O butanol pode ser usado como combustível em um motor de combustão interna. Como sua cadeia de hidrocarbonetos mais longa faz com que ela seja bastante apolar, ela é mais semelhante à gasolina do que ao etanol. O Butanol demonstrou trabalhar em veículos projetados para uso com gasolina sem modificação. Tem uma cadeia de hidrocarbonetos de quatro ligações. Ele pode ser produzido a partir de biomassa (como “biobutanol”), bem como combustíveis fósseis (como “petrobutanol”), mas o biobutanol e o petrobutanol têm as mesmas propriedades químicas.
Produção de biobutanol
O butanol da biomassa é chamado biobutanol. Pode ser usado em motores a gasolina não modificados.
Tecnologias
O biobutanol pode ser produzido pela fermentação da biomassa pelo processo ABE. O processo utiliza a bactéria Clostridium acetobutylicum, também conhecida como organismo Weizmann, ou Clostridium beijerinckii. Foi Chaim Weizmann quem primeiro usou C. acetobutylicum para a produção de acetona a partir do amido (com o principal uso de acetona sendo a fabricação de Cordite) em 1916. O butanol era um subproduto dessa fermentação (duas vezes mais butanol era produzido ). O processo também cria uma quantidade recuperável de H2 e vários outros subprodutos: ácidos acético, láctico e propiônico, isopropanol e etanol.
O biobutanol também pode ser produzido usando Ralstonia eutropha H16. Este processo requer o uso de um eletro-biorreator e a entrada de dióxido de carbono e eletricidade.
A diferença da produção de etanol é principalmente na fermentação da matéria-prima e pequenas mudanças na destilação. As matérias-primas são as mesmas do etanol: culturas energéticas como a beterraba sacarina, cana-de-açúcar, milho, trigo e mandioca, culturas energéticas não alimentares prospectivas como switchgrass e até mesmo guayule na América do Norte, assim como subprodutos agrícolas como o bagaço talos de palha e milho. De acordo com a DuPont, as usinas existentes de bioetanol podem ser readaptadas de maneira rentável para a produção de biobutanol.
Além disso, a produção de butanol a partir de biomassa e subprodutos agrícolas poderia ser mais eficiente (ou seja, a potência motriz unitária do motor entregue por unidade de energia solar consumida) do que a produção de etanol ou metanol.
Butanol de Algas
O biobutanol pode ser feito inteiramente com energia solar e nutrientes, a partir de algas (chamadas de Solalgal Fuel) ou diatomáceas. O rendimento atual é baixo.
Pesquisa
Embora a demanda de biocombustíveis tenha subido para mais de um bilhão de litros por ano, a fermentação continua sendo um método ineficiente de produção de butanol. Em condições normais de vida, as comunidades de bactérias Clostridium têm um baixo rendimento de butanol por grama de glicose. A obtenção de maiores rendimentos de butanol envolve a manipulação das redes metabólicas dentro das bactérias para priorizar a síntese do biocombustível. Ferramentas de engenharia genética e engenharia genética permitem que os cientistas alterem os estados de reações que ocorrem no organismo, utilizando técnicas avançadas para criar uma linhagem bacteriana capaz de produzir alto teor de butanol. A otimização também pode ser realizada pela transferência de informações genéticas específicas para outras espécies unicelulares, aproveitando as características de múltiplos organismos para atingir a maior taxa de produção de álcool.
Usando fontes de carbono alternativas
Um desenvolvimento promissor na tecnologia de produção de biobutanol foi descoberto no final do verão de 2011 – cientistas da Universidade de Tulane descobriram uma linhagem de Clostridium, chamada “TU-103”, que pode converter quase qualquer forma de celulose em butanol, e é a única estirpe conhecida de bactérias do género Clostridium que podem fazê-lo na presença de oxigénio.Os pesquisadores da universidade afirmaram que a fonte da bactéria Clostridium “TU-103” provavelmente era proveniente do resíduo sólido de uma das zebras da planície do zoológico de Audubon, em Nova Orleans.
A engenharia metabólica pode ser usada para permitir que um organismo use um substrato mais barato, como glicerol em vez de glicose. Como os processos de fermentação requerem glicose derivada de alimentos, a produção de butanol pode impactar negativamente o fornecimento de alimentos (ver debate sobre alimentos versus combustíveis). O glicerol é uma boa fonte alternativa para a produção de butanol. Embora as fontes de glicose sejam valiosas e limitadas, o glicerol é abundante e tem um baixo preço de mercado porque é um resíduo da produção de biodiesel. A produção de butanol a partir do glicerol é economicamente viável usando vias metabólicas que existem na bactéria Clostridium pasteurianum.
