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miércoles, 26 de abril de 2017

Etanol de la fibra del grano de maíz – Las tecnologías 1,5G a estudio



Fecha de publicación: 26/04/2017
Última actualización: 26/04/2017

Introducción [1,2,3]

Una instalación de primera generación (1G) produce bioetanol mediante la fermentación de azúcares procedentes de la caña de azúcar, la remolacha azucarera o semillas de cereales, mientras que una instalación de segunda generación (2G) emplea los azúcares que se pueden encontrar en la biomasa lignocelulósica (residuos agrícolas, cultivos lignocelulósicos…). Se dice que la hibridación de las instalaciones 1G con tecnología 2G es el futuro para los biocombustibles 2G en aquellos países que ya han desarrollado una infraestructura fuerte para producir bioetanol. La hibridación permite producir etanol más competitivo en coste usando residuos agrícolas que previamente no tenían valor e integrando toda la cadena de valor.

En este contexto, hay un modo especial de hibridación que aprovecha los azúcares celulósicos escondidos en la fibra del grano de maíz. Conocida comúnmente como Generación 1,5 (1,5G), la capacidad para convertir la fibra del grano de maíz en etanol parece ser el puente entre la producción de etanol de maíz y el etanol celulósico.

Las tecnologías de etanol de fibra de maíz están siendo implementadas a gran velocidad por los fabricantes de etanol de maíz en USA que se sienten atraídos por el incremento en los rendimientos de etanol y aceite de maíz así como por los incentivos a los biocombustibles celulósicos. Según los datos proporcionados recientemente por Syngenta, hay aproximadamente 12 millones de toneladas de fibra de grano de maíz disponibles al año en plantas de etanol de molienda en seco en USA que podrían producir 1.500 millones de galones de etanol celulósico. Sin embargo, muchos consideran que toda esta cuestión sólo está apoyando la producción de biocombustibles convencionales poco sostenibles a partir de alimentos. La Generación 1,5, ¿es la transición hacia los biocombustibles celulósicos o un salvavidas para las refinerías de etanol de maíz?

Esta entrada tratará de explorar de una manera imparcial los procesos de conversión, la controversia en USA y las tecnologías que están siendo comercializadas actualmente.

Los fundamentos de la transformación de la fibra del grano de maíz [4,5,6,7]

El etanol de maíz se genera a partir de la fermentación de almidón. Aunque es un proceso sencillo, una significativa necesidad de energía y el uso de dos enzimas diferentes (hidrólisis del almidón y fermentación) elevan los costes de operación. El etanol celulósico es bastante más difícil y caro de producir. La glucosa debe ser liberada de la celulosa antes de que pueda ser fermentada. Las hemicelulosas son más fáciles de descomponer que la celulosa pero no pueden ser fermentadas por los mismos microorganismos que se utilizan para fermentar la glucosa. Además de estas dificultades, tanto la celulosa como las hemicelulosas están entrelazadas en complejas estructuras que contienen otras moléculas (principalmente, lignina).

Figura 1. Anatomía del grano de maíz (extraído de la página web de DuPont)

Los granos de trigo contienen, sobre todo, almidón, pero también un 10-12% de fibra, así como algunas proteínas y grasas. La fibra está formada por paredes celulares que contienen celulosa y hemiceulosa, junto con una pequeña cantidad de lignina. También contiene algo de almidón. Se necesitan menos pasos para transformar esa fibra en etanol celulósico que los tallos y las hojas de la planta de maíz y otros materiales lignocelulósicos. Esto se debe a que la materia prima es limpia y homogénea (limpia de arenas y otras impurezas) y la fibra del grano de maíz contiene menor cantidad de lignina y de naturaleza menos recalcitrante. En este sentido, Novozymes ha presentado resultados experimentales que muestran que se puede alcanzar la misma conversión de fibra de maíz con un tercio de la dosis empleada para los tallos y las hojas.

Es posible distinguir dos técnicas generales para tranformar la fibra en etanol: procesándola de manera separada al grueso del almidón o usando métodos de pretratamiento no convencionales de los granos de maíz completos antes de la fermentación. Abajo, en la sección sobre tecnologías, se pueden encontrar ejemplos representativos de estas dos clases de técnicas.

La controversia en USA [4,5,6,7]

Cuando se implementó la Norma sobre Combustibles Renovables (RFS, “Renewable Fuel Standard”) la Agencia de Protección Ambiental (EPA, “Environmental Protection Agency”) de los Estados Unidos, no preveía que el etanol celulósico pudiese ser obtenido a partir de ningún elemento constituyente del grano de maíz. En una regla de 2014, permitió que las paredes celulares del grano de maíz (fibra) fuesen cualificadas como biocombustible celulósico. La pared celular fue categorizada por la EPA como un residuo agrícola. Las instalaciones que están añadiendo estas tecnologías de etanol celulósico a instalaciones de maíz de etanol ya existentes son capaces de producir no sólo etanol de maíz, sino también cantidades más pequeñas de etanol celulósico basado en fibra para recibir créditos fiscales por producción de combustibles celulósicos y cualificar RINs celulósicos en la RFS.

Sin embargo, algunas fuentes sostienen que la fibra del grano de trigo es, innegablemente, un biocombustible basado en alimentos, ya que procede directamente de la parte comestible del grano, incluso si no se trata del grano completo. Por lo tanto, esta producción celulósica estaría apoyando al etanol de maíz tradicional, que tiene influencia sobre el precio de los alimentos y el uso de los terrenos.

