¿Cómo se producen los biocombustibles?
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ABENGOA
Innovative technology solutions for sustainability
Master de Microbiología
Sevilla, Mayo 2016
¿Cómo se producen los biocombustibles?
Introducción a Abengoa / Abengoa Research 1
ABENGOA aplica soluciones tecnológica innovadoras para el
desarrollo sostenible en los sectores de energía y medioambiente, generando electricidad a partir de recursos renovables, transformando biomasa en biocombustibles o produciendo agua potable a partir de agua de mar.
2
Ingeniería y construcción
70 años de experiencia en infraestructuras para energía
Know-how propio
Liderazgo internacional de contratación en transmisión, plantas termosolares e infraestructuras eléctricas (“energía”)
1
Infraestructuras de tipo concesional
Electricidad (solar, cogeneración, otras), líneas de transmisión, desalación
Activos sin riesgo de demanda
Promedio de duración de contratos: 25 años
2
Producción industrial
Biocombustibles
Mercados de elevado crecimiento
Posición de liderazgo
3
Abengoa articula su negocio en torno a tres actividades
Energía Medioambiente
Desarrollamos estas tres actividades en dos sectores de
alto crecimiento
Introducción a Abengoa Áreas clave
3
Tecnología e innovación son las bases de nuestra ventaja competitiva
Ingeniería y construcción Tecnología e innovación Concesiones
Capacidades únicas en ingeniería
Desarrollo tecnológico Operación de activos
propios
…nos permiten construir… La I+D genera soluciones innovadoras y
nuevos productos que…
…y la operación de los activos retro-alimenta la innovación.
ABENGOA
RESEARCH
Abeinsa new horizons
Introducción a Abengoa Modelo de negocio
ABEINSA
4
Innovative Technology Solutions for Sustainability
Copyright © Abengoa S.A. 2014. All rights reserved
Biocombustibles 2
5 5
Bioetanol 1G
Petratamiento Fermentación Destilación y
deshidratación Hidrólisis
enzimática Grano
Etanol 1G
Bioetanol
1.0 USD de maíz 1.8 USD de ingresos
Aceite de maíz
DDGS CO2
Cada $1.0 invertido en la materia prima para producir etanol, rinde $1.8 en sus productos finales,
esto es bioetanol, aceite de maíz, CO2 y DDGS.
Ruta bioquímica
Biocarburantes de Castilla y León, Salamanca
Tecnología de bioetanol en 1era y 2da generación de materia prima
6
Plantas de Abengoa Bioenergy
USA
Brasil
Europa
Capacidad biocombustible = 1440 MLY
Capacidad materia prima = 980 KTY Capacidad biocombustible = 1495 MLY
Capacidad alimentación = 885 KTY Cogeneración = 119 MW
Coruña, Sp
Capacidad biocombustible = 220 MLY Capacidad azúcar = 570 KTY
Cogeneración = 140 MW
São Luiz, SP SAP, SP São João, SP
Gran base de activos
Acceso a varias geografías
Apalancamiento / arbitrajes logísticos
Alternativas para la materia prima
Equipo con experiencia
Plataforma de gestión de riesgos
Ventajas competitivas
Global
Biocombustible (MLY):3155
Azúcar (KTY): 570
Materia prima (KTY): 1,865
Electricidad (MW): 259
Desde 1995 Desde 2002
Desde 2008
San Roque, Sp Biodiesel, 60 MGY
Coruña, Sp Etanol, 52 MGY
Cartagena, Sp Etanol, 39 MGY
Rotterdam, NE Etanol, 125 MGY
Lacq, Fr Etanol, 65 MGY
Salamanca, Sp Etanol, 53 MGY
Evansville,IN Etanol, 90 MGY
Colwich, KS Etanol, 25 MGY
York, NE Etanol, 55 MGY
Granite city, IL Etanol, 90 MGY
Portales, NM Etanol, 25 MGY
Ravenna, NE Etanol, 88 MGY
7
8
Preparación de la materia prima
Transformación en azúcares Fermentación Destilación
Fermentación por levaduras C6
Dest
ilaci
ón
Caña azúcar
EtOH
CO
2
Recolección, molienda y filtrado
Sacarificación y fermentación por
levaduras C6 simultánea
Dest
ilaci
ón
Cocinado y licuefacción
EtOH
CO
2
DDGS
Proteína y fibra
Limpieza y molienda
Enzimas
Cereal
Dest
ilaci
ón
Pretratamiento Biomasa
EtOH
DDB
Electricidad, calor y otros productos
Limpieza y molienda
Hidrólisis enzimática
Sacarificación y fermentación por levaduras C5, C6
simultánea
CO
2
Enzimas
Enzimas
1G
2G
Abengoa Bioenergy Netherlands
Abengoa Bioenergy Biomass of Kansas
Tecnología de bioetanol para 1era y 2da generación de materia prima
8
Gasolina 349 BGY
Jet 94 BGY
Biodiesel 484 BGY
Biocombustibles
1995-2016
2001-2016
1G
2
G
Producción de bioetanol
sostenible y barato
PMMA 739 BGY
Poliéster/Xilano/Estireno 27BGY
Goma, Lubricantes y Aditivos 8 BGY Surfactantes
Químicos
Los azúcares serán el nuevo petróleo…
Etanol como mezcla…
Cere
al
Cañ
a
Bio
masa
Bagazo
Residuos
Leñoso
Paja de maíz
Maíz
Caña de azúcar
ABENGOA
Cebada
Arroz
Otros
Butanol
Aceite vegetal
Otros
Más allá de etanol…
9
Abengoa Research Grupo de Biotecnología
Fuertes capacidades internas en I+D+i
• Expertos en bioquímica e ingeniería microbiana.
