos

químicos, e após isto, decantá-lo. Após decantação, o caldo clarificado irá para a pré-evaporação e o

lodo para novo tratamento, semelhante feito ao lodo do açúcar.

Na pré-evaporação o caldo é aquecido a aproximadamente 115ºC, evapora água e é concentrado

a 20ºBrix. Este aquecimento favorece a fermentação por fazer uma "esterilização" das bactérias e

leveduras que concorreriam com a levedura do processo de fermentação.

Livre de impurezas e devidamente esterelizado, o caldo está pronto para ser enviado á destilaria.

Prepara-se o mosto, cuja concentração de açúcar foi ajustada de forma a facilitar sua fermentação) e

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com a adição de levedura (fermentos biológicos) , consegue-se a transformação da sacarose em etanol

em duas etapas, devido ás enzimas produzidas pelas leveduras, tais como Saccharomyces Cerivisae.

No preparo do mosto define-se as condições gerais de trabalho para a condução da fermentação

como, regulagem da vazão, teor de açúcares e temperatura. Densímetros, medidores de vazão e

controlador de Brix automático monitoram este processo.

Inicialmente, a sacarose, que é um dissacarídeo, se hidrolisa na presença da enzima invertase,

produzindo glicose e frutose, ambas monossacarídeos (C6H12O6). Glicose e frutose são substâncias

isoméricas, ou seja, apresentam a mesma fórmula molecular mas possuem arranjos geométricos

diferentes.

C12H22O11 → C6H12O6 + C6H12O6

H2O

sacarose glicose frutoseinvertase

Na seqüência, sob ação da enzima zimase, os monossacarídeos são fermentados produzindo

etanol e gás carbônico.

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

glicose ou frutose

Durante a reação, ocorre inten

formação de produtos secundários co

carbônico é facilmente observada pel

ebulição, o que não é verdade. Esse fe

O tempo de fermentação var

açúcar já foi consumido, com a conse

o teor médio de álcool nestas dornas

Devido a grande quantidade de calo

→ zimase

etanol gás carbônico

sa liberação de gás carbônico, a solução aquece-se e ocorre a

mo álcoois superiores, glicerol, aldeídos, etc. A liberação de gás

a formação de bolhas, o que causa a impressão de que está em

nômeno é conhecido como fervura fria.

ia de 4 a 12 horas. Ao final deste período, praticamente todo o

qüente redução da liberação de gases. Ao terminar a fermentação,

é de 7% a 10%, e a mistura recebe o nome de vinho fermentado.

r liberado durante o processo e á necessidade da temperatura ser



mantida baixa (34°C), é preciso realizar o resfriamento do vinho, circulando água em serpentinas

internas às dornas, ou em trocadores de calor, por onde o vinho é bombeado continuamente com água

contracorente. Após a fermentação o vinho é enviado para as centrífugas, para que a levedura usada no

processo seja recuperada.

A levedura após passar pelo processo de fermentação se "desgasta", por ficar exposta a teores

alcoólicos elevados. Após a separação do fermento do vinho, o fermento a 60% é diluído a 25% com

adição de água. Regula-se o pH em torno de 2,8 a 3,0 adicionando-se ácido sulfúrico que também tem

efeito desfloculante e bacteriostático. O tratamento é contínuo e tem um tempo de retenção de

aproximadamente uma hora. O fermento tratado volta ao primeiro estágio para começar um novo ciclo

fermentativo; eventualmente é usado bactericida para controle da população contaminante.

O vinho “delevedurado” irá para os aparelhos de destilação onde o álcool é separado,

concentrado e purificado.

Destilação

O vinho que vem da fermentação possui em sua composição, 7 a 10 % de etanol, além de outros

componentes de natureza líquida, sólida e gasosa. Dentre os líquidos, encontram-se água (89 a 93%),

glicerina, aldeído acético, etc. Já os sólidos são representados por bagacilhos, leveduras e bactérias, sais

minerais, etc, e os gasosos, principalmente CO2 e SO2. O etanol presente neste vinho é recuperado pela

destilação, processo que se utiliza dos diferentes pontos de ebulição das diversas substâncias voláteis

presentes, separando-as. A operação é realizada com auxílio de colunas de destilação.

