"Desafíos de innovación para el desarrollo sustentable del bioetanol en las Américas”

“Desafíos de innovación para el desarrollo sustentable del bioetanol en las Américas” El contexto de las Américas Quinta Cumbre de las Américas 2009 Sembrando innovación para cosechar prosperidad 2011 El futuro que queremos Río+ 20 2012 Agua, alimento para la tierra 2013 Grupo de Trabajo III IPCC: Mitigación 2011 - 2013 El escenario de la innovación Global Forum on Agricultural Research (GFAR) Conferencia Global de Investigación Agrícola para el Desarrollo (GCARD) Sistema regional de innovación en América Desafíos y oportunidades Escenario bioenergético Biocombustibles de 2ª generación Proyecto BABETHANOL

Agricultura y Vida Rural Sostenibilidad Ambiental Asegurar el futuro de nuestros ciudadanos promoviendo la prosperidad humana, la seguridad energética y la sostenibilidad ambiental Seguridad Energética Seguridad Alimentaria Agricultura y Vida Rural Sostenibilidad Ambiental Quinta Cumbre de las Américas. Declaración de Compromiso de Puerto España. http://www.summit-americas.org/V_Summit/decl_comm_pos_sp.pdf

Sostenibilidad Ambiental Vulnerabilidad, Sustentabilidad, Adaptación y Seguridad Energética Sostenibilidad Ambiental 4. (…) promover un acceso adecuado y sostenible a la energía, los alimentos y el agua y manejar responsablemente nuestro medio ambiente. 45. Desarrollar sistemas de energía más limpios, asequibles y sostenibles. 49. Diversificar las matrices energéticas  fuentes renovables de energía. 63. Promover la buena gestión ambiental. 67. Fortalecer las acciones y planes nacionales de adaptación y mitigación. Vulnerabilidad, Sustentabilidad, Adaptación y Mitigación Quinta Cumbre de las Américas. Declaración de Compromiso de Puerto España. http://www.summit-americas.org/V_Summit/decl_comm_pos_sp.pdf

… promover la innovación es vital para: incrementar e intensificar la producción y la productividad, mejorar los ingresos, reducir pobreza e inequidad, disminuir el impacto ambiental del sector agroalimentario, responder a desastres naturales, incrementar el acceso a nuevas tecnologías, adaptarse al cambio climático y, consecuentemente, alcanzar la seguridad alimentaria y la calidad de vida para todos nuestros ciudadanos. “Sembrando innovación para cosechar prosperidad” DECLARACIÓN DE MINISTROS DE AGRICULTURA, SAN JOSÉ 2011 Encuentro de Ministros de Agricultura de las Américas 2011 http://www.iica.int/Esp/prensa/Documents/JIA2011Declaracion_esp.pdf 5

Compromiso Estimular innovaciones en diferentes tipos de agroenergía que contribuyan a diversificar la matriz energética y a reducir el impacto ambiental negativo. “Sembrando innovación para cosechar prosperidad” DECLARACIÓN DE MINISTROS DE AGRICULTURA, SAN JOSÉ 2011 Encuentro de Ministros de Agricultura de las Américas 2011 http://www.iica.int/Esp/prensa/Documents/JIA2011Declaracion_esp.pdf 6

Desarrollo sostenible (…) un crecimiento sostenido, inclusivo y equitativo, creando mayores oportunidades para todos, reduciendo las desigualdades, mejorando los niveles de vida básicos, fomentando el desarrollo social equitativo y la inclusión, y promoviendo la ordenación integrada y sostenible de los recursos naturales y los ecosistemas, (…) “El futuro que queremos”. Resolución aprobada por la Asamblea General de las Naciones Unidas. A/RES/66/288. 123ª sesión plenaria del 27 de julio de 2012.