Uma combinação de succinato e etanol pode ser fermentada para produzir butirato (um precursor do combustível butanol), utilizando as vias metabólicas presentes em uma bactéria Gram-positiva anaeróbica Clostridium kluyveri. O succinato é um intermediário do ciclo de TCA, que metaboliza a glicose. Bactérias anaeróbias como Clostridium acetobutylicum e Clostridium saccharobutylicum também contêm essas vias. Succinato é primeiro ativado e, em seguida, reduzido por uma reação de dois passos para dar 4-hidroxibutirato, que é então metabolizado ainda mais para crotonil-coenzima A (CoA). Crotonil-CoA é então convertido em butirato. Os genes correspondentes a estas vias de produção de butanol a partir de Clostridium foram clonados em E. coli.
Em 2012, pesquisadores desenvolveram um método para armazenar energia elétrica como energia química em álcoois superiores (incluindo butanol). Estes álcoois podem então ser usados como combustíveis para transporte de líquidos. A equipe liderada por James C. Liao projetou um microorganismo litoautotrófico geneticamente modificado conhecido como Ralstonia Eutropha H16 para produzir isobutanol e 3-metil-1-butanol em um eletro-biorreator. O dióxido de carbono é a única fonte de carbono para este processo e a eletricidade é usada como componente energético. O processo que eles desenvolveram efetivamente separa as reações claras e escuras que ocorrem durante a fotossíntese. Os painéis solares são usados para converter a luz solar em energia elétrica, que é então convertida usando o microorganismo em um intermediário químico. A equipe está agora no processo de ampliação da operação e acredita que esse processo será mais eficiente que o processo biológico.
Melhorando a eficiência
No final de 2012, uma nova descoberta tornou o butanol combustível alternativo mais atraente para a indústria de biocombustíveis. O cientista Hao Feng descobriu um método que poderia reduzir significativamente o custo da energia envolvida na fabricação do butanol. Sua equipe foi capaz de isolar as moléculas de butanol durante o processo de fermentação para não matar os organismos e produzir 100% ou mais de butanol. Após o processo de fermentação, eles usaram um processo chamado separação do ponto de nuvem para recuperar o butanol que usava 4 vezes menos energia.
Também no final de 2012, usando sistemas de engenharia metabólica, uma equipe de pesquisa coreana no antigo Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia (KAIST) conseguiu demonstrar um processo otimizado para aumentar a produção de butanol, gerando uma bactéria projetada. Professor Sang Yup Lee no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, KAIST, Dr. Do Young Seung na GS Caltex, uma grande empresa de refino de petróleo na Coréia, e Dr. Yu-Sin Jang na BioFuelChem, uma empresa startup de butanol na Coréia, aplicada uma abordagem de engenharia metabólica de sistemas para melhorar a produção de butanol através do aumento do desempenho de Clostridium acetobutylicum, uma das bactérias mais conhecidas produtoras de butanol. Além disso, o processo a jusante foi otimizado e um processo de recuperação in situ foi integrado para alcançar maior titulação, rendimento e produtividade de butanol. A combinação de engenharia metabólica de sistemas e otimização de bioprocessos resultou no desenvolvimento de um processo capaz de produzir mais de 585 g de butanol a partir de 1,8 kg de glicose, o que permite que a produção deste importante solvente industrial e biocombustível avançado seja competitiva em custo.
As bactérias anaeróbicas C. pasteurianum, C. acetobutylicum e outras espécies de Clostridium possuem vias metabólicas que convertem o glicerol em butanol por fermentação. No entanto, a produção de butanol a partir do glicerol por fermentação em C. Pasteurianum é baixa. Para combater isso, um grupo de pesquisadores utilizou a mutagênese química para criar uma cepa hiper-produtora de butanol. A melhor linhagem mutante neste estudo “MBEL_GLY2” produziu 10,8 g de butanol por 80 g de glicerol alimentado à bactéria. Esta melhoria é comparada com o 7,6 g de butanol produzido pelas bactérias nativas.
