Бутанол как топливо: Британские ученые придумали, как сделать топливо из пива

Содержание

Британские ученые придумали, как сделать топливо из пива

Новости

29 декабря 2017, 20:23

Британские ученые придумали, как сделать топливо из пива

Ученым из Бристольского университета удалось из пива получить бутанол, который можно использовать как топливо в машинах с двигателем внутреннего сгорания.

По их словам, уже в ближайшие годы технологию можно будет внедрить в производство.

Сейчас самым популярным видом биотоплива является этиловый спирт — в частности, его добавляют в бензин, продающийся в США (до 10% от общего объёма). Однако этанол разъедает двигатели автомобилей и, кроме того, при сгорании даёт меньший выход энергии, чем нефтепродукты.

Поэтому специалисты всё чаще задумаются над тем, чтобы внедрить вместо этанола бутанол, который лишён всех этих недостатков. Он может быть получен из этанола в ходе реакции Гербе, однако катализаторы, которые в ней задействованы, должны работать при отсутствии воды, а добиться этого не так-то просто.

Во-первых, этанол производится в форме водных растворов, и на его обезвоживание требуются дополнительные затраты. Во-вторых, вода возникает как побочный продукт самой реакции Гербе, так что её надо постоянно отводить. Вот почему производство бутанола до сих пор было дорогим удовольствием.

Авторы статьи смогли решить эту проблему, разработав новый катализатор на основе хлорида рутения. Он способен работать даже в водной среде и в присутствии посторонних примесей. Чтобы это продемонстрировать, учёные использовали в качестве сырья для синтеза изобутанола обычное пиво. Выход реакции составил 29%.

Теперь учёные будут разрабатывать технологию для производства топлива в промышленных масштабах, что займёт в лучшем случае пять лет.

 

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

[PDF] Тулунский бутанол: топливо из леса

Download Тулунский бутанол: топливо из леса. ..

Тулунский бутанол: топливо из леса Кандидат физико-математических наук

С.М.Комаров Когда речь идет об альтернативном моторном топливе, как правило, вспоминают биоэтанол либо биодизель. Заводы по их производству из растительного сырья строят во многих странах. Этот бум частично связан с высокими ценами на нефть, а частично с тем, что страны Евросоюза дают большие дотации на использование так называемого экологически чистого топлива. Однако есть еще один вид топлива, который до недавнего времени оставался в тени. Это бутанол. Сейчас его в основном используют как растворитель и компонент пластиков, а синтезируют из нефтепродуктов. Однако в первой половине XX века, пока синтетический способ не оказался более рентабельным, бутанол получали из пшеницы или картофеля. Прошлым летом ситуация изменилась. ОАО «Корпорация Биотехнологии» запустило на Тулунском гидролизном заводе опытную установку по производству бутанола из древесины, причем использован он будет именно как моторное топливо.

Это уникальное производство способно в непрерывном режиме перерабатывать 18 тонн древесины в час. Нигде в мире биобутанол пока не изготавливают промышленным способом из непищевого сырья. Нигде нет и такой технологии переработки древесины, при которой не образуются отходы: все побочные продукты либо в качестве полупродуктов, либо в готовом виде могут для чего-нибудь пригодиться. Сегодня есть планы строительства биобутанольного производства в нескольких богатых лесом странах, например в Канаде. Скандинавы, озабоченные резким падением спроса на газетную бумагу и соответственно на скандинавский лес, тоже хотят получать моторное топливо из древесины. Однако первыми довести подобные планы до реального воплощения удалось отечественным специалистам. Давайте вместе с читателями «Химии и жизни» совершим прогулку по этому заводу.

