El butanol se puede utilizar como combustible en un motor de combustión interna . Es más similar a la gasolina que al etanol . Un hidrocarburo C4, el butanol es un combustible directo y, por lo tanto, funciona en vehículos diseñados para usarse con gasolina sin modificaciones. [1] Se han estudiado tanto el n -butanol como el isobutanol como posibles combustibles. Ambos pueden producirse a partir de biomasa (como "biobutanol" [2] [3] [4] ) así como a partir de combustibles fósiles (como "petrobutanol" [5] ). Las propiedades químicas dependen del isómero ( n-butanol o isobutanol), no en el método de producción.
Aunque intrigante en muchos sentidos, el combustible de butanol rara vez es económicamente competitivo.
Bacterias genéticamente modificadas
Este método de producción ofrece una forma de producir combustibles líquidos a partir de fuentes sostenibles . [6]
Sin embargo, la fermentación sigue siendo ineficaz. Los rendimientos son bajos y la separación es muy cara. La obtención de mayores rendimientos de butanol implica la manipulación de las redes metabólicas mediante ingeniería metabólica e ingeniería genética . [7] [8]
Escherichia coli
Escherichia coli , o E. coli , es un Gram-negativas , en forma de barra bacteria . E. coli es el microorganismo con más probabilidades de pasar a la producción comercial de isobutanol. [9] En su forma de ingeniería, E. coli produce los mayores rendimientos de isobutanol de todos los microorganismos. [ cita requerida ] Se han utilizadométodos como el análisis de modo elemental para mejorar la eficiencia metabólica de E. coli de modo que se puedan producir mayores cantidades de isobutanol. [10] E. coli es un bio-sintetizador de isobutanol ideal por varias razones:
- E. coli es un organismo para el que existen varias herramientas de manipulación genética, y es un organismo para el que existe una extensa literatura científica. [9] Esta riqueza de conocimientos permite que los científicos modifiquen fácilmente la E. coli .
- E. coli tiene la capacidad de utilizar lignocelulosa (materia vegetal residual que queda de la agricultura) en la síntesis de isobutanol. El uso de lignocelulosa evita que E. coli utilice materia vegetal destinada al consumo humano y evita cualquier relación entre el precio de los alimentos y el combustible que se produciría a partir de la biosíntesis de isobutanol por E. coli . [9]
- Se ha utilizado la modificación genética para ampliar el alcance de la lignocelulosa que puede ser utilizada por E. coli . Esto ha convertido a E. coli en un bio-sintetizador de isobutanol útil y diverso. [11]
El principal inconveniente de E. coli es que es susceptible a los bacteriófagos cuando se cultiva. Esta susceptibilidad podría potencialmente apagar biorreactores enteros. [9] Además, la vía de reacción nativa del isobutanol en E. coli funciona de manera óptima a una concentración limitada de isobutanol en la célula. Para minimizar la sensibilidad de E. coli en altas concentraciones, se pueden generar mutantes de las enzimas implicadas en la síntesis mediante mutagénesis aleatoria . Por casualidad, algunos mutantes pueden resultar más tolerantes al isobutanol, lo que mejorará el rendimiento general de la síntesis. [12]
Clostridios
El n- butanol se puede producir por fermentación de biomasa mediante el proceso ABE utilizando Clostridium acetobutylicum , Clostridium beijerinckii . C. acetobutylicum se usó una vez para la producción de acetona a partir de almidón . El butanol fue un subproducto de la fermentación (se produjo el doble de butanol). Las materias primas para el biobutanol son las mismas que las del etanol: cultivos energéticos como la remolacha azucarera , la caña de azúcar , el grano de maíz , el trigo y la mandioca , posibles cultivos energéticos no alimentarios como el pasto varilla e incluso el guayule en América del Norte, así como subproductos agrícolas como como bagazo , paja y tallos de maíz . [13] Según DuPont , las plantas de bioetanol existentes se pueden adaptar de forma rentable a la producción de biobutanol. [14] Además, la producción de butanol a partir de biomasa y subproductos agrícolas podría ser más eficiente (es decir, la unidad de potencia motriz del motor entregada por unidad de energía solar consumida) que la producción de etanol o metanol . [15]
Una cepa de Clostridium puede convertir casi cualquier forma de celulosa en butanol incluso en presencia de oxígeno. [dieciséis]
Una cepa de Clostridium cellulolyticum , un microbio nativo que degrada la celulosa, produce isobutanol directamente de la celulosa. [17]
Se puede fermentar una combinación de succinato y etanol para producir butirato (un precursor del combustible de butanol) utilizando las vías metabólicas presentes en Clostridium kluyveri . El succinato es un intermedio del ciclo del TCA , que metaboliza la glucosa. Las bacterias anaerobias como Clostridium acetobutylicum y Clostridium saccharobutylicum también contienen estas vías. El succinato se activa primero y luego se reduce mediante una reacción de dos pasos para dar 4-hidroxibutirato , que luego se metaboliza más a crotonil-coenzima A (CoA). La crotonil-CoA luego se convierte en butirato. Los genes correspondientes a estas vías de producción de butanol de Clostridium se clonaron en E. coli . [18]
Cianobacterias
Las cianobacterias son un filo de bacterias fotosintéticas . [19] Las cianobacterias son adecuadas para la biosíntesis de isobutanol cuando se diseñan genéticamente para producir isobutanol y sus aldehídos correspondientes . [20] Las especies de cianobacterias productoras de isobutanol ofrecen varias ventajas como sintetizadores de biocombustibles:
- Las cianobacterias crecen más rápido que las plantas [21] y también absorben la luz solar de manera más eficiente que las plantas. [22] Esto significa que se pueden reponer a un ritmo más rápido que la materia vegetal utilizada para otros biosintetizadores de biocombustibles.
