부탄올은 내연 기관의 연료로 사용될 수 있습니다. 그것의 더 긴 탄화수소 사슬은 그것이 상당히 비극성이기 때문에, 그것은 에탄올보다 가솔린과 더 유사합니다. 부탄올은 개솔을 사용하지 않고 가솔린과 함께 사용하도록 설계된 차량에서 작동하는 것으로 입증되었습니다. 그것에는 4 개의 연결 탄화수소 사슬이있다. 화석 연료 ( “petrobutanol”)뿐만 아니라 바이오 매스 ( “biobutanol”)로 생산 될 수 있지만, biobutanol과 petrobutanol은 동일한 화학적 성질을 가지고 있습니다.
바이오 부탄올 생산
바이오 매스로부터의 부탄올은 바이오 부탄올로 불린다. 그것은 개조되지 않은 가솔린 엔진에서 사용될 수 있습니다.
기술
Biobutanol은 ABE 과정에 의해 바이오 매스의 발효에 의해 생산 될 수 있습니다. 이 과정은 박테리아 인 클로스 트리 디움 아세토 부틸 쿰 (Weizmann organism) 또는 클로스 트리 디움 베이지 린키 (Clostridium beijerinckii)라고도합니다. 1916 년에 C. acetobutylicum을 아세톤의 생산을 위해 처음 사용했던 Chaim Weizmann이었다. (아세톤의 주요 사용은 Cordite의 제조이다.) 부탄올은이 발효의 부산물이었다. ). 이 공정은 또한 회수 할 수있는 양의 H2와 여러 가지 다른 부산물, 즉 아세트산, 젖산 및 프로피온산, 이소프로판올 및 에탄올을 생성합니다.
Biobutanol은 또한 Ralstonia eutropha H16을 사용하여 만들 수 있습니다. 이 과정은 전기 생물 반응기와 이산화탄소와 전기의 투입을 필요로합니다.
에탄올 생산과의 차이는 주로 원료의 발효 및 증류의 사소한 변화입니다. 공급 원료는 에탄올의 경우와 동일합니다 : 사탕무, 사탕 수수, 옥수수 곡물, 밀 및 카사바와 같은 에너지 작물, 북미의 스위치 그래스 및 guayule과 같은 미래의 비 식량 에너지 작물, 그리고 바 가스와 같은 농산물 부산물 , 짚 및 옥수수 줄기. DuPont에 따르면, 기존의 바이오 에탄올 공장은 비용 효율적으로 바이오 부탄올 생산에 개장 될 수 있습니다.
또한 에탄올이나 메탄올 생산보다 바이오 매스 및 농산물 부산물로부터의 부탄올 생산이 더 효율적일 수있다 (즉, 소비되는 단위 태양 에너지 당 공급되는 단위 엔진 원동력).
조류 부탄올
Biobutanol은 조류 (Solalgal Fuel) 또는 규조류에서 태양 에너지와 영양분으로 완전히 만들 수 있습니다. 현재 수익률이 낮습니다.
연구
바이오 연료 수요가 연간 10 억 리터 (약 2 억 6 천만 갤런)로 증가했지만 발효는 부탄올 생산에있어 비효율적 인 방법으로 남아 있습니다. 정상적인 생활 조건에서 클로스 트리 디움 세균 공동체는 포도당 1g 당 부탄올의 수율이 낮습니다. 부탄올의 높은 수율을 얻으려면 박테리아 내의 대사 네트워크를 조작하여 바이오 연료의 합성에 우선 순위를 부여해야합니다. 대사 공학 및 유전 공학 도구를 사용하여 과학자들은 유기체에서 일어나는 반응의 상태를 변화시켜 고급 부탄올 수율이 가능한 박테리아 균주를 만드는 고급 기술을 활용할 수 있습니다. 또한 최적의 알콜 생산 속도를 달성하기 위해 여러 유기체의 특성을 이용하여 특정 세포 정보를 특정 세포 정보에 전달함으로써 최적화를 달성 할 수 있습니다.
