BIOETANOL EN EL NORESTE DE MEXICO

Transcripción

1 TALLER PRACTICO SOBRE ENERGIA RENOVABLE BIOETANOL EN EL NORESTE DE MEXICO Por: Dr. Sergio O. Serna Saldívar 18 de octubre del 2007 Monterrey, N.L.

2 Producción de Etanol Etanol Caldos Dulces Granos Almidonosos Fibra o Lignocelulosa 70% of bioetanol esta siendo producido por los EUA y Brasil. La mayoría del ethanol en Brasil es producido caña de azúcar mientras que en EUA de maíz.

3 Obtención de Etanol de Caldos Dulces Fuentes: caña de azúcar, remolacha azucarera y sorgo dulce. Proceso más sencillo y practicado. Extracción de jugo Fermentación Destilación Desventajas: materia prima perecedera, alto costo de transporte, estacionalidad de producción.

4 Producción de Etanol a Partir de Caña de Azúcar La tecnología más avanzada es la Brasileña. Pasos: extracción del guarapo, fermentación con levadura y triple destilación para obtener etanol anhidro. 1 tonelada de caña tiene el potencial de producir aprox. 65 L de etanol anhidro.

5 Obtención de Etanol de Granos Fuentes: maíz, trigo y granos almidonosos. Proceso más practicado en los EUA. Molienda Seca y Fraccionada Molienda Húmeda Pasos: Molienda, Gelatinización, Licuefacción, Sacarificación-Fermentación, Destilación. Ventajas: Granos pueden ser almacenados por largos periodos de tiempo: producción constante. Alto valor de subproductos. Desventaja: proceso que requiere mayor inversión y gastos de energía.

6 Obtención de Etanol de Materiales Celulolíticos Fuentes: materiales fibrosos lignocelulolíticos. Proceso más complicado. Tratamiento fisicoquímico de la biomasa (proceso de amonia). Conversión enzimática Fermentación Destilación Ventajas: Materia prima más abundante y barata. Desventaja: altos costos de transporte, mayor logística, falta desarrollar tecnología enzimática (C5) que haga el proceso productivo.

7 Futuro del Etanol en los EUA Producción (billon de galones) Año Maíz Celulosa Total Fuente: Sanderson (2007).

8 Uso de la Energía en México Transportation Industria Hogares, commrcial, pública Otro Agricultura Gasolina Otro

9 Cantarell Empezando este año los pozos de Cantarell decrementaran su producción anual en 140,000 barriles/día. La vida productiva de Cantarell sera hasta aproximadamente La búsqueda de nuevos pozos petroleros requiere de una fuerte inversión por parte del gobierno Federal.

10 Consumo Nacional de Gasolina México consume en la actualidad 89 millones L ode gasolina Magna y 17.8 million L de Premium. Total: 107 millones L/día. Importación de 42 millones El uso de gasolina E15 demandaría 16 millones L de bioetanol diariamente. Considerando un tamaño promedio de planta de 150 millones L de etanol por año, México necesitaría cuando menos 40 biorefinerias millones de toneladas de maíz/año (producción doméstica actual es aprox. 20 millones) millones de toneladas de caña de azúcar (producción nacional producción es de 45 millones de toneladas)

11 Precio de materias primas para la elaboración de etanol con su contenido promedio de azúcares fermentables Precio por Tonelada (Pesos) % de Azúcares Fermentables Rend EtOH/Tonelada*** (Litros) Ciclo Productivo Caña de Azúcar meses Sorgo 1,300-1, meses Sorgo Dulce meses/corte Maíz 1,600-2, meses Melaza 1, meses Remolacha Azucarera meses ***Rendimientos en México. Para el caso de la remolacha azucarera que no se siembra en el país el rendimiento promedio mundial es de 40 toneladas por hectárea con un contenido promedio de 15 % de azúcares fermentables. Por consiguiente una hectárea de remolacha es capaz de producir 3000 litros de etanol. Fuentes: Lyons y otros (1995) e Infozafra (2007)

