BR102017003005B1 - Activated charcoal production process from dry yeasts from industrial fermentation processes - Google Patents
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Abstract
Refere-se a um processo de produção de carvão ativado que utiliza como matéria prima leveduras secas (2), provenientes de processos fermentativos industriais, a partir de um processo produtivo com número de etapas e tempo de execução reduzidos.It refers to an activated carbon production process that uses dry yeast (2) as raw material, from industrial fermentation processes, based on a production process with a reduced number of steps and execution time.
Description
[001] Trata a presente solicitação de patentes de invenção de um inédito “PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CARVÃO ATIVADO A PARTIR DE LEVEDURAS SECAS PROVENIENTES DE PROCESSOS FERMENTATIVOS INDUSTRIAIS” que se refere a um processo de produção de carvão ativado de altíssima qualidade, produzido a partir de leveduras secas provenientes de processos de fermentativos industriais.[001] This application for patents for the invention of an unpublished "PROCESS OF PRODUCTION OF ACTIVATED CARBON FROM DRY YEASTS FROM INDUSTRIAL FERMENTATIVE PROCESSES" refers to a process of production of activated carbon of very high quality, produced from of dry yeasts from industrial fermentation processes.
[002] A presente invenção pertence à seção química, por se tratar de um processo de produção de carvão ativado e produto obtido, mais especificamente ao setor de elementos não-metálicos e seus compostos.[002] The present invention belongs to the chemical section, as it is a process for the production of activated carbon and the product obtained, more specifically to the sector of non-metallic elements and their compounds.
[003] Carvões ativados podem ser definidos como materiais carbonosos porosos, que apresentam forma microcristalina, não grafítica e que sofreram processamento para aumentar sua área superficial através da modificação de sua porosidade. Após a ativação, o carvão passa a apresentar porosidade interna comparável à uma rede de túneis que se bifurcam em canais menores, tal porosidade é utilizada na classificação do carvão, segundo seu tamanho: macro, meso e microporosidade (Marsh, 2006). Dentre as suas principais aplicações, o carvão ativado tem se mostrado um eficiente adsorvente para a remoção de compostos orgânicos e inorgânicos em diversos ramos industriais, e de poluentes dissolvidos em meios aquosos, ou de gases no ambiente, nesse sentido, é amplamente utilizado no tratamento de águas residuais.[003] Activated carbons can be defined as porous carbonaceous materials, which have a microcrystalline, non-graphitic form and which have undergone processing to increase their surface area by modifying their porosity. After activation, the coal starts to present internal porosity comparable to a network of tunnels that bifurcate into smaller channels, such porosity is used in the classification of coal, according to its size: macro, meso and microporosity (Marsh, 2006). Among its main applications, activated carbon has been shown to be an efficient adsorbent for the removal of organic and inorganic compounds in several industrial branches, and of pollutants dissolved in aqueous media, or gases in the environment, in this sense, it is widely used in the treatment of wastewater.
[004] Por ser um material de suporte inerte e poroso, é capaz de distribuir compostos químicos em sua grande superfície interna hidrofóbica, e torná-los acessíveis aos reagentes. Por esta razão, os carvões ativados têm ganhado cada vez mais destaque na indústria, pois, passaram a ser utilizados como catalisador e/ou suporte para catalisadores, devido suas boas características para tais finalidades. Em contradição à sua ampla necessidade industrial, o déficit relativo à importação/exportação de carvão ativado apresentado pela balança comercial brasileira (MDIC - AliceWeb, Agosto 2015), demonstra a necessidade de busca de alternativas para a produção de carvão ativado de alta qualidade, a partir de matérias-primas de ampla obtenção e que associem baixo custo de produção com alto rendimento, tanto para consumo nacional quanto para exportação.[004] Because it is an inert and porous support material, it is able to distribute chemical compounds on its large hydrophobic internal surface, and make them accessible to reagents. For this reason, activated carbons have gained more and more prominence in the industry, as they have come to be used as a catalyst and/or support for catalysts, due to their good characteristics for such purposes. In contradiction to its broad industrial need, the deficit related to the import/export of activated carbon presented by the Brazilian trade balance (MDIC - AliceWeb, August 2015), demonstrates the need to search for alternatives for the production of high quality activated carbon, the from raw materials that are widely available and that combine low production costs with high yields, both for national consumption and for export.
