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.

______________________________________________________________________

REFERENCIAS

1 E. Ortega: “Hybridization: the evolution of 1G in Brazil”. The energy of change, Abengoa. Consultado el 19 de abril de 2017.

2 “Syngenta discusses the future of cellulosic ethanol and opportunities for dry grind ethanol producers”. Nota de prensa de Syngenta US, 6 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.

7. “Fuels and Fuel Additives: RFS Pathways II, Technical Amendments to the RFS Standards, E15 Misfueling Mitigation Requirements”. US EPA, 18^th August, 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.

13 “Making Cellulosic Ethanol Production a Commercial Reality”. Edeniq brochure.

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.

17 “EPA Approves Little Sioux Corn Processors for Cellulosic Ethanol using Edeniq’s Technology”. Nota de prensa de Edeniq, 25 de enero de 2017.

18 “Siouxland Energy Produces Cellulosic Ethanol Using Edeniq Cellunator™ and Pathway Technology”. Edeniq press release, 15^th February, 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.