Le butanol peut être utilisé comme carburant dans un moteur à combustion interne. Parce que sa longue chaîne hydrocarbonée le rend relativement non polaire, il ressemble plus à l’essence qu’à l’éthanol. Il a été démontré que le butanol fonctionne sans modification dans les véhicules conçus pour être utilisés avec de l’essence. Il a une chaîne hydrocarbonée à quatre chaînons. Il peut être produit à partir de biomasse (comme le « biobutanol ») ainsi que de combustibles fossiles (comme le « pétrobutanol »), mais le biobutanol et le pétrobutanol ont les mêmes propriétés chimiques.

Production de biobutanol
Le butanol issu de la biomasse est appelé biobutanol. Il peut être utilisé dans les moteurs à essence non modifiés.

Les technologies
Le biobutanol peut être produit par fermentation de la biomasse par le procédé ABE. Le procédé utilise la bactérie Clostridium acetobutylicum, également appelée organisme de Weizmann, ou Clostridium beijerinckii. C’est Chaim Weizmann qui a utilisé pour la première fois C. acetobutylicum pour la production d’acétone à partir d’amidon (l’acétone étant principalement utilisée dans la fabrication de cordite) en 1916. Le butanol était un sous-produit de cette fermentation (deux fois plus de butanol était produit ). Le procédé crée également une quantité récupérable de H2 et un certain nombre de sous-produits: acides acétique, lactique et propionique, isopropanol et éthanol.

Le biobutanol peut également être préparé avec Ralstonia eutropha H16. Ce processus nécessite l’utilisation d’un électro-bioréacteur et l’apport de dioxyde de carbone et d’électricité.

La différence par rapport à la production d’éthanol réside principalement dans la fermentation de la matière première et dans les modifications mineures apportées à la distillation. Les matières premières sont les mêmes que pour l’éthanol: cultures énergétiques telles que la betterave à sucre, la canne à sucre, le maïs en grains, le blé et le manioc, des cultures énergétiques non alimentaires telles que le panic raide et même le guayule en Amérique du Nord, ainsi que des sous-produits agricoles tels que la , tiges de paille et de maïs. Selon DuPont, les usines de bioéthanol existantes peuvent être adaptées de manière rentable à la production de biobutanol.

De plus, la production de butanol à partir de biomasse et de sous-produits agricoles pourrait être plus efficace (c’est-à-dire la puissance motrice d’un moteur fournie par unité d’énergie solaire consommée) que la production d’éthanol ou de méthanol.

Algues butanol
Le biobutanol peut être entièrement fabriqué avec de l’énergie solaire et des nutriments, à partir d’algues (appelé Solalgal Fuel) ou de diatomées. Le rendement actuel est faible.

Recherche
Bien que la demande de biocarburants dépasse le milliard de litres par an, la fermentation reste une méthode largement inefficace de production de butanol. Dans des conditions de vie normales, les communautés bactériennes de Clostridium ont un faible rendement en butanol par gramme de glucose. L’obtention de rendements plus élevés en butanol implique la manipulation des réseaux métaboliques au sein des bactéries pour donner la priorité à la synthèse du biocarburant.L’ingénierie métabolique et les outils de génie génétique permettent aux scientifiques de modifier les états des réactions se produisant dans l’organisme, en utilisant des techniques avancées pour créer une souche bactérienne capable d’un rendement élevé en butanol. L’optimisation peut également être obtenue par le transfert d’informations génétiques spécifiques à d’autres espèces unicellulaires, en exploitant les caractéristiques de multiples organismes pour atteindre le taux de production d’alcool le plus élevé qui soit.

Utilisation de sources de carbone alternatives
Un développement prometteur de la technologie de production de biobutanol a été découvert à la fin de l’été 2011. Les chercheurs en recherche sur les carburants de remplacement de l’Université Tulane ont découvert une souche de Clostridium, appelée « TU-103 », capable de convertir presque toutes les formes de cellulose en butanol. souche connue de bactéries du genre Clostridium pouvant le faire en présence d’oxygène. Les chercheurs de l’université ont déclaré que la souche de la bactérie Clostridium « TU-103 » provenait probablement des déchets solides d’un zèbre des plaines du zoo Audubon de la Nouvelle-Orléans.

