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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.
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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: [email protected]: www.clayuca.org
Gracias...