ブタノール燃料

ブタノールは、内燃機関の燃料として使用することができる。 その長い炭化水素鎖はそれをかなり無極性にするので、ガソリンに比べてエタノールに似ています。 ブタノールはガソリンと一緒に使用するために設計されたビークルで動作することが実証されています。 それは4リンク炭化水素鎖を有する。 バイオマス(「バイオブタノール」として)および化石燃料(「石油ブタノール」として)から製造することができるが、バイオブタノールおよび石油ブタノールは同じ化学特性を有する。

バイオブタノールの製造
バイオマス由来のブタノールは、バイオブタノールと呼ばれる。 これは、改造されていないガソリンエンジンにも使用できます。

テクノロジー
バイオブタノールは、ABEプロセスによるバイオマスの発酵によって製造することができる。 このプロセスでは、バクテリアClostridium acetobutylicum(Weizmann生物、またはClostridium beijerinckiiとしても知られています)を使用します。 1916年にアセトンをアセトンの製造に使用したChaim Weizmann(アセトンの主な使用はコダイトの製造)は1916年でした。ブタノールはこの発酵の副産物でした(2倍のブタノールが製造されました) )。 このプロセスはまた、回収可能な量のH2および他の多くの副産物、すなわち酢酸、乳酸およびプロピオン酸、イソプロパノールおよびエタノールを生成する。

Biobutanolは、Ralstonia eutropha H16を使用して作製することもできます。 このプロセスは、電気バイオリアクターの使用および二酸化炭素および電気の投入を必要とする。

エタノール生産との違いは、主に原料の発酵および蒸留におけるわずかな変化である。 供給原料はエタノールと同じである:サトウキビ、サトウキビ、トウモロコシ穀粒、小麦およびキャッサバなどのエネルギー作物、北米のスイッチグラスおよびグアユールなどの将来の非食品エネルギー作物、ならびにバガスなどの農産物副産物、わらとトウモロコシの茎。 デュポンによると、既存のバイオエタノール工場は、バイオブタノール生産に費用効果の高い方法で改装することができます。

さらに、バイオマスおよび農産物副生成物からのブタノール生成は、エタノールまたはメタノール製造よりも効率的であり得る(すなわち、単位太陽エネルギー消費量当たりの単位エンジン原動力)。

藻類ブタノール
Biobutanolは、藻類(Solalgal Fuel)または珪藻類から、太陽エネルギーと栄養素で完全に作ることができます。 現在の収量は低いです。

研究
バイオ燃料の需要は毎年10億リットル(約2億6,000万USガロン)に増加していますが、発酵はブタノール生産の大部分が非効率的な方法です。 正常な生活環境下では、クロストリジウム細菌群はブドウ糖1グラム当たりのブタノール収率が低い。 より高い収率のブタノールを得るには、細菌内の代謝ネットワークを操作して、バイオ燃料の合成を優先させることが必要である。 メタボリックエンジニアリングおよび遺伝子工学ツールは、高度な技術を利用して、ブタノール収量が高い細菌株を作製することにより、生物体で起こっている反応の状態を変えることを科学者に可能にする。 最適化は、特定の遺伝情報を他の単一細胞種に移し、最高のアルコール生産速度を達成するために複数の生物の形質を利用して達成することもできる。

代替炭素源の使用
バイオブタノール製造技術の有望な開発が2011年の夏の終わりに発見された.Tulane大学の代替燃料研究者は、ほぼあらゆる形態のセルロースをブタノールに変換することができる「TU-103」と呼ばれるクロストリジウムの菌株を発見した。 Clostridium属細菌の既知の菌株であり、これは酸素の存在下で行うことができる。 大学の研究者らは、「TU-103」クロストリジウム菌株の供給源は、ニューオーリンズのオーデュボン動物園の平原ゼブラの固形廃棄物の可能性が最も高いと述べている。

