Combustible de butanol

El butanol se puede usar como combustible en un motor de combustión interna. Debido a que su cadena de hidrocarburo más larga hace que sea bastante no polar, es más similar a la gasolina que al etanol. Se ha demostrado que el butanol funciona en vehículos diseñados para su uso con gasolina sin modificaciones. Tiene una cadena de hidrocarburos de cuatro enlaces. Puede producirse a partir de biomasa (como «biobutanol») y combustibles fósiles (como «petrobutanol»), pero el biobutanol y el petrobutanol tienen las mismas propiedades químicas.

Producción de biobutanol.
El butanol de la biomasa se llama biobutanol. Puede ser utilizado en motores de gasolina no modificados.

Tecnologías
El biobutanol se puede producir mediante la fermentación de biomasa mediante el proceso ABE. El proceso utiliza la bacteria Clostridium acetobutylicum, también conocida como el organismo Weizmann o Clostridium beijerinckii. Fue Chaim Weizmann quien utilizó por primera vez C. acetobutylicum para la producción de acetona a partir de almidón (cuyo uso principal era acetona) en 1916. El butanol fue un subproducto de esta fermentación (se produjo el doble de butanol). ). El proceso también crea una cantidad recuperable de H2 y una serie de otros subproductos: ácidos acético, láctico y propiónico, isopropanol y etanol.

El biobutanol también puede prepararse utilizando Ralstonia eutropha H16. Este proceso requiere el uso de un electro-biorreactor y la entrada de dióxido de carbono y electricidad.

La diferencia con la producción de etanol es principalmente en la fermentación de la materia prima y los cambios menores en la destilación. Las materias primas son las mismas que para el etanol: cultivos energéticos como la remolacha azucarera, la caña de azúcar, el grano de maíz, el trigo y la yuca, los posibles cultivos energéticos no alimentarios como el pasto e incluso el guayule en América del Norte, así como los subproductos agrícolas como el bagazo , paja y tallos de maíz.Según DuPont, las plantas de bioetanol existentes se pueden adaptar de manera rentable a la producción de biobutanol.

Además, la producción de butanol a partir de biomasa y subproductos agrícolas podría ser más eficiente (es decir, la potencia motriz del motor de unidad suministrada por unidad de energía solar consumida) que la producción de etanol o metanol.

Algas butanol
El biobutanol se puede hacer completamente con energía solar y nutrientes, a partir de algas (llamadas Solalgal Fuel) o diatomeas. El rendimiento actual es bajo.

Investigación
Aunque la demanda de biocombustibles ha aumentado a más de mil millones de litros (aproximadamente 260 millones de galones de EE. UU.) Por año, la fermentación sigue siendo un método muy ineficiente de producción de butanol. En condiciones de vida normales, las comunidades bacterianas de Clostridium tienen un bajo rendimiento de butanol por gramo de glucosa. La obtención de mayores rendimientos de butanol implica la manipulación de las redes metabólicas dentro de las bacterias para priorizar la síntesis del biocombustible. La ingeniería metabólica y las herramientas de ingeniería genética permiten a los científicos alterar los estados de las reacciones que ocurren en el organismo, utilizando técnicas avanzadas para crear una cepa bacteriana capaz de producir un alto rendimiento de butanol. La optimización también se puede lograr mediante la transferencia de información genética específica a otras especies unicelulares, aprovechando los rasgos de múltiples organismos para lograr la tasa más alta de producción de alcohol.

Usando fuentes alternativas de carbono
Un desarrollo prometedor en la tecnología de producción de biobutanol se descubrió a fines del verano de 2011: los científicos de investigación de combustibles alternativos de la Universidad de Tulane descubrieron una cepa de Clostridium, llamada «TU-103», que puede convertir casi cualquier forma de celulosa en butanol, y es la única Cepa conocida de bacterias del género Clostridium que pueden hacerlo en presencia de oxígeno. Los investigadores de la universidad han declarado que la fuente de la cepa de bacterias Clostridium «TU-103» probablemente fue la de los residuos sólidos de una de las cebra de las llanuras en el Audubon Zoo de Nueva Orleans.

