Il butanolo può essere utilizzato come combustibile in un motore a combustione interna. Poiché la sua catena idrocarburica più lunga fa sì che sia piuttosto non polare, è più simile alla benzina che all’etanolo. È stato dimostrato che Butanol funziona su veicoli progettati per l’uso con benzina senza modifiche. Ha una catena di idrocarburi a quattro maglie. Può essere prodotto dalla biomassa (come “biobutanolo”) e dai combustibili fossili (come “petrobutanolo”), ma il biobutanolo e il petrobutanolo hanno le stesse proprietà chimiche.

Produzione di biobutanolo
Il butanolo derivato dalla biomassa è chiamato biobutanolo. Può essere utilizzato con motori a benzina non modificati.

tecnologie
Il biobutanolo può essere prodotto dalla fermentazione della biomassa mediante il processo ABE. Il processo utilizza il batterio Clostridium acetobutylicum, noto anche come organismo Weizmann o Clostridium beijerinckii. Fu Chaim Weizmann a utilizzare per la prima volta C. acetobutylicum per la produzione di acetone dall’amido (con l’uso principale dell’acetone per la produzione della Cordite) nel 1916. Il butanolo era un sottoprodotto di questa fermentazione (il doppio del butanolo era prodotto ). Il processo crea anche una quantità recuperabile di H2 e una serie di altri sottoprodotti: acido acetico, lattico e propionico, isopropanolo ed etanolo.

Il biobutanolo può anche essere prodotto con Ralstonia eutropha H16. Questo processo richiede l’uso di un elettro-bioreattore e l’immissione di anidride carbonica ed elettricità.

La differenza dalla produzione di etanolo è principalmente nella fermentazione della materia prima e piccoli cambiamenti nella distillazione. Le materie prime sono le stesse dell’etanolo: colture energetiche come barbabietola da zucchero, canna da zucchero, grano di mais, grano e manioca, colture energetiche potenziali non alimentari come il panico verga e persino guayule in Nord America, nonché sottoprodotti agricoli come bagassa steli di paglia e mais Secondo DuPont, gli impianti di bioetanolo esistenti possono essere adattati economicamente alla produzione di biobutanolo.

Inoltre, la produzione di butanolo da biomasse e sottoprodotti agricoli potrebbe essere più efficiente (ovvero la potenza motrice unitaria erogata per unità di energia solare consumata) rispetto alla produzione di etanolo o metanolo.

Alghe butanolo
Il biobutanolo può essere prodotto interamente con energia solare e sostanze nutritive, da alghe (chiamate solalgal fuel) o diatomee. La resa attuale è bassa.

Ricerca
Sebbene la domanda di biocarburanti sia salita a oltre un miliardo di litri (circa 260 milioni di galloni americani) all’anno, la fermentazione rimane un metodo largamente inefficiente di produzione di butanolo. In condizioni normali di vita, le comunità batteriche di Clostridium hanno una bassa resa di butanolo per grammo di glucosio. Ottenere rese più elevate di butanolo implica la manipolazione delle reti metaboliche all’interno dei batteri per dare la priorità alla sintesi del biocarburante.L’ingegneria metabolica e gli strumenti di ingegneria genetica consentono agli scienziati di alterare gli stati delle reazioni che si verificano nell’organismo, utilizzando tecniche avanzate per creare un ceppo batterico capace di un alto rendimento di butanolo. L’ottimizzazione può anche essere compiuta trasferendo informazioni genetiche specifiche ad altre specie uni-cellulari, capitalizzando i tratti di organismi multipli per ottenere il più alto tasso di produzione di alcol.

