APLICAÇÃO DE CONCEITOS TERMODINÂMICOS NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA PARA TURMAS DE BACHARELADO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO/ UNIDADE ACADÊMICA DE SERRA TALHADA (UFRPE/UAST)

## APLICAÇÃO DE CONCEITOS TERMODINÂMICOS NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA PARA TURMAS DE BACHARELADO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO/ UNIDADE ACADÊMICA DE SERRA TALHADA (UFRPE/UAST)

Rebeca Micaela da Silva 1 , Luiz Carlos da Silva Junior 2 , Jaqueline Ribeiro do Nascimento Silva 3 , Mário Henrique Bento Gonçalves e Oliveira 4 , Ewson Andrade Ferreira 5 , Ana Claudia Davino dos Santos 6

- 1 Universidade Federal Rural de Pernambuco, rebecamicaela35@gmail.com
- 2 Universidade Federal Rural de Pernambuco, junior\_sofisica@hotmail.com
- 3 Universidade Federal Rural de Pernambuco, jaque\_soquimica@hotmail.com
- 4 Universidade Federal Rural de Pernambuco, mario.oliviera@ufrpe.br
- 5 Universidade Federal Rural de Pernambuco, ewsonferreira@gmail.com
- 6 Universidade Federal Rural de Pernambuco, aclaudiadavino@gmail.com

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## Resumo

Estudantes de graduação das ciências biológicas, frequentemente, apresentam dificuldades na compreensão dos conceitos físicos abordados nas disciplinas que envolvem física (Biofísica e Física aplicada a Biologia) e na conexão desses conceitos com os estudados em outras disciplinas. Uma maneira de diminuir essa barreira enfrentada pelos estudantes seria visualizar tais conceitos sendo aplicados na prática, como exemplo podemos citar um trabalho desenvolvido pelo grupo de estudo em automação (GEA) da Universidade Federal Rural de Pernambuco/ Unidade Acadêmica de Serra Talhada (UFRPE/UAST) que aplicou conceitos termodinâmicos vistos em sala de aula a fermentação alcoólica realizada por fungos unicelulares denominados leveduras. Para o estudo foi construído um calorímetro composto de materiais isolantes como isopor ® e algodão, seu interior possuí dois reservatórios, cada um deles equipado com um termômetro, os dados de temperatura foram coletados e armazenados, através de um sistema automatizado. Foram realizadas 5 repetições e em cada uma delas foi calculada o calor específico, posteriormente foi calculada a média e o desvio padrão dos valores obtidos. O calor específico apresentou média amostral de 2,03 cal·g -1 ·°C -1 com desvio padrão amostral de 1,02 cal·g -1 ·°C -1 . Para manutenção da temperatura ótima durante todo o processo de fermentação alcoólica é necessário que se conheça a quantidade de calor liberada nesse processo, e para estimar a quantidade de calor é imprescindível que se conheça o calor específico do mosto. O conhecimento da quantidade de calor permite desenvolver novas metodologias para dissipar o calor gerado, dessa forma, otimizando o gasto energético no processo fermentativo, todo esse processo leva aos alunos das ciências biológicas a uma investigação instigante e empolgante do comportamento do processo fermentativo correlacionado as variáveis de estado do sistema.

Palavras-chave : Ensino de física; Aula prática; Condução de calor.

## Introdução

A temperatura é um dos fatores abióticos determinantes durante o processo de fermentação alcoólica, pois as leveduras, fungos unicelulares responsáveis pela

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fermentação alcoólica, para produção de etanol, bebidas, pães e bolos (OLIVEIRA, 2011), possuem sua fisiologia adaptada a uma faixa de temperatura ótima geralmente entre 25 e 35° C, valores que não estejam nessa faixa podem afetar seu crescimento, metabolismo, viabilidade celular e rendimento alcoólico (SOUZA, 2009).

- O calor tem como definição, a transferência de energia devido a um gradiente de temperatura, ocorrendo naturalmente de um corpo mais quente para um corpo mais frio (TIPLER & MOSCA, 2009), pode ser subdivido em dois tipos, calor sensível e calor de transformação. O calor sensível é uma quantidade de calor que provoca uma variação na temperatura do corpo, enquanto o calor de transformação é uma quantidade de calor necessário para que um corpo mude o estado de agregação da matéria (HALLIDAY, 2009).
- O processo de fermentação alcoólica consiste na transformação de açúcares como a glicose em etanol e dióxido de carbono, na ausência de oxigênio (ILHA, 2008), esse processo ocorre para que os organismos fermentadores como as leveduras obtenham energia na forma de ATP - Adenosina Trifosfato, molécula utilizada como fonte de energia pelas células (KHAKH & BURNSTOCK, 2009) - e durante esse processo é perdida energia na forma de calor (reação representada na figura 01), esse calor aumenta a temperatura do sistema fermentativo o que acarreta em um gasto energético e consequentemente monetário, para que as empresas que trabalham na produção de fermentados, resfriem esse sistema, com o intuito de manter a faixa ideal de temperatura de sobrevivência das leveduras.