대체 탄소원 사용
Tuane University의 대체 연료 연구 과학자들은 거의 모든 형태의 셀룰로오스를 부탄올로 전환시킬 수있는 “TU-103″이라고 불리는 Clostridium 균주를 발견했으며, 2011 년 여름에 바이오 부탄올 생산 기술의 유망한 개발이 발견되었다. Clostridium-genus 박테리아는 산소가있는 곳에서 그렇게 할 수있다.대학 연구진은 “TU-103″Clostridium 박테리아의 근원이 뉴 올리언즈의 Audubon Zoo에서 평원 얼룩말 중 하나의 고형 폐기물로부터 가장 많았다 고 주장했다.
신진 대사 공학은 포도당 대신 글리세롤과 같은 저렴한 물질을 유기체가 사용할 수있게하는 데 사용될 수 있습니다. 발효 과정에는 식품에서 추출한 포도당이 필요하기 때문에 부탄올 생산은 식품 공급에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다 (음식 대 연료 토론 참조). 글리세롤은 부탄올 생산을위한 좋은 대체 원입니다. 포도당 자원은 가치 있고 제한적이지만, 글리세롤은 풍부하고 바이오 디젤 생산의 폐기물이므로 시장 가격이 저렴합니다. 글리세롤의 부탄올 생산은 Clostridium pasteurianum 박테리아에 존재하는 대사 경로를 사용하여 경제적으로 실행 가능합니다.
숙신산과 에탄올의 조합은 그람 양성 혐기성 박테리아 Clostridium kluyveri에 존재하는 대사 경로를 이용하여 부티레이트 (부탄올 연료의 전구체)를 생산하기 위해 발효시킬 수 있습니다. 숙시 네이트는 글루코스를 대사하는 TCA 사이클의 중간 단계입니다. Clostridium acetobutylicum 및 Clostridium saccharobutylicum과 같은 혐기성 박테리아도 이러한 경로를 포함합니다. 숙시 네이트가 먼저 활성화 된 다음 2- 단계 반응으로 환원되어 4- 히드 록시 부티레이트가 생성되고,이어서 크로 토닐 – 조효소 A (CoA)로 대사된다. 크로 토닐 -CoA는 부티레이트로 전환된다. 클로스 트리 디움으로부터의 이들 부탄올 생산 경로에 상응하는 유전자를 대장균에 클로닝 하였다.
2012 년 연구자들은 부탄올을 포함한 고급 알코올에 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하는 방법을 개발했습니다. 이러한 알콜은 액체 수송 연료로 사용할 수 있습니다. 연구진은 전기 생체 반응기에서 이소 부탄올과 3- 메틸 -1- 부탄올을 생산하기 위해 Ralstonia Eutropha H16으로 알려진 유전 공학적으로 조작 된 석회 영양성 미생물 인 James C. Liao가 이끄는 팀을 이끌었다. 이 과정에서 유일한 이산화탄소는 이산화탄소이며, 에너지는 에너지로 사용됩니다. 그들이 개발 한 프로세스는 광합성 과정에서 발생하는 밝고 어두운 반응을 효과적으로 분리합니다. 태양 전지 패널은 햇빛을 전기 에너지로 변환 한 다음 미생물을 사용하여 화학 중간체로 변환하는 데 사용됩니다. 연구팀은 현재 수술 규모를 확대하고 있으며이 과정이 생물학적 과정보다 더 효율적이라고 믿고있다.
효율성 향상
2012 년 말에 새로운 발견으로 대체 연료 부탄올이 바이오 연료 산업에 더욱 매력적으로되었습니다.과학자 인 Hao Feng은 부탄올 제조와 관련된 에너지 비용을 크게 줄일 수있는 방법을 발견했습니다.그의 팀은 발효 과정 중에 부탄올 분자를 분리하여 유기체를 죽이지 않고 100 % 이상의 부탄올을 생산했습니다. 발효 과정 후, 그들은 4 배 적은 에너지를 사용하는 부탄올을 회수하기 위해 구름 점 분리 (cloud point separation)라고 불리는 과정을 사용했습니다.