[005] Em geral, materiais que apresentem alto teor de carbono podem ser convertidos em carvão ativado, dessa forma, diferentes tipos de matéria orgânica têm sido utilizados para a produção de carvão ativado. Apesar disso, é importante que se tenha em mente que a matéria-prima empregada na produção influencia diretamente na qualidade do carvão ativado obtido, podendo ser o diferencial para suas aplicações. Atualmente, a produção de carvão ativado depende de resíduos brutos da agroindústria ou de materiais orgânicos cultivados e/ou produzidos especificamente para esse fim; algumas matérias-primas como casca de arroz, fibra de coco, carvões minerais, entre outros, devido a sua natureza intrínseca, introduzem diversas etapas na produção do carvão ativado, tais como: transporte, secagem, armazenamento e moagem; ou ainda, exigem áreas de plantio e tempo de produção da matéria-prima, etapas que contribuem para o incremento dos custos de produção.[005] In general, materials that have a high carbon content can be converted into activated carbon, in this way, different types of organic matter have been used for the production of activated carbon. Despite this, it is important to keep in mind that the raw material used in the production directly influences the quality of the activated carbon obtained, which can be the differential for its applications. Currently, the production of activated carbon depends on raw agro-industry residues or organic materials cultivated and/or produced specifically for this purpose; some raw materials such as rice husk, coconut fiber, mineral coals, among others, due to their intrinsic nature, introduce several steps in the production of activated carbon, such as: transport, drying, storage and grinding; or even, they require planting areas and raw material production time, steps that contribute to the increase in production costs.
[006] É sabido que as indústrias que empregam processos fermentativos envolvendo leveduras, geram toneladas desses microrganismos como subprodutos provenientes do processo industrial, cujo resíduo seco apresenta teor de carbono em torno de 43%. Considerando-se especificamente a indústria sucro-alcooleira, uma vez que para cada litro de etanol produzido são gerados 30g de biomassa de levedura e, considerando a projeção da Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico, de 158 bilhões de litro de etanol para 2023 (OECD/FAO, 2007), é possível avaliar o crescimento exponencial da geração de biomassa de levedura a ser destinada, a qual tem sido utilizada basicamente para a produção de rações animais e como aporte de proteínas em alimentos para nutrição humana. A levedura possui alto valor proteico, e como resíduo, se não for adequadamente destinado, pode ocasionar danos ambientais (Klagenboech et al, 2011).[006] It is known that industries that employ fermentation processes involving yeasts generate tons of these microorganisms as by-products from the industrial process, whose dry residue has a carbon content of around 43%. Considering specifically the sugar-alcohol industry, since for each liter of ethanol produced, 30g of yeast biomass are generated and, considering the projection of the Organization for Economic Cooperation and Development, of 158 billion liters of ethanol for 2023 (OECD /FAO, 2007), it is possible to evaluate the exponential growth of the generation of yeast biomass to be destined, which has been used basically for the production of animal feed and as a contribution of proteins in food for human nutrition. Yeast has a high protein value, and as a residue, if not properly disposed of, it can cause environmental damage (Klagenboech et al, 2011).
[007] Tendo em vista o atual cenário e sabendo-se que as características do carvão ativado estão diretamente relacionadas à sua matéria-prima, o desenvolvimento de um processo de produção de carvão ativado que associematérias-primas de ampla obtenção, baixo custo de produção com alto rendimentoé totalmente interessante para o mercado, uma vez que as alternativas existentes, mesmo que representem processos de produção que funcionem, acabam sendo menos eficientes e mais custosas financeiramente, além de, os produtos obtidos, na maioria das vezes, serem de qualidade inferioraos obtidos com a proposta descrita por este pedido de patente.[007] In view of the current scenario and knowing that the characteristics of activated carbon are directly related to its raw material, the development of an activated carbon production process that associates raw materials of wide obtainment, low production cost with high yield is totally interesting for the market, since the existing alternatives, even if they represent production processes that work, end up being less efficient and more financially costly, in addition to the products obtained, in most cases, being of inferior quality obtained with the proposal described by this patent application.
