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Bioethanol production from sweet sorghum broth and sugar cane fermentation/Producao de bioetanol a partir da fermentacao de caldo de sorgo sacarino e cana-de-acucar.

INTRODUCAO

O sistema eneigetico mundial deve ser sustentavel, renovavel, rentavel e seguro. O uso de petroleo representa 37% do consumo da energia mundial (KUNDIYANA, 2006). De sua queima, sao emitidos gases, como o dioxido de carbono, que promovem e/ ou contribuem de modo significativo para as alteracoes climaticas globais (GNANSOUNOU & DAURIAT 2005).

A utilizacao de novas formas de energias que atendam as exigencias ambientais e economicas, assegurando um desenvolvimento energetico mundial sustentavel, e imprescindivel (KUNDIYANA, 2006).

Nesse cenario, observa-se a importancia do uso de biocombustiveis para suprir a demanda global de energia. Alem de serem produzidos a partir de biomassa vegetal, emitem menores quantidades de dioxido de carbono e de particulas poluentes ao ambiente quando utilizados e possuem grande vantagem por serem combustiveis renovaveis.

O Brasil destaca-se como maior produtor mundial de bioetanol a partir da cana-de-acucar. Entretanto, avaliando-se as perspectivas de expansao do mercado interno e externo, verifica-se que a producao de 27 bilhoes de litros de etanol, na safra de 2013/2014, devera ser ampliada para 65,3 bilhoes de litros na safra de 2020/2021, representando 15% da matriz energetica brasileira (CONAB, 2013).

Sob essa optica, verifica-se a importancia do conhecimento e do dominio de matrizes (especies vegetais) energeticas que apresentem elevada eficiencia e rendimento agroindustrial. Assim, faz-se necessario o desenvolvimento de estudos com culturas alternativas, que possam suprir o setor industrial com materiasprimas adequadas, inclusive ampliando o periodo de processamento industrial, com custos e eficiencias compativeis com o mercado (EMBRAPA, 2012).

O sorgo sacarino e uma cultura que apresenta potencial para utilizacao, na producao de bioetanol, em complementacao com a cana-de-acucar. Suas principais caracteristicas residem na eficiencia do uso de agua, equivalendo a 1/3 da quantidade utilizada pela cana-de-acucar e 1/2 do milho (REDDY et al., 2005), alem do bom desenvolvimento em diferentes climas e solos (DUTRA et al., 2011).

O processamento industrial do sorgo sacarino e realizado de forma similar ao da cana-de-acucar, sendo necessarios pequenos ajustes operacionais, como no processo de extracao, moagem e clarificacao de caldo. O etanol e produzido por fermentacao direta do caldo, utilizando a mesma infraestrutura da industria canavieira (SRINIVASA RAO et al., 2009).

A presente pesquisa foi desenvolvida objetivando avaliar o comportamento de duas materias primas (sorgo sacarino e cana-de-acucar), colhidas em final de verao (abril) e antecipando o inicio da safra sobre o desenvolvimento da microbiota fermentativa e o rendimento do processo de producao de etanol.

MATERIAL E METODOS

O experimento foi instalado na area experimental do departamento de producao vegetal da FCAV/UNESP, Campus de Jaboticabal, na safra de 2011/2012. O plantio do genotipo de sorgo sacarino (CVSW80007) foi realizado com espacamento combinado de 90 x 70cm entre as linhas, em area total de 1.000[m.sup.2]. Aos 15 dias apos a semeadura, realizou-se o desbaste, mantendo-se 10 plantas [metro.sup.-1]], resultando num estande final de 120.000 plantas [ha.sup.-1]]. Na adubacao de plantio, empregaram-se 20+100+100kg [ha.sup.-1]] de N+[P.sub.2][O.sub.5]+[K.sub.2]O.

Utilizou-se de capinas manuais para evitar plantas daninhas. Para o controle das pragas de solos, aplicaram-se, no sulco de plantio, Tiametoxan+LambdaCialotrina na dosagem de 142mL [ha.sup.-1]], atraves de pulverizacao. Para o controle da lagarta de cartucho, 30 e 45 dias apos o plantio, realizou-se a pulverizacao da parte area com Tiametoxam+Lambda-Cialotrina, na dosagem de 150mL [ha.sup.-1]]. Foi feita adubacao de cobertura com 40+10+40kg [ha.sup.-1]] de N+[P.sub.2][O.sub.5]+[K.sub.2]O, aos 30 dias apos a semeadura.

