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Integración de Biotecnologías Avanzadas para Acelerar el Camino a la Comercialización desde Biomasa a la Producción de Etanol Celulósico Marco A. Báez.

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1 Integración de Biotecnologías Avanzadas para Acelerar el Camino a la Comercialización desde Biomasa a la Producción de Etanol Celulósico Marco A. Báez Vásquez, Ph.D., MBA Head of Bioenergy and Biorefineries Initiative Biotechnology Center of Excellence Corporation (BCEC) 1er Congreso Internacional de Biocombustibles é Mayo 7 y 8, 2008 Guadalajara, México.

2 1.Introducción General 2.Interfases Tecnológicas Multisectoriales (ITM) 3. Ciencia y Plataformas Tecnológicas 4. Configuración de Procesos 5. Plan Estratgico para Mxico y Latin Amrica 5. Plan Estratégico para México y Latin América Estratgia de Cinco Niveles Estratégia de Cinco Niveles AGENDA

3 El Cambio Climático y su Impacto en el Entorno ó Ecológico es Irreversible Biocombustibles Utilizando Lignocelulosa 85%< Reducciones de GHGs Protocolo de Kyoto naciones indust. reducir 5% emisiones de CO 2 para el 2010 A largo plazo 50%< es requerido para estabilizar niveles de CO 2 en la Atmosfera Mezclas Etanol-Gasolina E10 Reduce 3% GHG E85 reduce 31% GHG Mezclas de Etanol (Maiz) E10 reduce Emisiones GHG 38% E85 reduce emisiones GHG 41%

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5 Retos y Oportunidades

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7 Drivers Externos y Panorama Global Precio del Petróleo y Gasolina (Transporte) Precio del Petróleo y Gasolina (Transporte) –Oferta/Abastecimiento y Demanda Global –Instrumentación de los Estándares para Carburantes y Política Energética Precio y Abasto de Almidón (Maíz) para Prod. Etanol vs otros Rec. Caña, Trigo, Sorgo, Café Precio y Abasto de Almidón (Maíz) para Prod. Etanol vs otros Rec. Caña, Trigo, Sorgo, Café – –Existencia de Estándares para Combustibles Renovables – –Marcados para co-productos (DDGs) del Maíz-Etanol Proc. Precio y Abasto de la Biomasa Agricola Precio y Abasto de la Biomasa Agricola – –Cuanto se puede colectar y costo? – –Infraestructura necesaria para la colección, almacenamiento y entrega? – –Existen otros Mercados Alternativos que Puedan Competir con la Producción de Etanol? Regulación y Política Ambiental a nivel Nacional Regulación y Política Ambiental a nivel Nacional – –Mitigar Efecto Invernadero, Impuestos en Carbón y otros Instrumentos Disponibles.

8 Necesaria una Transición más Dinámica de la Economía Basada en el Petróleo hacia una Econom í a Basada en los Recursos Agr í colasBiomasa Vegetal Renovable Econom í a Basada en los Recursos Agr í colasBiomasa Vegetal Renovable Incentiva la Economía Nacional e Impulsa el Desarrollo Incentiva la Economía Nacional e Impulsa el Desarrollo Económico Regional Económico Regional Alta Prioridad: La Producción de Alimentos se Preserva y se Coadyuva Alta Prioridad: La Producción de Alimentos se Preserva y se Coadyuva Promover Sinergias Productivas Intersectoriales Promover Sinergias Productivas Intersectoriales Nueva Estratégia Nacional contra el Cambio Climático Nueva Estratégia Nacional contra el Cambio Climático Impulso de Energías Alternativas más Eco-Eficientes Impulso de Energías Alternativas más Eco-Eficientes Interconección Estratégica de los Sectores Agrícola, Energético Interconección Estratégica de los Sectores Agrícola, Energético e Industrial e Industrial Preservar en Forma Racional y Sostenible el Entorno Ecológico Preservar en Forma Racional y Sostenible el Entorno Ecológico

9 Transformando Residuos Celulósicos Agrícolas e Industriales en Energía Renovable Lignocelulosa

10 ó Demanda Global 75bn gallons, para cubrirse via 15bn biodiesel, 20bn etanol cereales, and 40bn residuos y conversión de biomasa

11 Beneficios de la Bioeconomía una Verdadera Revolución Verde Materias Primas No- Renovables Procesos Productos Desecho Recursos Bióticos Renovables Bioprocesos Bioproductos Sub-productos Convencional Tecnología Verde Petróleo Biomasa (Desensamblaje, recuperacion y reciclado) Reciclado de biorecursos Relleno Sanitario o Incineración Ciclo Sustentable

12 Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva Revolución Verde

13 Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva Revolución Verde

14 Interfases Tecnológicas Multisectoriales (ITM)

15 Transformando Residuos Cellulósicos Agrícolas e Industriales en Energía Renovable Lignocelulosa

16 Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva Energía Verde Energético Agrícola Industrial Economia Medio Ambiente

17 Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva Energía Verde ó Interfaces Tecnológicas Multisectoriales ITMs Energético Agrícola Industrial Economia Medio Ambiente ITM ITM ITM ITM ITM ITMITM ITMs Acelerar Comercialización Data Bridges K. Engineering Intellectual Property P.

