Войти
Бутанол, углеводород C-4, является перспективным топливом на биологической основе, которое имеет много общих свойств с бензином. Бутанол может использоваться в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания. Он больше похож на бензин, чем на этанол. С4-углеводород, бутанол, является заменяемым топливом и, таким образом, без модификаций работает в транспортных средствах, предназначенных для использования с бензином. Его можно производить из биомассы (как «биобутанол»), а также из ископаемого топлива (как «петробутанол»). И биобутанол, и петробутанол обладают одинаковыми химическими свойствами. Бутанол из биомассы называется биобутанолом.
Несмотря на то, что бутанольное топливо во многих отношениях интригует, оно редко бывает экономически конкурентоспособным.
Этот метод производства предлагает способ производства жидкого топлива из устойчивых источников.
Ферментация, однако остается неэффективным. Урожайность низкая, а разделение очень дорого. Получение более высоких выходов бутанола включает манипулирование метаболическими сетями с использованием метаболической инженерии и генной инженерии.
Escherichia coli, или E. coli, является Грамотрицательные, стержневидные бактерии. E. coli - это микроорганизм, который, скорее всего, перейдет на коммерческое производство изобутанола. В модифицированной форме E. coli производит самый высокий выход изобутанола среди всех микроорганизмов. Такие методы, как анализ в элементарном режиме, были использованы для улучшения метаболической эффективности E. coli, чтобы можно было продуцировать большие количества изобутанола. E. coli является идеальным биосинтезатором изобутанола по нескольким причинам:
Основным недостатком E. coli является то, что она чувствительна к бактериофагам при выращивании. Эта восприимчивость потенциально может остановить целые биореакторы. Кроме того, нативный путь реакции с изобутанолом в E. coli оптимально функционирует при ограниченной концентрации изобутанола в клетке. Чтобы свести к минимуму чувствительность E.coli в высоких концентрациях, мутанты ферментов, участвующих в синтезе, могут быть получены случайным мутагенезом. Случайно некоторые мутанты могут оказаться более толерантными к изобутанолу, что повысит общий выход синтеза.
Бутанол можно получить путем ферментации биомассы. от ABE обработать с использованием Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii. C. acetobutylicum когда-то использовали для производства ацетона из крахмала. Бутанол был побочным продуктом ферментации (производилось вдвое больше бутанола). Сырье для биобутанола такое же, как и для этанола: энергетические культуры, такие как сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза зерно., пшеница и маниока, а также перспективные непищевые энергетические культуры, такие как просо и даже гваюле в Северной Америке. например, жмых, солома и кукуруза стебли. Согласно DuPont, существующие заводы по производству биоэтанола можно с минимальными затратами переоборудовать для производства биобутанола. Кроме того, производство бутанола из биомассы и побочных продуктов сельского хозяйства может быть более эффективным (т. Е. Единичная движущая мощность двигателя, выделяемая на единицу потребляемой солнечной энергии), чем производство этанола или метанола.
Штамм Clostridium может превращать почти любую форму целлюлозы в бутанол даже в присутствии кислорода.
Штамм Clostridium cellulolyticum, природного микроба, разлагающего целлюлозу, дает изобутанол непосредственно из целлюлозы.
Комбинация сукцината и этанола может быть ферментирована для получения бутирата (предшественника бутанольного топлива) с использованием имеющихся метаболических путей в 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 активируется, а затем восстанавливается в двухстадийной реакции с образованием 4-гидроксибутирата, который затем метаболизируется до кротонил-кофермента A (CoA). Кротонил-КоА затем превращается в бутират. Гены, соответствующие этим путям продуцирования бутанола из Clostridium, были клонированы в E. coli.
Цианобактерии представляют собой тип фотосинтетических бактерий. Цианобактерии подходят для биосинтеза изобутанола, если они генетически модифицированы для производства изобутанола и соответствующих ему альдегидов. Виды цианобактерий, производящие изобутанол, обладают рядом преимуществ в качестве синтезаторов биотоплива:
Основными недостатками цианобактерий являются:
Сине-зеленые водоросли могут быть переработаны для увеличения производства бутанола, что свидетельствует о важности движущих сил АТФ и кофакторов как принципа проектирования путей. Многие организмы обладают способностью производить бутанол с использованием ацетил-КоА зависимого пути. Основная проблема этого пути - первая реакция, включающая конденсацию двух молекул ацетил-КоА до ацетоацетил-КоА. Эта реакция термодинамически невыгодна из-за связанной с ней положительной свободной энергии Гиббса (dG = 6,8 ккал / моль).
Bacillus subtilis - грамположительные палочковидные бактерии. Bacillus subtilis обладает многими из тех же преимуществ и недостатков, что и E. coli, но он менее широко используется и не производит изобутанол в таких больших количествах, как E. coli. Подобно E. coli, Bacillus subtilis способен продуцировать изобутанол из лигноцеллюлозы, и с ним легко манипулировать обычными генетическими методами. Элементарный режим анализа также использовался для улучшения метаболического пути синтеза изобутанола , используемого Bacillus subtilis, что привело к более высокому выходу производимого изобутанола.