O genotipo de sorgo empregado caracterizase por adaptar-se a diferentes periodos de producao, isoladamente ou em conjunto com a cana. Pode ser utilizado na entressafra da cana, em inicio tardio da moagem de cana e em complemento de materiaprima. Proporciona excelente relacao custo-beneficio e melhor adaptabilidade a diversos ambientes. Em ambientes favoraveis, pode ser colhido a partir dos 100 dias apos o plantio (CANAVIALIS, 2013).

A cultivar de cana-de-acucar empregada foi a 'RB966928', multiplicada no municipio de Jaboticabal-SP. Nessa area, a colheita mecanizada (1o corte) foi realizada sem queima previa, em abril de 2011, sendo cultivada em espacamento de 1,5 metros entre linhas, tendo sido adubada com 12030-120kg [ha.sup.-1]] de N+[P.sub.2][O.sub.5]+[K.sub.2]O. Para o controle das plantas daninhas, utilizou-se de hexazinona+diuron (230g+1.800g [ha.sup.-1]]), nao sendo realizado nenhum outro controle fitossanitario. Em abril de 2012 (2[degrees] corte), procedeu-se a colheita manual dos colmos para a instalacao do ensaio.

Segundo a RIDESA (2010), a RB966928 apresenta produtividade agricola elevada, teor medio de sacarose, PUI medio e maturacao precoce a media. Recomenda-se plantio em ambiente de producao de medio a alto potencial, com colheita no inicio a meio de safra. A brotacao em cana-planta e em soqueiras e muito boa, com alto perfilhamento e com excelente fechamento de entrelinhas.

Para a amostragem, foram coletados, manualmente, 30 colmos de sorgo seguidos na linha, aos 125 dias apos a semeadura, dos quais foram retiradas folhas e palha. Este material, juntamente com os colmos de cana, foi encaminhado ao laboratorio de acucar e alcool--FCAV/UNESP, onde se submeteu a extracao do caldo, atraves de moenda.

Avaliou-se a qualidade dos caldos pela determinacao das seguintes caracteristicas quimicotecnologicas: brix (teor de solidos soluveis) (ICUMSA, 2011); pH por leitura direta em medidor digital, com correcao de temperatura; acucares redutores (AR) (MILLLER, 1959) e acidez total (CTC, 2005).

O caldo extraido foi submetido a clarificacao por defecacao simples, que consiste em um processo para remocao de impurezas, sendo este realizado da seguinte maneira: primeiramente, elevase o pH do caldo ate 6,0 [+ or -] 0,1, atraves da adicao de hidroxido de calcio P.A. 0,76mol [L.sup.-1], pois o calcio adicionado reage com o fosforo presente, formando fosfatos de calcio, que precipitam e adsorvem outros compostos, como acidos. Deve-se ressaltar que o aquecimento ate o ponto de ebulicao acelera a reacao entre os compostos, alem de desnaturar proteinas e remover gases diluidos no caldo.

A seguir, procedeu-se ao aquecimento desta mistura ate 100-105[degrees]C, dispondo-se em provetas, permanecendo em repouso por 20 minutos. Apos esse periodo, o caldo foi filtrado em papel de filtro qualitativo de 14pm, para separacao de impurezas sedimentadas do caldo clarificado.

O caldo clarificado foi padronizado para 16 brix, o pH corrigido com acido sulfurico ate 4,5 ([+ or -] 0,3) e a temperatura ate 30[degrees]C, resultando no mosto. Avaliou-se nos mostos o teor de acucares redutores totais (ART) (ICUMSA, 2011).

Aliquotas de 250mL de mosto foram inoculadas com as leveduras fermentadoras (estirpe FT858), em concentracao de 30g [L.sup.-1], sendo os frascos mantidos a 30 [+ or -] 1[degrees]C em estufa do tipo B.O.D. durante toda a fermentacao. A conducao da fermentacao foi realizada pelo processo em bateladas, com a recuperacao do fermento por centrifugacao.

O processo fermentativo foi monitorado pela reducao do brix, com auxilio de densimetro, a cada 4 horas. As fermentacoes foram divididas em tres etapas: pe-de-cuba, inicio e final. O pe-de-cuba consiste nas leveduras empregadas na fermentacao; o inicio da fermentacao foi fixado em 1 hora apos inoculacao, mosto+leveduras, e o final do processo, estabelecido quando o brix apresentava valores inferiores a 1 ou proximos de zero, em intervalos de 30 minutos. Nessas etapas, foram retiradas aliquotas para a realizacao das analises microbiologicas.

Foram realizadas contagens de viabilidade celular, viabilidade de brotos e brotamentos atraves de camara de neubauer (LEE et al., 1981). O tempo medio de fermentacao neste experimento, em ambas as materias-primas, cana-de-acucar e sorgo sacarino, foi de 10 horas.

