Producción de biocarburantes: Nuevas materias primas en

Producción de biocarburantes:
Nuevas materias primas
en alimentación animal
Gonzalo G. Mateos
Departamento de Producción Animal
Universidad Politécnica de Madrid
Jornadas Mouriscade, Octubre 2007
Industria del etanol y del biodiesel
Materia prima original
9 Etanol
8 Cereales
8 Caña y remolacha
8 Vino y otras fuentes de HC
9 Biodiésel
8 Semillas de colza, soja y girasol
8 Aceites de colza, soja o palma
8 Aceites de freiduría, grasa de pollos
Nuevos ingredientes
Industria de biocarburantes
9 Industria del etanol
8 DDGS de cereales
— Maíz, trigo, cebada, sorgo
9 Industria del biodiésel
8 Glicerina
8 Lecitinas
8 Turtós proteicos (ricos en grasa)
Producción de etanol
Plantas “secas” de maíz
9 100 kg de maíz producen:
8 Etanol:
8 DDGS:
8 CO2:
33-36 kg
31-32 kg
32-34 kg
9 Incremento anual (2004 a 2007)
8 > 30%
8 Parón actual en Europa
Producción de etanol
EEUU
Plantas
Producción, 103 Ml
1 Real
2000
20071
20122
58
1133
>210
19
> 40
5
Agosto, 2007: 121 ( mayor capacidad media)
de etanol en 2030: 55,4 Mill l, 8% de las necesidades de gasolina
376 plantas en construcción
2 Demanda
Producción de DDGS, EEUU, 2006/07
Estado, 103 Tm
Producción de DDGS (x
Estados Unidos1
Año
1980
2000
2004
1Kaiser,
2005
x 106 Tm
0.32
3.50
7.30
6
10
Tm)
Exportación de DDGS
9 2002: 76M $
9 2006: 200M $
9 Δ Exportación: 700%
Fuente: U.S. Grains Council, ProExporter
Network
Precio DDGS/maíz grano ($/Tm)
Maíz vs. DDGS
Enero 2004 - 2007
DDGS
Maíz grano
$/Tm
$/Tm
Utilización de maíz, %
EEUU
Alimentación
humana e industrial
12
Expor.
Alimentación
humana e industrial
11
19
Expor.
16
14
55
Piensos
Etanol
42
31
Piensos
2005/2006
Etanol
2016/2017
USDA, 2007
Producción de habas de soja
EEUU1
2006/2007
Producción
Exportaciones
1USDA,
3.2
1.1
Millones de bushels
2007/2008
USDA
Previsión
2.6
1.0
2.6
0.9
Cosecha EEUU, Macres
Maíz
Trigo
Otros cereales
Habas soja
Algodón
Total
2006
2007
Cambio
%
78.3
57.3
17.0
75.5
15.3
243
92.9
60.5
18.4
64.1
11.1
247
14.6
3.2
1.4
-11.4
-4.2
3.6
18.6
5.6
8.2
-15.1
-27.4
1.5
Plantas de biocarburantes, 2006
„ „
„
†
„
†
„
„
„
„
„
„
„
„
„ †
†
„
17
† Bioetanol
„ Biodiésel
planeadas. Begonte (biodiésel) y Teixeiro (etanol) funcionando
Fábricas de etanol, España
2007/2008
Cartagena, Murcia
Producción DDGs,
x 103 Tm
Cebada
125.000
Babilafuente, Salamanca1
Teixeiro, Coruña
237.000
125.000
Cebada/trigo
Maíz/trigo
Whisky DYC, Segovia
Pau, Francia2
3.000
230.000
Maíz
Maíz
1
Cierre temporal finales 2007
2
Apertura prevista para el año 2008
Consumo biocarburantes, UE
MTm equivalentes
18,4
20
16,2
15
Biodiesel
Bioetanol
10
5
0
2000
2005
2010
2015
2020
El País, 2007
Cereales para biocarburantes
Sobre total cosecha europea, %
1%
18.6%
2006
2020
El País, 2007
Producción de DDGS
9
9
9
Es un proceso de fermentación
8 Se elimina el almidón
8 Se concentran otros nutrientes (≈ x 3)
8 Levaduras muertas (3 a 5%)
8 ↑ Disponibilidad del P
8 Fibra más digestible
Se aplica calor
8 Disponibilidad de Lys y Cys (↓) y P (↑)
8 ↑ Proteína no degradable
Palatabilidad?