한국 과학 기술원 (KAIST)의 한국 연구팀은 대사 공학을 이용한 2012 년 하반기에 인공 박테리아를 생산함으로써 부탄올 생산을 늘리는 최적의 공정을 시연하는데 성공했다. KAIST 생명 화학 공학과의 이상엽 교수, 한국의 대형 정유 회사 인 GS 칼텍스의도 영승 박사, 한국의 신생 기업인 바이오 연료 켐 (BioFuelChem)의 장유신 박사가 신청 가장 잘 알려진 부탄올 생산 박테리아 중 하나 인 Clostridium acetobutylicum의 성능을 향상시켜 부탄올의 생산을 향상시키는 시스템 대사 공학적 접근법. 또한 하류 공정을 최적화하고 부탄올 역가, 수율 및 생산성을 높이기 위해 현장 복구 공정을 통합했습니다. 대사 공학과 생물 공정 최적화의 결합으로 1.8kg의 포도당에서 585g 이상의 부탄올을 생산할 수있는 공정이 개발되어이 중요한 산업 용매 및 고급 바이오 연료의 생산이 비용 경쟁력을 갖출 수있었습니다.
혐기성 박테리아 C. pasteurianum, C. acetobutylicum 및 기타 Clostridium 종은 발효를 통해 글리세롤을 부탄올로 전환시키는 대사 경로를 가지고 있습니다. 그러나, C. Pasteurianum에서의 발효에 의한 글리세롤로부터의 부탄올 생산은 낮다. 이를 막기 위해 연구자 그룹은 화학적 돌연변이 유발을 이용하여 과도한 부탄올 생산 균주를 만들었다. 이 연구에서 가장 좋은 돌연변이 균주 “MBEL_GLY2″는 박테리아에 공급 된 글리세롤 80g 당 부탄올 10.8g을 생산했습니다. 이 향상은 토착 박테리아에 의해 생성 된 부탄올 7.6 g과 비교됩니다.
많은 생물체는 아세틸 -CoA 의존 경로를 이용하여 부탄올을 생산할 수있는 능력을 가지고있다. 이 경로의 주요 문제점은 두 개의 아세틸 -CoA 분자가 아세토 아세틸 -CoA에 응축되는 첫 번째 반응입니다. 이 반응은 양의 Gibbs 자유 에너지 (dG = 6.8 kcal / mol)로 인해 열역학적으로 바람직하지 않습니다. 광합성 생물을 통한 이산화탄소 흐름을 이용하여 유기체를 통한 탄소 저장을 증가시키는 실험이 수행되었다. 이 연구 경로를 따라 가기 위해 과학자들은 광합성 생물 (예 : 푸른 녹조류)이 부탄올을보다 효율적으로 생산할 수있는 반응 경로를 설계하려고 시도해 왔습니다.
Ethan I. Lan과 James C. Liao가 수행 한 연구는 아세토 아세틸 -CoA에 대한 열역학적으로 불리한 아세틸 -CoA 응축을 해결하기 위해 푸른 녹조류에서 광합성 과정에서 생성 된 ATP를 활용하려고 시도했다. 네이티브 시스템은 아세틸 -CoA가 ATP 및 CO2와 반응하여 중간체 말로 닐 -CoA를 형성하도록 재조직되었다. 이어서, 말로 닐 -CoA는 또 다른 아세틸 -CoA와 반응하여 원하는 아세토 아세틸 -CoA를 형성한다. ATP 가수 분해 (dG = -7.3 kcal / mol)로부터의 에너지 방출은이 경로를 표준 응축보다 상당히 유리하게 만든다. 청녹색 조류는 광합성 중에 NADPH를 생성하기 때문에 보조 인자 환경이 NADPH가 풍부한 것으로 추정 할 수 있습니다. 따라서 기본 반응 경로는 표준 NADH보다는 NADPH를 사용하도록 추가로 설계되었습니다. 이러한 모든 조정으로 부탄올 생산이 4 배 증가하여 경로 공학의 설계 원리로서 ATP와 보조 요인의 중요성이 나타났습니다.
제작자
DuPont과 BP는 차세대 바이오 연료를 개발, 생산 및 판매하기위한 공동 노력의 첫 번째 제품 인 biobutanol을 만들 계획입니다. 유럽의 Swiss Butalco는 셀룰로오스 계 물질로부터 바이오 부탄올 생산을위한 유 전적으로 변형 된 효모를 개발 중이다. 미국에 본사를 둔 Gourmet Butanol은 곰팡이를 이용하여 유기 폐기물을 바이오 부탄올로 전환시키는 공정을 개발 중이다.