12 Area Necesaria de Cultivo para Abastecer Gasolina E10 en México (Total 30.2 millones de Ha) 35.00% 30.00% 25.00% 20.00% 15.00% 10.00% 5.00% Área necesaria Caña de Azúcar (Ha) Área necesaria Sorgo (Ha) Área necesaria Sorgo Dulce (Ha) Área necesaria Maíz (Ha) 0.00% 1

13 SORGO Sorgo Granífero Sorgo Dulce

14 Porqué el Sorgo? Plantas C4: cultivar muy eficiente en la captación del CO 2 y energía solar. Segundo cultivo más importante en México en terminos de producción después del maíz. Cultivos que no son canalizados a la industria alimentaria para humanos. Sorgo es más barato que el maíz Requerimiento menor de agua (irrigación o temporal). Alta resistencia a la sequía y por consiguiente puede producir en regiones no aptas para maíz o caña de azúcar. Se puede importar de EUA sin arancel. 120 pesos/ton de transporte.

15 Producción de Sorgo en México Contry 1000 Tons EUA 9, Nigeria 9, India 7, México 5, Sudán 4, Argentina 2, Etiopia 2, Australia 2, Burkina Faso 1, Brasil 1, Total Mundial 56, Fuente: FAO (2007). Estado Producción Tamaulipas (Ton) 2,162, Guanajuato 1,205, Sinaloa 492, Michoacán 401, Nayarit 273, Jalisco 206, Morelos 178, Nuevo León 116, San Luis Potosí 96, Querétaro 63,724.00

16 Más del 40% de la población Mexicana depende de productos de maíz. Sorghum es 20% más barato que el maíz y usado 100% en alimentación animal. Contienen la misma cantidad de almidón Más dificultad de obtener etanol de sorgo (grano y matriz proteica mas dura). Almidón es menos susceptible a gelatinización e hidrólisis. Sorgo vs Maíz

17 Composción Química Comparada Sorgo Maíz Humedad Proteína Cenizas Grasa Fibra Cruda ELN

18 Decorticación de Sorgo

19 RESULTADOS y = x R 2 = % peso removido Tiempo de Decorticación (min)

20 Peso 1000 granos (g) y = x R 2 = Tiempo de Decorticación (min)

21 Composición Química* % Decorticación Humedad Cenizas Proteína Grasa Fibra Cruda ELN Almidón * Los valores están expresados en base seca.

22 Composición del Material Removido o Salvado* Parámetro % Decorticación Humedad Cenizas Proteína Grasa Fibra Cruda ELN Almidón * Los valores están expresados en base seca.

23 Fenólicos Totales % Decorticación Grano (g ácido gálico/g) Salvado (g ácido galico/g) ª b b b b b,c a c a

24 Proceso Recomendado de Producción de Etanol a Partir de Sorgo Granífero

25 Proceso Innovativo Integración de Decorticación Mecánica del Grano. Integración de un paso de biocatálisis para hacer el almidón más susceptible a hidrólisis y conversión a etanol.

26 TRATAMIENTOS Maíz Sorgo Sorgo Decorticado Regular Con Enzima Regular Con Enzima Regular Con Enzima

27 RESULTADOS y = 0.305x R 2 = decorticación (%) tiempo (min)

28 Composición Química Maíz Sorgo Amarillo Entero Decorticado Salvado de Sorgo Humedad Cenizas Proteína Grasa Fibra Cruda ELN Almidón Fenólicos (equiv. mg ácido galico/g)

29 control grano decorticado grano integral tiempo (min) control grano decorticado grano integral tiempo (min) 0 (a) regular (b) con enzima Licuefacción azúcares reductores totales (g/100 g base seca) azúcares reductores totales (g/100 g base seca)

30 Parametros Cinéticos-Licuefacción Tratamiento r 2 intercepción pendiente Maíz Regular c,d Enzima c Sorgo Entero Regular d Enzima b Sorgo Decorticado Regular d Enzima a

31 (a) Regular alfa amino nitrógeno libre (mg/l) maiz sorgo integral sorgo decorticado temperatura ( C) tiempo (min) (b) Enzima alfa amino nitrógeno libre (mg/l) maiz sorgo decorticado sorgo entero temperatura ( C) tiempo (min)