8 Rumiantes vs porcino
Utilización de DDGS
Alimentación animal
Valor nutricional
DDGS vs. maíz grano
9
9
9
9
Valor energético
8 Debiera ser similar al del grano
8 ↓ Almidón, ↑ grasa y proteína, ↑ fibra dig.
8 El perfil “ruminal” es diferente
Valor proteico
8 ↑ Proteína pero ↓ CD
8 ↑ Proteína by-pass (pero menos digestible)
↑ Contenido mineral
8 P mas disponible
↑ Vitaminas (B’s) y levaduras
DDGS maíz comercial
Variabilidad
9
9
9
9
Grano original
8 Maíz vs sorgo vs trigo vs cebada
Condiciones del proceso por calor
8 Cantidad enzimas vs. calor aplicado
Porcentaje de solubles
8 DDS son ricos en grasa y P y pobres en FND
Otros procesos
8 Separación del germen
8 Extracción de la grasa
DDGS maíz
Aminoácidos
9
9
9
Proteína poco balanceada
8 Lys (rumiantes)
8 Thr (porcino)
8 Arg (aves)
Digestibilidad reducida y variable (Lys)
8 Aves: 68% (40 a 83%)
8 Porcino: 50% (40 a 65%)
↑ Proteína by-pass (50-60%)
8 By-pass vs digestibilidad
Composición DDGS de maíz
Variabilidad, %1,2
MS
PB
EE
FB
Cenizas
Lys
Met + Cys
Thr
1Fiene
et al. (2006)
Media
D.E.
89.9
26.0
9.9
6.3
4.4
0.71
1.04
0.93
1.7
2.3
2.8
1.5
0.9
0.17
0.10
0.17
2n
= 150
DDGS de maíz
Variabilidad, %1
Ca
P
K
Na2
1Spiehs
Media
D.E.
0.05
0.79
0.84
0.21
57.2
11.7
14.0
70.5
et al. (2002)
2Batal y Dale (2004): 0.01 a 0.48%
DDGS de maíz
Fracción mineral (I)
9 Rico en Na (0.01-0.40%)
8 ↑ Camas húmedas en aves
8 ↑ Huevos sucios
9 Rico en P total y en P disponible
8 Beneficioso en monogástricos
8 Excesivo para rumiantes
—Relación Ca:P
—Cálculos urinarios en corderos
DDGS de maíz
Fracción mineral (II)
9
9
Rico en S (0.3 a 2.0%)
8 Utilización de H2SO4 para ↓ pH
8 Poliencefalomalacia
— ↑ Tiamina en terneros cebo
8 Deficiencia en Cu
— Interacción SO4= x Cu x Mo
8 Controlar S en pienso y agua (< 0.4% MS)
Rico en K
8 Camas húmedas
Control de calidad DDGS
Sensorial
9 Uniformidad y consistencia
8 Variabilidad entre partidas
8 Favorece la producción nacional
9 Color
8 Claro vs. oscuro (Colorímetro)
8 Importancia relativa (tamaño part.)
9 Olor
8 Fermentación sana “olor a cerveza”
8 Evitar olor a “ahumados y quemados”
9 Soluciona un 70 a 90% de los problemas
Uniformidad (DDGS EEUU)
Color y tamaño de partícula
Análisis sensorial, DDGS
Pobre calidad
Menor CD
Alta calidad
Mayor CD
Lys digestible vs. color
60
55
2
R = 0.71
L*, b* score
50
45
L*
b*
40
Linear (L*)
2
R = 0.74
35
Linear (b*)
30
25
20
0.20
0.30
0.40
0.50
Lys (%)
0.60
0.70
0.80
Noll, 2003
Control de calidad DDGS
Laboratorial
9 Análisis proximal
8 H, PB, grasa y FND
9 Disponibilidad de nutrientes claves
8 Lys y P
8 N insoluble ligado a la FAD (ADIN)
9 Adición de otras materias primas
8 CO3Ca, cascarilla de soja, Na