• Laboratorio completamente automatizado.
• Logros: desarrollo de microorganismos que producen enzimas que trabajan a bajas dosis y optimización del perfil de la actividad enzimática.
• Capacidad de fermentación hasta 30 L (instalando hasta 1m3)
• Gran equipamiento DSP
• Experiencia en desarrollo de procesos
• Logros: proceso de producción robusto, maximizando la productividad del microorganismo a un coste rentable
Desarrollo de cepas Sevilla
Desarrollo de procesos Salamanca
CTFS CPA
Bioquímica
Ingeniería genética
Biología Molecular
Gran capacidad de análisis multimuestra
Capacidades
Optimización fermentación
Desarrollo DSP
Escalado
Benchmarking
Capacidades
10
11
Representación esquemática de los efectos del pretratamiento sobre la biomasa lignocelulósica (Hsu et al, 1980)
El pretratamiento engloba la alteración de la biomasa por lo que la hidrólisis (enzimática) de la celulosa y la hemicelulosa se alcanza más rápidamente.
El pretratamiento persigue la modificación de las propiedades físico-químicas de la biomasa: rompe la protección de la lignina y disminuye el grado de cristalinidad de la celulosa.
Tecnología de bioetanol de 2da generación de materia prima
Preparación de la materia prima
Transformación en azúcares Fermentación Destilación
Dest
ilaci
ón
Pretratamiento Biomasa
EtOH
DDB
Electricidad, calor y otros productos
Limpieza y molienda
Hidrólisis enzimática
Sacarificación y fermentación por levaduras C5, C6
simultánea
CO
2
Enzimas
2G
11
Pretratamiento
1. Pretratamiento físico
Barakat et al. / Applied Energy 113 (2014) 97–105 Schuth, Dumesic, ACS Catal, 2013 Rinaldi, Chemsuschem, 2012
Pretratamiento quimico-mecánico en seco de la biomasa lignocelulósica
2. Fraccionamiento con disolventes
Esquema del proceso organosolv para el fraccionamiento de la biomasa
Lignin Production by Organosolv Fractionation of Lignocellulosic Biomass, ECN Netherlands
3. Pretratamiento químico
Esquema del proceso AFEX
4. Pretratamiento biológico
Pretratamiento microbiano de la madera. Oak Ridge National Lab
Tecnología de bioetanol de 2da generación de materia prima
12
Tecnología de bioetanol de 2da generación de materia prima
Bagazo Residuos Leñoso Paja maíz
C5-C6 Azúcares
Xilosa Arabinosa
Xilano Celulosa
Endoxilanasas (EX)
Beta-xilosidasa (bxl) Celobiosa
Glucosa
Endoglucanasas (eg2) +
Celobiohidrolasas (cbh)
Celobiohidrolasas (cbh)
Beta-glucosidasa
1. Pretratamiento
2. Hidrólisis enzimática
3. Fermentación
4. Destilación y evaporación
Etanol
Químicos, Materia prima o energía Lignina
Hidrólisis Enzimática
Cereal Paja maíz Bagazo Madera Residuos
USD/gal
Coste de contribución de las “enzimas“ por materia prima ($/gal)
13
3. Fermentación
Tecnología de bioetanol de 2da generación de materia prima
Fermentación C5/C6
La Xilosa es el segundo carbohidrato más abundante en la biomasa lignocelulósica hidrolizada. La fermentación de la xilosa es esencial para la bioconversión de las lignocelulosas a combustibles y químicos.
