Experiencias en la ProducciExperiencias en la Produccióón de n de Bioetanol a partir de YucaBioetanol a partir de Yuca

Conferencia presentada por Sonia Gallego Castillo

IV Simposio de Química Aplicada, SIQUIA 2009. Universidad del Quindío.

Armenia, Septiembre 11 de 2009.

“Desarrollo sostenible para el sector yuquero”

Kilómetro 17 Vía Cali - Palmira Centro Internacional de Agricultura Tropical - CIAT

Palmira - Valle del Cauca, Colombia Teléfonos: (57-2) 445 01 57 / 445 01 59

Fax: (57-2) 445 00 73Apartado aéreo: 6713

www.clayuca.org

El cultivo de la yuca es un componente importante en los sistemas de producción agrícola de América Latina y el Caribe (ALC). Hasta 1998 el modelo de investigación en yuca en ALC fue liderado por el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) en colaboración con diversas entidades y programas nacionales, financiado principalmente con fondos del sector público.

El Consorcio Latinoamericano y del Caribe de Apoyo a la Investigación y al Desarrollo de la Yuca (CLAYUCA) nace en 1999 como un modelo alternativo basado en alianzas estratégicas entre entidades públicas y privadas para fortalecer el intercambio de experiencias e información, transferencia de tecnologías mejoradas y apoyo a la planificación y a la financiación de actividades de investigación y desarrollo para el cultivo.

Acerca de CLAYUCA

El Modelo CLAYUCA

Permite a los socios e inversionistas tener más control en las agendas de investigación y en los beneficios obtenidos.

Acceso mejorado a las tecnologías generadas por los Centros Internacionales de Investigación.

Trabajo planificado e implementado con base en intereses comunes y problemas priorizados.

Misión

Contribuir con el mejoramiento del nivel de vida y el manejo sostenible de los recursos naturales en las regiones de América Latina y el Caribe, donde el cultivo de la yuca ocupa un lugar importante en los sistemas de producción agrícola, por medio de la generación, la transferencia y el intercambio de tecnología, información y conocimiento científico entre instituciones públicas y privadas y grupos de productores de la región.

Visión

Convertirse en un mecanismo de planificación y coordinación, reconocido a nivel nacional e internacional por su contribución a las actividades de investigación y desarrollo del cultivo de la yuca, por la eficiencia de sus procesos y actividades, por la competencia técnica de su personal y por las alianzas estratégicas con instituciones y empresas públicas y privadas, interesadas en el cultivo de la yuca.

Financiamiento

CLAYUCA es una organización autofinanciada. Cada entidad socia aporta un costo anual de afiliación. Estos recursos son administrados por los miembros del Consorcio y sólo pueden ser invertidos en actividades definidas colectivamentepor los miembros.

Miembros 2009

América Latina y el Caribe

México, Nicaragua, Costa Rica, Panamá, Haití, Cuba, Trinidad y Tobago, Colombia, Venezuela, Ecuador y Perú.

Norteamérica

Wisconsin, Estados Unidos.

África

Ghana, Nigeria y South África.

Agenda de Investigación y Desarrollo

Producción de yuca

Desarrollo y adaptación de sistemas de producción que garanticen alta productividad y competitividad del cultivo.

Producción, procesamiento y utilización del follaje de yuca

Validación y adaptación de tecnologías de producción, procesamiento y utilización del follaje de yuca como fuente de proteína en programas de alimentación animal.

Mecanización

Evaluación y adaptación de prototipos para mecanización de siembra, fertilización y cosecha de yuca.

Alimentación Animal

Evaluación de sistemas de producción animal (aves, cerdos, ganado y peces) basado en el uso de harina de raíces de yuca como componente energético y harina de follaje como componente proteico.