DDGS en monogástricos
Valoración DDGS maíz
9 Contenido en lisina
8 Lys total: PB ≈2.86
8 Rechazar si Lys total: PB < 2.80
9 EM porc (kcal/kg)1 = ED x [1.003 –
(0.0021 x % PB)]
ED (kcal/kg)1 = 4151 – 122 x % cen +
23 x % PB + 38 x % EE – 64% FB
1Noblet
y Perez
DDGS de maíz
EM en porcino (kcal/kg MS)
Pedersen et al., (2006)
Hastad et al., (2004)
Spiehs et al., (2002)
3.897
4.040
3.750
NRC (1998)
INRA (2002)
FEDNA (2003)
3.032
2.857
3.050
Valor nutricional en porcino
EM
kcal/kg
EN
kcal/kg
EN:
EM
ISU, 2006
Maíz
DDGS
3.377
3.267
2.244
1.672
66
51
Fedna, 2003
Maíz
DDGS
3.330
2.730↑
2.500
2.040
76
75
DDGS de maíz, porcino1
Digest. ileal estandar, %
PB
Lys
Met
Thr
Trp
137
Media
Rango
73
62
82
71
70
63-84
44-78
74-89
62-85
54-80
muestras de plantas diferentes
FEDNA
2003
70
68
83
74
76
Stein, 2006
DDGS de maíz
Lisina total, % ssf
Shurson, 20051
Cronwell et al., 19932
Fastinger y Mahan, 2006
Parsons et al., 2006
1 90%
MS
2 7 alcohol y 2 etanol
Muestras
nº
Media
Rango
32
9
5
20
0,81
0,70
0,64
0,64
0,55-0,95
0,43-0,89
0,48-0,76
0,52-0,78
DDGS maíz (% MS)
Composición
MS
PB
EE
FND
EM, kcal/kg1
Lisina total
1 Porcino
DDGS
DDGS
NRC
“Nuevo” “Viejo” 1998
89,1
89,5
93,0
30,5
29,0
29,8
10,7
9,7
9,0
43,5
38
37,2
3.749
3.661 3.038
0,85
0,53
0,67
FEDNA
2003
89,6
27,3
10,9
41,2
3.047
0,68
DDGS de cereales
Fedna, 2003 (ssf)
EN (kcal/kg)
PB
Lys total
EE
Alm.+azúc.
FND
P dig. por.
1Sin
actividad fitásica
Maíz
Trigo
Grano DDGS2 Grano DDGS2
2.550 2.040 2.420 1.660
7,7
11,2
32,0
24,5
0,22
0,32
0,87
0,61
3,6
1,8
5,8
9,8
65,4
61,5
7,2
10,7
8,0
11
38,2
36,9
0,05
0,20
0,20 0,101
2A
modificar en 2008
DDGS de trigo y productividad
Porcino 20 a 52 kg PV
DDGS
%
0
10
20
25
P
CMD
kg
1,50
1,47
1,41
1,37
0,01
GMD
g
810
770
750
720
0,01
IC
g/g
1,86
1,89
1,88
1,91
NS
Thacker, 2006
DDGS de maíz en porcino
Niveles máximos, %
Lechones
Crecimiento
Acabado
Gestación
Lactación
Reemplazo
Verracos
DDGS
Koster
FEDNA
Council
2007
2003
2008
5
20
20
50
20
-
5-10
10
20
50
20
20
30
2
6
6
10
7
-
0-3
4-7
6-8
15
8-10
8-12
10-13
DDGS de maíz, trigo y cebada
Niveles máximos
Fedna 2003
Fedna 2008
Maíz Trigo Cebada Maíz Trigo Cebada
Postdestete
Crecim.-cebo
Gestación
Lactación
2
6
10
7
3
6
10
10
2
5
10
10
3
8
15
9
3
8
15
9
2
6
13
7
DDGS de maíz en aves
Niveles máximos, %
Broilers inicio
Broilers acabado
Pollitas > 5 sem
Ponedoras
Reproductoras
Pavos cebo
DDGS
Koster
FEDNA
Council
2007
2003
2008
5
10
10
15
15
10
3-6
5-10
10-15
12-20
5-10
0-2
0-4
5
5
2
4-6
6-12
7-10
5-6
6
DDGS para rumiantes:
Húmedo y cebo
DDGS húmedos de maíz
Rumiantes
9
9
9
9
9
Humedad ≈ 70%
8 A menudo presecados: 50% MS
Valor nutricional superior al de DDGS secos (MS)
