Por que 32–34 °C e não um intervalo maior
A Saccharomyces cerevisiae é um organismo estreitamente termossensível. Abaixo de 30 °C, a fermentação é lenta e o tempo de batch sobe — o que limita a produtividade da dorna. Acima de 34 °C, a levedura começa a sintetizar produtos de estresse térmico (glicerol principalmente, mas também acetato e succinato) em vez de etanol, e o rendimento alcoólico específico cai. Acima de 36 °C, o estresse térmico compromete a integridade da membrana celular e a levedura morre.
Na prática, o calor gerado pela fermentação alcoólica é substancial — aproximadamente 95 kcal por mol de glicose consumida. Em uma dorna de 500 m³ com mosto a 18° Brix, isso equivale a 5000 kcal/m³ ao longo do batch, ou cerca de 35 kW térmicos a serem removidos continuamente. Sem trocador de calor ativo, o mosto aquece 5–7 °C durante o batch. Com trocador + PID, a variação fica em ±1 °C da setpoint.
pH: três faixas, três significados
O pH do mosto em fermentação de etanol tem comportamento característico: começa em torno de 4.8–5.2 (ajustado com ácido sulfúrico no preparo), e cai ao longo do batch por produção metabólica de ácidos orgânicos (succínico, málico, pirúvico) e por assimilação de amônio do mosto. Uma fermentação limpa termina em pH 4.2–4.4 após 8–10 horas.
Contaminação por Lactobacillus — o vilão mais comum em usinas de cana — se instala sem sinal visível por 4–6 horas. A partir daí, começa a produzir ácido lático em quantidade, e o pH cai em progressão acelerada. Uma dorna contaminada termina em pH 3.3 em vez de 4.3. Nesse ponto:
- A Saccharomyces tem sua atividade inibida (pH < 3.5 reduz velocidade específica de crescimento em 40 %)
- O Brix residual fica acima do alvo (açúcar não consumido)
- O rendimento alcoólico específico cai 5–12 % dependendo da severidade
- A próxima dorna, se usar a mesma massa de levedura reciclada, começa contaminada
Arquitetura de sensor para fermentação
pH
A dorna é um ambiente abrasivo para eletrodos de vidro clássicos: CO₂ em excesso gera micro-bolhas que fragilizam o vidro; o CIP pós-batch usa NaOH 2 % quente que ataca o corpo polimérico convencional; e a suspensão de levedura tende a formar película sobre o bulbo de vidro e entupir a junção de referência.
| Componente | Padrão | Para dorna de fermentação |
|---|---|---|
| Bulbo sensor | Vidro geral (GP) | Vidro de baixa resistência tipo HF ou membrana de ISFET |
| Junção | Cerâmica pin | PTFE anular ou dupla junção com ponte KNO₃ |
| Corpo | Polissulfona | PEEK ou PEI — resistem ao CIP cáustico |
| Tempo de vida | 2–4 semanas em dorna | 3–6 meses com CIP semanal |
Temperatura
Termoresistência Pt-1000 em bainha de aço inox 316L com poço de inserção soldado na parede da dorna. Resposta < 10 s. Calibração verificada mensalmente contra padrão de 0.1 °C em bloco seco. A termopar tipo K, comum em instalações antigas, tem deriva de ±1 °C por ano — inaceitável para controle de fermentação.
Controle PID: ganhos típicos
Para uma dorna de 500 m³ com trocador de placas de 50 m² e vazão de água de resfriamento de 40 m³/h:
| Parâmetro | Valor típico | Observação |
|---|---|---|
| Kp | 8–12 % / °C | Modo proporcional |
| Ti | 4–6 min | Tempo integral |
| Td | 0.5–1 min | Tempo derivativo (uso opcional) |
| Deadband | ±0.3 °C | Evita ciclagem da válvula |
| Frequência de ação | 1 Hz | Válvula modulante |
Ajuste fino por método Ziegler-Nichols modificado; em usinas novas, a fabricante da válvula geralmente fornece ganhos iniciais baseados em datasheet do trocador.
Resumo
- Faixa ótima térmica é 32–34 °C. Acima de 34 °C, o rendimento alcoólico cai pelo desvio metabólico para glicerol. Acima de 36 °C, a levedura morre.
- Calor gerado na fermentação (≈ 35 kW em dorna de 500 m³) exige trocador ativo com PID — serpentina fixa é insuficiente em mosto de alta concentração.
- pH cai normalmente de 5.0 para 4.3 durante o batch. pH abaixo de 4.0 na metade do batch indica contaminação por Lactobacillus — tratar a massa de levedura antes do próximo batch.
- Sensor de pH exige vidro de baixa resistência, junção PTFE/dupla com KNO₃, corpo PEEK ou PEI. Tempo de vida em dorna: 3–6 meses.
- Sensor de temperatura: Pt-1000 em bainha 316L, não termopar tipo K. Deriva anual < 0.2 °C.