Bioethanol production from biomass: perspectives in Mexico
Departamento de Biotecnología, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila, Blvd. Venustiano Carranza s/n, Col. República, Saltillo, Coahuila, México.
C.P. 25280 [email protected]
http://www.worldometers.info/es/
81%
19%
45.8 años
160.7 años
410.5 años
http://www.worldometers.info/es/
102 millones
de ton/día
283,0000 DUMPERS DE CARGA
21 de Febrero del 2014 en Pekín, China se declaro un nuevo tipo de alerta:
ALERTA NARANJA
La concentración de partículas
de 2.5 micras alcanzo los 400 µg/m3, cuando la Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda que no sea superior a los 25 µg/m3
en promedio de 24 h.
Cd. de México 16/Mayo/2017; Partículas menores a 2.5 micras
Bioetanol
Bioetanol
PAÍS
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
ÁFRICA Argelia - - - - - - - - - - - Sub Sahara África
- - - - - - - - - - -
Egipto - - - - - - - - - - - Republica de África del Sur
15.00
15.00
15.00
15.500
16.00
15.42
15.74
15.91
16.07
16.18
16.26
LATINOAMÉRICA Y EL CARIBE Argentina 174.00 157.00 205.00 225.00 315.00 416.26 440.61 454.73 468.93 483.22 497.60
Brasil 15,207.91 15,806.93 17,931.65 22,445.98 27,674.08 25,804.17 28,960.15 31,391.68 34,298.50 37,395.71 40,625 Uruguay - - - - - - - - - - - ASIA Bangladés - - - - - - - - - - - China 3673.00 3438.00 3509.00 3679.00 3964.00 4109.00 4368.09 4648.94 4823.56 4961.93 5121.19 India 1178.21 1120.49 1663.52 2081.91 2084.54 1680.31 1703.58 2429.56 2481.79 2532.37 2574.74 Indonesia 163.15 177.36 176.46 196.05 208.21 240.30 424.57 440.57 461.78 485.20 509.64 Irán - - - - - - - - - - - Malasia 79.28 62.28 63.28 64.30 64.00 66.25 66.48 66.84 67.03 67.48 67.98 Pakistán - - - - - - - - - - - Arabia Saudita
- - - - - - - - - - -
EUROPA EU-27 2576.00 2940.00 36701.00 3887.00 5021.00 5761.00 6465.07 7538.66 9154.72 10,795.30 11,773.80 Rusia - - - - - - - - - - - Ucrania - - - - - - - - - - -
Tabla 1. Megalitros (ML) de bio-etanol producido en diferentes países durante el periodo de 2004-2014. (Gupta and Verma, 2015).
PAÍSES DE LA OECD Canadá 396.07 405.80 544.72 839.17 1083.40 1130.82 1572.55 1703.18 1713.60 1729.65 1721.32 Estados
Unidos
12,596.45
15,332.23
20,171.23
28,929.30
35,190.54
40,543.66
46,024,27
49,113.61
51,321.62
54,057.70
57,199 Australia - 27.20 62.70 100.00 155.77 238.00 383.72 386.46 389.23 392.01 394.82 Nueva
Zelanda
- - - - - - - - - - -
México 35.00 58.00 49.00 61.00 61.00 65.69 70.38 75.08 76.95 78.83 80.71 Corea - - - - - - - - - - - Japón - 113.00 113.00 110.09 110.20 100.20 100.20 130.00 130.00 130.00 130.00 Turquía 19.02 46.58 50.76 44.34 54.34 64.34 64.99 65.18 65.49 65.76 65.86 Chile - - - - - - - - - - - OECD 15,627.12 18,876.23 24,641.65 33,926.47 41,621.71 48,194.26 54,616.20 58,946.9
9
62,786.13 67,183.49 71,300.25
FUERA DE
LA OECD 21,048.01 21,449.19 24,562.10 29,880.07 35,560.43 33,942.15 37,964.09 41,750.49 45,199.78 48,806.2
6
52,544.86
DESARROLLADOS - 18,818.23 24,592.65 33,865.56 41,560.91 47,774.20 54,545.82 58,871.91 62,709.17 67,104.66 71,219.54 EN DESARROLLO
- - - - - - - - - - - PAÍSES MENOS
DESARROLLADOS - - - - - - - - - - -
Figura 1. Principales países productores de etanol (Gupta y Verma, 2015).
