Estado del Arte de la Producción de Etanol LCProf. Germán Aroca, Ph.D.Escuela de Ingeniería BioquímicaP. Universidad Católica de ValparaísoValparaíso, Chile

Seminario Internacional “Impacto de la Producción de Biocombustibles”15-17 de Abril 2009, Itajubá, SP, Brasil.

Red Temática CYTED BIALEMA

2

Contenido

• Porque Bioetanol desde Lignocelulósicos• Alternativas de producción de Bioetanol LC• Realidad: Desarrollo Actual de la producción de

Bioetanol LC en el mundo• Desafíos de la producción de Bioetanol LC

3

Producción de Bioetanol

Azucares Fermentación Recuperación Bioetanol

Fermentación Recuperación Bioetanol

Fermentación Recuperación Bioetanol LC

Hidrólisis

HidrólisisPretratamiento

Almidón

LC

RemolachaCaña de azucar

Maiz, Trigo

MaderaResiduos LC

4

Proyección de la producción de Bioetanol en EEUUMillones de Galones

5

Material Lignocelulósico

• Celulosa 38 – 50 %– Material C mas abundante en la naturaleza– Polimero de glucosa

• Hemicelulosa 23 – 32 %– Xilosa es el 2° azucar as abundante en la naturaleza– Polímero de azucares de 5 y 6 C.

• Lignina: 15 – 25 % – Complejo de aromáticos– Alto contenido de energía

• Pectina• Cenizas

6

Composición de Material LC

Glucosa Xylosa Lignina CenizasCaña de Maíz 34,0 19,5 19,7 13,3

Paja de trigo 32,6 19,2 16,8 10,2

Coseta AR 21,5 55,4 3,2 4,8

Switchgrass 34,3 22,4 17,4 5,7

7

Material lignocelulósico

8

Celulosa

Polímero de glucosa unido por enlaces B-1,4

9

HemicelulosaMaderas duras

Maderas blandas

Hexosas (glucosa, manosa) 2-7 % Pentosas (xilosa, arabinosa) 12-15 %

Hexosas (glucosa, manosa, galactosa) 12-15 %Pentosas (xilosa) 8-10 %

10

Lignina

11

Producción de Bioetanol

Azucares Fermentación Recuperación Bioetanol

Fermentación Recuperación Bioetanol

Fermentación Recuperación Bioetanol LC

Hidrólisis

HidrólisisPretratamiento

Almidón

LC

RemolachaCaña de azucar

Maiz, Trigo

MaderaResiduos LC

12

Pretratamiento

CC

H

L

Hidrólisis Acida

Hidrólisis Enzimática

Enzimas

FermentaciónC6

FermentaciónC5

Recuperación

Alternativas del Proceso Bioetanol LC

Sacarificación y FermentaciónSimultanea

E100

LC

SubproductosEnergía

SubproductosEnergía

Separación Sólido Liquido

13

Producción de Bioetanol LC en EE.UU.Una Realidad !!!

• BlueFire Inc. (California) 90 MM gal/año• POET (Iowa) 35 mm gal/año• Iogen Biorefineries Inc. (Idaho) 250 MM gal/año• Abengoa Bioenergy (Kansas) 11,4 MM gal/año + ee• ALICO Inc. (Florida) 20.9 MM gal/año +ee + H2

• Range Ful Inv. (Georgia) 40 MM gal/año + 9 MeOH

14

BlueFire Ethanol Inc.

• Inversionistas: – Waste Management Inc., JGC Corporation, MECS Inc.; NAES, Petrodiamod.

• Inversión : MM US$ 100.- (40 % DOE)• Ubicación: Sur de California• Proceso: Hidrólisis ácida y fermentación• Materia prima: residuos lignocelulósicos de vertedero y residuos de

madera• Volumen de producción: 90 MM gal/año• Meta: 63 gal/ton

http://bluefireethanol.com/

15

POET (Ex BrainCompanies)• Inversionistas:

– E. I. du Pont de Nemours and Co., Novozymes North America Inc. • Inversión : MM US$ 200.- (40 % DOE)• Ubicación: Emmetsburg, Iowa• Proceso: Hidrólisis enzimática y fermentación• Materia prima: Residuos agrícolas del cultivo del maíz (842 ton/día)• Volumen de producción: 35 MM gal/año• Meta: 83 gal/ton

16

Iogen Biorefinery Partners• Inversionistas:

– Iogen Corporation, Goldman and Sachs; The Royal Dutch/Shell Group. • Inversión : MM US$ 200.- (40 % DOE)• Ubicación: Shelley, Idaho, near Idaho Falls• Proceso: Hidrólisis enzimática y fermentación• Materia prima: Residuos agrícolas del cultivo del maíz, trigo y

cebada, y switchgrass • (842 ton/día)• Volumen de producción: 250 MM gal/año• Meta: 71 gal/ton

17

Procesos Propuestos /en Desarrollo

LCExp VaporAc. Diluido

H. EnzimaticaCelulosa

Ferm C5 C6Z. Mobilis rec

Prod EnzT. reesei

Destil. EtOH

IOGEN

Cogeneración Energía

18

Procesos Propuestos /en Desarrollo

PulpajeOrganosolv

LCSSF

Celulasas

Destil. EtOH

LIGNOL

S/L

LigninaFurfural

C

HC

m.o.

19

Procesos Propuestos /en Desarrollo

MoliendaLC H. ácida

ConcentradaFerm C5 C6

Z. Mobilis rec Destil. EtOH

ARKENOL

Cogeneración Energía

2 etapascontinua

L

20

Procesos Propuestos /en Desarrollo

HidrolisisAcidaLC SSF

Ferm C5(E. coli rec)

Enzimas(DIVERSA)

Destil. EtOH

VERENIUM

Cogeneración Energía

E. coli rec

21

http://www.nrel.gov/Golden, COLORADO, USA

Capacidad: 1 Ton Biomasa /dia

22

Capacidad: 2 Ton Bioamasa/dia

23

ABENGOA, Salamanca, España

Spain Facility produces ethanol from wheat kernels and will now include the SunOpta BioProcess System to produce ethanol from Wheat Straw.

24

Producción de Bioetanol LCDesafios

• ¿Porque todavía no se produce masivamente en forma comercial?

• ¿Cuales son los problemas no resueltos hoy?

– Eficiente sistema de depolimerización de la celulosa y hemicelulosa a azúcares fermentables

– Fermentación eficiente de productos de hidrólisis; hexosas, pentosas, en presencia de compuestos inhibitorios

– Integración del proceso para minimizar demanda de energía– Eficiente valorización de los residuos de lignina

25

Pretratamiento

Hidrólisis Acida

Hidrólisis Enzimática

Enzimas

FermentaciónC6

FermentaciónC5

Recuperación

Alternativas Proceso Bioetanol LC

Sacarificación y FermentaciónSimultanea

E100

LC

SubproductosEnergía Subproductos

EnergíaDetoxificación /Sep sólido-líquido

Explosión con vaporHidrólisis ácidaAFEXOrganosolv, ……

Explosión con vaporHidrólisis ácidaAFEXOrganosolv, ……

MicroorganismoLevadura (rec)Bacteria (rec)

ModalidadLotes, Continua

MicroorganismoLevadura (rec)Bacteria (rec)

ModalidadLotes, Continua

Destilación +Malla molecularPervaporaciónExtracción reactiva

Destilación +Malla molecularPervaporaciónExtracción reactiva

DetoxificaciónSelecciónProducción

T compromiso enz-m.o.Hidrólisis/fermentacion C5 yC6

SubproductosEnergía

S/M

26

Fermentación extractiva

Etapas del proceso de obtención de etanol a partir de material lignocelulósico

Pretratamiento Hidrólisis Fermentación Recuperación

• Explosión por vapor

• Organosolv

• Hidrólisis ácida

• AFEX

• Ozonólosis

• Oxidación Húmeda

• Biológico

• …

• Cultivo por lote

• Lote alimentado

• Cultivo continuo

• Hidrólisis química

• Hidrólisis enzimática

• Destilación

• + Pervaporación

• + Malla molecular

• + Extracción reactiva

SSF o NSSF

SSF o NSSF con Fermentación extractiva

LC EtOH

27

Algunas Consideraciones para la Síntesis y Selección de un Proceso

• La biomasa define el pretratamiento• El pretratamiento define el bioproceso

– Acido: Hidrólisis de hemicelulosa– Alcalino: Hemicelulosa y celulosa intacta – Extracción por Solvente: separa los componentes– Exp con vapor : reduce cristalinidad y favorece accesibilidad

• La hidrólisis enzimática de hemicelulosa está menos desarrollada pero los preparados enzimáticos contiene enzimas hemicelulasas

• La hidrólisis enzimática genera menos toxicidad a la fermentación.