Тулун Город, в котором открыли производство биобутанола, расположен в 390 км от Иркутска на берегу реки Ия ó притоке Ангары. Иркутская область ó лесное место. Поэтому неудивительно, что в 1949 году в Тулуне начали строить гидролизный завод для производства спирта из целлюлозы, которую, в свою очередь, получали из древесины гидролизом с применением серной кислоты. Эту технологию нельзя назвать оптимальной: получается немало отходов в виде обугленного лигнина с серой и гипсом (он образуется при нейтрализации кислоты). Такой лигнин без дополнительной переработки ни на какое дело особенно не годится, и остается в слабо перегнивающих отвалах ó даже микроорганизмам он оказывается не по зубам. Подобные отвалы есть около любого целлюлозно-бумажного производства или спиртового завода. Однако в Сибири места много, и производство гидролизного спирта успешно работало, ведь в советское время его широко использовали для технических целей, хотя Высоцкий и пел про водку из опилок. После перестройки многие гидролизные заводы прекратили свое существование: потребность в техническом спирте сократилась. Тулунский завод продержался до мая 2006 года, когда повышение акцизов сделало его совершенно не-

8

рентабельным. Он пытался осваивать новые технологии ó запустил цеха по производству пищевого спирта, по выпуску кормовых дрожжей, денатурированной продукции, ó но все это не помогло. И все же руководители завода, прежде всего директор В.А.Хаматаев, не дали предприятие разграбить, а законсервировали до лучших времен. Эти времена наступили в 2008 году, когда корпорация «Биотехнологии» решила создать здесь производство биобутанола.

Бутанол против этанола Бутиловый спирт, бутанол, в отличие от этанола содержит четыре атома углерода, поэтому возможно несколько изомеров. Формула н-бутанола, который получается брожением растительного сырья, ó Ch4(Ch3)3OH, а температура кипения выше, чем у воды. Бутанол ó основной компонент сивушного масла и, стало быть, обладает свойственным ему неприятным запахом. Это обстоятельство в значительной степени способствует тому, что на бутанол стали обращать внимание специалисты по альтернативному топливу. Ведь не секрет, что использовать для заправки автомобиля смесь из этанола с бензином небезопасно для здоровья населения, которое достаточно сообразительно, чтобы при случае выделить даже из нее продукт, пригодный

 ðóêàõ ó äèðåêòîðà çàâîäà Â. À.Õàìàòàåâà áàíêà ñ äðåâåñèíîé, ðàçìîëîòîé äî ìèêðîííîãî ðàçìåðà

ТЕХНОЛОГИИ И ПРИРОДА

О жизни клостридий «Перед нами стояла очень непростая задача ó нужно было за два месяца переделать гидролизный завод под производство биобутанола. Некоторые элементы технологии приходилось отрабатывать непосредственно во время монтажа. Люди на заводе во главе с директором трудились круглые сутки. Это была очень интересная работа, тем более что давно перед нами никто не ставил столь масштабной задачи», ó рассказывает доктор биологических наук, профессор В.Б.Акопян из ГосНИИ биосинтеза белковых веществ, в котором и была создана безотходная технология производства биобутанола.

Высокая технология подготовки древесины Клостридии питаются сахаром. Его-то и нужно извлечь из древесины с наименьшим количеством отходов. Для этого поступившую на склад завода древесину хорошенько подготавливают. Первый этап ó измельчение. Второй ó извлечение из полученного древесного порошка смолы. Для этого спроектировали компактный ультразвуковой экстрактор, ускоривший процесс в тысячу раз.

