Um tonelada de cana-de-açúcar pode gerar até 160 kg de sacarose alcançando um rendimento próximo a 80 litros de etanol. Atualmente, a cana-de-açúcar é a única matéria prima utilizada em escala industrial para a produção de etanol combustível no Brasil. No entanto, a maior parte dos custos de produção do bioetanol está justamente relacionado com o plantio e manejo dessa matéria prima (ANDRIETTA et al., 2007). O processo de produção de bioetanol mais bem consolidado no Brasil foi desenvolvido por Firmino Boinot em destilarias francesas da região de Melle e sua tecnologia patenteada em 1937. O processo utiliza a fermentação principalmente da sacarose e é feita pela levedura S. cerevisiae. A Figura 1 representa um desenho esquemático do processo de produção de bioetanol. Ao longo dos últimos 30 anos, esse processo foi aperfeiçoado nas destilarias brasileiras o que permitiu alcançar fermentações com rendimentos de etanol de 92-93% em comparação com os rendimentos (75-80%) alcançados no início do programa Proálcool (AMORIM et al., 2011).
O processo denominado Melle-Boinot é tipicamente para produção de etanol em batelada e compreende a pesagem e limpeza da matéria prima, seguida pela redução do pH do meio com ácido sulfúrico (H2SO4) e ajuste da concentração dos açúcares no mosto de fermentação
(melaço e/ou caldo de cana) para valor próximos a 180 g L-1 de açúcares totais, sendo a maioria sacarose (AMORIM et al., 2011). O processo de produção de bioetanol brasileiro é caracterizado por uma fermentação em grandes tanques, que chegam a utilizar de 0,5 a 3 milhões de litros de mosto por batelada (processo descontínuo), e com densidades celulares que variam de 10 a 17% p/v (BASSO et al., 2008; AMORIM et al., 2011). Na fermentação em batelada simples, o mosto e as leveduras são adicionados no início da fermentação e ao término são completamente removido. Nos processos de batelada alimentada, o mosto vai sendo gradualmente adicionado a medida que a fermentação acontece e, portanto, pode-se evitar concentrações elevadas de açúcares (que podem causar estresse osmótico às leveduras) nas dornas de fermentação. Ao final do processo de batelada alimentada, o vinho produzido e as leveduras utilizadas são removidos do biorreator e inicia- se um novo processo. Em torno de 85% das destilarias utilizam o processo de batelada alimentada e, somente 15% utilizam o processo de batelada simples (GODOY et al., 2008). As fermentações são realizadas normalmente com uma mistura do melaço e do caldo da cana-de-açúcar por períodos curtos de 6 a 12 horas, sendo possível fazer de 2 a 3 fermentações por dia (BASSO et al., 2008). Ao final da fermentação, a concentração de etanol pode atingir valores de 7 a 11% (v/v) e o açúcar residual fica abaixo de 0,1%. Após o término da fermentação, o vinho produzido é decantado e depois centrifugado para a separação e recuperação das leveduras. O vinho é enviado para a destilação enquanto que as leveduras recuperadas são submetidas a um tratamento com ácido sulfúrico (pH 2,0 – 2,5) para remover bactérias contaminantes e leveduras mortas (AMORIM et al., 2011). Cerca de 90% das leveduras são recicladas e reutilizadas para a próxima fermentação (BASSO et al., 2008). Esse processo é realizado de 200 a 300 dias por ano, dependendo de diversos fatores, entre eles a região de produção, condições climáticas, variedades da cana-de-açúcar, demandas de mercado, etc. No Brasil, a safra da cana-de-açúcar acontece de abril a novembro e de setembro a março nas regiões Centro- Sul e Norte-Nordeste, respectivamente (AMORIM et al., 2011).
A reutilização das leveduras representa uma vantagem no ambiente industrial, pois o reuso da biomassa viva poupa açúcar e aumenta o rendimento de etanol e também diminui o tempo do processo. Isso acontece porque, ao invés das células utilizarem parte do açúcar
Figura 1: Ilustração simplificada mostrando a produção de bioetanol no Brasil. A cana-de-açúcar (a) é
coletada, transportada e moída produzindo o bagaço (b) e o caldo de cana. O bagaço pode ser queimado nas caldeiras para produção de vapor e energia elétrica. O caldo da cana é processado (clarificação e ajuste de concentração) e segue para a produção de açúcar e/ou etanol. Em (c) as leveduras são acrescentadas nas dornas juntamente ao caldo da cana ou melaço para ocorrer a fermentação (d). Após o término da fermentação, o mosto é centrifugado para a separação das leveduras do vinho. As leveduras sofrem a seguir um tratamento ácido e são recicladas para o uso em uma nova fermentação. O vinho segue para as destilarias (e) onde ocorre a concentração do etanol produzido. Fonte: AMORIM et al., 2011.
para a produção de biomassa, elas convertem essa parte adicional em mais etanol, aumentando a eficiência do processo (AMORIM, LOPES, 2005). Dessa forma, as destilarias brasileiras possuem vantagens não apenas pela matéria prima utilizada (cana-de-açúcar), mas também por fermentações industriais que priorizam altos rendimentos, reutilização de biomassa de levedura e realização em intervalos de tempo bastante curtos (BASSO et al., 2008). Após a fermentação, o vinho produzido é destilado produzindo uma mistura de etanol hidratado de 95,5% (v/v). Para produzir etanol anidro, a água é removida através de um carboidrato desidratado ou com o uso de peneiras moleculares que absorvem água. As destilarias geram um resíduo aquoso denominado vinhaça, a qual é utilizada como fertilizante ou insumo para irrigação (WHEALS et al., 1999). A cada litro de etanol anidro produzido, são gerados cerca de 15 litros de vinhaça.
1.4 A LEVEDURA S. cerevisiae
As leveduras, especialmente do gênero Saccharomyces, têm sido amplamente utilizadas desde os primórdios da civilização em diversos processos biotecnológicos, que englobam, por exemplo, a produção de bebidas alcóolica (cerveja, vinho, etc.) e produtos de panificação, entre outros. Várias linhagens de Saccharomyces foram sendo selecionadas artificialmente ao longo de sucessivos processos de produção devido a sua capacidade de fermentar açucares e produzir etanol, mesmo na presença de oxigênio. Outro fator determinante para o predomínio do gênero Saccharomyces em processos fermentativos é o fato desse se adaptar e suportar baixos valores de pH, altas concentrações de etanol dissolvido, variações de temperaturas e estresse osmótico decorrente das altas concentrações de açúcares nos mostos fermentativos. Dentre as espécies que compõem o gênero Saccharomyces, S. cerevisiae é considerada o agente predominante nas fermentações e o principal microrganismo utilizado na produção de etanol combustível nas usinas brasileiras. Outras espécies do complexo Saccharomyces sensu stricto que se destacam em processos industriais são a S. bayanus e S. pastorianus (QUEROL, BOND, 2009).
As leveduras mais adaptadas para o processo industrial foram sendo selecionadas em virtude de sua capacidade de dominar o processo de fermentação ao longo de diversos reciclos durante a safra e, também, em razão de fermentações mais eficientes e estáveis (BASSO et al., 2008). As linhagens selecionadas, conhecidas como “industriais”, são
atualmente utilizadas pela maioria das usinas brasileiras desde o início da safra de produção de bioetanol. Essas linhagens são mais resistentes e respondem de melhor forma às condições estressantes do processo industrial às quais são submetidas.