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Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
Eulogio Castro GalianoDpt. Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales
Centro de Estudios Avanzados en Energía y Medio AmbienteUniversidad de Jaén 23071 Jaén, España
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Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
1. Introducción
2. Composición
3. Pretratamientos
4. Hidrólisis enzimática y Fermentación
5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
6. Comparación de resultados
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Término Número de artículos
Eucalyptus 26,381
Eucaliptus 249
Eucalyptus and biofuels 1,920
Eucalyptus and bioethanol 750
Eucalyptus grandis 2,784
Eucalyptus globulus 3,916
Eucalyptus urophylla 513
Eucalyptus dunnii 146
Eucalyptus benthamii 49
1. Introducción
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Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Variedad Ref.
E. globulus Romaní et al. Bioethanol production from autohydrolyzed Eucaliptus globulus bySimultaneous Saccharification and Fermentation operating at high solids loading. Fuel 94 (2012) 305–312
E. globulus Romaní et al. Second generation bioetanol from steam exploded Eucalyptus globulus Wood. Fuel 11 (2103) 66-74
E. dunnii (corteza) Reina et al. Production of second generation ethanol using Eucalyptus dunnii bark residues and ionic liquid pretreatment. Biomass and Bioenergy 93 (2016) 116-121
E. dunnii McIntosoh et al. Ethanol production from Eucalyptus plantation thinningsBioresource Technology 110 (2012) 264–272
E. grandis Qiang et al. Two-step liquid hot water pretreatment of Eucalyptus grandis to enhance sugarrecovery and enzymatic digestibility of cellulose. Bioresource Technology 101 (2010) 4895–4899
E. grandis Emmel et al. Fractionation of Eucalyptus grandis chips by dilute acid-catlysed steamexplosion. Bioresource Technology 86 (2003) 105–115
Hybrid of E.urophylla + E. grandis
Morais et al. Cold alkaline extraction as a pretreatmen for bioethanol production fromeucalyptus, sugarcane bagasse and sugarcane straw. Energy Conversion and Management 124 (2016) 315–324
E. benthamii Castro et al. Optimization of dilute phosphoric acid steam pretreatment of Eucalyptusbenthamii for biofuel production. Applied Energy 125 (2014) 76-83
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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1. Introducción
Biomasas Lignocelulósicas
Ejemplos: eucalipto, chopo, cardo, podas de frutales, pajas de cereal…
Constituidas principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina
Otros componentes minoritarios: cenizas, pectinas, grasas, terpenos, alcaloides, proteínas, fenoles, gomas,
resinas…
Posibilidades de aprovechamiento
Biocombustibles sólidos
Biocarburantes
Componente
(% b.s)
Biomasas
leñosas
Biomasas
herbáceas
Celulosa 40-65 30-50
Hemicelulosa 10-25 20-30
Lignina 20-30 10-20
Extractos y otros 10-25 20-35
Cenizas 0,1-1 5-20
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Eucalipto
Rápido crecimiento Relativamente fácil de transportar y almacenar
(umbral de rentabilidad para etanol estimado en 66 USD/ton)
Tolerancia mejorada a bajas temperaturas Elevado contenido en azúcares
1. Introducción
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Microorganismo fermentativo
Biomasalignocelulósica
Azúcares solubilizados
(C5/C6)
Pretratamiento Sólido
Líquido
Fermentación
HidrólisisFermentación
C6
ETANOLLignina
Destilación
2ª Generación
1. Introducción
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Variedad Celulosa Xilano Arabinano Lignina Klason Extractos Cenizas Ref.
