BRPI0718245A2

BRPI0718245A2 - Métodos de geração de fertilização de fósforo através da utilização de tecnologia de fermentação microbiana

Info

Publication number: BRPI0718245A2
Application number: BRPI0718245-7A2A
Authority: BR
Inventors: Nigel Grech
Original assignee: Sci Protek Inc
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2014-01-07
Also published as: CL2007003184A1; CA2668519C; NZ576292A; UY30687A1; MX2009004638A; US20080105018A1; WO2008057448A2; JP2010508814A; ATE455082T1; AU2007317913A1; SA07280603B1; EP1964828B1; PE20081051A1; EP1964828A3; AU2007317913B2; EP1964828A2; PT1964828E; PL1964828T3; AR063580A1; US8092569B2

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOS DE GERAÇÃO DE FERTILIZANTES DE FÓSFORO ATRAVÉS DA UTILI- ZAÇÃO DE TECNOLOGIA DE FERMENTAÇÃO MICROBIANA".

A presente invenção reivindica o benefício do pedido provisório U.S. número de série 60/857.470 depositado em 6 de novembro de 2006, que é aqui incorporado a título de referência.

Antecedentes da Invenção

1. Campo da Invenção

A presente invenção refere-se à geração de fertilizantes de fós- foro (P) usando tecnologia de fermentação microbiana e mais particularmen- te através da conversão de fontes de fosfato em formas mais reduzidas atra- vés de fermentação microbiana anaeróbica, com os produtos finais sendo adequados para uso em agricultura.

2. Descrição da Técnica Anterior

Fosfitos (também conhecidos como fosfonatos) são um compo-

nente natural do ciclo de fósforo em solo, planta e sistemas de planta mari- nha. Eles são definidos como os sais de ácido fosforoso (H3PO3). Hipofosfi- tos são os sais de ácido hipofosforoso. Na descrição que segue da presente invenção, o termo fosfito será algumas vezes usado para descrever esses 20 sais de ácido fosforoso/hipofosforoso. Na agricultura moderna o ciclo de fós- foro pode ser severamente rompido pelo uso disseminado de biocida e ferti- lizantes inorgânicos. Esses fatores frequentemente resultam em limitações de fósforo em muitos solos agriculturais. Ainda, é conhecido que fertilização à base de fosfato não é muito eficiente em muitos sólidos devido à fixação e 25 adsorção. Além disso, absorção foliar de fosfato é também muito pobre ou não-existente.

Fosfitos são conhecidos há algum tempo ter atividade em ambos plantas e micróbios como fontes de nutrientes de planta (Lovatt, Patente US 5514200) e como agentes biocida (Thizy, Patente US 4075324) e são agora 30 bem-estabelecidos em termos de seu uso agroquímico. Foi também deter- minado que fertilizantes de fósforo à base de fosfito demonstram habilidades de penetração superiores através da folhagem da planta, e têm uma propen- são a permanecerem mais disponíveis no solo e não ficarem fixos ou adsor- vidos - como é o caso com fosfato. Fertilizantes à base de fosfito são tam- bém muito mais eficientes na aplicação de fósforo do que fertilizantes à base de fosfato devido ao fato de terem uma molécula de oxigênio a menos, e 5 deste modo a proporção de "P" na molécula é correspondentemente maior. Fosfitos são também muito mais solúveis e menos propensos à precipitação e adsorção de solo. A solubilidade superior dos fosfitos é também vantajosa em termos do ânion no sal. Maior solubilidade de sais amoníacos, potássio, magnésio e cálcio resulta em aplicação nutricional mais eficiente se aplica- 10 dos ao solo ou particularmente à folhagem de planta do que sal(is) de fosfato correspondentes.

Fosfitos também têm sido mostrados exibir atividade acentuada contra certos micróbios tal como fungos e bactérias e são usados como bio- cidas.

