Бутанол может использоваться в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания.Поскольку его более длинная углеводородная цепь приводит к тому, что она является довольно неполярной, она больше похожа на бензин, чем на этанол. Было продемонстрировано, что бутанол работает на транспортных средствах, предназначенных для использования с бензином без модификации. Он имеет четырехканальную углеводородную цепь. Он может быть получен из биомассы (как «биобутанол»), а также ископаемого топлива (как «петробутанол»), но биобутанол и петробутанол обладают теми же химическими свойствами.

Производство биобутанола
Бутанол из биомассы называется биобутанолом. Его можно использовать в немодифицированных бензиновых двигателях.

технологии
Биобутанол может быть получен путем ферментации биомассы с помощью процесса ABE. В этом процессе используется бактерия Clostridium acetobutylicum, также известная как организм Вейцмана или Clostridium beijerinckii. Именно Хаим Вейцманн впервые использовал C. acetobutylicum для производства ацетона из крахмала (с основным использованием ацетона в производстве кордита) в 1916 году. Бутанол был побочным продуктом этой ферментации (в два раза больше бутанола ). Процесс также создает восстанавливаемое количество H2 и ряд других побочных продуктов: уксусную, молочную и пропионовую кислоты, изопропанол и этанол.

Биобутанол также может быть получен с использованием Ralstonia eutropha H16. Этот процесс требует использования электро-биореактора и ввода диоксида углерода и электричества.

Отличие от производства этанола заключается прежде всего в ферментации исходного сырья и незначительных изменениях в дистилляции. Сырье такое же, как и для этанола: энергетические культуры, такие как сахарная свекла, сахарный тростник, кукурузное зерно, пшеница и маниока, перспективные непищевые энергетические культуры, такие как свинец и даже гуаюла в Северной Америке, а также сельскохозяйственные побочные продукты, такие как жопа , соломы и кукурузные стебли. По данным DuPont, существующие биоэтаноловые установки могут быть экономически эффективны в производстве биобутанола.

Кроме того, производство бутанола из биомассы и побочных продуктов сельского хозяйства может быть более эффективным (т.е. потребляемая единичная двигательная мощность на единицу потребляемой солнечной энергии), чем производство этанола или метанола.

Водоросли бутанол
Биобутанол может быть полностью изготовлен из солнечной энергии и питательных веществ, из водорослей (называемых Solalgal Fuel) или диатомовых водорослей. Текущая доходность низкая.

Исследование
Хотя спрос на биотопливо ежегодно увеличивался до более миллиарда литров (около 260 миллионов галлонов США), ферментация остается в значительной степени неэффективным методом производства бутанола. В нормальных условиях жизни, Clostridium бактериальные сообщества имеют низкий выход бутанола на грамм глюкозы. Получение более высоких выходов бутанола связано с манипулированием метаболическими сетями внутри бактерий, чтобы определить приоритетность синтеза биотоплива. Метаболическая инженерия и инструменты для генной инженерии позволяют ученым изменять состояния реакций, происходящих в организме, используя передовые технологии для создания бактериального штамма, способного к высокому выходу бутанола. Оптимизация также может быть достигнута за счет передачи конкретной генетической информации другим со-клеточным видам, использующих черты нескольких организмов для достижения наивысшего уровня производства алкоголя.

Использование альтернативных источников углерода
Одна из перспективных разработок в области технологии производства биобутанола была открыта в конце лета 2011 года — ученые-исследователи альтернативного топлива в Университете Тулане обнаружили штамм Clostridium под названием «TU-103», который может превращать практически любую форму целлюлозы в бутанол и является единственным известный штамм бактерий рода Clostridium, которые могут делать это в присутствии кислорода. Исследователи университета заявили, что источник штамма Clostridium «TU-103», скорее всего, был получен из твердых отходов из одной из равнинных зебр в зоопарке Аудубон в Новом Орлеане.

Метаболическая инженерия может использоваться, чтобы позволить организму использовать более дешевый субстрат, такой как глицерин вместо глюкозы. Поскольку для процессов ферментации требуется глюкоза, полученная из продуктов, производство бутанола может отрицательно повлиять на предложение продовольствия (см. Обсуждение продуктов питания против топлива). Глицерин является хорошим альтернативой для производства бутанола. Хотя источники глюкозы ценны и ограничены, глицерин в изобилии и имеет низкую рыночную цену, поскольку он является отходами производства биодизеля. Производство бутанола из глицерина экономически жизнеспособно с использованием метаболических путей, которые существуют в бактерие Clostridium pasteurianum.