Otro punto de la controversia está relacionado con el almidón que se adhiere a la fibra. La regla permite que el etanol derivado de ese almidón sea clasificado como celulósico (sólo en el caso en el que la fibra sea procesada separadamente del volumen del almidón de maíz). La EPA considera que esta cantidad, típicamente, no pasa del 5% de la masa de la fibra. Otras fuentes citan cifras mucho más altas y algunas voces afirman que el almidón está siendo puesto dentro del mismo saco que la fibra.

Teconologías de mercado

D3MAX [8,9,10]

D3MAX, LLC es una startup tecnológica creada por BBI International en 2015 para desarrollar y licenciar su tecnología de etanol a partir de fibra de maíz en plantas de etanol de USA, Canadá y otros países. BBI comenzó a desarrollar la tecnología en 2007 y se le otorgó una patente en 2012. Dicha patente es ahora propiedad de D3MAX.

1. Descripción del proceso y características clave
La tecnología de D3MAX es una solución “bolt-on” (se podría traducir informalmente como de quita y pon) para platas de etanol de maíz. El proceso puede ser instalado sin paradas significativas e interrupciones en la producción de etanol. La materia prima es la pasta húmeda que ha sido previamente “cocinada” por la planta de etanol lo que implica bajas temperaturas y presiones de pretratamiento. El proceso convierte la celulosa, la hemicelulosa y el almidón residual contenidos en la pasta húmeda en azúcares que son posteriormente fermentados para producir etanol. Requiere bajas dosis de enzima celulasa debido al bajo contenido en lignina de la pasta y a la alta conversión de celulosa en glucosa durante el pretratamiento. Después de la fermentación, el fluido es destilado y deshidratado de la misma manera que el etanol generado a partir de almidón de maíz. Por la parte inferior de la columna, se recoge agua con cierto contenido en proteínas, lignina y otros no fermentables. Esta corriente se procesa para producir DDGS con bajo contenido en fibra y alto en proteínas. Convertir la fibra y el almidón residual de la pasta húmeda reduce el volumen de DDGS en un 20%. La concentración de proteínas se incrementa en un 40%. Esta clase de DDGS es apta para piensos de animales monogástricos incluyendo cerdos y aves.

Figura 2. Proceso D3MAX (extraída de la Referencia 9)

2. Indicadores de mejora
- El rendimiento total de etanol se incrementa desde los 2,80 gal/bu hasta los 3,11 gal/bu (11%).
- La cantidad de aceite de maíz recuperada crece desde 1,0 lb/bu hasta 1,5 lb/bu (50%).
- El uso de energía en el secador se reduce en un 20%.

3. Estado
D3MAX finalizaba la fabricación de su sistema piloto en Febrero de 2017. Fue diseñado y construido por la empresa con sede en Ohio AdvanceBio Systems basándose en la patente y el diseño conceptual de D3MAX. La planta piloto ha sido entregada e instalada en las instalaciones de Ace Ethanol en Stanley (Wisconsin, USA). Actualmente, se está probando el proceso de producción de etanol a partir de fibra y se espera terminar los ensayos en junio. Después de analizar los primeros resultados, el proceso ha mostrado mejores resultados de los esperados. Debido a ello, D3MAX ya está planeando comenzar el diseño de su primera planta comercial este verano para iniciar la construcción en otoño.

Figura 3. Sistema piloto de D3MAX instalado en Ace Ethanol (extraída de la Referencia 9)

DuPont [11]

1. Descripción del proceso y características clave
Las enzimas OPTIMASH® han sido especialmente optimizadas por DuPont para hidrolizar la fibra del grano de maíz procedente de diversos procesos y varias condiciones de pretratamiento. Estas enzimas pueden ser usadas para sacarificación de la fibra antes de la fermentación o para fermentación y sacarificación simultánea. Cuando se aplican de manera conjunta con un pretratamiento, pueden romper los enlaces químicos en la fibra de maíz para producir azúcares C5 y C6 fermentables.

2. Indicadores de mejora
Con esta tecnología, una instalación de 100 millones de galones al año (MGPY) puede producir 6-10 MGPY adicionales de etanol y 30%-40% de aceite de maíz.

Edeniq [12,13,14,15,16,17,18]

Edeniq fue fundada en 2008, tiene su sede en Visalia (California, USA) y una oficina local en Omaha (Nebraska, USA). La empresa ha desarrollado procesos para producir azúcares celulósicos y etanol celulósico de bajo coste. Comenzó a fusionarse con Aemetis pero el acuerdo de fusión se dio por terminado legalmente en agosto de 2016. Recientemente, Edeniq anunciaba que ha presentado una demanda contra Aemetis por fraude y representación negligente entre otras reclamaciones.

1. Descripción del proceso y características clave
El proceso Pathway de Edeniq es una plataforma integrada para producir etanol celulósico plantas existentes de etanol de maíz. Dicha plataforma combina el Cellunator con un coctel enzimático para descomponer la fibra del grano de maíz, liberando los azúcares celulósicos en el proceso de fermentación. El Cellunator es un molino coloidal patentado que ha sido desarrollado de manera conjunta con IKA. Incrementa el acceso de las enzimas al almidón y pretrata la fibra del grano de maíz para la actuación de la celulasa.