Atualmente a fabricação de fertilizantes de fósforo consiste prin-

cipalmente na fabricação do ácido e então reação do ácido com certas ba- ses a fim de gerar um sal de fertilizante tal como fosfato de amônio, fosfato de potássio, fosfito de potássio, etc. Esses métodos geralmente envolvem reações altamente reativas e geralmente exotérmicas. Também muitos dos 20 reagentes são quimicamente perigosos. Comercialmente a maioria dos fosfi- tos é principalmente produzida através da reação de um tricloreto de fósforo e água, uma reação de muito risco e perigosa. Ácido fosforoso é extraído dos produtos da reação e purificado. Ele é um processo caro e de risco. En- tão seria muito benéfico se um processo de menos risco e mais eficiente 25 pudesse ser encontrado que pudesse produzir fosfitos/hipofosfitos.

Micróbios anaeróbicos são abundantes na natureza e fazem a mediação de muitas reações bioquímicas complexas. Qualquer ambiente onde oxigênio está ausente ou limitante, metabolismo anaeróbico pode a- contecer. Exemplos de anaeróbise podem ser encontrados em ecossistemas 30 tal como em pântanos e corpos aquosos estagnados onde matéria orgânica se decompõe na ausência de oxigênio e leva à formação de "gás do pânta- no". Gás do pântano é principalmente metano. Putrefação anaeróbica e de- gradação de matéria orgânica são geralmente acompanhadas por odores desagradáveis de sulfeto de hidrogênio e de compostos orgânicos que con- têm enxofre, tal como mercaptanos (qualquer composto orgânico contendo enxofre). Em tais condições de reação, moléculas ricas em oxigênio não são abundantes.

Sumário da Invenção

A presente invenção descreve usos e métodos de preparação de fosfitos e/ou hipofosfitos (e suas formas poliméricos e/ou seus sais) e agro- químicos à base de fosfito (fertilizantes e biocidas) a partir de fosfatos e ou- 10 tras fontes de fósforo de ocorrência natural ou sintético. O processo de fer- mentação vai produzir sais de fosfito/hipofosfito de ambas as fases líquida e sólida que podem ser usados como um produto agroquímico. Após remoção do recipiente de fermentação, a fase líquida é filtrada e embalada. Para apli- cação a plantas o material líquido é diluído mais com água e aplicado a plan- 15 tas. O material de fase sólida na câmara de reação é removido, seco e po- dem ser então usado como um fertilizante sólido ou aplicado como é, mistu- rado com outros sólidos (tal como fertilizantes e argilas) ou diluído em água e aplicado a plantas. Os fertilizantes baseados em fosfito/hipofosfito deriva- dos são estáveis e podem ser misturados em soluções tendo um pH que é 20 aceitável para a folhagem da planta, e em outras soluções tendo um pH a- ceitável para a raiz. Quando extraído do recipiente de fermentação, o mate- rial pode ser seco ou diluído mais com água ou tornado uma suspensão.

É então um objetivo da presente invenção prover processos a- través dos quais solos de ocorrência natural são usados para gerar fosfitos e/ou hipofosfitos a partir de fosfatos e outras fontes fosforosas de ocorrência natural ou sintéticas através de fermentação anaeróbica.

É também um objetivo da presente invenção prover processos através dos quais micro-organismos de ocorrência natural são usados para gerar fosfito e/ou hidrofosfitos a partir de fosfatos e outras fontes de fósforo de ocorrência natural ou sintéticas através de fermentação anaeróbica.

É também um objetivo da presente invenção prover processos através dos quais solos de ocorrência natural e micro-organismos são usa- dos para gerar fosfitos e/ou hipofosfitos a partir de fosfatos e outras fontes de fósforo de ocorrência natural ou sintéticas através de fermentação anae- róbica; em alguns casos os solos provêem uma fonte dos micro-organismos utilizados no processo de fermentação anaeróbica.

É outro objetivo da presente invenção prover processos onde os

fosfitos e/ou hipofosfitos que são gerados através de fermentação anaeróbi- ca são usados para formular agroquímicos tal como fertilizantes, biocidas e outros agroquímicos para uso em horticultura e outro local.