18 Productos y Cultivos Agricolas, Prod. Forestales para Alimentos, Fibras y otros Usos Industriales Nuevas Variedades í Agrícolas Mejoradas via Sistemas Moleculares Modernos y Plataformas Tecn. Avanzadas Cultivos Extensivos para Primera Generación de Biocom Bustibles, Prod. Quim. y Materials. Nuevos Recursos de Biomasa (cultivos, forestal, esquilmos) ó Para la nueva generación de Biocombustibles, Quimicos y Materiales II III I IV BeneficiosNacionales-Seguridad, Economía, Ambiental,Sustentabilidad Nuevos Cultivos/Biorecursos Enfocandose a Mercados de Valor Agregado Local, Nacional e Internacional Sectores Clave Agrícola y Forestal para Impulsar Biorefinerias en la Producción de Energia, Materiales y Prod. Químicos Alternativas para Promover la Bioeconoma Nacional Alternativas para Promover la Bioeconom í a Nacional

19 Ciencia y Plataformas Tecnológicas

20 Acelerar el Desarrollo y Conocimiento Sistemático para Beneficio de la Humanidad

21 Biología Sintética Microbiología Ferment. a Larga Escala Optim. de Líneas Celulares Proteómica Ingeniería Metabólica Genómica ó Integración de Tecnologías de Punta para ó Acelerar la Producción Costo-Eficiente y ó Comercialización de los Biocombustibles

22 Integracion de Tecnologias Avanzadas Para Acelerar La Prod. Costo-Effectiva de Biocombustibles Celulosicos ó Integración de Tecnologías de Punta para ó Acelerar la Producción Costo-Eficiente y ó Comercialización de los Biocombustibles

23 Producción de Bioetanol Utilizando Material Lignocelulósico Materias Primas Pretratamiento Sacarificación Glucosa, xylosa Fermentación Etanol Enzimas: Cellulasas, Hemicelulasas

24 ETANOL (+) SUBPROD. GLUCOSA PENTOSAS CERVEZA + BIOXIDODE CARBONO + BIOXIDO DE CARBON LEVADURA 1 MOSTO GLUCOSADO MOSTO DE ALTA PENTOSA LEVADURA 2 MEDIO ACIDO MEDIO ACIDO CELULOSA HEMICELULOSE AGUA (+) PROCESO FISICO CERVEZA HIDROLISIS ENZIMATICA Sacarificacion FERMENTACION ( + ) DESTILACION ( + ) Introducción al Proceso de Hidrólisis Enzimática Etapas para la Producción de Bioetanol apartir de Materiales Lignocelulósicos PRETRATAMIENTO TERMOMECANICO TERMOQUIMICO FIBRAS SUSCEPTIBLES A HIDROLISIS ENZIMATICA

25 Coproductos del Bioetanol Hidrolizados Hemicelulose (Xylose) Hidrolizados Cellulose (Glucose) 1 o Hidrólisis Enzimática de la Celulosa Pretratamiento e Hidrólisis de la Hemicellulosa 2 o Hidrólisis Enzimática & Fermentatión Recuperación del Etanol & Purificación Biomasa Celular Enzimas (Proteinas, Peptidos) Residuos Solidos del Process Residuos Líquidos del Process Biomass EtOH 1 o Hidrólisis Enzimática de la Celulosa Pretratamiento e Hidrólisis de la Hemicellulosa 2 o Hidrólisis Enzimática & Fermentatión Recuperación del Etanol & Purificación Residuos Sólidos Del Proceso Lignina Insoluble (Prod. Fenólicos de Alto MW) Lignina Soluble (Prod. Fenólicos de Bajo MW)

26 Fibra de Maíz Bagazo de Caña Fuentes Renovables de Biomasa Lignocelulósica

27 Celulosa Lignina Región Amorfa Región Cristalina Pretratamiento Hemicelulosa o Almidón Mecanismo de Hidrólisis Celulolítica

28 Incrementando Eficiencía Catalítica A nivel Comercial es Necesaria una Combinación Óptima de Celulasas y Hemicelulasas Producidas en el Mismo Sistema de Expresión

