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Aplicación de enzimas y microorganismos
para la producción de biocombustibles renovables
Procesos de Química Sostenible utilizando enzimas como catalizadores
Curso Posgrado Ciencias y Tecnologías Químicas
Los efectos del calentamiento global y la creciente escasez y precios del petróleo, serán la
prioridad de las políticas energéticas
Curso Posgrado 2012
World total primary energy supply 2004, shares of 11.2 billion tons of oil equivalent, or 470 EJ
En Europa, el consumo actual de energías renovables es de un 6,3%
Curso Posgrado 2012
Problemas de los aceites vegetales Con motores
convencionales:
• Alta densidad
• Inestabilidad
• Alto coste vs. Gasóleo
• Viscosidad Elevada
• Mayor consumo
• Menor rendimiento
Curso Posgrado 2012
UTILIZACIÓN DE ACEITES VEGETALES COMO COMBUSTIBLE DE AUTOMOCIÓN
Aceite vegetal “El uso de aceite vegetal como combustible para motores se puede ver insignificante hoy en día. Pero tal aceite puede llegar a ser con el curso del tiempo tan importante como el petróleo y el carbón lo son en el presente" Rudolf Diesel, 1912
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Biodiesel
MATERIAS PRIMAS
• Ésteres de ácidos grasos
+ Aceites Vegetales
+ Grasas Animales
+ Aceites de Fritura Usados
• Alcoholes
+ Metanol
+ Etanol
Curso Posgrado 2012
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Biodiesel. Caracteristicas
• Viscosidad similar al gasóleo
• Elevado número de cetano
• Reducción de las emisiones
• 31% de los costes de producir la misma cantidad de gasóleo
• No tóxico y seguro
• Ecológico y renovable
Curso Posgrado 2012
BIODIESEL. Obtención, Aplicaciones y Tecnología
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Comparativa de propiedades Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
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Ventajas del Biodiesel
• Cierra el ciclo del carbono
• No es tóxico ni peligroso
• Aumento del rendimiento
• Poder lubricante
Curso Posgrado 2012
La reacción Química
• Reacción de Transesterificación
• Requiere catalizador y temperatura alta (~50ºC)
• Aplicable a Aceites (Triglicéridos)
Curso Posgrado 2012
Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2007. 11, 1300-1311
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Tipos de Catálisis
• Catálisis Ácida: Sulfúrico, Sulfónico
~ 3 horas, 100ºC , no agua, 1-2 %
• Catálisis Básica: NaOH, KOH
~ 1,5 horas, 60ºC
Catálisis Básica: Metóxidos de Na y K
~ 30 minutos, 50ºC 0,5 %
Elevadas conversiones > 98%
• Catálisis Heterogénea
Curso Posgrado 2012
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Nuevas Tecnologías
• Trabajar en contínuo: Catálisis Heterogénea
• Varias líneas de investigación:
1. Intercambio iónico
2. Enzimas inmovilizadas
3. Zeolitas
4. Catalizadores de Zr y Ti
Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
Optimización de la producción de biodiésel por vía enzimática • Evitar o disminuir la
desactivación de las lipasas por el metanol y el etanol
• Agregar el alcohol por etapas • Utilizar un disolvente • Adición de agua • Emplear otros alcoholes • Buscar lipasas más resistentes al
alcohol o más baratas, utilizar lipasas inmovilizadas y estables
• Rendimiento en biodiésel: 98-99%
Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL UTILIZANDO MICROORGANISMOS
Curso Posgrado 2012
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL UTILIZANDO CÉLULAS DE E. coli
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE GLUCOSA
Curso Posgrado 2012
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.
Curso Posgrado 2012
Fermentación
Destilación
Etanol
Zumo
Biomasa azucarada
caña azúcar remolacha
Hidrólisis enzimática
Trituración
Biomasa Amilácea
Maíz, trigo papa
Hidrólisis ácida
Biomasa Lignocelulósica
Madera Residuos Agrícolas
Trituración
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Materias primas para la obtención de bioetanol
HIDRÓLISIS DE ALMIDÓN CON DIFERENTES AMILASAS Curso Posgrado 2012
Lignocelulósicos
COMBUSTIBLES DE SEGUNDA GENERACIÓN
Residuos agrícolas y forestales
Madera
Plantaciones dendroenergéticas
Curso Posgrado 2012
COMPOSICIÓN
DE LA MADERA Curso Posgrado 2012
Celulosa
Compuesta por unidades de glucosa
Curso Posgrado 2012
Madera dura:
• Hexosas (glucosa, manosa) 2- 7 %
• Pentosas (xilosa, arabinosa) 12-15 %
Madera blanda:
• Hexosas (glucosa, manosa, galactosa) 12-15 %
• Pentosas (xilosa) 8-10 %
Hemicelulosa: Azúcares de 6 y 5 átomos de carbono
Curso Posgrado 2012
Lignina Compuesta
por unidades de
fenilpropano
Curso Posgrado 2012
COMPOSICIÓN DE MADERA
Pino Eucalipto
Celulosa 49 53
Hexosa 14 2
Pentosas 5 20
Lignina 30 22
Extraibles 2 2.5
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Curso Posgrado 2012
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EL PROCESOS PARA
LA PRODUCCION
BiOETANOL DE
LIGNOCELULOSICOS
Curso Posgrado 2012
El pretratamiento
tiene como
finalidad hacer la
celulosa más
accesible a la
hidrólisis
enzimática y
solubilizar las
hemicelulosas
PRETRATAMIENTO
New Phytologist (2008) 178: 473–485 30
Pretratamientos
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1. Biológicos: hongos degradadores de
madera.
