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Centro de Investigación en Biotecnología Aplicada
Instituto Politécnico Nacional - México
BIOETANOL EN MÉXICO
Materiales vegetales y biocatalizadores
Agaves como Fuentes de Biomasa para Etanol
Reunión Nacional sobre Bioenergía, Biodiesel y
Biodiversidad en zonas áridas
Hermosillo, Sonora 27 de Noviembre de 2008
Sergio R. Trejo – Estrada & María S. Villa-Ramírez
Angélica del Carmen Ruiz-Font
Contenido de la conferencia
IPN – Biotecnología Aplicada
Bioenergía en México
Bioetanol IPN –Destileria La Gloria
Biodiversidad de Plantas y utilización del suelo en México
Bioenergía cosechas bajo estudio
Pastos tropicales
Industria del agave en México, jugos de agave y lignocelulosa de Agave
Biocatálisis – tecnología microbiana y de enzimas
Biocatálisis para sucarosa, almidón y lignocelulosas
Invertasas
Amilasas y enzimas lignocelulolíticas
Nueva red del bioetanol de México
Resumen y Conclusiones
CIBA-IPN
Centro de Investigación en Biotecnología Aplicada
un centro del Instituto Politécnico Nacional, Fundado en 2003
Biotecnología aplicada
Investigación intensiva por contrato y consulta
Investigación e innovación relacionadas a la agroindustria
35 acuerdos tecnológicos con compañías nacionales e internacionales
Instalaciones y Recursos
70 científicos e ingenieros . Programa MSc y PhD .
biotecnología de agricultura y de plantas
Bioquímica analítica
Tecnología microbiana y de enzimas
instalación de planta piloto para bioprocesos de (70%) y reactores de 1,
10, 60, 500 and 1500 Lt
Bioenergía en colaboracion con el Instituto Mexicano del Petróleo IMP
México
Un productor de petroléo y exportador
En 2006, se produjeron 3.256.000 barriles de petróleo por día
Durante la década pasada, las exportaciones de petróleo y los productos
subproductos derivados del petróleo han estado por arriba del 14.5%
del PIB de México
.
Extracción de petróleo, procesamiento y comercialización es la
mas importante área económica en México
La proporción más grande en el empleo
El valor más alto en exportaciones totales
La participación más alta en el PIB
Energía en México
Producción total decreciente de petróleo desde 2004, más del 5%
Demanda cada vez mayor de la gasolina. Necesidad creciente de
importar
PEMEX tiene aproximadamente 140,000 empleados por todo el país
La demanda nacional en los productos derivados del petróleo explica
1.3 millones de barriles por día
El transporte es el 63% de la demanda total de la energía líquida en
México. Un aumento de 6-8% desde 2003.
Para el año 2030, 34 millones de litros de etanol serán necesarios por
día
Mexico´s Potential for Bioenergy
Megadiversidad Botánica
Con solo 1.4% de toda la superficie terrestre, 12% de las especies de la planta
conocidas
Flora neartica y neotropical
Alta diversidad y endemismo en suelos secos y y bosques secos (40% del total de
los suelos de México)
Tierras arables contra tierras marginales en México
– 40% de toda la tierra es inadecuada para la agricultura para la producción
alimentaria
– otro 40% de las tierras es inaccesible
– solo 20% es apropiada para la agricultura. Toda ella deben ser reservados para
producción alimentaria
– Solo el 8 a 10% es una sabana seca altamente perturbada, la region agrícola que
en el pasado podría haber sido usada para la cosecha de productos para
bioenergía
Lignocelulosa - Etanol
Cosecha materia base
Tratamiento físico
Molienda - Temperatura
Vinasas
Composteado
Destilación
Medio de fermentación
fermentación- etanol
Biomasa Microbiana
LIGNINA
Delignificación
Química-Enzimatica
Celulosa-Hemicelulosa
Hidrolisis y Sacarificación
Química/ mezcla
Enzimática
Producción de etanol hoy
La Gloria S.A. de C.V. Una moderna
destileria y unidad de fermentación
120,000 Lt etanol/day
Unidad avanzada conversión de etanol
Planta piloto y unidad analítica
(Microbiología-LC-GC-MS)
Blackstrap molasses
Jugo de caña
almidón de Cassava (escala
experimental)
I. Energía de Biomasa
Pastos tropicales – llanos costeros del golfo de México
especies nativas inducidas : Saccharum. Panicum, Cymbopogon and
Andropogon
Compañias manufactureras de azúcar: La Gloria Distillers
Tuberculos almidonados
Cassava sp - La Gloria Distillers
Árboles y arbustos : Liquidambar (goma dulce) y árboles tropicales (Ochroma
sp). CONACYT (Council for C&T), INIFAP (National Research Institute
Agriculture and Forestry) and CONAFOR-(National Council for Forestry)
Plantas de agave: CONACYT, CONAFOR, State Governments, DESAA and
METCO S.A. , Tequila Herradura
Necesidad urgente de estudiar diversidad de plantas en México y
Bioprospección para la producción del bioetanol .