La tecnología del etanol 1G permite a la levadura crecer durante la fermentación Como hay inhibidores presentes en la tecnología 2G, se requiere una mayor eficiencia en la propagación 2G El paso de la propagación por tanto es una etapa mucho más crítica que en la tecnología 1G
Azúcares C5-C6
Xilosa Arabinosa Glucosa
4. Destilación y Eváporación
Etanol
Levadura
25% 2%
72% 95%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Lignocellulosa Cereal% d
el t
ota
l de a
zúca
res
Otros
Glucosa (C6)
Xilosa (C5)
14
Tecnología de bioetanol de 2da generación de materia prima
Valorización de Lignina
15
Vinaza
Usos a Granel Regeneración orgánica del
suelo
Alimentación animal
Torta
Sirope
Microbiología Butanol
Etanol
Alcanos
Procesos de extracción
y purificación
Lignina extraída
Resinas
Fibra carbono
Carbón negro
Aglutinantes
Antioxidantes
15
Tecnología 2G I+D+i
Planta Piloto 2G York (NE, USA)
Planta demo 2G Salamanca (SP)
Planta comercial 2G
Hugoton (USA)
Biomasa a bioetanol
Planta comercial Hugoton Planta de
demostración Salamanca Planta
piloto York
Abengoa: Tecnológo de Biocombustibles 2G
2G Biocombustibles y Bioproductos
Hemos demostrado nuestra capacidad para escalar el proceso
16
Localización: US (2014)
95 Ml/año a partir de residuo agrícola
Localización: Holanda (2010)
480 M/año 360.000 t DDGS (Dried Distillers Grains with Solubles)
Planta de biocombustible más grande de Europa
Localización : España (2008)
200.000 t biodiesel
Nuestros proyectos de referencia Biocombustibles
2nd generación de bioetanol de biomasa Otros ejemplos
Una capacidad de producción global de más de 2.500 Ml/año de bioetanol
Localización: Uruguay (2015)
70 Ml/año, 49.000 t DDGS
Localización : US (2010)
333 Ml/año, 230.000 t DDGS
17
Principales actores en el bioetanol celulósico
Likely to have
commercial plant
near term
CompanyCapacity (MGY)
Process Technology
EnzymeTechnology
Expected start of
commerical operations
* Abengoa Bioenergy 25 Abengoa Abengoa 2014* POET-DSM 20 DSM DSM 2014* DuPont 30 DuPont DuPont 2014* Project Alpha (Beta R.) 20 Chemtex Novozymes 2014
Fiberight 6 Chemtex NovozymesCanergy 25 Chemtex NovozymesGreenfield 10 Enerkem, W2BNovozymes
* Mascoma 20 AB Enzymes Delayed* Clariant - - No plans* Inbicon 20 DSM 2016* Lignol 20 Novozymes Unknown* GranBio 22 Chemtex Novozymes 2014* Raizen 11 Chemtex Novozymes 2014
TMO 2.6 TMO RenewablesColbiocel 22 Chemtex NovozymesOAI Unknown Unknown
* Beta Renewables 20 Chemtex Novozymes OperationalMaabjerg 25 UnknownMYBiomass 16 UnknownSabah Unknown UnknownCofco/Sinopec 17 Unknown NovozymesLonglive 17 Shandong Longlive Bio-TechnologyZTE 8 UnknownJilin Fuel 8 UnknownDacheng Unknown NovozymesSQ Unknown UnknownDatang Unknown DupontStategrid Unknown UnknownHNTG Unknown UnknownAverage 17Total 364
USA
BR
EU
Asia
Bioetanol
18
Innovative Technology Solutions for Sustainability
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Biocombustibles 2 2.1 Madera
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Composición química de la madera
La madera es,
Una fuente renovable No es un alimento, es un material orgánico que, como materia prima, no compite con el interés agrícola de cultivar cultivos para la alimentación Puede reducir el riesgo de fuego incontrolado cuando se elimina del campo o del terreno baldío. Cuando se quema para producir energía emite una cantidad de dióxido carbono que es comparable a la cantidad de CO2 liberada por la madera durante su degradación natural. Ya que los árboles fijan CO2 durante la fotosíntesis, utilizar madera para producir energía se considera como “neutral en carbono”
Ventajas – Madera
Madera
Celulosa
Hemicelulosa
Resina
Lignina
Biomasa leñosa
20
Clasificación Efectos Observaciones
Furfural y HMF
• Reducción del ratio de crecimiento específico • Reducción de la volumetría de etanol y productividad
específica • Reducción de la producción de biomasa • Producción de daños en la membrana plasmática celular • Inhibición de la acción de las enzimas
El efecto inhibidor producido por el HMF y furfural es el mismo, pero el furfural es más
intensivo.