La agricultura está llamada a jugar un papel preponderante para el futuro de la humanidad, pues producirá los alimentos, las fibras y gran parte de la energía que se necesitará para vivir, y puede hacer importantes contribuciones a la conservación de los recursos naturales y la biodiversidad. Síntesis del documento técnico elaborado por el IICA con aportes de profesionales de la República Argentina en apoyo al Encuentro de Ministros de Agricultura de las Américas 2013. Se agradecen los aportes de otros países miembros y expertos en el tema. Lea el documento completo en la dirección: http://go.iica.int/dt-agua-esp

Estrecha vinculación entre energías renovables y desarrollo sustentable Históricamente, el desarrollo económico ha sido fuertemente correlacionado con el incremento del uso de energía y el crecimiento de las emisiones de GEI, y las ER pueden ayudar a optimizar esta relación, contribuyendo al desarrollo sustentable. Summary for Policy Makers (SPM): http://srren.ipcc-wg3.de/ Source: The Working Group III Mitigation of Climate Change of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Summary for Policymakers of the Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (SRREN), approved at 11th Session of Working Group III, May 9th 2011, in Abu Dhabi, United Arab Emirates.

Alimento, forraje, fibra y combustible Complejidad de las interacciones dinámicas entre la sociedad, la energía y el ambiente, asociada con la bioenergía Alimento, forraje, fibra y combustible Macro Escala Biodiversidad Source: The Working Group III Mitigation of Climate Change of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Summary for Policymakers of the Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (SRREN), approved at 11th Session of Working Group III, May 9th 2011, in Abu Dhabi, United Arab Emirates.

Los mensajes claves de mitigación acerca de agricultura. El sector de agricultura, silvicultura y otros usos del suelo representa alrededor del 25% de las emisiones netas antropogénicas de GEI. Las políticas que rigen las prácticas agrícolas, y la conservación y manejo de bosques son más eficaces cuando se involucran tanto a la mitigación como la adaptación. La bioenergía puede jugar un papel fundamental para la mitigación; sii sostenibilidad de las prácticas y la eficiencia de los sistemas de bioenergía. Grupo de Trabajo III. Resumen para Diseñadores de Políticas: Mitigación del Cambio Climático. Resumen sujeto a la aprobación por los delegados de todos los gobiernos participantes. 2014. Disponible en inglés: http://report.mitigation2014.org/spm/ipcc_wg3_ar5_summary-for-policymakers_approved.pdf

“Cambio Climático: Lo que las Américas Pueden y Deben Hacer” Hacer caso omiso de las oportunidades de mitigación en el sector energético conlleva claramente una serie de peligros inherentes. Si no se aprovechan y apoyan las oportunidades para energías renovables, los países en desarrollo del continente americano intensificarán su capacidad de generación de energía con combustibles fósiles a medida que desarrollan rápidamente su infraestructura. Discurso para la Cátedra de las Américas de la Organizacion de Estados Americanos Washington D.C., 13 de mayo 2011 Declaración de la secretaria ejecutiva Christiana Figueres Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático

Objetivo estratégico: PLAN ESTRATÉGICO IICA 2010-2020 Contexto y objetivos estratégicos para el sector agrícola relacionados con cambio climático, recursos naturales y energía Contexto: La vulnerabilidad climática tiene estrecha relación con la agricultura. Aumenta la demanda por productos de la agricultura, para fines no alimentarios: agroenergía, aceites industriales, medicina e industria textil, entre otros. Objetivo estratégico: Mejorar la capacidad de la agricultura para mitigar y adaptarse al cambio climático y utilizar mejor los recursos naturales. Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura. Plan Estratégico 2010-2020: síntesis / IICA – San José, C.R.:IICA, 2011. http://www.iica.int/esp/dg/Documentos%20Institucionales/PE_2010_2020_espanol.pdf

“Desafíos de innovación para el desarrollo sustentable del bioetanol en las Américas” El contexto de las Américas Quinta Cumbre de las Américas 2009 Sembrando innovación para cosechar prosperidad 2011 El futuro que queremos Río+ 20 2012 Agua, alimento para la tierra 2013 Grupo de Trabajo III IPCC: Mitigación 2011 - 2013 El escenario de la innovación Global Forum on Agricultural Research (GFAR) Conferencia Global de Investigación Agrícola para el Desarrollo (GCARD) Sistema regional de innovación en América Desafíos y oportunidades Escenario bioenergético Biocombustibles de 2ª generación Proyecto BABETHANOL