L’ingénierie métabolique peut être utilisée pour permettre à un organisme d’utiliser un substrat moins coûteux, tel que le glycérol, au lieu du glucose. Étant donné que les processus de fermentation nécessitent du glucose provenant d’aliments, la production de butanol peut avoir un impact négatif sur l’approvisionnement en aliments (voir le débat sur les aliments et le carburant). Le glycérol est une bonne source alternative pour la production de butanol. Bien que les sources de glucose soient précieuses et limitées, le glycérol est abondant et son prix de marché est bas car il s’agit d’un déchet de la production de biodiesel. La production de butanol à partir de glycérol est économiquement viable en utilisant les voies métaboliques existantes chez la bactérie Clostridium pasteurianum.

Une combinaison de succinate et d’éthanol peut être fermentée pour produire du butyrate (un précurseur du carburant butanol) en utilisant les voies métaboliques présentes dans une bactérie anaérobie à Gram positif, Clostridium kluyveri. Le succinate est un intermédiaire du cycle du TCA, qui métabolise le glucose. Les bactéries anaérobies telles que Clostridium acetobutylicum et Clostridium saccharobutylicum contiennent également ces voies. Le succinate est d’abord activé, puis réduit par une réaction en deux étapes pour donner le 4-hydroxybutyrate, qui est ensuite métabolisé davantage en crotonyl-coenzyme A (CoA). Le crotonyl-CoA est ensuite converti en butyrate. Les gènes correspondant à ces voies de production de butanol à partir de Clostridium ont été clonés sur E. coli.

En 2012, des chercheurs ont mis au point une méthode de stockage de l’énergie électrique sous forme d’énergie chimique dans les alcools supérieurs (y compris le butanol). Ces alcools peuvent ensuite être utilisés comme carburants de transport liquides. L’équipe dirigée par James C. Liao, un microorganisme lithoautotrophe génétiquement modifié, connue sous le nom de Ralstonia Eutropha H16, produit de l’isobutanol et du 3-méthyl-1-butanol dans un électro-bioréacteur. Le dioxyde de carbone est la seule source de carbone utilisée dans ce processus et l’électricité est utilisée comme composant énergétique. Le processus qu’ils ont développé sépare efficacement les réactions de la lumière et de l’obscurité qui se produisent pendant la photosynthèse. Les panneaux solaires permettent de convertir la lumière du soleil en énergie électrique, qui est ensuite convertie en un intermédiaire chimique à l’aide du micro-organisme. L’équipe est actuellement en train d’intensifier ses opérations et pense que ce processus sera plus efficace que le processus biologique.

Améliorer l’efficacité
Fin 2012, une nouvelle découverte a rendu le carburant alternatif butanol plus attractif pour l’industrie des biocarburants. Le scientifique Hao Feng a trouvé une méthode qui pourrait réduire considérablement le coût de l’énergie nécessaire à la fabrication du butanol. Son équipe a réussi à isoler les molécules de butanol au cours du processus de fermentation afin de ne pas tuer les organismes et à produire 100% ou plus de butanol. Après le processus de fermentation, ils ont utilisé un processus appelé séparation des points de trouble pour récupérer le butanol, qui utilise 4 fois moins d’énergie.