28

Algunas Consideraciones para la Síntesis y Selección de un Proceso (cont.)

• La fermentación de pentosas es clave en el rendimiento a etanol.– Fermentaciones separadas de C5 y C6– Fermentación simultanea de C5 y C6

• La fermentación y sacarificación simultánea requiere de la provisión / desarrollo de enzimas / microorganismos

• La recuperación de etanol in situ aumenta significativamente la productividad de etanol

29

Puntos críticos• Pretratamiento

– Rendimiento de azucares– Generación de inhibidores

• Hidrólisis enzimática– Cinética– Costo catalizador

• Fermentación– Rendimiento– C5 + C6– Hidrólisis y fermentación simultanea (Temperatura)

• Recuperación– Energía

30

Pretratamiento• Objetivos

– Remover y separar la hemicelulosa de la celulosa

– Remover la cubierta de lignina– Reducir la cristalinidad de la

celulosa– Aumentar el área superficial

disponible y la porosidad de la celulosa

• Distintos materiales necesitan distintos pretratamientos (%C, L, HC)

• Requerimientos– Mejorar la formación de azúcares

o la capacidad de posterior hidrólisis de azúcares

– Evitar la degradación o pérdida de carbohidratos

– Evitar la formación de subproductos inhibitorios para la hidrólisis y/o fermentación

– Efectivo a bajo costo

31

Pretratamientos Físicos

• Molino de bolas• Molino de rodillo• Molino de martillo• Molino coloidal• Hidrotérmico• Vapor de alta presión• Extrusión• Expansión • Pirolisis• Microondas• Radiación rayos gama• Radiación con rayo-electronico

• Mecanismo:– Aumento del area accesible y

tamaño de poros– Disminución de cristalinilidad de la

celulosa y su gradod e polimerización

– Hidrólisis parcial de hemicelulasas– Depolimerización parcial de lignina

METODO

32

Pretratamiento Fisico

• Reduce tamaño partícula (1-3 mm) aumenta área

• Actúa sobre: C – H – L• ▲: Mejora hidrólisis hasta 25%,

reduce th hasta 60%• ▼: Gasto energético excesivo

• Agua a alta P y T° , induce la solubilización de ac orgánicos

generan hidrólisis ácida• Solubiliza HC y L• ▲ Alta recuperación xilosa

(88-98%), alta remoción de lignina, fibra muy reactiva.

• ▼ Aún en desarrollo, alto gasto de agua y energía.

MOLIENDA MECANICA

HIDROTERMICO (LHW)

33

Pretratamientos Quimicos y Fisicoquímicos• Explosión

– Vapor (Steam Explosion)– Amonio (AFEX)– CO2, SO2

• Alcalino– Hidroxido de Sodio– Amonio– Sulfito de Amonio

• Acido– Ac. Sulfúrico– Ac. Clorhídrico– Ac. Fosfórico

• Gas– Dióxido de Cloro– Dióxido de Nitrógeno– Dióxido de Azufre

• Agentes Oxidantes– Peroxido de Hidrógeno– Ozono

• Extracción por solventes– Etanol – Agua– Benzeno - Agua

34

Pretratamientos Químicos

• Método más utilizado: H2SO4diluído a alta Tº.

• ▲ Hidroliza HC (xilano) con alta eficiencia (75-90%), prehidroliza celulosa.

• ▼ :– produce compuestos inhibitorios– necesita pretratamiento mecánico– alto gasto en neutralización– no afecta L

• NaOH, KOH a alta T°, Ca(OH)2 a baja T°

• Remoción de L por saponificación de enlaces

• ▲ alta remoción de L, bajos requerimientos de reactivo

• ▼ degradación de PS, neutralización de pH, reacción lenta pilas

ACIDO ALCALINO

35

Otros Pretratamientos Químicos• Ozonólisis

– O3 remueve L sin generación de inhibidores– Alto costo de O3

• Organosolv– Solventes orgánicos (metanol, etanol, acetaldehído, etc) con

H2SO4

– Solubiliza HC eficientemente– Recuperación de solventes necesaria (inhibidores, caros)