代謝工学は、生物がグルコースの代わりにグリセロールなどのより安価な基質を使用できるようにするために使用することができます。 発酵プロセスは食品由来のグルコースを必要とするため、ブタノール生産は食糧供給に悪影響を与える可能性があります(食糧対燃料論争参照)。 グリセロールはブタノール生産の良い代替源です。 グルコース源は価値があり限定されているが、グリセロールは豊富であり、バイオディーゼル生産の廃棄物であるため市場価格は低い。 グリセロールからのブタノール生成は、Clostridium pasteurianum細菌に存在する代謝経路を用いて経済的に実行可能である。

グラム陽性嫌気性細菌Clostridium kluyveriに存在する代謝経路を利用することによって、琥珀酸塩とエタノールの組み合わせを発酵させて酪酸塩(ブタノール燃料の前駆体)を生成することができる。 コハク酸塩は、グルコースを代謝するTCAサイクルの中間体である。 Clostridium acetobutylicumおよびClostridium saccharobutylicumのような嫌気性細菌もまた、これらの経路を含む。 コハク酸塩は最初に活性化され、次いで2段階反応によって還元されて4-ヒドロキシ酪酸塩を与え、次いでこれはさらにクロトニル – 補酵素A(CoA)に代謝される。 Crotonyl-CoAは、酪酸塩に変換されます。 クロストリジウム由来のこれらのブタノール生成経路に対応する遺伝子を大腸菌にクローニングした。

2012年に研究者は高級アルコール(ブタノールを含む)に電気エネルギーを化学エネルギーとして蓄える方法を開発しました。 これらのアルコールは、液体輸送燃料として使用することができる。ジェームズ・C・リーヤ(James C. Liao)が率いるチームは、電気バイオリアクター内でイソブタノールと3-メチル-1-ブタノールを生産するために、Ralstonia Eutropha H16として知られている遺伝子組み換え微生物栄養微生物を導いた。 二酸化炭素はこのプロセスのための唯一の炭素源であり、電力はエネルギー成分として使用される。 彼らが開発したプロセスは、光合成の間に起こる明白な反応を効果的に分離します。 太陽光パネルは、太陽光を電気エネルギーに変換するために使用され、その後、微生物を用いて化学中間体に変換される。 チームは現在、手術を拡大する過程にあり、このプロセスは生物学的プロセスよりも効率的であると考えている。

効率の向上
2012年後半には、新たな発見により代替燃料ブタノールがバイオ燃料業界にとってより魅力的となった。 科学者Hao Fengは、ブタノールの製造に関わるエネルギーのコストを大幅に削減できる方法を見つけました。 彼のチームは、発酵プロセス中にブタノール分子を単離することができたので、生物を殺さず、100%以上のブタノールを産生しました。 発酵プロセスの後、彼らは4倍少ないエネルギーを使用したブタノールを回収するために曇り点分離と呼ばれるプロセスを使用した。

また、韓国の先端科学技術院(KAIST)の韓国の研究チームは、システムの代謝工学を用いて2012年後半に、改変バクテリアを生成することによってブタノール生産を増加させる最適化プロセスを実証することに成功した。 韓国の大手石油精製会社であるGSカルテックスのDo Young Seung博士と、韓国のスタートアップブタノール会社であるBioFuelChemのDr. Yu-Sin Jangが、最もよく知られているブタノール生成細菌の1つであるクロストリジウム・アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)の性能を高めることによってブタノール生成を改善するシステム代謝工学的手法である。 さらに、下流のプロセスを最適化し、より高いブタノール力価、収率、および生産性を達成するために現場回収プロセスを統合した。 代謝工学とバイオプロセスの最適化の組み合わせにより、1.8kgのブドウ糖から585g以上のブタノールを製造できるプロセスが開発され、この重要な工業用溶媒の生産と高度なバイオ燃料のコスト競争力が得られました。

嫌気性菌C.pasteurianum、C.アセトブチリカム、および他のクロストリジウム種は、発酵によってグリセロールをブタノールに変換する代謝経路を有する。 しかしながら、C.Pasteurianumにおける発酵によるグリセロールからのブタノールの生産は低い。 これに対抗するために、一群の研究者が化学的突然変異誘発を使用して、高濃度のブタノール生成株を作製した。 この研究で最も優れた突然変異株「MBEL_GLY2」は、細菌に供給された80gのグリセロール当たり10.8gのブタノールを産生した。 この改善は、天然細菌によって産生された7.6gのブタノールと比較される。