Saccharomyces cerevisiae, или S. cerevisiae, является разновидностью дрожжей. S. cerevisiae естественным образом производит изобутанол в небольших количествах через свой путь биосинтеза валина. S. cerevisiae - идеальный кандидат для производства изобутанольного биотоплива по нескольким причинам:
Избыточная экспрессия ферментов в пути биосинтеза валина S. cerevisiae имеет был использован для повышения выхода изобутанола. Однако оказалось, что с S. cerevisiae трудно работать из-за присущей ей биологии:
Ralstonia eutropha является грамм-отрицательной почвой бактерия класса бетапротеобактерий. Ralstonia eutropha способна преобразовывать электрическую энергию в изобутанол. Это преобразование выполняется в несколько этапов:
Высокая стоимость сырья рассматривается как одно из основных препятствий для промышленное производство бутанолов. Использование недорогого и обильного сырья, например кукурузной соломы, может повысить экономическую жизнеспособность процесса.
Метаболическая инженерия может использоваться, чтобы позволить организму использовать более дешевый субстрат, такой как глицерин вместо глюкозы. Поскольку для процессов ферментации требуется глюкоза, полученная из пищевых продуктов, производство бутанола может негативно повлиять на снабжение пищевыми продуктами (см. Обсуждение пищи против топлива ). Глицерин - хороший альтернативный источник для производства бутанола. Хотя источники глюкозы ценны и ограничены, глицерин имеется в большом количестве и имеет низкую рыночную цену, поскольку он является побочным продуктом производства биодизеля. Производство бутанола из глицерина экономически целесообразно с использованием метаболических путей, которые существуют в бактерии Clostridium pasteurianum.
Процесс, называемый разделением точки помутнения, может позволить извлечь бутанол с высокая эффективность.
DuPont и BP планируют сделать биобутанол первым продуктом своих совместных усилий по разработке, производству и продаже биотоплива следующего поколения. В Европе швейцарская компания Butalco разрабатывает генетически модифицированные дрожжи для производства биобутанола из целлюлозных материалов. Компания Gourmet Butanol, базирующаяся в США, разрабатывает процесс, использующий грибки для преобразования органических отходов в биобутанол. Celtic Renewables производит биобутанол из отходов, образующихся при производстве виски, и низкосортный картофель.
Изобутанол - биотопливо второго поколения с несколькими качествами, которые решают проблемы, связанные с этанолом.
Свойства изобутанола делают его привлекательным биотопливом:
Но анол лучше переносит загрязнение водой и менее агрессивен, чем этанол, и более подходит для распределения по существующим трубопроводам для бензина. В смесях с дизельным топливом или бензином вероятность отделения бутанола от этого топлива меньше, чем этанола, если топливо загрязнено водой. Существует также синергия совместной смеси с давлением паров с бутанолом и бензином, содержащим этанол, что облегчает смешивание этанола. Это облегчает хранение и распределение топливных смесей.
| Топливо | Энергия. плотность | Соотношение воздух-топливо. | Удельная. энергия | Теплота. испарения | RON | MON | AKI |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Бензин и биогазолин | 32 МДж / л | 14,7 | 2,9 МДж / кг воздуха | 0,36 МДж / кг | 91–99 | 81–89 | 87-95 |
| Бутаноловое топливо | 29,2 МДж / л | 11,1 | 3,6 МДж / кг воздуха | 0,43 МДж / кг | 96 | 78 | 87 |
| Безводный Этанол-топливо | 19,6 МДж / л | 9,0 | 3,0 МДж / кг воздуха | 0,92 МДж / кг | 107 | 89 | |
| Топливный метанол | 16 МДж / л | 6,4 | 3,1 МДж / кг воздуха | 1,2 МДж / кг | 106 | 92 |
Октановое число н-бутанола такое же, как у бензина, но ниже, чем у этанола и метанола. н-Бутанол имеет RON (октановое число по исследованиям ) 96 и MON (Моторное октановое число ) 78 (с результирующим октановым числом насоса "(R + M) / 2 "87, как используется в Северной Америке), в то время как трет-бутанол имеет октановое число 105 RON и 89 MON. трет-бутанол используется в качестве присадки к бензину, но не может использоваться в качестве топлива в чистом виде. форма, потому что его относительно высокая температура плавления 25,5 ° C (79 ° F) заставляет его загустеть и затвердеть при температуре около комнатной. С другой стороны, изобутанол имеет более низкую температуру плавления, чем н-бутанол, и благоприятное RON 113 и MON 94, и, таким образом, он намного лучше подходит для смесей бензина с высоким содержанием фракций, смесей с н-бутанолом или в качестве автономного топлива.