Механизм действия ультразвука таков. Каждую частичку сухого дерева можно представить как воздушный пузырек, застрявший в микроскопическом кусочке губки. Он, многократно сжимаясь и расширяясь под действием ультразвука, ускоряет пропитку дерева растворителем, вихри которого у поверхности частицы быстро, за 10ó20 секунд, вымывают из всю смолу. Именно такая большая скорость необходима, чтобы обеспечить переработку 18 т древесины в час. На удаление смолы из каждой тонны древесины нужно затратить восемьóдесять тонн растворителя. Это может быть один из сопутствующих продуктов производства бутанола ó ацетон. После очистки от смолы растворитель вновь идет на обработку очередной порции древесных опилок. Выделенная без тепловой обработки смола чиста, а также насыщена эфирными маслами и биологически активными веществами, чего не скажешь о смоле, полученной традиционным способом ó вытапливанием. В результате она обладает приятным ароматом леса и служит отличным оздоравливающим средством: создатели технологии доказали, что ее суспензия, распыленная в воздухе, уничтожает или подавляет многие болезнетворные бактерии, в том числе палочки Коха.
В общем, получается отличная натуральная добавка для всевозможных ароматизаторов воздуха. А выходит этой смолы ни много ни мало 30ó35 кг из тонны хвойной древесины.

9

«Химия и жизнь», 2009, № 5, www.hij.ru

для употребления внутрь. Про ядовитый метанол и говорить не приходится. Бутанол же по ядовитости превосходит этанол в три-четыре раза, однако выпить его по ошибке невозможно: слишком уж мерзок запах. А как топливо для автомобилей он заслуживает только похвалы. Октановое число н-бутанола ниже, чем у этанола и метанола, и очень близко к бензину: измеренное по исследовательскому методу, оно равно 96, а по моторному методу ó 78. (Как пишет «Википедия», определение октанового числа проводят на установках с одноцилиндровым двигателем в двух режимах: более жесткий ó моторный метод, менее жесткий ó исследовательский.) У этанола октановое число выше ó 100ó105. Значит, бензиновый двигатель для работы даже на чистом бутаноле не надо изменять, достаточно отрегулировать. Для чистого этанола конструкцию двигателя менять нужно, а в бензобак обычного автомобиля заливают его раствор в бензине: этанол служит добавкой, повышающей октановое число.

В отличие от этанола бутанол не разбавляется, самовольно поглощая водяные пары. Поэтому для его перевозки не требуются герметичные цистерны: этот спирт вполне можно перекачивать по трубопроводам и разливать с помощью обычных бензозаправочных колонок. Ну а преимущество любого спирта перед бензином состоит в гораздо более чистом выхлопе: в спирте нет ни азота, ни серы, ни ароматических углеводородов. Если же вспомнить о добавке «био» к слову «бутанол», которая подразумевает получение спирта из возобновляемого сырья, то станет ясно, что такое топливо должно еще и способствовать снижению выбросов углекислого газа в атмосферу. Тулунский бутанол получают именно таким способом ó из дерева, прежде всего из отходов лесозаготовок и деревопереработки. А таких отходов много: обычно из двадцати-тридцатиметровой сосны удается выпилить одно-два шестиметровых бревна. Остальное ó тонкие или кривые куски ствола, пни, а также сучья ó идет в отходы, общий объем которых составляет 60% от срубленного дерева.
Эти отходы и должны были служить сырьем для гидролизного спирта, хотя их нередко оставляли на лесосеке, а спирт делали из деловой древесины. Теперь они станут сырьем для изготовления бутанола.

Сам по себе биологический способ получения бутанола известен уже полтора века ó еще в 1861 году Луи Пастер обнаружил микроорганизмы, которые при сбраживании сахара синтезируют бутанол. Это клостридии, в частности Clostridium acetobutylicum. Они живут в анаэробных условиях и помимо бутанола синтезируют еще и ацетон, этанол, а также органические кислоты. (Соотношение бутанол:ацетон:спирт ó 6:3:1.) Бутанол ó продукт жизнедеятельности бактерий, а жить в продуктах своей жизнедеятельности ó кому понравится? Поэтому, накапливаясь, бутанол подавляет рост и развитие своих производителей. Аналогичный эффект, кстати, объясняет тот факт, что натуральные спиртные напитки содержат определенное, характерное для них количество этанола. Например, пиво не случайно обладает крепостью 4ó5%: при более высокой концентрации пивные дрожжи перестают расти. Для винных дрожжей предел ó 12ó13%. Есть редкие виды дрожжей, которые живут при крепости 18%, с их помощью получают очень сладкие и крепкие натуральные вина, например, в Армении. Ну а клостридии выдерживают лишь 2% бутанола. Многие другие бактерии и на порядок более низкой концентрации бутанола не приемлют, и там, где хорошо развиваются клостридии, нет микроорганизмов, мешающих основному процессу . Поэтому при проектировании схемы завода нужно было решить задачу непрерывного удаления бутанола, а также этанола и ацетона из ферментера с клостридиями.