2. Químicos: álcali, ácidos, agentes
oxidantes, solventes orgánicos.
3. Físicos: Molienda, triturado,
irradiación.
4. Físicoquímicos: explosión con vapor.
5. Combinación de los anteriores.
Lignocellulose
Pre-tratamiento
Curso Posgrado 2012
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
Fermentación
Etanol
Ruptura de las cadenas de celulosa a glucosa a 45-50ºC
S. cerevisiae fermenta glucosa a 25-30ºC
33 http://neri.org.nz/pdfs/neri_conference_proceedings_11_2007/Presentation%2011/11.%20Justin%20Goh.ppt
Justin Goh, University of Auckland, Auckland, NZ
Curso Posgrado 2012
MECANISMO DE ACCIÓN COMBINADA
Y SINÉRGICA ENDO-EXO
Sistema celulolítico de T. reesei. NR extremo no-reductor, R extremo reductor, C regiones cristalinas
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Curso Posgrado 2012
BIO-REFINERÍA: APROVECHAMIENTO DE BIOMASA
Residuos agrícolas
Compuestos alto valor añadido
Ceras Esteroles Alcanos Ácidos grasos ………
Extracción
Lignocelulosa
Celulosa/hemicelulosa >> GLUCOSA Lignina
Biomateriales Papel Plásticos
Moléculas precursoras Succínico Ácido láctico
Biocombustibles Bioetanol Gas Biodiesel
Compuestos Orgánicos Vainillas Aromáticos Derivados
Bioenergía Calor Bio-oil
Clark et al, 2006. Green Chem. 8, 853-60
scCO2
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DE MATERIAS PRIMAS RENOVABLES
Curso Posgrado 2012
Bioetanol Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
ESTIMACIÓN PRODUCCIÓN ETANOL E. globulus
9791 90
94 78 8782 80
345353336337318308302284
0
100
200
300
400
1-3 4-6 7-10 11-15 16-20 21-25 26-30 >30
Edad (a–os)
Eta
no
l (L
/to
n)
Hexosas Pentosas
Eucalyptus globulus
39
316 325367 380 381 402 401
361
31
2927343240
4258
0
100
200
300
400
1 - 3 4 - 6 7 - 10 11 - 15 16 - 20 21 - 25 26 - 30 > 30
Age (years)
Eth
an
ol
(L/T
on
)
Hexoses PentosesP. radiata
ESTIMACIÓN PRODUCCIÓN ETANOL P. radiata
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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
edad años m3/ha año m3/hadensidad
kg/m3ton /ha m3 etanol/ha ha/año E5
ha para
rotaciones
E. globulus 8 20 160 500 80 25 6,390 51,118
15 20 300 500 150 47 3,408 51,118
P. radiata 15 24 360 380 137 44 3,655 54,825
25 24 600 420 252 81 1,984 49,603
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Curso Posgrado 2012
COMBUSTIBLES A PARTIR DE GLUCOSA …CATALIZADORES QUÍMICOS
Deshidratación por catalizadores ácidos
condensaciones aldólicas (catalizadores básicos) deshidrataciones-hidrogenaciones catalizadores bifuncionales (metales-ácidos)
O
CH2OH
HO
HO
OH
OH
C7-C15 alcanos, naftas, etc.
Huber et al, 2005 Production of liquid alkanes by aqueous-phase processing of biomass-derived carbohydrates
Science. 308 (5727), 1446-50.
O
OOH
Fig. 4. Electron transport to nitrogenase and hydrogenase in photosynthetic microorganisms. A common pathway occurs in cyanobacteria (to nitrogenase) and green algae hydrogenase. Sites of ATP synthesis and hydrolysis are shown by wavy lines with upward and downward arrows, respectively. Light-driven reactions are denoted by hv .
Producción biológica de H2 Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
La biodigestión. Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012
Curso Posgrado 2012 BIODIGESTIÓN EN PLANTAS DEPURADORAS DE AGUA