Clase 19 Ia Bioeconomia AGBT 2015.pdf

Agrobiotecnología
Curso 2014
Bioeconomía
Alejandro Mentaberry
Departamento de Fisiología, Biología Molecular y Celular
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires
-
Sumario
La búsqueda de un nuevo equilibrio
Bioeconomía y agroindustria
Biorrefinerías y procesamiento de biomasa
La química “verde”
Argentina y la bioeconomía
Agrobiotecnología
Bioeconomía
La búsqueda de un nuevo equilibrio
Agrobiotecnología
Bioeconomía
Un mundo en problemas
No hay respuestas simples
Se requerirá mayor eficiencia productiva
No sólo se requiere una transformación tecnológica:
Vivimos en una etapa de transición
Es necesario
reformar
el sistema económico
El conocimiento
científico-tecnológico
será un factor crítico
Se
requiere
nueva
Es necesario modificaruna
nuestra
culturaforma
de consumo
de pensar la economía y la sociedad
Es necesario
un funcionamiento
Deberán
implementarse diferente
del
sistemaproductivas
político-administrativo
prácticas
sostenibles
La revolución
en las
biociencias
• Nuevos campos paradigmáticos: genómica,
transcriptómica, proteómica, metabolómica,
fenómica, etc.
• Organizaciones con alto grado de
automatización y fuertes capacidades
informáticas para procesamiento de
información.
• Nuevos esquemas interpretativos aplicados
a sistemas complejos: genes, células,
organismos, comunidades, ecosistemas.
Agrobiotecnología
Bioeconomía
• Creciente integración entre los sub-disciplinas
biológicas y con campos de otras disciplinas
(física, química, matemáticas, ingeniería).
La revolución
en las
biociencias:
La “Nueva
Biología”
Agrobiotecnología
Bioeconomía
Committee on a New Biology for the 21st Century. National
Research Council of the National Academies, U.S.A., 2009.
Bioeconomía y agroindustria
Agrobiotecnología
Bioeconomía
El camino hacia la bioeconomía
El concepto de bioeconomía se inserta
en la transición hacia una economía
post-industrial más sustentable.
Se focaliza en las aplicaciones productivas
que integran a las tecnologías tradicionales y
a las tecnologías avanzadas en la agricultura
y en numerosos campos industriales.
Enfasis en:
- Incremento de la eficiencia productiva
- Sustentabilidad social y ambiental
- Sinergia entre tecnologías tradicionales
y avanzadas
- Procesamiento integral de la biomasa
- Creciente integración agroindustrial
- Desarrollo de redes de valor
- Procesos en cascada y reciclaje de materiales
Definiciones
de bioeconomía
Existen numerosas variantes
del concepto de bioeconomía.
Una posible definición en el
contexto argentino podría ser:
“La bioeconomía abarca la
producción de los recursos
biológicos renovables y su
conversión en alimentos, forrajes,
productos de base biológica y
bioenergía. Incluye la agricultura,
la actividad forestal, la pesquera,
la producción alimentaria y
la producción de pulpas y fibras,
así como a sectores de la industria
química y de las industrias
energéticas, de la salud y de la
producción de medicamentos"
La bioeconomía ingresa en las políticas de estado
La idea de bioeconomía
integra estrechamente la
eficiencia y la competitividad
económicas con la
sustentabilidad social
y ambiental. No se trata
sólo de más conocimiento
para hacer productos,
sino de una nueva forma
de pensar en cómo
abordar la producción.
En muchos países, la promesa
de la generación de valor
basada en el empleo masivo
de conocimiento científicotecnológico, ha conducido a
crear programas nacionales.
En consecuencia, el concepto
ha trascendido desde
el nivel académico al de su
implementación en las
políticas de estado.