Комбинацию сукцината и этанола можно ферментировать для получения бутирата (предшественника бутанолового топлива) с использованием метаболических путей, присутствующих в грамположительной анаэробной бактерие Clostridium kluyveri. Сукцинат является промежуточным звеном цикла TCA, который метаболизирует глюкозу. Анаэробные бактерии, такие как Clostridium acetobutylicum и Clostridium saccharobutylicum, также содержат эти пути. Сукцинат сначала активируют, а затем восстанавливают двухстадийной реакцией с получением 4-гидроксибутирата, который затем метаболизируется далее до кротонил-кофермента A (CoA). Затем Crotonyl-CoA превращают в бутират. Гены, соответствующие этим путям продуцирования бутанола из Clostridium, клонировали в E.coli.

В 2012 году исследователи разработали метод хранения электрической энергии в качестве химической энергии в высших спиртах (включая бутанол). Эти спирты могут затем использоваться в качестве жидких транспортных топлив. Команда во главе с Джеймсом К. Ляо генетически спроектировала литоавтотрофный микроорганизм, известный как Ralstonia Eutropha H16, для получения изобутанола и 3-метил-1-бутанола в электро-биореакторе.Углекислый газ является единственным источником углерода для этого процесса, а электричество используется в качестве энергетического компонента. Процесс, который они развивали, эффективно отделяет легкие и темные реакции, возникающие во время фотосинтеза. Панели солнечных батарей используются для преобразования солнечного света в электрическую энергию, которая затем преобразуется с использованием микроорганизма в химическое промежуточное звено. Команда сейчас занимается расширением масштабов операции и считает, что этот процесс будет более эффективным, чем биологический процесс.

Повышение эффективности
В конце 2012 года новое открытие сделало альтернативный топливный бутанол более привлекательным для отрасли биотоплива. Ученый Хао Фэн нашел метод, который мог бы значительно снизить стоимость энергии, участвующей в производстве бутанола. Его команда смогла выделить молекулы бутанола в процессе ферментации, чтобы они не убивали организмы и не производили 100% или более бутанола. После процесса ферментации они использовали процесс, называемый разделение точек пополам, для восстановления бутанола, который использовал в 4 раза меньше энергии.

Также в конце 2012 года, используя систему метаболической инженерии, корейская исследовательская группа в бывшем Корейском передовом научно-техническом институте (KAIST) преуспела в демонстрации оптимизированного процесса по увеличению производства бутанола путем создания сконструированной бактерии. Профессор Санг Юп Ли на кафедре химической и биомолекулярной инженерии, KAIST, доктор У Юнг Сын в GS Caltex, крупной нефтеперерабатывающей компании в Корее, и д-р Ю-Син Чанг в BioFuelChem, стартап-бутанольной компании в Корее, системный метаболический инженерный подход для улучшения производства бутанола за счет повышения производительности Clostridium acetobutylicum, одной из самых известных бутанол-продуцирующих бактерий. Кроме того, был оптимизирован процесс переработки в нижнем течении и интегрирован процесс восстановления in situ для достижения более высокого уровня титрования бутанола, выхода и производительности. Комбинация систем метаболической инженерии и оптимизации биопроцессов привела к разработке процесса, способного производить более 585 г бутанола из 1,8 кг глюкозы, что позволяет обеспечить конкурентоспособность производства этого важного промышленного растворителя и передового биотоплива.

Анаэробные бактерии C. pasteurianum, C. acetobutylicum и другие виды Clostridium имеют метаболические пути, которые превращают глицерин в бутанол путем ферментации. Однако производство бутанола из глицерина путем ферментации в C. Pasteurianum является низким.Чтобы противостоять этому, группа исследователей использовала химический мутагенез для создания штамма, продуцирующего гипербутанол. Лучший мутантный штамм в этом исследовании «MBEL_GLY2» продуцировал 10,8 г бутанола на 80 г глицерина, подаваемого в бактерии. Это улучшение сравнивается с 7,6 г бутанола, продуцируемого нативными бактериями.