Muitos organismos têm a capacidade de produzir butanol utilizando uma via dependente de acetil-CoA. O principal problema desta via é a primeira reação envolvendo a condensação de duas moléculas de acetil-CoA a acetoacetil-CoA. Esta reação é termodinamicamente desfavorável devido à energia livre de Gibbs positiva associada a ela (dG = 6,8 kcal / mol). Alguma experimentação foi feita que envolve o aumento do armazenamento de carbono através do organismo, utilizando o fluxo de dióxido de carbono através de organismos fotossintéticos. Para seguir esse caminho de pesquisa, os cientistas tentaram projetar vias de reação que permitem que organismos fotossintéticos (como algas verde-azuladas) produzam mais eficientemente o butanol.
Um estudo feito por Ethan I. Lan e James C. Liao tentou utilizar o ATP produzido durante a fotossíntese em algas verde-azuladas para contornar a condensação de acetil-CoA termodinamicamente desfavorável a acetoacetil-CoA. O sistema nativo foi reprojetado para ter acetil-CoA reagir com ATP e CO2 para formar um intermediário, malonil-CoA. O Malonil-CoA reage então com outro acetil-CoA para formar o desejado acetoacetil-CoA. A liberação de energia da hidrólise de ATP (dG = -7,3 kcal / mol) torna este caminho significativamente mais favorável do que a condensação padrão. Como as algas azuis-verdes geram o NADPH durante a fotossíntese, pode-se supor que o ambiente do cofator é rico em NADPH. Portanto, a via de reação nativa foi posteriormente projetada para usar o NADPH em vez do padrão NADH. Todos esses ajustes levaram a um aumento de 4 vezes na produção de butanol, mostrando a importância do ATP e das forças propulsoras dos cofatores como um princípio de projeto na engenharia de vias.
Produtores
A DuPont e a BP planejam tornar o biobutanol o primeiro produto de seu esforço conjunto para desenvolver, produzir e comercializar biocombustíveis de última geração. Na Europa, a empresa suíça Butalco está desenvolvendo leveduras geneticamente modificadas para a produção de biobutanol a partir de materiais celulósicos. A Gourmet Butanol, uma empresa sediada nos Estados Unidos, está desenvolvendo um processo que utiliza fungos para converter resíduos orgânicos em biobutanol.
Distribuição
O butanol tolera melhor a contaminação da água e é menos corrosivo que o etanol e mais adequado para distribuição através de gasodutos existentes para a gasolina. Em misturas com diesel ou gasolina, é menos provável que o butanol se separe desse combustível do que o etanol se o combustível estiver contaminado com água. Há também uma sinergia de co-mistura de pressão de vapor com butanol e gasolina contendo etanol, o que facilita a mistura de etanol. Isso facilita o armazenamento e a distribuição de combustíveis misturados.
Propriedades de combustíveis comuns
| Combustível | Energia densidade |
Ar-combustível relação |
Específico energia |
Calor de vaporização |
RON | SEG | AKI |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Gasolina e biogasolina | 32 MJ / L | 14,7 | 2,9 MJ / kg de ar | 0,36 MJ / kg | 91–99 | 81–89 | 87-95 |
| Combustível butanol | 29,2 MJ / L | 11,1 | 36,6 MJ / kg de ar | 0,43 MJ / kg | 96 | 78 | 87 |
| Combustível etanólico anidro | 19,6 MJ / L | 9,0 | 3,0 MJ / kg de ar | 0,92 MJ / kg | 107 | 89 | |
| Combustível metanol | 16 MJ / L | 6,4 | 3,1 MJ / kg ar | 1,2 MJ / kg | 106 | 92 |
Conteúdo energético e efeitos na economia de combustível
Mudar um motor a gasolina para o butanol resultaria, em teoria, em uma penalidade de consumo de combustível de cerca de 10%, mas o efeito do butanol na quilometragem ainda não foi determinado por um estudo científico. Enquanto a densidade de energia para qualquer mistura de gasolina e butanol pode ser calculada, testes com outros combustíveis de álcool demonstraram que o efeito na economia de combustível não é proporcional à mudança na densidade de energia.