- Las cianobacterias se pueden cultivar en tierras no cultivables (tierras no utilizadas para la agricultura). [21] Esto evita la competencia entre fuentes de alimentos y fuentes de combustible . [21]
- Los suplementos necesarios para el crecimiento de las cianobacterias son CO 2 , H 2 O y luz solar. [22] Esto presenta dos ventajas:
- Debido a que el CO 2 se deriva de la atmósfera, las cianobacterias no necesitan materia vegetal para sintetizar isobutanol (en otros organismos que sintetizan isobutanol, la materia vegetal es la fuente del carbono necesario para ensamblar sintéticamente el isobutanol). [22] Dado que este método de producción de isobutanol no utiliza materia vegetal, se evita la necesidad de obtener materia vegetal de fuentes alimentarias y crear una relación entre el precio de los alimentos y el combustible. [21]
- Debido a que las cianobacterias absorben el CO 2 de la atmósfera, existe la posibilidad de una biorremediación (en forma de cianobacterias que eliminan el exceso de CO 2 de la atmósfera). [22]
Los principales inconvenientes de las cianobacterias son:
- Las cianobacterias son sensibles a las condiciones ambientales cuando se cultivan. Las cianobacterias sufren mucho de la luz solar de longitud de onda e intensidad inapropiadas , CO 2 de concentración inapropiada o H 2 O de salinidad inapropiada, aunque una gran cantidad de cianobacterias pueden crecer en aguas salobres y marinas. Estos factores son generalmente difíciles de controlar y representan un obstáculo importante en la producción de isobutanol por cianbacterias. [23]
- Los biorreactores de cianobacterias requieren mucha energía para funcionar. Los cultivos requieren una mezcla constante y la recolección de productos biosintéticos requiere mucha energía. Esto reduce la eficiencia de la producción de isobutanol a través de cianobacterias. [23]
Las cianobacterias pueden rediseñarse para aumentar su producción de butanol, lo que demuestra la importancia del ATP y las fuerzas impulsoras del cofactor como principio de diseño en la ingeniería de vías. Muchos organismos tienen la capacidad de producir butanol utilizando una vía dependiente de acetil-CoA . El principal problema de esta vía es la primera reacción que implica la condensación de dos moléculas de acetil-CoA a acetoacetil-CoA . Esta reacción es termodinámicamente desfavorable debido a la energía libre de Gibbs positiva asociada a ella (dG = 6,8 kcal / mol). [24] [25]
Bacillus subtilis
Bacillus subtilis es una bacteria grampositiva en forma de bastoncillo. Bacillus subtilis ofrece muchas de las mismas ventajas y desventajas de E. coli , pero se usa menos prominentemente y no produce isobutanol en cantidades tan grandes como E. coli . [9] Al igual que E. coli , Bacillus subtilis es capaz de producir isobutanol a partir de lignocelulosa y se manipula fácilmente mediante técnicas genéticas comunes. [9] El análisis de modo elemental también se ha utilizado para mejorar la vía metabólica de síntesis de isobutanolutilizada por Bacillus subtilis , lo que lleva a la producción de mayores rendimientos de isobutanol. [26]
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae , o S. cerevisiae , es una especie de levadura . S. cerevisiae produce naturalmente isobutanol en pequeñas cantidades a través de suvía biosintética de valina . [27] S. cerevisiae es un candidato ideal para la producción de biocombustible de isobutanol por varias razones:
- S. cerevisiae se puede cultivar a niveles de pH bajos , lo que ayuda a prevenir la contaminación durante el crecimiento en biorreactores industriales. [9]
- S. cerevisiae no puede verse afectado por bacteriófagos porque es un eucariota . [9]
- Ya existe un amplio conocimiento científico sobre S. cerevisiae y su biología. [9]