多くの生物は、アセチル-CoA依存性経路を利用してブタノールを生産する能力を有する。 この経路の主な問題は、アセトアセチル-CoAへの2つのアセチル-CoA分子の縮合を含む最初の反応である。この反応は、それに付随する正のギブス自由エネルギー(dG = 6.8kcal / mol)のために熱力学的に好ましくない。 光合成生物を通る二酸化炭素の流れを利用して、生物体を通って炭素貯蔵を増加させることを含むいくつかの実験が行われている。 この研究の道筋に従うために、科学者は、光合成生物(青緑藻類)がブタノールをより効率的に産生することを可能にする反応経路を設計しようと試みてきた。

Ethan I. LanとJames C. Liaoが行った研究は、アセトアセチル-CoAへの熱力学的に好ましくないアセチル-CoA縮合を回避するために青緑藻の光合成の間に生成されたATPを利用しようと試みた。 ネイティブシステムは、アセチル-CoAがATPおよびCO 2と反応して、中間のマロニル-CoAを形成するように再設計された。 次いで、マロニル-CoAは、別のアセチル-CoAと反応して、所望のアセトアセチル-CoAを形成する。 ATP加水分解(dG = -7.3kcal / mol)からのエネルギー放出は、この経路を標準凝縮よりも有意に有利にする。 青緑藻は光合成中にNADPHを生成するため、補因子環境はNADPHに富んでいると推定できます。 したがって、天然の反応経路は、標準的なNADHではなくNADPHを使用するようにさらに設計された。 これらの調整のすべてが、ブタノール生成の4倍の増加をもたらし、経路工学における設計原則としてATPおよび補因子駆動力の重要性を示した。

プロデューサー
デュポンとBPは、次世代バイオ燃料の開発、生産、販売の共同開発の最初の製品であるバイオブタノールの製造を計画しています。 ヨーロッパでは、スイスのButalco社は、セルロース系材料からバイオブタノールを製造するための遺伝子組換え酵母を開発しています。 米国に本拠を置くグルメブタノールは、菌類を利用して有機廃棄物をバイオブタノールに変換するプロセスを開発しています。

分布
ブタノールは水の汚染に優れており、エタノールよりも腐食性が低く、ガソリン用の既存のパイプラインを通じた分配に適しています。 ディーゼルまたはガソリンとのブレンドでは、燃料が水で汚染されていると、ブタノールはエタノールよりもこの燃料から分離しにくい。 また、ブタノールとエタノールを含むガソリンとの蒸気圧の同時混合相乗作用もあり、これはエタノール混合を容易にする。 これにより、混合燃料の貯蔵および分配が容易になる。

共通燃料の特性

燃料 エネルギー
密度
空気燃料
比率
特定
エネルギー

気化
RON MON AKI
ガソリンおよびバイオガソリン 32MJ / L 14.7 2.9MJ / kg空気 0.36MJ / kg 91-99 81-89 87-95
ブタノール燃料 29.2MJ / L 11.1 36.6MJ / kg空気 0.43MJ / kg 96 78 87
無水エタノール燃料 19.6MJ / L 9.0 3.0MJ / kg空気 0.92MJ / kg 107 89
メタノール燃料 16MJ / L 6.4 3.1MJ / kg空気 1.2MJ / kg 106 92

エネルギー含有量と燃費への影響
ガソリンエンジンをブタノールに切り替えることは、理論的に約10%の燃料消費ペナルティをもたらすが、ブタノールの走行距離に対する効果は、まだ科学的研究によって決定されていない。 ガソリンとブタノールとの混合物のエネルギー密度を計算することができるが、他のアルコール燃料を用いた試験は、燃費への影響がエネルギー密度の変化に比例しないことを実証している。

