EQUIPAMENTOS E MÉTODO OTIMIZADO PARA FERMENTAÇÃO DE CERVEJAS EM BATELADA COM LEVEDURA IMOBILIZADA

[001] A fermentação submersa é uma tecnologia amplamente difundida em Cervejaria, com grande utilização industrial.

[002] A tecnologia industrial envolvendo fermentação alcoólica submersa de cervejas, basicamente consiste no preparo e esterilização de um substrato liquido (mosto cervejeiro), que servirá como meio nutriente à levedura ( Saccharomyces cerevisae) , que é um microrganismo inoculado dentro de um tanque fermentador contendo o mosto, fermentando-se de forma estacionária, sem agitação mecânica do liquido, exceto pelas correntes de convecção do fluxo de bolhas de gás carbónico gerado no processo de fermentação alcoólica dos açúcares presentes no mosto, obtendo-se assim a cerveja.

[003] O desempenho da fermentação submersa depende da composição do mosto, cêpa da levedura, temperatura, aeração (ou não) , pH, e geometria do tanque; normalmente, ao final do processo, separa-se o produto da fermentação (cerveja) das células de levedura por decantação, centrifugação ou filtração, implicando em operações unitárias e equipamentos específicos, bem como elevando-se o risco de contaminações ao produto . [004] A presença das leveduras vivas dentro dos tanques fermentadores convencionais limita a possibilidade de tratamentos físicos ou químicos no mosto durante a fermentação, sob pena de prejudicar os microrganismos em seu metabolismo e até mesmo comprometendo sua viabilidade e a continuidade do processo.

[005] Entende-se processo fermentativo por batelada simples, quando todo o substrato fermenta de uma só vez, gerando o produto, e por batelada alimentada quando uma parte do produto fermentado é retirado e substituído dentro do tanque por novo aporte equivalente de substrato.

[006] A presente invenção permite a realização de processos de fermentação cervejeira submersa em batelada simples ou alimentada, sem necessidade de inoculação das leveduras dentro do tanque fermentador. Conforme demonstrado na Fig.l, as leveduras estão imobilizadas em partículas macroscópicas (a) , as quais permanecem retidas dentro de um biorreator externo (b) , o qual é acoplado a uma tubulação (c) e bomba (d) , procedendo-se a um fluxo dinâmico de recirculação e o retorno (e) do líquido para o tanque de origem (f), forçando os nutrientes do substrato líquido a entrar em contato com as leveduras repetidamente durante tempo determinado, otimizando o processo fermentativo.

[007] As partículas retidas no biorreator, contendo cepas puras de leveduras adequadas a cada tipo de cerveja, podem ser esferas de polímeros hidrofílicos que retenham as células microbianas em sua malha ou estrutura, podendo ainda incorporar enzimas para tratamentos específicos no substrato, como por exemplo para descaracteri zação do glúten, ou atuação sobre resíduos fermentativos , como alfa- acetolactato ou diacetil. Um exemplo de polímero adequado para a elaboração destas partículas é o alginato de cálcio.

[008] Partículas contendo leveduras imobilizadas têm sido utilizadas em processos de fermentação contínua de cerveja, porém a presente invenção contempla apenas sua aplicação na otimização de processos fermentativos não-contínuos de cervejas, ou seja, em batelada simples ou alimentada, para os quais verificam-se as seguintes vantagens:

[009] a) Possibilidade de realizar tratamentos físicos (por exemplo, tratamentos térmicos), ou químicos (por exemplo, adição de agentes ácidos ou alcalinos) sobre o mosto dentro do tanque de processo, sem comprometimento das leveduras.

[010] b) Minimizar ou até eliminar a necessidade de separação das leveduras do substrato, por exemplo, por decantação, centrifugação ou filtração.

[011] c) Possibilidade de uso de biorreator único ou múltiplos, em linha ou em paralelo, flexibilizando a produtividade .

[012] d) Possibilidade de uso de duas ou mais espécies de leveduras imobilizadas e/ou enzimas, sendo suas esferas de polímero misturadas no mesmo biorreator, ou separadas em biorreatores diferentes, permitindo a obtenção de produtos até então impossíveis de se produzir na fermentação submersa tradicional.