Classificação Octane
O índice de octano do n-butanol é semelhante ao da gasolina, mas inferior ao do etanol e do metanol. n-Butanol tem um RON (Número de Octanagem de Pesquisa) de 96 e um MON (Número de octano de motor) de 78 (com um resultado “(R + M) / 2 número de octano de bomba” de 87, como usado na América do Norte) enquanto t -butanol tem índices de octano de 105 RON e 89 MON. O t-butanol é usado como um aditivo na gasolina, mas não pode ser usado como um combustível em sua forma pura porque seu ponto de fusão relativamente alto de 25,5 ° C faz com que ele gelifique e solidifique próximo à temperatura ambiente. Por outro lado, o isobutanol tem um ponto de fusão mais baixo que o n-butanol e RON favorável de 113 e MON de 94, e é, portanto, muito mais adequado para misturas de gasolina de alta fração, misturas com n-butanol ou como combustível autônomo.
Um combustível com uma taxa de octanas mais alta é menos propenso a bater (combustão extremamente rápida e espontânea por compressão) e o sistema de controle de qualquer motor de carro moderno pode tirar proveito disso ajustando o tempo de ignição. Isso irá melhorar a eficiência energética, levando a uma economia de combustível melhor do que as comparações de conteúdo energético diferentes combustíveis indicam. Ao aumentar a taxa de compressão, ganhos adicionais em economia de combustível, potência e torque podem ser alcançados. Por outro lado, um combustível com baixa octanagem é mais propenso a bater e reduzirá a eficiência. Knocking também pode causar danos ao motor. Motores projetados para funcionar com octano 87 não terão nenhuma economia adicional de energia / combustível de serem operados com combustível de alta octanagem.
Relação ar-combustível
Combustíveis de álcool, incluindo butanol e etanol, são parcialmente oxidados e, portanto, precisam de misturas mais ricas do que a gasolina. Motores a gasolina padrão em carros podem ajustar a relação ar-combustível para acomodar variações no combustível, mas apenas dentro de certos limites, dependendo do modelo. Se o limite for excedido ao se operar o motor com etanol puro ou com uma mistura de gasolina com uma alta porcentagem de etanol, o motor ficará fraco, algo que pode danificar criticamente os componentes. Em comparação com o etanol, o butanol pode ser misturado em proporções mais altas com a gasolina para uso em carros existentes, sem a necessidade de modernização, já que a relação ar-combustível e o conteúdo de energia estão mais próximos dos da gasolina.
Energia especifica
Os combustíveis de álcool têm menos energia por unidade de peso e volume de unidade do que a gasolina. Para tornar possível comparar a energia líquida liberada por ciclo, uma medida chamada de energia específica de combustível é usada às vezes. É definido como a energia liberada por razão de combustível de ar. A energia líquida liberada por ciclo é maior para o butanol do que o etanol ou o metanol e cerca de 10% maior do que para a gasolina.
Viscosidade
A viscosidade dos álcoois aumenta com cadeias de carbono mais longas. Por essa razão, o butanol é usado como alternativa aos álcoois mais curtos quando se deseja um solvente mais viscoso. A viscosidade cinemática do butanol é várias vezes superior à da gasolina e tão viscosa quanto o diesel de alta qualidade.
Calor da vaporização
O combustível em um motor tem que ser vaporizado antes de queimar. A vaporização insuficiente é um problema conhecido com os combustíveis de álcool durante o arranque a frio no tempo frio.Como o calor de vaporização do butanol é menor do que a metade do etanol, um motor que funciona com butanol deve ser mais fácil de ser utilizado em climas frios do que um com etanol ou metanol.
Problemas potenciais com o uso de combustível butanol
Os problemas potenciais com o uso de butanol são semelhantes aos do etanol:
Para coincidir com as características de combustão da gasolina, a utilização de combustível butanol como substituto da gasolina requer aumentos de fluxo de combustível (embora o butanol tenha apenas um pouco menos energia do que a gasolina, portanto, o aumento requerido é mínimo, talvez 10%, comparado para 40% para etanol.)
Combustíveis à base de álcool não são compatíveis com alguns componentes do sistema de combustível.
Os combustíveis com álcool podem causar leituras errôneas do medidor de nível de combustível em veículos com medição do nível de combustível por capacitância.
Embora o etanol e o metanol tenham menores densidades de energia que o butanol, seu maior índice de octano permite maior taxa de compressão e eficiência.
O butanol é um dos muitos produtos secundários produzidos a partir de tecnologias atuais de fermentação; Como conseqüência, as tecnologias atuais de fermentação permitem rendimentos muito baixos de butanol extraído puro. Quando comparado ao etanol, o butanol é mais eficiente em combustível como alternativa de combustível, mas o etanol pode ser produzido a um custo muito menor e com rendimentos muito maiores.