オクタン価
n-ブタノールのオクタン価は、ガソリンのオクタン価と類似しているが、エタノールおよびメタノールのオクタン価よりも低い。 n-ブタノールは、RON(Research Octane number)が96、MON(モーターオクタン価)が78(結果的に “(R + M)/ 2ポンプオクタン価が87″ブタノールのオクタン価は105 RONと89 MONです。 t-ブタノールはガソリンの添加剤として使用されますが、比較的高い融点(25.5°C(79°F))により室温付近でゲル化して凝固するため、純粋な形で燃料として使用することはできません。 他方、イソブタノールは、n-ブタノールおよび113のRONおよび94のMONの好ましい融点よりも低い融点を有するので、高分率のガソリンブレンド、n-ブタノールとのブレンド、または独立型燃料としてはるかに適している。

より高いオクタン価の燃料は、ノッキング(圧縮による極めて急速かつ自発的な燃焼)の傾向が少なく、現代の自動車エンジンの制御システムは、点火時期を調整することによってこれを利用することができる。 これはエネルギー効率を改善し、異なる燃料が示すエネルギー含有量の比較よりも良好な燃料経済につながる。 圧縮比を増加させることにより、燃費、動力及びトルクの更なる向上を達成することができる。 逆にオクタン価の低い燃料はノッキングを起こしやすく、効率が低下します。 ノッキングはエンジンの損傷の原因にもなります。 87オクタンで運転するように設計されたエンジンは、より高いオクタン価の燃料で運転されることによる追加の動力/燃費を有しない。

空燃比
ブタノールおよびエタノールを含むアルコール燃料は部分的に酸化されており、したがってガソリンよりも豊富な混合物で運転する必要がある。 自動車の標準ガソリンエンジンは、燃料の変動に適応するように空燃比を調整することができますが、モデルによっては一定の限度内に限ります。 純粋なエタノールまたは高いパーセンテージのエタノールを含むガソリンの混合物でエンジンを運転することによって限界を超えると、エンジンはリーン状態になり、コンポーネントに重大な損傷を与える可能性があります。 エタノールと比較して、ブタノールは、空燃比およびエネルギー含有量がガソリンに近いため、改造の必要なしに、既存の自動車で使用するためにガソリンと高い比率で混合することができます。

比エネルギー
アルコール燃料は、ガソリンよりも単位重量および単位体積当たりのエネルギーが少ない。 サイクルごとに放出される正味エネルギーを比較することを可能にするために、燃料比エネルギーと呼ばれる尺度が時には使用される。 これは、空燃比当たりに放出されるエネルギーとして定義される。1サイクル当たり放出される正味エネルギーは、エタノールまたはメタノールよりもブタノールの方が高く、ガソリンよりも約10%高い。

粘度
アルコールの粘度は、より長い炭素鎖で増加する。 この理由から、より粘稠な溶媒が望まれる場合には、より短いアルコールの代替物としてブタノールが使用される。 ブタノールの動粘度は、ガソリンの動粘度の数倍であり、高品質のディーゼル燃料ほど粘稠である。

気化熱
エンジンの燃料は、燃焼する前に気化する必要があります。 不十分な蒸発は、寒い天候での寒い始動中のアルコール燃料に関する既知の問題である。 ブタノールの気化熱がエタノールの気化熱の半分以下であるため、ブタノールで作動するエンジンは、エタノールまたはメタノールで作動するエンジンよりも寒い時期に始める方が簡単です。

ブタノール燃料の使用に関する潜在的な問題
ブタノールの使用に関する潜在的な問題は、エタノールの問題と同様である。

ガソリンの燃焼特性を一致させるために、ガソリンの代わりにブタノール燃料を使用するには、燃料流量の増加が必要です(ブタノールはガソリンよりわずかに少ないエネルギーしか必要としないため、必要な燃料流量の増加はわずか10% 〜40%)。
アルコールベースの燃料は、一部の燃料システムコンポーネントと互換性がありません。
アルコール燃料は、静電容量燃料レベルゲージを行う車両で誤ったガスゲージの読み取りを引き起こす可能性があります。
エタノールおよびメタノールはブタノールよりも低いエネルギー密度を有するが、より高いオクタン価はより高い圧縮比および効率を可能にする。
ブタノールは、現在の発酵技術から製造される多くの副産物の1つです。 結果として、現在の発酵技術は、純粋に抽出されたブタノールの非常に低い収率を可能にする。 エタノールと比較すると、ブタノールは燃料代替としてより燃料効率が良いが、エタノールははるかに低コストで、はるかに高い収率で製造することができる。
ブタノールは1リットル当たり20gの割合で有毒であり、EPAによって一次燃料として許可される前にTier 1およびTier 2の健康影響試験を受ける必要があるかもしれない。

