Obtenção do Etanol a partir do Caldo de Cana - Relatório de Orgânica.
CEFET Química / Unidade Nilópolis
Curso: Técnico em Química Integrado ao Ensino Médio
Professor: José Celso
OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO CALDO DE CANA
Data de Realização: 27/04/2007
O etanol, composto orgânico de fórmula molecular C2H5OH, pertence à classe dos álcoois. Ele não é encontrado espontaneamente na natureza, podendo ser obtido por diferentes processos a partir de diversas fontes. No Brasil, a biomassa é a fonte de maior significância, onde se destaca a cana-de-açúcar (sacarose) como matéria-prima. Nesse procedimento, utiliza-se a fermentação alcoólica como base na produção de etanol.
Depois da formulação da estequiometria da fermentação por Gay-Lussac (1815), Pauster (1863) demonstrou a fermentação alcoólica como um processo anaeróbio. A partir daí, e principalmente durante as primeiras décadas de 1900, as pesquisas culminaram com a elucidação das reações enzimáticas responsáveis pela transformação química do açúcar em etanol e gás carbônico no interior da levedura.
A fermentação alcoólica pode ser considerada como a oxidação anaeróbica parcial da glicose, por ação de leveduras, com a produção final de álcool etílico e gás carbônico, além de outros produtos secundários. É processo de grande importância, através do qual são obtidos todo o álcool industrial, e todas as bebidas alcoólicas, destiladas e não destiladas e, como produto secundário, o gás carbônico. É ainda utilizado na panificação e na obtenção de leveduras prensadas.
Em aerobiose, há oxidação total da glicose:
C6H12O6(s) + 6O2(g)  6CO2 + 6H2O(l)
Neste caso, na prática, diminui o rendimento em etanol, ao mesmo tempo em que, pelo maior aproveitamento da energia proveniente da oxidação da glicose, há maior produção de células de leveduras.
Nesses processos utiliza-se com maior freqüência as leveduras Saccharomyces cerevisiae, que é um aeróbio facultativo. Assim, os produtos finais de metabolização irão depender das condições ambientais em que a levedura se encontra. Deste modo, enquanto uma porção de açúcar é transformada em biomassa em aerobiose (CO2 e H2O), a maior parte é convertida em etanol e CO2 em anaerobiose.
Após a fermentação o álcool é destilado, processo físico que consiste em desdobrar misturas homogêneas, como as soluções de sólidos em líquidos ou as soluções de dois ou mais líquidos. Compreende o aquecimento de uma mistura de mais de dois líquidos que possuem pontos de ebulição não muito próximos. Assim, a solução é aquecida e se separa, inicialmente, o líquido com o menor ponto de ebulição. Em seguida, a solução é aquecida até se separar o líquido com ponto de ebulição acima do primeiro líquido separado, e assim sucessivamente até a separação do líquido com maior ponto de ebulição. No caso do álcool, apesar das diversas destilações realizadas, precisa-se também realizar a desidratação, pois não se pode obter, apenas por destilação, álcool etílico com concentração superior a 97,2% em volume (95,6% em peso). Isso porque nessa concentração a mistura de água e etanol é azeotrópica (mistura líquida de duas ou mais substâncias que se comporta como uma substância única, quando o vapor produzido pela evaporação parcial do líquido tem a mesma composição que o líquido. A mistura em ebulição constante apresenta um ponto máximo ou mínimo de ebulição, comparado com o de outras misturas das mesmas substâncias).
O álcool comum é usado como:
solvente para tintas, vernizes, perfumes etc.;
combustível para carros a álcool (usam etanol a 95%) e carros a gasolina; no último caso, adicionam-se até 22% de etanol anidro à gasolina, o que é vantajoso porque o álcool polui menos a atmosfera do que a gasolina; melhora o desempenho do motor, já que o índice de octanos do etanol é 105; e, no caso brasileiro, economiza divisas, diminuindo a importação de petróleo;
na obtenção de vários compostos orgânicos como, por exemplo, o acetaldeído, o ácido acético, o éter comum; e em bebidas alcoólicas.
Obter etanol através da fermentação do caldo de cana e preparação de um derivado.
Béckeres de 250mL
Pipeta Pauster
Aparelho de destilação fracionada, com manta aquecedora
Balões de fundo redondo, sendo um de 500mL e o outro de 100mL
Colocou-se 200mL de caldo de cana (200g/L de sacarose) em um Becker de 250mL. Enquanto isso se pesou 30g de fermento de pão desmanchado (comportados em um vidro de relógio) na balança analítica e misturou-se o mesmo em 100mL de água (que estava contida num Becker de 250mL). Após isso, adicionou-se essa mistura ao caldo de cana, colocando-a num Kitassato e vedou-se o mesmo com uma rolha de borracha conectada a uma mangueira de látex (que tinha na sua ponta uma pipeta Pauster), com a outra extremidade mergulhada em uma solução de hidróxido de bário [Ba(OH)2], contida num Erlenmeyer de 250mL conforme mostra a figura 1:
Figura 1: Kitassato com caldo de cana e fermento de pão conectado a Erlenmeyer com Ba(OH)2
Protegeu-se a solução de hidróxido de bário do contato com o a atmosférico por se adicionar uma camada de aproximadamente 0,5cm de óleo acima da fase aquosa. Deixou-se o sistema em repouso até o dia seguinte para que a fermentação se completasse.