Se ha utilizado la sobreexpresión de las enzimas en la vía biosintética de valina de S. cerevisiae para mejorar los rendimientos de isobutanol. [27] [28] [29] S. cerevisiae , sin embargo, ha resultado difícil de trabajar debido a su biología inherente:
- Como eucariota, S. cerevisiae es genéticamente más compleja que E. coli o B. subtilis y, como resultado, es más difícil de manipular genéticamente. [9]
- S. cerevisiae tiene la capacidad natural de producir etanol . Esta capacidad natural puede "dominar" y, en consecuencia, inhibir la producción de isobutanol por S. cerevisiae . [9]
- S. cerevisiae no puede utilizar cinco azúcares de carbono para producir isobutanol. La incapacidad de usar azúcares de cinco carbonos impide que S. cerevisiae use lignocelulosa, y significa que S. cerevisiae debe usar materia vegetal destinada al consumo humano para producir isobutanol. Esto da como resultado una relación desfavorable entre el precio de los alimentos y el combustible cuando S. cerevisiae produce isobutanol . [9]
Ralstonia eutropha
Ralstonia eutropha es una bacteria del suelo gramnegativa de laclase betaproteobacteria . Ralstonia eutropha es capaz de convertir energía eléctrica en isobutanol. Esta conversión se completa en varios pasos:
- Los ánodos se colocan en una mezcla de H 2 O y CO 2 .
- Una corriente eléctrica pasa a través de los ánodos y, mediante un proceso electroquímico , el H 2 O y el CO 2 se combinan para sintetizar el ácido fórmico .
- Un cultivo de Ralstonia eutropha (compuesto por una cepa tolerante a la electricidad) se mantiene dentro de la mezcla de H 2 O y CO 2 .
- El cultivo de Ralstonia eutropha luego convierte el ácido fórmico de la mezcla en isobutanol.
- A continuación, el isobutanol biosintetizado se separa de la mezcla y se puede utilizar como biocombustible.
Materias primas
El alto costo de la materia prima se considera uno de los principales obstáculos para la producción comercial de butanoles. El uso de materias primas económicas y abundantes, por ejemplo, rastrojo de maíz, puede mejorar la viabilidad económica del proceso. [30]
La ingeniería metabólica se puede utilizar para permitir que un organismo utilice un sustrato más barato como el glicerol en lugar de la glucosa . Debido a que los procesos de fermentación requieren glucosa derivada de los alimentos, la producción de butanol puede afectar negativamente el suministro de alimentos (ver el debate sobre alimentos versus combustibles ). El glicerol es una buena fuente alternativa para la producción de butanol . Si bien las fuentes de glucosa son valiosas y limitadas, el glicerol es abundante y tiene un precio de mercado bajo porque es un producto de desecho de la producción de biodiesel . La producción de butanol a partir de glicerol es económicamente viable utilizando las vías metabólicas que existen en la bacteria Clostridium pasteurianum . [31]
Mejorando la eficiencia
Un proceso llamado separación del punto de enturbiamiento podría permitir la recuperación de butanol con alta eficiencia. [32]
Productores y distribución
DuPont y BP planean hacer del biobutanol el primer producto de su esfuerzo conjunto para desarrollar, producir y comercializar biocombustibles de próxima generación. [33] En Europa, la empresa suiza Butalco [34] está desarrollando levaduras modificadas genéticamente para la producción de biobutanol a partir de materiales celulósicos. Gourmet Butanol, una empresa con sede en Estados Unidos, está desarrollando un proceso que utiliza hongos para convertir desechos orgánicos en biobutanol. [35] [36] Celtic Renewables produce biobutanol a partir de desechos que resultan de la producción de whisky y patatas de baja calidad .