Toujours à la fin de 2012, utilisant une ingénierie métabolique des systèmes, une équipe de recherche coréenne de l’ancien Institut supérieur des sciences et technologies de Corée (KAIST) a réussi à démontrer un processus optimisé pour augmenter la production de butanol en générant une bactérie modifiée. Le professeur Sang Yup Lee du département de génie chimique et biomoléculaire de KAIST, le Dr Do Young Seung de GS Caltex, une grande société de raffinage du pétrole en Corée, et le Dr Yu-Sin Jang de BioFuelChem, une entreprise de butanol en Corée, ont appliqué une approche d’ingénierie métabolique des systèmes pour améliorer la production de butanol en améliorant les performances de Clostridium acetobutylicum, l’une des bactéries les plus connues produisant du butanol. En outre, le processus en aval a été optimisé et un processus de récupération in situ a été intégré pour obtenir un titre, un rendement et une productivité en butanol supérieurs. La combinaison de l’ingénierie métabolique des systèmes et de l’optimisation des bioprocédés a abouti au développement d’un processus capable de produire plus de 585 g de butanol à partir de 1,8 kg de glucose, ce qui permet à la production de cet important solvant industriel et de ce biocarburant avancé d’être compétitive.

Les bactéries anaérobies C. pasteurianum, C. acetobutylicum et d’autres espèces de Clostridium ont des voies métaboliques qui convertissent le glycérol en butanol par fermentation. Cependant, la production de butanol à partir de glycérol par fermentation dans C. pasteurianum est faible. Pour contrer cela, un groupe de chercheurs a utilisé la mutagenèse chimique pour créer une souche produisant de l’hyperbutanol. La meilleure souche mutante dans cette étude « MBEL_GLY2 » a produit 10,8 g de butanol pour 80 g de glycérol administré à la bactérie. Cette amélioration se compare aux 7,6 g de butanol produits par les bactéries natives.

De nombreux organismes ont la capacité de produire du butanol en utilisant une voie dépendante de l’acétyl-CoA. Le principal problème de cette voie est la première réaction impliquant la condensation de deux molécules d’acétyl-CoA en acétoacétyl-CoA. Cette réaction est thermodynamiquement défavorable en raison de l’énergie libre de Gibbs positive qui lui est associée (dG = 6,8 kcal / mol).Certaines expériences ont été réalisées et consistent à augmenter le stockage de carbone dans l’organisme en utilisant le flux de dioxyde de carbone dans des organismes photosynthétiques. Pour suivre cette voie de recherche, les scientifiques ont tenté de concevoir des voies de réaction permettant aux organismes photosynthétiques (comme les algues bleu-vert) de produire plus efficacement du butanol.

Une étude réalisée par Ethan I. Lan et James C. Liao a tenté d’utiliser l’ATP produit lors de la photosynthèse chez des algues bleu-vert pour contourner la condensation thermodynamiquement défavorable de l’acétyl-CoA en acétoacétyl-CoA. Le système natif a été repensé pour que l’acétyl-CoA réagisse avec l’ATP et le CO2 pour former un intermédiaire, le malonyl-CoA. Le malonyl-CoA réagit alors avec un autre acétyl-CoA pour former l’acétoacétyl-CoA souhaité. L’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP (dG = -7,3 kcal / mol) rend cette voie nettement plus favorable que la condensation standard. Comme les algues bleu-vert génèrent du NADPH lors de la photosynthèse, on peut supposer que l’environnement du cofacteur est riche en NADPH. Par conséquent, la voie de réaction native a été conçue pour utiliser le NADPH plutôt que le NADH standard. Tous ces ajustements ont permis de multiplier par 4 la production de butanol, ce qui montre l’importance des forces motrices de l’ATP et des cofacteurs en tant que principe de conception dans l’ingénierie des voies.

Les producteurs
DuPont et BP envisagent de faire du biobutanol le premier produit de leurs efforts communs pour développer, produire et commercialiser des biocarburants de prochaine génération. En Europe, la société suisse Butalco développe des levures génétiquement modifiées pour la production de biobutanol à partir de matériaux cellulosiques. Gourmet Butanol, une société basée aux États-Unis, développe un procédé utilisant des champignons pour convertir les déchets organiques en biobutanol.