56%
39%
5%
Estados Unidos
Brasil
Otros
ZMVM: 8 millones ZMG: 2.5 millones ZMM: 2 millones
Figura 2. Parque vehicular en la República Mexicana (fuente INEGI)
198
0
198
6
199
5
200
7
2010
2013
200
4
200
4
200
1
199
8
199
2
198
9
198
3
2015 27,171,560
30,0000,000
10,0000,000
20,0000,000
Au
tom
óv
ile
s
46% Parque vehicular por Zona Metropolitana:
(4) Se prohíbe el uso de etanol en la ZMVM, ZMG y ZMM. Se permite un contenido máximo de 5.8 % en volumen de etanol anhidro como oxigenante en gasolinas Regular y Premium, en el resto del territorio nacional, en cuyo caso, por las características físico-químicas de este aditivo, debe ser mezclado durante la carga de los autotanques en las instalaciones de almacenistas y distribuidores en el punto más cercano previo al expendio al público.
ACUERDO por el que la Comisión Reguladora de Energía expide la Norma Oficial Mexicana NOM-016-CRE-2016, Especificaciones de calidad de los petrolíferos.
ACUERDO Núm. A/035/2016
MTBE (metil tert-butil éter): Oxigenante de la gasolina
México importa el 100% de USA
Bio
etan
ol 1ra Generación
2da Generación
3ra generación
4ta generación
Cultivos a base de azúcar
Extracción
Jugo de azúcar
Purificación y suplementación con nutrientes
Fermentación
Destilación
Etanol
Bagazo Generación de
electricidad
Fertilizante de torta de filtrado
Levadura
CO2
Vinazas
Figura 3. Diagrama esquemático de la producción de etanol a partir de cultivos a base azúcar.
1ra Generación
Cu
ltiv
o
Caña de azúcar
(Saccharum officinarum)
Sorgo dulce
(Sorghum bicolor)
Remolacha
(Beta vulgaris)
Sandía
(Citrullus lanatus)
Dátiles
(Phoenix dactylifera)
Figura 4. Cultivo a base de azucares para la producción de bioetanol
Melaza
GDSS: Granos de Destilería Secos con Solubles
Molienda Preparación
de la suspensión
Licuefacción Sacarificación Fermentación Destilación
Maíz
Agua -amilasa Glucoamilasa Levadura
Deshidratación
ETANOL
Vinazas
Centrifugación
Secado
GDSS
Sólido
Evaporación
Jarabe
Líquido
Figura 5. Diagrama esquemático de la producción de etanol a partir almidón (método convencional molienda en seco).
1ra Generación
Maíz Remojo
Separación de almidón/gluten
Gluten húmedo
Harina de gluten de
maíz
Gluten para alimento animal
Molienda y separación ciclónica
Separación de Germen
Torta (Fibra)
Harina de germen de
maíz
Germen
Refinación de aceite
Aceite de maíz
Almidón
Secado Fermentación Refinado
de almidón
Almidón ETANOL Suero de maíz rico
en fructosa Figura 6. Diagrama esquemático de la producción de etanol a partir almidón (método molienda en húmedo).
1ra Generación
Cu
ltiv
o
Maíz (Zea mays)
Trigo (Triticum aestivum)
Yuca (Manihot esculenta)
Cebada (Hordeum vulgare)
Sorgo (grano) (Sorghum bicolor)
Papa dulce (Ipomoea batatas)
Papa (Solanum tuberosum)
Boniato (Dioscorea rotundata)
Avena (Avena sativa)
Plátano (Musa sp.)
Figura 7. Cultivo a base de almidón para la producción de bioetanol
Cultivo Contenido de almidón (%) Base seca
Maíz 70 - 72
Sorgo 68 – 70.7
Trigo 65.3 – 76
Arroz 87.5
Avena 65.6
Cebada 62.7 – 68.7
Tabla 2. Contenido de almidón en algunos cultivos.
Biomasa lignocelulósica 2da Generación
Procesamiento (secado y
molienda)
Preparación de suspensión (10-15% de sólidos)
Pretratamiento de suspensión
Detoxificación
Hidrólisis
Fermentación
Recuperación de producto
Agua
Acido o Enzimas
Agentes físicos,
químicos o biológicos
Microorganismo para
fermentación
ETANOL
Levadura
Vinazas
Residuo sólido
Licor
Figura 8. Diagrama esquemático de la producción de etanol a partir lignocelulosa.