После того как разобрались со смолой, порошок надо еще сильнее измельчить. Это делают на высокоскоростной мельнице. Как оказалось, дробить дерево ó сложная задача, потому что древесина весьма упруга; лишь при большой скорости размола частицы дерева становятся хрупкими как стекло. С одного конца в мельницу поступают опилки после экстракции смолы, а с другой сыплется древесная пыль с частицами микронных размеров. При такой обработке происходит еще и активация поверхности частиц. Чтобы древесная пыль случайно не загорелась, все процессы проводят в углекислом газе, благо клостридии и его выделяют в большом количестве.

Расставание с лигнином После мельницы порошок попадает в реактор, где его обрабатывают ферментами. Их задача ó освободить целлюлозу от лигнина, расщепив ее на составляющие сахара. Дело в том, что древесное волокно построено из двух полимеров. Один из них ó полисахарид целлюлоза. Второй ó лигнин, нерегулярный полимер, состоящий из остатков замещенных фенилспиртов. Он входит в состав клеточных стенок и, располагаясь в межклеточном пространстве, скрепляет целлюлозные волокна. Чтобы разделить полимеры, прежде использовали гидролиз целлюлозы в присутствии неорганических кислот (вспомним упомянутые выше горы обугленного лигнина). Создатели биобутанольного производства решили не идти по этому проверенному пути, ведь хотелось получить безотходную технологию, то есть выделять лигнин в такой форме, чтобы его потом можно было использовать. Для этого применили альтернативный способ гидролиза целлюлозы, а именно ферментативный. В общем-то давно было известно, что ферменты грибов неплохо справляются с гидролизом, после чего сахара практически полностью переходят в раствор. Ученые из МГУ им. М.В.Ломоносова во главе с профессором А.П.Синициным научились получать очень эффективные ферменты, и процесс разделения частиц мелко намолотой древесины на лигнин и Òàê âûãëÿäèò òèïè÷íàÿ ÷àñòèöà сахар стал достаточно полèçìåëü÷åííîé äðåâåñèíû â ëàçåðíîì ным и быстрым, чтобы и на ôàçîâîì ìèêðîñêîïå (ÌÈÐÝÀ) этом этапе не тормозить непрерывную переработку древесины в биотопливо. Лигнин выпадает в осадок, и после отделения от раствора сахара из каждой тонны древесины получается 400 кг светлобежевого порошка, который обладает ценным качеством ó он не гниет. Поэтому из него получаются древесные плиты, стойкие к воздействию внешней среды. Другое применение ó искусственные дрова, так называемые пеллеты. По теплотворной способности топливные пеллеты превосходят дерево, поэтому их считают лучшим биотопливом для каминов, тем более что горят они почти без дыма, золы и выделяют при горении мало вредных веществ. Опять же это возобновляемый ресурс.