La ingeniería metabólica se puede usar para permitir que un organismo use un sustrato más barato, como el glicerol en lugar de la glucosa. Debido a que los procesos de fermentación requieren glucosa derivada de los alimentos, la producción de butanol puede tener un impacto negativo en el suministro de alimentos (consulte el debate alimentos / combustible). El glicerol es una buena fuente alternativa para la producción de butanol. Si bien las fuentes de glucosa son valiosas y limitadas, el glicerol es abundante y tiene un precio de mercado bajo porque es un producto de desecho de la producción de biodiesel. La producción de butanol a partir de glicerol es económicamente viable utilizando las vías metabólicas que existen en la bacteria Clostridium pasteurianum.

Una combinación de succinato y etanol puede fermentarse para producir butirato (un precursor del combustible de butanol) utilizando las vías metabólicas presentes en una bacteria anaerobia gram positiva Clostridium kluyveri. El succinato es un intermedio del ciclo de TCA, que metaboliza la glucosa. Bacterias anaerobias como Clostridium acetobutylicum y Clostridium saccharobutylicum también contienen estas vías. El succinato se activa primero y luego se reduce mediante una reacción de dos pasos para dar 4-hidroxibutirato, que luego se metaboliza más hacia la crotonil-coenzima A (CoA). Crotonyl-CoA luego se convierte en butirato. Los genes correspondientes a estas vías de producción de butanol de Clostridium se clonaron a E. coli.

En 2012, los investigadores desarrollaron un método para almacenar energía eléctrica como energía química en alcoholes superiores (incluido el butanol). Estos alcoholes pueden ser utilizados como combustibles líquidos para el transporte. El equipo dirigido por James C. Liao, un microorganismo litoautotrófico de ingeniería genética conocido como Ralstonia Eutropha H16 para producir isobutanol y 3-metil-1-butanol en un electro-biorreactor. El dióxido de carbono es la única fuente de carbono para este proceso y la electricidad se utiliza como componente energético. El proceso que desarrollaron efectivamente separa las reacciones de luz y oscuridad que ocurren durante la fotosíntesis. Los paneles solares se utilizan para convertir la luz solar en energía eléctrica, que luego se convierte utilizando el microorganismo en un producto químico intermedio. El equipo ahora está en el proceso de ampliar la operación y cree que este proceso será más eficiente que el proceso biológico.

Mejorando la eficiencia
A finales de 2012, un nuevo descubrimiento hizo que el butanol como combustible alternativo fuera más atractivo para la industria de los biocombustibles. El científico Hao Feng encontró un método que podría reducir significativamente el costo de la energía involucrada en la fabricación de butanol.Su equipo pudo aislar las moléculas de butanol durante el proceso de fermentación para que no maten a los organismos y produce un 100% o más de butanol. Después del proceso de fermentación, utilizaron un proceso llamado separación de punto de nube para recuperar el butanol que usaba 4 veces menos energía.

También a fines de 2012, utilizando sistemas de ingeniería metabólica, un equipo de investigación coreano en el antiguo Instituto Superior de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) ha logrado demostrar un proceso optimizado para aumentar la producción de butanol mediante la generación de una bacteria de ingeniería. El profesor Sang Yup Lee en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, KAIST, el Dr. Do Young Seung en GS Caltex, una gran empresa de refinación de petróleo en Corea, y el Dr. Yu-Sin Jang en BioFuelChem, una empresa de nueva creación de butanol en Corea, aplicaron un enfoque de ingeniería metabólica de sistemas para mejorar la producción de butanol a través de la mejora del rendimiento de Clostridium acetobutylicum, una de las bacterias productoras de butanol más conocidas. Además, el proceso posterior se optimizó y se integró un proceso de recuperación in situ para lograr un mayor título, rendimiento y productividad de butanol. La combinación de sistemas de ingeniería metabólica y optimización de bioprocesos dio como resultado el desarrollo de un proceso capaz de producir más de 585 g de butanol a partir de 1,8 kg de glucosa, lo que permite que la producción de este importante disolvente industrial y biocombustible avanzado sea rentable.

Las bacterias anaerobias C. pasteurianum, C. acetobutylicum y otras especies de Clostridium tienen vías metabólicas que convierten el glicerol en butanol a través de la fermentación. Sin embargo, la producción de butanol a partir de glicerol por fermentación en C. Pasteurianum es baja. Para contrarrestar esto, un grupo de investigadores usó la mutagénesis química para crear una cepa que produce hiperbutanol. La mejor cepa mutante en este estudio «MBEL_GLY2» produjo 10.8 g de butanol por cada 80 g de glicerol suministrado a las bacterias. Esta mejora se compara con los 7,6 g de butanol producidos por las bacterias nativas.