Многие организмы обладают способностью продуцировать бутанол с использованием ацетил-СоА-зависимого пути. Основной проблемой этого пути является первая реакция, связанная с конденсацией двух молекул ацетил-СоА в ацетоацетил-СоА. Эта реакция термодинамически неблагоприятна из-за положительной свободной энергии Гиббса, связанной с ней (dG = 6,8 ккал / моль). Проведено некоторое экспериментирование, которое включает в себя увеличение накопления углерода через организм за счет использования потока углекислого газа через фотосинтетические организмы. Чтобы следовать этому пути исследований, ученые попытались разработать пути реакции, которые могут позволить фотосинтезирующим организмам (например, сине-зеленым водорослям) эффективнее производить бутанол.

Исследование, проведенное Итаном И. Лан и Джеймсом С. Ляо, попыталось использовать АТФ, произведенный во время фотосинтеза в сине-зеленых водорослях, для работы с термодинамически неблагоприятной конденсацией ацетил-СоА с ацетоацетил-СоА. Нативная система была реорганизована так, чтобы ацетил-СоА реагировал с АТФ и СО2 с образованием промежуточного, малонил-СоА. Затем Malonyl-CoA реагирует с другим ацетил-СоА с образованием желаемого ацетоацетил-СоА. Выделение энергии из гидролиза АТФ (dG = -7,3 ккал / моль) делает этот путь значительно более благоприятным, чем стандартная конденсация. Поскольку сине-зеленые водоросли генерируют NADPH во время фотосинтеза, можно предположить, что среда кофактора является богатой НАДФ. Поэтому нативный путь реакции был дополнительно разработан для использования NADPH, а не стандартного NADH.Все эти корректировки привели к 4-кратному увеличению производства бутанола, что свидетельствует о важности движущих сил АТФ и кофактора в качестве принципа проектирования в инженерной механике.

Производители
DuPont и BP планируют сделать биобутанол первым продуктом совместных усилий по разработке, производству и сбыту биотоплива следующего поколения. В Европе швейцарская компания Butalco разрабатывает генетически модифицированные дрожжи для производства биобутанола из целлюлозных материалов. Gourmet Butanol, американская компания, разрабатывает процесс, который использует грибы для превращения органических отходов в биобутанол.

распределение
Бутанол лучше переносит загрязнение воды и менее корродирует, чем этанол, и более подходит для распределения через существующие трубопроводы для бензина. В смеси с дизельным топливом или бензином бутанол реже выделяется из этого топлива, чем этанол, если топливо загрязнено водой. Существует также совместное сочетание давления пара с бутанолом и бензином, содержащим этанол, что облегчает смешивание этанола. Это облегчает хранение и распределение смешанного топлива.

Свойства обычных видов топлива

топливо	энергии плотность	Воздух-топливо соотношение	Конкретный энергия	Теплота парообразование	RON	ПН	AKI
Бензин и биогазолин	32 МДж / л	14,7	2,9 МДж / кг воздуха	0,36 МДж / кг	91-99	81-89	87-95
Бутановое топливо	29,2 МДж / л	11,1	36,6 МДж / кг воздуха	0,43 МДж / кг	96	78	87
Безводное топливо этанола	19,6 МДж / л	9,0	3,0 МДж / кг воздуха	0,92 МДж / кг	107	89
Метанольное топливо	16 МДж / л	6,4	3,1 MJ / кг воздуха	1,2 МДж / кг	106	92

Энергетическое содержание и влияние на экономию топлива
Переключение бензинового двигателя на бутанол теоретически приведет к снижению расхода топлива примерно на 10%, но влияние бутанола на пробег еще не определено научным исследованием. В то время как плотность энергии для любой смеси бензина и бутанола может быть рассчитана, испытания с другими спиртовыми топливами показали, что влияние на экономию топлива не пропорционально изменению плотности энергии.