Usando fonti di carbonio alternative
Uno sviluppo promettente nella tecnologia di produzione di biobutanolo è stato scoperto alla fine dell’estate del 2011: gli scienziati della ricerca sull’alternativa della Tulane hanno scoperto un ceppo di Clostridium, chiamato “TU-103”, in grado di convertire quasi qualsiasi forma di cellulosa in butanolo, ed è l’unico ceppo noto di batteri del genere Clostridium che possono farlo in presenza di ossigeno. I ricercatori dell’università hanno dichiarato che la fonte del ceppo batterico del Clostridium “TU-103” era molto probabilmente dovuta ai rifiuti solidi di una delle zebre di pianura presso l’Audubon Zoo di New Orleans.

L’ingegneria metabolica può essere utilizzata per consentire a un organismo di utilizzare un substrato più economico come il glicerolo al posto del glucosio. Poiché i processi di fermentazione richiedono glucosio derivato dagli alimenti, la produzione di butanolo può avere un impatto negativo sull’offerta di cibo (vedi dibattito sul cibo e sul carburante). Il glicerolo è una buona fonte alternativa per la produzione di butanolo. Mentre le fonti di glucosio sono preziose e limitate, il glicerolo è abbondante e ha un basso prezzo di mercato perché è un prodotto di scarto della produzione di biodiesel. La produzione di butanolo dal glicerolo è economicamente valida utilizzando le vie metaboliche presenti nel batterio Clostridium pasteurianum.

Una combinazione di succinato e etanolo può essere fermentata per produrre butirrato (un precursore del butanolo) utilizzando le vie metaboliche presenti in un batterio anaerobico gram-positivo Clostridium kluyveri. Succinato è un intermedio del ciclo TCA, che metabolizza il glucosio.Anche i batteri anaerobici come il Clostridium acetobutylicum e il Clostridium saccharobutylicum contengono questi percorsi. Succinato viene dapprima attivato e quindi ridotto mediante una reazione in due fasi per dare 4-idrossibutirrato, che viene poi metabolizzato ulteriormente a crotonil-coenzima A (CoA). Crotonil-CoA viene quindi convertito in butirrato. I geni corrispondenti a questi percorsi di produzione di butanolo da Clostridium sono stati clonati a E. coli.

Nel 2012 i ricercatori hanno sviluppato un metodo per immagazzinare l’energia elettrica come energia chimica negli alcoli superiori (incluso il butanolo). Questi alcol possono quindi essere utilizzati come combustibili liquidi per il trasporto. Il team guidato da James C. Liao ha ingegnerizzato geneticamente il microrganismo litoautotropico noto come Ralstonia Eutropha H16 per produrre isobutanolo e 3-metil-1-butanolo in un elettrioreattore. L’anidride carbonica è l’unica fonte di carbonio per questo processo e l’elettricità è utilizzata come componente energetico. Il processo che hanno sviluppato separa in modo efficace le reazioni di luce e oscurità che si verificano durante la fotosintesi. I pannelli solari sono usati per convertire la luce solare in energia elettrica che viene poi convertita usando il microrganismo in un intermedio chimico. Il team è ora nel processo di potenziamento dell’operazione e ritiene che questo processo sarà più efficiente del processo biologico.

Migliorare l’efficienza
Alla fine del 2012, una nuova scoperta ha reso il combustibile alternativo butanolo più attraente per l’industria dei biocarburanti. Lo scienziato Hao Feng ha trovato un metodo che potrebbe ridurre significativamente il costo dell’energia coinvolta nella produzione di butanolo. Il suo team è stato in grado di isolare le molecole di butanolo durante il processo di fermentazione in modo da non uccidere gli organismi e produce il 100% o più di butanolo. Dopo il processo di fermentazione, hanno usato un processo chiamato separazione del punto di nuvola per recuperare il butanolo che utilizzava 4 volte meno energia.