El ciclo insumo-producto de la bioeconomía
Fuente: van der Vooren, Wageningen UR Latin America Office, 2007,
La fotosíntesis y el ciclo de insumo-producto de la bioeconomía
El concepto de biomasa
La biomasa
es el insumo
basal de la
bioeconomía
Las
innovaciones
tecnoproductivas
impactan
tanto aguas
arriba como
aguas abajo
de la biomasa
Fuentes de biomasa
• Cultivos de doble propósito
• Cultivos energéticos
• Co-productos de cultivos alimentarios
• Residuos de la producción vegetal y animal
• Residuos forestales
• Residuos agroindustriales
• Residuos urbanos
Procesamiento
de biomasa
y captura
de valor
Agrobiotecnología
Bioeconomía
Relación de valor entre los productos de la biomasa
La bioeconomía piensa en términos de redes de valor
Las conexiones
intersectoriales
entre las
cadenas de valor
tradicionales,
la generación
de nuevas cadenas,
y el incremento de la
densidad tecnológica
están creando
numerosos nuevos
nichos económicos.
El concepto implica
la ocurrencia
de procesos
de innovación
"en cascada" y
el reciclaje
de materiales
y energía mediante
encadenamientos
productivos
estrechamente
integrados.
Tomado de: Trigo et al., 2015.
Una nueva fase de intensificación de la agricultura
La agricultura, que permitió
el desarrollo de las primeras
civilizaciones, está ingresando
a una fase de intensificación
signada por aplicaciones
conocimiento- intensivas.
Al mismo tiempo, se asiste
a la urbanización progresiva
de la población mundial
y a grandes cambios en la
estructura tradicional de la
organización del agro.
Bioeconomía y agroindustria
• Los avances científicos y el desarrollo de las nuevas
. tecnologías (biotecnología, TICS, nanotecnología),
. están generando un nuevo ambiente productivo.
• Esto ha abierto un amplio espectro de posibilidades
. en el terreno alimentario y en la producción de fibras,
. compuestos químicos y bioenergía.
• Este proceso tendrá profundas consecuencias socio. económicas y ambientales y requiere la elaboración
. de políticas y de marcos regulatorios específicos.
Biorrefinerías y procesamiento de biomasa
Agrobiotecnología
Bioeconomía
El concepto de biorrefinería
Definiciones:
"… una facility que integra procesos de
conversión de biomasa y equipamiento
adecuado para producir combustibles,
energía y productos químicos de valor
agregado“.
NREL, 2007.
“… integración de industrias de base
biológica que utilizan una variedad de
tecnologías para producir productos
químicos, biocombustibles, ingredientes
para alimentos y piensos, biomateriales
(incluyendo fibras) y energía de la
biomasa de materias primas"
EU Biorefinery Euroview, 2007.
"Una biorefinería es el
procesamiento sustentable
de biomasa en un espectro
de productos comercializables
y energía".
IEA Bioenergy Task 42
El concepto de biorrefinería
La idea es extender el desarrollo de las biorrefinerias existentes ("basadas
en alimentos"), tales como las azucareras, aceiteras, de almidones y
procesamiento de granos, o desarrollar instalaciones completamente nuevas
que puedan secar y fraccionar toda la biomasa de un cultivo en insumos
primarios adecuados y procesar a éstos en materiales y fibras, polímeros,
compuestos químicos, calor y bioenergía. De esta forma, se maximizaría la
captura de valor derivado de la biomasa, se optimizaría la relación
costo/eficiencia de la producción, y se minimizarían los efectos ambientales.
El concepto de biorrefinería
Bio-refinería primaria
Producto primario 1
Producto 3
Producto 4
intermediario
Bio-refinería secundaria
Conversión 2aria
Separación secundaria
intermediario
Conversión/
pre-tratamienoto
Separación primaria
pre-tratamiento
Biomasa
Producto primario 2
Producto 5
Distintos tipos de biorrefinerías
Concepto
Tipo de Insumo
Tecnología predominante
Fase de
desarrollo
Biorrefinería Verde
Bio
(GBR)
Biomasa húmeda
h
pasturas y cultivos
verdes
Pre-tratamiento, prensado,
fraccionamiento, separación,
separaci
digesti
digestión
Planta Piloto y
R+D
Biorrefinería de
Bio
Cultivo Total (WCBR)
Plantas completas
(incluyendo paja):
trigo, maíz, cebada
Molienda húmeda
h
y seca
conversión bioquímica
Planta Piloto y
Demo
Biorrefinería de
Insumos LignoCelulósicos (LCFBR)
Biomasa rica en lignocelulosa
Pre-tratamiento, hidrólisis
química y enzimática,
fermentación, separación
R+D y Planta
Piloto/Demo
Biorrefinería de
Concepto de Dos
Plataformas (TPCBR)
Todo tipo de biomasa
Planta Piloto
Biorrefinería
Termoquímica
(TCBR)
Todo tipo de biomasa
Biorrefinería Marina
(MBR)
Biomasa acuática:
micro- y macroalgas
Combinación de plataformas
para azúcares (conversión
bioquímica) y syngas
(conversión termoquímica)
Conversión termoquímica:
torrefacción, pirrólisis,
gasificación, separación de
productos, síntesis catalítica
Disrupción de células.