Figura 4. Integración de las tecnologías de Edeniq en una planta existente (extraída de la Referencia 13)

2. Indicadores de mejora
- La tecnología Pathway de Edeniq, usando equipos de fermentación y destilación existentes puede producir hasta un 2,5% adicional de etanol celulósico.
- Tiene potencial para incrementar los beneficios anuales de una planta de 120 MGPY en 7 millones de dólares a partir de los ingresos por el etanol y el aceite de maíz adicional y de los créditos celulósicos.

3. Estado
Las tecnologías de Edeniq han sido implementadas y aprobadas con éxito en múltiples plantas de etanol de maíz:
- Pacific Ethanol. Comenzó a producir etanol celulósico con las tecnologías de Edeniq en su planta de Stockton (California) en diciembre de 2015. Recibió su registro de etanol celulósico en septiembre de 2016. Según noticias recientes (ver entrada), también serán instaladas en la planta de Madera en California. Se espera que los trabajos estén terminados para el tercer cuarto de 2017.
- Flint Hills Resources. La EPA aprobó el registro de su planta de etanol de 120 MGPY en Shell Rock (Iowa, USA) para la producción de etanol usando la tecnología Pathway en diciembre de 2016.
- Little Sioux Corn Processors. La EPA aprobó el registro de su planta de etanol de 150 MGPY en Marcus (Iowa, USA) para la producción de etanol usando la tecnología Pathway en enero de 2017.
- Siouxland Energy Cooperative. Ha instalado Cellunators y ha empezado con éxito la producción de etanol celulósico usando la tecnología Pathway en su planta de etanol de 60 MGPY en Sioux Center (Iowa, USA) en marzo de 2017. Con el soporte técnico de Edeniq, SEC está preparando su solicitud de registro con la EPA para RINs D3.

ICM [19,20]

ICM es una empresa privada, fundada en 1995 y con sede en Colwich (Kansas, USA), que proporciona tecnologías, soluciones y servicios innovadores para el sector de los combustibles renovables.

1. Descripción del proceso y características clave
La tecnología Generation 1.5 Grain Fiber to Cellulosic Ethanol (Gen 1.5) de ICM que está pendiente de patente, integra un proceso para convertir fibra de maíz en etanol celulósico con plantas de etanol existentes. La ruta para generar etanol celulósico consta de una combinación de procesos mecánicos, químicos y biológicos. Comienza con dos tecnologías patentadas de ICM, “Selective Milling Technology” (SMT) y “Fiber Separation Technology” (FST). SMT tritura la pasta de maíz para que el almidón y el aceite estén más accesibles para el resto del proceso. Con la adición posterior de FST, la fibra se separa de la corriente mediante sucesivos pasos de lavado con flujo cruzado. La corriente de fibra es sometida a un pretratamiento de ácido diluido que rompe la fibra y libera la celulosa. La corriente de celulosa se convierte en azúcares con un cóctel enzimático innovador y, posteriormente, los azúcares C5 y C6 son transformados en etanol celulósico con una levadura avanzada patentada. El proceso Gen 1.5 fue desarrollado a través de colaboraciones con dos importantes empresas biotecnológicas a nivel mundial. Novozymes proveyó el cóctel enzimático que convierte la corriente de celulosa en azúcares accesibles. DSM desarrolló las levaduras que fermentan los azúcares C5 y C6. El proceso también produce DDGS con alto contenido en proteínas.

Figura 5. Integración de las tecnologías de ICM en una planta existente (extraída de la Referencia 19)

2. Indicadores de mejora
Este proceso incrementa el rendimiento de etanol hasta el 10% y el de aceite de maíz hasta el 20%.

3. Estado
La tecnología ha sido probado tanto en fermentadores a nivel piloto (15.000 galones) como en producción (585.000 galones) en tandas de hasta 1.000 horas. ICM anunciaba en marzo de 2017 la construcción de una biorrefinería de última generación junto a su sede para mostrar esta tecnología (ver entrada). Allí, producirá hasta 5 millones de etanol celulósico al año. El etanol celulósico
The technology has been proven in both pilot (15,000 gal) and production (585,000 gal) fermentors in runs up to 1000 hours. ICM announced the construction of a state-of-the-art biorefinery next to its headquarters showcasing its cutting-edge technologies in March 2017 (see post). ICM’s patent pending grain fiber to cellulosic ethanol technology will produce up to 5 MMg of cellulosic ethanol per year.

Quad County Corn Processors (QCCP) y Syngenta [2,21]

Antes conocida como Adding Cellulosic Ethanol, Cellerate es una colaboración entre Syngenta y Cellulosic Ethanol Technologies, LLC, filial de Quad County Corn Processors.

1. Descripción del proceso y características clave
Cellerate no supone grandes cambios del proceso de etanol de almidón convencional. El pretratamiento descompone la fibra con pHs los suficientemente bajos para prevenir la degradación del almidón. Esto reduce el tiempo, los productos químicos y la energía requeridos. Permite que la planta cargue más sólidos y capture almidón residual, azúcares y componentes celulósicos en un segundo proceso de fermentación. Además, Syngenta desarrolló la tecnología Enogen, una innovación en las semillas que mejora la producción de etanol y libera enzimas alfa amilasa directamente en el grano.

2. Indicadores de mejora
Los resultados obtenidos en la planta de QCCP hasta la fecha incluyen: un 6% de aumento del rendimiento (por conversión de la fibra del grano de maíz en etanol) más una mejora la capacidad del 20% (por combinar Cellerate con Enogen) en la producción de etanol, piensos con alto contenido en proteínas y mejora en el rendimiento de aceite.