Figura 01: Reação de fermentação alcoólica na ausência de oxigênio.

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Para o processo de fermentação alcoólica é utilizado como matéria prima uma mistura que fornece açúcares fermentáveis e demais nutrientes necessários as leveduras ou demais organismos fermentadores, denominada mosto, uma forma de mensurar a concentração de açúcares no mosto é através do Brix, que é o índice de sólidos solúveis em suspensão, o mosto geralmente é diluído em água destilada até que se atinja um Brix que depende do produto fermentado, no caso do mel varia entre 14 e 16° BRIX (ILHA, 2008), mostos mais diluídos favorecem a multiplicação das leveduras e tornam a fermentação mais rápida e completa (NOGUEIRA &amp; VENTURINI FILHO, 2005).

Para automatização do trabalho uma das alternativas mais eficientes e com menor custo, é a utilização da placa microcontroladora Arduino Uno, um hardware capaz de ler diversos entradas de maneira simultânea, podendo acoplar simultaneamente diversos sensores. Este hardware é eficiente devido a sua versatilidade, automação na coleta de dados, vasta literatura abordando a sua utilização e montagem de sensores.

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- O presente trabalho teve como objetivo desconstruir um preconceito adquirido pelos alunos do curso de Ciências Biológicas com a disciplina de Física, preconceito gerado pelo alto grau de retenção e evasão que a mesma provoca dentro de uma instituição de ensino público de nível superior. O trabalho tratou de vincular conceitos termodinâmicos ao estudo de fermentação alcoólica do mosto de mel, motivando o aluno a desenvolver algumas habilidades, tais como: lógica de programação, a aplicação do conceito de transmissão de calor, ponto de fusão e ebulição de materiais, escalas termométricas, isolamento térmico, conceitos de óptica geométrica e associação de resistores, conceitos químicos, tais como: destilação simples, processo de separação de misturas e estequiometria, conceitos de eletrônica, tais como: amplificadores operacionais e embarcados, sem mencionar os próprios conceitos biológicos, tais como: fermentação alcoólica, metabolismo de leveduras, conceitos de colônias de leveduras e o estudo do desenvolvimento de fungos unicelulares.

## Descrição do trabalho desenvolvido

## Área disponibilizada para a realização do estudo

- O experimento foi realizado no espaço disponibilizado pelo laboratório de Energia, Física e Matemática pertencente a Universidade Federal Rural de Pernambuco/ Unidade Acadêmica de Serra Talhada (UFRPE/ UAST).

## Construção do calorímetro

Um calorímetro foi desenvolvido para realizar o experimento, representado esquematicamente na figura 02, o calorímetro - destinado a mensurar a quantidade de calor absorvida ou cedida por uma substância (BRASILIO FILHO &amp; MENTA, 2009) - tenta simular um recipiente adiabático - no qual não há troca de calor entre o sistema e o meio externo (HALLIDAY, 2009) -, foi construído utilizando dois recipientes de poliestireno expandido retangulares de tamanhos diferentes - o poliestireno expandido é conhecido no Brasil por sua marca registrada pela empresa Knauf Isopor Ltda como Isopor ® (MORAES &amp; BRASIL, 2015) -, uma placa de alumínio que dividiu o recipiente menor em dois reservatórios, o recipiente menor foi colocado no interior do recipiente de maior capacidade, o espaço entre os recipientes foi preenchido por algodão. O isopor ® e o algodão atuaram como isolantes térmicos, que são materiais com uma baixa condutividade térmica (HALLIDAY, 2009).

- A baixa condutividade térmica do isopor ® é garantida pelo mesmo ser constituído por 2% de poliestireno e 98% de ar (NAVROSKI et al. , 2010), a condutividade térmica do ar é de K ar (seco) = 0,026 W·m -1 ·K -1 (HALLIDAY, 2009), caracterizada como baixa em comparação a outros materiais bons condutores de calor. Além disso, as fibras do algodão são constituídas principalmente por celulose um mau condutor térmico, com K celulose = 0,23 W·m -1 ·K -1 (ENGINEERING TOOLBOX, 2003) além de se enovelarem de forma a possuir mais espaços contendo ar.
- O interior do calorímetro possuí dois reservatórios, o primeiro para conter mosto e o segundo água destilada, a placa de alumínio foi escolhida, pois o alumínio é um bom condutor de calor ( Kalumínio = 235 W·m -1 ·K -1 ), permitindo facilmente a transferência de calor entre os dois recipientes (HALLIDAY, 2009).

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Figura 02: Representação esquemática de um corte transversal do calorímetro construído para o estudo

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## Sistema para coleta dos dados de temperatura

A coleta da temperatura foi realizada através de um sistema formado por dois sensores de temperatura para líquidos (DS18B20), em que cada sensor foi posto em um dos reservatórios, os mesmos estavam conectados a uma placa Arduino, programada através da interface IDE ( Integrated Development Environment ), os dados de temperatura foram armazenados de forma automatizada em um cartão SD através de um módulo de armazenamento de dados. O sistema segue o desenho esquemático da figura 03, feito através do software fritzing que permite a esquematização e documentação de protótipos de sistemas eletrônicos ( FRITZING , 2018).