Sempre alla fine del 2012, utilizzando l’ingegneria metabolica dei sistemi, un team di ricerca coreano presso l’ex Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) è riuscito a dimostrare un processo ottimizzato per aumentare la produzione di butanolo generando un batterio ingegnerizzato.Il professor Sang Yup Lee presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, KAIST, Dr. Do Young Seung presso GS Caltex, una grande società di raffinazione del petrolio in Corea, e il Dr. Yu-Sin Jang di BioFuelChem, una startup butanol company in Corea, applicata un approccio di ingegneria metabolica dei sistemi per migliorare la produzione di butanolo attraverso il miglioramento delle prestazioni del Clostridium acetobutylicum, uno dei batteri più noti produttori di butanolo.Inoltre, il processo a valle è stato ottimizzato e un processo di recupero in situ è ​​stato integrato per ottenere un maggiore titolo di butanolo, resa e produttività. La combinazione dell’ingegneria metabolica dei sistemi e dell’ottimizzazione del bioprocesso ha portato allo sviluppo di un processo in grado di produrre oltre 585 g di butanolo da 1,8 kg di glucosio, che consente la produzione di questo importante solvente industriale e di biocarburanti avanzati a costi competitivi.

I batteri anaerobici C. pasteurianum, C. acetobutylicum e altre specie di Clostridium hanno vie metaboliche che convertono il glicerolo in butanolo attraverso la fermentazione. Tuttavia, la produzione di butanolo dal glicerolo mediante fermentazione in C. Pasteurianum è bassa. Per contrastare questo, un gruppo di ricercatori ha utilizzato la mutagenesi chimica per creare un ceppo di produzione di iper butanolo. Il miglior ceppo mutante in questo studio “MBEL_GLY2” ha prodotto 10,8 g di butanolo per 80 g di glicerolo somministrato ai batteri. Questo miglioramento è paragonabile al butanolo da 7,6 g prodotto dai batteri nativi.

Molti organismi hanno la capacità di produrre butanolo utilizzando una via di dipendenza acetil-CoA.Il problema principale di questa via è la prima reazione che coinvolge la condensazione di due molecole di acetil-CoA in acido acetoacetilico. Questa reazione è termodinamicamente sfavorevole a causa dell’energia positiva di Gibbs ad essa associata (dG = 6,8 kcal / mol). Alcuni esperimenti sono stati fatti per aumentare lo stoccaggio di carbonio attraverso l’organismo utilizzando il flusso di anidride carbonica attraverso gli organismi fotosintetici. Per seguire questo percorso di ricerca, gli scienziati hanno tentato di progettare percorsi di reazione che possano consentire agli organismi fotosintetici (come le alghe blu-verdi) di produrre butanolo in modo più efficiente.

Uno studio condotto da Ethan I. Lan e James C. Liao hanno tentato di utilizzare l’ATP prodotto durante la fotosintesi nelle alghe blu-verdi per aggirare la condensazione acetil-CoA termodinamicamente sfavorevole con l’acetoacetil-CoA. Il sistema nativo è stato riprogettato per far reagire l’acetil-CoA con ATP e CO2 per formare un intermedio, malonil-CoA. Il malonil-CoA reagisce poi con un altro acetil-CoA per formare l’acetoacetil-CoA desiderato. Il rilascio di energia dall’idrolisi dell’ATP (dG = -7,3 kcal / mol) rende questa via significativamente più favorevole della condensazione standard. Poiché le alghe blu-verdi generano NADPH durante la fotosintesi, si può presumere che l’ambiente dei cofattori sia ricco di NADPH. Pertanto, il percorso di reazione nativo è stato ulteriormente progettato per utilizzare NADPH piuttosto che il NADH standard. Tutti questi aggiustamenti hanno portato ad un aumento di 4 volte della produzione di butanolo, dimostrando l’importanza dell’ATP e delle forze motrici del cofattore come principio di progettazione nell’ingegneria dei percorsi.

I produttori
DuPont e BP progettano di rendere il biobutanolo il primo prodotto del loro sforzo congiunto per sviluppare, produrre e commercializzare biocarburanti di nuova generazione. In Europa, l’azienda svizzera Butalco sta sviluppando lieviti geneticamente modificati per la produzione di biobutanolo da materiali cellulosici. Gourmet Butanol, una società con sede negli Stati Uniti, sta sviluppando un processo che utilizza i funghi per convertire i rifiuti organici in biobutanolo.