«Áóòàíîë. Íè ñ ÷åì ïî çàïàõó åãî íå ñïóòàåøü», — ðàçìûøëÿåò ãåíåðàëüíûé äèðåêòîð ÎÀÎ «Êîðïîðàöèÿ Áèîòåõíîëîãèè» Ï.Ñ.Êàíûãèí

ся в начало процесса и либо снова начинают перерабатывать сахара, либо погибают и служат питанием для других бактерий. Попутно получаются углекислый газ и водород. Это отнюдь не отходы. Первый из них требуется для создания безопасной атмосферы при размоле дерева. Кроме того, этот газ используют во многих отраслях промышленности, поэтому его надо собрать, сжать и отправить потребителям. Водород перевозить на большие расстояния сложно, поскольку он слишком легок и взрывоопасен. Однако его можно использовать непосредственно на месте: сначала как горючее, а в будущем ó например, для получения электроэнергии в установке, совмещающей высокотемпературный топливный элемент и паровую турбину. Что же касается не переработанного клостридиями сахара, то он идет на производство кормовых дрожжей, благо соответствующий участок на Тулунском заводе уже имеется. По питательным свойствам 0,5 кг дрожжей сравнимы с килограммом мяса, тремя десятками яиц или четырьмя литрами молока, причем белок, синтезируемый дрожжами, переваривается в организме животных на 95%. Поэтому дрожжи всегда останутся отличной добавкой к кормам. Даже если нефть станет бесплатной и не будет потребности в биобутаноле, завод вполне может работать, превращая лесной сахар в кормовой белок и продавая его сельскохозяйственным предприятиям либо в родной области, либо в Китай и Индию, у которых потребность в белковых кормах велика, а крестьяне более кредитоспособны, чем в России.

Бутанол в бензобак И вот, в конце концов, из крана, который находится в конце технологической цепочки, потек бутанол. Что с ним делать дальше? Есть два пути. Первый ó использовать по прямому назначению, то есть в качестве растворителя. Второй ó моторное

Сахар для клостридий и дрожжей После отделения лигнина получается раствор сахаров. ÷еллюлоза дает две разновидности ó глюкозу с шестью атомами углерода и ксилозу с пятью атомами. Это еще одна причина, по которой из древесины выгодно получать именно бутанол, а не этанол: дрожжи не умеют работать с ксилозой и она теряется. А клостридии употребляют и глюкозу, и ксилозу. В ферментере они превращают большую часть сахаров в бутанол, а меньшую ó в ацетон и этанол. Жидкость постепенно перемещается из одного ферментера в другой, по дороге из нее извлекают спирты и ацетон. Концентрация сахаров постепенно убывает, пока, наконец, в последнем ферментере не станет предельно малой. После этого бактерии возвращают-

10

Êîëáó ñ ïåðâûì áèîáóòàíîëîì ïîêàçûâàåò ãîñòÿì çàì. äèðåêòîðà «ÃîñÍÈÈñèíòåçáåëêà»Å.Ð.Äàâèäîâ, íàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü ïðîåêòà

И Ãëàâíûé òåõíîëîã çàâîäà Ñ.Þ.Íîâîæèëîâà ëè÷íî çàëèâàåò ïåðâûé áèîáóòàíîë â áåíçîáàê àâòîìîáèëÿ

