BRPI1106752A2

BRPI1106752A2 - transformação e aproveitamento da vinhaça como substrato em processo fermentativo, com algas calcárias e/ou calcário, bactérias fixadoras de nitrogênio e fungos

Info

Publication number: BRPI1106752A2
Application number: BRPI1106752-7A
Authority: BR
Inventors: Verthein Tavares De Macedo Ricardo
Original assignee: Verthein Tavares De Macedo Ricardo
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2019-11-05

Abstract

transformação e aproveitamento da vinhaça como substrato em processo fermentativo, com algas calcárias e/ou calcário, bactérias fixadoras de nitrogênio e fungos. processo fermentativo aeróbico da vinhaça, utilizada como substrato aditivado com algas calcárias e fosfato, para o crescimento de fungos e bactérias fixadoras de nitrogênio. a vinhaça, resíduo da destilação do etanol, é aplicada nas lavouras como estratégia de descarte e fonte de potássio, porém com limitado valor para outros nutrientes, além de produzir mau cheiro e atrair moscas, afetando criações de animais e a vida das pessoas no entorno, com pouca ou nenhuma tecnologia para o seu processamento. o processo fermentativo proposto reduz a carga orgânica da vinhaça e a enriquece com nitrogênio, por ação dos fungos e bactérias fixadoras de nitrogênio em crescimento misto, introduzindo-se nutrientes no meio de cultivo através de algas calcárias e fosfato. a vinhaça é transformada em um biofertilizante, com potencial para ser um inoculante de bactérias fixadoras de n2 no solo, apresentando baixa carga orgânica e reduzindo inconvenientes da aplicação da vinhaça in natura. o crescimento dos inóculos é feito a partir de meios modificados e do meio vinhaça, em volumes crescentes, aumentando-se gradativamente a vinhaça na composição final, a baixa concentração de n mineral induz o sinergismo entre leveduras e bactérias diazotróficas, até volumes de 3.000 ml. o processamento poderá ser expandido até volumes em escala industrial, em vasos, tanques ou valos de oxidação, com compressores para aeração, motores com potências proporcionais aos volumes e chicanas para agitação, tendo como referência os parâmetros cinéticos calculados para 3.000 ml.

Description

[001] - A presente Invenção tem por objetivo o desenvolvimento de um Processo Fermentativo Aeróbico Industrial e de produtos decorrentes deste processo, para a transformação e utilização da vinhaça, resíduo da destilação do etanol.

[002] Trata-se de um processo de fermentação aeróbica, relativamente de baixo custo, para transformar a vinhaça, altamente reativa e com elevada demanda química de oxigênio (DQO), em um produto estabilizado com grande potencial para uso como biofertilizante para várias culturas agrícolas, em especial a cana-de-açúcar e/ou matéria prima para outras aplicações.

[003] Este processo de transformação da vinhaça é baseado no crescimento misto de Bactérias Fixadoras de Nitrogênio de vida livre, que são naturalmente encontradas no solo e plantas, com fungos, permitindo a redução da carga orgânica da vinhaça e o enriquecimento com nitrogênio fixado do ar.

[004] O produto da transformação da vinhaça é aplicado ao solo como um material já estabilizado, atuando como biofertilizante orgânico com maior conteúdo de nitrogênio e de outros nutrientes essenciais para as plantas, além de apresentar redução do mau odor e desfavorecer a multiplicação de pragas, como a mosca doméstica e a mosca dos estábulos, problemas comuns no manejo da vinhaça não transformada.

[005] Uma vez que a vinhaça transformada possui bactérias fixadoras de nitrogênio em número elevado, multiplicadas durante o processo, a aplicação do produto transformado ao solo funcionará potencialmente como um inoculante bacteriano, capaz de promover o crescimento de plantas em função das bactérias que entram no solo e/ou associam-se às suas raízes.

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2/6 [006] O produto resultante da transformação da vinhaça também poderá ser usado para geração de outros produtos, a partir de misturas com materiais sólidos inertes (palhas diversas, gesso agrícola e outros), visando aumento da consistência para facilitar o transporte, manejo, compostagem, sendo que com a transformação da vinhaça, existe ainda a possibilidade de extração de substâncias de interesse industrial, como gomas, bacteriocinas e outras.

[007] - A vinhaça é produzida na proporção média de 10 a 15 litros para cada litro de etanol hidratado destilado, e estima-se que atualmente sejam produzidos cerca de 30 milhões de m³ etanol/ano, o que resulta em até 420 milhões de m³ vinhaça/ano, com perspectivas de aumento para 60 milhões de m³ etanol/ano, ou 840 milhões de m³ de vinhaça/ano, para os próximos anos.