Рейтинг октана
Уровень октанового числа н-бутанола аналогичен октановому бензину, но ниже, чем у этанола и метанола. n-Бутанол имеет RON (число исследований октана) 96 и MON (число октановое число) 78 (с полученным «октановым числом» (R + M) / 2 насоса октановым числом 87, используемым в Северной Америке), в то время как t -бутанол имеет октановые показатели 105 RON и 89 MON. t-Бутанол используется в качестве добавки в бензине, но не может использоваться в качестве топлива в его чистом виде, поскольку его относительно высокая температура плавления 25,5 ° C (79 ° F) заставляет его гель и затвердевать вблизи комнатной температуры. С другой стороны, изобутанол имеет более низкую температуру плавления, чем н-бутанол, и благоприятный RON 113 и MON 94, и, таким образом, он намного лучше подходит для смеси с высокой фракцией бензина, смесей с н-бутанолом или в виде отдельного топлива.

Топливо с более высоким октановым числом менее склонно к детонации (чрезвычайно быстрое и самопроизвольное сгорание путем сжатия), и система управления любого современного автомобильного двигателя может воспользоваться этим, регулируя время зажигания. Это улучшит энергоэффективность, что приведет к лучшей экономии топлива, чем сравнение энергетического содержания. Увеличивая коэффициент сжатия, можно добиться дальнейших успехов в экономии топлива, мощности и крутящего момента. И наоборот, топливо с более низким октановым числом более склонно к детонации и снижает эффективность. Сбивание может также вызвать повреждение двигателя. Двигатели, предназначенные для работы на октане 87, не будут иметь никакой дополнительной экономии мощности и топлива от работы с более высоким октановым топливом.

Соотношение воздух-топливо
Алкогольные топлива, включая бутанол и этанол, частично окисляются и, следовательно, должны работать в более богатых смесях, чем бензин. Стандартные бензиновые двигатели в автомобилях могут регулировать соотношение воздух-топливо для учета изменений в топливе, но только в определенных пределах в зависимости от модели. Если предел превышен, запустив двигатель на чистом этаноле или бензиновой смеси с высоким процентом этанола, двигатель будет бежать, что может серьезно повредить компоненты. По сравнению с этанолом бутанол можно смешивать в более высоких соотношениях с бензином для использования в существующих автомобилях без необходимости модернизации, поскольку соотношение воздух-топливо и энергетическое содержание ближе к соотношению бензина.

Удельная энергия
Алкогольные топлива имеют меньше энергии на единицу веса и единицы объема, чем бензин.Для того, чтобы сравнить чистую энергию, выделяемую за такт, иногда используется мера, называемая топливом. Он определяется как энергия, выделяемая на соотношение воздуха.Чистая энергия, выделяемая за цикл, выше для бутанола, чем этанол или метанол, и примерно на 10% выше, чем для бензина.

вязкость
Вязкость спиртов увеличивается с более длинными углеродными цепями. По этой причине бутанол используется в качестве альтернативы более коротким спиртам, когда требуется более вязкий растворитель. Кинематическая вязкость бутанола в несколько раз выше, чем у бензина и примерно такая же вязкая, как и высококачественное дизельное топливо.

Теплота испарения
Топливо в двигателе должно испаряться до того, как оно будет гореть. Недостаточное испарение является известной проблемой с алкогольным топливом во время холодных запусков в холодную погоду. Поскольку теплота испарения бутанола меньше половины этанола, двигатель, работающий на бутаноле, должен быть легче запускать в холодную погоду, чем при работе на этаноле или метаноле.

Потенциальные проблемы с использованием бутанолового топлива
Потенциальные проблемы с использованием бутанола аналогичны потенциальным проблемам, связанным с этанолом:

Чтобы соответствовать характеристикам сгорания бензина, использование бутанолового топлива в качестве заменителя бензина требует увеличения расхода топлива (хотя бутанол имеет лишь немного меньше энергии, чем бензин, поэтому требуемое увеличение расхода топлива минимально, может быть, на 10%, по сравнению до 40% для этанола.)
Топливо на основе спирта несовместимо с некоторыми компонентами топливной системы.
Алкогольное топливо может привести к ошибочным показаниям манометра в транспортных средствах с измерением уровня топлива в емкости.
Хотя этанол и метанол имеют более низкую плотность энергии, чем бутанол, их более высокое октановое число обеспечивает большую степень сжатия и эффективность.
Бутанол является одним из многих побочных продуктов, полученных из современных технологий ферментации; как следствие, современные технологии ферментации позволяют получать очень низкие урожаи чистого экстрагированного бутанола. По сравнению с этанолом, бутанол является более экономичным топливом в качестве альтернативы топливу, но этанол может быть произведен с гораздо меньшими затратами и с гораздо большими выходами.
Бутанол токсичен со скоростью 20 г на литр и, возможно, ему необходимо пройти испытания на состояние здоровья уровня 1 и уровня 2 до того, как оно будет разрешено в качестве первичного топлива EPA.

