IntegraciIntegracióón de Biotecnologías Avanzadas para n de Biotecnologías Avanzadas para Acelerar el Camino a la Comercialización desde Acelerar el Camino a la Comercialización desde Biomasa a la Producción de Biomasa a la Producción de Etanol CelulósicoEtanol Celulósico

Marco A. BMarco A. Bááez Vez Váásquez, Ph.D., MBAsquez, Ph.D., MBAHead of Bioenergy and Biorefineries Initiative Head of Bioenergy and Biorefineries Initiative

Biotechnology Center of Excellence Corporation Biotechnology Center of Excellence Corporation (BCEC)(BCEC)

m.baez@bioenertec.comm.baez@bioenertec.com

www.BioAmericas.orgwww.BioAmericas.org1er Congreso Internacional de Biocombustibles

Mayo 7 y 8, 2008Guadalajara, Mééxico.

1.1. Introducción GeneralIntroducción General2.2. Interfases Tecnológicas Multisectoriales (ITM) Interfases Tecnológicas Multisectoriales (ITM) 3. Ciencia y Plataformas Tecnológicas3. Ciencia y Plataformas Tecnológicas4. Configuración de Procesos4. Configuración de Procesos5. Plan Estrat5. Plan Estratégico para Mgico para México y Latin Amxico y Latin América rica “ “EstratEstratégia de Cinco Nivelesgia de Cinco Niveles” ”

AGENDAAGENDA

El Cambio Climático y su Impacto en el EntornoEcolóógico es Irreversible

BiocombustiblesUtilizando

Lignocelulosa

85%< Reducciones de GHG’s85%< Reducciones de GHG’s

Protocolo de Kyoto naciones indust. reducir 5% emisiones de COProtocolo de Kyoto naciones indust. reducir 5% emisiones de CO22 para el 2010 para el 2010A largo plazo 50%< es requerido para estabilizar niveles de COA largo plazo 50%< es requerido para estabilizar niveles de CO22 en la Atmosfera en la Atmosfera

Mezclas Etanol-Gasolina

E10 Reduce 3% GHGE10 Reduce 3% GHGE85 reduce 31% GHG E85 reduce 31% GHG

Mezclas de Etanol (Maiz)Mezclas de Etanol (Maiz)

E10 reduce Emisiones GHG 38% E10 reduce Emisiones GHG 38% E85 reduce emisiones GHG 41%E85 reduce emisiones GHG 41%

Retos y Oportunidades

Drivers Externos y Drivers Externos y Panorama GlobalPanorama Global

Precio del Petróleo y Gasolina Precio del Petróleo y Gasolina (Transporte(Transporte))– Oferta/Abastecimiento y Demanda GlobalOferta/Abastecimiento y Demanda Global– Instrumentación de los Estándares para Carburantes y Política Instrumentación de los Estándares para Carburantes y Política

EnergéticaEnergética

Precio y Abasto de Almidón (Maíz) para Precio y Abasto de Almidón (Maíz) para Prod. Etanol vs otros Rec. Caña, Trigo, Prod. Etanol vs otros Rec. Caña, Trigo, Sorgo, CaféSorgo, Café– Existencia de Estándares para Combustibles Renovables– Marcados para co-productos (DDG’s) del Maíz-Etanol Proc.

Precio y Abasto de la Biomasa AgricolaPrecio 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 Regulación y Política Ambiental a nivel NacionalNacional – Mitigar Efecto Invernadero, Impuestos en Carbón y otros

Instrumentos Disponibles.

Necesaria una TransiciNecesaria una Transición más Dinámica de ón más Dinámica de lala

Economía Basada en el PetrEconomía Basada en el Petróleo hacia unaóleo hacia una EconomEconomíía Basada en los Recursos a Basada en los Recursos

AgrAgríícolas “colas “Biomasa Vegetal RenovableBiomasa Vegetal Renovable””●● Incentiva la Economía Nacional e Impulsa el Desarrollo Incentiva la Economía Nacional e Impulsa el Desarrollo Económico RegionalEconómico Regional● ● Alta Prioridad: Alta Prioridad: La Producción de Alimentos se Preserva y se Coadyuva La Producción de Alimentos se Preserva y se Coadyuva “ “Promover Sinergias Productivas Intersectoriales”Promover Sinergias Productivas Intersectoriales”●● Nueva Estratégia Nacional contra el Cambio ClimNueva Estratégia Nacional contra el Cambio Climááticotico●● Impulso de EnergImpulso de Energíías Alternativas mas Alternativas máás Eco-Eficientess Eco-Eficientes●● InterconecciInterconeccióón Estratn Estratéégica de los Sectores Agrgica de los Sectores Agríícola, Energcola, Energéético tico e Industriale Industrial●● Preservar en Forma Racional y Sostenible el Entorno EcolPreservar en Forma Racional y Sostenible el Entorno Ecolóógicogico