No mosto fermentado (vinho), foram determinados: acucares redutores residuais totais (LANE & EYNON, 1934); glicerol (COPERSUCAR, 2001); e teor alcoolico, atraves de leitura em ebuliometro. O rendimento fermentativo foi obtido atraves do calculo, seguindo a relacao alcool produzido [(alcool teorico x100).sup.-1], sendo o alcool teorico calculado, considerando que 100g de ART produz 64,75mL de etanol, com base em equacao estequiometrica.

O delineamento experimental na fase agricola foi o inteiramente casualizado, com dois tratamentos (sorgo sacarino e cana-de-acucar). No processo fermentativo, empregou-se o inteiramente casualizado num esquema de parcelas subdivididas, com dois tratamentos principais (cana-de-acucar e sorgo sacarino) e tres tratamentos secundarios (tempo de amostragem das fermentacoes no pe-de-cuba, inicio e final do processo), com quatro repeticoes.

Os dados obtidos foram submetidos a analise de variancia (teste F), teste de comparacao de medias (Tukey a 5%), empregando-se o programa AgroEstat (BARBOSA & MALDONADO, 2011).

RESULTADOS E DISCUSSAO

Os resultados das analises quimicotecnologicas estao apresentados na tabela 1. Os parametros brix, pH, AR, ART e acidez diferiram entre os tratamentos cana e sorgo. Ambos apresentavam valores de brix superiores a 15% e pH na faixa de 4,8 a 5,5, valores recomendados para o processamento. Mesmo com diferenca estatistica, os valores de pH estao conforme o processo fermentativo, pois valores entre 4,5 a 6,5 favorecem o crescimento e desenvolvimento das leveduras (AMORIM, 2005).

Comparando os resultados de brix e pH do caldo extraido da cana-de-acucar e do sorgo sacarino, verificaram-se resultados ligeiramente superiores na cana.

O sorgo sacarino apresentou teor de acucares redutores (AR) que pode ser considerado elevado, quando comparado ao valor obtido para a cana. Os resultados obtidos nesta pesquisa sao semelhantes aos relatados por TEIXEIRA et al. (1997), que obtiveram valores entre 4,16 e 8,27% de AR em sorgo.

Os acucares redutores presentes no sorgo, de acordo com EMBRAPA (2012), ocorrem em ampla faixa de variacao (1 a 3%), em funcao do genotipo e da fase de desenvolvimento da planta. Estes sao utilizados em varias reacoes metabolicas e tambem como fonte de energia. Durante os estagios de desenvolvimento de sorgo, ha relatos de reducao nos teores de acucares redutores, quando a planta se encontra na fase da maturacao fisiologica das sementes (CHANNAPPAGOUDAR et al., 2007).

A cultivar de cana 'RB966928' apresentou valores de 0,96% de acucares redutores, sendo recomendado valor inferior a 0,8% para o processamento (AMORIM, 2005), indicando que nesta epoca a cultivar nao se encontrava com elevada maturacao.

A cana-de-acucar apresentou teores de acucares redutores totais (ART) significativamente maiores que os do sorgo sacarino (Tabela 1). Resultados semelhantes aos de sorgo sacarino foram relatados por ALMODARES & HADI (2009), com valores na faixa de 12-17%, sendo que ALMODARES et al. (2008) obtiveram resultados de 4,2-15,2% de acucares redutores totais.

Considerando-se o processamento industrial, sabe-se que os teores de acucares redutores totais (ART) sao determinantes para a obtencao de elevado rendimento e produtividade. Nesse sentido, comparando-se as materias-primas, observa-se que ambas apresentaram valores de ART do caldo superiores a 15%, considerados dentro de padroes aceitaveis e ideais de processamento industrial da cana-de-acucar (AMORIM, 2005).

Segundo SCHAFFERT & PARRELLA (2012), para a producao economica e sustentavel de etanol a partir do sorgo sacarino, e necessario, no minimo, 12,5% de ART, valor este que e utilizado para se estabelecer o PUI (Periodo Util de Industrializacao). Nesse contexto, observa-se que o genotipo de sorgo (CVSW80007) apresentou-se adequado ao processamento.

Segundo SOUZA (2011), o periodo de utilizacao industrial do sorgo sacarino pode variar entre os genotipos, em vista da curva de acumulacao dos acucares, o que pode definir genotipos com maior ou menor potencial de processamento.