E. globulus 44,7 16,0 1,09 24,7 2,96 0,23 Romaní et al. (2012)
E. dunnii (corteza) 37,1 9,8 24,4 15,4 Reina et al. (2016)
E. dunnii 47,5 17,31 1,5 27 7 0,95 McIntosh et al. (2012)
E. grandis 44,9 11,4 26,2 Qiang et al. (2010)
E. grandis 44,7 15,3 25,8 3,25 Emmel et al. (2003)
Hybrid of E.urophylla + E. grandis
49,9 20,3 27,4 2,30 0,16 Carvalho et al. (2016)
E. benthamii 40,2 16,5 4,7 35,9 Castro et al. (2014)
2. Composición
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
3. Pretratamientos
U.S. Department of Energy Genomic Science program and the website http://genomicscience.energy.gov
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
Explosión por vapor en discontinuo
Vapor saturado a altas presiones
Rápida despresurización
Desarrollo a escala industrial
Eficaz en maderas duras y residuos agrícolas
No requiere catalizador
Alto rendimiento en glucosa
Destrucción parcial de azúcares hemicelulósicos
Explosión por vapor
autohidrólisis hemicelulosa
desorganización mecánica fibras Explosión por vapor en continuo
Temperatura: 180 - 240º
tiempo: 1 -15 min
3. Pretratamientos
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
Reactor batch a presión
Agua caliente a alta temperatura
No requiere catalizador
Baja formación de compuestos inhibidores
Elevada recuperación de pentosas
Los azúcares se recuperan en forma de oligómeros
Autohidrólisis
Temperatura: 160 - 240ºC
Tiempo: 0 - 60 min
Pretratamiento alcalino
Aumenta el área superficial
Rompe la estructura de la lignina
Mejora la hidrólisis enzimática
Costes adicionales por ajuste de pH
Lignina de baja calidad como subproducto
3. Pretratamientos
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Variedad Tipo de pretratamiento Resultados principales Ref.
E. globulus Autohidrólisis (LHW) Valores de severidad óptimos en el rango 4.0-4.7S=t·exp[Th-Tr)]/14.75
Romaní et al. (2012)
E. globulus Explosión por vapor 18,1 g azúcares/100 g materia prima recuperados en líquidos, conversión del 99,5% de celulosa en sólidos tras HE
Romaní et al. (2103)
E. dunnii (corteza) Líquidos iónicos Reducción del contenido en lignina y del grado de cristalinidad de la celulosa
Reina et al. (2016)
E. dunnii Pretratamiento con ác. sulfúrico asistido por microondas
Solubilización de hemicelulosas y generación de xilosa; degradación para valores elevados de la severidad combinadalog Sc= log S-pH
Mc Intosh et al. (2012)
E. grandis Autohidrólisis en dos etapas
86% de xilosa en la primera etapa; 97% de recuperación de azúcares en conjunto
Qiang et al. (2010)
E. grandis Explosión por vapor con impregnación ácida
70% recuperación de hemicelulosas en el líquido a 210ºC, 2 min, 0.175% ác. sulfúrico90% conversión celulosa a 200ºC
Emmel et al. (2003)
hybrid of E.urophylla + E. grandis
Extracción alcalina en frío Eliminación del 46% xilano y 15% lignina Morais et al. (2016)
E. benthamii Explosión por vapor con impregnación ácida
Mayor recuperación de xilosa (58%) a 200ºC, 5 min, 0.75% ác. fosfórico. 47 y 51 g/L de azúcares en los dos modelos optimizados
Castro et al. (2014)
3. Pretratamientos
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto13
Microorganismo fermentativo
Biomasalignocelulósica
Azúcares solubilizados
(C5/C6)
Pretratamiento Sólido
Líquido
Fermentación
HidrólisisFermentación
C6
ETANOLLignina
Destilación
2ª Generación
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Configuraciones del proceso de conversión de materiales lignocelulósicos a bioetanol
SSF SSCF CBP
Enzimas añadidas
o producidas in situ
Sacarificación del
sustrato
SHF
Fermentación de
pentosas
Fermentación de
hexosas
ETANOL
4. Hidrólisis enzimática y Fermentación
L+SScF
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Variedad Configuración de proceso Resultados principales Ref.
