Tema 5-Análisis de Bioprocesos y Biorreactores PDF

Master en Ingeniería Química. Ingeniería de Procesos Sólo para uso académico en la UCM Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores Tema 5. Anál...

Master en Ingeniería Química. Ingeniería de Procesos Sólo para uso académico en la UCM Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores Tema 5. Análisis de Bioprocesos y Biorreactores Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Introducción a la Biotecnología Industrial Sólo para uso académico en la UCM CONTENIDO Breve Historia de la Biotecnología Biotecnología: Definición y Clasificación Bioprocesos y Biocatalizadores Bioeconomía y Biorrefinería Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Breve Historia de la Biotecnología Usos Ancestrales Sólo para uso académico en la UCM AGRICULTURA: Selección de especies ALIMENTOS y BEBIDAS: vino, cerveza, pan, queso, yogurt… DESINFECTANTES: moho de soja Fermentación en estado sólido 10000-3000 a.C. S. XVI a XVIII s. XIX 1910s 1940s 1960s 1973 Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Breve Historia de la Biotecnología Vida Microscópica: Antecedentes (1590-1750) Sólo para uso académico en la UCM Janssen Primer microscopio Kepler Método posible de construir microscopio compuesto Microscopio compuesto. Observación estructura celular Hooke del corcho Hooke Malpighi Observación células vivas en tejidos vegetales Leewenhoek Observación células simples con vida (microorganismos) Spallanzani Los microrganismos no crecen espontáneamente Fermentación en estado sólido 10000-3000 a.C. S. XVI a XVIII s. XIX 1910s 1940s 1960s 1973 Observación microscópica Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Breve Historia de la Biotecnología Vida Microscópica: Antecedentes (1590-1750) Sólo para uso académico en la UCM Janssen Primer microscopio Kepler Método posible de construir microscopio compuesto Microscopio compuesto. Observación estructura celular Hooke del corcho Hooke Malpighi Observación células vivas en tejidos vegetales Leewenhoek Observación células simples con vida (microorganismos) Spallanzani Los microrganismos no crecen espontáneamente Fermentación en estado sólido 10000-3000 a.C. S. XVI a XVIII s. XIX 1910s 1940s 1960s 1973 Observación microscópica Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Breve Historia de la Biotecnología s. XIX Wöhler Síntesis de urea con microorganismos Berzelius Tejidos biológicos con actividad catalítica Sólo para uso académico en la UCM Cagniard-Latour, Levaduras: plantas microscópicas Schwann y Kutzing Schleiden y Schwann TEORÍA CELULAR: Estudio de células vivas (vegetales y animales) Tyndall Esterilización por calentamiento Koch Técnicas de cultivo (placas Petri) LOUIS PASTEUR (1822-1895) Químico pionero de la Microbiología Estudió la fabricación de vino y cerveza Desarrolló el concepto de “esterilización” Proceso fermentativo = actividad microbiana Organismos anaerobios Fermentación Microorganismos capaces de matar a otros  en estado sólido tratamiento enfermedades humanas Hizo la primera vacuna (rabia) 10000-3000 a.C. S. XVI a XVIII s. XIX Desechó la1910s 1940s “generación espontánea” 1960s 1973 Desarrollo de Observación conceptos y microscópica metodología básica Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Breve Historia de la Biotecnología s. XX hasta 1973 1901 Emmerich, Low Primer antibiótico: Pyocyanasa de Pseudomonas aeruginosa 1913 Michaelis, Menten Mecanismo de la cinética enzimática Sólo para uso académico en la UCM Weissmann Maiz  acetona  explosivos 1915 (I GM) (bacteria similar a la de la gangrena) 1923 Pfizer Azúcar  ácido cítrico (Aspergillus niger) 1926 Summer Aislamiento ureasa: composición enzimas 1928 Fleming Extracción penicilina del moho Penicillium notatum Mejora de la producción de Fleming (200 veces) por mejora