Bio
ma
sa
lig
no
celu
lósi
ca
Rastrojo de maíz
Olote
Paja de trigo
Paja de arroz
Bagazo de caña
Bagazo de sorgo dulce
Paja de cebada
Pino (madera blanda)
Álamo amarillo (madera dura)
Pasto varilla (switchgrass)
Residuos sólidos municipales
Figura 9. Principales residuos agroindustriales para la producción de bioetanol
Biomasa Celulosa (%) Hemicelulosa (%) Lignina (%)
Pasto (switchgrass) 5 -20 30 – 50 10 – 40
Miscanthus 38 – 40 18 – 24 24- 25
Pasto en general 25 – 40 25 – 50 10 -30
Residuos sólidos municipales 33 – 49 9 – 16 10 – 14
Papel periódico 40 – 55 25 – 40 18 – 30
Olote 42 -45 35 – 39 14 – 15
Rastrojo de maíz 38 – 40 24 – 26 7 – 19
Bagazo de caña 42 – 48 19 – 25 20 – 42
Paja de arroz 28 – 36 23 – 28 12 – 14
Paja de trigo 33 - 38 26 – 32 17 – 19
Paja de cebada 31 – 45 27 – 38 14 – 19
Bagazo de sorgo dulce 34 – 45 18 – 27 14 – 21
Paja de avena 31 – 37 27 - 38 16 – 19
Paja de centeno 33 – 35 27 – 30 16 – 19
Cáscara de arroz 25 – 35 18 – 21 26 – 31
Madera suave 27 – 30 35 – 40 25 – 30
Madera dura 20 - 25 45 - 50 20 - 25
Tabla 3. Composición química de algunas biomasas lignocelulósicas.
Biomasa Rendimiento de etanol
(L/ton) Rendimiento potencial
(L/ha)
1ra Generación
Caña de azúcar 70 - 90 6,470 – 6,660
Maíz 370 -470 4,180
Jugo de tallo de sorgo 40 - 86 2,062 – 2,595
Sorgo (grano) 380 1,099
Cebada 380 -
Trigo 376 - 435 1,001 -1,700
2da Generación
Bagazo de sorgo 250 1,796 -6,591
Rastro de maíz 450 4,400
Olote 510 -
Paja de trigo 490 -
Tabla 4. Comparación de diferentes biomasas con rendimientos de producción de etanol.
Zabed et al., 2017
PRETRATAMIENTO
Lignina
Celulosa
Pretratamiento
Hemicelulosa
Figura 10. Representación de pretratamiento de biomasa lignocelulósica.
Celulosa (32 – 54%)
Glucosa HMF
Ácido fórmico Ácido levulínico
Cenizas (0 – 2%)
Varios compuestos inorgánicos Extractivos (1 – 5%)
Compuestos fenólicos
y resina de madera
Lignina (17 – 32%)
Compuestos fenólicos
Hemicelulosa (11 – 37%)
Ácido acético
Pentosas
Hexosas
Xilosa Arabinosa
Galactosa Manosa Glucosa
Furfural
HMF
Ácido fórmico
Ácido fórmico Ácido levulínico
Figura 8. Componentes bioquímicos de biomasa lignocelulósica y sus principales productos de degradación.
Categoría Método de pretratamiento
Físico Molienda mecánica
Irradiación
Químico
Ácido diluido
Ácido concentrado
Alcali
Ozonolisis
Líquidos iónicos
Organosolv
Fisicoquímicos
Explosión por vapor
Explosión por vapor catalizado ácido
Autohidrólisis
Explosión de fibra amoniaco (AFEX)
Explosión con CO2
Biológico Hongos de pudrición café y blancos
Tabla 5. Principales métodos de pretratamiento de biomasa lignocelulósica.
Materia prima Operador/Lugar Método de
pretratamiento Fuente
Rastrojo de maíz
Abengoa/ Hugoton,
Kansas, USA.
1era etapa: Ácido
diluido 2da etapa:
Explosión de vapor
Abengoa
Bioenergy
DuPont/ Nevada, Iowa,
USA. Amoniaco y vapor
Valdivia et al.,
2016
POET-DSM/ Emmetsburg,
Iowa, USA.
Dos etapas de ácido
diluido
Valdivia et al.,
2016
Bagazo de caña de
azúcar GranBio/ Alagoas, Brasil Explosión de vapor Lane, 2014
Paja de trigo Beta Renewables/
Crescentino, Italia Explosión de vapor
Valdivia et al.,
2016
Tabla 6. Plantas de producción de etanol 2G a nivel comercial, tipo de materia prima y
método de pretratamiento utilizado.