可能性のあるブタノール燃料混合物
ガソリン中のエタノールとメタノールの混合基準は、EU、米国、ブラジルを含む多くの国で存在しています。 おおよその等価ブタノール混合物は、ブタノール、エタノールおよびガソリンの理論空燃比の関係から計算することができる。 ガソリンとして販売されている燃料用の一般的なエタノール燃料混合物は、現在、5%から10%の範囲である。 ブタノールのシェアは、同等のエタノールシェアより60%大きくすることができ、8%から16%の範囲を与える。 この場合、「等価」とは、車両の燃料調整能力のみを指します。 エネルギー密度、粘度および気化熱のような他の特性は変化し、ガソリンとブレンドすることができるブタノールの割合をさらに制限し得る。

消費者の受け入れは、おそらく不快なn-ブタノールのバナナ様臭いのために制限されることがある。 85%エタノールと15%ブタノール(E85B)の燃料を販売する計画が進められているため、既存のE85内燃機関は化石燃料を使用せずに100%再生可能な燃料で稼動することができます。 その長い炭化水素鎖はそれをかなり無極性にするので、ガソリンに比べてエタノールに似ています。 ブタノールはガソリンと一緒に使用するように設計された車両では機能することが実証されています。

自動車内のブタノール
現在、100%ブタノールで使用するための製造業者の認可を受けている製造車両はありません。2009年初頭には、E85燃料(すなわち、エタノール85%+ガソリン15%)を米国でも使用する車両はほんのわずかです。 しかし、ブラジルでは、すべての自動車メーカー(フィアット、フォード、VW、GM、トヨタ、ホンダ、プジョー、シトロエンなど)は、100%エタノールまたはエタノールとガソリンを混合した「フレックス燃料」を生産しています。 これらのフレックス燃料自動車は、2009年にブラジルで個人用車両の販売台数の90%を占めています。BPとデュポンは、ブタノール燃料を生産して販売するジョイントベンチャーに従事して、「バイオブタノールを最高で10%v / v欧州ガソリンと米国ガソリンでは11.5%v / v」である。

2005年、David RameyはBlacklick、Ohioからカリフォルニア州サンディエゴに、改造されていない1992年のBuick Park Avenueで100%ブタノールを使用して運転しました。

2009年のプチルマンレースでは、ダイソンレーシングのNo. 16 Lola B09 / 86 – Mazda MZR-Rが、チームテクノロジーパートナーBPによって開発されたバイオブタノールとエタノールの混合物を使いました。

長所と短所
バイオエタノールとは異なり、非腐食性アグロ燃料であり、従って、非アルコール性炭化水素天然ガスの現在のパイプライン(パイプライン)を腐食させないように思われる。

しかし、これは液体であるため、1つまたは2つの大陸のパイプネットワーク全体を完全に無効にし、同じプライマリを供給するために必要な野菜を栽培するのに十分な表面が地球上にないため、この製品では使用できません天然ガスを与える今日のエネルギー。 これらは、特定の製品のために何年もの間計算された素晴らしい工学的作業であり、各セクションのための特定の水圧フローであり、この他の物質には有効でないと考える必要があります。天然ガスの預託物があるこれらのパイプラインの現在の始まりに至るまで)、それから分配のためにそれを再輸送する。 これをせずに、エネルギーバランスが負であることを心に留めておく必要があります(カタロニア諸国の化石燃料や原子力発電所からのエネルギーを中心に)。 おそらくは錆びていないが、ガソリンまたはディーゼル車に直接使用することができ、低カロリーパワーとエタノールのこれらの炭化水素に対する特性が非常に異なるため、エンジンを改造する必要はありません。