de la cepa P. 1940 Florey y Chain chrysogenum 1945 Waskman Estreptomicina 1950-60 Varios Antibióticos (>30): Tetraciclinas, Cloranfenicol, Cefalosporinas, etc. 1960-73 Varios Vitaminas, Esteroides, Aminoácidos, ENZIMAS, Polisacáridos, Bioetanol Fermentación Microbiología Biosíntesis gran diversidad en estado sólido Enzimología de compuestos 10000-3000 a.C. S. XVI a XVIII s. XIX 1910s 1940s 1960s 1973 Desarrollo de Fermentación Fermentación Observación conceptos y anaerobia aerobia microscópica metodología básica sumergida sumergida Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Breve Historia de la Biotecnología s. XX de 1973 a 1987 Primer gen Watson y Crick, Sanger, Estructura del AND. Ingeniería Genética. clonado Cohen y Boyer Modificación de células Sólo para uso académico en la UCM Implantación gen en bacteria de otra especie Clonación Anticuerpos activador tisular monoclonales Autorización en Autorización en Explotación Europa insulina USA hormona comercial del humana del crecimiento ADN Anticuerpos Autorización en Clonación monoclonales USA activador insulina para tisular humana diagnóstico Clonación Ensayos clínicos hormona del hormona del crecimiento crecimiento Ensayos clínicos insulina huimana 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 Tecnología de DNA Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Breve Historia de la Biotecnología NUEVOS PRODUCTOS NUEVOS PROCESOS y DESARROLLOS Anticuerpos monoclonales Modificación estructural de proteínas Sólo para uso académico en la UCM Insulina Humana Inmovilización de enzimas Hormona del crecimiento Fusión de Protoplastos Vacunas antivirales Nuevos Reactores: Air-lift, Membrana Activador tisular Desarrollo de Biosensores Interferones Utilización de residuos Interleukinas Cultivos de Células superiores Eritropoyetina Inmovilización de células Colorantes y aditivos alimentarios Control por ordenadores Factor de Necrosis de tumores (TNF) Innovación de procesos tradicionales Factor VIII (Coagulación) Nuevos modelos de Diseño 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 Tecnología de DNA Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Biotecnología: Definición y clasificación La Biotecnología es la integración de Ciencias Naturales Sólo para uso académico en la UCM e Ingeniería para llevar a cabo la aplicación de organismos, células, partes de las mismas y análogos moleculares en productos y servicios. (EFB, 1989) Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Biotecnología: Definición y clasificación Clasificación de la Biotecnología Sólo para uso académico en la UCM Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Biotecnología: Definición y clasificación Clasificación de la Biotecnología Sólo para uso académico en la UCM SALUD: DIAGNÓSTICO TERAPÉUTICA  Obtención vacunas y antibióticos  Desarrollo nuevos fármacos  Técnicas moleculares de diagnóstico BIOTECNOLOGÍA  Terapias regenerativas  Terapia génica y celular ROJA Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Biotecnología: Definición y clasificación Clasificación de la Biotecnología Sólo para uso académico en la UCM BIOTECNOLOGÍA VERDE AGRICULTURA  Transgénesis y mejora vegetal  Resistir plagas, virus, estrés abiótico  Mejora nutricional  Aumento tiempo de conservación  Obtención de biofactorías vegetales BIOTECNOLOGÍA ROJA Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Biotecnología: Definición y clasificación Clasificación de la Biotecnología Sólo para uso académico en la UCM BIOTECNOLOGÍA VERDE BIOTECNOLOGÍA GRIS MEDIOAMBIENTE  Análisis genético poblacional  Conservación de especies  Almacenamiento de genomas BIOTECNOLOGÍA  Biorremediación de suelos y subsuelo  Eliminación de hidrocarburos ROJA  Eliminación de residuos Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Biotecnología: Definición y