Producción 2014: 94 millones de litros de etanol anhidro
Producción 2016: 113 millones de litros de etanol anhidro
Producción 2016: 95 millones de litros de etanol anhidro
Producción 2016: 82 millones de litros de etanol anhidro
Producción 2016: 51 millones de litros de etanol anhidro
Re
sid
uo
s p
rim
ari
os
Paja de cebada
Rastrojo de frijol
Residuo de garbanzo
Residuo de lenteja
Residuo de habas
Paja de arroz
Paja de trigo
Paja de colza
Paja de cártamo
Residuos de algodón
Rastrojo de maíz
Paja de ajonjolí
Bagazo de sorgo
Paja de soya
Residuos de tabaco
Caña de azúcar
Residuos de cacahuate
Figura 11. Principales residuos agroindustriales (esquilmos) primarios en México
Re
sid
uo
s se
cun
da
rio
s
Olote
Cáscara de arroz
Cáscara de cacahuate
Cáscara de algodón
Pulpa de café
Bagazo de Agave mezcalero
Bagazo de Agave pulquero
Bagazo de Agave tequilana
Bagazo de caña
Figura 12. Principales residuos agroindustriales secundarios en México
Producción de residuos en México en 2006: 75.73 millones de ton (base seca) Fuente: Valdez-Vazquez et al. (2010)
Figura 13. Residuos de actividades agrícolas totales en México
Rastrojo de maíz y olote: Sinaloa Paja de sorgo: Tamaulipas Paja de cebada: Baja California Norte Paja de trigo: Baja California Norte, Sonora Rastrojo de frijol: Oaxaca Paja y cáscara de algodón: Baja California Norte, Chihuahua, Coahuila Bagazo de Agave: Jalisco Pulpa y cáscara de café: Oaxaca, Chiapas. Hojas y bagazo de caña de azúcar: Sinaloa, Veracruz, Quintana Roo.
Rango Biomasa potencial (ton base seca/año)
Potencial Bioenergíaa
(KW) Potencial etanolb (L/año)
A 280,320 – 2,181,021 10,000.1 – 77,805 33,638,000 – 261,723,000
B 140,160 – 280,320 5,000.1 – 10,000 16,819,000 – 33,638,000
C 28,000 – 140,160 999.1 – 5,000 3,360,000 – 16,819,000
D 5600 – 28,000 200.1 – 999 672,000 – 3,360,000
E 140 – 5,600 5.1 – 200 17,000 – 672,000
F 0 – 140 0 - 5 0 – 17,000
aPromedio de valor calorífico de 15 MJ/kg de materia seca y un 15% de eficiencia de conversión. bPromedio de 240 L/ton de biomasa lignocelulósica. FUENTE: Valdez-Vazquez et al. (2010)
Tabla 8. Potencial de bioenergía dividido en rangos.
* Baja California, Campeche, Chiapas, Chihuahua, Guanajuato, Hidalgo, Jalisco, Oaxaca, Quintana Roo, San Luis Potosí, Sinaloa, Sonora, Tabasco, Tamaulipas, Veracruz
Tipo de residuo agroindustrial
Biomasa (millones de ton/año)
base seca
Principales residuos
Primarios 60.13
Rastrojo de maíz Paja de sorgo
Rastrojo de caña Paja de trigo
Secundarios 15.60
Bagazo de caña Olote
Bagazo de agave Pulpa de café
Tabla 9. Principales residuos agroindustriales primarios y secundarios producidos en México (Fuente Valdez-Vazquez et al. (2010).
Potencial de producción de bioenergía EN CADA ESTADO con mayor producción: 78 MW (vía combustión directa) 300,000,000 L de etanol/año
Proyecto de Cooperación Bilateral México - Chile
Figura 14. Agave lechuguilla en su hábitat natural
Figura 15. Distribución de Agave lechuguilla Torr. en el Desierto Chihuahuense.
Figura 16. Corte del cogollo de Agave lechuguilla.
Norma Oficial Mexicana NOM-008-RECNAT-1996 (SEMARNAT, 1996).
Figura 18. Desfibrado de las hojas de lechuguilla mediante el método manual.
Figura 17. Cogollos de Agave lechuguilla.
VENTAJAS DE APROVECHAMIENTO DEL COGOLLO DE Agave lechuguilla
Puede cosecharse varias veces sin sacrificar la planta. En plantaciones comerciales cultivadas bajo un sistema de producción con riego (EN PERIODOS DE SEQUIA) y fertilización, la regeneración se puede alcanzar entre 3 y 8 meses (Castillo et al., 2012).
Coahuila, Nuevo León, Tamaulipas, Durango, Zacatecas y San Luis Potosí
MOLIENDA
PRETRATAMIENTO
SACARIFICACIÓN Sacarificación Enzimática Cellic CTeC3 de Novozymes®
OBTENCIÓN DE AZUCARES!!
