Obtención de bioetanol a partir de bagazo de caña de

azúcarBiotecnología AgrícolaEquipo 3LBG 472Septiembre 2013

Situación actual

Demanda actual de petróleo (dependencia)

Consecuencias del uso de petróleo como combustible primario

• Emisión de gases nocivos para la salud

• Efecto invernadero – calentamiento global

Búsqueda de energías alternas

Dar un uso al ¨desperdicio¨BIOgas BIOdisel BIOhidrógeno

BIOetanol

BIOETANOL como alternativa amigable con el ambiente

• Puede utilizarse como único combustible en motores modificados.

• Mezclas con gasolinas que van desde el 10% hasta el 85% como en el caso del E-85 utilizado en vehículo FFV (Flexible Fuel Vehicle) EEUU, Brasil y Suecia.

Principales productores de bioetanol a nivel internacional

Fuente: Berg (2005)

Compañías productoras

• Bioalcohol Fuel Foundation – Suecia• St. Lawrence -- Canada

• Tennessee Valley Authority -- EEUU

Balance energético de la producción y su aplicación - beneficios

Bioetanol en México• La empresa CIATEJ, en Jalisco, produce bioetanol a

partir de bagazo de caña.• Principalmente producido por los ingenios

azucareros (Veracruz, Tabasco), los cuales cuentan con sus destilerías.

• El uso del bioetanol de caña en México es mayormente para la producción de bebidas embriagantes y sustancias industriales.

• No obstante de contar con capacidad instalada para producir mayor cantidad, los ingenios del país no la utilizan, dado que la demanda es limitada.

• En promedio, la capacidad utilizada es de 44% respecto a la capacidad instalada.

• Aproximadamente, la mitad de los ingenios del país pueden producir etanol (96° GL).

• Ej: la oferta total en el ciclo agrícola 2002-2003 fue de 39.2 millones de litros, producidos por los ingenios mostrados a continuación (Veracruz).

Tipos de materia prima• Azucarada 1. Caña de azúcar2. Remolacha3. Sorgo azucarado4. Mosto y Jugos de frutas

• Amilácea1. Cereales Maiz, Cebada, Malta, Trigo2. Tuberculos Patatas y boniatos

• Celulósica1. Bagazo de caña de azúcar2. Madera3. Residuos de fábricas de papel4. Residuos sólidos urbanos5. Despojos de maíz6. Residuos de paja de trigo

Interés de la biomasa lignocelulósica• Aspectos medioambientales

• Seguridad de aprovechamiento

• Aspectos socioeconómicos y del área rural

• Ser una alternativa a las fuentes de petróleo y carbón

• Reducir costes de producción para economías emergentes

Comparación de costos de producción en base a materia prima Justificación.

Naturaleza del material

OBJETIVO• Diseño de un proceso de producción

de bioetanol a partir de residuos del refinamiento del azúcar comercial.

Bagazo de caña

Molienda(Rodillos)

12

TANQUE 1Pretratamiento

T. reesei

3

TANQUE 2Gasificación(CO2, O2, H)

4

TANQUE 3

Bioreactor

contínuo agitado

5

continua…

Partículas grandes (>1mm)

Partículas chicas (polvo)

recirculación

Filtrado

Fracción líquida

Partículas sólidas

recirculación

Secado del bagazo 90°C / 24 hrs

Trichoderma reesei Cepas: CL847 , Rut-C30

Degrada celulosaPudrición blanda

-Celobiohidrolasas (CBH1, CBH2)-Endoglucanasas (EG 1,2,3,5)-β-glucosidasas (BGLI, BGLII)

Trichoderma reesei

Degrada hemicelulosa

-Endo-1,4-β-xylanasas (XYNI, 2, 3, 4)-Mananasa (MANI)-Acetylxylan esterasa (AXEI)-α-galactosidasa (BGAI)-Arabinofuranosidasa (ABFI)

CONDICIONES

Medio - 0.3%(NH4)2SO4

- 0.2% KH2PO4

- 0.1% MgSO4 · 7H2O- 0.01% NaCl- 0.3% Extracto de

levadura

pH= 4.8 T= 50 °C110 rpm4% inoculo 168hrs

6

5

TANQUE 3

Bioreactor

continuo agitado S.

cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae

Degrada glucosa, maltosa y galactosa (más de los 70% azúcares totales)

pH= 3.5 – 6T= 28 – 35 °CTol= 10% v/v etanol

FiltradoSólidos

Líquidos

TANQUE 4Destilación

7

8

Bioetanol 70%

recirculación

CONDICIONES

pH= 5.5T= 30 °C200 rpm1:10 inoculo 72hrs

PRETRATAMIENTOPor cada tonelada de caña se producen alrededor de 254kg de bagazo (con 50% de humedad).

Trituración mecánica, Fraccionamiento o Molienda

*Molino de bolas vibratorias

*Martillos

*Cuchillas

*Rodillos

HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA

• Características:

1. Bajo consumo energético.2. Reactivos baratos.3. Reactivos fácilmente recuperables.4. Aplicable a diversos sustratos.

Hidrólisis enzimática del material lignocelulósico

• Realizada por un grupo de enzimas denominadas generalmente celulasas.

• De origen fúngico, sus principales productores son: Trichoderma, Phanerochaete y Fusarium.