Compromiso del IICA con la innovación para el desarrollo de las Américas La GCARD2 (2012) se estructuró a partir de tres grandes temas: más y mejores alianzas; la relevancia de la prospectiva; y el desarrollo de capacidades. El IICA busca potenciar el papel de la innovación en los diversos ámbitos del desarrollo agroalimentario, labor que ejecuta en conjunto con los países. Ámbito institucional Ámbito tecnológico Ámbito de negocios Ámbito institucional: IICA acompaña el fortalecimiento y adaptación del Sistema Hemisférico de Tecnología e Innovación (SHTI) en su conjunto, del Foro de las Américas para la Investigación y Desarrollo Tecnológico Agropecuario (FORAGRO), como instancia de movilización de acuerdos hemisféricos, y de los Programas Cooperativos de Investigación y Desarrollo Tecnológico (PROCI) en cuanto espacios subregionales de integración tecnológica agroalimentaria que implementan proyectos colaborativos de investigación. Como institución patrocinadora, el Instituto también apoya el fortalecimiento institucional de Fondo Regional de Tecnología Agropecuaria (FONTAGRO). Nota técnica del IICA para GCARD 2012 - Segunda Conferencia sobre Investigación Agropecuaria para el Desarrollo Prospectiva y Alianzas para la Innovación e Impacto en la Agricultura Familiar”. http://www.iica.int/Esp/Programas/Innovacion/Documentos%20de%20Tecnologa%20e%20Innovacin/Boletin%20GCARD2_es.pdf

La innovación como solución a los retos de la agricultura Para avanzar hacia una agricultura competitiva, sustentable e inclusiva. Para enfrentar los desafíos asociados a la mitigación y al cambio climático, y a la seguridad alimentaria. Para la gestión del riesgo. Existe innovación cuando hay apropiación social; el conocimiento es llevado al mercado; y los nuevos desarrollos o cambios se traducen en respuestas a las necesidades de las personas y la sociedad. IICA, documento presentado en la Trigésima Primera Reunión Ordinaria del Comité Ejecutivo, julio de 2011 Sembrar innovación para cosechar prosperidad: la innovación como solución a los retos de la agricultura. Misión: “El IICA es la institución del Sistema Interamericano que provee cooperación técnica, innovación y conocimiento especializado para el desarrollo competitivo y sustentable de la agricultura de las Américas y el mejoramiento de la vida de los habitantes del campo en los países miembros”. (IICA. 2010. Plan de Mediano Plazo 2010-2014. San José, CR). IICA,2012. Situación y desempeño de la agricultura en ALC desde la perspectiva tecnológica 2012/ IICA. San José, C.R. http://repiica.iica.int/docs/B2951E/B2951E.PDF

Escenario de la innovación: desafíos globales Aumento de la población El impacto del CC Las emisiones de GEI Rápido desarrollo de economías emergentes Creciente inestabilidad en torno a la escasez de tierra, agua y energía Fuente: La innovación en la agricultura: un proceso clave para el desarrollo sostenible. Posicionamiento institucional del IICA  Autor:  IICA - Preparado por French, J, Montiel, K y Palmieri, V

Dinámica del sistema de innovación Fuente: La innovación en la agricultura: un proceso clave para el desarrollo sostenible. Posicionamiento institucional del IICA  Autor:  IICA - Preparado por French, J, Montiel, K y Palmieri, V

Sistema Regional de Innovación PROCITROPICOS PROCISUR PROCINORTE CATIE CARDI Agencias de I&D de los países desarrollados Centros CGIAR CIAT, CIP, CIMMYT, IFPRI, Bioversity SICTA PROMECAFE IICA acompaña el fortalecimiento y adaptación del Sistema Hemisférico de Tecnología e Innovación (SHTI) en su conjunto, del Foro de las Américas para la Investigación y Desarrollo Tecnológico Agropecuario (FORAGRO), como instancia de movilización de acuerdos hemisféricos, y de los Programas Cooperativos de Investigación y Desarrollo Tecnológico (PROCI) en cuanto espacios subregionales de integración tecnológica agroalimentaria que implementan proyectos colaborativos de investigación. Como institución patrocinadora, el Instituto también apoya el fortalecimiento institucional de Fondo Regional de Tecnología Agropecuaria (FONTAGRO). Complementariamente, el IICA impulsa el inter-cambio de innovaciones a través del Observatorio de Innovaciones Institucionales, en conjunto con la Red de Gestión de la Innovación para el Sector Agroalimentario (Red INNOVAGRO), y el Observatorio de Seguridad Alimentaria.