É outro objetivo da presente invenção usar bactérias anaeróbi- cas no processo de fermentação para produzir fosfitos e/ou hipofosfitos a partir de fosfatos ou outras fontes de fósforo de ocorrência natural ou sintéti- cas.

É outro objetivo da presente invenção usar fungos anaeróbicos no processo de fermentação para produzir fosfitos e/ou hipofosfitos a partir de fosfatos ou outras fontes de fósforo de ocorrência natural ou sintéticas.

É outro objetivo da presente invenção prover processos onde os fosfitos e/ou hipofosfitos que são gerados através de fermentação aneróbica são aplicados a plantas, micro-organismos ou ao solo.

Métodos de Geração Os ingredientes que seguem são misturados junto em uma pasta

fluida e postos em um recipiente com descarga hermeticamente fechado: uma fonte de fosfato adequada, uma amostra de solo anaeróbico (contendo micróbios anaeróbicos e nutrientes essenciais) ou um solo estéril ao qual uma cultura pura de micróbios selecionados é adicionada, uma fonte de car- 25 bono e água. Hélio, gases nobres ou nitrogênio podem ser usados para pur- gar o ar do recipiente de fermentação. O recipiente hermeticamente fechado tem uma descarga de via única para permitir que gases de exaustão sejam liberados e assegurar formação de pressão mínima no recipiente de fermen- tação. Tal consórcio microbiano misto capaz de reduzir fosfato pode ser ob- 30 tido de locais onde solo foi cultivado anaerobicamente por vários anos. Tais solos são preferidos porque a falta de condições aeróbicas vai favorecer a emergência de micro-organismos anaeróbicos que proliferam sob essas con- dições de pouco oxigênio. Em condições anaeróbicas, as demandas energé- ticas de crescimento microbiano não são fornecidas por respiração depen- dente de oxigênio, mas ao contrário por várias reações redox. Tais reações geram um ambiente de redução onde materiais altamente oxidados (tal co- 5 mo oxiânions) podem ser reduzidos para estados de oxidação inferiores. Tais exemplos incluem, sem limitação, sulfatos em sulfetos, cloratos em clo- retos, fosfato em fosfito, nitratos em nitretos (e por fim metano), etc. Então foi constatado que se ambiente com suficientemente pouco oxigênio for pro- vido, fosfato pode ser convertido para estados de oxidação inferiores tal co- 10 mo fosfito (+III) e hipofosfito (+I). O resultado do processo de fermentação anaeróbica é a geração de sais de oxiácido reduzidos de fósforo tal como sais de fosfito e hipofosfito nas fases líquida e sólida.

A presente invenção descreve métodos para gerar fosfi- tos/hipofosfitos para uso agroquímico, agricultural, horticultural e outros. As 15 composições podem ser incubadas por apenas alguns dias até alguns me- ses. A reação é acelerada por temperaturas mais altas (10-40°C). O resulta- do do processo de fermentação anaeróbica é a produção de fosfi- tos/hipofosfitos que podem então ser usados como são, concentrados mais, diluídos e/ou misturados com outros fertilizantes e/ou biocidas para formar 20 fertilizantes compostos e/ou outros biocidas que podem estar em formas só- lidas ou líquidas e usados em agricultura/horticultura ou outro local. Vários gêneros microbianos foram identificados neste processo tal como, sem limi- tação, Clostridium, Vibrio, Klebsiella e/ou Escherichia. Em geral foi constata- do que amostras de populações de bactérias isoladas de solos anaeróbicos 25 têm a um grau menor ou maior a habilidade em gerar fosfitos/hipofosfitos a partir de fontes fosfato sob condições anaeróbicas. Amostras de solos anae- róbicos foram coletadas de vários locais na Califórnia e três tais óleos (de- signados rrs 12, rrs 15 & rrs 19) mostraram geração promissora de fosfitos a partir de fosfatos.