E. globulus SSF a alta carga de sólidos (4 g líquido/g sólido)
91% conversión, con una concentración de 67.4 g etanol/l
Romaní et al. (2012)
E. globulus SSF, Celluclast 1.5L+β-glucosidasa, 15 FPU/g
91% conversión de celulosa en etanol, 51 g/L
Romaní et al. (2103)
E. dunnii (corteza) SHF, 50 FPU/g sólido pretratado 70% de rendimiento en etanol sobre el teórico
Reina et al. (2016)
E. dunnii SHF, Cellic CTec2 1.25% 18 g etanol/L, 92% conversión de glucosa a etanol
Mc Intosh et al. (2012)
E. grandis Solo hidrólisis enzimática, 40 FPU/g sólido celulasas
81.5% digestibilidad enzimática (no hicieron fermentación)
Qiang et al. (2010)
E. grandis Solo HE con 25 FPU/g celulosa Celluclast1.5L + Novozym 188
90% conversión de celulosa Emmel et al. (2003)
hybrid of E.urophylla + E. grandis
PSSF, 12 h presacarificación con Celluclast 1.5L 15 FPU/g sustrato. S. cerevisiae
0.39 g etanol/L Morais et al. (2016)
E. benthamii L+SScF; Cellic-Ctec2; Escherichia colietanologénica
217 y 242 g etanol/kg biomasa seca, equivalente a 275 y 304 L etanol/tonelada biomasa
Castro et al. (2014)
4. Hidrólisis enzimática y Fermentación
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
Eucalyptusbenthamii
Steamexplosion
Impregnación
Ác. Fosfórico, 4 h,10% sólidos,
Reducción agua hasta 36%
Material pretratado
Licuefacción50`C
NH4OHpH 5
Enzimas Cellic CTec214.7 FPU/g biomasa
L+SScF, 10% concentración de
sustrato 37`C
Aireación0.1 vvm
Escherichia colietanologénica
Destilación
ETANOL
Centrifugación
Residuo
Aguas
Aprovechamiento de lignina
Ajuste de pH
Metabisulfitode sodio y
metales-traza
NH4OHpH 6.3
500 g B.S.
Variables en estudio• Concentración de ácido fosfórico, 0.5-1% • Temperatura steam, 180-200ºC• Tiempo de residencia, 5-15 min
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
Less steps
Bioresour. Technol. 102, 2702-2711.
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
• Escasa influencia de la concentración de ácido para tiempos pequeños (5 min).
• Tiempos mayores (10 min) incrementan azúcares al nivelbajo de la temperatura
• Tiempos aún mayors (15 min) provocan disminución de azúcares debido a degradaciónde hemicelulosas
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
• Mayores cantidades de azúcares a los mayoresvalores de tiempo y temperatura
• Limitada inlfluencia de la concentración de ácido
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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5. Producción de etanol a partir de Eucalipto mediante explosión por vapor catalizada por ácido fosfórico
Glucosa consumida en 48 hTodos los azúcares consumidos en 96 hFurfural rápidamente asimilado
Potencial de producción de etanol a partir de diferentes variedades de Eucalipto
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Variedad Pretratamiento MicroorganismoRendimiento litros etanol/ton biomasa
Ref.
E. Globulus Organoslv S. cerevisiae 290 Muñoz et al. (2011)
E. grandis Steam explosion S. cerevisiae 248 Romaní et al. (2013)
E. grandis Autohidrólisis S. cerevisiae 291 Romaní et al. (2012)
E. benthamiiSteam explosion catalizada por ác. fosfórico
E. coli (KO11 derived) 304 Castro et al. (2014)
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Raw materialPretreatmentmethod
BiocatalystYield, g EtOH/gDW biomass
Rice straw Dilute acid M. indicus 0.11
Spruce SO2 impregnation Baker’s yeast 0.18
Corn stover AFEX S. cerevisiae 424 (LNH-ST) 0.22
Corn stover AFEX E. coli KO11 0.17
Lodgepole pine SPORL S. cerevisiae Y5 0.21
Sugarcane bagasse Dilute acid E. coli (KO11 derived) 0.27
Eucalyptus benthamii Dilute acid E. coli (KO11 derived) 0.24
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AGRADECIMIENTOS
University of FloridaDr. Lonnie O. IngramDr. Ismael U. Nieves
Grupo de Investigación “IngenieríaQuímica y Ambiental”, Universidad de Jaén
Más informació[email protected]