Extracción y separación
de productos
Planta Piloto y
R+D/Demo
R+D y Planta
R
Piloto
Biorrefinería de Cultivo Completo (WCBR)
Granos
Cultivo de
cereales
completo
(molienda seca)
Harinas
Residuos
Co-generación de
calor y electricidad,
extractivos
Paja
Almidones
Azúcar
Materia Prima
Combustibles,
compuestos
químicos,
polímeros,
materiales
Ligno-celulosa,
Materia Prima
Biorrefinería de Concepto de Dos Plataformas (TPCBR)
Plataforma de
azúcares
¨bioquímica¨
Azúcar,
materia prima
Residuos
Biomasa
Co-generación
de calor y
electricidad,
extractivos
Combustibles,
compuestos
químicos,
polímeros y
materiales
Gas limpio
Plataforma
Syngas
¨gasificación¨
¨termoquímica¨
Gas de
condicionamiento
Biorrefinería
de avanzada
Agrobiotecnología
Bioeconomía
Diagrama de una biorefinería avanzada que combina la producción de etanol de primera generación
con el de etanol obtenido a partir de lignocelulosa y la obtención de subproductos de alto valor
(alimento para animales, monómeros para bioplásticos y biodiesel)
Desarrollo de
biorrefinerías
a escala piloto
Las instalaciones a
escala piloto permiten
reducir riesgos y formar
recursos humanos
• Confirman la factibilidad
de los procesos
• Permiten introducir cambios
con facilidad
• Generan productos de prueba
• Proveen datos para diseñar
plantas a gran escala:
- Reacciones químicas
Agrobiotecnología
Bioeconomía
- Balances de masa y calor
- Materiales de construcción
- Estrategias de control
- Costos operativos
- Ingeniería de procesos
Desarrollo de biorrefinerías a escala piloto
Proyectos de I+D
• Factibilidad de productos y procesos
• Productos de prueba
Formación de recursos humanos
• Cantidad y nivel de formación
• Campos de especialización
• Respaldos internacionales
Desarrollo tecnológico adaptado a
las fuentes de biomasa regionales
• Biorrefinerías de distinta tipología
• Biorrefinerías de distinta escala
Localizaciones territoriales para
el desarrollo de biorrefinerías
La química “verde”
Agrobiotecnología
Bioeconomía
La sustitución de los petro-derivados
• El concepto de bioeconomía implica también la obtención a de compuestos
químicos para sustituir a los derivados del petróleo a partir de la biomasa.
• El mayor desafío es identificar moléculas que puedan proveerse en grandes
cantidades con la calidad y funcionalidad adecuadas a precios competitivos.
• Algunos estudios plantean una sustitución de entre 20 y 30%. Existen tres
caminos para producir compuestos intermediarios a partir de la agricultura:
- Conversión de moléculas derivadas de las cosechas
en compuestos útiles (biocatálisis).
- Producción directa de compuestos útiles en los cultivos
y refinamiento/purificación posterior (ingeniería genética).
- Nuevos procedimientos de fermentación microbiana a partir
de biomasa vegetal o residuos.