No dia posterior, desconectou-se a mangueira de látex do Erlenmeyer contendo hidróxido de bário, e realizou-se uma filtração a vácuo, utilizando o funil de Büchner, a fim de separar a solução da borra do fermento, de acordo com a figura 2:
Figura 2: Aparelhagem de filtração a vácuo
Enquanto isso se montou a aparelhagem de destilação fracionada, conforme descrito na figura 3:
Figura 3: Aparelhagem de destilação fracionada
Colocou-se a substância adquirida em um balão de fundo redondo de 500mL na manta aquecedora e cobriu-se o balão com papel laminado, conforme descrito na figura 2. Ligou-se a manta aquecedora e esperou-se que o termômetro marcasse entre 70-90ºC. Após essa primeira destilação efetuou-se uma segunda, a fim de obter etanol com maior grau de pureza.
Na primeira etapa do experimento, ficou nítida a formação de gás carbônico no Kitassato, porque se pôde observar um precipitado, que no caso era o carbonato de bário (BaCO3). Isso aconteceu por causa da reação do hidróxido de bário [Ba(OH)2] com o gás carbônico (CO2) produzido:
Ba(OH)2(aq) + CO2(g)  BaCO3 + H2O(l)
A formação de gás carbônico foi uma indicação de que a fermentação fora iniciada, visto sua formação acontecer simultaneamente à do etanol (CH3CH2OH). Somente nesse processo é que ocorrem reações químicas, ou bioquímicas, como por exemplo:
C12H22O11 + H2O  C6H12O6 + C6H12O6
C6H12O6  2CH3CH2OH + 2 CO2 + 26kcal
Há cerca de 12 reações na fermentação, cada qual catalisada por uma enzima produzida pela própria levedura (Saccharomyces cerevisiae). São no total 15 enzimas e 3 co-enzimas. No caso das suas principais citadas acima, que são as que interessam ao experimento realizado, em (1) a enzima responsável pela catálise da reação é a invertase; em (2), é a zimase.
Após a filtração a vácuo tornou-se necessária a destilação, pois a fermentação não leva a líquidos com teor de etanol maior do que 12-15%. Isso porque ao se prosseguir a fermentação a temperatura aumenta e as enzimas do fermento são desativadas em concentrações mais elevadas. Assim, realizou-se a destilação fracionada. Com isso obteve-se cachaça, que é uma bebida com maior teor de etanol (cerca de 38 a 45ºGL) – é interessante ressaltar que NÃO se conseguiu cachaça com essa quantidade de etanol, e sim com quantidade inferior. Soube-se que etanol havia sido produzido porque ao se acender um fósforo próximo ao liquido, este se inflamou.
Após realizar a segunda destilação, o etanol obtido estava mais puro, percebendo-se a diferença inclusive pelo odor, que no caso da cachaça era bem desagradável. Dessa forma pôde-se observar a formação de etanol com maior grau de pureza, mas que mesmo assim não chegou a 96ºGL, apesar do cheiro característico. Quanto maior o número de destilações realizadas, conseguiria-se etanol mais puro ainda, até chegar a 96ºGL (de acordo com a teoria), que corresponde à mistura de 96% de etanol e 4% de água, em volume.
Concluiu-se, experimentalmente, que a produção de etanol a partir do caldo de cana é viável, inclusive economicamente, no Brasil, onde há boa quantidade de cana-de-açúcar disponível. Apesar do país produzir petróleo, de onde também se pode conseguir álcool etílico (por meio da hidratação do acetileno), a via fermentativa ainda é de grande importância para a sua produção, devido à simplicidade e economia do processo.
É também interessante notar o modo como o experimento provou que é possível o homem produzir em seu beneficio sem agredir a natureza. Isso porque o objetivo da levedura ao realizar a fermentação é alimentar-se em ausência de oxigênio e é justamente nesse processo que ela elimina o etanol. Explorando a capacidade de adaptação das leveduras, podem-se alterar as condições físico-químicas do meio do meio para, em beneficio do homem, favorecer a conversão do açúcar em etanol sem negligenciar as necessidades metabólicas mínimas das leveduras.
AMARAL, L. F.; SEOUD, O. E.; ALVARENGA, M. A.; VICENTINI, G.; YOSHIDA, M.; FILHO, J. C. L.; DEL'ACQUA, A. Fundamentos de Química Orgânica: Álcoois, glicóis e glicerina. Coordenação: Marcello de Moura Campos. São Paulo, Editora Edgard Blücher LTDA, 1980. Pags: 232-33.
SOLOMONS, T. W. Química Orgânica 1: Álcoois e éteres. Tradução: Horacio Macedo. Rio de Janeiro, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1996. Pags. 433-34.
http://www.aga.com.br/International/SouthAmerica/WEB/sg/HiQGloss.nsf/Index/AZEOTROPIC_MIXTURE_(AZEOTROPE)?open&lang=en,es,pt