Azúcar de caña para celulosa?
Altamente arraigado y manejo intensivo de la caña de azúcar
proporciona:
55 fábricas de azúcar en el país
85 ton / Ha
con 8.2% hexosa+pentosa (no incluyendo azúcares solubles)
4000 Lts etanol (100%) / Ha.
Asumiendo que 34 millones de Lts de etanol por día (10% del
total de hidrocarburos presente hoy en México ):
8,500 Ha debe ser cosechado diariamente
Anualmente, 3 millones de Ha
un quinto de la producción 15 millones Ha = La mitad de región agrícola
en México claramente: se requieren que las cosechas sean bajas en
lignina y Glucanos, resistentes a la sequía
Pastos tropicales
Hierbas resistentes a la sequía de campos.
Gramíneas resistentes a sequía
Investigación para delignificacion, en
especies resistentes a la sequía
Adaptación a los suelos salinos arenosos
Panicum especie de mala hierba distrubuida
ampliamente en el golfo
Plantas de Agave de México. Una potencial fuente de
energía cosechada en las zonas áridas
El genero Agave es un miembro de la familia Agavaceae
Nativo de América
310 especies alrededor del mundo
272 especies presentes en México
Resistentes a la sequía y a la salinidad
Distribución amplia. De nivel del mar al > 3000 metros de altitud
Plantas de Agave de México. Una potencial fuente de
energía cosechada en las zonas áridas
El genero Agave es un miembro de la familia Agavaceae
Nativo de América
310 especies alrededor del mundo
272 especies presentes en México
Resistentes a la sequía y a la salinidad
Distribución amplia. De nivel del mar al > 3000 metros de altitud
Plantas de Agave de México. Una potencial fuente de
energía cosechada en las zonas áridas
El genero Agave es un miembro de la familia Agavaceae
Nativo de América
310 especies alrededor del mundo
272 especies presentes en México
Resistentes a la sequía y a la salinidad
Distribución amplia. De nivel del mar al > 3000 metros de altitud
Plantas de Agave de México. Una potencial fuente de
energía cosechada en las zonas áridas
El genero Agave es un miembro de la familia Agavaceae
Nativo de América
310 especies alrededor del mundo
272 especies presentes en México
Resistentes a la sequía y a la salinidad
Distribución amplia. De nivel del mar al > 3000 metros de altitud
A. tequilana
A. angustifolia
A. atrovirens
Industria basada en Agave
Agave tequilana – Tequila
Compañias altamente tecnificadas
para fermentación y destilación
Agave angustifolia – Mezcal
Compañias no tecnificadas en
fermentación y destilación sobre
todo nacional
Ambos: Alto contenido de
fructanos - el producto destilado
y los azúcares de fructano
tienen alto valor agregado
Industria del Agave
Agave atrovirens – Aguamiel y
Pulque
Montañas centrales de México
Pulque: la bebida alcohólica
fementada, bajo contenido de
alcohol incluyen, bacterias
lácticas , levaduras
Las plantas mas grandes del
grupo en México. Son usadas
para reforestación de suelos
erosionados
Las oportunidades
Son las plantas de agave una alternativa de cosecha para la producción
de bioetanol?
Agave para bioenergía
Plantas de agave:
20 to 44% solidos, dependiendo de las especies, suelos y manejo
agrícola
Rango de azúcares solubles , sobre una base mojada de 5 to 20%
Lignocelulosa 10 a 18%
Agave atrovirens puede ser producido sin fertilización y muy poca labor,
y se pueden producir 3000 plantas / Ha
El peso fresco medio de la biomasa aérea en 10 años es de 270 Kg.