Muchos organismos tienen la capacidad de producir butanol utilizando una vía dependiente de acetil-CoA. El principal problema con esta vía es la primera reacción que involucra la condensación de dos moléculas de acetil-CoA a acetoacetil-CoA. Esta reacción es termodinámicamente desfavorable debido a la energía libre positiva de Gibbs asociada con ella (dG = 6.8 kcal / mol). Se han realizado algunos experimentos que implican aumentar el almacenamiento de carbono a través del organismo utilizando el flujo de dióxido de carbono a través de organismos fotosintéticos. Para seguir este camino de investigación, los científicos han intentado diseñar vías de reacción que pueden permitir que los organismos fotosintéticos (como las algas verde-azules) produzcan butanol de manera más eficiente.

Un estudio realizado por Ethan I. Lan y James C. Liao intentó utilizar el ATP producido durante la fotosíntesis en algas verde-azules para evitar la condensación de acetil-CoA termodinámicamente desfavorable a acetoacetil-CoA. El sistema nativo fue rediseñado para que la acetil-CoA reaccionara con el ATP y el CO2 para formar un intermediario, malonil-CoA. Malonil-CoA luego reacciona con otro acetil-CoA para formar el acetoacetil-CoA deseado. La liberación de energía de la hidrólisis de ATP (dG = -7.3 kcal / mol) hace que esta vía sea significativamente más favorable que la condensación estándar. Debido a que las algas azul-verdes generan NADPH durante la fotosíntesis, se puede suponer que el entorno del cofactor es rico en NADPH. Por lo tanto, la vía de reacción nativa se diseñó para usar NADPH en lugar del NADH estándar. Todos estos ajustes llevaron a un aumento de 4 veces en la producción de butanol, lo que demuestra la importancia de las fuerzas impulsoras del ATP y el cofactor como principio de diseño en la ingeniería de caminos.

Productores
DuPont y BP planean hacer del biobutanol el primer producto de su esfuerzo conjunto para desarrollar, producir y comercializar biocombustibles de próxima generación. En Europa, la compañía suiza Butalco está desarrollando levaduras modificadas genéticamente para la producción de biobutanol a partir de materiales celulósicos. Gourmet Butanol, una compañía con sede en Estados Unidos, está desarrollando un proceso que utiliza hongos para convertir los desechos orgánicos en biobutanol.

Distribución
El butanol tolera mejor la contaminación del agua y es menos corrosivo que el etanol y más adecuado para la distribución a través de tuberías existentes para la gasolina. En mezclas con diesel o gasolina, es menos probable que el butanol se separe de este combustible que el etanol si el combustible está contaminado con agua. También hay una sinergia de co-mezcla de presión de vapor con butanol y gasolina que contiene etanol, lo que facilita la mezcla de etanol. Esto facilita el almacenamiento y la distribución de combustibles mezclados.

Propiedades de los combustibles comunes.

Contenido energético y efectos sobre el ahorro de combustible.
Cambiar un motor de gasolina a butanol en teoría resultaría en una penalización en el consumo de combustible de aproximadamente el 10%, pero el efecto del butanol en el kilometraje aún no se ha determinado en un estudio científico. Si bien se puede calcular la densidad de energía para cualquier mezcla de gasolina y butanol, las pruebas con otros combustibles de alcohol han demostrado que el efecto en la economía de combustible no es proporcional al cambio en la densidad de energía.

Octano
El octanaje del n-butanol es similar al de la gasolina, pero más bajo que el del etanol y el metanol. n-Butanol tiene un RON (Número de octano de investigación) de 96 y un MON (Número de octano del motor) de 78 (con un «número de octano de la bomba (R + M) / 2 resultante» de 87, mientras que se usa en Norteamérica) mientras que t El butanol tiene un octanaje de 105 RON y 89 MON. El t-butanol se usa como aditivo en la gasolina, pero no se puede usar como combustible en su forma pura porque su punto de fusión relativamente alto de 25.5 ° C (79 ° F) hace que se gelifique y se solidifique cerca de la temperatura ambiente. Por otra parte, el isobutanol tiene un punto de fusión más bajo que el n-butanol y un RON favorable de 113 y un MON de 94, y por lo tanto es mucho más adecuado para mezclas de gasolina de alta fracción, mezclas con n-butanol o como combustible independiente.