Distribuzione
Il butanolo tollera meglio la contaminazione dell’acqua ed è meno corrosivo dell’etanolo e più adatto alla distribuzione attraverso le condutture esistenti per la benzina. In miscela con diesel o benzina, il butanolo ha meno probabilità di separarsi da questo combustibile rispetto all’etanolo se il carburante è contaminato dall’acqua. Esiste anche una sinergia di co-miscela di vapore con butanolo e benzina contenente etanolo, che facilita la miscelazione di etanolo. Ciò facilita lo stoccaggio e la distribuzione di carburanti miscelati.

Proprietà dei combustibili comuni

Carburante	Energia densità	Aria-carburante rapporto	Specifico energia	Calore di vaporizzazione	RON	MON	AKI
Benzina e biogasolina	32 MJ / L	14,7	2,9 MJ / kg di aria	0,36 MJ / kg	91-99	81-89	87-95
Combustibile butanolo	29,2 MJ / L	11.1	36,6 MJ / kg di aria	0,43 MJ / kg	96	78	87
Carburante di etanolo anidro	19.6 MJ / L	9.0	3,0 MJ / kg di aria	0,92 MJ / kg	107	89
Carburante metanolo	16 MJ / L	6.4	3,1 MJ / kg di aria	1,2 MJ / kg	106	92

Contenuto energetico ed effetti sul risparmio di carburante
Il passaggio di un motore a benzina a butanolo comporterebbe in teoria una penalizzazione del consumo di carburante di circa il 10%, ma l’effetto del butanolo sul chilometraggio non è ancora stato determinato da uno studio scientifico. Mentre la densità di energia per qualsiasi miscela di benzina e butanolo può essere calcolata, test con altri combustibili alcolici hanno dimostrato che l’effetto sul risparmio di carburante non è proporzionale al cambiamento della densità di energia.

Valutazione di ottani
Il numero di ottani del n-butanolo è simile a quello della benzina, ma inferiore a quello dell’etanolo e del metanolo. n-Butanolo ha un RON (numero di ottano di ricerca) di 96 e un MON (numero di ottano del motore) di 78 (con un numero di ottano della pompa “(R + M) / 2” di 87, come usato in Nord America) mentre t -butanolo ha un numero di ottano di 105 RON e 89 MON. t-Butanolo è usato come additivo nella benzina ma non può essere usato come combustibile nella sua forma pura perché il suo punto di fusione relativamente alto di 25,5 ° C (79 ° F) lo fa gelificare e solidificare vicino alla temperatura ambiente. D’altra parte, l’isobutanolo ha un punto di fusione più basso di n-butanolo e RON favorevole di 113 e MON di 94, ed è quindi molto più adatto a miscele di benzina ad alta frazione, miscele con n-butanolo o come combustibile autonomo.

Un carburante con un numero di ottano più alto è meno incline a bussare (combustione estremamente rapida e spontanea per compressione) e il sistema di controllo di qualsiasi motore di auto moderno può trarne vantaggio regolando i tempi di accensione. Ciò migliorerà l’efficienza energetica, portando a un risparmio di carburante migliore rispetto ai raffronti di contenuto energetico indicati dai diversi combustibili. Aumentando il rapporto di compressione, si possono ottenere ulteriori guadagni in termini di risparmio di carburante, potenza e coppia. Viceversa, un carburante con un numero di ottano inferiore è più incline a bussare e ridurrà l’efficienza. Anche il battito può causare danni al motore. I motori progettati per funzionare su 87 ottani non avranno alcuna ulteriore potenza / risparmio di carburante per essere utilizzati con un maggiore numero di ottani.