Procesamiento de yuca

Desarrollo y adaptación de sistemas de procesamiento de raíces de yuca: métodos naturales, artificiales o mixtos de secado; oportunidades de comercialización que ayuden a fortalecer la construcción y el mejoramiento de la competitividad en la cadena productiva de la yuca; producción de etanol a partir de yuca con un enfoque de bio-refinería que incluye la producción del biocombustible y la transformación de los efluentes en productos como fertilizantes y productos para uso en alimentación animal.

Capacitación y diseminación de la información

Desarrollo de programas de capacitación y oportunidades para técnicos, profesionales y grupos de agricultores de América Latina y el Caribe para mejorar sus conocimientos, compartir experiencias y promover las tecnologías de producción, utilización y comercialización del cultivo de la yuca.

Agenda de Investigación y Desarrollo

Yuca:Un cultivo con

muchas posibilidades

Yuca:Un cultivo con

muchas posibilidades

Usos de la yucaUsos de la yuca

Tallos Estacas ConsumoAgrícola

Fresca Procesada

ConsumoHumano Harina de hojas

Follaje ConsumoAnimal

Bloques nutricionalesHarina de follaje

Alimento oreadoEnsilajeHojas

ConsumoHumano

Harina refinadaAlmidón dulce, agrio y

modificado

Raíces frescas, parafinadas, etc.

Peladas en trozosCroquetas

ConsumoIndustrial

Harina refinadaAlmidón dulce, agrio y modificado

Producción de etanol

Raíz

ConsumoAnimal

Trozos secosHarina integral

Alimento oreadoEnsilaje

Cadena productiva delCadena productiva delalcohol carburantealcohol carburante

E1010% Etanol

90% Gasolina

Almidones

Yuca Maíz Trigo Cebada Sorgo Papa

CelulosasMadera Desperdicios forestales

Hidrólisis y Sacarificación

Hidrólisis y Sacarificación

Fermentación Destilación

Etanolhidratado

Deshidratación

Etanoldeshidratado

Gasolina

GlucosaCaña de azúcar Melaza Remolacha

Resiste sequía, fácil de producir con pocos insumos

Raíces con alto contenido de almidón

Exceso de producción de raíces en muchas regiones

Agrega valor al cultivo de yuca

Sostenibilidad social y económica

Altos rendimientos agronómicos

Por quPor quéé la yuca?la yuca?

ProducciProduccióón mundial de yucan mundial de yuca

Fuente: FAO, 2005

Mill

ones

de to

nela

das

Polo de desarrollo – Yuca industrial (ha) 2002 2003 2004 2005

Atlántico, Magdalena 2.100 3.400 4.700

6.400

3.800

4.100

1.760

1.300

550

450

1.100

24.160

5.030

Córdoba, Sucre 3.200 4.800 6.100

Arauca, Meta, Casanare 2.100 3.350 3.870

Valle, Cauca 3.050 4.000 4.507

Santanderes, Magd. Medio, Cesar, Bolívar 430 1.000 3.600

Tolima, Huila 500 1.200 1.590

Putumayo 10 250 500

Urabá 10 150 520

Eje Cafetero - 450 1.600

Total 11.400 18.600 27.317

ProducciProduccióón nacional de yucan nacional de yuca

Fuente: Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, 2006

• Fácil de procesar• Fácil de almacenar• Fácil de transportar• Abundante en algunas

regiones de Colombia

¿Por qué yuca seca?

Raíces de YucaEtanol

PicadoPicado

RefinaciRefinacióónn

CosechaCosecha

EtanolEtanol

VinazaVinaza

Materia Prima: Yuca

ProducciProduccióón de Etanoln de Etanol

SecadoSecado

RipiosRipios

HidrHidróólisislisis(Qu(Quíímica o Biolmica o Biolóógica)gica)

FermentaciFermentacióónn DestilaciDestilacióónn

Levaduras, Levaduras, Bacterias lBacterias láácticascticas

Jarabe de glucosaJarabe de glucosa

AlimentaciAlimentacióón n animalanimal

Lavado Lavado Residuos lResiduos lííquidosquidos

Harina refinadaHarina refinada(85% Almid(85% Almidóón)n)

Almidón Glucosa EtanolHidrólisis Fermentación

Torta de filtradoTorta de filtrado

AlmidAlmidóónn

Es un polisacárido que consiste en hidratos de carbono de un gran número de unidades de glucosa, unidas entre sí por lazos glucosídicos.