32 Sacarificación glucosa (mg/ml) glucosa (mg/ml) (a) Regular tiempo (horas) (b) Enzima maíz sorgo entero sorgo decorticado maíz sorgo entero sorgo decorticado tiempo (horas)

33 (a) Regular glucosa (mg/ml) maíz entero sorgo integral sorgo perlado tiempo (horas) glucosa (mg/ml) maíz entero sorgo entero sorgo perlado tiempo (horas) (b) Enzima

34 alfa amino nitrógeno (mg/l) a) Sin enzima maíz sorgo entero sorgo decorticado tiempo (horas) alfa amino nitrógeno (mg/l) a) Con enzima maíz sorgo entero sorgo decorticado tiempo (horas)

35 a) Regular biomasa (células/ml) 4.5E E E E E E E E+08 maíz sorgo entero sorgo decorticado 5.3E E tiempo fermentación (horas) biomasa (células/ml) 5.0E E E E E E E E E E E+06 maíz sorgo entero sorgo decorticado tiempo fermentación (horas) b) Enzima

36 Porcentaje etanol (v/v) maiz sorgo entero sorgo decorticado Tiempo (horas) a) Regular b) Enzima Porcentaje Etanol (v/v) maíz sorgo entero sorgo decorticado Tiempo (horas)

37 Rendimiento EOH/Celulas de Levadura Y(mL etanol/células) 1.50E E E E E E E E E-08 maíz sin proteasa maíz con proteasa sorgo entero sin proteasa sorgo entero con proteasa sorgo decorticado sin proteasa sorgo decorticado con proteasa 1.50E E tiempo (horas)

38 Rendimiento Etanol Harina 1 (g) Almidón (g) Almidón Resistente (g) Glucosa (g) Etanol (ml) L/kg Almidón Rendimiento Etanol (L/kg Harina) Maíz base seca base húmeda (14%) Regular c,d a,b c c c c Enzima d a b b b b Sorgo Entero Regular a d e e e e Enzima b c d d d d Sorgo Perlado Regular c c b b b b Enzima d b a a a a

39 Granos Gastados de Destilería Maíz Regular Enzima Sorgo Entero Regular Enzima Sorgo Decorticado Regular Enzima % b b a b b b

40 Composición Química - GGD Maíz Sorgo Entero Sorgo Decorticado Regular Enzima Regular Enzima Regular Enzima Humedad a a a a a a Cenizas 0.81 d 1.14 b,c 1.36 b 2.21 a 1.02 c,d 1.08 b,c,d Proteína c c a a b c Grasa 6.69 a 3.48 b 2.40 c 3.25 b 1.87 c 2.25 c Fibra Cruda 8.33 b 8.03 b 9.63 a 8.09 b 5.76 c 5.39 c ELN a,b c d d b a Almidón 5.14 c,d 4.18 e 8.01 a 7.06 b 5.77 c 4.75 d,e

41 DECORTICACION Salvado MOLIENDA TRATAMIENTO ENZIMATICO AJUSTE A 13 PLATO SACARIFICACION LICUEFACCION FERMENTACION DESTILACION Y TAMIZ MOLECULAR FILTRACION CENTRIFUGACION ETANOL ANHIDRO SECADO GGD

42 Costo del Bioetanol en los EUA Producido a Partir de Maíz Costo Neto de Materia Prima Electricidad Combustible Manejo de Residuos Agua Enzimas Levadura Químicos Desnaturalizantes Mantenimiento Mano de Obra Costo Administrativo Otros Costo Total: 5.1 pesos Pesos/100L Costo Neto de Materia Prima $ Electricidad $ Combustible $ Manejo de Residuos $ 1.45 Agua $ 0.87 Enzimas $ Levadura $ 1.16 Químicos $ 6.66 Desnaturalizantes $ Mantenimiento $ Mano de Obra $ Costo Administrativo $ 9.84 Otros $ 1.16 Total $ Precio Unitario Litro Etanol $ 5.10

43 CONCLUSIONES El proceso innovativo de procesamiento de sorgo decorticado tratado con enzima antes de la licuefacción o tratamiento con amilasa termoresistente igualo e inclusive mejoro el rendimiento de etanol comparado con maíz. Este tratamiento rindio 44% mas etanol comparado con el sorgo entero. El tratamiento enzimático mejoro el rendimiento de las enzimas amilolíticas y levadura durante la fermentación. El tratamiento enzimático puede decrementasr muy significativamente tiempos de proceso de tal manera que se utilice mejor la capacidad de planta, se ahorre energía y mano de obra.