A destilação é processada em colunas superpostas, nas quais, o qual é separado do vinho e sai

com a flegma (vapores com 40 a 50°GL). A destilação elimina ainda impurezas (estéres e aldeídos).

Esta etapa tem por finalidade esgotar a maior quantidade possível de álcool do seu produto de fundo,

que é denominado vinhaça. A vinhaça, rica em água, matéria orgânica, nitrogênio, potássio e fósforo, é

utilizada na lavoura para irrigação da cana, na chamada fertirrigação.

O álcool hidratado, produto final do processo de destilação e retificação, é uma mistura binária

álcool e água que atinge um teor da ordem de 96°GL. Isto ocorre devido a formação de uma mistura

azeotrópica, fenômeno físico no qual os componentes não são separados pelo processo de destilação.

Este álcool hidratado pode ser comercializado desta forma ou passar pelo seguinte tratamento:



- Em uma coluna de desidratação, o ciclohexano (pode também utilizar benzeno) é adicionado á

esta mistura, pois tem a capacidade de formar uma mistura azeotrópica ternária, ciclohexano-água-

álcool, com ponto de ebulição inferior ao do álcool anidro, portanto o álcool é retirado do fundo da

coluna com aproximadamente 99, 7°GL.


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Diagrama simplificado do processo de produção de açúcar e álcool

Centrifugação

Vinho CO2

Fermentação

lavagem Cana-de- açúcar

açúcar álcool

caldo moagem

bagaço

TratamenPrimário

Diluição do melaço

Mosto

Mel final ou melaço

Concentração do caldo clarificado

Tratamento Químico

(Clarificação do

destilação

etanol vinhoto

to

cristalização

centrifugação

açúcar


SEGUNDA PARTE

ATIVIDADE EXPERIMENTAL: Sobre sua bancada encontram-se tubos de ensaio contendo 1 ml de solução de K2Cr2O7 em meio ácido,

citado no artigo anterior. Numere os tubos.

a) No primeiro tubo acrescente 2 ml de água;

b) No segundo tubo goteje álcool etílico até observar mudança de coloração. Anote o volume de etanol

utilizado.

c) No terceiro tubo goteje a amostra de vinho branco até observar mudança de coloração. Anote o volume da

bebida adicionada.

Elabore questões que pudessem ser abordadas com os alunos a partir do experimento. Prepare-se para

discutir e compartilhar suas idéias com os colegas.

Atenção: as soluções produzidas neste experimento não devem ser descartadas no esgoto. A solução contendo Cr3+

deve ser tratada com Na2CO3, para neutralizar o meio ácido e precipitar o íon Cr3+, na forma de Cr(OH)3. O sólido

formado deve ser armazenado e pode ser utilizado em outras práticas experimentais.

Todas as bebidas alcoólicas contêm um certo teor de etanol, podendo ser classificadas em dois grupos:

bebidas destiladas e não destiladas.

Bebida não destilada Teor alcoólico (°GL) Matéria-prima cerveja 3 a 5 Cevada, lúpulo, arroz e cereais

maltados (germinados) vinho Até 12 Uvas

champagne 11 Uvas sidra 4 a 8 Maçãs

Bebida destilada cachaça 38 a 54 Cana-de-açúcar uísque 43 a 55 Cereais envelhecidos vodca 40 a 50 Batata, cereais

conhaque 40 a 45 Destilado do vinho rum 45 Melaço da cana


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BIBLIOGRAFIAS

Texto 1: adaptado por Daniela G. de Abreu, após leitura das seguintes referências:

http://www.usinaester.com.br/Produtos/produtos.html, acessado no dia 16 de setembro de 2005, ás 15h30. SILVA,E.R.; NÓBREGA, O.S. e SILVA, R.H. Química- Transformações e energia. São Paulo:

Editora Áttica, 2001. Apostila sobre Transformações químicas e biológicas, utilizada no Programa Teia do Saber,

realizado na Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras em 2004.

http://www.usinaester.com.br/Produtos/produtos.html

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