clasificación Clasificación de la Biotecnología  Acuicultura  Uso de algas para producción Sólo para uso académico en la UCM  (Fase temprana) BIOTECNOLOGÍA AZUL BIOTECNOLOGÍA VERDE MARINA BIOTECNOLOGÍA GRIS BIOTECNOLOGÍA ROJA Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Biotecnología: Definición y clasificación Clasificación de la Biotecnología Sólo para uso académico en la UCM BIOTECNOLOGÍA AZUL BIOTECNOLOGÍA VERDE INDUSTRIAL BIOTECNOLOGÍA BLANCA Aplicación de la Biotecnología BIOTECNOLOGÍA moderna para la producción GRIS sostenible de productos químicos, materiales y combustibles a partir de recursos renovables, usando células y/o enzimas BIOTECNOLOGÍA ROJA Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIOTECNOLOGÍA Capacidades metabólicas de las células BLANCA Sólo para uso académico en la UCM Empleo de biocatalizadores BIOLOGÍA CELULAR de forma controlada BIOQUÍMICA MICROBIOLOGÍA con objetivos específicos MODIFICACIÓN GENÉTICA BÚSQUEDA EXPRESIÓN de GENES AISLAMIENTO Estudio y mejora FLUJOS METABÓLICOS CARACTERIZACIÓN de de biocatalizadores y ACTIVIDAD ENZIMÁTICA MICROORGANISMOS condiciones INGENIERÍA METABÓLICA ÓMICAS BIOLOGÍA de SISTEMAS INGENIERÍA QUÍMICA INGENIERÍA QUÍMICA COMPUTACIÓN MEDIOS de CRECIMIENTO y de PRODUCCIÓN CONDICIONES de OPERACIÓN Proceso industrial que emplea biocatalizadores MODELOS CINÉTICOS (células o enzimas) para FENOMENOLOGÍA: ACOPLE BIO-REACTORES: tipos, diseño BIOPROCESO llevar a cabo transformación deseada la CAMBIO de ESCALA Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIOTECNOLOGÍA Capacidades metabólicas de las células BLANCA Sólo para uso académico en la UCM Empleo de biocatalizadores BIOLOGÍA CELULAR de forma controlada BIOQUÍMICA MICROBIOLOGÍA con objetivos específicos INGENIERÍA BIOLOGÍA de EVOLUTIVA SISTEMAS Estudio y mejora de biocatalizadores y condiciones INGENIERÍA INGENIERÍA de METABÓLICA PROTEÍNAS INGENIERÍA QUÍMICA COMPUTACIÓN BIOLOGÍA SINTÉTICA FACTORÍA BIOPROCESO CELULAR Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores Materiales y productos químicos objetivo Trends in Biotechnology, 29 (8), 370-378, 2011 ¿Productor nativo? Sólo para uso académico en la UCM ¿Producción satisfactoria? ¿Existencia de una ruta metabólica en la naturaleza? ¿Existencia de ruta en la célula ¿Existencia de rutas metabólicas homólogas? huésped para modificar? Ingeniería metabólica de sistemas ¿Existencia de enzimas para las rutas deseadas? Biología de sistemas Expresión Evolución de Creación de heteróloga enzimas enzimas nuevas Ingeniería Ingeniería evolutiva Metabólica Biología sintética ¿Enzimas funcionales como se desea? ¿concentración; rendimiento; subproductos; estabilidad y tolerancia de la cepa; y ¿bioproceso rentable? utilización de sustratos satisfactorios? Desarrollo y optimización BIOPRODUCCIÓN del bioproceso RENTABLE de MATERIALES y PRODUCTOS QUÍMICOS Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIOTECNOLOGÍA BLANCA BIOPROCESO según el biocatalizador ENZIMAS CÉLULAS Sólo para uso académico en la UCM MICROORGANISMOS CÉLULAS Bacterias SUPERIORES Microalgas Animales Levaduras Mohos Vegetales Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIOTECNOLOGÍA BLANCA BIOPROCESO según el biocatalizador ENZIMAS Hidrólisis, Isomerización, Síntesis Sólo para uso académico en la UCM Tipo de enzima Proceso Producto Isomerasas Hidrólisis almidón Jarabes edulcorantes Amilasas Glucosa en Fructosa Proteasas Lipasas Degradación de proteínas Detergentes Celulasas Transesterificación Biodiesel Hemicelulasas Degradación material lignocelulósico Oligosacáridos Pectinasas Galactosidasas Hidrólisis de lactosa Productos lácteos Análisis Bioquímicos Kits enzimáticos Enzimas específicas Productos Síntesis de moléculas farmacéuticos Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIOTECNOLOGÍA BLANCA BIOPROCESO según el