Biomasa
Precursores
Intermediarios
plataforma
Bloques
constructivos
C1
SynGas
Intermediarios
Usos
INDUSTRIAL,
inhibidores corrosión,
lubricantes, purificación
Metanol
Biogas
Anticongelantes
C2
Etanol
Solventes
Almidón
Hemicelulosa
Celulosa
Lignina
Emuslficadores
Azúcares
Glucosa
Fructosa
Xilosa
Arabinosa
Lactosa
Sacarosa
C3
Quelantes
Glicerol láctico
Acido propiónico,
malónico, serina
Aminas
C4
C5
C6
Acido succínico,
málico, fumárico,
aspártico
Acido levulínico,
glutámico,
itacónico, xilitol
Acetatos de
polivinilos
Químicos
secundarios
Cítrico,
Furfural,Sorbitol
Glucónico,
Lisina
Resinas
Poliacrilatos
Polímeros
MEDIOAMBIENTE
floculantes, quelantes,
limpiadores
Poliacrilamidas
Poliamidas
Policarbonatos
Poliuretanos
Polisacáridos
Aromáticos
ALIMENTACION
preservantes, vitaminas
empaques, colorantes
Controladores pH
Polialkanoatos
Proteínas
AGRO
pesticidas, fertilizantes,
alimentación animal
Plásticos
Poliesters
Lípidos
aceites
TEXTIL
fibras, coatings, espuma,
nylon, tejidos,colorantes
Poliaminoácidos
COMUNICACION
cristal líquido, cobertura
fibra óptica, tinturas
CONSTRUCCION
pinturas, resinas,
cementos, adhesivos
RECREACION equipos
protección,film, CD, DVD
neumáticos, barcos
SALUD e HIGIENE
detergentes, cosméticos
farmacéuticos
Bloques químicos constructivos
Candidatos prioritarios:
Otros candidatos:
Acido itacónico
Acido succínico
Acido levulínico
Acido glutámico
Acido 2,5 furandicarboxílico
Acido glutárico
Acido 3-hidroxipropiónico
Acido Aspártico
3-hidroxibutirolactona
Glicerol
Sorbitol
Xilitol
Acido glucónico
Acido láctico
Acido malónico
Acido propiónico
Acido cítrico
Acido aconítico
Acido xilónico
Acetoína
Furfural
Levoglucosano
Lisina
Serina
Treonina
Posibles compuestos a obtener de la biomasa
2-propanol
propileno
acetona
propilenglicol 1,3-propanediol
glicerol
1,2-etanediol
epiclorohidrina
ácido láctico
ácido metacrílico
ácido itacónico
ácido cítrico
BIOMASA
ácido hidroxipropiónico
etanol
aminoácidos
etileno
2,3-butanediol
butanodieno
estireno
isopreno
caprolactamo
Procesos químicos y termoquímicos
ácido acrílico
metiletilcetona
Procesos fermentativos
Productos que se obtiena a partir de biomasa mediante
procesos enzimáticos y fermentativos
Posibles derivados del biogás
Etapas del procesamiento de biomasa
Compuestos
químicos
Procesos
termoquímicos
Logística
Alimentos
Materiales
Biomasa
Cosecha
Almacenamiento
Procesos de
pre-tratamiento
Catálisis
química
Procesos
bioquímicos
Alimentos
para animales
Biocombustibles
Bioenergía
Desafíos de I+D en la producción de biomasa
 Establecer los niveles potenciales de producción de biomasa
a niveles locales y regionales, atendiendo a criterios
sustentables.
 Establecer prácticas sustentables de manejo de suelos en
términos de fertilidad, estructura y biodiversidad.
 Generar aprovisionamientos continuos de biomasa, adecuados
en cantidad y calidad.
 Acelerar el mejoramiento y/o la domesticación de nuevos
cultivos energéticos.
Desafíos de I+D en la producción de biomasa
• Desarrollo de cultivos más eficientes en el uso de nutrientes y agua.
• Desarrollo de variedades adaptadas a estreses bióticos y abióticos,
mayores rangos climáticos y diversificación de suelos.
• Incrementos de rendimiento de componentes específicos (lípidos,
azúcares, proteínas, metabolitos secundarios, etc.).
• Desarrollo de bioinoculantes y de nuevas estrategias de control de
malezas.
• Mejoramiento de la calidad de la biomasa con vistas a los procesos
de biorrefinamiento (composición, digestibilidad).
• Dilucidación de los mecanismos de construcción/de-construcción de
la pared celular vegetal y modificación de la composición de la
misma.
Desafíos de I+D en el pre-tratamiento de biomasa
Antes de la biorrefinería:
• Mejoras en la maquinaria para cultivos y especies forestales con el fin de
reducir pérdidas de cosecha y procesamiento a campo.
