A fermentação alcoólica consiste na atividade enzimática da levedura ou do fermento sobre a matéria-prima açucarada, transformando os açúcares contidos na mesma em álcool etílico ou etanol e anidrido carbônico. Ela é uma das etapas mais importantes em uma destilaria, dela dependendo a eficiência do processo e a qualidade do produto.

A princípio, a fermentação era feita empiricamente, até que o químico francês Louis Pasteur, em 1876, demonstrou as bases científicas do mecanismo da transformação dos açúcares em álcool etílico e anidrido carbônico, pela ação da levedura, em ausência do oxigênio. Ele descobriu que os microorganismos, tais como as leveduras, os fungos e as bactérias, através de enzimas por eles produzidas, causam as fermentações dos açúcares, transformando-os em álcool e anidrido carbônico.

As matérias-primas da fermentação alcoólica podem ser classificadas em:
 

• Matérias açucaradas, que contêm açúcares fermentescíveis ou resultantes de hidrólise da sacarose ou maltose: a cana-de-açúcar e seus subprodutos, as frutas em geral, certas raízes açucaradas, folhas, etc.
• Matérias amiláceas, que contêm o amido, que sob a ação de soluções ácidas ou de diástases, pode ser hidrolisado e transformado em glicose ou maltose, todos os dois fermentescíveis.
• Matérias celulósicas, que contêm celulose, que por hidrólise conduzem igualmente à formação de glicose fermentescível.

Ao líquido açucarado, preparado para a fermentação, dá-se o nome de mosto e, após a fermentação, vinho. O processo fermentativo é extenso e complexo, em função da matéria-prima utilizada, de sua colheita, do processo utilizado e do produto a ser produzido. Vamos nos deter apenas a alguns aspectos da fermentação para a produção do etanol ou da cachaça, a partir do caldo de cana-de-açúcar e do melaço, produzido nas usinas de açúcar no Brasil.

O primeiro passo, no início da fermentação, é a obtenção de uma quantidade de levedo ou fermento, compatível com uma fermentação racional. Na opção da levedura mãe, que irá produzir, por multiplicação, todo o fermento a ser utilizado no processo, a mais usada é a Saccharomyces cerevisae. O processo deve ser executado no laboratório, cercado de todos os cuidados de assepsia e esterilização dos recipientes, assim como do mosto usado na alimentação inicial do levedo, com brix da ordem de 6 a 7°.

Paralelamente à preparação do fermento, deve-se preparar o mosto, com separação das impurezas grosseiras (terra, areia e bagacilho) e tratamentos especiais, como diluição e adição de sais minerais, de acordo com as necessidades da levedura, na busca de uma melhor produtividade. São utilizados no Brasil, os seguintes processos de tratamento do mosto:

a. Remoção de sólidos do caldo e envio para a fermentação: é o que requer menor investimento inicial, porém a argila e o bagacilho não removidos causam problemas às separadoras centrífugas e o caldo não tratado leva a um maior consumo de antiespumante nas dornas.
b. Remoção de sólidos, aquecimento a 90ºC, resfriamento e envio para a fermentação: este processo acrescenta, sobre o anterior, a etapa de pasteurização do mosto, contribuindo para uma fermentação mais sadia.
c. Remoção de sólidos, esterilização a 120ºC, resfriamento e envio para a fermentação: neste processo, pretende-se atingir um maior grau de esterilização do mosto que o anterior, pela maior temperatura aplicada. É utilizado em caráter experimental, não se tendo ainda nenhuma conclusão definitiva sobre os resultados.
d. Clarificação do caldo, resfriamento e envio à fermentação: pasteurização, acompanhada de remoção quase total das partículas em suspensão no mosto, são as principais características desta opção. Em contrapartida, este tratamento remove parte dos nutrientes e micronutrientes presentes no caldo. As principais vantagens deste tratamento são: menor volume de fundo de dorna, redução de erosão nas centrífugas e menor consumo de antiespumantes.
e. Fermentação de mel/xarope: este é o processo mais tradicional nas fermentações, principalmente, nas destilarias anexas. O inconveniente é o elevado consumo de insumos e vapor para a obtenção do melaço.

A fermentação propriamente dita inicia-se quando a levedura entra em contato com o mosto, transferido para as dornas de fermentação, sendo alimentada com mosto de 12 a 15° brix, em filete contínuo, quando o brix do mosto em fermentação cair pela metade do brix inicial. O processo fermentativo pode ser dividido em três fases, de acordo com a produção de gás e álcool e o calor desprendido:

1º. Fase preliminar ou pré-fermentação, caracterizada pela adaptação das leveduras e multiplicação celular, com baixo desprendimento de calor e baixa produção de álcool e gás carbônico;
2º. Fase de fermentação principal ou tumultuosa, com duração de 12 a 16 horas, desprendimento abundante de gás e maior produção de álcool, com grande desprendimento de calor; que deve ser removido por sistemas de refrigeração adequados, e forte formação de espumas, sendo necessários, em alguns casos, a adição de antiespumante;
3º. Fase de fermentação complementar ou pós-fermentação, onde se observa redução acentuada da atividade fermentativa, com redução do gás carbônico desprendido, diminuição do movimento na superfície e com desaparecimento das espumas. Toda vez que duas ou três leituras consecutivas do brix do vinho obtido, a cada duas ou três horas apresentarem iguais resultados, o vinho deve ser enviado para a destilação.  

Os processos mais usados na condução da fermentação alcoólica para a produção do álcool e da cachaça são por batelada ou contínuo. Ambos com reutilização do levedo empregado, por decantação ou por centrifugação.