biocatalizador CÉLULAS Sólo para uso académico en la UCM MICROORGANISMOS MICROORGANISMO Producto/Servicio Producción de enzimas Procariotas Polisacáridos, antibióticos (Bacterias, Algas Microscópicas) Esteroides, aminoácidos – proteínas Modelo para GMO: E. coli, Pseudomonas BIODESULFURACIÓN (petróleo, carbón) sp., etc. Biodegradación – bioremediación Anticuerpos monoclonales, biopolímeros Eucariotas Producción de enzimas (Levaduras, Mohos) Antibióticos, biosurfactantes Modelo para GMO: S. cerevisiae, Pichia Aminoácidos – proteínas pastoris Vacunas antivirales (hepatitis B) BIOPROCESO Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIOTECNOLOGÍA BLANCA BIOPROCESO según el biocatalizador CÉLULAS Sólo para uso académico en la UCM CÉLULAS SUPERIORES Tipo de células Producto Cafeína Nicotina Quinina Vegetales Sikonina Digitoxina Taxol (GMO) Anticuerpos monoclonales Interferones Animales Interleukinas (insectos, mamíferos) Eritropoyetina Clonación en bacterias Activador tisular Factor VIII BIOPROCESO Enzimas Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIOTECNOLOGÍA BLANCA BIOPROCESO según la escala Sólo para uso académico en la UCM GRAN ESCALA VINO CERVEZA MEDIA ESCALA LÁCTEOS ANTIBIÓTICOS BIOETANOL POLISACÁRIDOS QUÍMICA FINA ÁCIDOS ORGÁNICOS ESTEROIDES VACUNAS INSULINA ADITIVOS BIOPROCESO Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores ETAPAS de un BIOPROCESO Sólo para uso académico en la UCM Operaciones Físicas Transferencia de Calor Libres Preparación Transferencia de Materia (sin R.Q.) Inmovilizadas Movimiento de fluidos y sólidos Materias Primas Operaciones Bioquímicas (Hidrólisis enzimática) Enzimas Microorganismos Células superiores Transformación bioquímica Condiciones de Operación suaves Biocatalizador BIORREACCION Lentas Diluidas REACTOR BIOQUÍMICO: BIORREACTOR Operaciones Físicas Transferencia de Calor TRATAMIENTOS POSTERIORES Transferencia de Materia (sin R.Q.) Aislamiento y Purificación Movimiento de fluidos y sólidos DETERMINANTE ECONOMÍA PROCESO Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores AVANCES en SALUD: DIAGNÓSTICO, VACUNAS, TERAPÉUTICA PRODUCTOS en DESARROLLO: PRODUCTOS TRANSGÉNICOS Sólo para uso académico en la UCM Más de 1000 MM de personas han usado ya más de 120 productos transgénicos: Insulina, Factor VIII, EPO, Hormona del crecimiento, vacunas antivirales, etc. En la FDA hay más 400 productos en ensayos clínicos para más de 200 enfermedades distintas. Más de 200 tests de diagnóstico basados en anticuerpos monoclonales para SIDA, hepatitis, embarazo, etc. El consumo mundial de antibióticos es de más de 75 MM dosis al año. La cortisona por bioproceso: el precio se dividió por 10 frente a la síntesis química. Las vacunas contra el sarampión, tétanos, difteria, polio, COVID19 han salvado millones de vidas solo en el siglo XXI. Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores PRODUCTOS en DESARROLLO: PRODUCTOS TRANSGÉNICOS, NUEVOS PRODUCTOS VEGETALES NO ALIMENTARIOS… Sólo para uso académico en la UCM Se están desarrollando biopesticidas biodegradables, materiales biocompatibles, etc. Dentro de 20 años necesitaremos producir un 40 % más de alimentos que actualmente. Todavía casi 1,000 millones de personas pasan hambre. “Revolución verde”: uso de semillas GM. Se están desarrollando biocarburantes y el concepto de bio-refinería Terapia génica: embriones y personas NUEVOS CONCEPTOS Órganos de repuesto. Impresión 3D PROBLEMAS ÉTICOS Problemas y límites éticos Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores Comparación fenómenos entre biocatalizadores FENÓMENOS PROCESOS ENZIMÁTICOS PROCESOS con CÉLULAS VIVAS Sólo para uso académico en la UCM Reacción simple: SP (irreversible) Reacciones complejas: Metabolismo Fácil seguimiento reacción Autocatalíticas. Procesos lentos: V reactor CINÉTICA Catalizador