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.

Producción de Etanol Etanol

Caldos Dulces

Granos Fibra o Almidonosos 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.

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.

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.

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.

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.

Futuro del Etanol en los EUA 120 Producción (billon de galones)

100 80

Maíz

60

Celulosa

40

Total

20 0 2005

2010

2015 Año

Fuente: Sanderson (2007).

2020

2025

Uso de la Energía en México

Gasolina

Transportation Industria Hogares, commrcial, pública Otro Agricultura

Otro

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 2025. La búsqueda de nuevos pozos petroleros requiere de una fuerte inversión por parte del gobierno Federal.

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. • 15.3 millones de toneladas de maíz/año (producción doméstica actual es aprox. 20 millones). • 83.7 millones de toneladas de caña de azúcar (producción nacional producción es de 45 millones de toneladas)

Precio de materias primas para la elaboración de etanol con su contenido promedio de azúcares fermentables

Caña de Azúcar Sorgo Sorgo Dulce Maíz Melaza Remolacha Azucarera

Precio por Tonelada (Pesos)

% de Azúcares Fermentables

Rend EtOH/Tonelada*** (Litros)

Ciclo Productivo

340.00

15

70

8-12 meses

1,300-1,800

70

360

4 meses

250.00

9.8

50

3.5 meses/corte

1,600-2,200

70

390

4 meses

1,600.00

50

219

8-12 meses

270.00

15

75

3-4 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)

Area Necesaria de Cultivo para Abastecer Gasolina E10 en México (Total 30.2 millones de Ha) 35.00% 30.00% 25.00% 20.00% Área necesaria Caña de Azúcar (Ha) Área necesaria Sorgo (Ha)

15.00% 10.00%

Área necesaria Sorgo Dulce (Ha)

5.00% 0.00%

Área necesaria Maíz (Ha) 1

SORGO

• Sorgo Granífero • Sorgo Dulce

¿Porqué el Sorgo? • Plantas C4: cultivar muy eficiente en la captación del CO2 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.

Producción de Sorgo en México Contry

1000 Tons

EUA

9,981.00

Nigeria

9,178.00

India

7,500.00

México

5,524.38

Sudán

4,275.00

Tamaulipas

Argentina

2,894.25

Guanajuato

Etiopia

2,200.24

Sinaloa

492,942.68

Australia

2,010.57

Michoacán

401,721.18

Burkina Faso

1,552.91

Nayarit

273,897.33

Brasil

1,520.54

Jalisco

206,312.55

56,638.72

Morelos

178,203.90

Nuevo León

116,968.68

Total Mundial Fuente: FAO (2007).

Estado

Producción (Ton)

2,162,215.80 1,205,979.38

San Luis Potosí

96,796.50

Querétaro

63,724.00

Sorgo vs Maíz •

•

•

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.

Composción Química Comparada Sorgo

Maíz

Humedad

13.63

13.28

Proteína

10.72

7.25

Cenizas

1.7

1.08

Grasa

1.14

3.71

Fibra Cruda

1.08

1.66

ELN

71.73

73.02

Decorticación de Sorgo

RESULTADOS 20 y = 0.7784x R2 = 0.997

% peso removido

16

12

8

4

0 0

5

10 15 Tiempo de Decorticación (min)

20

Peso 1000 granos (g)

25.0 y = -0.0889x + 24.561 R2 = 0.9901

24.5 24.0 23.5 23.0 22.5

0

5 10 15 Tiempo de Decorticación (min)

20

Composición Química* % Decorticación 0

3.6

7.3

11.6

15.9

Humedad

11.39 12.04 11.94 11.68

11.74

Cenizas

1.50

1.18

1.18

1.15

1.33

Proteína

9.95

9.47

9.19

10.43

10.71

Grasa

1.55

0.41

0.64

0.63

0.84

Fibra Cruda

3.67

3.55

3.16

3.16

2.91

ELN

84.69 81.38 85.83 84.24

84.59

Almidón

75.52 77.76 80.22 88.37

85.27

* Los valores están expresados en base seca.

Composición del Material Removido o Salvado* % Decorticación Parámetro 3.6

7.3

11.6

15.9

Humedad

6.71

7.38

7.57

8.00

Cenizas

2.35

2.31

2.50

2.50

Proteína

9.40

10.56

11.02

11.59

Grasa

4.04

4.20

4.58

5.03

Fibra Cruda

8.75

8.44

7.52

8.32

ELN

75.47

74.12

76.76

72.56

Almidón

14.32

19.10

22.00

41.28

* Los valores están expresados en base seca.

Fenólicos Totales % Decorticación

0 3.55 7.34 11.56 15.96

Grano

Salvado

(g ácido gálico/g) (g ácido galico/g)

4.26ª 2.30b 2.16b 1.78b,c 1.60c

-------43.38b 43.39b 48.04a 48.81a

Proceso Recomendado de Producción de Etanol a Partir de Sorgo Granífero

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.

