O documento discute cálculos da eficiência de fermentação e destilação no processo de produção de etanol a partir da cana-de-açúcar. Apresenta fórmulas para calcular a eficiência de fermentação usando variáveis como volume de mosto, teor de açúcar, teor alcoólico e volume de vinho e fermento. Também mostra como estimar a eficiência da destilação e volumes de subprodutos como vinhaça.

1. CONTROLE DO
PROCESSO INDUSTRIAL
CÁLCULOS DA EFICIÊNCIA DE
FERMENTAÇÃO E DESTILAÇÃO
Curso “Cálculos na Agroindústria da Cana-de-açúcar”
STAB – Piracicaba/SP
Novembro de 2011
Antonio Carlos Fernandes
acf.conag@gmail.com

2. ART EM ETANOL
Relembrando
C6H12O6  2*CH3CH2OH + 2*CO2
180 g  2*46 g + 2*44 g
ART  etanol + gás carbônico
 
1,0 kg ART L etanol
789,
2 * 46,0688 *
0,648
1000
*18
23 0,1
0
572
1,0 kg ART  0,6480 L etanol
Eficiência 100%
1,0 kg ART  <0,6480 L etanol
Eficiência da
Fermentação (EF)

3. FERMENTAÇÃO
MOSTO
DESTILAÇÃO
MEL CALDO
ETANOL VINHAÇA
VINHO
ÁGUA
EFICIÊNCIA
FERMENTAÇÃO
EFICIÊNCIA
DESTILAÇÃO
FLEGMAÇA
ESTOCAGEM
“PERDAS INDETERMINADAS”

4. Total de etanol produzido na fermentação
Volume de vinho
GL do vinho
Total de etanol teórico no mosto
Volume de mosto
Brix mosto
ART mosto
EF =
Processo contínuo  etanol em processo
EFICIÊNCIA DA FERMENTAÇÃO
EF

5. BATELADA
VOLUME
DORNAS
CONTÍNUA
SUB
PRODUTOS
MEDIDORES
DE VAZÃO
CONTROLE DA FERMENTAÇÃO
Tipos de fermentação  Métodos de controle

6. 1) Fermentação descontínua ou batelada
Fermento
tratado
Altura
da dorna
Cuba de
tratamento
do
fermento
Volume
fermento
Volume
mosto
Volume
do cone
Espaço
vazio
Creme
de
leveduras
Centrífugas
de vinho
Vinho
centrifugado
Dorna
volante
Vinho
fermentado
Dorna de
fermentação
Mosto
Preparo do
mosto
Mel final Caldo
Água

7. MOSTO
Brix e ART
VOLUME
FERMENTO
Grau GL
VOLUME MOSTO
Por diferença
VOLUME
DE VINHO
NA DORNA
VOLUME
FERMENTO
Grau GL
1) Fermentação descontínua ou batelada

8. Total de ART no mosto em sistema sem
medidor de vazão de mosto e vinho:
 mosto mosto
Densidade ART
Total ART Mosto Volume Mosto * *
1000 100
Volume mosto = Vol. vinho dornas – Vol. fermento (pé-de-cuba)
Etanol produzido na fermentação =
Vol. etanol no vinho dornas – Vol. etanol no fermento

Etanol produzido na fermentação
Eficiência Fermentação 100 *
Etanol teórico no mosto
Etanol teórico no mosto = Total ART mosto * 0,6480
1) Fermentação descontínua ou batelada

9. Exemplo
1) Fermentação descontínua ou batelada
Dados levantados:
Brix mosto (média do dia)? 20,00
ART mosto (média do dia)? 17,10%
GL do vinho (média dornas centrifugadas) 8,40%
GL do fermento (média dornas centrifugadas) 2,50%
Volume de vinho (∑dornas centrifugadas) 5.850.000 L
Volume de fermento (∑cubas das dornas centr.) 1.700.000 L
Resultados calculados:
Fermento % vinho 100*1.700.000/5.850.000 29,06%
Volume mosto 5.850.000 – 1.700.000 4.150.000 L
Densidade do mosto (função do brix mosto) 1.079,941 kg/m3
Mosto fermentado 4.150.000*1.079,941/1000 4.481.755 kg
Total de ART no mosto 4.481.755*17,10/100 766.380 kg
Etanol teórico no mosto 766.380*0,6480 496.614 L
Etanol no vinho 5.850.000*8,40/100 491.400 L
Etanol no fermento 1.700.000*2,50/100 42.500 L
Etanol prod. fermentação 491.400 – 42.500 448.900 L
Eficiência fermentação 100*448.900/496.614 90,39%