No cultivo dos micróbios anaeróbicos tal como bactérias perten-

centes aos gêneros tal como Clostridium, Vibrio, Klebsiella e/ou Escherichia bem como outros anaeróbios, é desejável empregar condições de cresci- mento que levem à proliferação de anaeróbios. Vários indutores incluem, mas não estão limitados a, adições de meios tal como aqueles descritos por Long e outros em 1983 (Appl. Environ. Microbiol., 45:1389-1393). Isolamento de bactérias de amostras de solo foi assegurado e resultou na identificação de isolatos capazes de gerar fosfito a partir de fosfato.

A invenção acima mencionada pode tomar a forma de sistema de fermentação estática ou uma fermentação contínua que provê ambientes favoráveis para fermentação bacteriana anaeróbica de modo que a digestão ótima da biomassa e produção de fosfitos e seus sais são mantidas. Em to- 10 dos os casos hélio, nitrogênio ou Gases nobres podem ser usados para pur- gar o recipiente de fermentação.

Em geral, a biomassa, de preferência na forma de uma pasta fluida aquosa, é introduzida em um reator de fermentação provido com um ambiente anaeróbico. Se o pH da pasta fluida da biomassa cair para cerca 15 de 4,8, o processo de fermentação pode ser prejudicado (isto é, o ambiente é muito ácido para sustentar fermentação bacteriana anaeróbica eficaz). En- tão, um agente de neutralização pode ser adicionado ao sistema para man- ter um pH acima de 4,8 em cada reator. Agentes de neutralização adequa- dos incluem sais de amônio, sódio, potássio e cálcio de hidróxidos, carbona- 20 tos e bicarbonatos. De preferência, carbonato de cálcio ou hidróxido de cál- cio é empregado para manter a faixa de pH desejável do sistema. O agente de neutralização pode ser adicionado ao sistema em qualquer ponto onde for necessário manter a faixa de pH. A base pode ser adicionada sozinha ou com a biomassa fresca entrando no processo de fermentação.

Exemplos de métodos para geração de fosfitos/hipofosfitos são

dados abaixo:

EXEMPLO 1:

Os materiais que seguem (geralmente os materiais estão em estado fino, inicialmente moídos para um tamanho de partícula na faixa de 10-40 mesh (ASTM) usando equipamento de moagem conhecido, tal como um moedor Fitzpatrick) foram misturados juntos em uma pasta fluida e todos os componentes exceto o solo foram esterilizados em um autoclave. O solo foi adicionado à mistura e incubado em torno de 35°C em um agitador orbi- tal. Hélio foi inicialmente alimentado na câmara do fermentador para purgar o ar residente. Os resultados diários são mostrados na tabela abaixo.

Fosfato de Cálcio (coloidal) 2 kg

Fosfato de Potássio 0,5 kg

Solo anaeróbico (sítio rrs 15) 300 g

Sacarose 10 g

Lactato de sódio 1 g

FeCI2 0,5

MnCI2 0,1

ZnCI 0,05

CuCI 0,02

Se 5 g

Solubor 0,01 g

Água 1,5 kg

O pH inicial da mistura foi ajustado para 7,5 com Ácido clorídri- co. A mistura foi agitada. Durante o curso de 20-30 dias o pH do meio pode cair para níveis onde fermentação é prejudicada, que pode necessitar ajuste com uma base tal como hidróxido de cálcio:

Resultados: EXEMPLO 1

Recuperação de Fosfito e Hipofosfito (% em p/p como uma % do P total)

Dia 1 3 6 9 12 15 18 po3/hpo2 0 0 2 7 11 10 8 EXEMPLO 2:

Uma fonte de fosfato inorgânico foi usada como no exemplo 1. No entanto, neste exemplo uma fonte de carbono complexa foi usada (palha de trigo). Quaisquer outros nutrientes inorgânicos foram adicionados. Os materiais foram misturados como no exemplo 1. Nitrogênio foi usado para purgar ar residente. Os resultados diários são mostrados na tabela abaixo.

4 kg de fosfato de amônio

100 g de palha de trigo

1 kg de Solo anaeróbico (sítio rrs 12) 2 kg de água

PH 7,5

Nitrogênio foi alimentado ao recipiente de fermentação para pur- gar qualquer ar restante.