Ácidos alifáticos
• Caída del rendimiento a etanol • Reducción de la producción de biomasa • Reducción del ratio de crecimiento específico • Muerte celular
El mecanismo de inhibición aún no está claro
Compuestos fenólicos
• Producción de daños en la membrana plasmática celular • Reducción del rendimiento a etanol • Reducción de la producción de biomasa • Reducción del ratio de crecimiento específico • Muerte celular
Los componentes más tóxicos. Enmascaran la accesibilidad de la enzima a los
carbohidratos y la hidrólisis
Efectos combinados
Furfural y ácido acético • Reducción del ratio de crecimiento • Disminución del rendimiento de la biomasa • Caída del rendimiento a etanol Efectos sinérgicos, ya que la combinación de
estos compuestos tiene efectos inhibidores más altos que el ocasionado individualmente Furfural, ácido acético y
compuestos derivados de la lignina
• Reducción del rendimiento a etanol • Reducción del ratio de crecimiento • Disminución del rendimiento de la biomasa
Los productos derivados de la lignina presentan unos efectos inhibidores 10 veces mayor que los que existen en los productos derivados del azúcar
4-hydroxybezoic acid Vanillin Catechol Syringaldehyde Coniferyl aldehyde 4-hydroxybenzaldehyde
Efectos inhibidores
Madera
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Biocombustibles 2 2.1 Madera
2.2 Biocombustibles a partir de residuos
22
Ventajas Sólo el 25% de residuos se envían a vertedero
Recuperación de más del 75% de materiales reciclables
Tecnología fácilmente adaptable a distintas geografías
Ingresos por canon, venta de reciclables Reducción de emisiones a la atmósfera
Residuos a Biocombustibles representa una solución integral para la gestión de RSU basada en la recuperación de los materiales reciclables y la valorización de las fracciones convertibles, como los carbohidratos. El enfoque novedoso está en la producción de combustibles renovables al mismo tiempo que se minimizan las sub-fracciones cuyo último destino es el vertedero y promoviendo el reciclado de componentes que inherentemente están presentes en los RSU
Jerarquía de tratamiento de Residuos
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Combustible del rechazo sólido
Bioresiduo
Separación
MSW
W2B Visión general
Sirope de azúcar Bioetanol
Materiales reciclables
Torta
31%
26%
26%
17%
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Biocombustibles 2 2.1 Madera
2.2 Biocombustibles a partir de residuos
2.3 Isobutanol y n-butanol
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Hay dos principales rutas alternativas para producir butanol a través de la fermentación de azucares:
Fermentación Iso-biobutanol: fermentación innovadora para producir directamente iso-butanol (Gevo, Butamax).
Fermentación ABE: proceso tradicional, que produce una mezcla de etanol / n- biobutanol / acetona (Green Biologics, Abengoa).
Visión general del biobutanol – bioprocesos
Producción azúcar
Fermentación Iso-Butanol
FermentaciónABE
Producción azúcar
Fermentación
Deshidratación
Fermentación ABE
Separación compleja
iso-butanol acetona etanol n-butanol
Principal uso: Fuel Building block > fuel Principal uso:
26
Alto contenido energético, cercano al de la gasolina
Permite mezclas mayores – puede ser mezclado con gasolina al 16%, ayudando a los productores superar el límite de mezcla
No hidroscópico (pj, atrayendo la humedad) o corrosivo
Verdadero combustible de sustitución – no se requieren modificaciones en los vehículos o infraestructuras
Compatible con los motores actuales e infraestructuras de almacenamiento
Baja presión de vapor – la mezcla de combustibles puede cumplir con las restricciones gubernamentales en la presión de vapor sin la necesidad de usar mezclas especiales (RBOB)
Puede ser mezclado en las refinerías
Transportable en las líneas existentes para el petróleo
Adaptable a materias primas futuras – incluida la celulósica
Ventajas del Butanol como Combustible
Propiedad física iso-butanol n-butanol Etanol
Densidad a 20°C (g/cm³)0.794 0.810 0.802
Punto de ebullición a 1 atm (⁰C)78 118 108
Solubilidad en agua at 20⁰C (g/100mL)7.7 8.0 Miscible
Calor neto de combustión (BTU/gal)80,000 93,000 95,000
R+M/2 103.5 87 112
Mezcla RVP (psi at 100⁰F) 1 5.0 4.3 18-22 27
En el futuro, gracias a nuestras fuertes capacidades actuales de biología sintética, biotecnología y bioprocesado, ofreceremos nuevos productos producidos por fermentación de los azúcares que producimos en nuestros activos
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ABENGOA
RESEARCH
Grupo de Biotecnología
“Bio-Making it Tech-feasible”
Muchas gracias por su atención