분포
부탄올은 수질 오염을 잘 견디며 에탄올보다 부식성이 적으며 기존 가솔린 파이프 라인을 통해 분배하기에 더 적합합니다. 디젤이나 가솔린과의 혼합에서는 연료가 물에 오염되면 부탄올이 에탄올보다이 연료에서 분리 될 가능성이 적습니다. 또한 에탄올 혼합을 촉진하는 에탄올을 함유 한 부탄올 및 가솔린과의 증기압 동시 혼합 시너지가있다. 이것은 혼합 연료의 저장 및 분배를 용이하게합니다.
일반적인 연료의 특성
| 연료 | 에너지 밀도 |
공기 연료 비율 |
특유한 에너지 |
열 증발 |
RON | 월 | 아키 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 가솔린 및 바이오 가솔린 | 32 MJ / L | 14.7 | 2.9 MJ / kg 공기 | 0.36 MJ / kg | 91-99 | 81-89 | 87-95 |
| 부탄올 연료 | 29.2 MJ / L | 11.1 | 36.6 MJ / kg 공기 | 0.43 MJ / kg | 96 | 78 | 87 |
| 무수 에탄올 연료 | 19.6 MJ / L | 9.0 | 3.0 MJ / kg 공기 | 0.92 MJ / kg | 107 | 89 | |
| 메탄올 연료 | 16 MJ / L | 6.4 | 3.1 MJ / kg 공기 | 1.2 MJ / kg | 106 | 92 |
에너지 함량과 연비에 미치는 영향
가솔린 엔진을 부탄올로 전환하면 이론상 약 10 %의 연료 소비 벌금이 부과되지만 부탄올의 마일리지 효과는 아직 과학적 연구에 의해 결정되지 않았습니다. 가솔린과 부탄올의 혼합물에 대한 에너지 밀도를 계산할 수 있지만 다른 알코올 연료를 사용한 테스트는 연비에 미치는 영향이 에너지 밀도의 변화에 비례하지 않음을 입증했습니다.
옥탄가 등급
n- 부탄올의 옥탄가는 가솔린의 것과 유사하지만 에탄올과 메탄올의 그것보다 낮다. n- 부탄올은 RON (연구 옥탄가)이 96이고 MON (모터 옥탄가)이 78이고 (결과적으로 북미에서 사용되는 “(R + M) / 2 펌프 옥탄가”는 87 임) 부탄올은 105 RON 및 89 MON의 옥탄가를가집니다. t- 부탄올은 가솔린에서 첨가제로 사용되지만 25.5 ° C (79 ° F)라는 상대적으로 높은 융점으로 인해 실내 온도 근처에서 겔화 및 응고되기 때문에 순수한 형태로 연료로 사용할 수 없습니다. 한편, 이소 부탄올은 n- 부탄올보다 낮은 융점을 가지며 113의 RON 및 94의 유리한 RON을 가지므로 높은 분율의 가솔린 블렌드, n- 부탄올과의 블렌드 또는 독립형 연료에 훨씬 적합합니다.
옥탄가가 높은 연료는 노킹 (압축에 의한 매우 신속하고 자연스런 연소)이 적고 모든 현대 자동차 엔진의 제어 시스템은 점화 타이밍을 조정하여이를 활용할 수 있습니다. 이것은 에너지 효율성을 향상시켜 다른 연료가 나타내는 에너지 함량의 비교보다 더 나은 연비로 이어진다. 압축비를 높이면 연비, 동력 및 토크를 한층 더 높일 수 있습니다. 반대로 옥탄가가 낮은 연료는 노크가 발생하기 쉽고 효율은 떨어집니다. 노크는 또한 엔진 손상을 일으킬 수 있습니다. 87 옥탄가에서 작동하도록 설계된 엔진은 더 높은 옥탄 연료로 작동되는 데 추가적인 동력 / 연비가 없습니다.