3. Estado
En 2014, QCCP fue la primera instalación comercial de etanol celulósico usando fibra de grano de maíz y alcanzó la certificación EPA para generar D3 RINs. Hasta la fecha, QCCP ha producido más de 5,5 millones de galones de etanol celulósico.
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REFERENCIAS
1 E. Ortega: “Hybridization: the evolution of 1G in Brazil”. The energy of change, Abengoa. Consultado el 19 de abril de 2017.
3 S. Mueller: “Kernel of Opportunity: Corn Fiber-to-Ethanol”. Ethanol Producer Magazine, 21 de enero de 2014.
4 S. Karpf: “Land and Food Risks of Cellulosic Biofuels”. ActionAid USA, Octubre 2016.
5 A. Ernsting: “Subsidy Loopholes for “Cellulosic Ethanol” Promote Corn Profits, But Not Energy Independence”. In these times, Rural America Blog, 11 de Agosto de 2016.
6. “RFA Pleased with EPA Approval of Corn Fiber as Cellulosic Feedstock”. Renewable Fuels Association, 2 de julio de 2014.
8 www.d3maxllc.com. Consultado el 20 de abril de 2017.
9 M. Yancey: “D3MAX Technology Deployment Update”. D3MAX presentation.
10 “D3Max pilot test results at ACE Ethanol exceed expectations”. By BBI International in the Ethanol Producer Magazine, 12 de abril de 2017.
11: “OPTIMASH® Enzymes Enabling New Advancements in Production of Renewable Fuel”. DuPont web page. Consultado el 19 de abril de 2017.
12 www.edeniq.com. Consultado el 20 de abril de 2017.
14 “Edeniq brings fraud and other cross-claims against Aemetis”. Nota de prensa de Edeniq, 23 de marzo de 2017.
15 “Pacific Ethanol To Produce Cellulosic Ethanol at its Madera Plant”. Nota de prensa de Edeniq, 22 de marzo de 2017.
16 “EPA Approves Flint Hills Resources for Cellulosic Ethanol from Edeniq’s Pathway Technology”. Nota de prensa de Edeniq, 20 de diciembre de 2017.
19 “Generation 1.5: Grain Fiber to Cellulosic Ethanol Technology”. ICM web page. Consultado el 21 de abril de 2017.
20 “ICM advances pathway to cellulosic ethanol”. Ethanol Producer Magazine, 17 de junio de 2016.
21 J. Schroeder: “Cellerate + Enogen = More Ethanol Production”. AgWired, 26 de abril de 2016.

Corn fiber ethanol – Examining 1.5G technologies



Publication date: 26/04/2017
Last update: 26/04/2017

Introduction [1,2,3]

A first generation (1G) facility produces bioethanol by fermenting sugars from sugar cane, sugar beet or cereals seeds, whereas a second generation (2G) facility uses sugars found in lignocellulosic biomass (agricultural residues, lignocellulosic crops…). It is said that the hybridization of existing 1G facilities with 2G technology is the future hope for 2G biofuels in countries who currently have developed a strong bioethanol infrastructure. The hybridization allows to produce a more cost-competitive ethanol using agricultural residue that previously had no value as a feedstock and integrating the whole value chain.

In this context, there is a special mode of hybridization that take advantage of the cellulosic sugars hidden in the corn kernel fiber. Known commonly as 1.5 Generation (1.5G), the ability to convert corn kernel fiber to ethanol seems to bridge the gap between the production of ethanol from corn and cellulosic ethanol.

Corn fiber ethanol technologies are being rapidly adopted by corn ethanol refiners in USA who are attracted by the rise of ethanol and corn oil yields as well as the cellulosic incentive tax credits. In accordance with data provided very recently by Syngenta, there are approximately 12 million tons of corn kernel fiber feedstock already available at US dry grind ethanol plants each year that could produce a potential 1.5 billion gallons of cellulosic ethanol. However, many consider that this issue is simply boosting support for unsustainable conventional biofuel production from food. Is 1.5G the transition to cellulosic biofuels or a lifejacket for corn ethanol refineries?

This post will try to explore in an unbiased manner the conversion process, the controversy in the USA and the market technologies.

The basis of the corn kernel fiber conversion [4,5,6,7]

Corn ethanol is made from the fermentation of starch. Although it is a straightforward process, the significant energy inputs and the use of two different enzymes (starch hydrolysis and fermentation) raise the operating costs. Cellulosic ethanol is far more difficult and expensive to produce. Glucose must be liberated from cellulose before it can be fermented. Hemicelluloses are easier to break apart than cellulose but their sugars cannot be fermented by the same microorganisms that are used to ferment glucose. Adding to these difficulties, both cellulose and hemicelluloses are intertwined in complex structures that contain other molecules (primarily, lignin).

Figure 1. Corn Kernel anatomy (extracted from DuPont web page)

Corn kernels consist mainly of starch, but they also contain 10-12% fiber, as well as some protein and fat. The fiber consists of cell walls that contain cellulose and hemicellulose, together with a small amount of lignin. It also contains some starch. Fewer steps are needed to convert that fiber into cellulosic ethanol than corn stover and other lignocellulosic materials. This is because the feedstock is clean and homogenous (free from gravel and other impurities) and the corn kernel fiber contains little lignin to be separated from cellulose and its nature is less recalcitrant. In this sense, Novozymes has presented experimental results showing that equal conversion of corn fiber is achieved with one-third the enzyme dose compared to corn stover.