10.  
Vinho*GLvinho Fermento*GLfermento
EF 100*
DensMosto ARTMosto
Vinho Fermento * * *0,6480
1000 100



Resultado dependente de seis variáveis:
 Volumes
 Vinho
 Fermento
 Dados analíticos
 Brix mosto
 ART mosto
 GL
 Vinho
 Fermento
1) Fermentação descontínua ou batelada

11. EFICIÊNCIA DA DESTILAÇÃO

12. EFICIÊNCIA DA DESTILAÇÃO (ED)
Total de etanol produzido na destilaria
Volume medido
Grau alcoólico
Total de etanol vinho centrifugado
Volume de vinho (?)
GL do vinho
ED =
Sistema de destilação contínua  etanol em processo
Como medir o volume
de vinho centrifugado?

13. FERMENTAÇÃO
MOSTO
DESTILAÇÃO
ETANOL VINHAÇA
VINHO
CENTRIFUGADO
ETANOL
NO VINHO
CENTRIFUGADO
ETANOL
NA VINHAÇA


Etanol produzido
Efic. Destilação 100 *
Etanol produzido Etanol perdido vinhaça
DESTILAÇÃO
Etanol enviado para
a destilação
=
Volume de etanol
no vinho centrifugado
+
Variação do etanol
em processo volantes
dorna pulmão...

14. 100 GrauVVC
LV_LE =
GrauVVC

LV_LE = litros de vinhaça/L etanol
100
LV_LE =
GrauVVC
Vapor direto
Estimativa do volume de vinhaça
 
 
2
-K
1
LV_LE = K * GrauVVC *0,816
Para as constantes K1 e K2 adotar os seguintes valores:
Tipo de coluna A K1 K2
Com reboiler 119,19 1,0965
Sem reboiler 130,36 1,0518
Cálculo simplificado:
CTC:

15. 6
8
10
12
14
16
18
20
5 6 7 8 9 10 11 12
Comreboiler
Semreboiler
(100-GL) /GL
100/GL
L vinhaça /L álcool
Graualcoólicovolumétricodovinho (%v/v)
Estimativa do volume de vinhaça

16. b) Estimativa do etanol perdido na flegmaça
Etanol perdido vinhaça = 10*Vinhaça*GL vinhaça
Volume estimado de etanol na flegmaça =
Etanol anidro produzido * 2 * GL flegmaça/100
Normalmente considera-se dois litros flegmaça para
cada litro de etanol anidro produzido.
Perdas de etanol na vinhaça e na flegmaça
LV_LE = litros de vinhaça/L etanol
Vol. vinhaça (m3)= Etanol prod.Δproc.(L)*
a) Estimativa do etanol perdido na vinhaça
LV_LE
1000

17. EFICIÊNCIA DA DESTILAÇÃO (ED)
Exemplo
Dados levantados:
GL vinho (média dorna final) 8,40
GL vinhaça (média diária) 0,080
Produção etanol (medição, L) 419.880
Eficiência da destilação:
Vinhaça por litro álcool (100 – 8,40)/8,40 10,90
Total vinhaça (m3) 419.880*10,90/1000 4.577
Etanol perdido vinhaça (L) 10*4.577*0,080 3.661
Etanol prod. + perd. vinhaça (L) 419.880 + 3.661 423.541
Eficiência da destilação 100*419.880 / 423.541 99,14%

18. Dorna
Vinhaça
Água Mel final Caldo
Preparo
do
mosto
Dorna Dorna Dorna
Medidor
de vazão
Volume de
mosto
Cubas de
tratamento
do fermento
Fermento
tratado
ÁLCOOL
Colunas de
destilação
ART %
mosto
Teor alcoólico
%v/v
Volume e teor
alcoólico %v/v
Volume
estimado
Centrífugas
de vinho
2) Fermentação contínua

19. FERMENTAÇÃO
MOSTO
DESTILAÇÃO
ETANOL VINHAÇA
FLEGMAÇA
VINHO = ETANOL
NO VINHO
MEDIDOR
VAZÃO MOSTO
ETANOL
NA VINHAÇA
MEDIDOR
VAZÃO VINHO
VARIAÇÃO
ETANOL PROCESSO
DESTILARIA (DORNAS
VOLANTES,...)
COLUNAS
CO2
Brix e ART
% mosto
GL
GL
2) Eficiência da fermentação contínua