Resultados: EXEMPLO 2

Recuperação de Fosfito e Hipofosfito (% em p/p como uma % de P total)

Dia 1 3 6 9 12 15 18 21 24 PO3ZHPO2 0 0 8 10 10 11 10 9 8 EXEMPLO 3: Mesmo que 0 exemplo 2, exceto que 0 fosfato pedra foi usado ao invés de fosfato de amônio. Fosfato pedra 4 kg Solo anaeróbico (sítio rrs19) 0,5 kg Palha de Trigo 0,5 kg Água 4 kg Resultados: EXEMPLO 3 Recuperação e Fosfito e Hipofosfito (% em p/p como uma % de P total). Dia 1 3 6 9 12 15 18 21 24 PO3/HPO2 0 0 5 6 12 11 5 7 3 10

15

EXEMPLO 4:

Neste exemplo, todos os componentes foram esterilizados. En- tão, uma espécie Clostridium (C-rrs 19) foi adicionada à mistura após auto- clave e incubada como acima.

Fosfato pedra moído (<0,25 mm) 4 kg

Solo anaeróbico (sítio rrs19) 0,5 kg

PaIhadeTrigo 0,5 kg

Água 4 kg

Resultados: EXEMPLO 4 Recuperação de Fosfito e Hipofosfito (% em p/p como uma % de P total)

Dia 1 3 6 9 12 15 18 21 24 PO3/HPO2 0 0 0 0 6 16 12 3 3 EXEMPLO 5:

Neste exemplo, como com exemplo 4, todos os componentes foram esterilizados. Então, um isolato de E. coli (E.C. rrs19) foi adicionado à mistura após autoclave e incubado como acima.

Fosfato pedra 4 kg

Solo anaeróbico (sitio rssl 9) 0,5 kg

PaIhadeTrigo 0,5 kg

Água 4 kg

Resultados: EXEMPLO 5 Recuperação de Fosfito e Hipofosfito (% em p/p como uma % de P total)

Dia 1 3 6 9 12 15 18 21 24 PO3ZHPO2 0 0 0 0 0 3 2 0 0 15

20

EXEMPLO 6:

Neste exemplo, como com exemplo 4, todos os componentes foram esterilizados. Então, um isolato bacteriano não-identificado (Ul rss 19) foi adicionado à mistura após autoclave e incubado como acima.

Fosfato pedra 4 kg

Solo anaeróbico (sitio rssl9) 0,5 kg

PaIhadeTrigo 0,5 kg

Água 4 kg

Resultados: EXEMPLO 6

Recuperação de Fosfito e Hipofosfito (% em p/p como uma % de P total)

Dia 1 3 6 9 12 15 18 21 24 PO3/HPO2 0 0 3 10 16 18 17 18 16

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para geração de formas reduzidas de fósforo a partir de uma fonte de fósforo através de fermentação anaeróbica compreendendo as etapas de: introdução de uma pasta fluida compreendendo uma fonte de fosfato em uma câmara com descarga; introdução de uma fonte para pelo menos um micro-organismo na dita câmara; introdução de uma fonte de carbono na dita câmara; introdução de água na dita câmara; incubação da dita câmara por um período de tempo; e remoção periodicamente das ditas formas reduzidas de fósforo da dita câmara.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o dito perío- do de incubação é entre alguns dias a alguns meses.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a tempera- tura na dita câmara é mantida entre cerca de 10°C e cerca de 40°C.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de micro-organismo é solo.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de micro-organismo é solo de ocorrência natural.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de micro-organismo são micro-organismos de ocorrência natural.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de micro-organismo é solo anaerobicamente cultivado.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, em que o dito solo contém micróbios anaeróbicos e nutrientes essenciais.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, em que fungo anae- róbico é usado no processo de fermentação.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, em que bactéria anaeróbica é usada no processo de fermentação.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de fosfato é selecionada do grupo de fosfato orgânico e fosfato inorgânico.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de fosfato é um membro selecionado do grupo de fosfato de cálcio, fosfato de amônio, fosfato de potássio, fosfato pedra e combinações dos mesmos.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de fosfato orgânico é um membro selecionado do grupo de: fontes animais, ossos, fontes de planta, sementes e combinações dos mesmos.

14. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as ditas formas reduzidas de fósforo são membros selecionados do grupo de fosfito, hipofosfito, fosfonato, hipofosfonato, fosfonitos e combinações dos mesmos.

15. Método de acordo com a reivindicação 1 compreendendo a etapa adicional de adição de um agente de neutralização para manter um pH eficaz para produção de fosfitos.

16. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a etapa adicional de manutenção do pH do material na dita câmara acima de cerca de 4,8.

17. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a dita fonte de micro-organismo é uma bactéria selecionada do grupo do gênero Clostri- dium, gênero Vibrio, Klebsiella, gênero Escherichia e combinações dos mesmos.

18. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a etapa adicional de periodicamente descarregar a dita câmara.

19. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a etapa adicional de purga de ar da dita câmara antes do início da fermenta- ção.

20. Método de acordo com a reivindicação 21, em que um dos que seguem é usado para purgar o ar do recipiente de fermentação: hélio, nitrogênio, um Gás nobre e combinações dos mesmos.

21. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a etapa adicional de purgar ar em excesso da dita câmara através da sua substituição com pelo menos um gás inerte.

22. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a etapa adicional de esterilização da dita pasta fluida antes da introdução da dita fonte de micro-organismo.

23. Método de acordo com a reivindicação 23, em que a dita fon- te de micro-organismo é uma cultura pura de micróbios selecionados.

24. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a etapa adicional de moagem dos componentes de fermentação antes da sua introdução na dita câmara.

25. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a etapa adicional de ajuste do pH inicial do material na dita câmara para cerca de 7,5.

26. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as formas reduzidas de fósforo são usadas para formar um dos grupos que seguem: agroquímicos, fertilizantes, biocidas e combinações dos mesmos.

27. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as formas reduzidas de fósforo são aplicadas a um dos grupos que seguem: plantas, micro-organismos, o solo e combinações dos mesmos.

28. Método de geração de formas reduzidas de fósforo a partir de uma fonte de fósforo através de fermentação anaeróbica compreendendo as etapas de: a. introdução de uma pasta fluida contendo uma fonte de fósforo em uma câmara de descarregamento; b. introdução de uma fonte para pelo menos um micro-organismo na dita câmara; c. introdução de uma fonte de carbono na dita câmara; d. introdução de água na dita câmara; e. purga de excesso de ar da dita câmara substituindo-o com pelo menos um gás inerte; f. ajuste do pH inicial do material na dita câmara para cerca de 7,5; g. incubação da dita câmara para uma temperatura entre cerca de 10°C e cerca de 40°C; h. manutenção da dita temperatura por um período de tempo; i. manutenção do pH na dita câmara acima de 4,8; e j. remoção periodicamente das ditas formas reduzidas de fósforo a partir da dita câmara.

29. Método de acordo com a reivindicação 28, em que a dita fon- te de fósforo é selecionada do grupo de: fosfato, fontes de fósforo de ocor- rência natural, fontes de fósforo sintéticas e combinações das mesmas.

30. Método de acordo com a reivindicação 28, em que a dita fon- te de fósforo é selecionada do grupo de fosfato orgânico e fosfato inorgâni- co.

31. Método de acordo com a reivindicação 28, em que a dita fon- te de fósforo é um membro selecionado do grupo de fosfato de cálcio, fosfa- to de amônio, fosfato de potássio, fosfato pedra e combinações dos mes- mos.

32. Método de acordo com a reivindicação 28, em que a dita fon- te de micro-organismo é solo anaerobicamente cultivado.

33. Método de acordo com a reivindicação 28, em que a dita fon- te de micro-organismo é uma bactéria selecionada do grupo do gênero Clos- tridium, gênero Vibrio, Klebsiella, gênero Escherichia e combinações dos mesmos.

34. Método de acordo com a reivindicação 28 compreendendo a etapa adicional de esterilização da dita pasta fluida antes da introdução da dita fonte de micro-organismo.