Los almidones comerciales se obtienen de las semillas de cereales, particularmente de maíz, trigo, arroz, y de algunas raíces y tubérculos, particularmente de yuca, papa y batata.

Dependiendo de la variedad, el almidón de yuca generalmente contiene 20-25% de amilosa y 75-80% de amilopectina.

Almidón de yuca

LicuefacciLicuefaccióónn

Gelatinización y dextrinización de los gránulos de almidón.

Catalizadores (ácidos o enzimas) que rompen las moléculas del almidón dando lugar a las dextrinas solubles (oligosacáridos compuestos por varias unidades de glucosa).

Alfa – amilasa: Cataliza la hidrólisis de la cadena lineal (amilosa) y la ramificada (amilopectina) del almidón, rompiendo enlaces 1,4 interiores (endo-amilasa).

Factores de importancia: Porcentaje de almidón de la solución, concentración de la enzima, pH y temperatura (90-110°C).

SacarificaciSacarificacióónn

Rompimiento de los oligosacáridos (dextrinas) a azúcares simples, como glucosa, maltosa y fructosa.

Gluco – amilasa: Enzimas secundarias que actúan como una exo-enzima, liberando de forma secuencial unidades sencillas de glucosa a partir de los extremos no reductores de las moléculas de amilosa y amilopectina. Puede hidrolizar enlaces 1,3 y 1,6 glucosídicos.

La sacarificación se realiza a temperaturas de 60°C.

Trozosyucaseca

Molienda Tanque de

lechada

Agua

Licuefacción

Alfa-amilasatermoestable Gluco-amilasa Levadura

Recuperación de alcohol

Sacarificación Fermentación Destilación y deshidratación

Tanque de almacenamiento

Efluentes

JET COOKER>100° C5–8 min

Licuefacción secundaria

85° C~90 min

60° C8–10 h

opcional

ProducciProduccióón de etanol a n de etanol a partir de yuca secapartir de yuca seca

Source: Genencor International. A Danisco Company. www.genencor.com

Enzimas STARGEN Enzimas STARGEN TMTM

Complejos enzimáticos que penetran en los gránulos de almidón permitiendo la depolimerización a glucosa.

Una mezcla exclusiva de Alfa - amilasa de A. Kawachi y Gluco - amilasa de A. Niger.

Beneficios potenciales de las enzimas: Mejora de la productividad, reducción del consumo de energía, aumento de los rendimientos de etanol y ahorro en gastos de capital por reducir el número de operaciones en el proceso.

PerforaciPerforacióón enzimn enzimáática del grtica del gráánulo de almidnulo de almidóónn

MoliendaTanque

de lechada

Agua

Recuperación de alcohol

Destilación y deshidratación

Tanque de almacenamiento

STARGEN™+ Levaduras

Sacarificación y fermentación

Trozosyucaseca

Efluentes

ProducciProduccióón de etanol n de etanol Proceso baja energProceso baja energííaa

Source: Genencor International. A Danisco Company. www.genencor.com

FermentaciFermentacióónn

Producción de etanol a través de la conversión anaeróbica de la glucosa por acción de levaduras (51% de la glucosa se convierte en etanol y 49% se convierte en dióxido de carbono).

Saccharomyces cereviseae es la levadura mas utilizada comercialmente.

Factores importantes: Temperatura (25-35°C), concentración inicial del azúcar, pH (4.5-6.5), nutrientes y concentración alcohólica.

El porcentaje de etanol al final de la fermentación es de 10-20% v/v.