공연비
부탄올과 에탄올을 비롯한 알코올 연료는 부분적으로 산화되기 때문에 가솔린보다 풍부한 혼합물을 사용해야합니다. 자동차의 표준 가솔린 엔진은 연료의 변화를 수용하기 위해 공연비를 조정할 수 있지만 모델에 따라 특정 한계 내에서만 가능합니다. 순수한 에탄올 또는 높은 비율의 에탄올이 포함 된 가솔린 블렌드로 엔진을 작동하여 한계를 초과하면 엔진이 마른 상태로 작동하여 부품에 치명적인 손상을 줄 수 있습니다. 에탄올과 비교하여, 부탄올은 공연비와 에너지 함량이 가솔린에 가깝기 때문에 기존 차량에 사용하기 위해 가솔린과 높은 비율로 혼합 될 수 있습니다.
비 에너지
알코올 연료는 휘발유보다 단위 중량 및 단위 체적 당 에너지가 적습니다. 주기 당 배출 된 순 에너지를 비교할 수 있도록 연료라는 특정 에너지를 측정하는 방법이 종종 사용됩니다. 그것은 공기 연료 비율 당 배출되는 에너지로 정의됩니다. 사이클 당 방출되는 순 에너지는 에탄올 또는 메탄올보다 부탄올보다 높고 가솔린보다 약 10 % 높다.
점도
알콜의 점도는 더 긴 탄소 사슬과 함께 증가합니다. 이러한 이유로,보다 점성이 높은 용매가 요구 될 때 부탄올이 짧은 알코올의 대안으로 사용됩니다. 부탄올의 동점도는 가솔린의 동점도보다 수 배 높고 고품질의 디젤 연료만큼 점성이 있습니다.
증발열
엔진의 연료는 연소되기 전에 기화되어야합니다. 추운 날씨에 냉 기동시 알코올 증발이 불충분 한 것으로 알려져 있습니다. 부탄올의 증발 열량이 에탄올의 절반보다 적기 때문에 부탄올로 작동되는 엔진은 추운 날씨에 에탄올 또는 메탄올을 사용하는 것보다 쉬워야합니다.
부탄올 연료의 잠재적 문제
부탄올 사용에 따른 잠재적 문제는 에탄올의 것과 유사합니다.
가솔린의 연소 특성을 맞추기 위해, 가솔린 대신에 부탄올 연료를 사용하려면 연료 유량이 증가해야하지만 (부탄올은 가솔린보다 에너지가 약간 적기 때문에, 필요한 연료 유량 증가는 최소한 10 % 일 것입니다 에탄올의 경우 40 %
알코올 기반 연료는 일부 연료 시스템 구성품과 호환되지 않습니다.
알코올 연료는 커패시턴스 연료 수준 측정을 사용하는 차량에서 잘못된 가스 게이지 판독 값을 유발할 수 있습니다.
에탄올과 메탄올은 부탄올보다 에너지 밀도가 낮지 만 옥탄가가 높아질수록 압축비와 효율이 높아집니다.
부탄올은 현재의 발효 기술로 생산되는 많은 부작용 중 하나입니다. 결과적으로, 현재의 발효 기술은 순수 추출 된 부탄올의 수율을 매우 낮춘다. 에탄올과 비교했을 때, 부탄올은 연료 대체 연료로서 더 효율적이지만 에탄올은 훨씬 낮은 비용과 훨씬 더 많은 수율로 생산 될 수 있습니다.
부탄올은 1 리터당 20g의 비율로 유독하며 EPA에 의해 1 차 연료로 허용되기 전에 Tier 1 및 Tier 2 건강 영향 테스트를 받아야 할 수도 있습니다.
가능한 부탄올 연료 혼합물
휘발유에서 에탄올과 메탄올의 혼합 표준은 EU, 미국 및 브라질을 포함한 많은 국가에 존재합니다. 대략적인 부탄올 혼합은 부탄올, 에탄올 및 가솔린의 화학량 론적 연료 – 공기 비율 사이의 관계로부터 계산 될 수있다. 가솔린으로 판매되는 연료의 일반적인 에탄올 연료 혼합물은 현재 5 % ~ 10 % 범위입니다. 부탄올의 비율은 8 %에서 16 %의 범위를 제공하는 등가 에탄올 점유율보다 60 % 더 클 수 있습니다. 이 경우 “Equivalent”는 차량의 연료 조정 능력을 나타냅니다. 에너지 밀도, 점도 및 증발 열과 같은 다른 특성은 다양 할 수 있으며 가솔린과 혼합 할 수있는 부탄올의 비율을 더 제한 할 수 있습니다.