Transformando Residuos Celulósicos Transformando Residuos Celulósicos Agrícolas e Industriales en Energía Agrícolas e Industriales en Energía

RenovableRenovable

Lignocelulosa

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

Mill

ion

Gal

lons

Others Europe USA Brazil Total

World Biofuel Demand

2005

2015

2025

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

Beneficios de la BioeconomBeneficios de la Bioeconomííaauna Verdadera una Verdadera RevoluciRevolucióón Verden 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 SustentableCiclo Sustentable

Sincronizando los Sectores Clave Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva de la Nueva Revolución VerdeRevolución Verde

Sincronizando los Sectores Clave Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva de la Nueva Revolución VerdeRevolución Verde

Interfases Tecnológicas Multisectoriales (ITM) Interfases Tecnológicas Multisectoriales (ITM)

Transformando Residuos Transformando Residuos Cellulósicos Agrícolas e Industriales Cellulósicos Agrícolas e Industriales

en Energía Renovableen Energía Renovable

Lignocelulosa

Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva Energía Verde

EnergéticoAgrícola

Industrial

Economia

Med

io

Am

bien

te

Sincronizando los Sectores Clave de la Nueva Energía Verde

Interfaces Tecnolóógicas Multisectoriales ITM’s

EnergéticoAgrícola

Industrial

Economia

Med

io

Am

bien

te

ITMITM ITMITM

ITMITMITMITM

ITMITM

ITMITM ITMITM

ITM’s Acelerar ComercializaciónITM’s Acelerar Comercialización

Data BridgesData BridgesK. EngineeringK. Engineering

Intellectual Property P.Intellectual Property P.

Productos y Cultivos Agricolas,Prod. Forestales para Alimentos,Fibras y otros Usos Industriales

Nuevas Variedades Agríícolas Mejoradas viaSistemas MolecularesModernos y PlataformasTecn. Avanzadas

Cultivos Extensivos para PrimeraGeneración de BiocomBustibles, Prod. Quim.y Materials.

Nuevos Recursos deBiomasa (cultivos, forestal, esquilmos)Para la nueva generacióón de Biocombustibles,Quimicos y Materiales

IIII IIIIII

II IVIV

BeneficiosBeneficiosNacionalesNacionales-Seguridad,-Seguridad,EconomEconomíía,a,Ambiental,Ambiental,SustentabilidadSustentabilidad

Nuevos Cultivos/Biorecursos Enfocandose a Mercados de Nuevos Cultivos/Biorecursos Enfocandose a Mercados de Valor Agregado Local, Nacional e InternacionalValor Agregado Local, Nacional e Internacional

Sectores Clave Agrícola y Forestal para Impulsar Sectores Clave Agrícola y Forestal para Impulsar Biorefinerias en la Producción de Energia, Biorefinerias en la Producción de Energia,

Materiales y Prod. QuímicosMateriales y Prod. QuímicosAlternativas para Promover la BioeconomAlternativas para Promover la Bioeconomía Nacionala Nacional

Ciencia y Plataformas TecnológicasCiencia y Plataformas Tecnológicas

Acelerar el Desarrollo y Conocimiento Sistemático Acelerar el Desarrollo y Conocimiento Sistemático para Beneficio de lapara Beneficio de la

HumanidadHumanidad

Biología Sintética

Microbiología

Ferment. aLarga Escala

Optim.de Líneas Celulares

ProteómicaIngenieríaMetabólica

Genómica

Integracióón de Tecnologías de Punta para Acelerar la Produccióón Costo-Eficiente y Comercializacióón de los Biocombustibles

Integracion de Tecnologias Avanzadas Para Acelerar La Prod. Costo-Effectiva

de Biocombustibles Celulosicos

Integracióón de Tecnologías de Punta para Acelerar la Produccióón Costo-Eficiente y Comercializacióón de los Biocombustibles

ProducciProduccióón de Bioetanol n de Bioetanol Utilizando Material Utilizando Material

LignocelulLignocelulóósicosico

Materias Primas

Pretratamiento Sacarificación Glucosa,

xylosa Fermentación

Etanol

Enzimas: Cellulasas, Hemicelulasas

ETANOL

(+)

SUBPROD.