Un combustible con un índice de octanaje más alto es menos propenso a los golpes (combustión extremadamente rápida y espontánea por compresión) y el sistema de control de cualquier motor de automóvil moderno puede aprovechar esto ajustando el tiempo de encendido. Esto mejorará la eficiencia energética, conduciendo a una mejor economía de combustible que las comparaciones de contenido de energía que indican los diferentes combustibles. Al aumentar la relación de compresión, se pueden lograr más ganancias en la economía de combustible, la potencia y el par.Por el contrario, un combustible con un octanaje más bajo es más propenso a los golpes y disminuirá la eficiencia. Golpear también puede causar daños al motor. Los motores diseñados para funcionar con 87 octanos no tendrán ningún ahorro de energía / combustible adicional por ser operados con combustible de mayor octanaje.

Relación de aire y combustible
Los combustibles alcohólicos, incluidos el butanol y el etanol, están parcialmente oxidados y, por lo tanto, deben funcionar con mezclas más ricas que la gasolina. Los motores de gasolina estándar en los automóviles pueden ajustar la relación aire-combustible para adaptarse a las variaciones en el combustible, pero solo dentro de ciertos límites según el modelo. Si se excede el límite al hacer funcionar el motor con etanol puro o una mezcla de gasolina con un alto porcentaje de etanol, el motor funcionará sin grasa, algo que puede dañar los componentes de manera crítica. En comparación con el etanol, el butanol se puede mezclar en proporciones más altas con la gasolina para su uso en automóviles existentes sin necesidad de modificaciones, ya que la relación aire-combustible y el contenido de energía están más cerca de la gasolina.

Energía específica
Los combustibles de alcohol tienen menos energía por unidad de peso y volumen de unidad que la gasolina. Para hacer posible comparar la energía neta liberada por ciclo, a veces se usa una medida llamada energía específica de combustibles. Se define como la energía liberada por la relación aire-combustible. La energía neta liberada por ciclo es más alta para el butanol que para el etanol o el metanol y aproximadamente un 10% más alta que para la gasolina.

Viscosidad
La viscosidad de los alcoholes aumenta con las cadenas de carbono más largas. Por esta razón, el butanol se utiliza como alternativa a los alcoholes más cortos cuando se desea un disolvente más viscoso. La viscosidad cinemática del butanol es varias veces mayor que la de la gasolina y es tan viscosa como el combustible diesel de alta calidad.

Calor de vaporización
El combustible en un motor tiene que ser vaporizado antes de que se queme. La vaporización insuficiente es un problema conocido con los combustibles de alcohol durante los arranques en frío en climas fríos. Como el calor de vaporización del butanol es menos de la mitad del etanol, un motor que funcione con butanol debería ser más fácil de arrancar en clima frío que uno que funcione con etanol o metanol.

Posibles problemas con el uso del combustible butanol.
Los problemas potenciales con el uso de butanol son similares a los del etanol:

Para adaptarse a las características de combustión de la gasolina, la utilización de combustible de butanol como sustituto de la gasolina requiere aumentos en el flujo de combustible (aunque el butanol tiene solo un poco menos de energía que la gasolina, por lo que el aumento de flujo de combustible requerido es mínimo, quizás un 10%, al 40% para etanol).
Los combustibles a base de alcohol no son compatibles con algunos componentes del sistema de combustible.
Los combustibles alcohólicos pueden causar lecturas erróneas del medidor de gas en vehículos con medidores de nivel de combustible de capacitancia.
Mientras que el etanol y el metanol tienen densidades de energía más bajas que el butanol, su mayor octanaje permite una mayor relación de compresión y eficiencia.
El butanol es uno de los muchos productos secundarios producidos a partir de las tecnologías de fermentación actuales; como consecuencia, las tecnologías de fermentación actuales permiten rendimientos muy bajos de butanol puro extraído. Cuando se compara con el etanol, el butanol es más eficiente en el consumo de combustible como alternativa al combustible, pero el etanol se puede producir a un costo mucho menor y con rendimientos mucho mayores.
El butanol es tóxico a una tasa de 20 g por litro y es posible que deba someterse a pruebas de efectos para la salud de Nivel 1 y Nivel 2 antes de que la EPA lo permita como combustible primario.