Возможные смеси бутанола
Стандарты для смешивания этанола и метанола в бензине существуют во многих странах, включая ЕС, США и Бразилию. Приблизительные эквивалентные смеси бутанола могут быть рассчитаны на основе соотношения между стехиометрическим соотношением топливо-воздух бутанола, этанола и бензина. Обычные этаноловые топливные смеси для топлива, продаваемого в качестве бензина, в настоящее время составляют от 5% до 10%. Доля бутанола может быть на 60% больше, чем эквивалентная доля этанола, что дает диапазон от 8% до 16%. «Эквивалент» в этом случае относится только к способности транспортного средства приспосабливаться к топливу. Другие свойства, такие как плотность энергии, вязкость и теплота испарения, будут варьироваться и могут дополнительно ограничить процент бутанола, который можно смешивать с бензином.

Потребительский прием может быть ограничен из-за потенциально оскорбительного бананоподобного запаха н-бутанола. Планируется начать продажу топлива, составляющего 85% этанола и 15% бутанола (E85B), поэтому существующие двигатели внутреннего сгорания E85 могут работать на 100% возобновляемом топливе, которое можно было бы производить без использования каких-либо ископаемых видов топлива. Поскольку его более длинная углеводородная цепь приводит к тому, что она является довольно неполярной, она больше похожа на бензин, чем на этанол. Было продемонстрировано, что бутанол работает на транспортных средствах, предназначенных для использования с бензином без модификации.

Бутанол в транспортных средствах
В настоящее время не известно, что производство транспортного средства одобрено изготовителем для использования со 100% бутанолом. По состоянию на начало 2009 года в США утверждается только несколько автомобилей даже для использования топлива E85 (например, 85% этанола + 15% бензина). Однако в Бразилии все производители автомобилей (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroen и др.) Производят автомобили с гибким топливом, которые могут работать на 100% этаноле или любой смеси этанола и бензина. Эти автомобили с гибким топливом представляют 90% продаж личных автомобилей в Бразилии в 2009 году. BP и Dupont, участвующие в совместном предприятии по производству и продвижению бутанолового топлива, утверждают, что «биобутанол можно смешивать до 10% об. / Об. Европейский бензин и 11,5% об. / Об. В американском бензине ».

В 2005 году Дэвид Рами отправился из Блэкклика, штат Огайо в Сан-Диего, штат Калифорния, используя 100% -ный бутанол на немодифицированной проспекте Buick Park в 1992 году.

В гонке Petit Le Mans 2009 года № 16 Lola B09 / 86 — Mazda MZR-R из Dyson Racing пробегала смесь биобутанола и этанола, разработанная партнером по технологическим технологиям BP.

Преимущества и недостатки
В отличие от биоэтанола это неагрессивное агротопливо, и, похоже, поэтому он не ржавеет в существующих трубопроводах (трубопроводах) неалкогольного углеводородного газа.

Однако они не могут использоваться с этим продуктом, поскольку, поскольку он является текучим, это полностью отключит всю сеть труб одного или двух континентов, и на Земле недостаточно поверхности для выращивания необходимых овощей для обеспечения того же первичного которая сегодня дает природный газ. Также необходимо подумать, что это великие инженерные работы, рассчитанные на годы для определенного продукта и определенный гидравлический поток для каждого раздела, и которые недействительны для этого другого вещества. Не имеет смысла носить его (с деньгами , загрязняющих выбросы и энергию, которые он допускает) сначала к текущим начинаниям этих трубопроводов, где есть месторождения природного газа, а затем ретранслировать их для распространения. Мы должны иметь в виду, что, не делая этого, его энергетический баланс отрицательный, он производит меньше энергии, чем необходимо (в основном из ископаемых видов топлива и атомных электростанций в каталонских странах) для его производства. Хотя, предположительно, не ржавеет, его можно использовать непосредственно в автомобилях с бензином или дизельным топливом без необходимости модифицировать их двигатели из-за их низкой теплотворной способности и очень разных свойств этанола к этим углеводородам.