Rapporto aria-carburante
I carburanti a base di alcool, tra cui butanolo ed etanolo, sono parzialmente ossidati e quindi devono funzionare a miscele più ricche rispetto alla benzina. I motori a benzina standard in auto possono regolare il rapporto aria-carburante per adattarsi alle variazioni del carburante, ma solo entro certi limiti a seconda del modello. Se il limite viene superato facendo funzionare il motore con etanolo puro o una miscela di benzina con un’alta percentuale di etanolo, il motore funzionerà in modo magro, cosa che può danneggiare in modo critico i componenti. Rispetto all’etanolo, il butanolo può essere miscelato in rapporti più elevati con la benzina per l’uso in auto esistenti senza necessità di retrofit poiché il rapporto aria-carburante e il contenuto energetico sono più vicini a quelli della benzina.

Energia specifica
I carburanti ad alcool hanno meno energia per unità di peso e volume unitario rispetto alla benzina.Per rendere possibile il confronto dell’energia netta rilasciata per ciclo, a volte viene utilizzata una misura chiamata energia specifica dei combustibili. È definito come l’energia rilasciata per rapporto di combustibile dell’aria. L’energia netta rilasciata per ciclo è superiore per il butanolo rispetto all’etanolo o al metanolo e circa il 10% in più rispetto alla benzina.

Viscosità
La viscosità degli alcoli aumenta con catene di carbonio più lunghe. Per questo motivo, butanolo viene utilizzato come alternativa agli alcoli più corti quando si desidera un solvente più viscoso. La viscosità cinematica del butanolo è parecchie volte superiore a quella della benzina e quasi altrettanto viscosa del carburante diesel di alta qualità.

Calore di vaporizzazione
Il carburante in un motore deve essere vaporizzato prima che bruci. La vaporizzazione insufficiente è un problema noto con i combustibili alcolici durante le partenze a freddo con tempo freddo. Poiché il calore di vaporizzazione del butanolo è meno della metà di quello dell’etanolo, un motore che gira su butanolo dovrebbe essere più facile da avviare a basse temperature rispetto a quello a base di etanolo o metanolo.

Potenziali problemi con l’uso di butanolo
I potenziali problemi con l’uso di butanolo sono simili a quelli dell’etanolo:

Per abbinare le caratteristiche di combustione della benzina, l’utilizzo del butanolo come sostituto della benzina richiede aumenti del flusso di carburante (sebbene il butanolo abbia solo un po ‘meno energia della benzina, quindi l’aumento del flusso di carburante richiesto è minimo, forse del 10%, rispetto al 40% per etanolo).
I carburanti a base di alcool non sono compatibili con alcuni componenti del sistema di alimentazione.
I carburanti a base di alcool possono causare errate letture del manometro nei veicoli con misuratori di livello del carburante capacitivo.
Mentre l’etanolo e il metanolo hanno densità energetiche inferiori rispetto al butanolo, il loro numero di ottani più elevato consente un maggiore rapporto di compressione ed efficienza.
Il butanolo è uno dei tanti prodotti collaterali prodotti dalle attuali tecnologie di fermentazione; di conseguenza, le attuali tecnologie di fermentazione consentono rese molto basse di butanolo estratto puro. Se confrontato con l’etanolo, il butanolo è più efficiente in termini di carburante come alternativa al carburante, ma l’etanolo può essere prodotto a un costo molto più basso e con rese molto maggiori.
Il butanolo è tossico a una velocità di 20 g / litro e potrebbe essere necessario sottoporsi a test sugli effetti sanitari di livello 1 e Tier 2 prima di essere autorizzato come combustibile primario dall’EPA.