It is possible to distinguish two general techniques to transform the fiber into ethanol: processing it separately from the bulk of the starch or using unconventional pre-treatment methods of the whole corn kernels before fermentation. Below, in the section about technologies, representative examples of this two kind of techniques can be found.

The controversy in USA [4,5,6,7]

When implementing the expanded RFS (Renewable Fuel Standard) program in 2010, US Environmental Protection Agency (EPA) did not take into account cellulosic ethanol from parts of corn kernels. In a 2014 rule, it allowed the cell walls of the corn kernel (fiber) to qualify as a cellulosic biofuel. The cell wall was categorized by EPA as an agricultural residue. Facilities that are adding this cellulosic ethanol technology to existing corn ethanol facilities are able to produce not only corn ethanol, but also smaller amounts of corn fiber-based cellulosic ethanol to receive the cellulosic producer tax credit and qualify for cellulosic RINs in the RFS.

However, some sources sustain that corn kernel fiber is undeniably a food-based biofuel, as it comes directly from the edible part of the feedstock, even if it is not the whole kernel. Therefore, this cellulosic production would be supporting traditional corn ethanol, which has food price and land-use impacts.

Other point of the controversy is related to the starch that adheres to the fiber. The rule allows ethanol derived from that starch which adheres to the fiber to be classed as cellulosic (only in the case where the fiber is processed separately from the bulk of the corn starch). The EPA considers that it accounts for typically less than 5% of the mass of the fiber. Other sources cite much higher figures and some voices claim that starch is being lumped into the fiber category.

Market technologies

D3MAX [8,9,10]

D3MAX, LLC is a startup technology company created by BBI International in 2015 to develop and license BBI’s corn fiber-to-ethanol technology to ethanol plants in the US, Canada and other countries. BBI began developing the technology in 2007 and received a patent in 2012. The patent is now owned by D3MAX.

1. Description of the process and key features
D3MAX technology is a “bolt-on” solution for corn ethanol plants. The process can be installed without significant downtime or interruption of ethanol production. The feedstock is the wet cake that has been previously “cooked” by the ethanol plant resulting in low pretreatment temperature and pressure. The process converts the cellulose, the hemicellulose and the residual starch in the wet cake to sugars which are then fermented to ethanol. It requires low cellulase enzyme dose due to low lignin in wet cake and high conversion of cellulose to glucose in pretreatment. After fermentation, the fluid is distilled and dehydrated in the same manner as ethanol generated from corn starch. Water containing protein, lignin and other non-fermentables is removed from the bottom of the beer column and processed to produce a low fiber, high protein DDGS. Converting the fiber and residual starch in the wet cake to ethanol reduces the volume of DDGS by about 20%. The protein concentration is increased to about 40%. This kind of DDGS is suitable for feed for monogastric animals including swine and poultry.

Figure 2. D3MAX process (extracted from Reference 9)

2. Improvement indicators
- Overall ethanol yield is increased from 2.8 anhydrous gal/bu to 3.11 gal/bu (11%).
- Corn oil available for recovery is increased from 1.0 lb/bu to 1.5 lb/bu (50%).
- Dryer energy use is reduced by 20%.

3. Status
D3MAX finished the fabrication of a pilot system in February 2017. It was designed and constructed by Ohio-based AdvanceBio Systems based on the patent and the conceptual design provided by D3MAX. The skid-mounted pilot system has been delivered and installed at Ace Ethanol facilities in Stanley (Wisconsin, USA). The testing of the corn fiber-to-ethanol process and technology is currently underway with trials to be completed by June. After analyzing first pilot test data, the process has demonstrated better than expected results. Because of this, D3MAX plans to begin designing its first commercial-scale plant this summer with construction expected to begin this fall.

Figure 3. D3MAX pilot system installed at Ace Ethanol (extracted from Reference 9)

DuPont [11]

1. Description of the process and key features
OPTIMASH® enzymes developed by DuPont are specifically optimized to hydrolyze corn kernel fiber from different processes and various pretreatment conditions. These enzymes can be used for saccharification of fiber before fermentation or for simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process to convert corn fiber into ethanol. When paired with pretreatment, they break down the chemical bonds in corn fiber to produce fermentable C5 and C6 sugars. Depending on the process, this additional ethanol may qualify as cellulosic under current US EPA guidelines.

2. Improvement indicators
With this technology, a typical 100 million gallons per year (MGPY) facility can produce 6-10 MGPY of additional ethanol and 30-40% more corn oil.

Edeniq [12,13,14,15,16,17,18]

Edeniq was founded in 2008 and is headquartered in Visalia (California, USA) with a field office in Omaha (Nebraska, USA). The company has developed processes for producing low-cost cellulosic sugars and cellulosic ethanol. It started to merge with Aemetis but the merger agreement was lawfully terminated in August 2016. Recently, Edeniq announced that it has filed a cross-complaint against Aemetis for fraud and negligent misrepresentation among other claims.

1. Description of the process and key features
Edeniq’s Pathway process is an integrated platform to produce cellulosic ethanol in existing corn ethanol plants. The platform combines the Cellunator with an enzyme cocktail to break down corn kernel fiber, releasing cellulosic sugars into the fermentation process. The Cellunator is a proprietary colloid mill jointly developed with IKA. It increases enzyme access to starch and pretreats corn kernel fiber for the cellulase action.