relativamente estable Influencia estado células Modelos mecanísticos NECESIDAD de SIMPLIFICACIONES: Problemas cambio Desactivación, Inhibición de escala Metabolismo exotérmico TRANS. ISOTERMO Energía empleada por los microorganismos de CALOR Condiciones suaves ISOTERMO (Condiciones suaves) ESTERILIDAD Homogéneo: suspensión Heterogéneo: Sistemas Trifásicos (G-L-S) % TRANS. Heterogéneo: Inmovilizadas (F(L)-S) Aerobios: Transporte O2 limitante, Daño Celular de MATERIA Problemas Difusionales Inmovilización SIMPLIFICACIONES: Problemas cambio escala Reología: células y/o productos Desviaciones del Flujo Ideal FLUIDODINÁMICA Desviaciones de Flujo Ideal Dificultad descripción flujo: Problemas cambio de escala No existe Rotura células o cambios metabólicos DAÑO CELULAR Dificultad en su descripción: acotamiento variables Problemas cambio de escala Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores BIORREACTOR Sólo para uso académico en la UCM Recipiente en el que se lleva a cabo una transformación en la que interviene un biocatalizador Características Generales Condiciones de operación suaves (Poco aporte energético) Transformación isoterma (Resolución BM y BE no acoplado) Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto) Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores TIPOS de BIORREACTORES Sólo para uso académico en la UCM Clasificación Forma Fases Tipo de operación Tanques h  Ø Homogéneos Discontinuo Tubos h >> Ø Continuo Heterogéneos Otros Semicontinuo Estado Biocatalizador Biocatalizadores en suspensión Biocatalizadores inmovilizados Biorreactores especiales Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores Scale up OBJETIVO: anticipar efectos e PRINCIPIO BÁSICO: Separación fenómenos dependientes y introducir variaciones en los modelos al variar el tamaño no dependientes de la escala (geometría y tamaño) Sólo para uso académico en la UCM Fenómenos dependientes escala: Fenómenos transporte (materia, calor y cantidad de movimiento) Modelo cinético biorreacción Fenómenos independientes escala: Fenómenos intrínsecos (Termodinámica y Cinética) Modelo fenómenos físicos - Estudio de formas de operación MODELO Balance de Materia CAMBIO de ESCALA MACROCINÉTICO Planta Piloto Simulación a NO mayor escala ¿? Experimentación SI Proceso Industrial a mayor escala Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioprocesos. Biocatalizadores Scale down 1. Análisis de régimen Escala de producción 4. Aplicación Sólo para uso académico en la UCM Escala de laboratorio 3. Optimización y 2. Simulación (en equipo) Modelización 1. Análisis de régimen en reactor preexistente: mecanismo controlante 2. Diseño de dispositivo de laboratorio con el mismo mecanismo controlante 3. Optimización proceso en la instalación de laboratorio 4. Traslado resultados al diseño y operación del reactor industrial  Útil evaluación cambios proceso existente: composición, cepas modificadas, inóculos  Buen complemento de modelos matemáticos escalado tradicional Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Recursos fósiles Combustibles/energía, materiales y productos químicos (petróleo, carbón, gas natural) Sólo para uso académico en la UCM NO SOSTENIBLES Objetivo político/económico No disponible a largo plazo fundamental siglo XXI Aumento de precio DESARROLLO SOSTENIBLE Crecimiento económico sostenible:  Recursos seguros y renovables para la producción industrial  Sistema financiero y de inversión de confianza  Sistema financiero y de inversión de largo recorrido temporal  Seguridad ecológica  Perspectivas de vida y trabajo sostenible para las personas  Gran acumulación de residuos sólidos  Dependencia de Materias Primas  Gran consumo de energía  Aumento emisiones de CO2 Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Recursos fósiles Combustibles/energía, materiales y productos