GLUCOSA

GLUCOSA

PENTOSAS

CERVEZA

CERVEZA

+BIOXIDODE CARBONO

+ BIOXIDO DE CARBON

LEVADURA 1MOSTOGLUCOSADO

MOSTO DE ALTAPENTOSA LEVADURA 2

MEDIO

ACIDO

MEDIO

ACIDO

CELULOSA

HEMICELULOSE

AGUA

AGUA

(+)

(+)

PROCESO

FISICO

CERVEZA

HIDROLISIS ENZIMATICA

“Sacarificacion”

FERMENTACION

( + )

DESTILACION

( + )

IntroducciIntroduccióón al Proceso de Hidrn al Proceso de Hidróólisis Enzimlisis EnzimááticaticaEtapas para la ProducciEtapas para la Produccióón de Bioetanol apartir den de Bioetanol apartir de

Materiales LignocelulMateriales Lignocelulóósicossicos

PRETRATAMIENTO TERMOMECANICO

TERMOQUIMICO

FIBRAS SUSCEPTIBLES A HIDROLISIS ENZIMATICA

Coproductos del BioetanolHidrolizados Hemicelulose

(Xylose)

Hidrolizados

Cellulose (Glucose)

1o HidrólisisEnzimática de

la Celulosa

Pretratamiento eHidrólisis de laHemicellulosa

2o HidrólisisEnzimática &Fermentatión

Recuperacióndel Etanol &Purificación

Biomasa Celular Enzimas (Proteinas,

Peptidos)

Residuos Solidos del

Process

Residuos Líquidos del

Process

Biomass EtOH1o HidrólisisEnzimática de

la Celulosa

Pretratamiento eHidrólisis de laHemicellulosa

2o HidrólisisEnzimática &Fermentatión

Recuperacióndel Etanol &Purificación

Residuos Sólidos

Del ProcesoLignina Insoluble(Prod. Fenólicos de

Alto MW)

Lignina Soluble (Prod. Fenólicos de

Bajo MW)

Fibra de Maíz

Bagazo de Caña

Fuentes Renovables de Biomasa Lignocelulósica

CelulosaLignina

RegiónAmorfa

RegiónCristalina

Pretratamiento

Hemicelulosao Almidón

Mecanismo de Hidrólisis CelulolíticaMecanismo de Hidrólisis Celulolítica

Mecanismo de Hidrólisis CelulolíticaMecanismo de Hidrólisis CelulolíticaIncrementando EficiencIncrementando Eficiencíía Catala Catalíítica tica

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

Tejidos Vasculares RecalcitrantesTejidos Vasculares Recalcitrantes Tinsión Clorito-Sulfito Biodegradación

Ref. D.E.Akin, 2006

Celulosa 39%-43%

Hemicelulosa 20%

Lignina 22%

Tinsión con Floroglucinol Biodegradación

Tejidos Recalcitrantes no-degradables = Epidermis, Anillos del Esclerenquima y ring, Zonas Vasculares

Ref. D.E.Akin, 2006

Configuración de ProcesosConfiguración de Procesos

IncrementarEficiencia Catalítica

Enzimas Organismo Etanologénico

Integración deProceso

EstratEstratéégias para la Reduccigias para la Reduccióón de los n de los Costos de ProcesoCostos de Proceso

Regulación & ExpresiónInducción, De-represión

Genómica

Manufacturay Economias de

Escala

Etanol Celulósico: Ruta hacia la Etanol Celulósico: Ruta hacia la ComercializaciónComercialización

BIOMASA

HYDROLISISDE

CELULOSA

FERMENTACIONDE PENTOSAS

UTILIZACIONDE LIGNINA

RECUPERACIONDEL ETANOL

PRODUCTIONDE

ENZIMA

PRETRATAMIENTOFRACCIONACION

HIDROLISIS DEHEMICELLULOSA

FERMENTACIONDE GLUCOSA

BIOREFINERIAS PROD. QUIMICOS

EN BASE ACARBOHIDRATOS

PretratamientoPretratamiento Facilita la Conversion de la Hemicelulosa a Xilosas y Facilita la Conversion de la Hemicelulosa a Xilosas y

Arabinosas Monomericas Arabinosas Monomericas Incrementa la Susceptibilidad de las Fibras de Celulosa Incrementa la Susceptibilidad de las Fibras de Celulosa

a la Hidra la Hidrólisis Enzimáticalisis EnzimáticaCondiciones de

Proceso`

Niveles

Termoquímico Dilute Acid

Concentración de

Sólidos en Reactor

30 %

Tiempo de Residencia 2 min

Concentración de

Ácido Sulfúrico

1.1 %

Temperatura 190 °C

Explosion de Vapor 10< min

1.2

1.3

1.4

1.5

20% 25% 30% 35%Concentración de Sólidos en Reactor

Mín

imo

Pre

cio

de

Ve

nta

Eta

no

l ($

US

D/G

al)

Efecto del Nivel de SEfecto del Nivel de Sóólidos en la lidos en la PrehidrPrehidróólisis de la Biomasalisis de la Biomasa

Descubrimiento de Nueva Generación de Enzimas Especificas Multiples Substratos

Nueva Generacióón de Enzimas y Microbios (Ing. Metabóólica)

ResiduosAgric.