O butanol é tóxico a uma taxa de 20g por litro e pode precisar passar por testes de efeitos de saúde Nível 1 e Nível 2 antes de ser permitido como combustível primário pela EPA.
Possíveis misturas de combustível butanol
Os padrões para a mistura de etanol e metanol na gasolina existem em muitos países, incluindo a UE, os EUA e o Brasil. Misturas de butanol equivalentes aproximadas podem ser calculadas a partir das relações entre a relação estequiométrica combustível-ar de butanol, etanol e gasolina. Misturas comuns de etanol combustível para combustível vendido como gasolina atualmente variam de 5% a 10%. A participação do butanol pode ser 60% maior do que a quota equivalente de etanol, o que dá um intervalo de 8% a 16%. “Equivalente” neste caso refere-se apenas à capacidade do veículo de se ajustar ao combustível. Outras propriedades, como densidade de energia, viscosidade e calor de vaporização, podem variar e limitar ainda mais a porcentagem de butanol que pode ser misturada com gasolina.
A aceitação do consumidor pode ser limitada devido ao cheiro potencialmente banal do n-butanol.Planos estão em andamento para comercializar um combustível que tem 85% de etanol e 15% de butanol (E85B), portanto os motores de combustão interna E85 podem funcionar com um combustível 100% renovável que pode ser feito sem o uso de combustíveis fósseis. Como sua cadeia de hidrocarbonetos mais longa faz com que ela seja bastante apolar, ela é mais semelhante à gasolina do que ao etanol. O Butanol demonstrou trabalhar em veículos projetados para uso com gasolina sem modificação.
Butanol em veículos
Actualmente, nenhum veículo de produção é conhecido por ser aprovado pelo fabricante para utilização com 100% de butanol. A partir do início de 2009, apenas alguns veículos são aprovados para o uso de combustível E85 (ou seja, 85% de etanol + 15% de gasolina) nos EUA. No entanto, no Brasil, todos os fabricantes de veículos (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroën e outros) produzem veículos “flex-fuel” que podem funcionar com 100% de etanol ou qualquer mistura de etanol e gasolina. Esses carros flex fuel representam 90% das vendas de veículos pessoais no Brasil, em 2009. A BP e a Dupont, envolvidas em uma joint venture para produzir e promover o combustível butanol, afirmam que “o biobutanol pode ser misturado até 10% v / v Gasolina européia e 11,5% v / v na gasolina dos EUA “.
Em 2005, David Ramey viajou de Blacklick, Ohio para San Diego, Califórnia, usando 100% de butanol em uma Buick Park Avenue de 1992, sem modificações.
Na corrida de Petit Le Mans de 2009, o Lola B09 / 86 – Nº 16 da Mazda MZR-R da Dyson Racing contou com uma mistura de biobutanol e etanol desenvolvida pelo parceiro de tecnologia da BP.
Vantagens e desvantagens
Ao contrário do bioetanol, é um agrocombustível não corrosivo, e parece que, portanto, não iria oxidar os dutos atualmente existentes (gasodutos) do gás natural de hidrocarboneto não alcoólico.
No entanto, eles não podem ser usados com este produto, pois, porque é fluido, isso desabilitaria completamente toda a rede de tubos de um ou dois continentes e não há superfície suficiente na Terra para cultivar os vegetais necessários para fornecer o mesmo primário energia que hoje dá gás natural. Também é necessário pensar que estes são grandes trabalhos de engenharia calculados por anos para um determinado produto e um certo fluxo hidráulico para cada seção, e que não são válidos para esta outra substância. Não faz sentido carregá-lo (com dinheiro). , poluidoras de emissões e energia que supõe) primeiro ao início atual destes oleodutos, onde existem os depósitos de gás natural, e depois retransportá-lo para distribuição. Devemos ter em mente que, sem fazer isso, seu balanço energético é negativo, produz menos energia do que o necessário (principalmente a partir de combustíveis fósseis e usinas nucleares nos países catalães) para produzi-lo. Embora supostamente não seja ferrugem, ele poderia ser usado diretamente em carros de gasolina ou diesel sem a necessidade de modificar seus motores devido ao seu baixo poder calorífico e as propriedades muito diferentes do etanol para esses hidrocarbonetos.