29 Tejidos Vasculares Recalcitrantes Tinsión Clorito-Sulfito Biodegradación Ref. D.E.Akin, 2006 Celulosa 39%-43% Hemicelulosa 20% Lignina 22%

30 Tinsión con Floroglucinol Biodegradación Tejidos Recalcitrantes no-degradables = Epidermis, Anillos del Esclerenquima y ring, Zonas Vasculares Ref. D.E.Akin, 2006

31 Configuración de Procesos

32 Incrementar Eficiencia Catalítica Enzimas Organismo Etanologénico Integración de Proceso Estratégias para la Reducción de los Costos de Proceso Regulación & Expresión Inducción, De-represión Genómica Manufactura y Economias de Escala

33 Etanol Celulósico: Ruta hacia la Comercialización BIOMASA HYDROLISIS DE CELULOSA FERMENTACION DE PENTOSAS UTILIZACION DE LIGNINA RECUPERACION DEL ETANOL PRODUCTION DE ENZIMA PRETRATAMIENTO FRACCIONACION HIDROLISIS DE HEMICELLULOSA FERMENTACION DE GLUCOSA BIOREFINERIAS PROD. QUIMICOS EN BASE A CARBOHIDRATOS

34 Pretratamiento Facilita la Conversion de la Hemicelulosa a Xilosas y Arabinosas Monomericas Facilita la Conversion de la Hemicelulosa a Xilosas y Arabinosas Monomericas Incrementa la Susceptibilidad de las Fibras de Celulosa a la Hidrlisis Enzimática Incrementa la Susceptibilidad de las Fibras de Celulosa a la Hidr ó lisis Enzimática Condiciones de Proceso` Niveles TermoquímicoDilute Acid Concentración de Sólidos en Reactor 30 % Tiempo de Residencia2 min Concentración de Ácido Sulfúrico 1.1 % Temperatura190 °C Explosion de Vapor10< min

35 Concentración de Sólidos en Reactor Mínimo Precio de Venta Etanol ($USD/Gal) Efecto del Nivel de Sólidos en la Prehidrólisis de la Biomasa

36 Descubrimiento de Nueva Generaci ó n de Enz i mas Especificas Multiples Substratos ó ó Nueva Generación de Enzimas y Microbios (Ing. Metabólica) Residuos Agric. DDGs Bagazo de Caña Paja de Maíz Paja de Trigo Pretratamientos Alternativos High Yield of Fermentable C5s and C6s Altos Rendimientos de Azúcares Fermentables C5s and C6s

37 Homogenización Pretratamiento Ácid Diluido Procesamiento De Solidos Residuales Hidrólisis Enzimática de la Celulosa Producción de Enzimas Fermentación Recuperación del Etanol Hidrolizados de Hemicelulosa Hidrolizados de Celulosa Configuración de Proceso: La Hidrólisis Enzimática Independiente de la Fermentación (SHF)

38 Homogenización Pretratamiento Ácido Diluido Producción de Enzimas Procesamiento de Solidos Residuales Sacarificacion y Co-fermentación Simultaneas Recuperación Del Etanol Hidrolizados de Hemicelulosa NREL, Desarrollo de el Proceso de Etanol Configuración del Proceso Enzimático en la Sacarificación y Cofermentación Simultáneas

39 ProcesoComercial FACTORES CLAVE Sacarificación & Fermentación Simultanea Sacarificación Inicial Biomasa Agr. Pretratada Recuperación y Destilación de Producto Integración de Etapas para Consolidar un Bioproceso Económico y Eficiente

40 Periodo de Fermentación (días) Mínimo Precio de Venta Etanol ($USD/Gal) Proceso de Sacarificación y Fermentación Variaciones del Tiempo de Residencia en la Fermentación y su Impacto en los Costos del Proceso

41 Mínimo Precio de Venta Etanol ($USD/Gal) % Conversion Sacarificación y Fermentación de Glucanos Proceso de Sacarificación y Fermentación Niveles de Conversión (%) Hidrólisis de Celulosa - Fermentación de Glucanos y su Impacto en los Costos del Proceso

42 + Xilosa 80%< + Arabinosa 80%< + Otros Azύcares Fermentables 80%< Glucosa 95% Mínimo Precio de Venta Etanol ($USD/Gal) Proceso de Sacarificación y Fermentación Niveles de Conversión (%) Diferentes Azucares Fermentables de Biomasa Lignocelulosica y su Impacto en los Costos del Proceso