DDG’s Bagazode Caña

Paja de Maíz Paja de Trigo

Pretratamientos Alternativos

High Yield of Fermentable C5’s and C6’sAltos Rendimientos de Azúcares Fermentables C5’s and C6’s

HomogenizaciónPretratamiento

Ácid Diluido

ProcesamientoDe SolidosResidualesHidrólisis

Enzimática dela Celulosa

Producción de Enzimas

Fermentación

Recuperacióndel

Etanol

Hidrolizados de Hemicelulosa

Hidrolizadosde Celulosa

Configuración de Proceso: La Hidrólisis Enzimática

Independiente de la Fermentación (SHF)

HomogenizaciónPretratamiento

ÁcidoDiluido

Producción deEnzimas

Procesamientode SolidosResiduales

Sacarificacion y Co-fermentación

Simultaneas

RecuperaciónDel

Etanol

Hidrolizadosde Hemicelulosa

NREL, Desarrollo de el Proceso de Etanol

ConfiguraciConfiguracióón del Proceso Enzimn del Proceso Enzimáático en tico en la Sacarificacila Sacarificacióón y Cofermentacin y Cofermentacióón n

SimultSimultááneasneas

ProcesoProcesoComercialComercialFACTORES CLAVE

Sacarificación & Fermentación

Simultanea

SacarificaciónInicial

Biomasa Agr.Pretratada

Recuperacióny Destilación de Producto

Integración de Etapas para Consolidar un Bioproceso Económico y Eficiente

1.18

1.2

1.22

1.24

1.26

1.28

1.3

1.32

1.34

1.36

7 3.5 1Periodo de Fermentación (días)

Mín

imo

Pre

cio

de

Ve

nta

Eta

no

l ($

US

D/G

al)

Proceso de Sacarificación y Fermentación

Variaciones del Tiempo de Residencia en la Fermentacióny su Impacto en los Costos del Proceso

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

70 85 92 95

Mín

imo

Pre

cio

de

Ve

nta

Eta

no

l ($

US

D/G

al)

% Conversion Sacarificaci% Conversion Sacarificacióón y Fermentacin y Fermentacióón de Glucanosn de Glucanos

Proceso de Sacarificación y Fermentación

Niveles de Conversión (%) Hidrólisis de Celulosa - Fermentaciónde Glucanos y su Impacto en los Costos del Proceso

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

95 85 85 85+ Xilosa 80%<

+ Arabinosa 80%<

+ Otros Azύcares Fermentables 80%<

Glucosa 95%

Mín

imo

Pre

cio

de

Ve

nta

Eta

no

l ($

US

D/G

al)

Proceso de Sacarificación y Fermentación

Niveles de Conversión (%) Diferentes Azucares Fermentables de Biomasa Lignocelulosica y su Impacto en los Costos del Proceso

EstratEstratégias para la gias para la Reducción de CostosReducción de Costos

ReducciReduccióón del Costo de Capitaln del Costo de Capital – Expansión de la Planta Existente Expansión de la Planta Existente – Cerca de una Planta de Cogeneración de Cerca de una Planta de Cogeneración de

Energia (carbon)Energia (carbon)– Ubicarla entre el Ingenio y la Planta de EnergiaUbicarla entre el Ingenio y la Planta de Energia– Excelente Sinergia con el Sistema Actual:Excelente Sinergia con el Sistema Actual: Mismo lugar, mismo productoMismo lugar, mismo producto

Reducir el Costo de Capital MedianteReducir el Costo de Capital Mediante Fuentes Alternativas de Fuentes Alternativas de

FinanciamientoFinanciamiento– Prestamos de Garantia Prestamos de Garantia – Deducciones y Beneficios de Impuestos Deducciones y Beneficios de Impuestos

Municipal/Estatal/FederalMunicipal/Estatal/Federal

Plan EstratPlan Estratégico para Mgico para México y Latin Amxico y Latin América rica EstratEstratégia de Cinco Niveles gia de Cinco Niveles

REFINERIAS DEL FUTUROPlataforma

CarbohidratosHidrólisis EnzimáticaDerivados de Lignina

PlataformaTermoquímica

Pirólisis

Gasificación

ProductosCombustibles

QuímicosCalor y Potencia

BiomasaResiduos Agric.