20. Total de ART no mosto em sistema com
medidor de vazão de mosto:
 mosto mosto
Densidade ART
Total ART Mosto Volume Mosto * *
1000 100
Volume mosto: obrigatório uso de medidor de vazão
Etanol produzido na fermentação =
Etanol produzido + Vol. etanol na vinhaça (flegmaça) +
Variação do volume de etanol na destilaria(obs)

Etanol produzido na fermentação
Eficiência Fermentação 100 *
Etanol teórico no mosto
Etanol teórico no mosto = Total ART mosto * 0,6480
Obs.: volume estimado de etanol nas dornas de fermentação, dornas volantes, dorna pulmão.
2) Eficiência da fermentação contínua

21. 2) Eficiência da fermentação contínua
Exemplo
Dados levantados:
Brix mosto (média do dia)? 20,00
ART mosto (média do dia)? 17,10
GL do vinho (média da dorna final) 8,40
Volume de mosto (L) (medidor de vazão) 4.190.000
Variação etanol destilaria (L) (∑cubas, dornas, colunas) 20.625
Produção total etanol (L) (medição) 419.880
Etanol na vinhaça (L) (calculado anteriormente) 3.661
Var. etanol destilaria (L) (dornas, volante, pulmão) 20.625
Resultados calculados:
Densidade do mosto (kg/m3) (função do brix mosto) 1.079,941
Peso do mosto (kg) 4.190.000*1.079,941/1000 4.524.953
Total ART mosto (kg) 4.524.953 *17,10/100 773.767
Etanol teórico mosto (L) 773.767 *0,6480 501.401
Etanol prod. fermentação (L) 419.880+20.625+3.661 444.166
Eficiência fermentação 100*444.166/501.401 88,58%

22. Eficiência da fermentação subprodutos
l
LevDV*0,33
K
GrauVVC*0,7893
 g
Glicerol
K
GrauVVC*0,7893

LevDV leveduras % vinho na dorna volante
GrauVVB GL do vinho centrifugado
ARRT açúcares redutores residuais totais % vinho centrifugado
AcVDF acidez do vinho na dorna final (mg/L)
AcFT acidez do fermento tratado (mg/L)
LevVC teor de leveduras no vinho centrifugado (%)
LevFT teor de leveduras no fermento tratado (%)
AcM acidez do mosto (mg/L)
GrauVVC GL do vinho centrifugado (%v/v)
GrauVFT GL do fermento tratado ou pé de cuba (%v/v)
art
ARRT
K
GrauVVC*0,7893

ac
LevVC LevVC
AcVDF AcFT* AcM* 1
LevFT LevFT
K 1,837*
GrauVVC LevVC GrauVFT
789,3* *
100 LevFT 100
 
  
 
 

 

 
 
Metodologia CTC Fermentação batelada ou contínua

23. 2) Eficiência da fermentação subprodutos (CTC)
Fermentação batelada ou contínua
ctc
l g ac arrt
100
EF
1 1,19*K 0,50*K 0,51*K 0,51*K

   
Perdas devido ao:
Kl fermento produzido
Kg glicerol
Kac acidez
Karrt açúcares redutores totais residuais
Resultado
dependente
de 10 dados
analíticos
Metodologia CTC
Justificativas:
 Impossibilidade de outra metodologia
 Verificação dos outros métodos

24. EFICIÊNCIA DA FERMENTAÇÃO
Precisão da medida
Repetibilidade
Reprodutibilidade

25. Variação da EF - média por dorna
50
60
70
80
90
100
110
120
Eficiência da fermentação por dorna (%)
Média móvel
10 últimos dados

26. Variação da média diária da EF
70
75
80
85
90
95
100
Eficiência da fermentação por dorna (%)

27. 80
82
84
86
88
90
92
94
96
17/abr
08/mai
29/mai
19/jun
10/jul
31/jul
21/ago
11/set
02/out
23/out
13/nov
04/dez
Eficiênciadafermentação Safra 08/09
Médiamóvel
7 dias
Variação da média diária da EF