잠재적으로 불쾌한 바나나 냄새의 n- 부탄올로 인해 소비자 수용이 제한 될 수 있습니다. 85 % 에탄올과 15 % 부탄올 (E85B)을 판매 할 계획이므로 기존의 E85 내연 기관은 화석 연료를 사용하지 않고도 100 % 재생 가능 연료를 사용할 수 있습니다. 그것의 더 긴 탄화수소 사슬은 그것이 상당히 비극성이기 때문에, 그것은 에탄올보다 가솔린과 더 유사합니다. 부탄올은 개솔을 사용하지 않고 가솔린과 함께 사용하도록 설계된 차량에서 작동하는 것으로 입증되었습니다.
차량용 부탄올
현재 100 % 부탄올과 함께 사용하기 위해 제조사의 승인을받은 생산 차량은 없습니다. 2009 년 초 현재 미국에서는 E85 연료 (예 : 85 % 에탄올 + 15 % 휘발유)를 사용하는 차량이 몇 대 밖에 승인되지 않았습니다. 그러나 브라질의 모든 자동차 제조업체 (피아트, 포드, 폭스 바겐, GM, 도요타, 혼다, 푸조, 시트로엥 등)는 100 % 에탄올 또는 에탄올과 가솔린의 혼합 연료를 생산할 수있는 “플렉스 연료”차량을 생산합니다. 이 플렉스 연료 자동차는 2009 년 브라질에서 개인 차량 판매의 90 %를 차지합니다. BP와 듀폰은 부탄올 연료를 생산 및 판매하기위한 합작 투자에 종사하여 “바이오 부탄올을 10 % v / v까지 혼합 할 수 있습니다 유럽 가솔린과 11.5 % v / v의 미국 휘발유.
2005 년 David Ramey는 Blacklick, Ohio에서 San Diego, California까지 100 % 부탄올을 사용하여 1992 년 Buick Park Avenue를 개조했습니다.
2009 년 프티 르망 대회에서 Dyson Racing의 No. 16 Lola B09 / 86 – Mazda MZR-R은 팀 기술 파트너 인 BP가 개발 한 바이오 부탄올과 에탄올을 혼합하여 사용했습니다.
장점과 단점
바이오 에탄올과는 달리 비 부식성 농작물이기 때문에 현재 비 알콜 성 탄화수소 천연 가스의 기존 파이프 라인 (파이프 라인)을 녹이지는 않는 것으로 보인다.
그러나 이것은 유동적이기 때문에 하나 또는 두 개의 대륙에있는 파이프의 전체 네트워크를 완전히 무력화시키고 지구상에 동일한 야채를 공급하기 위해 필요한 채소를 재배 할 수있는 표면이 충분하지 않기 때문에이 제품과 함께 사용할 수 없습니다 오늘 천연 가스를주는 에너지. 이것은 또한 특정 제품에 대해 수년 동안 계산 된 각 공정에 대한 특정 유압 흐름과이 다른 물질에 대해서는 유효하지 않은 훌륭한 엔지니어링 작업이라고 생각할 필요가 있습니다. , 배출 가스와 에너지를 오염시킨다). 현재 천연 가스 매장지가있는이 파이프 라인의 현재 시작부터 배포까지 재전송된다. 우리는 이것을하지 않고서도 에너지 균형이 부정적이라는 것을 명심해야한다. (주로 카탈로니아 국가의 화석 연료와 원자력 발전소에서) 필요한 에너지보다 적은 에너지를 생산한다. 아마도 녹슬지는 않지만 가솔린이나 디젤 자동차의 경우 직접적으로 사용할 수 있습니다. 낮은 발열량과 이러한 탄화수소에 대한 에탄올의 매우 다른 특성으로 인해 엔진을 수정할 필요가 없습니다.