8 ↓ Reacciones de Maillard
8 No se eliminan los volátiles
8 Buena digestibilidad de la fracción fibra
Buena palatabilidad
8 Hasta 15 kg MF/día
Más baratos
Difíciles de manejar
8 Consumo preferente: < 3 a 7 d (según época)
8 ↑ Hongos
8 Logística: < 150 Km?
DDGS de maíz en rumiantes
Aplicaciones prácticas1
9 Fracción proteica
8 PB de derivados maíz < 60% PB total
—Silo, grano y coproductos
—Cuidar nivel de Lys
9 Fracción energética
8 CHO no fibrosos: < 35-40% MS
8 Almidón:
< 25-30% MS
1Kaiser,
2006 (ración global)
DDGS rumiantes
9
9
9
9
9
Tamaño de partícula afecta a:
8 Digestibilidad
8 Degradabilidad
La levadura es rica en Lys
8 DDGS > maíz grano
Evitar ADNI > 13%
8 Color vs calidad
Valor DDGS bien procesados está subvalorado
8 NRC, Fedna, etc
No contribuyen a la “acidosis”
DDGS de maíz en rumiantes
Niveles máximos, %
Grain
Council
Terneros
Inicio
Acabado
Vacas de carne
Vacuno leche
Novillas
Vacas leche
Carro mezclador
Ovino extensivo
1Estimado
20-40
15-25
USA1
20-30
20-30
30-40
10-20
10-20
FEDNA
2003 2008
3
10
15
6
15
30
12
12
-
25
14
15
30
de diversas fuentes: 40% MS en terneros y vacas de
carne y hasta 7-8 kg MS por vaca lechera/d
DDGS de maíz
Problemática (I)
9
9
9
9
9
Variabilidad entre partidas es alta
8 NIR
Digestibilidad de la proteína es muy variable
8 Valoración “in vitro”
8 Relación Lys:PB
Exceso de minerales (rumiantes)
↓ Palatabilidad a dosis altas (porcino)
Concentración de micotoxinas
8 Límites legales
8 Más problema en cerdas
DDGS de maíz
Problemática (II)
9
9
9
9
↓ Rendimiento a la canal
8 Exceso de fibra
↓ Calidad de la canal
8 Grasa insaturada
Presencia de antibióticos?
8 EEUU: penicilina y virginiamicina
— ↓ Lactobacilos
8 Se destruyen en el proceso
↓ Fluidez
8 A veces partículas excesivamente finas
8 Antiapelmazante
Etanol: conceptos energéticos
9
9
9
9
Ganancia energética: proceso de maíz a etanol
8 -10 a +50%
Si usamos etanol para reemplazar un 20% de la
gasolina consumida en USA se precisa
8 100% de la cosecha de grano USA
8 19% de la cosecha de grano mundial
8 1% cosecha mundial → ↓ 1% gasolina USA
Si solo se usara etanol en EEUU
8 No habría que comer en el mundo
Interés energético?
Contribución mundial: aceites
minerales vs vegetales/animales
Año 2005/2006 (MTm)
4252 Mn T
146 Mn T
0.3% del total
17 aceites/grasa
Origen
inorgánico
Origen
orgánico
Proceso industrial
Biodiesel
9 Sustituir el glicerol por metanol (o etanol)
9
9
en la molécula del triglicérido
Se origina un metiléster (biodiesel), glicerol
de riqueza variable y lecitinas
“100 l de aceite + 10 l de metanol producen
100 l de biodiésel y 10 l de glicerina”
Producción de biodiésel
C – R1
MER1
OHNa
l
C – R2
Ácidos
Triglicérido + Metanol
(aceites)
l
MER2 + C – OH
+ 3 MeOH
l
l
C – R3
C – OH
(alcohol)
MER3
C – OH
Metiléster Glycerol
(biodiésel)
Glicerol o glicerina sin refinar
Industria del biodiésel
9 Producción en ascenso libre
8 Caída de precios del refinado
9 No es puro
8 Agua, diésel, Na (K) y Cl
8 Metanol en exceso
9 Contaminante del medio ambiente
8 Combustible barato (cementeras)
8 Producción de etanol
Pureza de la glicerina, % MS
Agua
Glicerina
Grasa
Fósforo
Potasio*
Sodio*
Metanol
Calidad
Baja
Media
26.8
11
63.3
85.3
0.71
0.44
1.05
2.36
2.20
2.33
0.11
0.09
>1.0?
0.4
*Depende del catalizador
Schroder y Sudekum, 2002
Composición química, %
Glicerina
“Farmacia” “Pienso”
Glicerol
Agua
Cenizas
Metanol
EM porcino
179-82%
32.0%
> 99
<1
< 0.1
4320
> 80%
10.1
10.52
< 0.5
-
y 1.2% de Na, respectivamente
5AG Processing Inc.