[008] A proibição do despejo da vinhaça em cursos d'água e em outras áreas de sacrifício direcionou seu uso para fertirrigação das lavouras de canade-açúcar, sendo realizada mais comumente com canhões autopropelidos.

[009] A vinhaça in natura, concentrada ou diluída com água residuária da indústria, que é aplicada majoritariamente em lavouras de cana-de-açúcar, possui pouca ou nenhuma tecnologia que agregue qualidade a esse resíduo.

[010] O processamento proposto poderá ser aplicado também em vinhaça concentrada, cujas quantidades utilizadas deverão obedecer às condições de concentração de substâncias presentes no meio de crescimento dos microrganismos.

[011] Devido aos limites de distância, o volume de vinhaça produzido oriundo de toda a área colhida acaba tendo que retornar para uma área menor, obrigando as usinas ao armazenamento de grandes quantidades excedentes do resíduo em lagoas e tanques para posterior utilização, sendo a distribuição nas lavouras feita por canais de terra, revestidos ou não, por tubulações ou ainda por caminhões-tanque.

[012] - Devido à alta carga orgânica da vinhaça, alguns efeitos indesejáveis são observados no solo que recebe a vinhaça, como o aumento de acidez temporária, excesso de potássio, odores fortes e desagradáveis, que contaminam grandes áreas nas regiões canavieiras, inclusive cidades próximas, além da multiplicação da mosca doméstica e da mosca do estábulo

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3/6 que prejudicam seriamente rebanhos bovinos de propriedades próximas aos canaviais, havendo também problemas de corrosão de tubulações e implementos devido a sua alta reatividade que influenciam os custos da operação de irrigação.

[013] De acordo com a legislação existente, a vinhaça usada para irrigar e fertilizar as plantações não deve chegar aos rios e lagos, pois derrubará drasticamente os índices de oxigênio dissolvido na água matando a flora e fauna aquáticas, podendo ainda afetar os depósitos subterrâneos e lençóis freáticos, provocando sérios danos ao ambiente.

[014] Além dos gastos para a sua utilização diretamente no solo, são feitos ainda investimentos na neutralização do solo com aplicação maior de calcário, além da adubação necessária para fornecer nitrogênio e fósforo em até mais de uma vez por safra.

[015] Mesmo contendo nutrientes requeridos pelas plantas, em especial o potássio, a vinhaça contribui pouco como fonte de nitrogênio e fósforo, sendo o primeiro o que mais limita a produtividade das plantas em solos brasileiros e o que responde pelos maiores custos da fertilização da lavoura.

[016] - Tendo em vista os altos custos na distribuição da vinhaça, na fertilização e correção do solo com a aplicação de fertilizantes químicos e calcário mineral, onerando em grande parte a produção do etanol, estamos propondo um Processo Fermentativo Aeróbico que possibilita reduzir fortemente os problemas relatados à vinhaça, além de significar uma fonte mais enriquecida com nitrogênio e outros nutrientes, barateando os custos com fertilizantes.

[017] A vinhaça transformada tem possibilidades para gerar economia e melhorias com a sua aplicação nas lavouras, um dos objetivos desta invenção, pois reduz os problemas graves relatados com o manuseio deste resíduo na sua forma in natura, concentrada ou diluída em água residuária.

[018] A alga calcária, componente do processo de transformação da vinhaça, é utilizada para neutralizar instantaneamente a vinhaça, promovendo o aporte de algumas substâncias importantes para o desenvolvimento dos microrganismos, os quais chegarão ao solo com a posterior fertirrigação,

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4/6 embora o calcário agrícola também possa ser utilizado em proporções adequadas juntamente com a alga apenas para efeitos econômicos em larga escala, assim como poderá ser utilizado hidróxido de sódio ou de potássio em mínimas quantidades para efeito auxiliar de ajuste tampão e de neutralização da vinhaça caso necessário.

[019] As bactérias fixadoras de nitrogênio que são inoculadas na vinhaça, como parte do processo para sua transformação, promovem a fixação do nitrogênio do ar no substrato de vinhaça neutralizado, sendo indispensável a presença de fungos adaptados ao meio, que são utilizados como promotores do sinergismo para o enriquecimento da vinhaça com nitrogênio, o que acaba por contribuir para reduzir a carga orgânica do meio, levando a um produto estabilizado de maior valor fertilizante.