“Desafíos de innovación para el desarrollo sustentable del bioetanol en las Américas” El contexto de las Américas Quinta Cumbre de las Américas 2009 Sembrando innovación para cosechar prosperidad 2011 El futuro que queremos Río+ 20 2012 Agua, alimento para la tierra 2013 Grupo de Trabajo III IPCC: Mitigación 2011 - 2013 El escenario de la innovación Global Forum on Agricultural Research (GFAR) Conferencia Global de Investigación Agrícola para el Desarrollo (GCARD) Sistema regional de innovación en América Desafíos y oportunidades Escenario bioenergético Biocombustibles de 2ª generación Proyecto BABETHANOL

Oportunidades y Desafíos en los biocombustibles Para mantener la competitividad de los sistemas de producción de biocombustibles, será fundamental que se muestren avances tecnológicos en tres grandes vertientes: En la producción de materia prima En los procesos de transformación En los motores y generadores de energía Gazzoni, Decio Luiz. Biocombustibles y alimentos en América Latina y el Caribe / Decio Luiz Gazzoni – San José, C.R.: IICA, 2009. 118 p.; 21.5 x 28 cm. http://www.iica.int/Esp/conocimiento/infoRecurso/Paginas/Publicaciones.aspx

Oportunidades y Desafíos en los biocombustibles En la producción de materia prima se requiere: Alta densidad energética, como también un favorable balance energético Fácil producción, almacenamiento y transporte Sin conflictos en la producción de alimentos  la celulosa y la hemicelulosa Gazzoni, Decio Luiz. Biocombustibles y alimentos en América Latina y el Caribe / Decio Luiz Gazzoni – San José, C.R.: IICA, 2009. 118 p.; 21.5 x 28 cm. http://www.iica.int/Esp/conocimiento/infoRecurso/Paginas/Publicaciones.aspx

Oportunidades y Desafíos en los biocombustibles En los procesos de transformación: Mayor eficiencia Bajo costo Reducido impacto ambiental Seguridad para almacenamiento, transporte y uso Gazzoni, Decio Luiz. Biocombustibles y alimentos en América Latina y el Caribe / Decio Luiz Gazzoni – San José, C.R.: IICA, 2009. 118 p.; 21.5 x 28 cm. http://www.iica.int/Esp/conocimiento/infoRecurso/Paginas/Publicaciones.aspx

Oportunidades y Desafíos en los biocombustibles En los motores y generadores de energía: Mejora progresiva en los actuales motores para la adaptación a celdas de energía con capacidad para ser movidos con alcoholes e hidrógeno. Gazzoni, Decio Luiz. Biocombustibles y alimentos en América Latina y el Caribe / Decio Luiz Gazzoni – San José, C.R.: IICA, 2009. 118 p.; 21.5 x 28 cm. http://www.iica.int/Esp/conocimiento/infoRecurso/Paginas/Publicaciones.aspx

Caña de Azúcar y Maíz Palma Aceitera y Soya Grasa Animal Jatropha curcas Higuerilla Algas Biomasa Residuos agrícolas Bagazo 1ª generación biocombustibles 1.5ª generación 2ª generación biocombustibles Escenario bioenergético de innovación: Recursos genéticos de diversa complejidad biológica para la producción de bioenergía y la mitigación del cambio climático Fuente: Elaboración propia. Microalgas para la obtención de aceite, microorganismos para el rompimiento de enlaces lignocelulósicos y obtención de insumos bioenergéticos Fermentación de azúcares Hidrólisis de almidones Transesterificación de aceites Reducción de emisiones de GEI Mitigación del cambio climático

Biocombustibles de segunda generación Evitaría muchas de las consecuencias adversas de los biocombustibles de la 1ª generación: No competirían directamente por alimentos Causarían menor impacto ambiental Mayor energía producida por hectárea Sin embargo, los biocombustibles de 2a generación actualmente: No son competitivos y Las expectativas sobre los costos y la energía producida por unidad de superficie varía dependiendo de la materia prima utilizada.