[013] e) Possibilidade de adequação de diversas variáveis do processo, como fluxo (velocidade de bombeamento) , temperatura, aeração, tipo e quantidade de levedura imobilizada e/ou enzimas, conforme a necessidade, o tipo de cerveja e a técnica fermentativa venham a exigir.

[014] f) Possibilidade de realizar múltiplas bateladas reutilizando-se os mesmos microrganismos imobilizados e/ou enzimas, o que é vantajoso com relação à fermentação cervejeira submersa tradicional.

[015] g) Possibilidade de utilização do mesmo biorreator para conexão com vários tanques de processo, simultaneamente .

[016] h) Possibilidade de remoção do biorreator para higienização ou troca das partículas contendo leveduras imobilizadas e/ou enzimas, sem interferência com o tanque de processo.

[017] i) Possibilidade de utilização do biorreator para fermentação cervejeira em batelada simples ou em batelada alimentada .

[018] j) Possibilidade de utilização do biorreator em processos fermentativos com controles automatizados. [019] k) Adaptação da presente invenção a Cervejarias já existentes, visando otimização de seus processos industriais, ou criação de novas Cervejarias totalmente planejadas dentro dos conceitos ora apresentados.

[020] 1) Proteção das cepas puras de leveduras e dos produtos contra contaminações microbianas estranhas ao processo cervejeiro desejado, através de sua encapsulação dentro das partículas de gel.

[021] O Biorreator (FIG.2) é composto por um cilindro construído com material resistente, inerte, lavável e esterilizável, como por exemplo o aço inoxidável grau sanitário, (a) fechado no topo (b) e na base (c) , porém conectado a uma tubulação para admissão de líquido na parte inferior (d) (na base ou na parede), com uma tampa superior rosqueada ou presa com uma flange (e) , havendo no topo ou lateral superior uma tubulação de saída do líquido (f); a fim de reter as partículas com leveduras e/ou enzimas imobilizadas, deve haver na parte interna do biorreator, em ambas as aberturas das tubulações, uma malha metálica, ou dispositivo com pequenas fendas ou furos (g) tal que se permita o fluxo de líquido, porém retendo-se as partículas (h) .

[022] Tanque de processo, bomba e biorreator podem ser rearranjados de diversas maneiras, conforme a FIG.3:

[023] Fig.3-(A) Ligação única e simples, com apenas um biorreator, onde o líquido é bombeado (bomba = a6) a partir da base do tanque de processo (al), entrando pelo fundo do biorreator (a2), atravessando as partículas com leveduras e/ou enzimas imobilizadas (a3) e saindo por cima (a4), retornando para o tanque de origem (a5) .

[024] Fig.3-(B) Ligação em linha, com dois ou mais biorreatores , onde a tubulação (bl) proveniente do tanque de processo e da bomba (b6) penetra na base (b2) do primeiro biorreator, e a tubulação superior deste (b3) dirige-se à base do segundo biorreator e assim por diante, tal que a tubulação de salda superior do último biorreator (b4 ) retorne ao tanque de processo (b5) .

[025] Fig.3-(C) Ligação em paralelo, com dois ou mais biorreatores, onde a tubulação (cl) proveniente do tanque de processo (c4) e da bomba (c5) penetra na base (c2) de todos os biorreatores (c6) , e a tubulação superior destes (c3) retornem ao tanque de processo (c4) .

[026] Fig.3-(D) Múltiplos tanques de processo (dl) fornecem substrato (mosto) através de uma bomba (d2) para um biorreator (d3), retornando para os tanques de processo. Este processo permite perfeita mistura e homogeneidade da cerveja em produções de larga escala.

[027] A FIG.4 ilustra um equipamento adequado à Fermentação otimizada de cerveja por batelada, com uso de leveduras e/ou enzimas imobilizadas em partículas de gel, retidas em biorreator. Na hipótese de se desejar obter uma cerveja sem glúten, pode-se também imobilizar uma enzima que descaracterize o glúten. Igualmente, podem-se utilizar enzimas que atuem sobre subprodutos da fermentação, como o alfa-acetolactato e o diacetil.