43 Estratgias para la Reducción de Costos Estratégias para la Reducción de Costos Reducción del Costo de Capital Reducción del Costo de Capital –Expansión de la Planta Existente –Cerca de una Planta de Cogeneración de Energia (carbon) –Ubicarla entre el Ingenio y la Planta de Energia –Excelente Sinergia con el Sistema Actual: Mismo lugar, mismo producto Mismo lugar, mismo producto Reducir el Costo de Capital Mediante Reducir el Costo de Capital Mediante Fuentes Alternativas de Financiamiento Fuentes Alternativas de Financiamiento –Prestamos de Garantia –Deducciones y Beneficios de Impuestos Municipal/Estatal/Federal

44 Plan Estratgico para Mxico y Latin Amrica Plan Estratégico para México y Latin América Estratgia de Cinco Niveles Estratégia de Cinco Niveles

45 REFINERIAS DEL FUTURO Plataforma Carbohidratos Hidrólisis Enzimática Derivados de Lignina Plataforma Termoquímica Pirólisis Gasificación Productos Combustibles Químicos Calor y Potencia Biomasa Residuos Agric. Cultivos Energeticos Biorefinerias Productos Intermedios Azúcares y Lignina Productos Intermedios Gaseosos y Líquidos

46 REFINERIAS DEL FUTURO…….HOY! ó Recursos Renovables para la Producción í De Combustibles y Productos Químicos Alimentos y Fibras Alimentos y Fibras Ingredientes Ingredientes Combustibles Combustibles Química Fina Química Fina Polímeros Polímeros Solventes Solventes Plsticos Plásticos Textiles Textiles Adhesivos Adhesivos Pigmentos Pigmentos Lubricantes, etc… Lubricantes, etc… Procesos de Conversión

47 Estratgia de Interfases Tecnológicas Multisectoriales ITM por regiones. Estratégia de Interfases Tecnológicas Multisectoriales ITM por regiones. Conectando Interfases a travs de Puentes de Información para generar Conectando Interfases a través de Puentes de Información para generar mas know-how sostenible via un Mapa Tecnológico mas know-how sostenible via un Mapa Tecnológico Crear un Mapa Tecnológico por Regiones y Fortalecer Protección de la Crear un Mapa Tecnológico por Regiones y Fortalecer Protección de la Propiedad Intelectual en el sector Bioenergtico Propiedad Intelectual en el sector Bioenergético Mejora en Reforma Interna Regulatoria para evitar inhibir el desarrollo de Mejora en Reforma Interna Regulatoria para evitar inhibir el desarrollo de Sectores industriales emergentes, inversiones y comercialización de los Biocombustibles. Mayor Inversiones en I&D e Incentivar la colaboración internacional Mayor Inversiones en I&D e Incentivar la colaboración internacional Estratégia de Cinco Niveles

48 Industria Agricultura Energίa Integrando Sinergias Sectoriales para Potenciar sus Beneficios Tecnológicos y Económicos a Nivel Regional y Nacional

49 M ú ltiples Beneficios de las Bioenerg í as Renovables Económico Económico –Reducir costos y mejorar calidad en productos y derivados –Nuevos Productos & Oportunidades de Mercado –Independencia Energetica (Recursos Alternativos) & Mejora la Competitividad y la Balanza de Negocios Nacional e Internacional en Todas las Áreas Productivas Asociadas Ambiental Ambiental –Previene la Contaminación, Reducción de las Emisiones de Gases (GHG) y otros Tóxicos –Biocombustibles verdes, Productos Químicos y materiales –Productos Reciclables y Biodegradables Social Social –Crecimiento y Diversificación de la Economia Rural –Las Economías Emergentes pueden accesar la Bioeconomía –Mejoramiento en la Calidad de la Vida y Salud Humana a traves de un Medio Ambient mas Límpio traves de un Medio Ambient mas Límpio

50 Petroleum Based Economy Biomass Based Economy Fortalecimiento de la Economía Basada en los Recursos Renovables, Potenciando la Agricultura, El Sector Energético y la Industria, Preservando el Medio Ambiente

51 El futuro es promisorio para todos es verdad que para el bioetanol lo mejor esta por llegar…… Arnold L. Demain Arnold L. Demain MIT Emeritus Professor MIT Emeritus Professor

52 GRACIAS

53 Integración de Biotecnologías Avanzadas para Acelerar el Camino a la Comercialización desde Biomasa a la Producción de Etanol Celulósico Marco A. Báez Vásquez, Ph.D., MBA Head of Bioenergy and Biorefineries Initiative Biotechnology Center of Excellence Corporation (BCEC) 1er Congreso Internacional de Biocombustibles é Mayo 7 y 8, 2008 Guadalajara, México.


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