Figure 4. Integration of the Edeniq’s technologies into an existing plant (extracted from Reference 13)

2. Improvement indicators
- Edeniq’s Pathway Technology using existing fermenter and distillation equipment has produced up to an additional 2.5% of cellulosic ethanol yield.
- It has potential to increase yearly profits for a 120 MGPY plant by $7.0M from additional ethanol and corn oil and cellulosic credits.

3. Status
Edeniq’s technologies has been successfully implemented and approved in multiple corn ethanol plants:
- Pacific Ethanol. It began producing cellulosic ethanol using Edeniq’s technologies at its Stockton plant (California) in December 2015. It received its cellulosic ethanol registration in September 2016. According to recent news (see post), they will be also installed at Madera plant in California. Works are expected to be completed in the third quarter of 2017.
- Flint Hills Resources. US EPA approved registration of its 120 MGPY ethanol plant Shell Rock (Iowa, USA) for cellulosic ethanol production using Pathway Technology in December 2016.
- Little Sioux Corn Processors. US EPA approved registration of its 150 MGPY ethanol plant in Marcus (Iowa, USA) for cellulosic ethanol production using Pathway Technology in January 2017.
- Siouxland Energy Cooperative. It has successfully installed Cellunators and has started production of cellulosic ethanol using Pathway Technology at its 60 MGPY ethanol plant located in Sioux Center (Iowa, USA) in March 2017. With Edeniq providing technical support, SEC is preparing to file a registration with the US EPA for D3 RINs.

ICM [19,20]

ICM is a privately-held company established in 1995 and headquartered in Colwich (Kansas, USA) that provides innovative technologies, solutions and services in the sector of renewable fuels.

1. Description of the process and key features
ICM’s patent-pending Generation 1.5 Grain Fiber to Cellulosic Ethanol Technology (Gen 1.5), integrates a process for converting corn fiber to cellulosic ethanol with existing ethanol plants. The pathway to cellulosic ethanol is accomplished by combining mechanical, chemical and biological processes. It starts with ICM’s patented technologies, Selective Milling Technology (SMT) and Fiber Separation Technology (FST). SMT selectively grinds corn slurry to make the starch and oil more accessible in the entire process. With the further addition of FST, the fiber is separated from the stream by counter flow washing steps. The fiber stream is subjected to a dilute acid pretreatment that breaks down the fiber and releases the cellulose. The cellulose stream is converted to sugars with a state of the art enzyme cocktail and then the C5 and C6 sugars are transformed into cellulosic ethanol with advanced proprietary yeast. Gen 1.5 process was developed through collaborations with two world-leading biotechnology companies. Novozymes provided the enzyme cocktail which converts the cellulose stream into accessible sugars. DSM developed yeasts that ferment both the C5 and C6 sugars. The process also produces a high protein DDGS.

Figure 5. Integration of the ICM’s technologies into an existing plant (extracted from Reference 19)

2. Improvement indicators
This process increases ethanol yield up to 10% and corn oil yield up to 20%.

3. Status
The technology has been proven in both pilot (15,000 gal) and production (585,000 gal) fermentors in runs up to 1000 hours. ICM announced the construction of a state-of-the-art biorefinery next to its headquarters showcasing its cutting-edge technologies in March 2017 (see post). There, Gen 1.5 will produce up to 5 million gallons of cellulosic ethanol per year.

Quad County Corn Processors (QCCP) and Syngenta [2,21]

Formerly known as Adding Cellulosic Ethanol, Cellerate is a collaboration between Syngenta and Cellulosic Ethanol Technologies, LLC, a wholly owned subsidiary of Quad County Corn Processors.

1. Description of the process and key features
Cellerate does not suppose big changes of the conventional starch ethanol process. Pretreatment breaks down fiber, allowing mild whole stillage fiber treatment with pH low enough to prevent starch degradation. This reduces the time, chemicals and energy required. It allows the plant to load significantly more solids and capture residual starch, sugars and cellulosic component in a second fermentation process. In addition, Syngenta developed Enogen corn enzyme technology, an in-seed innovation that enhances ethanol production and delivers alpha amylase enzyme directly in the grain.

2. Improvement indicators
Performance results achieved at QCCP to date include: a 6% yield increase (from converting corn kernel fiber into ethanol) plus a 20% throughput increase (by combining Cellerate with Enogen) in ethanol production, higher protein feed co-products and improved oil yield.