[028] Inicialmente, prepara-se mosto cervejeiro por brassagem convencional a partir do cozimento de malte de cevada convenientemente moldo e cozido com água, e fervido com lúpulo, resfriando-se à temperatura adequada para inicio da fermentação através de um Trocador de Calor (1) conectado à solução hidroalcoólica gelada (7), e transferindo-se o liquido resfriado para um tanque de processo ( 2 ) .

[029] A seguir, o mosto é bombeado (3) a partir do fundo do tanque de processo (2) para a base do biorreator (4) (o qual deverá conter partículas com levedura imobilizada Saccharomyces cerevisae Lager ou Ale) , e a partir do topo deste retornando-se por tubulação (5) novamente para o interior do tanque de processo (2); mantém-se o bombeamento em recirculação ininterrupta, com adição controlada de oxigénio ou aeração através de aerador (6), com monitoramento do teor de açúcares dissolvidos ao longo do processo .

[030] Após consumo dos açúcares fermentesciveis do mosto pela levedura imobilizada, interrompe-se a aeração, o bombeamento e a recirculação. O produto de fermentação nesta etapa do processo é denominado 'cerveja verde' (não maturada) . [031] Isola-se o biorreator (4), para que as leveduras imobilizadas sejam preservadas do tratamento térmico.

[032] Tratamento térmico da 'cerveja verde': Através do trocador de calor por placas (1) (ou alternativamente, com uso de resistências elétricas ou vapor indireto) , com uso de tubulação de "by-pass" (8) que permite fluxo de recirculação isolando-se o biorreator (4) . Aquece-se o liquido obtido ('cerveja verde') até o inicio da ebulição do etanol, aproximadamente 80°C, resfriando-se em seguida utilizando-se o trocador de calor por placas (1) que é conectado à solução hidroalcoólica gelada (7), resfriando- se o liquido novamente para a temperatura de processo fermentativo desejada.

[033] O tratamento térmico visa à conversão química, por ação da temperatura, de substâncias como o alfa- acetolactato produzido na fermentação primária, em dicetonas vicinais, como o diacetil. Ao atingir novamente a temperatura ambiente, reconecta-se o biorreator (4) e reinicia-se o bombeamento (3) em recirculação para o biorreator (4), sem aeração, com retorno ao tanque de processo (2), monitorando-se o consumo das dicetonas vicinais. Esta seria uma fermentação secundária, onde as dicetonas vicinais são reabsorvidas e consumidas pelas leveduras, e o produto obtido é denominado 'cerveja maturada ' . [034] Quando as dicetonas vicinais houverem atingido níveis imperceptíveis ao paladar humano (abaixo de 0,1 mg/L) , interrompe-se o processo.

[035] A cerveja maturada assim obtida pode ser envasada diretamente ou, se for considerado necessário, decantada, filtrada, e carbonatada; o tempo total de processamento fermentativo da cerveja é bastante reduzido por este processo, comparativamente ao período dispendido na fermentação submersa cervejeira tradicional com inoculação de leveduras no tanque. Nas centenas de testes realizados, obtiveram-se 80 a 90% de economia de tempo de processo.

[036] Um fluxograma resumido do processo pode ser descrito da seguinte maneira: (a) Brassagem, obtendo-se uma batelada de Mosto Cervejeiro - (b) Transferência do mosto e resfriamento no Tanque de Processo - (c) Recirculação através do biorreator com levedura imobilizada (e/ou enzimas), até consumo de açúcares fermentescíveis , obtendo- se a 'cerveja verde' - (d) Isolamento do biorreator e aquecimento da 'cerveja verde' até conversão de alfa- acetolactato em dicetonas vicinais (diacetil) - (e) Resfriamento do líquido até temperatura adequada à fermentação secundária - (f) Recirculação do líquido através do biorreator, para consumo do diacetil pela levedura imobilizada - (g) Obtenção da cerveja maturada.