топливо. Совсем недавно, летом 2008 года, когда цены на нефть достигли максимума, биобутанол оказался дешевле бензина, с чем, собственно, и было связано столь быстрое освоение этого проекта. Именно так и распорядились полученным на заводе первым бутанолом: его залили в бензобаки специально для этого проекта купленных автомобилей «Лада-Калина». В один ó 10%-ный раствор бутанола в бензине, в другой ó 20%-ный, а в третий, для контроля, ó чистый бензин. Все автомобили доехали от Тулуна до Тольятти, где заводские техники провели диагностику и никаких неприятностей от поездки на новом виде топлива не отметили. Водители же отметили следующий курьезный факт: биобутанол пахнет приятнее, чем синтетический. Видимо, какие-то ароматические вещества древесины прошли сквозь всю технологическую цепочку и скрасили запах сивухи. Аналогичная история, кстати, происходит и с биодизелем, который пахнет жареными пирожками. Что же дальше? Опытную установку на заводе запустили 12 сентября 2008 года к очередному Байкальскому экономическому форуму, получили 500 литров биобутанола и снова законсервировали, чтобы проанализировать результаты ее работы и начать разработку проектной документации. Завод, как и намечалось изначально, станет опытным производством. На нем будут отрабатывать разные технологические схемы, чтобы спроектировать и пустить еще несколько подобных заводов разной мощности. Такой завод, работая на дереве, сможет обеспечить потребности региона в топливе и сделать его независимым от поставок нефтепродуктов. Впрочем, у биобутанола, при производстве которого получается немало побочных продуктов, имеющих коммерческую ценность, есть шанс оказаться сильным соперником бензина: для этого нужно грамотно продать все эти продукты, обеспечивая общую рентабельность предприятия. А при наличии европейского опыта кардинального изменения экономической стороны дела с помощью разного рода дотаций, этот вид топлива выглядит весьма привлекательно: достаточно одного губернаторского распоряжения по борьбе с загрязнением атмосферы продуктами сгорания бензина ó и биобутанол окажется востребованным на региональном рынке. Кроме того, наряду с упомянутыми в начале статьи мыслями скандинавов о топливном использовании леса, полезно вспомнить и общеевропейские программы вроде «Евротополь», «Евроива» и «Евробамбук», нацеленные на возделывание быстрорастущих видов деревьев и трав для энергетических целей. Производство биобутанола четко вписывается в эти программы. Во всяком случае, все хитрости отечественной биобутанольной технологии запатентованы, и она вполне может стать предметом импорта в экологически озабоченную Европу, если будет ненужной в богатом нефтью отечестве.

КАЛЬКУЛЯТОР

з одной тонны сухой хвойной древесины получают 0,5 т сахаров, 0,4 т лигнина, 50 кг воды, 20ó30 кг смолы. Из сахаров по классической схеме выходит 14 кг этанола, 40 кг ацетона, 100 кг бутанола, 220 кг СО2 и 0,5 кг Н2. Много это или мало? Сколько леса потребуется переработать, если возникнет задача перевести транспорт на возобновляемое топливо? Выход древесины с одного гектара составляет от 200 до 900 м3. Примем среднее ó 550 м3. Плотность сухой древесины сосны составляет 500 кг/м3. То есть с гектара леса получится 225 т сухой древесины. Она даст 22,5 т бутанола и 3,2 т этанола. Чтобы удовлетворить годовую потребность РФ в топливе, а это 25 млн. т бензина, надо извести на моторное топливо 1,1 млн. га леса в год, или 88 млн. га за те 80 лет, что лес достигает зрелости. Это 8,8% общей площади лесов РФ. Число вполне разумное; освоение такой площади в течение десятилетий не угрожает разрушением среды обитания человека. В случае интенсивных методов лесного хозяйства ó применение удобрений, ядохимикатов и сверхбыстрорастущих деревьев, полученных методом генетического модифицирования ó площадь леса, необходимого для обеспечения всей страны альтернативным топливом, еще сократится. Таким образом, леса оказываются гораздо более реальным источником альтернативного топлива, нежели, скажем, зерновые культуры. Напомним, что согласно предыдущему расчету (см. «Химию и жизнь», 2008, № 5) для того, чтобы обеспечить потребность Украины в биодизеле, нужно засеять рапсом треть ее зернового клина и возделывать его весьма интенсивно, на уровне рекордной урожайности. Соответственно на изготовление из пшеницы этанола для замены бензина пойдет еще одна треть, и тогда на выращивание пищи места почти не останется. В южных районах выращивание на топливо деревьев-медоносов вроде липы дает возможность получить дополнительный доход от сбора меда. В северных же районах при комплексном лесном хозяйстве доход от сбора грибов и ягод сравним с тем, что получается при использовании древесины. Попутно с бутанолом ежегодно будет получено 99 млн. т лигнина, или более чем по тонне топлива на каждую семью в РФ, а также 123 тыс. т водорода, что соответствует дополнительным 243 млн. л бензина. Этот водород можно использовать как моторное топливо (если его удастся перевезти от места производства) либо превратить с помощью топливных элементов и тепловых турбин в 4 МВт.ч электроэнергии. Есть еще и 10 млн. т ацетона. Это вещество обычно используют в качестве растворителя, причем мировое его производство в 1980 году составляло 3 млн. т в год. Видимо, огромное количество ацетона, выработанного клостридиями при производстве биобутанола, станет сырьем для новых направлений химической промышленности.