Propiedades de los combustibles comunes
Isobutanol
El isobutanol es un biocombustible de segunda generación con varias cualidades que resuelven los problemas que presenta el etanol. [9]
Las propiedades del isobutanol lo convierten en un biocombustible atractivo:
- Densidad energética relativamente alta , 98% de la de la gasolina. [37]
- no absorbe fácilmente el agua del aire, lo que evita la corrosión de motores y tuberías. [9]
- se puede mezclar en cualquier proporción con gasolina, [38] lo que significa que el combustible puede "caer" en la infraestructura petrolera existente como combustible de reemplazo o aditivo principal. [9]
- se puede producir a partir de materia vegetal que no está conectada a los suministros de alimentos, lo que evita una relación precio de combustible / precio de alimentos. [9] [10] [11] [26]
n-butanol
El butanol tolera mejor la contaminación del agua y es menos corrosivo que el etanol y más adecuado para la distribución a través de las tuberías existentes para la gasolina. [14] En mezclas con diesel o gasolina, es menos probable que el butanol se separe de este combustible que el etanol si el combustible está contaminado con agua. [14] También existe una sinergia de co-mezcla a presión de vapor con butanol y gasolina que contiene etanol, lo que facilita la mezcla de etanol. Esto facilita el almacenamiento y distribución de combustibles mezclados. [14] [39] [40]
Combustible | Densidad energética | Relación aire-combustible | Energia especifica | Calor de vaporización | RON | LUN | AKI |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Gasolina y biogasolina | 32 MJ / L | 14,7 | 2,9 MJ / kg de aire | 0,36 MJ / kg | 91–99 | 81–89 | 87-95 |
Combustible de butanol | 29,2 MJ / L | 11,1 | 3,6 MJ / kg de aire | 0,43 MJ / kg | 96 | 78 | 87 |
Combustible de etanol anhidro | 19,6 MJ / L | 9.0 | 3,0 MJ / kg de aire | 0,92 MJ / kg | 107 | 89 | |
Combustible de metanol | 16 MJ / L | 6.4 | 3,1 MJ / kg de aire | 1,2 MJ / kg | 106 | 92 |
El índice de octano del n-butanol es similar al de la gasolina pero más bajo que el del etanol y el metanol. El n-butanol tiene un RON ( índice de octano de investigación ) de 96 y un MON ( índice de octano del motor ) de 78 (con un "(R + M) / número de octano de 2 bombas" resultante de 87, como se usa en América del Norte) mientras que t -butanol tiene un octanaje de 105 RON y 89 MON. [42] El t-butanol se usa como aditivo en la gasolina pero no se puede usar como combustible en su forma pura porque su punto de fusión relativamente alto de 25.5 ° C (79 ° F) hace que gelifique y solidifique cerca de la temperatura ambiente. Por otro lado, el isobutanol tiene un punto de fusión más bajo que el n-butanol y RON favorable de 113 y MON de 94, y por lo tanto es mucho más adecuado para mezclas de gasolina de alta fracción, mezclas con n-butanol o como combustible independiente. [43]
Un combustible con un índice de octanaje más alto es menos propenso a golpear (combustión por compresión extremadamente rápida y espontánea) y el sistema de control de cualquier motor de automóvil moderno puede aprovechar esto ajustando el tiempo de encendido. Esto mejorará la eficiencia energética, lo que conducirá a una mejor economía de combustible de lo que indican las comparaciones de contenido energético de diferentes combustibles. Al aumentar la relación de compresión, se pueden lograr mayores ganancias en el ahorro de combustible, la potencia y el par. Por el contrario, un combustible con un índice de octanaje más bajo es más propenso a golpear y reducirá la eficiencia. Los golpes también pueden dañar el motor. Los motores diseñados para funcionar con 87 octanos no tendrán ningún ahorro de energía / combustible adicional al funcionar con combustible de mayor octanaje.