químicos (petróleo, carbón, gas natural) Sólo para uso académico en la UCM NO SOSTENIBLES No disponible a largo plazo Aumento de precio Mantenimiento del valor de los productos, los materiales y los recursos (agua, energía,…) en la economía durante el mayor tiempo posible, y reducción al mínimo la generación de residuos  Minimización de residuos  Mejora el suministro de Materias Primas  Genera innovación, crecimiento y empleo  Reducción de emisiones de CO2  Productos duraderos  Mayor calidad de vida Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Recursos fósiles Combustibles/energía, materiales y productos químicos (petróleo, carbón, gas natural) Sólo para uso académico en la UCM «Cerrar el Ciclo de Vida» Objetivo político/económico productos, servicios, residuos, fundamental siglo XXI materiales, agua, energía DESARROLLO SOSTENIBLE Materias primas de origen biológico Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Producción y comercialización de Sólo para uso académico en la UCM alimentos, productos forestales, bioproductos y bioenergía, obtenidos Conjunto de las actividades mediante transformaciones físicas, económicas que obtienen químicas, bioquímicas o biológicas de la materia orgánica no destinada al productos y servicios, generando consumo humano o animal y que valor económico, utilizando como impliquen procesos respetuosos con el elementos fundamentales los medio, así como el desarrollo de los recursos biológicos entornos rurales Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Producción y comercialización de Sólo para uso académico en la UCM alimentos, productos forestales, bioproductos y bioenergía, obtenidos mediante transformaciones físicas, Dictamen del Comité de las Regiones Europeo químicas, bioquímicas o biológicas de la materia orgánica no destinada al Enero 2013 La innovación al servicio del crecimiento sostenible: una bioeconomía para Europa consumo humano o animal y que impliquen procesos respetuosos con el Abril 2015 Hacia una economía circular: revisión de la legislación de la UE en materia de residuos medio, así como el desarrollo de los entornos rurales Resolución del Parlamento Europeo Febrero 2016 Una bioeconomía para Europa Ministerio de Agricultura, Secretaría de Estado de Investigación, Alimentación y Medio Ambiente Desarrollo e Innovación Marzo 2016 Estrategia Española de Bioeconomía Horizonte 2030 Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Sólo para uso académico en la UCM BIOECONOMÍA Productos, combustibles Productos, materiales y energía y combustibles Productos basados Biocombustibles Procesos en biomasa Bioenergía respetuosos con el medio Materia Orgánica no destinada al consumo Materias primas biogeneradas humano o animal Adaptada de: Biorefineries – Industrial Processes and Products. Status Quo and Future Directions 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Sólo para uso académico en la UCM BIOECONOMÍA Productos, materiales y combustibles basados en biomasa Biocombustibles Productos químicos Procesos Biomateriales respetuosos con el medio Transformaciones Físicas Químicas Bioquímicas o Biológicas Materia Orgánica no BIORREFINERÍAS destinada al consumo Materias primas biogeneradas humano o aninal Adaptada de: Biorefineries – Industrial Processes and Products. Status Quo and Future Directions 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Sólo para uso académico en la UCM BIOECONOMÍA Productos, materiales y combustibles basados en biomasa Biocombustibles Productos químicos Procesos La Biotecnología es una de Biomateriales respetuosos con el medio las tecnologías impulsoras de las Biorrefinerías Transformaciones Físicas Químicas Bioquímicas o Biológicas Biológicas Materia Orgánica no BIORREFINERÍAS destinada al consumo Materias primas biogeneradas humano o aninal Adaptada de: Biorefineries – Industrial Processes and Products. Status Quo and Future Directions 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Sólo para uso académico en la UCM BIOECONOMÍA Productos, materiales y combustibles basados en biomasa Biocombustibles Productos químicos Biomateriales BIORREFINERÍAS Materias primas biogeneradas Adaptada de: Biorefineries – Industrial Processes and Products. Status Quo and Future Directions 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES Biocombustible o combustible bio-renovable: Combustible sólido, líquido o gaseoso producido por u obtenido de un organismo vivo renovable Sólo para uso académico en la UCM Sólidos Líquidos Gases  Leña  Bioetanol  Biometano/Biogas  Carbón vegetal  Biodiesel  Bio-hidrógeno  Pellets de madera Primarios Secundarios Quema directa de la Proceso de biomasa para transformación de la obtener energía materia prima Gran importancia en la historia de la Humanidad y Materia prima desarrollo de civilizaciones biogenerada Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES Biocombustible o combustible bio-renovable: Combustible sólido, líquido o gaseoso producido por VENTAJAS u obtenido de un organismo vivo renovable Sólo para uso académico en la UCM Renovables Recursos muy abundantes Líquidos Gases Neutro en CO2/GHG No emisiones o bajas de SOx  Bioetanol  Biometano/Biogas  Biodiesel  Bio-hidrógeno Menores emisiones de NOx Amigables con el Medioambiente Posibilidad de producción local Objetivos o políticas siglo XXI Secundarios Biodegradables Promoción y desarrollo de la Proceso de industria de biocombustibles transformación de la Procesos sostenibles materia prima Procesos de producción seguros Materia prima BENEFICIOS biogenerada Impulso del desarrollo y la inversión rural y agrícola Aumentan la diversidad en la oferta Reducción de dependencia energética Creación de puestos de trabajo Mejora de modo de vida locales Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS PRODUCCIÓN y CONSUMO MUNDIAL de mUCM 180000 Producción ) BIOETANOL: Biocombustible más 3 160000 Consumo en la 140000 producido desde hace décadas líquidos (miles 120000 uso académico 100000 120000 Producción mundial (miles de m3) biodiesel 80000 bioetanol Biocombustibles 100000 60000 40000 80000 20000 Sólo para 60000 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Año 40000 Fuerte regulación gubernamental de la 20000 producción y forma de uso de biodiesel y 0 bioetanol como combustibles 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Año Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS BIOETANOL Sólo para uso académico en la UCM Materias primas empleadas en la producción mundial de bioetanol Sólidos: Comida para ganado Proceso de Caña de Maiz producción Azúcar Nutrientes relativamente 66% sencillo 23% Jugos azucarados FERMENTACIÓN DESTILACIÓN Agua Etanol 92 % maiz Levaduras Resto… DESHIDRATACIÓN Agua Caña de azúcar Remolacha Saccharomyces Estados Unidos azucarera, mandioca, Brasil cerevisiae ETANOL Canadá etc. Paraguay 99,5 % Argentina Colombia Países UE Argentina Países UE BIOETANOL Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS BIOETANOL Productos ricos en azúcares Sólo para uso académico en la UCM Productos ricos en almidones Remolacha Sacarosa azucarera Amilosa maiz Caña G F G G G G G trigo de azúcar Amilopectina cebada G G G G G G G G Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS BIOETANOL Sólo para uso académico en la UCM G F Trituración y Molienda Calor F Sólidos: Comida Remolacha Productos G para ganado ricos en Caña de Proceso de azúcares producción azúcar relativamente Nutrientes sencillo Jugos azucarados FERMENTACIÓN DESTILACIÓN Agua Etanol 92 % Levaduras DESHIDRATACIÓN Agua Saccharomyces cerevisiae ETANOL 99,5 % BIOETANOL Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS BIOETANOL PRIMERA