Figura 03: Esquematização do sistema de análise de dados de temperatura.

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## Preparo do mosto de mel

Para preparação do mosto de mel foi utilizado mel produzido por abelhas da espécie Apis mellifera , adquirido no Apiário Caboclo do Sertão com o recurso dos próprios participantes da pesquisa. Foi diluído 50 ml de mel até que se atingiu a concentração de açúcares de 21° BRIX, o °BRIX foi medido através de um refratômetro ABBE.

## Análise do calor específico do mosto de mel

Foram separados dois béqueres, um com 100ml de água destilada aquecida até aproximadamente 50°C e outro com 100ml de mosto mantido a temperatura ambiente, ambos foram pesados e seus conteúdos despejados separadamente nos reservatórios. A troca de calor entre a água e o mosto foi realizada por condução através de uma placa de alumínio entre os dois reservatórios, até que se atingisse o equilíbrio térmico. O experimento foi conduzido em 5 repetições, os dados de temperatura foram plotados separadamente em um gráfico para cada repetição, com finalidade de observar a temperatura de equilíbrio entre a água destilada e o mosto. Admitindo-se que o calorímetro está termicamente isolado, a energia total do sistema não pode mudar (HALLIDAY, 2009), ou seja, a quantidade de energia cedida pela água destilada é absorvida pelo mosto, assim, a soma das quantidades de energia total do sistema é conservada, através dessa observação podemos desenvolver a equação para o cálculo do calor específico, demostrada na figura 04. Devido a este estudo ter sido desenvolvido para vincular uma aplicação prática de um conceito física visto em sala de aula, o calor absorvido pelos recipientes que continham as substâncias foi desconsiderado. A determinação do calor específico do mosto de mel foi realizada em cada uma das repetições, posteriormente foi calculada a média e o desvio padrão dos valores obtidos.

Figura 04: Desenvolvimento da equação para o cálculo do calor específico do mosto de mel.

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## Resultados obtidos

O gráfico de temperatura (da água destilada e do mosto de mel) em função do tempo de uma das repetições pode ser observado na Figura 05. É possível visualizar a troca de calor entre a água destilada que inicialmente estava a uma temperatura de 51,25 °C com o mosto que estava inicialmente a 25,94 °C, até que ambos atingiram uma temperatura de equilíbrio 34,32 °C.

Figura 05: Gráfico da temperatura versus tempo, da água destilada (em vermelho) com temperatura inicial de 51,25 °C e do mosto de mel (em azul) com temperatura inicial de 25,94 °C, atingindo uma temperatura de equilíbrio de 34,32 °C.

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O calor específico apresentou uma média amostral de 2,03 cal·g -1 ·°C -1 com desvio padrão amostral de 1,02 cal·g -1 ·°C -1 (2,03 cal·g -1 ·°C -1 ± 1,02 cal·g -1 ·°C -1 ).

## Conclusões

O processo de fermentação para a produção de álcool pode ser otimizado através da escolha de uma temperatura que garanta um maior rendimento alcoólico, para manter a temperatura constante durante esse processo se faz necessário o conhecimento da quantidade de calor liberado em toda fermentação, para determinar a quantidade de calor liberado durante o processo de fermentação é necessário conhecer o calor específico do mosto utilizado, uma vez determinado, podemos estimar a quantidade de calor gerada durante a fermentação e através desses dados pode-se elaborar novos procedimentos para controle da temperatura (meio de dissipar a quantidade de calor gerada) visando a diminuição do custo energético em empresas que produzem etanol e outros produtos derivados da fermentação, como a adição de sais que aumentem a produtividade do fermentado e diminuam a quantidade de energia liberada no processo.

Foi verificado que após o desenvolvimento do experimento, os alunos participantes conseguiram realizar paralelos entre conceitos físicos abordados na

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sala de aula com temas vistos nas disciplinas específicas do ciclo profissional das ciências biológicas, motivando com isso o aluno a aprofundar seus conhecimentos sobre uma disciplina anteriormente tida como de difícil compreensão, que é a física. Além de possibilitar a quebra de barreira entre alunos e disciplina, esse presente trabalho também proporcionou aos alunos participantes abranger seus conhecimentos em outras áreas, tais como: programação, eletrônica, química entre outras.

## Referências

BRASILIO FILHO, A.; MENTA, E. Calorímetro . Disponível em: &lt;http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=958&gt;. Acesso em: 07 de jul. de 2018.

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&lt;https://www.imed.edu.br/Uploads/Estudo%20da%20Viabilidade%20do%20Poliesti reno%20Expandido%20(EPS).pdf&gt;. Acesso em: 07 de jul. de 2018.

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