Cultivos Energeticos

Biorefinerias

Productos IntermediosAzúcares y Lignina

Productos IntermediosGaseosos y Líquidos

REFINERIAS DEL FUTURO…….HOY!Recursos Renovables para la ProduccióónDe Combustibles y Productos Quíímicos

● ● Alimentos y FibrasAlimentos y Fibras

● ● IngredientesIngredientes

● ● CombustiblesCombustibles

● ● Química FinaQuímica Fina

● ● PolPolíímerosmeros

● ● SolventesSolventes

● ● PlPlásticossticos

● ● TextilesTextiles

● ● AdhesivosAdhesivos

● ● PigmentosPigmentos

● ● Lubricantes, etc…Lubricantes, etc…

Procesos de ConversiónProcesos de Conversión

● ● EstratEstratégia de Interfases Tecnológicas Multisectoriales ITM por regiones.gia de Interfases Tecnológicas Multisectoriales ITM por regiones.

● ● Conectando Interfases a travConectando Interfases a través de “Puentes de Información” para generars 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 BioenergPropiedad Intelectual en el sector Bioenergéticotico

● ● Mejora en Reforma Interna Regulatoria para evitar inhibir el desarrollo deMejora en Reforma Interna Regulatoria para evitar inhibir el desarrollo deSectores industriales emergentes, inversiones y comercialización de los Sectores industriales emergentes, inversiones y comercialización de los Biocombustibles.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

Industria

Agricultura

Energίa

Integrando Sinergias Sectoriales para Potenciar sus Beneficios Tecnológicos y Económicos a Nivel Regional y Nacional

MMúúltiples Beneficios de las ltiples Beneficios de las BioenergBioenergíías Renovablesas Renovables

● ● EconómicoEconómico– Reducir costos y mejorar calidad en productos y derivadosReducir costos y mejorar calidad en productos y derivados– Nuevos Productos & Oportunidades de Mercado Nuevos Productos & Oportunidades de Mercado – Independencia Energetica (Recursos Alternativos) & Mejora Independencia Energetica (Recursos Alternativos) & Mejora

la Competitividad y la Balanza de Negocios Nacional e la Competitividad y la Balanza de Negocios Nacional e Internacional en Todas las Internacional en Todas las ÁÁreas Productivas Asociadasreas Productivas Asociadas

● ● AmbientalAmbiental– Previene la ContaminaciPreviene la Contaminacióón, Reduccin, Reduccióón de las Emisiones de n de las Emisiones de

Gases (GHG) y otros TGases (GHG) y otros Tóóxicosxicos– Biocombustibles ‘Biocombustibles ‘verdesverdes’, Productos Qu’, Productos Quíímicos y materialesmicos y materiales– Productos Reciclables y BiodegradablesProductos Reciclables y Biodegradables

● ● SocialSocial– Crecimiento y DiversificaciCrecimiento y Diversificacióón de la Economia Rural n de la Economia Rural – Las EconomLas Economíías Emergentes pueden accesar la Bioeconomas Emergentes pueden accesar la Bioeconomíía a – Mejoramiento en la CalidadMejoramiento en la Calidad de la Vida y Salud Humana a de la Vida y Salud Humana a traves de un Medio Ambient mas Ltraves de un Medio Ambient mas Líímpio mpio

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

El futuro es promisorio para todosEl futuro es promisorio para todoses verdad que para el bioetanoles verdad que para el bioetanollo mejor esta por llegar……lo mejor esta por llegar……

Arnold L. DemainArnold L. Demain MIT Emeritus ProfessorMIT Emeritus Professor

GRACIAS

IntegraciIntegracióón de Biotecnologías Avanzadas para n de Biotecnologías Avanzadas para Acelerar el Camino a la Comercialización desde Acelerar el Camino a la Comercialización desde Biomasa a la Producción de Biomasa a la Producción de Etanol CelulósicoEtanol Celulósico

Marco A. BMarco A. Bááez Vez Váásquez, Ph.D., MBAsquez, Ph.D., MBAHead of Bioenergy and Biorefineries Initiative Head of Bioenergy and Biorefineries Initiative

Biotechnology Center of Excellence Corporation Biotechnology Center of Excellence Corporation (BCEC)(BCEC)

m.baez@bioenertec.comm.baez@bioenertec.com

www.BioAmericas.orgwww.BioAmericas.org1er Congreso Internacional de Biocombustibles

Mayo 7 y 8, 2008Guadalajara, Mééxico.