44 Sorgos Dulces

45 Sorgo Dulce vs Caña de Azúcar El costo alto de la caña de azúcar en México la hace poco atractiva para bioetanol. El ciclo del sorgo dulce es de solamente 3 meses en comparación con el de 9-10 meses de caña de azúcar. El sorgo dulce puede rendir tres cortes. El rendimiento anual de azucar o etanol es comparable. El sorgo esta adaptado a regiones temporaleras y es resistente a sequía. El bagazo del sorgo dulce es de mejor calidad nutritiva que el de caña de azúcar.

46 Objetivos Comparar el desempeño agronómico de dos sorgos forrajeros locales con tres genotipos del programa de fitomejoramiento de Texas A&M Madurez Características de las plantas Tiempo óptimo de corte Rendimiento (biomasa, caldo dulce, azúcar, etanol) durante tres cortes Caracterizar la composición química del jugo extraído ( Brix, azucares totales, dextrinas, total, ph, fenolicos) Optimizar la conversión del jugo en etanol.

47 Metodología Diseño en bloques al azar: bajo irrigación (4 repeticiones/tipo de sorgo) y bajo condiciones de temporal (4 repeticiones/tipo de sorgo. Debido a las altas precipitaciones nunca existió la necesidad de irrigar. Fecha de siembra: 14 de marzo. Densidad de siembra 263,000 plantas/ha.

48 Metodología Toma de datos: días a emergencia, altura de planta (hoja bandera y total), grosor de tallos, días a antesis, rendimiento de biomasa, rendimiento de jugo dulce, Brix, ph, rendimiento de etanol. Dias a los cortes: 78, 85, 92, 99, 106.

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50 Estado de Madurez vs Corte Corte Texas A&M 1 Texas A&M 2 Texas A&M 3 Tato Thor 1 Embuche Inicia Espiga Sin Hoja Bandera Inicia Espigamient o Inicia Espigamient o Inicia Antesis 2 3 Antesis Inicia Llenado grano Hoja Bandera Inicia Espigamient o 100% Antesis Inicia Llenado grano 100% Antesis Llenado de grano Inicia Llenado grano Llenado grano 4 5 Grano Lechoso - Masoso Grano Masoso 100% Antesis Inicia Llenado grano Grano Lechoso Grano Masoso Grano Lechoso Grano Masoso Ergot Ergot

51 Altura y Grosor del Tallo Altura Hoja Bandera, mt Altura Total, mt Grosor Tallo, cm Observación Texas A&M 1 Texas A&M 2 Texas A&M 3 Tato Thor Buena Caña, Alta, Sana, Ciclo Intermedio Buena Caña, Alta, Sana Arriba, Ciclo Tardío Caña delgada, Alt. Intermedia, Sana, Ciclo Precóz Caña delgada, color verde obscuro, hoja ancha, Sana, Ciclo Intermedio Caña irrregular, Chaparro, Ciclo precoz, con ergot

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55 Conclusiones Preliminares Las variedades de sorgos dulces se desempeñaron muy bien y rindieron 4,000 kg de azucares fermentables/ha días después de la siembra (primer corte). Si el comportamiento se mantiene similar durante los cortes subsecuentes, los sorgos dulces pueden rendir 20% azúcar o etanol más que la caña de azúcar.

56 Conclusiones Generales El uso de sorgo granífero y sorgo dulce permitiría una producción constante de etanol a través del año con practicamente los mismos rendimientos que se obtendrían con maíz y caña de azúcar.

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