10 plantas del agave producen 1.2 Tons/Ha por año de
carbohidratos (solubles y celulósico). Doce veces menos que la
caña de azúcar(16 Tons/Ha por año), pero con 20 veces menor
costo, y en tierra marginales, no arables.
Composición del Agave atrovirens . Celulosa y lignina
contenida en base seca
Comparativamente contenido de lignina en bagazo de caña
de azúcar es de 22% y de 24% en liquidámbar
Análisis por HPLC de monosacáridos Hidrolizados
Convertibility of Agave Lignocellulose vs Sugarcane bagasse
Material crudo y tratamiento
Material crudo
Hidrólisis
Rendimiento de azúcares
Azúcares reductores (ARD=
rendimiento de etanol
48 hrs g l-1
-1
gl
Agave Metzal
Rendimiento (% w/ w Initial
RS)
Acid
24.82
7.4
29.81
Acid
19.45
6.5
33.42
Acid
35.43
5.0
14.11
Acid
29.9
4.7
15.72
Alkaline-enzymatic
56.37
6.6
11.71
Alkaline-enzymatic
28.44
6.3
22.23
Alkaline-enzymatic
38.38
12.5
32.57
Alkaline-enzymatic
50.08
12.9
25.76
(Mz)
Agave Mezontete
(Mt)
Sugar Cane
Depithed (B)
Sugar Cane Pith
(Bc)
Agave Metzal
(Mz)
Agave Metzontete
(Mt)
Sugar Cane
Depithed (B)
Sugar Cane pith
(Bc)
Rendimiento de fermentación de azúcares Hidrolizados de bagazos de caña de
azúcar y agave
.
Efecto de Formulaciones de las enzimas (Novo) en metzal y
metzontete de agave, rendimiento de hidrólisis comparativo a pH 4.5
Lignocelulósa - Etanol
Cosecha- materia base
NUTEK – PRODUTERRA
Vinasas
Composteado
Tratamiento físico
Molienda -temperatura
MACHADO
LIGNINA
PRODUTERRA
LA GLORIA
Delignificación
Destilación
Química-Enzimática
METCO
PRODUTERRA
ENMEX ?
DESAA
Medio de
fermentación
Fermentación- etanol
Biomasa microbiana
LA GLORIA
BACARDí
HERRADURA
METCO
LA GLORIA
Celulosa-Hemicelulosa
Hidrólisis y Sacarificación
Química / Mezcla
Enzimática
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO
PRODUTERRA,
DETABIO, CONAFOR,
INIFAP, LA GLORIA
Comparación de la producción de azúcares reductores en bagazo de
agave y caña de azúcar usando tratamientos optimizados alk-enz
Hernández – Salas et al. (2008). Bioresource Technology. In Press
Efecto de las preparaciones enzimáticas sobre la producción de
azúcares reductores en bagazo de agave
Hernández – Salas et al. (2008). Bioresource Technology. In Press
Microbiología y Tecnología enzimática
- Dos Areas:
- Enzimas y microorganismos para fermentación de melazas
y jugos de caña de azúcar
- Invertasas
- Cepas de levaduras osmofílicas tolerantes a alcohol
- Aislamiento de nuevas cepas de Zymomonas
- Enzimas para almidón y conversión de lignocelulosa
Microbiología de composteo
-
Colecciones de cepas de hongos lignolíticos y glucanolíticos,
actinomicetos y Bacillus.
Microorganismos e invertasas para mejoramiento de
la fermentación de sucrosa METCO S.A. de C.V.
- Producto sltsmente estable
- Invertasas. una patente
nacional.
- Cepas de levaduras
osmofílicas tolerantes a
alcohol. Una patente
nacional.
- Aislamiento de nuevas
cepas Zymomonas de jugos
de agave y mostos
Invertasas para la fermentación mejorada del jugo
de caña de azúcar y melaza
- Propietarios del proceso
de fermentación METCO
e IPN. Posible convenio
con ENMEX, ciudad de
México
- Ensayos de escala
industrial concluidos
(tanques de 200,000 Lts )
10.0
La Gloria y
7.5
% Alcohol
Bacardí y Compañía
S.A.