3. Status
In 2014, QCCP was the first commercial cellulosic facility using corn kernel fiber as feedstock and achieved EPA certification to generate D3 RINs. To date, QCCP has produced more than 5.5 million gallons of cellulosic ethanol.
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REFERENCES
1 E. Ortega: “Hybridization: the evolution of 1G in Brazil”. The energy of change, Abengoa. Accessed on 19th April 2017.
3 S. Mueller: “Kernel of Opportunity: Corn Fiber-to-Ethanol”. Ethanol Producer Magazine, 21st January 2014.
4 S. Karpf: “Land and Food Risks of Cellulosic Biofuels”. ActionAid USA, October 2016.
5 A. Ernsting: “Subsidy Loopholes for “Cellulosic Ethanol” Promote Corn Profits, But Not Energy Independence”. In these times, Rural America Blog, 11th August 2016.
6. “RFA Pleased with EPA Approval of Corn Fiber as Cellulosic Feedstock”. Renewable Fuels Association, 2nd July, 2014.
8 www.d3maxllc.com. Accessed on 20th April 2017.
9 M. Yancey: “D3MAX Technology Deployment Update”. D3MAX presentation.
10 “D3Max pilot test results at ACE Ethanol exceed expectations”. By BBI International in the Ethanol Producer Magazine, 12th April 2017.
11: “OPTIMASH® Enzymes Enabling New Advancements in Production of Renewable Fuel”. DuPont web page. Accessed on 19th April 2017.
12 www.edeniq.com. Accessed on 20th April 2017.
14 “Edeniq brings fraud and other cross-claims against Aemetis”. Edeniq press release, 23rd March, 2017.
15 “Pacific Ethanol To Produce Cellulosic Ethanol at its Madera Plant”. Edeniq press release, 22nd March, 2017.
19 “Generation 1.5: Grain Fiber to Cellulosic Ethanol Technology”. ICM web page. Accessed on 21st April 2017.
20 “ICM advances pathway to cellulosic ethanol”. Ethanol Producer Magazine, 17 th June, 2016.
21 J. Schroeder: “Cellerate + Enogen = More Ethanol Production”. AgWired, 26 th April, 2016.

martes, 18 de abril de 2017

Perfil: DADTCO – Procesado a pequeña escala para la revolución de la yuca en África





Introducción

El Blog ha lanzado recientemente una nueva sección sobre biorrefino a pequeña escala, una plataforma para promocionar conceptos de biorrefinería a pequeña escala y resaltar su importancia para la bioeconomía (se complementa con un Grupo de LinkedIn para compartir información y experiencias). Uno de los recursos disponibles es una lista con referencias de empresas y proyectos relacionados con este campo. Esta lista incluirá un breve resumen y un enlace a una entrada monográfica (perfil) describiendo en detalle la empresa o el proyecto en cuestión. Esta entrada sobre Dutch Agricultural Development &Trading Company BV (DADTCO) es la primera de la serie.

La empresa
Twitter: @dadtconl.
Facebook: Dadtco.

DADTCO es una empresa social que trabaja por la mitigación de la pobreza con celo emprendedor, métodos de negocio y coraje innovador. Fue fundada en Holanda en 2012. Su oficina principal está en ese país y cuenta con oficinas locales en Nigeria, Mozambique y Ghana. Sus accionistas creen que el desarrollo económico robusto del África subsahariana (SSA) debería estar basado en la creación de negocios privados que suministren productos finales sostenibles y de alto valor añadido, a la vez que mejoren de manera directa y tangible la salud, el bienestar y los ingresos de la población.

La yuca es el cultivo alimentario con alto contenido en almidón más popular en SSA. África es el primer productor a nivel mundial de yuca pero no ha desarrollado una industria del procesado de la yuca debido a que sus tubérculos son muy perecederos y necesitan ser tratados antes de que pasen 24 horas desde que han sido cosechados. DADTCO ha implementado una innovadora tecnología de biorrefino a pequeña escala que ha cambiado drásticamente la manera en la que la yuca es percibida, cultivada y procesada en África. Junto con sus socios cubre toda la cadena de valor de la yuca: producción agrícola con pequeños granjeros, abastecimiento de materias primas, procesado y comercialización del producto final en mercados locales e internacionales. Vamos a conocer más sobre su concepto y tecnologías de procesado.

Concepto de procesado móvil y a pequeña escala

DADTCO ha inventado una factoría móvil para el procesado de la yuca que es capaz de transformar a nivel local los tubérculos de yuca de miles de pequeños granjeros en pasta de yuca de grado alimentario o harina de almidón de yuca. Esta innovadora tecnología permite salvar la distancia existente entre granjeros y grandes empresas de alimentación. Las fábricas móviles de almidón de yuca procesan la yuca fresca en la granja o cerca de ella, en vez de intentar transportar el cultivo perecedero húmedo largas distancias hasta una fábrica central.

El concepto móvil y a pequeña escala supera los cuatro principales obstáculos que se encuentra la comercialización de la yuca a través de África: alto contenido en agua de los tubérculos (65%-75%); la naturaleza perecedera de los tubérculos una vez cosechados (deben ser usado en 48 horas, preferiblemente en 24); su forma abultada e irregular; la dispersión de las pequeñas granjas.

Esta tecnología consta de varios componentes móviles de procesado que serán descritos en la siguiente sección. DADTCO ha desarrollado dos escenarios en los que se usan las diferentes unidades.
- Escenario 1: Una solución intermedia.
Los tubérculos de yuca son procesados en menos de 24 horas en las zonas de cultivo para obtener un producto intermedio estable, muy fácil de transportar y de larga caducidad. Este producto intermedio se llama pasta de almidón de yuca (“Cassava Starch Cake” ó CSC). Posteriormente, la CSC es transportada hasta un secador instantáneo central de DADTCO o una planta de almidón de yuca existente para posterior refino.
- Escenario 2: Una solución completamente móvil.
Los tubérculos de yuca son procesados en menos de 24 horas en las zonas de cultivo para obtener un producto final, harina de almidón de yuca (“Cassava Starch Flour” ó CSF). En este caso, DADTCO añade una unidad de secado móvil adicional para producir harina de almidón de yuca de grado alimentario. La planta móvil se desplaza tres veces al año a diferentes áreas de cultivo de yuca.