Топливо с более высоким октановым числом менее склонно к детонации (чрезвычайно быстрое и самовозгорание при сжатии), и система управления любого современного автомобильного двигателя может использовать это преимущество этого путем регулировки угла опережения зажигания. Это повысит энергоэффективность, что приведет к большей экономии топлива, чем показывают сравнения энергоемкости различных видов топлива. Увеличивая степень сжатия, можно добиться дальнейшего увеличения экономии топлива, мощности и крутящего момента. И наоборот, топливо с более низким октановым числом более склонно к детонации и снижает эффективность. Стук также может вызвать повреждение двигателя. Двигатели, предназначенные для работы с октановым числом 87, не будут иметь дополнительной экономии мощности / топлива от работы на более высоком октановом топливе.
Спиртовое топливо, в том числе бутанол и этанол, частично окисляется, и поэтому необходимо использовать более богатые смеси, 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 при работе двигателя на чистом этаноле или смеси бензина с высоким содержанием этанола, двигатель будет работать на обедненной смеси, что может серьезно повредить компоненты. По сравнению с этанолом, бутанол можно смешивать с бензином в более высоких пропорциях для использования в существующих автомобилях без необходимости модернизации, поскольку соотношение воздух-топливо и содержание энергии ближе к бензину.
Спиртовое топливо имеет меньше энергии на единицу веса и единицу объема, чем на бензин. Чтобы можно было сравнить чистую энергию, выделяемую за цикл, иногда используется показатель, называемый удельной энергией топлива. Он определяется как энергия, выделяемая на соотношение воздух-топливо. Чистая энергия, выделяемая за цикл, выше для бутанола, чем для этанола или метанола, и примерно на 10% выше, чем для бензина.
| Вещество | Кинематическая. вязкость. при 20 ° C |
|---|---|
| Бутанол | 3,64 сСт |
| Дизель | >3 сСт |
| Этанол | 1,52 сСт |
| Вода | 1,0 сСт |
| Метанол | 0,64 сСт |
| Бензин | 0,4–0,8 сСт |
Вязкость спиртов увеличивается с увеличением длины углеродных цепей. 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 вязкость, как у высококачественного дизельного топлива.
Топливо в двигателе должно испаряться, прежде чем оно сгорит. Недостаточное испарение - известная проблема спиртовых топлив во время холодных запусков в холодную погоду. Поскольку теплота испарения бутанола составляет менее половины теплоты испарения этанола, двигатель, работающий на бутаноле, должен быть легче запускается в холодную погоду, чем двигатель, работающий на этаноле или метаноле.
Стандарты смешивания этанола и метанола в бензине существуют во многих странах, включая ЕС, США и Бразилию. Приблизительные эквивалентные смеси бутанолов могут быть рассчитаны из соотношений между стехиометрическим отношением топлива к воздуху бутанола, этанола и бензина. Обычные топливные смеси этанола для топлива, продаваемого в виде бензина, в настоящее время составляют от 5% до 10%. Подсчитано, что можно сэкономить около 9,5 гигалитра (Гл) бензина и примерно 64,6 г смеси бутанол-бензин 16% (Bu16) потенциально можно произвести из остатков кукурузы в США, что эквивалентно 11,8% от общего объема бензина в стране.
Принятие потребителями может быть ограничено из-за потенциально неприятного бананового -подобного запаха н-бутанола. Планируется выпустить на рынок топливо, состоящее на 85% из этанола и 15% бутанола (E85B), чтобы существующие двигатели внутреннего сгорания E85 могли работать на 100% возобновляемом топливе, которое можно было бы производить без использования каких-либо ископаемых видов топлива. Поскольку его более длинная углеводородная цепь делает его довольно неполярным полярным, он больше похож на бензин, чем на этанол. Было продемонстрировано, что бутанол работает в транспортных средствах, предназначенных для использования с бензином без модификации.
В настоящее время не известно ни одно серийное транспортное средство, одобренное производителем для использования со 100% бутанолом. По состоянию на начало 2009 года в США только несколько автомобилей были одобрены для использования даже на топливе E85 (т.е. 85% этанола + 15% бензина). Однако в Бразилии все производители автомобилей (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroen и другие) производят автомобили с «гибким топливом», которые могут работать на 100% бензине или любой смеси этанола и бензина до 85% этанола (E85). Эти автомобили с гибким топливом составляют 90% продаж личных автомобилей в Бразилии в 2009 году. BP и Dupont, участвующие в совместном предприятии по производству и продвижению бутанольного топлива, заявляют, что «биобутанол можно смешивать до 10% об. Европейский бензин и 11,5 об.% Бензина в США ». В гонке 2009 Petit Le Mans участвовала №16 Lola B09 / 86 - Mazda MZR-R из Dyson Racing. смесь биобутанола и этанола, разработанная технологическим партнером команды BP.
Портал энергетики 
Портал возобновляемой энергии 