Ф.Манилов

11

«Химия и жизнь», 2009, № 5, www. hij.ru

Бутанольная экономика

Открыта технология получения дизельного топлива методом брожения

Технология получения дизельного топлива методом брожения открыта биохимиками из Беркли. Их работа позволит получать биодизель из растительного сырья и отходов целлюлозной промышленности.

Группа биохимиков из Беркли сумела получить новую разновидность биотоплива, идентичного дизельному, модифицировав с помощью несложных катализаторов открытую сто лет назад технологию получения ацетона методом ферментации углеводов бактерией Clostridium acetobutylicum. Технологический процесс, описанию которого посвящена статья в новом номере Nature, относительно несложен, отличается дешевизной компонентов, а конечный продукт по энергоемкости превосходит биоэтанол, используемый как замена бензина в двигателях внутреннего сгорания.

Авторы статьи полагают, что уже через 5—10 лет полученный методом брожения биодизель начнет постепенно замещать традиционное дизельное топливо, получаемое в процессе перегонки нефти.

Процесс ферментации с участием бактерии Clostridium acetobutylicum, называемый также ABE-процессом по названию трех конечных продуктов брожения — ацетона, бутанола и этанола, был открыт накануне Первой мировой войны химиком Хаимом Вейцманом, будущим первым президентом Израиля и видным деятелем сионистского движения. ABE-брожение использовалось для получения ацетона, необходимого при синтезе кордита — разновидности нитроглицеринового бездымного пороха.

Впрочем, очень скоро про бактерии Вейцмана, не выдержавшие конкуренции с дешевеющей и доступной нефтью, на какое-то время забыли, но потом опять вспомнили во время Второй мировой войны, когда резко вырос спрос на синтетическую резину. В США последний завод, производивший ацетон и бутанол методом АВЕ-брожения, был закрыт в 1965 году: дешевое минеральное сырье вновь оказалось вне конкуренции.

Похоже, что очередной ренессанс интереса к «ацетоновой» бактерии вновь не за горами.

Новая технология производства биодизеля из растительного сырья и отходов целлюлозной промышленности была открыта почти случайно.

Сначала биохимики Харви Бланч и Даглас Кларк, работающие в Университете Калифорнии в Беркли, решили выяснить, есть ли более простые и энергетически менее затратные, чем применявшиеся до сих пор, методы раздельной дистилляции ацетона, бутанола и этанола из ферментированного бактерией Вейцмана «бульона». Поиски увенчались успехом: обнаружилось, что некоторые органические растворители, такие, например, как глицерил трибутират (трибутирин), могут избирательно экстрагировать из ферментированной смеси ацетон и бутанол, оставляя в ней большую часть этанола.

При этом трибутерин не токсичен для бактерий Clostridium, не вступает в реакцию с ферментированным субстратом, а процесс дистилляции с его участием идет при намного более низкой температуре, что дает экономию энергии в 90%.

Одновременно другой сотрудник Беркли биохимик Дин Тост экспериментировал с катализаторами, позволяющими получать из смеси ацетона, бутанола и этанола различные длинноцепочечные углеводороды, прежде всего кетоны, сходные по свойствам с содержащимися в дизельном топливе алканами.

Бланч и Кларк обратили внимание, что соотношение ацетона, бутанола и этанола в их дистилляте, полученном с помощью трибутирина, идеально подходит для запуска открытых Тостом каталитических реакций, превращающих этот «бульон» в смесь углеводородов, идентичную по свойствам дизельному топливу: этанол и бутанол, реагируя в присутствии катализаторов (палладия и фосфата калия), сначала превращаются в альдегиды, которые, в свою очередь, реагируют с ацетоном, присоединяя атомы углерода и выстраивая более длинные молекулы.

