Producción de bioetanol a partir de materiales lignocelulosicos Jaime Rodríguez

1. Producción de bioetanol a partir de materiales lignocelulosicos Jaime Rodríguez Centro de Biotecnología Universidad de Concepcion Segundo Seminario - Biocombustibles - Mes de la Energía
8 de Junio de 2010

2. TEMARIO Introducción Bioetanol Composición de la madera Procesos Rendimientos Bioenercel

3. INTRODUCCIÓN

4. Los efectos del calentamiento global y la creciente escasez y precios del petróleo, serán la prioridad de las políticas energéticas

5. El mundo ha cambiado ¿de dónde vendrá la energía que necesitamos?

6. Situación en Chile • Chile importa 72% de la energía. • 98% de petróleo. • 96% del carbón. • 75% del gas natural. Seguridad energética ¿?

7. Bioenergía • Bioenergía o energía de biomasa: uso de todas las formas de combustibles orgánicos (biocombustibles) de origen biológico. • Sólidos: pellets, briquetas, leña. • Líquidos: biodiesel, bioetanol, bio-oil, metanol. • Gaseosos: biogas (metano).

8. Biocombustibles • Son renovables. • Contribuyen a diversificar la matriz energética. • Reducen dependencia del petróleo importado. • Menores emisiones de gases con efecto invernadero (CO2). • Promueven reconversión de cultivos agrícolas y plantaciones forestales, generando más empleos. • Fomentan emprendimiento e innovación y abren oportunidades de negocio & inversión.

9. BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS • Bioetanol • Biodiésel • Bio-oil

10. ¿Por qué combustibles líquidos? Diesel fuel, heating oil Biodiesel Alta energía/volumen ó peso, “transportable” Gasoline LNG Propane (liquid) Ethanol Coal Energía almacenada por volumen (MJ/l) Methanol Corn Liquid H2 Forest residues Wood STP H2 Propane (gas 1 bar) Energía almacenada por peso (MJ/kg)

11. BIOETANOL

12. Etanol • Alcohol etílico o etanol (CH3CH2OH). • Materias primas • Azúcares (sacarosa): Caña de azúcar y remolacha, • Almidón: Maíz, trigo, papa. • Lignocelulósicos (hemicelulosa y celulosa): residuos y plantaciones agrícolas y forestales.

13. Brasil 1925

14. Todos los autos que se fabrican actualmente son compatibles con una mezcla E10, que contienen 10 % de etanol. • Existen en el mercado los autos flexibles que pueden utilizar gasolina o etanol.

16. Materias primas para la obtención de bioetanol Biomasa azucarada caña azúcar remolacha Biomasa Lignocelulósica Madera Residuos Agrícolas Biomasa Amilácea Maíz, trigo papa Trituración Trituración Hidrólisis ácida Zumo Hidrólisis enzimática Fermentación Destilación Etanol

17. Azúcar/almidón Caña de azúcar - Sacarosa - Brasil Maíz – Almidón - Estados Unidos

18. ¿es posible producir bioenergía y ser al mismo tiempo potencia alimentaria?

19. Lignocelulósicos • COMBUSTIBLES DE SEGUNDA GENERACIÓN • Residuos agrícolas y forestales • Madera • Plantaciones dendroenergéticas

20. Fig. 2. Comparison of Energy Yields with Energy Expenditures. The fossil energy–replacement ratio (FER) compares energy yield from four energy sources with the amount of fossil fuel used to produce each source. Note that the cellulosic ethanol biorefinery’s projected yield assumes future technological improvements in conversion efficiencies and advances that make extensive use of a biomass crop’s noncellulosic portions for cogeneration of electricity. Similar assumptions would raise corn ethanol’s FER if, for example, corn stover were to replace current natural gas usage. The corn ethanol industry, already producing ethanol as an important additive and fuel extender, is providing a foundation for expansion to cellulosic ethanol. Breaking the Biological Barriers to Cellulosic Ethanol:A Joint Research Agenda. U.S. Department of Energy

21. Daily wholesale gasoline and diesel prices (USD/l free on board) in 12 locations versus the crude oil price compared with the production cost ranges for biofuels without any government support schemes, both now and as anticipated by 2030. INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2007

22. Ethanol vs. RBOBThis weekly chart shows the trends of the Ethanol futures contract (CBOT) and the new reformulated gasoline blendstock for oxygen blending (RBOB) futures contract (NYMEX) US$ 1,715/galón = US$ 0,428 /litro http://www.dtnethanolcenter.com/

23. COMPOSICIÓN DE LA MADERA

24. Celulosa Compuesta por unidades de glucosa

25. Hemicelulosa: Azúcares de 6 y 5 átomos de carbono • Madera dura: • Hexosas (glucosa, manosa) 2- 7 % • Pentosas (xilosa, arabinosa) 12-15 % • Madera blanda: • Hexosas (glucosa, manosa, galactosa) 12-15 % • Pentosas (xilosa) 8-10 %

26. Lignina Compuesta por unidades de fenilpropano

27. COMPOSICIÓN DE MADERA

28. EL PROCESOS PARA LA PRODUCCIONBiOETANOL DE LIGNOCELULOSICOS

29. New Phytologist (2008) 178: 473–485 PRETRATAMIENTO El pretratamiento tiene como finalidad hacer la celulosa más accesible a la hidrólisis enzimática y solubilizar las hemicelulosas

30. Pretratamientos • Biológicos: hongos degradadores de madera. • Químicos: álcali, ácidos, agentes oxidantes, solventes orgánicos. • Físicos: Molienda, triturado, irradiación. • Físicoquímicos: explosión con vapor. • Combinación de los anteriores.