[020] O consumo de material orgânico que ocorre durante a fermentação aeróbica no processo de transformação da vinhaça reduz a DQO, em função da redução dos ácidos orgânicos e inorgânicos presentes em massa celular, reduzindo o mau cheiro e consequentemente pragas indesejáveis, assim como outros problemas da vinhaça in natura ácida e corrosiva.

[021] O produto transformado, uma vez aplicado ao solo, promove maior disponibilidade de nitrogênio e diversos nutrientes para as plantas, além de aumentar a população de microrganismos, de ocorrência natural nos solos, capazes de fixar N₂ da atmosfera e transferi-lo para a planta em forma assimilável.

[022] O produto transformado promove considerável economia, com a redução da necessidade de utilização de calcário e adubos industriais nitrogenados, incorporando o nitrogênio necessário para o crescimento inicial das plantas e sem os problemas decorrentes do despejo da vinhaça in natura.

[023] Outras aplicações poderão ser desenvolvidas, tendo como base o produto da fermentação da vinhaça proposto, dentre estas o material poderá ser incorporado a outros substratos assim como permitir a extração de substâncias de interesse industrial ou agrícola.

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5/6 [024] - O processo de transformação da vinhaça é realizado com a utilização de bactérias fixadoras de nitrogênio (diazotróficas) misturadas a fungos que são adicionados a um meio de crescimento preparado a partir da vinhaça.

[025] Culturas puras das bactérias diazotróficas são crescidas em meios de cultivo específicos, denominados meios padrão LG, LG+CaCO3 ou similares, devendo apresentar altas concentrações de células para iniciar o processo Fermentativo.

[026] Culturas puras de fungos são crescidas nos meios de cultivo específicos, meios-padrão: Saboraud, ABD, com Fosfato de Amônio 0,1% ou similares, com nitrogênio em suas composições tanto para o crescimento inicial como para alcançar altas concentrações de células para o início do processo fermentativo.

[027] A utilização de fungos é indispensável para a redução da DQO, com o consumo dos ácidos da vinhaça, permitindo o aumento do conteúdo de N do meio através do sinergismo com as bactérias diazotróficas que fixam o N do ar. Estes consomem o N produzido pelas bactérias mantendo a sua concentração baixa no meio de cultivo, induzindo-as à continuidade da fixação do N do ar e a sua excreção. Estes apresentam um bom desempenho com as bactérias diazotróficas, sendo que outros gêneros e espécies têm potencial e poderão ser utilizados.

[028] Para iniciar o processo, transfere-se 5 a 10 mL da cultura de bactérias do meio padrão para 80 a 100 mL de meio de crescimento Modificado, preparado a partir da mistura de superfosfato simples (0,2 a 1,5 g/L), alga calcaria em pó (0,05 a 2,0 g/L dependendo da bactéria) e sacarose, açúcar cristal na quantidade de 10 a 20 g/L ou caldo de cana, 20 °brix, na proporção de 20 a 100 mL/L de meio devendo ter o pH corrigido para 5,8 a 6,9. Após o pleno crescimento das bactérias, a aparência do meio Modificado apresenta-se com aspecto viscoso e coloração amarelo escuro, com leitura de densidade ótica (760 nm) de 6,0 a 9,0.

[029] O passo seguinte é preparar o Meio Vinhaça, onde a vinhaça a ser utilizada para o processamento não deve apresentar mais do que 30 ppm de

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6/6 nitrogênio na forma mineral, ou será necessária diluição para que fique abaixo deste valor. Deve-se misturar a alga calcária à vinhaça, na proporção adequada para o tipo de bactéria diazotrófica utilizada, de 0,05 a 2,0 g/L e ajustar o pH para 5,5 a 6,9.

[030] Misturar 20 a 60 mL das culturas de bactérias diazotróficas plenamente crescidas no meio Modificado juntamente com a mesma quantidade das leveduras, plenamente crescidas no seu meio, à 150 a 300 mL do Meio Vinhaça, podendo-se acompanhar o crescimento com amostragens de 12 em 12 h para fins de análises da concentração de N e a DQO que poderá ser feita com potenciômetro de oxigênio dissolvido ao longo do crescimento.

[031] Acrescentam-se 50 a 100 mL do Meio Vinhaça a cada 36 a 72 hs, dependendo da velocidade de crescimento das bactérias verificada através das amostragens. Alcançando-se volumes acima de 500 a 700 mL, as amostragens para acompanhamento poderão ser feitas a cada 24 h, assim sucessivamente.

[032] A aeração é feita por compressor de ar, com capacidade de 100 L/min com borbulhamento constante para escalas até 3.000 mL. Para escalas maiores a capacidade do compressor deverá ser ampliada proporcionalmente aos volumes a serem processados, podendo-se utilizar compressores e agitadores com chicanas, adaptados em tanques, fechados ou abertos e em valos de oxidação que comportem o tempo de residência para as quantidades do Meio Vinhaça a serem processadas.