[008] No atual estado da técnica, estão presentes diversos documentos que descrevem processos de produção de carvão ativado que utilizam variadas matérias-primas, apesar disso, nenhuma das anterioridades encontradas antecipa completamente a proposta descrita por este pedido de patente.[008] In the current state of the art, there are several documents that describe activated carbon production processes that use various raw materials, despite this, none of the prior art found completely anticipates the proposal described by this patent application.
[009] O trabalho científico apresentado em congresso, intitulado "Produção e caracterização de carvão ativado granulado e bio-óleo a partir dos resíduos da indústria cervejeira" de autoria de G.C. Gonçalves, P.K. Nakamura, M.T. Veit, K.G. Fiametti, G.M.C. Silva, presente no atual estado da técnica, descreve a utilização de creme de levedura, proveniente de indústria cervejeira, em associação com o bagaço de malte, na produção de carvão ativado. Para tanto, o creme de levedura foi beneficiado, em seguida misturado com o bagaço para a formação de briquetes, os quais após pirolisados foram ativados com CO2. Apesar da utilização de leveduras em sua biomassa, o carvão ativado proposto também é composto de bagaço de malte, diferentemente do objeto desse pedido de patente, que utiliza como biomassa apenas leveduras; além disso, as etapas de processamento utilizadas não são as mesmas, assim como o agente ativante utilizado.[009] The scientific work presented at the congress, entitled "Production and characterization of granulated activated carbon and bio-oil from brewing industry residues" by G.C. Gonçalves, P.K. Nakamura, M.T. Veit, K.G. Fiametti, G.M.C. Silva, present in the current state of the art, describes the use of yeast cream, from the brewing industry, in association with malt bagasse, in the production of activated carbon. For this, the yeast cream was processed, then mixed with the bagasse to form briquettes, which after pyrolyzing were activated with CO2. Despite the use of yeasts in its biomass, the proposed activated carbon is also composed of malt bagasse, unlike the object of this patent application, which uses only yeasts as biomass; in addition, the processing steps used are not the same, as is the activating agent used.
[010] O trabalho científico publicado em revista científica, intitulado "Preparação de carvão ativado em baixas temperaturas de carbonização a partir de rejeitos de café: utilização de FeCl3 como agente ativante" de autoria de Elaine Pereira, Luiz C. A. Oliveira, Andréa Vallone, KarimSapag e Márcio Pereira, também presente no atual estado da técnica, descreve o processo de produção de carvão ativado a partir de rejeitos industriais do café e que, graças ao agente ativante utilizado, requer temperaturas mais baixas para a pirólise da biomassa; apesar de utilizar um agente ativante diferente da proposta desse pedido de patente, ambos utilizam temperaturas inferiores aos processos presente no atual estado da técnica.[010] The scientific work published in a scientific journal, entitled "Preparation of activated carbon at low carbonization temperatures from coffee waste: use of FeCl3 as an activating agent" by Elaine Pereira, Luiz C. A. Oliveira, Andréa Vallone, KarimSapag and Márcio Pereira, also present in the current state of the art, describes the process of producing activated carbon from industrial coffee waste which, thanks to the activating agent used, requires lower temperatures for the pyrolysis of biomass; despite using an activating agent different from the proposal of this patent application, both use temperatures lower than the processes present in the current state of the art.
[011] Também encontra-se no atual estado da técnica o pedido de patente PI0804169-5, intitulado “PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CARVÃO ATIVADO, CARVÃO ATIVADO E SEUS USOS”, o qual descreve um processo de obtenção de carvão ativado a partir de biomassa considerada rejeito industrial, a lignina presente no bagaço de malte. Apesar de ambas as propostas utilizarem rejeitos industriais, os processos de produção do carvão ativado a partir de lignina de malte e o partir de leveduras são bastantes distintos; por exemplo, o primeiro requer a obtenção de um licor alcalino e precipitação da lignina, seguido de maceração e granulação da lignina seca, para posterior ativação química, já no segundo, não são necessárias etapas de beneficiamento da levedura pois a mesma já é empregada seca, assim, o processo de produção que a utiliza é mais rápido, além de requerer temperaturas mais baixas para suas etapas de execução.[011] Patent application PI0804169-5 is also found in the current state of the art, entitled "PROCESS FOR OBTAINING ACTIVATED CARBON, ACTIVATED CARBON AND THEIR USES", which describes a process for obtaining activated carbon from biomass considered industrial waste, the lignin present in malt bagasse. Although both proposals use industrial waste, the production processes of activated carbon from malt lignin and from yeast are quite different; for example, the first requires obtaining an alkaline liquor and lignin precipitation, followed by maceration and granulation of dry lignin, for subsequent chemical activation, while in the second, yeast processing steps are not necessary because it is already used dry. , thus, the production process that uses it is faster, in addition to requiring lower temperatures for its execution stages.