28. Variação da média diária da EF
70,0
75,0
80,0
85,0
90,0
95,0
100,0 25-abr
2-mai
9-mai
16-mai
23-mai
30-mai
6-jun
13-jun
20-jun
27-jun
4-jul
11-jul
18-jul
25-jul
1-ago
8-ago
15-ago
22-ago
29-ago
5-set
12-set
19-set
26-set
3-out
10-out
17-out
24-out
31-out
7-nov
14-nov
21-nov
28-nov
5-dez
12-dez
19-dez
Usina I
Usina C
Destilaria L
Médias diárias da eficiênciadafermentaçãobateladaemtrês usinas na safra06/07

29. Eficiência da fermentação por subprodutos e por volumes
80
82
84
86
88
90
92
94
04/abr 25/abr 16/mai 06/jun 27/jun 18/jul 08/ago 29/ago 19/set 10/out 31/out 21/nov 12/dez
Eficiência da fermentação (%) Média móvel de sete dias
Método volume
Método subprodutos

30. Volume total útil dorna L 500.000
Volume fermento L 150.000
Volume titulação ART mL 24,5
ART do mosto % 16,69
Brix do mosto % 18,5
Teor alcoolico vinho GL 8,0
Teor alcoolico fermento GL 2,5
350.000 0 0,0
1.073,5 0,0 0,0
62.709 0 0,0
40.604 0 0,0
40.500 0 0,0
3.750 0 0,0
36.750 0 0,0
0,5860 0,0000 0,0
90,5 1,2 1,4
5.952 -772 -11,5
%
Volume de mosto L 350.000
Densidade do mosto kg/m3
1.073,5
Total de ART nomosto kg 62.709
Etanol teórico no mosto L 40.604
Total etanol no vinho L 40.000
Total etanol no fermento L 3.750
Etanol devido ao mosto L 36.250
Rendimento fermentação L/kg ART 0,5781
Eficiência fermentação % 89,3
ART não convertido kg 6.724
500.000 0 0,0
150.000 0 0,0
24,5 0 0,0
16,69 0,00 0,0
18,5 0,00 0,0
8,1 0,1 1,3
2,5 0,0 0,0
Eficiência da fermentação

31. Volume total útil dorna L 500.000
Volume fermento L 150.000
Volume titulação ART mL 24,5
ART do mosto % 16,69
Brix do mosto % 18,5
Teor alcoolico vinho GL 8,0
Teor alcoolico fermento GL 2,5
%
350.000 0 0,0
1.073,5 0,0 0,0
60.342 0 0,0
39.071 0 0,0
40.000 0 0,0
3.750 0 0,0
36.250 0 0,0
0,6007 0,0000 0,0
92,8 3,5 3,9
4.357 -2.367 -35,2
Volume de mosto L 350.000
Densidade do mosto kg/m3
1.073,5
Total de ART nomosto kg 62.709
Etanol teórico no mosto L 40.604
Total etanol no vinho L 40.000
Total etanol no fermento L 3.750
Etanol devido ao mosto L 36.250
Rendimento fermentação L/kg ART 0,5781
Eficiência fermentação % 89,3
ART não convertido kg 6.724
500.000 0 0,0
150.000 0 0,0
25,5 1,0 4,1
16,06 -0,63 -3,8
18,5 0,00 0,0
8,0 0,0 0,0
2,5 0,0 0,0
Eficiência da fermentação

32. Conclusão:
Erro de um décimo no grau GL do vinho provoca
erro de mais de um ponto na eficiência da fermentação.
Erro de um mL na titulação dos ART do mosto provoca
erro de mais de três pontos na eficiência da fermentação.
• Felizmente, os erros são aleatórios,
com valores positivos e negativos.
• Podem ser minimizados com maior
número de repetições
Eficiência da fermentação

33. Eficiência da fermentação
y = 0,0142x2 + 0,3822x + 1,7297
R² = 0,9256
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Brix do mosto
ART do mosto 2051 amostras analisadas na safra
Amostragem e conservação
Proporção melaço e caldo

34. Objetivo:
Melhoria na medição da eficiência da fermentação
resultará em maior confiabilidade no cálculo das
“perdas indeterminadas”.
Eficiência da fermentação superestimada 
Procura de perdas indeterminadas que podem
não existir!
Eficiência da fermentação subestimada 
Perdas indeterminadas que podem existir e
não estão sendo avaliadas!
Eficiência da fermentação
FIM