Biocombustibles de segunda generación Representan un cambio en la tecnología de conversión que permite reemplazar las azúcares, el almidón y los aceites de las materias primas utilizadas por la primera generación, por diversas formas de biomasa lignocelulósica . Dejarían atrás el dilema biocombustibles vs. alimentos, además de representar una mayor participación potencial en la matriz energética y un avance significativo en términos de balance de carbono.

Estructura de la celulosa Genomic Science Program, Department of Energy, US http://genomics.energy.gov/gallery/gtl/detail.np/detail-36.html

Etapas en la producción bioquímica de etanol celulósico Fuente: Situación de los Biocombustibles de 2da y 3era Generación en América Latina y Caribe. Cristina M. M. Machado http://www.procitropicos.org.br/portal/newbb/dl_attachment.php?attachid=1282647161&post_id=34

Hidrólisis enzimática Grado de importancia de características físico-químicas de la biomasa para diferentes tecnologías en la producción de biocombustibles Ruta bioquímica Ruta termoquímica Criterio Hidrólisis ácida Hidrólisis enzimática Gasificación Combustión Cantidad de carbohidratos +++ + Estructura y cantidad de lignina Cristalinidad de la celulosa ++ Densidad Tamaño de la partícula Contenido de extractivos Contenido de nitrógeno Contenido de azufre Contenido de otros inorgánicos Valor calorífico +++ mucha importancia; ++ media importancia; + poca importancia Fuente:Situación de los Biocombustibles de 2da y 3era Generación en América Latina y Caribe. Cristina M. M. Machado http://www.procitropicos.org.br/portal/newbb/dl_attachment.php?attachid=1282647161&post_id=34

Start of the project: 01/05/2009 End of the project by April 2013 7º Programa Marco de Cooperación Internacional de la Unión Europea con Países en Desarrollo Nuevas materias primas y proceso de transformación innovador para un desarrollo más sustentable y producción de etanol lignocelulósico “BABETHANOL” www.babethanol.com Start of the project: 01/05/2009 End of the project by April 2013

Las instituciones participantes EUROPA INPT - Institut National Polytechnique de Toulouse, Lab. de Chimie Agroindustrielle , Francia (Institución Líder del Proyecto) INSA - Institut National de Sciences Appliquées, Lab. d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés, Francia CIEMAT- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, España VTT - Valtion teknillinen tutkimuskeskus, Finlandia Università degli Studi di Udine DiSA, Dipartimento di Scienze Agrarie ed Ambientali, Italia APYGEC, Francia

Las instituciones participantes LATINOAMERICA UNAM - Universidad Nacional Autónoma de México, Fac. Química UCR - Universidad de Costa Rica, Laboratorio de Química Bio-orgánica UAE – Universidad Agraria de Ecuador, Fac. de Ciencias Agrarias CMM – Centro Mario Molina, México CRT – Consejo Regulador de Tequila, México PALMA TICA, Costa Rica PROCAZUCAR S.A., México PROCISUR, Cono Sur

Objetivos de BABETHANOL Desarrollar una nueva alternativa para el proceso de transformación de materias primas lignocelulósicas en la producción de etanol. Enfocar el estudio para que sus resultados puedan ser incluidos en las matrices energéticas nacionales. Contribuir a un desarrollo más sustentable de los biocombustibles renovables. Proponer, al final del proyecto, los mejores parámetros biológicos para obtener etanol con el mejor rendimiento de conversión al menor costo de material biológico.

El foco innovador del proyecto El proyecto BABETHANOL propuso desarrollar y probar hasta la escala piloto semi-industrial, un nuevo concepto que permite la integración del pre-tratamiento (CES) e hidrólisis enzimática completa de la biomasa lignocelulósica.