Distribution
Le butanol tolère mieux la contamination de l’eau et est moins corrosif que l’éthanol et convient mieux à la distribution par les pipelines d’essence existants. Dans les mélanges avec du diesel ou de l’essence, le butanol est moins susceptible de se séparer de ce carburant que l’éthanol si le carburant est contaminé par de l’eau. Il existe également une synergie de co-mélange de pression de vapeur avec le butanol et l’essence contenant de l’éthanol, ce qui facilite le mélange d’éthanol.Cela facilite le stockage et la distribution des carburants mélangés.

Propriétés des carburants courants

Carburant	Énergie densité	Air-carburant rapport	Spécifique énergie	Chaleur de vaporisation	RON	LUN	AKI
Essence et biogaz	32 MJ / L	14.7	2,9 MJ / kg d’air	0,36 MJ / kg	91–99	81–89	87-95
Carburant butanol	29,2 MJ / L	11.1	36,6 MJ / kg d’air	0,43 MJ / kg	96	78	87
Ethanol anhydre	19,6 MJ / L	9,0	3,0 MJ / kg d’air	0,92 MJ / kg	107	89
Carburant au méthanol	16 MJ / L	6.4	3,1 MJ / kg d’air	1,2 MJ / kg	106	92

Contenu énergétique et effets sur l’économie de carburant
Le remplacement d’un moteur à essence par du butanol entraînerait théoriquement une pénalité de consommation de carburant d’environ 10%, mais son effet sur le kilométrage doit encore être déterminé par une étude scientifique. Bien que la densité énergétique de tout mélange d’essence et de butanol puisse être calculée, des tests sur d’autres carburants à base d’alcool ont montré que l’effet sur l’économie de carburant n’était pas proportionnel à la variation de la densité énergétique.

Indice d’octane
L’indice d’octane du n-butanol est similaire à celui de l’essence mais inférieur à celui de l’éthanol et du méthanol. Le n-butanol a un indice d’octane recherche (Research Index) de 96 et un indice d’octane moteur de 78 (avec un « indice d’octane de pompe (R + M) / 2 » de 87, tel qu’il est utilisé en Amérique du Nord), tandis -butanol a un indice d’octane de 105 RON et 89 MON. Le t-butanol est utilisé comme additif dans l’essence mais ne peut pas être utilisé comme carburant pur car son point de fusion relativement élevé de 25,5 ° C (79 ° F) provoque sa gélification et sa solidification à proximité de la température ambiante. D’autre part, l’isobutanol a un point de fusion plus bas que le n-butanol et un RON favorable de 113 et un MON de 94. Il convient donc beaucoup mieux aux mélanges d’essence à forte fraction, aux mélanges avec le n-butanol ou comme carburant autonome.

Un carburant avec un indice d’octane élevé est moins sujet aux chocs (combustion extrêmement rapide et spontanée par compression) et le système de commande de tout moteur de voiture moderne peut en tirer parti en ajustant le calage de l’allumage. Cela améliorera l’efficacité énergétique et entraînera une meilleure économie de carburant que ne l’indiquent les comparaisons de la teneur en énergie de différents carburants. En augmentant le taux de compression, il est possible d’obtenir de nouveaux gains d’économie de carburant, de puissance et de couple.Inversement, un carburant avec un indice d’octane inférieur est plus susceptible de cogner et réduira l’efficacité. Frapper peut aussi endommager le moteur. Les moteurs conçus pour fonctionner à 87 octanes n’auront aucune économie d’énergie supplémentaire en termes de puissance / économie de carburant s’ils sont exploités avec un carburant à indice d’octane supérieur.