TRATAMIENTOS Maíz

Regular

Con Enzima

Sorgo Decorticado

Sorgo

Regular

Con Enzima

Regular

Con Enzima

RESULTADOS 12 y = 0.305x + 0.2719 R2 = 0.9959

decorticación (%)

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15 tiempo (min)

20

25

30

Composición Química Sorgo

Maíz

Salvado de Sorgo

Amarillo

Entero

Decorticado

Humedad

12.03

12.53

11.15

8.88

Cenizas

1.42

1.42

1.36

3.96

Proteína

9.26

12.41

10.90

18.07

Grasa

4.00

1.09

0.66

10.43

Fibra Cruda

3.03

3.65

1.78

11.08

ELN

82.28

82.51

83.80

76.26

Almidón

75.81

81.52

82.13

19.80

0.42

1.44

0.45

10.92

Fenólicos (equiv. mg ácido galico/g)

azúcares reductores totales (g/100 g base seca)

(a) regular control grano decorticado grano integral

30 25 20 15 10 5 0 0

20

40

60

80

100 120 tiempo (min)

140

160

180

200

35

(b) con enzima

30 azúcares reductores totales (g/100 g base seca)

Licuefacción

35

25

20

15

10

control grano decorticado

5

grano integral 0 0

20

40

60

80

100 tiempo (min)

120

140

160

180

200

Parametros Cinéticos-Licuefacción Tratamiento

r2

intercepción

pendiente

Maíz Regular

0.97

2.097

0.099c,d

Enzima

0.98

0.957

0.102c

Regular

0.98

1.281

0.083d

Enzima

0.95

2.564

0.146b

Regular

0.99

1.767

0.0899d

Enzima

0.99

0.362

0.1679a

Sorgo Entero

Sorgo Decorticado

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

80

alfa amino nitrógeno libre (mg/L)

60

sorgo decorticado

50 40 30

0

(b) Enzima

70

sorgo integral

temperatura (°C)

maiz

25

50

75

100 125 tiempo (min)

150

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

175

200

20 225

80 70 60 50 40

maiz sorgo decorticado sorgo entero

0

25

50

75

100 125 tiempo (min)

150

175

200

30 20

225

temperatura (°C)

alfa amino nitrógeno libre (mg/L)

(a) Regular

glucosa (mg/mL)

maíz

(a) Regular

sorgo entero sorgo decorticado

0

glucosa (mg/mL)

Sacarificación

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 2

4

6

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

8 10 tiempo (horas)

(b) Enzima 0

2

4

(b)

6

8 10 tiempo (horas)

12

14

16

maíz sorgo entero sorgo decorticado 12

14

16

160

(a) Regular

maíz entero

140

sorgo integral

glucosa (mg/mL)

120

sorgo perlado

100 80 60 40 20 0 0

10

20

30 40 tiempo (horas)

50

60

70

160

maíz entero

140

sorgo entero

glucosa (mg/mL)

120

sorgo perlado

100 80 60 40 20 0 0

10

20

30

40 tiempo (horas)

50

60

70

(b) Enzima

alfa amino nitrógeno (mg/L)

250 maíz sorgo entero

200

sorgo decorticado

150

a) Sin enzima

100 50 0 10

20

30 40 tiempo (horas)

50

60

70

250 alfa amino nitrógeno (mg/L)

0

maíz 200

sorgo entero sorgo decorticado

150

a) Con enzima

100 50 0 0

10

20

30 40 tiempo (horas)

50

60

70

biomasa (células/mL)

4.5E+08

a) Regular

maíz sorgo entero sorgo decorticado

4.0E+08 3.5E+08 3.0E+08 2.5E+08 2.0E+08 1.5E+08 1.0E+08 5.3E+07 3.0E+06 0

10

20

30 40 50 tiempo fermentación (horas)

5.0E+08

70

b) Enzima

4.5E+08 biomasa (células/mL)

60

4.0E+08 3.5E+08 3.0E+08 2.5E+08 2.0E+08 1.5E+08

maíz

1.0E+08

sorgo entero

5.3E+07

sorgo decorticado

3.0E+06 0

10

20

30 40 50 tiempo fermentación (horas)

60

70

Porcentaje etanol (v/v)

10 9

a) Regular

8 7 6 5 4 3

maiz sorgo entero sorgo decorticado

2 1 0 0

10

20

30 40 Tiempo (horas)

50

60

70

10

b) Enzima

Porcentaje Etanol (v/v)

9 8 7 6 5 4 3 2

maíz sorgo entero sorgo decorticado

1 0 0

10

20

30 40 Tiempo (horas)

50

60

70

Y (m L e ta n o l/c é lu la s )

Rendimiento EOH/Celulas de Levadura 1.50E-07

maíz sin proteasa

1.35E-07

maíz con proteasa

1.20E-07

sorgo entero sin proteasa

1.05E-07

sorgo entero con proteasa

9.00E-08

sorgo decorticado sin proteasa sorgo decorticado con proteasa

7.50E-08 6.00E-08 4.50E-08 3.00E-08 1.50E-08 0.00E+00 0

1

2

3

4

5

6

tiempo (horas)