31. Lignocellulose Pre-tratamiento http://neri.org.nz/pdfs/neri_conference_proceedings_11_2007/Presentation%2011/11.%20Justin%20Goh.ppt Justin Goh, University of Auckland, Auckland, NZ

32. Lignocellulosic Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Glucose Sacarificación S. cerevisiae Ruptura de las cadenas de celulosa a glucosa a 45-50ºC Etanol Fermentación S. cerevisiae fermenta glucosa a 25-30ºC http://neri.org.nz/pdfs/neri_conference_proceedings_11_2007/Presentation%2011/11.%20Justin%20Goh.ppt Justin Goh, University of Auckland, Auckland, NZ

33. MECANISMO DE ACCIÓN COMBINADA Y SINÉRGICA ENDO-EXO Sistema celulolítico de T. reesei. NR extremo no-reductor, R extremo reductor, C regiones cristalinas

34. Costos de Enzimas • Amilasas para hidrolizar almidón de maíz:1-2 centavos de US dólares por 3,8 L (1 Gal). • Celulasas para hidrolizar celulosa se estima en 50 centavos de US dólares por 3,8 L (1 Gal).

35. Glucosa Etanol + Dióxido de Carbono C6H12O6 2C2H5OH 2CO2 (1 Ton) (0,51 Ton) (0,49 Ton) Fermentación de glucosa en etanol

36. La biomasa es trozada y pretratada con calor o productos químicos para dejar la celulosa accecible a las enzimas El etanol es purificado por destilación y distribuido La biomasa es cosechada y enviada a la biorefinería Las levaduras fermentan los azucares a etanol Las enzimas rompen las cadenas de celulosa en azucares 36 http://genomics.energy.gov/gallery/biomass/detail.np/detail-881.html

37. Xylitol BIOREFINERIA

38. INNOVATION MAY 2002

39. LOS RENDIMIENTOS Madera Pretratamiento Hidrólisis enzimática Fermentación Destilación Etanol

40. ESTIMACIÓN PRODUCCIÓN ETANOLE. globulus

41. ESTIMACIÓN PRODUCCIÓN ETANOLP. radiata

42. Producción de etanol por hectárea Consumo actual de gasolina 3 millones m3/año Para el 2010 se estima en 3,2 millones m3/año. E5 =160.000 m3/año. Total plantado: 2 million ha Para las necesidades E5, se requiere 2,5 % de la superficie plantada

43. ¿Existe disponibilidad de suelos?

45. El DESAFíO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA BIOMASA • NUEVAS TÉCNICAS SILVICULTURALES • ÁRBOLES SELECCIONADOS • ÁRBOLES TRANSGÉNICOS

46. TRATAMIENTO TRIBUTARIO DE LOS BIOCOMBUSTIBLEShttp://www.cne.cl/cnewww/opencms/03_Energias/Biocombustibles/normativas.html B) Impuesto especial a la primera venta o importación de las gasolinas automotrices y del petróleo diesel, establecido en el artículo 6° de la Ley N° 18.502, de 1986. Tal como se señala en la propia disposición, este impuesto se aplica en la primera venta o importación de gasolinas automotrices y petróleo diesel, razón por la cual no le es aplicable al combustible denominado biodiesel. Este, es un producto químicamente diferente al petróleo diesel, elaborado a partir de aceites y grasas de origen vegetal y animal, a diferencia del petróleo diesel, gravado con la norma en comento, el cual, como ya se señaló, es un destilado medio derivado del petróleo. Al igual que el biodiesel, el bioetanol no se encuentra gravado con el impuesto específico contenido en el artículo 6° de la Ley N° 18.502, por cuanto es un alcohol etílico elaborado mediante fermentación de ciertos productos agrícolas. No se trata de un hidrocarburo volátil, como la gasolina, ni tampoco de un destilado medio derivado del petróleo. C) Impuestos establecidos en la Ley N° 19.030, de 15-01-1991, que creó el Fondo de Estabilización de Precios del Petróleo y Ley N° 20.063, de 29/09/2005, cuya vigencia fue prorrogada por la Ley N° 20.115 de 01/07/2006, que creó el Fondo de Estabilización de Precios de los Combustibles. De lo dispuesto en el artículo 5° del D.S. 211 de 20 de Julio del 2000, Reglamento de la Ley N° 19.681, y artículo 1° y 5° transitorio de la ley N° 20.063, modificatorios de la Ley N° 19.030, se desprende que los impuestos a los que se refieren las citadas leyes no son aplicables al biodiesel. De dichas disposiciones es posible establecer un listado taxativo de los productos a los cuales se aplica este impuesto, aspecto referido en el apartado III-C de la presente Circular, y entre ellos no figura el mencionado biocombustible. Al igual que en el caso del biodiesel, estos impuestos tampoco son aplicables al bioetanol, por cuanto este último no se encuentra comprendido en el listado de los productos a los cuales se aplica, contenido en el artículo 5° del Reglamento de la Ley sobre Fondo de Estabilización de Precios del Petróleo y en la Ley N° 20.063

48. OBJETIVOS Generar conocimiento y captar tecnologías. Formación de capacidades humanas. Protección y comercialización de los resultados obtenidos. Posicionar la temática de la Bioenergía en la comunidad Generar las condiciones para la creación de Plantas de Bioetanol.

49. PROGRAMAS DE DESARROLLO BIOENERCEL Programa Capacidades Permanentes Programa de Comercialización Programa I+D Biomasa Formación Capital Humano Patentes Bioquímica Paquetes Tecnológicos Termoquímica Infraestructura de Investigación Subproductos

50. Programa I&DDiagrama de Producción de biocombustibles