Analisando-se os resultados obtidos para a acidez sulfurica do caldo (Tabela 1), observa-se que o tratamento cana apresentou valor maior que o recomendado. Segundo RIPOLI & RIPOLI (2009), a acidez sulfuricado caldo e um parametro de qualidade da materia-prima, devendo apresentar valores inferiores a 0,8g [L.sup.-1] [H.sub.2]S[O.sub.4]. Neste caso, valores superiores podem indicar a presenca de fatores prejudiciais a qualidade da cana, como agentes contaminantes e/ou deterioracao. A acidez do mosto de sorgo encontrada corrobora as informacoes de BISIO & BULANTI (2012), que indicaram teores de 1,69g [L.sup.-1] [H.sub.2]S[O.sub.4] de acidez para caldo extraido da variedade M81.

O comportamento fisiologico apresentado pelas leveduras submetidas aos dois substratos indicou maior quantidade de celulas vivas e brotamentos para o mosto de cana-de-acucar, enquanto a viabilidade de brotos nao apresentou diferenca significativa (Tabela 2). Segundo OKOLO et al. (1987), a porcentagem de celulas e brotos viaveis durante a fermentacao e importante para a manutencao da populacao de leveduras. Assim, seu monitoramento e imprescindivel, pois, alem de moleculas indesejadas presentes na materia-prima, compostos toxicos para as leveduras, que sao produzidos durante a fermentacao, podem acumular-se no fermento, resultando em reducao de viabilidade e eficiencia industrial.

Durante as fases da fermentacao, observouse diferenca significativa apenas para os indices de brotamentos, que apresentaram incrementos do inicio para o final do processo, independentemente da materia-prima utilizada. Considerando-se que as leveduras sao reutilizadas em ciclos fermentativos posteriores, e de extrema importancia a presenca de celulas e brotos viaveis ao final da fermentacao, para que a porcentagem de fermento adequada seja mantida na dorna (AMORIM et al., 1996).

A fermentacao realizada resultou em um vinho com teor alcoolico significativamente maior e teor de acucares redutores residuais significativamente menor no mosto de cana (Tabela 3), evidenciando melhor consumo dos acucares pelas leveduras nessa materia-prima. RIBEIRO FILHO et al. (2008) observaram 5,9% de etanol a partir do processamento de sorgo, sendo que, para cana-de-acucar, MENEGUETTI et al. (2010) informaram valores na faixa de 7-10%. Assim, os resultados obtidos sao comparaveis aos relatados na literatura.

O glicerol e um composto secundario, que se forma na mesma via do etanol, e e inversamente proporcional a sua producao. Portanto, o ideal de uma fermentacao e a menor producao possivel de glicerol (AMORIM et al., 1996).

Os valores de glicerol do mosto fermentado (vinho) (Tabela 3) nao apresentaram diferencas significativas para as materias-primas estudadas, com valores considerados normais no processo fermentativo. GARCIA (2009) relata medias de 10,98mg 100[mL.sup.-1] de glicerol em mosto fermentado (vinho), decorrente de mosto de cana-de-acucar. Na biossintese do glicerol, varios fatores influenciam, como a linhagem da levedura utilizada, a temperatura, a concentracao do substrato, o estresse osmotico e o pH, na producao pela levedura, no processo fermentativo (AMARAL, 2009; BEROVIC et al., 2006).

As medias observadas para o rendimento fermentativo foram significativamente maiores para a cana-de-acucar (Tabela 3), da ordem de 7,5% superiores aos do sorgo sacarino. No processo industrial, o rendimento fermentativo adequado atinge de 90 a 92% do rendimento estequiometrico ao decorrer do ano produtivo, mas, em inicio de safra, obtem-se menores valores, ate que ocorra estabilizacao da producao, atingindo os melhores rendimentos. O consumo de acucar destina-se a formacao de biomassa celular e de subprodutos (LIMA et al., 2001).

DAVILA-GOMEZ et al. (2011), em estudo de fermentacao com caldo de cinco genotipos de sorgo sacarino, obtiveram eficiencia fermentativa variando de 79,99 a 89,75%, enquanto RATNAVATHI et al. (2010) obtiveram valores de eficiencia fermentativa na faixa de 86,5 a 94,7% para sorgo sacarino, utilizando leveduras Saccharomyces cerevisiae CFTR 01. Os resultados obtidos no presente estudo foram semelhantes aos relatados na literatura. Uma vez que diversos fatores influenciam na eficiencia fermentativa, como qualidade da materia-prima, temperatura, pH, estirpes de leveduras, entre outros, busca-se maior eficiencia, a fim de obter melhores resultados industriais.

