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

5

Biodiesel

MATERIAS PRIMAS

• Ésteres de ácidos grasos

+ Aceites Vegetales

+ Grasas Animales

+ Aceites de Fritura Usados

• Alcoholes

+ Metanol

+ Etanol

Curso Posgrado 2012

6

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

7

Comparativa de propiedades Curso Posgrado 2012

Curso Posgrado 2012

9

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

11

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

12

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

21

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

28

Curso Posgrado 2012

29

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

31

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

34

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

40

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

41

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