[033] O Processamento seguirá conforme o diagrama da FIGURA 1, que mostra as principais etapas do processamento em batelada, o qual deverá ser em princípio semelhante para as escalas piloto e industrial, obedecendo aos respectivos parâmetros cinéticos avaliados nas escalas anteriores.

Claims

1. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por fermentação aeróbica da vinhaça, resíduo da produção de etanol, transformando-a em um material de reduzida carga orgânica e enriquecido em nutrientes em especial o nitrogênio (N), sendo realizada pelo crescimento de bactérias fixadoras de nitrogênio e fungos, em meio com a alga calcária, com ou sem calcário, e fosfato.

2. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias, e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por ser um processo de fermentação aeróbica para permitir o crescimento das bactérias fixadoras de nitrogênio em sinergismo com fungos, em meio com pH e composição de nutrientes ajustadas, mantendo um nível de nitrogênio no meio de crescimento que não iniba a atividade fixadora de nitrogênio.

3. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias, e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por ser um crescimento misto de microrganismos naturalmente encontrados na região da rizosfera das plantas, ou seja, bactérias fixadoras de nitrogênio e fungos, capazes de promover a fermentação de grandes volumes de vinhaça, transformando-a em um biofertilizante.

4. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por utilizar os meios de cultivo padrão, de composições conhecidas, normalmente encontrados em laboratórios de biotecnologia, para o crescimento inicial das bactérias fixadoras de nitrogênio e fungos, que serão em seguida inoculados nos Meios Modificados e posteriormente no Meio Vinhaça, onde poderá ser ampliada a escala até os volumes industriais.

5. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do

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2/3 solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por utilizarem os meios de cultivo Modificados, com 0,05 a 2,0 g/L de alga calcária, podendo-se adicionar parte com calcário, e com 0,2 a 1,5 g/L de fosfato ou material equivalente, juntamente com caldo de cana ou açúcar cristal, regulando-se a concentração de N para que não iniba a fixação biológica de nitrogênio, visando a produção dos inóculos do Meio Vinhaça em escalas crescentes.

6. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias, e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por utilizar meios de cultivo em que a fonte inicial de carbono é gradativamente substituída pela vinhaça, cuja proporção dependerá da concentração de carbono da vinhaça, em complemento ao mencionado nas reivindicações anteriores, assim como as fontes de fósforo, cálcio e outros nutrientes são gradativamente substituídas pelo fosfato e pela alga calcária, formando os meios Modificados e o Meio Vinhaça.

7. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias, e/ou calcário em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por ser capaz de apresentar ao final do processo de fermentação da vinhaça, para volumes até 3.000 mL, um produto com aumento de 50% até mais de 200% na concentração de N em comparação ao encontrado inicialmente na vinhaça, e com redução da DQO, assim como grande aumento da massa celular, onde os parâmetros cinéticos calculados servirão para o aumento da escala do processo até os volumes industriais.

8. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias, e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por promover a produção de um biofertilizante que carreará à lavoura grandes quantidades de bactérias fixadoras de N de vida livre da própria flora do solo, juntamente com fungos que introduzem matéria orgânica ao solo, promovendo redução significativa do uso dos fertilizantes químicos nitrogenados e fosfatados, assim como o abaixamento da DQO da vinhaça e economia para as lavouras.

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9. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias, e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por tornar possível a utilização da vinhaça processada, diluída ou concentrada, como componente para incorporação em materiais secos, como cascas, resíduos orgânicos, gesso agrícola e outros, para melhorar a consistência do produto final, para fins de compostagem e para outros processos que incluam a vinhaça transformada, ou que a utilizem como material primário para a extração de substâncias e isolamento de microrganismos.

10. Transformação e aproveitamento da vinhaça por um processo fermentativo, com algas calcárias, e/ou calcário, em cultivo misto de microrganismos do solo (Bactérias Fixadoras de Nitrogênio e Fungos) caracterizado por ser um processo em batelada com possibilidade de aumento gradativo da escala em tanques, abertos ou fechados, valos de oxidação com aeração e agitação, podendo-se utilizar chicanas, onde volumes crescentes de vinhaça serão processados, em função do tempo de residência necessário para cada etapa, obedecendo os parâmetros cinéticos avaliados até os volumes industriais, com motores e compressores com potências adequadas aos volumes, para em seguida serem levados à lavoura.