GENERACIÓN: MATERIAS PRIMAS Sólo para uso académico en la UCM G F empleadas en alimentación Trituración y Molienda Calor F Sólidos: Comida Remolacha Productos G para ganado ricos en Caña de Proceso de azúcares producción azúcar Competencia uso del terreno Nutrientes relativamente sencillo Gran cantidad de recursos (fertilizantes, agua, área de cultivo,…) Jugos Provoca mayor precio deazucarados los alimentos FERMENTACIÓN DESTILACIÓN Agua G G G Posible efecto adverso en la biodiversidad Etanol 92 % G G G G G Levaduras DESHIDRATACIÓN Agua G Trituración y Hidrólisis Molienda G Saccharomyces Productos cerevisiae ETANOL ricos en 99,5 % almidones Enzimas trigo Amilasas BIOETANOL maiz Glucoamilasas cebada Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS BIODIESEL Alcohol sencillo Sólo para uso académico en la UCM TRANSESTERIFICACIÓN BIODIESEL Catalizador: base, ácido, enzima Aceites/grasas Ácido graso 1 Ácido graso 1 Glicerina Ácido graso 2 + Alcohol Lipasa Ácido graso 2 + Glicerina Ácido graso 3 Ácido graso 3 Ésteres de TRIGLICÉRIDO ALCOHOL Ácidos Grasos Bio- etanol 100 kg 10 kg Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS BIODIESEL Alcohol Sólo para uso académico en la UCM TRANSESTERIFICACIÓN BIODIESEL Catalizador: base, ácido, enzima Aceites/grasas Soja Colza Principales materias primas de la Países UE producción de biodiesel Aceite de soja Aceite de Estados Unidos 25% Palma Argentina Palma Colombia 29% Brasil Indonesia Paraguay Tailandia Aceite de colza Resto 17% 29% Otros aceites vegetales vírgenes (girasol) Aceites vegetales usados (UE) Grasas animales (Brasil) Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS BIODIESEL Alcohol Sólo para uso académico en la UCM TRANSESTERIFICACIÓN BIODIESEL Catalizador: base, ácido, enzima Aceites/grasas Principales materias primas de la producción de biodiesel Aceite de soja Aceite de 25% Palma 29% Jatropha Aceite de colza Resto 17% 29% Aceites no comestibles Otros aceites vegetales vírgenes (girasol) Aceites vegetales usados (UE) Grasas animales (Brasil) Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Sólo para uso académico en la UCM maiz Rastrojo de maiz azúcar Bagazo de caña Paja trigo Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Sólo para uso académico en la UCM maiz Respetuosa con el medioambiente Rastrojo Baja rentabilidad económica Alimentación de maiz animal Compostaje azúcar Fertilizantes DESTINO Bagazo ACTUAL Digestión de caña Anaerobia Biogas (metano) Contribuye a la emisión de Paja gases a la atmósfera trigo Incineración Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería Sólo para uso académico en la UCM Respetuosa con el SEGUNDA GENERACIÓN: medioambiente BIOMASA LIGNOCELULÓSICA Rastrojo Baja rentabilidad económica Alimentación de maiz animal MATERIA PRIMA RENOVABLE más abundante en la biosfera Compostaje DESTINO Bagazo ACTUAL Biocombustibles de caña Digestión Anaerobia Materiales Productos Químicos Contribuye a la emisión de Paja gases a la atmósfera Incineración Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería SEGUNDA GENERACIÓN: BIOMASA LIGNOCELULÓSICA Sólo para uso académico en la UCM Complejo polimérico de carbohidratos Jugos PRODUCTOS de azucarados VALOR AÑADIDO Biocombustibles Ventajas Materiales  No compite con alimento Productos Químicos  Disponibilidad de materia prima  Bajo coste de la materia prima  Seguridad energética  Cerca de objetivos medioambientales  Plataforma de productos químicos Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería SEGUNDA GENERACIÓN: BIOMASA LIGNOCELULÓSICA Sólo para uso académico en la UCM Rastrojo Celulosa de maiz Hemicelulosa Bagazo de caña Lignina Paja Análisis Avanzado de Reacciones y Reactores  Bioeconomía. Biorrefinería G G G G G Sólo para uso académico en la UCM G G G G G Celulosa G G G G G Pentosas A X Hemicelulosa Hexosas