36

Pretratamientos Físico-químicosExplosión con vapor

• Vapor a alta presión (c/s ácido)• Decompresión repentina desde 250-

650psi y 160-250°C • Agua en material causa disrupción de

fibras, Adición de ácido mejora rendimientos

• Solubiliza HC (45-65% recuperación xilosa)• Mejora hidrólisis (>90%)• ▲ Eficiente en maderas duras• ▼ aparición de compuestos inhibitorios;

pérdida de azúcares en lavado

37

Hidrólisis enzimática• Complejo enzimático (Trichoderma. reesei)

– Exoglucanasas (2)– Endoglucanasas– Celobiasa, ó B-glucosidasa

• Reacción de hidrólisis se lleva a cabo en consiicoens relativamente suaves: ph 4,5 – 5,0, Temperatura 40-50 °C

38

Mecanismo de Hidrólisis Enzimáticaβ-endoglucanasa

β-exoglucanasa

Creación de extremosreductores libres

Producción de glucosa celobiosa -

Hidrólisis de glucosa y oligosacáridos de glucosa

39

40

Factores que influyen en la H.E.

• Índice de cristalinidad (CrI)• Grado de polimerización (DP)• Accesibilidad • Características del material ligno-celulósico pretratado.• Adsorción de las celulasas• Inactivación térmica y mecánica • Inhibición por producto• Otros ([S], [E], Sinergismo, Suplementación sufactantes)

40

41

Comparación de la Hidrólisis Enzimática y Acida.

41

Hidrólisis Enzimática Hidrólisis ÁcidaCond. Operación Moderadas Corrosivas

Conversión 100% Bajos

Tiempos de reacción Altos Bajos

Costo Alto, enzimas Bajo

Inhibición productos terminales

Si No

Velocidad hidrólisis Disminuye en presencia de lignina

No

Inhibidores de la fermentación

No Si

42

CelulosomasSistema enzimatico celulolitico atado a la celula de bacterias

celulolíticas anaerobias (Ej. Clostridium themocellum)

43

Enzimas libres-Enzimas celulosomales43

Dominio Catalítico

Dominio Catalítico

CBM Donckerin

Celulasas Libres Celulasas Celulosomales

44

Celuolosoma en la Superficie de Clostridium thermocellum

44

45

Ventajas de los celulosomas• Unión con carbohidratos presentes en el sustrato (CBM)

Obliga a unirse a la superficie del sustrato y a concentrar las enzimas en un sitio específico de esta superficie.

• Múltiples cohesin en el scalffoldin y un gran número de enzimas. Gran variedad de celulosomas capaces de atacar los diferentes tipos de materiales de la pared celular.

• Celulosoma actúa en concierto con el sistemas de enzimas libres. Amplía el potencial de degradación del todo el proceso

45

46

Fermentación• SHF : Separarted Hydrolysis and Fermentation• SSF: Simulatneous Sacharification and Fermentation

– Compromiso de T° entre óptimo de fermentación y T° de hidrólisis enzimática microorganismos termotolerantes

– Diseño de fermentador transfernecia de gases ( CO2

• Presencia de compuestos inhibitorios provenientes del pretratamiento y/o hidrólisis– Eliminación anterior aumento de costos

• Inhibición por etanol recuperación continua de etanol • Fermentación simultanea de hexosas (C6) y pentosas (C5)

47

Fermentación Hidrolizados LC

Crecimiento celularGlicólisis

Glucosa Xilosa

ETANOL

Furanos

Fenoles

Ácidos débiles

Sales inorgánicas

48

Microorganismos• Robustos• Tolerar altas concentraciones de alcohol e inhibidores• Viables a bajos pH• Alta productividad de etanol

• Zimomona mobilis– Bacteria gram negativa– Fermenta glucosa a etanol– Tolera conc. Etanol sobre 120 [g/L]

49

Microorganismos

Pentosas

E. ColiK. oxytoca

Z. mobilis

S. cervisiae

Etanol

Genes xilosa isomerasa desde P. stipitis

Genes etanolgénicos desde Z mobilis

Adaptado de B. Hahn-Hägerdal, 2006

Genes metabolismo de la xilosa desde E. coli

50

Fermentación Industrial de Pentosas

Nuevas Técnicas

Mutación azarosa

Ingeniería evolutiva

Aclimatación

ADAPTACION

Muchas Gracias !!!Prof. Germán Aroca, Ph.D.Escuela de Ingeniería BioquímicaP. Universidad Católica de Valparaíso

garoca@ucv.cl

Seminario Internacional “Impacto de la Producción de Biocombustibles”15-17 de Abril 2009, Itajubá, SP, Brasil.

Red Temática CYTED BIALEMA