Ratio air-carburant
Les carburants à base d’alcool, notamment le butanol et l’éthanol, sont partiellement oxydés et doivent par conséquent fonctionner avec des mélanges plus riches que l’essence. Les moteurs à essence standard des voitures peuvent ajuster le rapport air / carburant pour s’adapter aux variations du carburant, mais uniquement dans certaines limites, en fonction du modèle. Si la limite est dépassée en faisant tourner le moteur avec de l’éthanol pur ou un mélange d’essence avec un pourcentage élevé d’éthanol, le moteur fonctionnera en régime maigre, ce qui peut endommager gravement les composants. Par rapport à l’éthanol, le butanol peut être mélangé dans des proportions plus élevées avec de l’essence pour une utilisation dans des voitures existantes sans nécessiter de modernisation, car le rapport air-carburant et le contenu énergétique sont plus proches de ceux de l’essence.

Énergie spécifique
Les carburants à base d’alcool ont moins d’énergie par unité de poids et de volume que l’essence.Pour permettre de comparer l’énergie nette libérée par cycle, une mesure appelée énergie spécifique aux combustibles est parfois utilisée. Il est défini comme le rapport énergie dégagée par air / carburant. L’énergie nette libérée par cycle est plus élevée pour le butanol que pour l’éthanol ou le méthanol et environ 10% plus élevée que pour l’essence.

Viscosité
La viscosité des alcools augmente avec les chaînes carbonées plus longues. Pour cette raison, le butanol est utilisé comme alternative aux alcools plus courts lorsqu’un solvant plus visqueux est souhaité. La viscosité cinématique du butanol est plusieurs fois supérieure à celle de l’essence et à peu près aussi visqueuse que le carburant diesel de haute qualité.

Chaleur de vaporisation
Le carburant dans un moteur doit être vaporisé avant de brûler. La vaporisation insuffisante est un problème connu des carburants à base d’alcool lors de démarrages à froid par temps froid. Comme la chaleur de vaporisation du butanol est inférieure à la moitié de celle de l’éthanol, un moteur fonctionnant au butanol devrait être plus facile à démarrer par temps froid qu’un moteur fonctionnant à l’éthanol ou au méthanol.

Problèmes potentiels liés à l’utilisation du butanol
Les problèmes potentiels liés à l’utilisation du butanol sont similaires à ceux de l’éthanol:

Pour correspondre aux caractéristiques de combustion de l’essence, l’utilisation du butanol comme substitut de l’essence nécessite une augmentation du débit de carburant (bien que le butanol ne produise qu’un peu moins d’énergie que l’essence, de sorte que l’augmentation requise du débit de carburant n’est que minime, peut-être 10%, à 40% pour l’éthanol.)
Les carburants à base d’alcool ne sont pas compatibles avec certains composants du système d’alimentation.
Les carburants à base d’alcool peuvent provoquer des relevés de jauge de gaz erronés dans les véhicules dotés d’une jauge de niveau de carburant capacitive.
Bien que l’éthanol et le méthanol aient des densités d’énergie inférieures à celles du butanol, leur indice d’octane supérieur permet un taux de compression et une efficacité supérieurs.
Le butanol est l’un des nombreux produits dérivés des technologies de fermentation actuelles; Par conséquent, les technologies de fermentation actuelles permettent d’obtenir de très faibles rendements en butanol extrait pur. Comparé à l’éthanol, le butanol est un carburant plus économique, mais l’éthanol peut être produit à un coût bien inférieur et avec des rendements bien supérieurs.
Le butanol est toxique à un taux de 20 g par litre et peut nécessiter des tests d’effets sur la santé de niveaux 1 et 2 avant d’être autorisé en tant que carburant primaire par l’EPA.

Possible mélanges de butanol
Des normes pour le mélange d’éthanol et de méthanol dans l’essence existent dans de nombreux pays, y compris l’UE, les États-Unis et le Brésil. Les mélanges équivalents approximatifs de butanol peuvent être calculés à partir des relations entre le rapport air-carburant stœchiométrique du butanol, de l’éthanol et de l’essence. Les mélanges de carburant éthanol courants pour le carburant vendu comme essence varient actuellement entre 5% et 10%. La part de butanol peut être supérieure de 60% à la part équivalente d’éthanol, ce qui donne un intervalle de 8% à 16%. »Équivalent » dans ce cas fait uniquement référence à la capacité du véhicule à s’adapter au carburant. D’autres propriétés telles que la densité d’énergie, la viscosité et la chaleur de vaporisation varieront et pourraient limiter davantage le pourcentage de butanol pouvant être mélangé à de l’essence.