CONCLUSAO

O sorgo sacarino (CVSW80007) apresenta teores de brix, pH e ART que, apesar de adequados para o processamento industrial, foram menores que os da cana-de-acucar (RB966928) colhida em abril. As analises da microbiota fermentativa indicam maiores porcentagens de viabilidade celular e brotamentos nos substratos oriundos da cana-deacucar. A fermentacao de mosto de cana-de-acucar apresentou maior teor alcoolico e rendimento.

O sorgo sacarino (CVSW80007), de modo geral, apresentou resultados inferiores aos da cana-de-acucar (RB966928), porem podem ser considerados potencialmente satisfatorios para processamento em abril, objetivando a producao de bioetanol, possibilitando a reducao do periodo de entressafra canavieira.

http://dx.doi.org/10.1590/0103-8478cr20130549

AGRADECIMENTOS

Agradecemos a Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES) pela concessao de bolsas de estudos. A Faculdade de Ciencias Agrarias e Veterinarias (FCAV)/Universidade Estadual Paulista (UNESP) e ao Laboratorio de Tecnologia do Acucar e do Alcool por possibilitarem a execucao deste trabalho.

REFERENCIAS

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Igor dos Santos Masson (I) * Gustavo Henrique Gravatim Costa (I) Juliana Pelegrini Roviero (I) Lidyane Aline de Freita (I) Miguel Angelo Mutton (II) Marcia Justino Rossini Mutton (I)

(I) Departamento de Tecnologia, Faculdade de Ciencias Agrarias e Veterinarias (FCAV), Universidade Estadual Paulista "Julio de Mesquita Filho" (UNESP), 14884-900, Jaboticabal, SP, Brasil. E-mail: igor_smasson@yahoo.com.br. * Autor para correspondencia.

(II) Departamento de Producao Vegetal--Fitotecnia, FCAV, UNESP, Jaboticabal, SP, Brasil.

Recebido 18.04.13 Aprovado 13.01.15 Devolvido pelo autor 11.05.15 CR-2013-0549.R3
Tabela 1--Valores medios e resultados da analise de variancia para
brix, pH, AR (acucares redutores), ART (acucares redutores totais)
e acidez do caldo extraido de cana-de-acucar e sorgo sacarino.

Tratamentos     Brix        pH      AR (%)    ART (%)     Acidez (g
                 (%)                                     [L.sup.-1]
                                                         [H.sub.2]S
                                                         [O.sub.4])

1. Cana-       21,20 A    5,20 A    0,96 B    17,30 A      1,06 B
de-acucar

2. Sorgo       19,23 B    4,86 B    3,34 A    15,20 B      1,71 A
sacarino

As medias seguidas pela mesma letra nao diferem entre si, pelo
teste de Tukey. Letras maiusculas comparam valores na coluna.

Tabela 2--Valores medios e resultados da analise de variancia para
viabilidade celular, viabilidade de brotos e brotamentos da
levedura no processo fermentativo de cana-de-acucar e sorgo
sacarino.

Tratamentos           Viabilidade     Viabilidade     Brotamentos
                      Celular (%)    de Brotos (%)        (%)

1. Cana-de-acucar       92,36 A         95,59 A         14,46 A
2. Sorgo sacarino       89,48 B         93,33 A          6,84 B
1. Pe-de-Cuba           90,48 a         92,33 a          4,38 b
2. Inicio               90,91 a         92,21 a          3,86 b
3. Final                91,37 a         98,85 a         23,72 a

As medias seguidas pela mesma letra nao diferem entre si, pelo
teste de Tukey. Letras maiusculas na coluna comparam medias entre
as materias-primas, e letras minusculas comparam medias de tempo de
amostragem no processo fermentativo.

Tabela 3--Valores medios e resultados da analise de variancia para
teor alcoolico, glicerol, ARRT (acucares redutores residuais
totais) e rendimento alcoolico do mosto fermentado (vinho) de
cana-de-acucar e sorgo sacarino.

Tratamento      Teor         Glicerol (mg      ARRT     Rendimento
              alcoolico    [100mL.sup.-1])      (%)         (%)
                 (%)

1. Cana-        7,32 A         17,63 A        0,06 B      87,51 A
de-acucar

2. Sorgo        6,33 B         18,29 A        0,09 A      81,38 B
sacarino

As medias seguidas pela mesma letra nao diferem entre si pelo teste
de Tukey. Letras maiusculas comparam valores na coluna.
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Title Annotation:negocio agricola; texto en portugues
Author:Masson, Igor dos Santos; Costa, Gustavo Henrique Gravatim; Roviero, Juliana Pelegrini; de Freita, Li
Publication:Ciencia Rural
Date:Sep 1, 2015
Words:4120
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