Proceso convencional

Cassava chips

Milling

Sand separation

Liquefaction byalpha-amylase

Saccharification byGluco-amylase

(100oC)

(60oC)

Fermentationwith Yeast (30oC)

Fermentation & Distillation

Ethanol

Total 71 hours

Procesos actuales

Cassava chips

Milling

Sand separation

Liquefaction byAlpha-amylase (100oC)

(30oC)Saccharification &

Fermentationby RHIZOZYMETM+yeast

Filtration & Distillation

Ethanol

Total 55 hours

Procesos futuros

Cassava chips

Milling

Sand separation

Liquefaction,Saccharification &

Fermentationby STARGENTM+yeast

Filtration & Distillation

Ethanol

Proyecto CLAYUCAProyecto CLAYUCA

Agenda de trabajo

Planta prototipo de 800 litros diarios

Materias primas: Yuca, Batata y otras

Evaluación de clones élites

Evaluación técnica y económica del uso del bioetanol en vehículos flexibles

Transferencia de información y conocimientos tecnológicos

Producción sostenible y competitiva de tres cultivos energéticos: yuca, sorgo dulce y batata1

4Desarrollo de usos locales para el etanol hidratado combustible

5Manejo sostenible de los residuos y efluentes generados en el proceso, para uso en la alimentación animal y como fertilizantes

3 Diseño y construcción de un modelo de planta piloto para la producción del biocombustible

2Desarrollo, adaptación y evaluación de tecnologías de procesamiento para obtener biomasa fermentable Desarrollo Agrícola

Seguridad Alimentaria

Autosuficiencia Energética

Biorefinerías Rurales Sociales (BIRUS)

Micro-plantas1.000 – 5.000 lt/día

PoblaciPoblacióón Objetivo: n Objetivo: Comunidades rurales con 50 Comunidades rurales con 50 –– 100 has100 has

Comunidades rurales

CLAYUCA, trabaja actualmente para desarrollar un enfoque innovador para la producción de bioetanol con yuca, camote y sorgo dulce como materias primas. El enfoque se basa en

bajos costos de inversión y en unidades de procesamiento a pequeña escala.

Biorefinería Rural Social - BIRUS

Energía solar

Levaduras

FertilizantesÓrgano-Minerales

Mosto filtrado

Torta de filtrado

PretratamientoBiomasa

Enzimas

Fermentación

Destilación

Mosto crudo

Mosto dulce

Mosto fermentado

Filtración

Vinazas

Etanol hidratado (95%)

Tratamientode vinazas

CO2

Residuos sólidos

Generaciónde energía

AlimentoAnimal

Manejo deresíduos

Hidrólisis

Bio-polímeros

CultivosEfluentes

clarificados

Raíces de Yuca

Raíces de Batata

Máquina de Lavado y Picado Secador

Trozos secos

Máquina de Molienda y Refinación

Harina Refinada Yuca/Batata

Preparación de la materia prima: Harinas de Yuca & Batata

Preparación de la materia prima: Jugo de Sorgo Dulce

Mosto filtrado

Adecuación de materias primas AguaEnzimas Levadura

Sorgo dulce

Yuca / Batata

Molienda

JugosMosto crudo

Pretratamiento

Hidrólisis y Fermentación (HFS)

Filtrado

Mosto fermentado

Destilación

Agua

Agua

Etanol hidratado

(95%)

Vinazas

Bio-polímeros

Efluentes clarificados

Residuos sólidos

Raíces y Follaje de Yuca / BatataMateriales Órgano-Minerales

Tratamiento de vinazas Manejo de resíduos

Torta de filtrado

Mosto filtrado

Alimento Animal

Fertilizantes

Generación de energía

Usos domésticos

Usos industriales

Combustible vehicular

CO2

Planta piloto de producción de bioetanol hidratado

Bioetanol hidratado (95%)