Figura 1. Los dos escenarios que se contemplan en el concepto de procesado móvil y a pequeña escala de DADTCO (extraída de la página web de DADTCO)

Tecnologías

El proceso móvil de DADTCO consta de tres unidades: AMPU, MRU y el secador.

AMPU (“Autonomous Mobile Processing Unit”)
El AMPU procesa tubérculos frescos de yuca en pasta de yuca. Todo el proceso móvil se centra en un rallador de alta velocidad. Dicho rallador es del menor tamaño posible que tiene capacidad para liberar el 98% de los gránulos de almidón de los tubérculos. El dispositivo abre las paredes celulares para liberar el almidón. Cuanto más bajo es el porcentaje de almidón liberado, mayores son las pérdidas de almidón y, en consecuencia, las pérdidas económicas.

Figura 2. Esquema de la AMPU (extraída de la página web de DADTCO)

MRU (“Mobile Refinery Unit”)
La pasta procedente de la AMPU se refina en la MRU para producir CSC. Esta unidad, que se ajusta en contenedor de 20 pies preparado para ser acoplado en un camión, permite la extracción de fibras de yuca a partir de la pasta de yuca. Tanto la MRU como la AMPU han sido diseñadas para reutilizar el agua generada en el propio posible lo máximo posible.

Figura 3. Esquema de la MRU (extraída de la página web de DADTCO)

Capacidad de procesado por hora
4 - 5 toneladas métricas de tubérculos de yuca
Capacidad de procesado anual (depende de las horas de operación diarias y de la configuración de los turnos)
30.000 toneladas métricas de tubérculos de yuca
Capacidad de producción anual (depende de las horas de operación diarias y de la configuración de los turnos)
15.000 toneladas métricas de CSC

Secador instantáneo (Escenario 1)
Su principio es simple. Aire muy caliente (180°C) es aspirado y mezclado con la CSC en el interior de una tubería de 40 metros de largo y 1 metro de diámetro. La CSC atraviesa la tubería muy rápido y se seca hasta obtener CSF con una humedad del 11%. La CSF y el aire remanente se separan en un gran ciclón. La CSF se enfría hasta temperatura ambiente y, después, es tamizada para seleccionar las partículas menores de 200 micras. La fracción que contiene las fibras de yuca más grandes puede ser usada en la producción de pienso para aves, fertilizantes e incluso mallas anti-mosquitos.    

Capacidad de producción anual
30.000 toneladas métricas de CSF

Secador móvil (Escenario 2)
Se construye en dos contenedores de 40 pies y el secado tiene lugar en un sistema de lecho fluido. El lecho de CSC es soportado por un colchón de chorros de aire caliente. El método consigue una mezcla íntima sin daño mecánico.

Capacidad de procesado diaria (tomando como base dos turnos por día)
48 toneladas métricas de CSC
Capacidad de producción diaria (tomando como base dos turnos por día)
24 toneladas métricas de CSF
Capacidad de producción anual
7.200 toneladas métricas de CSF

Productos

La CSC es una pasta semihúmeda de yuca que contiene: 50% de agua, 49% de almidón liberado (98% de materia seca) y 1% de fibras (1,5-2% de materia seca). Se envasa en bolsas de plástico de 20 kg y tiene una vida de almacenamiento de un año. La CSC puede ser transportada a una planta central para su posterior procesado en un amplio abanico de productos de alto valor añadido.
- CSF. Es una harina blanca que contiene sólo 1,5-2% fibras y 98% de almidón.
- Almidón de yuca.
- Siropes basados en yuca (maltosa, dextrosa y fructosa).
- Almidones modificados (usados en la preparación de alimentos).
- Sorbitol (componente de las pastas de dientes, edulcorante y humectante en cosmética).
- Bioetanol.
- Cerveza, snacks y otros comestibles.


Proyectos

Mozambique y Ghana

El modelo de negocio de DADTCO ya ha sido probado con éxito con el apoyo de SABMiller (actualmente, es propiedad de AB Inbev), reemplazando cebada cervecera importada con almidón de yuca en la cerveza Impala en Mozambique y la cerveza Eagle en Ghana. Los granjeros han conseguido mejoras significativas en sus fuentes de ingresos como resultado de participar en la cadena de suministros de la cerveza. Una pieza clave del éxito de DADTCO fue su sistema para dar empleo a agentes de movilización en campo. Estos agentes coordinaban los tiempos de recolección con los pequeños granjeros para asegurarse que sólo se cosechaba cuando había suficiente demanda por parte de SABMiller. La empresa opera 2 AMPUs en Mozambique y 1 AMPU en Ghana.

Nigeria

En Nigeria, DADTCO transforma la pasta en harina de yuca de alta calidad. Puede reemplazar hasta un 10% de la harina de trigo en el pan y puede ser usado como sustituto de la harina de trigo en las galletas. Y, el beneficio directo es la reducción de la dependencia de la importación de trigo. El gobierno ha ordenado que la haría debe contener al menos un 10% de harina de yuca, abriendo un nuevo mercado para DADTCO. La empresa opera 9 AMPUs en el país (3 en Taraba State, 3 en Osun State, 3 en Rivers State).
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REFERENCIAS
1 www.dadtco.nl (consultado el 1 de abril de 2017).
2 The Rockefeller Foundation: “Reducing Post-Harvest Loss through a Market-led Approach”. May 2015.
3 “Mobile processing units unlock cassava markets in Africa”. Appropiate Technology, Vol. 42, No 1.
4 “Creating the Cassava Revolution”. DADTCO presentation.