L’acceptation du consommateur peut être limitée en raison de l’odeur potentiellement offensante de n-butanol ressemblant à la banane. Des projets sont en cours pour commercialiser un carburant composé à 85% d’éthanol et à 15% de butanol (E85B), de sorte que les moteurs à combustion interne E85 existants puissent fonctionner avec un carburant 100% renouvelable, qui pourrait être fabriqué sans utiliser de carburant fossile. Parce que sa longue chaîne hydrocarbonée le rend relativement non polaire, il ressemble plus à l’essence qu’à l’éthanol. Il a été démontré que le butanol fonctionne sans modification dans les véhicules conçus pour être utilisés avec de l’essence.

Butanol dans les véhicules
À l’heure actuelle, aucun véhicule de production n’a été approuvé par le fabricant pour une utilisation avec 100% de butanol. Au début de 2009, seuls quelques véhicules étaient autorisés à utiliser même le carburant E85 (à savoir 85% d’éthanol + 15% d’essence) aux États-Unis. Cependant, au Brésil, tous les constructeurs automobiles (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroën et autres) produisent des véhicules «flexibles» pouvant fonctionner à 100% d’éthanol ou avec n’importe quel mélange d’éthanol et d’essence. Ces voitures à carburant modulable représentent 90% des ventes de véhicules de tourisme au Brésil en 2009. BP et Dupont, qui sont associées dans une entreprise commune pour produire et promouvoir le carburant au butanol, affirment que « le biobutanol peut être mélangé à 10% v / v Essence européenne et 11,5% v / v d’essence américaine « .

En 2005, David Ramey s’est rendu de Blacklick (Ohio) à San Diego (Californie) en utilisant 100% de butanol dans une Buick Park Avenue non modifiée, construite en 1992.

Lors de la course Petit Le Mans 2009, la Lola B09 / 86 – Mazda MZR-R de Dyson Racing n ° 16 utilisait un mélange de biobutanol et d’éthanol développé par le partenaire technologique de l’équipe BP.

Avantages et inconvénients
Contrairement au bioéthanol, il s’agit d’agrocarburants non corrosifs et il semble donc qu’ils ne rouilleraient pas les gazoducs existants (gazoducs) du gaz naturel à hydrocarbures non alcoolisés.

Cependant, ils ne peuvent pas être utilisés avec ce produit car, du fait qu’il est fluide, cela désactiverait complètement tout le réseau de tuyaux d’un ou deux continents et qu’il n’ya pas assez de surface sur Terre pour faire pousser les légumes nécessaires à l’alimentation du même primaire. énergie qui donne aujourd’hui du gaz naturel. Il faut également penser que ce sont de grands travaux d’ingénierie calculés depuis des années pour un certain produit et un certain écoulement hydraulique de celui-ci pour chaque section, et qui ne sont pas valables pour cet autre produit. Cela n’a aucun sens de le réaliser (avec de l’argent). polluants et l’énergie qu’elle suppose) jusqu’au début actuel de ces gazoducs, où se trouvent les gisements de gaz naturel, puis pour le retransporter pour la distribution. Nous devons garder à l’esprit que, sans cela, son bilan énergétique est négatif, il produit moins d’énergie que nécessaire (principalement à partir de combustibles fossiles et de centrales nucléaires dans les pays catalans) pour le produire. Bien qu’il soit censé ne pas rouiller, il pourrait être utilisé directement dans les voitures à essence ou diesel sans qu’il soit nécessaire de modifier leurs moteurs en raison de leur pouvoir calorifique inférieur et des propriétés très différentes de l’éthanol par rapport à ces hydrocarbures.