[012] A partir da análise do atual estado da técnica, observa-se que nenhuma das anterioridades encontradas antecipa a proposta do presente pedido de patente, o que demonstra a necessidade de um processo de produção de carvão ativado, com menos etapas de execução e mais rápidas,que empreguemtemperaturas mais baixas, que utilize como matéria-prima leveduras provenientes de processos fermentativos industriais e que, portanto, represente uma nova e excelente destinação a esses resíduos industriais.[012] From the analysis of the current state of the art, it is observed that none of the prior art found anticipates the proposal of the present patent application, which demonstrates the need for an activated carbon production process, with fewer execution steps and faster, employing lower temperatures, using yeasts from industrial fermentation processes as raw material and, therefore, representing a new and excellent destination for these industrial residues.
[013] A presente invenção tem como objetivo proporcionar um carvão ativado de elevada área superficial que utilize como matéria-prima levedura secas, provenientes de processos fermentativos industriais, a fim de conferir a este resíduo novas aplicações como: adsorvente de compostos e/ou contaminantes orgânicos e inorgânicos, catalisadores ou suporte de catalisadores para diversas aplicações ambientais e industriais.[013] The present invention aims to provide a high surface area activated carbon that uses dried yeast as raw material, from industrial fermentation processes, in order to give this residue new applications such as: adsorbing compounds and/or contaminants organic and inorganic catalysts or catalyst support for various environmental and industrial applications.
[014] O presente pedido de patente de invenção refere-se a um processo de produçãode carvão ativado de altíssima qualidade e diversas aplicações, que utiliza como matéria-prima leveduras seca, provenientes de processos fermentativos industriais, e que seja produzido a partir de um processo produtivo com número de etapas e tempo de execução reduzidos.[014] The present invention patent application refers to a process for the production of activated carbon of very high quality and various applications, which uses dry yeasts as raw material, from industrial fermentation processes, and which is produced from a production process with reduced number of steps and execution time.
[015] Em suma, a presente invenção apresenta como principais vantagens: S Proporcionar um processo produtivo de carvão ativado a partir leveduras secas provenientes de processos fermentativos, dessa forma, oferecendo a esses resíduos uma nova aplicação industrial e comercial; S Proporcionar um processo produtivo de carvão ativado que utilize como matéria-prima um resíduo industrial de baixo valor agregado e que dispense etapas de beneficiamento; S Proporcionar um processo produtivo de carvão ativado que possua menos etapas de processamento, mais eficientes e com custos financeiros reduzidos; S Proporcionar um processo produtivo de carvão ativado que permita rendimentos entre 22 e 43%; S Proporcionar um processo produtivo que permita a obtenção de carvão ativado de altíssima qualidade, que apresente elevada área superficial, entre 1030 e 1400 m2/g, e volume microporoso que varie entre 78 e 90% do volume total.[015] In short, the present invention has the following main advantages: S To provide a productive process of activated carbon from dry yeasts from fermentation processes, thus offering these residues a new industrial and commercial application; S To provide an activated carbon production process that uses industrial waste with low added value as raw material and does not require processing steps; S Provide an activated carbon production process that has fewer, more efficient processing steps and reduced financial costs; S Provide an activated carbon production process that allows yields between 22 and 43%; S Provide a production process that allows the production of very high quality activated carbon, with a high surface area, between 1030 and 1400 m2/g, and a microporous volume that varies between 78 and 90% of the total volume.