FERMENTACIÓN
OBTENCIÓN DE BIOETANOL
Evaluación de la rentabilidad y factibilidad técnico-económica de la producción de etanol a partir de biomasa de Agave lechuguilla.
Definición de la planta
Demanda de gasolina en el estado de Coahuila para el año 2020 será de 3.4 millones de litros diarios (INEGI). Considerando una mezcla de etanol al 5.8% v/v (E6) en gasolinas Magna (como oxigenante sustituto del MTBE (Metil tert-butil éter), la demanda de etanol en la entidad sería de 200 mil litros diarios. De acuerdo al rendimiento de 66.4 litros de etanol anhidro/tonelada de biomasa seca de cogollos de Agave lechuguilla obtenidos con la tecnología desarrollada a escala laboratorio, sugiere que se requerirán 3 mil toneladas de biomasa seca por día, para cubrir esta demanda de etanol.
Rendimiento 10 toneladas de biomasa seca/hectárea.
3 cosechas cada 24 meses. Bajo este escenario, el área de cultivo necesaria alcanzaría alrededor de 72 mil hectáreas para una capacidad de planta de 73 millones de litros de etanol anhidro al año.
Figura 19. Representación de ubicación de plantaciones de Agave lechuguilla y planta de producción de etanol en el Estado de Coahuila; y Refinería de PEMEX en Cadereyta, Nuevo León.
Localización de la planta
Figura 20. Diagrama del proceso de producción de etanol de acuerdo a Escenario 1. 1)Molino, 2)Reactor de pretratamiento, 3)Filtro rotatorio, 4)Reactor de hidrólisis, 5)Centrífuga, 6)Fermentador, 7)Columna de extracción, 8)Centrífuga, 9)Columna de concentración, 10)Columna de rectificación, 11)Tamiz molecular.
Laboratorio Simulación
Industrial Cálculo
Rendimiento global 66.39 L/t 52.62 L/t
Tabla 10. Comparación de rendimientos de etanol en escala experimental e industrial.
Escenario Costo de producción
(USD/L)
Precio mínimo de venta
del etanol (USD/L)
Primer escenario 2.17 2.28
Segundo escenario 1.36 1.47
Tercer escenario 2.25 2.28
Tabla 11. Costos de producción y precios mínimos de venta del etanol para los diferentes escenarios.
Inversión de alrededor de $USD 357.5 millones para la construcción de una planta con capacidad de producir 200,000 litros de etanol anhidro al día.
CONCLUSIONES México tiene el potencial para convertirse en un gran productor de etanol, sin embargo deben superarse aspectos económicos, sociales y políticos. De logarse superar estos retos se obtendrían múltiples beneficios tales como la creación de empleo, desarrollo de la economía rural, ampliación de las infraestructuras sociales en zonas rurales, mejora de la seguridad energética, conservación de los recursos petrolíferos, mejor gestión del agua, expansión de la agricultura a tierras más secas con cultivos energéticos resistentes, motivación de la comunidad científica y tecnológica, incentivos a la industria de bienes de producción, mejora del medio ambiente local y global.
Los gobiernos son los iniciadores naturales de este proceso transición. VOLUNTAD POLITICA
Los programas gubernamentales de producción de etanol en otros países fueron lanzados con el apoyo de incentivos financieros de todo tipo, inclusive mandatos para nivelar los costos del etanol y de la gasolina en la mezcla distribuida a través de la red de venta y otros. Esto tendría como resultado a corto plazo pérdidas del recurso público, que podrían ser compensadas a través de fondos derivados de una legislación mexicana sobre biocombustibles y energías alternativas y fondos de instituciones financieras internacionales.
El análisis económico de la tecnología desarrollada, utilizando cogollos de Agave lechuguilla como insumo para la producción de etanol, mostró que el costo de la materia prima (complejo enzimático) es el elemento más importante de los costos de producción. De acuerdo a los precios de venta de etanol de segunda generación representativos del mercado reciente de etanol de segunda generación a partir de materiales lignocelulósicos (rango de 0.78 a 0.99 US$/L) el resultado negativo, sin embargo estos pueden ser reducidos con el aumento en la escala productiva; mediante la creación de una sociedad con la empresa productora de insumos (enzimas) y el aprovechamiento de subproductos de alto valor agregado derivados de residuos del proceso (bajo un concepto de biorefinería).
1er Ciclo de Conferencias sobre Biotecnología para Bioenergía y
Bioproductos (CCBBB)
GRACIAS