Características del butanol: relación aire-combustible, energía específica, viscosidad, calor específico
Los combustibles de alcohol, incluidos el butanol y el etanol, están parcialmente oxidados y, por lo tanto, deben funcionar con mezclas más ricas que la gasolina. Los motores de gasolina estándar de los automóviles pueden ajustar la relación aire-combustible para adaptarse a las variaciones en el combustible, pero solo dentro de ciertos límites según el modelo. Si se excede el límite haciendo funcionar el motor con etanol puro o una mezcla de gasolina con un alto porcentaje de etanol, el motor funcionará pobre, algo que puede dañar gravemente los componentes. En comparación con el etanol, el butanol se puede mezclar en proporciones más altas con la gasolina para su uso en automóviles existentes sin necesidad de reacondicionamiento, ya que la proporción aire-combustible y el contenido de energía son más cercanos a los de la gasolina. [39] [40]
Los combustibles de alcohol tienen menos energía por unidad de peso y unidad de volumen que la gasolina. Para poder comparar la energía neta liberada por ciclo, a veces se utiliza una medida denominada energía específica de los combustibles. Se define como la energía liberada por relación aire-combustible. La energía neta liberada por ciclo es más alta para el butanol que para el etanol o el metanol y aproximadamente un 10% más alta que para la gasolina. [44]
Sustancia | Viscosidad cinemática a 20 ° C |
---|---|
Butanol | 3,64 cSt |
Diesel | > 3 cSt |
Etanol | 1,52 cSt |
Agua | 1,0 cSt |
Metanol | 0,64 cSt |
Gasolina | 0,4–0,8 cSt |
La viscosidad de los alcoholes aumenta con cadenas de carbono más largas. Por esta razón, el butanol se utiliza como alternativa a los alcoholes más cortos cuando se desea un disolvente más viscoso. La viscosidad cinemática del butanol es varias veces mayor que la de la gasolina y casi tan viscosa como el combustible diesel de alta calidad. [45]
El combustible de un motor debe vaporizarse antes de que se queme. La vaporización insuficiente es un problema conocido con los combustibles de alcohol durante los arranques en frío en clima frío. Como el calor de vaporización del butanol es menos de la mitad del del etanol, un motor que funcione con butanol debería ser más fácil de arrancar en climas fríos que uno que funcione con etanol o metanol. [39]
Mezclas de combustible de butanol
Existen normas para la mezcla de etanol y metanol en la gasolina en muchos países, incluidos la UE, los EE. UU. Y Brasil. Las mezclas de butanol equivalentes aproximadas se pueden calcular a partir de las relaciones entre la relación estequiométrica aire-combustible de butanol, etanol y gasolina. Las mezclas de combustible de etanol comunes para combustible vendido como gasolina actualmente oscilan entre el 5% y el 10%. Se estima que se pueden ahorrar alrededor de 9,5 gigalitros (Gl) de gasolina y alrededor de 64,6 Gl de una mezcla de butanol-gasolina al 16% (Bu16) se pueden producir potencialmente a partir de residuos de maíz en los EE. UU., Lo que equivale al 11,8% del total de la gasolina nacional. consumo. [46]
La aceptación por parte del consumidor puede verse limitada debido al olor a plátano potencialmente ofensivo del n-butanol. [47] Están en marcha planes para comercializar un combustible que es 85% de etanol y 15% de butanol (E85B), por lo que los motores de combustión interna E85 existentes pueden funcionar con un combustible 100% renovable que podría fabricarse sin utilizar ningún combustible fósil. Debido a que su cadena de hidrocarburos más larga hace que sea bastante no polar , es más similar a la gasolina que al etanol. Se ha demostrado que el butanol funciona en vehículos diseñados para usarse con gasolina sin modificaciones.
Butanol en vehículos
Actualmente, no se conoce ningún vehículo de producción aprobado por el fabricante para su uso con 100% de butanol. A principios de 2009, solo unos pocos vehículos están aprobados para usar incluso combustible E85 (es decir, 85% de etanol + 15% de gasolina) en los EE. UU. Sin embargo, en Brasil, todos los fabricantes de vehículos (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroen y otros) producen vehículos de "combustible flexible" que pueden funcionar con gasolina 100% o cualquier mezcla de etanol y gasolina hasta Etanol al 85% (E85). Estos automóviles de combustible flexible representan el 90% de las ventas de vehículos personales en Brasil en 2009. BP y Dupont, que participan en una empresa conjunta para producir y promover combustible de butanol, afirman [48] que "el biobutanol se puede mezclar hasta en un 10% v / v en gasolina europea y 11,5% v / v en gasolina estadounidense ". [49] [50] En la carrera Petit Le Mans de 2009 , el No. 16 Lola B09 / 86 - Mazda MZR-R de Dyson Racing corrió con una mezcla de biobutanol y etanol desarrollado por el socio tecnológico del equipo BP .
Ver también
- Alcohol para combustible de aviación
- Subproducto agrícola
- Relación de aire y combustible
- Bioalcohol
- Biocombustible
- Biodiesel
- Biohidrógeno
- Bioconversión de biomasa a combustibles mixtos de alcohol
- Butanol
- Catalizador
- Dimetil éter
- Destilación
- Estándares de emisión
- Cultivo energético
- Combustible de etanol
- Instalación de fermentación
- Ácido fórmico : se puede utilizar como intermediario para producir isobutanol a partir de CO2 utilizando microbios [51] [52] [53]
- Biocombustibles Gevo
- Lista de aceites vegetales utilizados para biocombustible
Referencias
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enlaces externos
- Biobutanol ( EERE ).
- Noticias de investigación sobre biobutanol del Green Car Congress
- Vista 3D de butanol y archivo pdb