7

8

9

10

Rendimiento Etanol Harina1

Almidón

(g)

(g)

Almidón

Rendimiento Etanol

Resistente (g)

Glucosa (g)

Etanol (mL)

L/kg Almidón

(L/kg Harina)

Regular

100

76.74

1.51c,d

64.83a,b

44.17c

0.576c

base seca 0.442c

Enzima

100

76.74

1.31d

65.43a

45.67b

0.595b

0.457b

0.393b

Regular

100

73.24

2.82a

50.42d

32.40e

0.442e

0.324e

0.279e

Enzima

100

73.24

2.13b

61.05c

42.43d

0.579d

0.424d

0.365d

Regular

100

75.80

1.54c

60.84c

45.12b

0.595b

0.451b

0.388b

Enzima

100

75.80

1.30d

63.98b

46.71a

0.616a

0.467a

0.402a

Maíz

base húmeda (14%) 0.380c

Sorgo Entero

Sorgo Perlado

Granos Gastados de Destilería % Maíz Regular Enzima Sorgo Entero Regular Enzima Sorgo Decorticado Regular Enzima

30.89b 29.41b 35.20a 30.17b 30.18b 27.20b

Composición Química - GGD Maíz Sorgo Entero Sorgo Decorticado Regular Enzima Regular Enzima Regular Enzima a a a a Humedad 76.51 71.22 77.49 77.45 75.21a 72.75a 1.14b,c 1.36b 2.21a 1.02c,d 1.08b,c,d Cenizas 0.81d 24.59c 35.07a 34.61a 29.47b 26.36c Proteína 26.55c 3.48b 2.40c 3.25b 1.87c 2.25c Grasa 6.69a Fibra 8.03b 9.63a 8.09b 5.76c 5.39c Cruda 8.33b 62.66c 52.87d 51.84d 62.08b 64.78a ELN 57.63a,b 4.18e 8.01a 7.06b 5.77c 4.75d,e Almidón 5.14c,d

DECORTICACION

MOLIENDA

AJUSTE A 13° PLATO

FERMENTACION

SACARIFICACION

DESTILACION Y TAMIZ MOLECULAR

ETANOL ANHIDRO

Salvado TRATAMIENTO ENZIMATICO

LICUEFACCION

FILTRACION CENTRIFUGACION

SECADO

GGD

Costo del Bioetanol en los EUA Producido a Partir de Maíz Costo Neto de Materia Prima Manejo de Residuos Levadura Mantenimiento Otros

0.020 0.013 0.002 0.021 0.002 0.003

Electricidad Agua Químicos Mano de Obra

0.023 0.031

Combustible Enzimas Desnaturalizantes Costo Administrativo

0.0190.002

Pesos/100L

0.077 0.021

0.766

Costo Total: 5.1 pesos

Costo Neto de Materia Prima

$

390.79

Electricidad

$

10.71

Combustible

$

39.37

Manejo de Residuos

$

1.45

Agua

$

0.87

Enzimas

$

10.71

Levadura

$

1.16

Químicos

$

6.66

Desnaturalizantes

$

10.13

Mantenimiento

$

11.58

Mano de Obra

$

15.63

Costo Administrativo

$

9.84

Otros

$

1.16

Total

$

510.05

$

5.10

Precio Unitario Litro Etanol

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.

Sorgos Dulces

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.

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.

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.

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.

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

Antesis

Hoja Bandera

100% Antesis

100% Antesis

Inicia Llenado grano

3

Inicia Llenado grano

Inicia Espigamient o

Inicia Llenado grano

Llenado de grano

Llenado grano

4

Grano Lechoso Masoso

100% Antesis

Grano Lechoso

Grano Lechoso

Ergot

5

Grano Masoso

Inicia Llenado grano

Grano Masoso

Grano Masoso

Ergot

Altura y Grosor del Tallo Texas A&M 1

Texas A&M 2

Texas A&M 3

Tato

Thor

Altura Hoja Bandera, mt

2.02

2.82

1.90

1.90

1.72

Altura Total, mt

2.13

3.16

2.27

2.12

1.88

Grosor Tallo, cm

1.08

1.34

0.98

1.17

0.94

Caña delgada, Alt. Intermedia, Sana, Ciclo Precóz

Caña delgada, color verde obscuro, hoja ancha, Sana, Ciclo Intermedio

Caña irrregular, Chaparro, Ciclo precoz, con ergot

Observación

Buena Buena Caña, Caña, Alta, Alta, Sana, Sana Ciclo Intermedio Arriba, Ciclo Tardío

Conclusiones Preliminares • Las variedades de sorgos dulces se desempeñaron muy bien y rindieron 4,000 kg de azucares fermentables/Ha 100 –110 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.

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.