El concepto del proyecto El nuevo proceso denominado CES :Extrusión – Sacarificación Combinada se basa en el concepto de desintegración mecánica de la matriz de biomasa por extrusión, para favorecer la hidrólisis enzimática de la hemicelulosa y la celulosa.

Las ventajas de CES (Extrusión – Sacarificación combinada) en comparación con las actuales tecnologías serán: Menor consumo de energía termal y agua (menor T°, hidrólisis en condiciones de baja humedad). Sin consumo ácido y reactivos de neutralización (más bajo en materias primas). Sin corrosión (más bajo en mantenimiento y costo de capital en equipamiento). Sin residuos tóxicos y reciclaje / tratamiento de residuos (más bajo en materias primas y costo de capital en equipamiento). Integración de procesos (más bajo en costo de capital en equipamiento).

Characterization of the 4 feedstock LCA (Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle) LCA (Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle) Institut National Polytechnique de Toulouse (INP de Toulouse) Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques (ENSIACET)

Characterization of the 4 feedstock The samples of BAB – Blue Agave Bagasse were supplied by CRT (Consejo Regulador del Tequila). The samples of POEFB – Palm Oil Empty Fruit Bunches were supplied by UCR from the residues obtained at PALMATICA (Costa Rican palm oil manufacturer). The samples of OMH – Olive Milled Husks were supplied by CIEMAT from a local olive oil producer. The samples of CC - Corn Cob were supplied by INPT from a local farming production.

Characterization of the 4 feedstock Cellulose (C) Hemicellulose (Hc) Lignin (L) BAB 35 – 43% 17 – 23% 15 – 24% POEFB 33 – 42% 22 – 24% 18 – 23% CC 35 – 42% 6 – 21% OMH 6 – 22% 7 – 19% 12 – 33% All the biomasses show cotents of C and Hc, except OMH wich shows lower contents of C and Hc and higher content of L. Consequently, OMH is a poor candidate for the conversion to bio – ethanol. OMH has been replaced it by Barley Straw (BS) wich shows good carbohydrate contents in the same range as BAB, POEF and CC. CC= Corn cob; BAB= Blue Agave Bagasse; OMH= Olive Oil Milled Husk; POEFB= Palm Oil Empty Fruit Brunches. CIEMAT – UCR: NREL Methodology (National Renewable Energy Laboratory) INPT – UNAM: Van Soest and Wine‘s method. Priciple vegetal matter = L + C + Hc + minerals + others

Sugar release from extruded barley straw biomass by enzymatic hydrolysis OBJECTIVE: To evaluate the ability of extrusion pretreatment to enhance sugar production from barley straw biomass by enzymatic hydrolysis with commercial enzymes. The final objective is to maximize the hydrolysis yield of glucans and xylans to fermentable sugars for further conversion to ethanol by studying extrusion configuration. Metodology: NaOH - extrusion + neutralization Screw speed = 150 rpm Temperature = 68ºC %NaOH/DM = 7.5 CONCLUSION  Extrusion pretreatment has been proved as an effective method to improve fermentable sugars production by enzymatic hydrolysis of barley straw biomass.

Treatment effect on lignocellulosic biomass U de Toulouse - UNAM – UCR A thermo – mechanico – chemical pre-treatment in twin-screw extruder using alkali solution as catalyst allows preparing the cellulosic matter in a really good configuration. PHOTO: CIEMAT – BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS

El Rol de PROCISUR/IICA 2013 - 2014 Desarrollar un catálogo de las mejores materias primas lignocelulósicas candidatas para la producción de etanol en los países miembros de PROCISUR (Argentina, Brasil, Chile, Paraguay y Uruguay), tomando en cuenta: Disponibilidad Composición química Concentración geográfica Elotes vacíos (CC); podas de los viñedos y de las huertas; hojas y bagazo de la caña de azúcar; residuos industriales del eucalipto; residuos de campo como rastrojo maíz y paja de trigo.

Muchas Gracias!! Orlando Vega Charpentier. Especialista en Energías Renovables Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura (IICA) Tel: (506) 2216 – 0314 Fax: (506) 2216 – 0139 orlando.vega@iica.int