• Desarrollo de procesos de compactación y de pre-procesamiento locales
con el objeto de reducir costos energéticos y de transporte.
En la biorrefinería:
• Desarrollo de procesos químicos y mecánicos adaptados a un rango variable
. de fuentes de biomasa.
• Desarrollar métodos de pre-tratamiento de bajo requerimiento energético
. y consumo reducido de agua.
• Desarrollo de tecnologías de separación y de procesamiento que no afecten
. la funcionalidad o degraden de compuestos individuales de valor económico.
Desafíos de I+D en la conversión bioquímica de biomasa
• Diseño de métodos eficientes y de bajo costo energético para
procesamiento de la lignocelulosa en mono- y disacáridos fermentables.
• Diseño de pre-tratamientos que reduzcan la producción de inhibidores de
microorganismos y enzimas usados en los procesos downstream.
• Desarrollo de métodos más sofisticados para eliminar impurezas durante
los procesos de purificación.
• Diseño de biorreactores mejorados para procesos enzimáticos y
fermentativos, con énfasis en la optimización de nutrientes y la reducción
de deshechos.
• Desarrollo de microorganismos capaces de metabolizar azúcares C5
(xilosa) en forma eficiente.
Desafíos de I+D en la conversión bioquímica de biomasa
• Desarrollo de microorganismos con propiedades mejoradas (tolerancia,
productividad y rango de sustratos) para el procesamiento de biomasa.
• Desarrollo de microorganismos que posean nuevas rutas metabólicas
para encarar procesos integrados de procesamiento.
• Dilucidación de los mecanismos que regulan la constitución y
funcionamiento de los consorcios microbianos.
• Identificación de nuevas enzimas para etapas de pre-tratamiento y
conversión de la biomasa, con énfasis en la degradación y conversión de
la lignina.
• Diseño de enzimas y biocatalizadores con nuevas propiedades y mayor
estabilidad optimizados para distintas aplicaciones industriales.
Criterios para compuestos de interés en plantas
• Alta productividad en plantas (aproximadamente10% del peso seco).
• Preferiblemente, acumulación en forma soluble en plantas (vacuolas,
aceites). Alternativamente, podrían usarse las hojas de las cosechas
tradicionales (cloroplastos).
• Producción en el orden de kilotoneladas (asumiendo co-producción con
sacarosa o almidón).
• Costo de producción del compuesto purificado por debajo del costo
promedio de los petroquímicos funcionalizados (1.000-1.500 €/Tn).
Idealmente, estos costos deberían estar entre 600-700 €/Tn.
• Producción en cultivos asociados a procesamiento a gran escala
(caña de azúcar, remolacha).
Temas asociados al procesamiento de la biomasa
Cultivos no alimentarios:
Debe monitorearse el uso de la tierra para inhibir
el uso de tierras dedicadas a los cultivos alimentarios.
Como alternativa, usar tierras que no compitan con la
agricultura dedicada a alimentos (ejemplo, Jatropha)
Uso de residuos de la producción de alimentos:
Los residuos del procesamiento de alimentos
pueden ser usados para producir bioetanol de segunda
generación. Esto permitirá ir compatibilizando los
cultivos alimentarios y no alimentarios.
Políticas sectoriales:
Las políticas de subsidiación gobierno deben considerar
los efectos indeseables sobre la producción de
alimentos y la sustentabilidad del medio ambiente.
Temas asociados al procesamiento de la biomasa
Factores contextuales
Nivel global
y regional
Políticos
Económicos
Tecnológicos
Socioculturales
Factores inmediatos
Cambios
en el uso
del suelo
Agricultura
Demográficos
Ambientales
Nivel loc
Nivel local
Ganadería
Cambios de
uso del suelo
Ciclo biogeoquímico
Cambios
climáticos
Cambios
componentes
atmosféricos
Cambios
biodiversidad
Adaptado de: Volante, INTA, 2012.
Temas asociados al procesamiento de la biomasa
Desafíos para la conversión de residuos agrícolas:
• Balance de carbono en el suelo
• Control de la erosión hídrica y eólica
• Ciclo del agua
• Ciclo de los nutrientes y de su reposición
• Interacciones con factores edafoclimáticos
• Modelización para cada región agroecológica