Comercial
ADM5
Iowa5
801
< 15
7.53
< 0.5
3600
84.5
12.0
3.03
0.32
3540
2Na,
Cl, K, P, S
4Concerina CD80
Glicerol
Características
9 PM: 32.04
9 Densidad: 1.26 kg/l
9 Viscosidad (20 ºC): 150 mPas
9 Energía: 4.320 kcal/kg
9 Viscoso, soluble en agua
9 pH: 5.5-7 (puro)
Propiedades del glicerol
9 Hidrato de carbono de fácil absorción
9 Antiséptico
8 Higieniza el pienso
9 Palatable
8 Sabor dulce
8 Azúcar-alcohol
9 Manejo en fábrica mejorable
8 Mejora de la calidad del gránulo?
8 Higroscópico
Glicerol en piensos
Problemática
9 Manejo en fábrica y granja
9 El producto comercial no es puro
8 Riqueza y presentación variable
8 Exceso de sal (según proceso)
8 Posible toxicidad por metanol?
9 El exceso se excreta sin metabolizar
9
(25%)?
Afecta a la calidad de la canal?
Glicerol en porcino
9
9
9
Valor energético elevado
8 Buena utilización
8 4.200 kcal/kg producto puro
8 Reducción a altos niveles?
Cuidar nivel de metanol
8 Se volatiza al granular
Niveles de uso
8 Hasta 5 a 10%
8 Mejor en cerdas?
Glicerol en
Peso vivo, kg2
I.C.
Mortalidad, %
Rendimiento, %
Pechuga, % PV
142
d
2Waldroup, 2007
1
broilers
0
5
10
P
2.87
1.73
6.4
72.8
26.4
2.88
1.71
4.6
72.8
26.7
2.71
1.79
5.4
72.2
26.0
*
*
NS
*
NS
Glicerol en rumiantes
Valor energético (10% MS)
9 Piensos ricos en almidón
8 1.10 a 1.15 UFL
9 Piensos pobres en almidón
8 1.30 a 1.34 UFL
Glicerol en rumiantes
9 Propuesto para
8 “Aliviar cetosis”
8 Aporte de glucosa final gestación
9 No siempre responde
8 Puede pasar a AGV en rumen
8 Acético sin poder gluconeogénico
8 Puede pasar a glucosa en hígado
Glicerol en rumiantes
9 Deprime consumo postparto?
8 0 a 60 d
9 Incrementa consumo de agua?
8 Ovino
9 Reduce la relación acético:propiónico
8 Ovino
9 Afecta a la flora microbiana?
8 Antiséptico
Harinas proteicas
9 Hna de soja, colza o girasol
9 Contenidos en grasa variables (5 a 16%)
8 Depende del tipo de fábrica
8 Cooperativas agrarias vs industria
9 Valoración en base al residuo graso
8 Evitar enranciamientos
8 Control principios antinutricionales
9 Precisan matriz adecuada de composición
8 FEDNA (2007)
Harinas de colza
Industria del biodiésel
9 Tratamiento por presión
8 Aceite extra (≈ 10-15% de grasa)
9 Aplicación de humedad y calor reducido
8 ↑ Mirosinasa (↓ H)
8 ↓ Volatilización de los goitrógenos (↓ T)
9 Precisa buen control de calidad
9 Niveles de utilización mas reducidos
8 Rumiantes vs. monogástricos
Conclusiones
9 DDGS y glicerol son ingredientes útiles en
9
9
alimentación animal
Los DDGS procedentes de la industria del
etanol tienen mayor valor nutricional que
los DDGS tradicionales (aminoácidos
digestibles, EM y P)
La falta de uniformidad limita el nivel de
utilización en piensos
Conclusiones
9 La utilización de glicerina es complicada. Se
9
precisa mejorar la uniformidad del producto
actual
Se necesitan más trabajos sobre glicerol en
alimentación animal, especialmente en
relación con su valor energético y niveles
de uso
Producción de etanol, 2006
EEUU1 (Mill t)
Producción de maíz: 270
Consumo animal:
152
Destino etanol:
>502
1 G.
Bush: 33% del maíz para etanol en 2017
próximo esperado
2 Futuro
Pig Int., 2007