• Generadas en grandes cantidades y de forma extracelular.

Mecanismo de AcciónFactores que ralentizan la hidrólisis:

*Porosidad (Área superficial accesible)

*Cristalinidad de la celulosa

*Grado de polimerización

*Contenido de lignina y hemicelulosa

Por lo cual es necesaria una etapa de PRETRATAMIENTO, que altere la

estructura del material, facilitando la acción de las enzimas.

¿Por qué Trichoderma?• Se ha observado la metabolización de

azúcares pentosas, hexosas y oligómeros, asi como la resistencia a inhibidores generados por el material lignocelulósico debido a que éstos elementos están presentes en su hábitat natural. Además, T. reesei utiliza éstos compuestos como fuente de carbono para la producción de enzimas de alta eficacia contra material lignocelulósico.

Ventajas/Desventajas Dos etapas (HFS) Una etapa (SFS o CDM)

Hidrólisis y fermentación separadas en condiciones óptimas.

La glucosa y celobiosa liberada, inhibe a la enzimas implicadas en el proceso.

*Se reduce la inhibición por producto final, por reducción de acumulación del azúcar en el fermentador.

*Diferentes condiciones óptimas de pH y temperatura.

Mayores costes, debido a los diferentes tanques.

*Mayores tasas de hidrolisis y fermentación.

*Utilización de m.o. termotolerantes (hasta 50°C para la hidrólisis).

*Se necesita menor cantidad de enzima y se da un aumento en la producción de etanol.

*Al utilizar CDM monocultivo, se han obtenido bajos rendimientos.

*Reducción de costes de producción, ya que la reacción se da en un mismo reactor.

GASIFICACIÓN• Proceso que utiliza el CO2 producido

por S. cerevisiae en durante la fermentación

Levaduras termoestables

Se han estudiado especies de:• Saccharomyces• Candida• Kluyveromyces ( en especial K.

marxianus CECT 10875 con actividad xilosa reductasa y xilitol deshidrogenasa)

FERMENTACIÓN

¿Por qué Saccharomyces?• Alta productividad en la conversión

de azúcares a bioetanol• Es fácil de separar después de la

fermentación • Produce menor cantidad de toxinas

respecto a otros microorganismos.

Rendimiento• Se puede alcanzar una producción de

55L/ton a 70L/ton de bagazo.

Estequiometria de la conversión de azúcares a alcohol por S. cerevisiae.

Cepas• Acuerdo-convenio con el Laboratorio

de Fitopatología de la Facultad de Ciencias Biológicas, UANL, para obtención de las cepas utilizadas.

DESTILACIÓN• Obtención de los alcoholes producidos

por evaporación y posterior condensación. Se recupera un alcohol al 70% (puede ser usado como biocombustible), y con una adicional destilación se obtiene alcohol 95% (propósitos alimenticios e industriales).

Áreas de investigación para Reducción de Costos

Precios de venta actuales de Bioetanol al público:

*EEUU $2.90 dlls/gal*Brasil $2.46 dlls/gal*Colombia $3.66 dlls/gal*España $4.46 dlls/gal*México $ 2.69 dlls/gal

Aprovechamiento del material lignocelulósico

• Del 100% de azúcares fermentables, solamente no serán fermentados el 12%.

• Tomando en cuenta la lignina del bagazo, la cual será utilizada para la producción de energía (gas), del total de materia lignocelulósica se aprovechara el 95%, con un desecho del 5% total.

Rendimiento de la producción

De una tonelada de bagazo, medio e inóculo, se obtendrán 70L de etanol

eficiencia del 7%, lo cual es muy cercano a los valores más altos

reportados en la literatura (10%).

Reflexión..• La energía que se utiliza para la

producción de los biocombustibles como el bioetanol de azúcar, es mayor que la energía que se utiliza para la producción de gasolina. Sin embargo, la producción de un biocombustible puede ser más conveniente si la mayor parte de la energía que se utiliza es renovable.

LITERATURA CONSULTADA• Arora D. (2004) Fungal Biotechnology in Agricultural, Food and Environmental

Applications. Ed Marcell Dekker, 10ma. Reimpresión. Vol 21. pp. 363-395.• Base de datos del Gobierno Federal: http://www.inverbio.gob.mx/ Consultado el

miércoles 28 de agosto del 2013 a las 14:20.• Aguilar D. (2011) Producción de etanol a partir de bagazo de caña panelera

mediante un sistema híbrido de fermentación y pervaporación. Proyecto de tésis, Universidad Nacional de Colombia. Departamento de Ingeniería Química.

• Márquez A. () Determinación de patrones de inducción de lacasas en el hongo Trametes sp. EUM1. Proyecto de tésis, Universidad Autónoma Metropolitana, Departamento de Ciencias Biológicas y de la Salud.

• Aguilar D M 2011 “Producción de etanol a partir de bagazo de caña panelera mediante un sistema híbrido de fermentación y pervaporación “Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería y Arquitectura Departamento de Ingeniería Química

• M.E. Osman, O.H. Khattab, I.A. Hammad, N.I. El-Hussieny. (2011) Optimization of Bio-Fuel Production by Saccharomyces cerevisiae Isolated from Sugar Cane Bagasse. Journal of American Science 01/2011; 7:485-492.