Kit Flex Tek Vehículo impulsado con etanol de yuca

Generador de energíaEstufa Clean Cook

Equipos de laboratorio para experimentación

Bioreactores - Proceso hidrólisis convencional

Proceso hidrólisis y fermentación simultánea (HFS)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Horas

Etan

ol (%

) CM 4574-7CM 6438-14MTAI 8VeronicaGines

Resultados de la experimentación – Variedades de yuca

Fuente: Hogervorst, S. “The sustainability of cassava based bio-ethanol production in Colombia”. MSc. Thesis Environmental Technology, Wageningen University and Research Centre. Holanda, 2007.

South Crown Industry & Commerce Co.,Ltd of Zhuhai, China

DestilerDestileríía de etanol de yucaa de etanol de yuca

Usos alternativos de Usos alternativos de las vinazaslas vinazas

Vinazas de yuca

Vinazas de caña

Suplementos nutricionales para animales y fertilizantes

sólidos

Las tecnologías propuestas para el manejo de los residuos son muy innovadoras.

Este proyecto propone utilizar la tecnología de polímeros de origen biológico para eliminar el contenido orgánico de los efluentes y utilizar esta carga orgánica para

formular productos para uso en la alimentación animal y como fertilizantes. Las aguas clarificadas son aptas para su reutilización en el proceso o para riego en el cultivo.

Manejo de residuosManejo de residuos

Raíces y Follaje de Yuca/Batata

Bio-Polímeros

Efluentes Clarificados

ResíduosSólidos

Floculación y Coagulación

Prensado

Materiales Organo-Minerales

CultivosFertilizantes

Organo-Minerales

Alimento AnimalSuplementos Nutricionales

Mezclado

Suplemento Proteico-Mineral

Ingredientes Aporte

VinazaBagacillo 86 %Cachaza

ÚreaNaCl 14 %Minerales

PC 18 %EM 1.417 McalCa 2.6 %P 1.2 %

Vinazas

Manejo de Resíduos y Efluentes

ConclusionesConclusiones

La producción de biocombustibles a partir de cultivos agrícolas es una estrategia nacional importante para la economía y las necesidades energéticas del país.

Colombia, siguiendo el ejemplo de otros países (Tailandia, China), puede desarrollar el cultivo de la yuca para la producción de bioetanol como una alternativa de desarrollo agroindustrial competitiva y sostenible.

Para apoyar este proceso agroindustrial, se está trabajando en los siguientes aspectos:• Producción competitiva de yuca: variedades de alto rendimiento,

mecanización.• Eficiencia mejorada de producción de etanol.• Manejo sostenible de recursos (efluentes sólidos y líquidos).

ConclusionesConclusiones

La yuca en forma de trozos secos puede ser usada como la materia prima para producir etanol.

Procesos simultáneos de hidrólisis y fermentación ofrecen un gran potencial para producir etanol en forma competitiva a partir de trozos de yuca seca.

La producción de biocombustibles es un mecanismo viable para dinamizar las economías rurales, pero los beneficios no siempre se distribuyen equitativamente.

Los agricultores con mayor control de recursos obtienen mayores beneficios porque la producción y cosecha mecanizada son las opciones más fáciles para escalar la producción de biocombustibles.

ConclusionesConclusiones

• Una industria de biocombustibles que es orientada localmente, en la cual los agricultores – copropietarios de las plantas de etanol producen combustible para su propio uso, tiene más posibilidad de garantizarle beneficios a las comunidades rurales y ayudar a combatir la pobreza especialmente en regiones más remotas que son dependientes de combustibles importados.

Apoyamos el Desarrollo Sostenible delSector Yuquero en América Latina y el Caribe

Sonia Gallego Castillo Ingeniera Química – Asistente de Investigación

CIAT, A.A. 6713, Cali, Colombia E-mail: s.gallego@cgiar.orgWebsite: www.clayuca.org

Gracias...