Possibili miscele di butanolo
Gli standard per la miscelazione di etanolo e metanolo nella benzina esistono in molti paesi, tra cui l’UE, gli Stati Uniti e il Brasile. Miscele equivalenti di butanolo equivalenti possono essere calcolate dalle relazioni tra il rapporto stechiometrico aria-carburante di butanolo, etanolo e benzina. Le comuni miscele di carburante a base di etanolo per il carburante venduto come benzina attualmente variano dal 5% al ​​10%. La percentuale di butanolo può essere maggiore del 60% rispetto alla quota equivalente di etanolo, che dà un intervallo dall’8% al 16%. “Equivalente” in questo caso si riferisce solo alla capacità del veicolo di adattarsi al carburante. Altre proprietà come la densità energetica, la viscosità e il calore di vaporizzazione varieranno e potrebbero ulteriormente limitare la percentuale di butanolo che può essere miscelata con la benzina.

L’accettazione da parte dei consumatori potrebbe essere limitata a causa dell’odore potenzialmente banale simile alla banana del n-butanolo. Sono in corso piani per commercializzare un carburante composto per l’85% di etanolo e per il 15% di butanolo (E85B), pertanto i motori a combustione interna E85 esistenti possono funzionare con un combustibile rinnovabile al 100% che potrebbe essere realizzato senza l’utilizzo di combustibili fossili. Poiché la sua catena idrocarburica più lunga fa sì che sia piuttosto non polare, è più simile alla benzina che all’etanolo. È stato dimostrato che Butanol funziona su veicoli progettati per l’uso con benzina senza modifiche.

Butanolo nei veicoli
Attualmente non è noto alcun veicolo di produzione approvato dal produttore per l’uso con butanolo al 100%. Dall’inizio del 2009, solo pochi veicoli sono omologati per l’utilizzo di carburante E85 (ovvero l’85% di etanolo + 15% di benzina) negli Stati Uniti. Tuttavia, in Brasile tutti i produttori di veicoli (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroen e altri) producono veicoli “flex-fuel” che possono funzionare con etanolo al 100% o qualsiasi miscela di etanolo e benzina. Queste vetture a combustibile flessibile rappresentano il 90% delle vendite di veicoli personali in Brasile, nel 2009. BP e Dupont, impegnati in una joint venture per produrre e promuovere il butanolo, sostengono che “il biobutanolo può essere miscelato fino al 10% v / v in Benzina europea e 11,5% v / v nella benzina degli Stati Uniti “.

Nel 2005, David Ramey ha guidato da Blacklick, Ohio a San Diego, in California, utilizzando il 100% di butanolo in una Buick Park Avenue del 1992 non modificata.

Nella gara di Petit Le Mans del 2009, la Nola 16 Lola B09 / 86 – Mazda MZR-R della Dyson Racing ha funzionato con una miscela di biobutanolo ed etanolo sviluppata dal partner della squadra BP.

Vantaggi e svantaggi
A differenza del bioetanolo, è un agrocombustibile non corrosivo e sembra che non arrugginisca quindi le condutture attualmente esistenti (gasdotti) del gas naturale di idrocarburi analcolici.

Tuttavia, non possono essere utilizzati con questo prodotto, poiché, poiché è fluido, disabilita completamente l’intera rete di condotte di uno o due continenti e non c’è abbastanza superficie sulla Terra per far crescere gli ortaggi necessari per fornire lo stesso primario energia che oggi dà gas naturale. È anche necessario pensare che si tratti di grandi lavori ingegneristici calcolati per anni per un determinato prodotto e di un certo flusso idraulico di esso per ogni sezione, e che non sono validi per quest’altra sostanza. Non ha senso portarlo (con soldi , emissioni inquinanti ed energia che suppone) in primo luogo agli attuali inizi di questi oleodotti, dove ci sono i giacimenti di gas naturale, per poi ritrasportarli per la distribuzione. Dobbiamo tenere presente che, senza fare ciò, il suo bilancio energetico è negativo, produce meno energia del necessario (principalmente dai combustibili fossili e dalle centrali nucleari nei Paesi catalani) per produrlo. Anche se apparentemente non è ruggine, potrebbe essere usato direttamente nelle auto di benzina o diesel senza la necessità di modificare i loro motori a causa del loro potere calorifico inferiore e delle proprietà molto diverse di etanolo a questi idrocarburi.