[016] A invenção será descrita em uma realização preferencial, assim, para melhor entendimento serão feitas referências ao fluxograma anexo.S Figura 1: Fluxograma do processo de produção de carvão ativado a partir de leveduras secas provenientes de processos fermentativos[016] The invention will be described in a preferred embodiment, so, for better understanding, references will be made to the attached flowchart.S Figure 1: Flowchart of the activated carbon production process from dry yeasts from fermentation processes
[017] PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CARVÃO ATIVADO A PARTIR DE LEVEDURAS SECAS PROVENIENTES DE PROCESSOS FERMENTATIVOS INDUSTRIAIS(Fig. 1) se dá através de etapas de produção: inicialmente entre 40 e 48%, da massa total da mistura, decloreto de zinco (1), entre 50 e 56%,da massa total da mistura, delevedura (2) entre 0,20 e 0,27%, da massa total da mistura, de água destilada (3) são misturados (E1) em recipiente, à temperatura ambiente, após a mistura pronta (4) ela é agitada (E2) em agitador magnético durante 30 minutos em temperatura ambiente e a 200 rpme posteriormente seca (E3) em estufa por 24h à 60oC. Após a secagem (E3), a mistura (5) foi introduzida em reator (E4) e levada (E5) ao forno de carbonização, com rampa de aquecimento de 10oC/min e mantida na temperatura de carbonização, entre 500 e 550oC, durante 60 min. Depois de seca, o material (6) é desagregado(E6) em almofariz de porcelana, em temperatura ambiente, em seguida, lavado (E7) com um volume entre 25 e 30 mL de solução de HCl 1M,empregando-se agitação magnética a 200 rpm, durante 24h a 60°C e; posteriormente, passa por uma nova lavagem (E8) com água deionizada até que se obtenha pH entre 4 e 5. Após o ajuste de pH (E8) o material (7) é novamente seco (E9) em estufa à 60oC por 24h, depois desse período, o carvão ativado (8) está pronto para utilização (E10) ou para ser armazenado (E11) em recipiente fechado, podendo ser vidro, metálico ou plástico, à temperatura ambiente.[017] ACTIVATED COAL PRODUCTION PROCESS FROM DRY YEAST FROM INDUSTRIAL FERMENTATIVE PROCESSES (Fig. 1) takes place through production stages: initially between 40 and 48% of the total mass of the mixture, zinc dechloride (1 ), between 50 and 56% of the total mass of the mixture, yeast (2) between 0.20 and 0.27% of the total mass of the mixture, distilled water (3) are mixed (E1) in a container at temperature After the mixture is ready (4), it is stirred (E2) in a magnetic stirrer for 30 minutes at room temperature and at 200 rpm and then dried (E3) in an oven for 24 hours at 60°C. After drying (E3), the mixture (5) was introduced into a reactor (E4) and taken (E5) to the carbonization oven, with a heating ramp of 10oC/min and maintained at the carbonization temperature, between 500 and 550oC, during 60 min. After drying, the material (6) is broken down (E6) in a porcelain mortar at room temperature, then washed (E7) with a volume between 25 and 30 mL of 1M HCl solution, using magnetic stirring at 200 rpm for 24h at 60°C and; subsequently, it undergoes a new washing (E8) with deionized water until a pH between 4 and 5 is obtained. After the pH adjustment (E8) the material (7) is again dried (E9) in an oven at 60oC for 24h, then During this period, the activated carbon (8) is ready for use (E10) or to be stored (E11) in a closed container, which can be glass, metallic or plastic, at room temperature.
[018] Através de resultados experimentais, expostos a seguir; observou-se que o processo apresenta rendimento entre 22 e 43%; além de proporcionar um produto com elevada área superficial, entre 1030 e 1400 m2/g, e volume microporoso que varie entre 78 e 90% do volume total.[018] Through experimental results, exposed below; it was observed that the process presents a yield between 22 and 43%; in addition to providing a product with a high surface area, between 1030 and 1400 m2/g, and a microporous volume that varies between 78 and 90% of the total volume.
[019] A tabela abaixo apresenta os parâmetros utilizados para obtenção de carvões ativados a partir de resíduo de levedura proveniente de processos fermentativos industriais:
[020] A tabela abaixo apresenta os resultados de área superficial, distribuição de volume de poro e total para as amostras obtidas
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B06A | Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] |
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