Control
Inv 1.0 %
Inv 0.1%
5.0
2.5
0
0
10
20
hr
30
40
Biodiversidad de microorganismos de composta. Bioprospección
- Microbiología y análisis Molecular de composteado
-
Investigación dirigida de enzimas lignolitícas y glucanolíticas
- Tres compañias:
- NUTEK S.A. –Operación de composteado grande. Subproductos de las aves
de corral
- DETABIO S.A. –Producción, desarrollo de la cosecha. Contrapartes en Tudela,
España.
- PRODUTERRA S.A. – Spin-out empresa del IPN.Composteo experimental de
bio-pila. Dos patentes, un International en microorganismos bioactivos. Grupo
de la fabricación del azúcar de Machado.
- Lacasas – Peroxidasas – Celulasas, Xilanasas y otras activitidades de
enzimas hidroliticas.
Microbiología y análisis molecular de composteado
DGGE análisis
de
Actinomiceto y
diversidad
fungal
a
b
c
Thermophilic
Beta 1,3 –
glucanolytic
bacteria
Microorganismos termófilos para la producción
Enzimática
NRRL 2270
NRRL 4869
H6A-C84
H71D
Más de 1500 aislamientos. Hongos, Bacillus y
cepas de Actinomicetos
Producción a escala piloto de la fermentación
sumergida
- México cuenta con tecnologías conocidas para la producción
de etanol
- IPN – Centro de Investigación en Biotecnología – Cluster
sectorial de bioetanol celulósico
- Todos los aspectos de la cadena de la producción del
bioetanol ahora bajo estudio, evaluación, adopción y mejora
de tecnología. De la selección y de la producción de la
cosecha, a las bioconversiones y a la destilación
- La destilería de Gloria está trabajando como la unidad de
prueba experimental para el bioetanol en México. IPN es la
plataforma académica y de innovación
Grupo y Colaboradores
CIBA-IPN Tlaxcala
Karla Rivera Hernández
Sugeyrol Villa Ramírez
José Manuel Hernández Salas
Miguel Ángel Plascencia Espinoza
Susana Salinas Bedolla
Angélica del Carmen Ruiz Font
Julieta Salome Veloz Rendón
Oxana Lazo Zamolloa
Reyna Gómez Flores
Sugeyrol Vila Ramírez
Angélica Ruiz Font
Pilar Jiménez Hernández
Carolina Ramírez López
Itzel Reyes Méndez
Inés García Peña
Salomé Veloz Rendón
Marisol Sánchez Esgua
Maribel Flores González
Luis Montes
Guillermo Cruz Nicolás
CONAFOR - Jalisco
Alfredo Mayén
Ana Karla Perea
BUAP-SEMARNAT - Hidalgo
Adriana González César
INIFAP
Susana Aspiroz
Amador Honorato
IMP – Mexico City
Jorge Aburto
UNIVERSITY OF IDAHO – EBI
Don Crawford
Ron Crawford
Andrzej Paszczynski
Grupo y Colaboradores
Desarrollos Agropecuarios del Altiplano S.A. de C.V. - Puebla
Martín Pichardo Rico
Humberto Ordoñez
Jeanet Morales Chávez
Metco S.A de C.V. – México City
Octavio Ramírez Rojas
Alfonso Calderón
Elizabeth Loza Valerdi
Julio Cercado Jaramillo
Tequila Herradura S.A. de C.V. - Jalisco
Aideé Orozco Hernández
Miguel Cedeño Cruz
Alejandro Arias
Grupo y Colaboradores
Produterra S.A. de C.V. - Veracruz
Fidel Delgado
Héctor García
Bacardí y Cía – Mexico City
José Sánchez Gavito
Jesús Reza Haro
La Gloria S.A. de C.V. . Mexico City
Laureano Pérez
Miriam Hernández
José Seoane
Grupo y Colaboradores
Grupo Azucarero Machado - Veracruz
Manuel Enríquez Poy
Israel Gómez
Juan Pérez
NUTEK S.A. de C.V. - Puebla
Javier Lara
Irlanda García
DETABIO S.A. (Puebla, México and Navarra, Spain)
Rafael Zabalza Beraza
Alberto Guzmán Alonso
Javier Rosas Pérez
GRACIAS
GRACIAS
[email protected]