Posibles mezclas de combustibles de butanol.
Las normas para la mezcla de etanol y metanol en la gasolina existen en muchos países, incluidos la UE, los EE. UU. Y Brasil. Las mezclas aproximadas equivalentes de butanol se pueden calcular a partir de las relaciones entre la relación estequiométrica de combustible-aire de butanol, etanol y gasolina. Las mezclas de combustible de etanol comunes para el combustible vendido como gasolina en la actualidad varían del 5% al ​​10%. La proporción de butanol puede ser un 60% mayor que la proporción de etanol equivalente, lo que da un rango de 8% a 16%. «Equivalente» en este caso se refiere solo a la capacidad del vehículo para ajustarse al combustible. Otras propiedades, como la densidad de energía, la viscosidad y el calor de vaporización, variarán y pueden limitar aún más el porcentaje de butanol que se puede mezclar con la gasolina.

La aceptación del consumidor puede ser limitada debido al olor a nano-butanol potencialmente ofensivo del banano. Se están realizando planes para comercializar un combustible que es 85% de etanol y 15% de butanol (E85B), por lo que los motores de combustión interna E85 existentes pueden funcionar con un combustible 100% renovable que se puede hacer sin usar combustibles fósiles. Debido a que su cadena de hidrocarburo más larga hace que sea bastante no polar, es más similar a la gasolina que al etanol. Se ha demostrado que el butanol funciona en vehículos diseñados para su uso con gasolina sin modificaciones.

Butanol en vehículos
Actualmente, no se conoce ningún vehículo de producción aprobado por el fabricante para su uso con 100% de butanol. A principios de 2009, solo unos pocos vehículos están aprobados para utilizar incluso combustible E85 (es decir, 85% de etanol + 15% de gasolina) en los EE. UU. Sin embargo, en Brasil, todos los fabricantes de vehículos (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroen y otros) producen vehículos de «combustible flexible» que pueden funcionar con etanol al 100% o cualquier mezcla de etanol y gasolina. Estos autos de combustible flexible representan el 90% de las ventas de vehículos personales en Brasil, en 2009. BP y Dupont, que participan en una empresa conjunta para producir y promover combustible de butanol, afirman que «el biobutanol se puede mezclar hasta un 10% v / v» «Gasolina europea y 11.5% v / v en gasolina estadounidense».

En 2005, David Ramey condujo de Blacklick, Ohio a San Diego, California, utilizando 100% de butanol en un Buick Park Avenue de 1992 sin modificaciones.

En la carrera Petit Le Mans de 2009, la No. 16 Lola B09 / 86 – Mazda MZR-R de Dyson Racing funcionó con una mezcla de biobutanol y etanol desarrollada por el socio de tecnología del equipo BP.

Ventajas y desventajas
A diferencia del bioetanol, es un agrocombustible no corrosivo, y parece que, por lo tanto, no oxida los ductos (gasoductos) actuales del gas natural hidrocarbonado no alcohólico.

Sin embargo, no se pueden usar con este producto, ya que, debido a que es fluido, deshabilitaría completamente toda la red de tuberías de uno o dos continentes y no hay suficiente superficie en la Tierra para cultivar las verduras necesarias para abastecer el mismo primario. Energía que hoy da el gas natural. También es necesario pensar que estos son grandes trabajos de ingeniería calculados por años para un determinado producto y un cierto flujo hidráulico del mismo para cada sección, y que no son válidos para esta otra sustancia. No tiene sentido transportarlo (con dinero). , emisiones contaminantes y energía que supone) primero a los inicios actuales de estos gasoductos, donde se encuentran los depósitos de gas natural, y luego retransportarlos para su distribución. Debemos tener en cuenta que, sin hacer esto, su balance energético es negativo, produce menos energía de la necesaria (principalmente de combustibles fósiles y centrales nucleares en los países catalanes) para producirla. Aunque supuestamente no se oxida, podría usarse directamente en automóviles de gasolina o diesel sin la necesidad de modificar sus motores debido a su bajo poder calorífico y las propiedades muy diferentes del etanol a estos hidrocarburos.