Регулируя параметры реакции, можно получать смесь из преимущественно «легких» или «тяжелых», а также более «ветвистых» углеводородов.

Соответственно, и биотопливо по своим свойствам будет напоминать больше бензин, дизель или керосин. Испытания показали, что биодизель, полученный ферментно-каталитическим способом, по свойствам и энергоэффективности аналогичен дизельному топливу, полученному из нефти.

Пока что стоимость такого биодизеля превышает стоимость традиционного, однако уже обещанная авторами замена палладиевого катализатора на более дешевый, а также дальнейшее ужесточение экологических норм в некоторых американских штатах, прежде всего в Калифорнии, позволяют с оптимизмом смотреть на будущее «бактериального» дизеля, который заменит минеральный в двигателях грузовиков, тепловозов и судов, то есть там, где электрические двигатели, эффективно работающие в легковых автомобилях, пока не могут заменить двигатели внутреннего сгорания.

Латвийские учёные научились делать топливо из борщевика

Сотрудники Рижского технического университета (РТУ) выяснили, что вредный сорняк, наряду с сельскохозяйственными отходами является отличным сырьём для производства биогорючего второго поколения — бутанола. Авторы открытия уже подали документы, чтобы запатентовать своё ноу-хау в Европе. 

Ведущий исследователь РТУ Янис Рубулис демонстрирует установку для производства уникального биотоплива: «Всё начинается вот с этого котла. Сюда помещается исходное сырьё. Затем оно размельчается». 

Уникальность заключается в том, что в котёл в качестве сырья учёные помещают напасть всех крестьян – ядовитый сорняк борщевик. 

«Наша цель – производить биотопливо из сельскохозяйственных отходов. Из продуктов, которые не используются в продовольствие. В основном мы используем борщевик. Но с таким же успехом можем в качестве сырья использовать сено, траву, остатки овощей и фруктов», — рассказала Латвийскому радио 4 ведущий исследователь РТУ Линда Межуле. 

По данным Сельскохозяйственного университета, площадь зарослей борщевика ежегодно увеличивается минимум на 10%. Государство уже не знает, как с ним бороться. А учёные нашли выход: делают из него биогорючие второго поколения — бутанол.  

«Уже сейчас к бензину добавляют биэтанол. Биобутанол чем-то похож. Разница в том, что его можно добавить больше, он не вызывает коррозий двигателя. К тому же в нём выше энергетическая ценность. При том же объёме автомобиль может проехать больше», — уверяет Межуле. 

В процессе изготовления биотоплива учёные вместо готовых реагентов используют грибы, что делает горючее «экологическим» во всех отношениях. Специфические энзимы, добываемые из грибов, разделяют биомассу. Ценность такого подхода в том, что применяются не вредные химикаты, а дружественный среде материал. 

Пилотная установка, которую учёные построили в одной из лабораторий строительного факультета РТУ, позволит отработать процесс получения биотоплива до мельчайших нюансов. В итоге авторы проекта смогут предложить бизнесменам фактически готовое производство. 

«Установка позволяет всё сделать на практике. Не в лабораторных условиях маленькими порциями, а в большем объёме, не прекращая процесс. Она работает постоянно, мы совершенствуем систему», — рассказал Янис Рубулис.  

Авторы открытия уже подали документы на европейский патент. 

Справка 

В Латвии действует государственная программа по борьбе с ядовитым растением — борщевиком. 

Растение оказалось настолько живучим, что избавиться от него стало чрезвычайно трудно. 

История появления борщевика в Латвии начинается в 1960-х годах. Борщевик Сосновского (так правильно он называется) был рекомендован учеными как высокоурожайная культура, не требующая ухода. Впоследствии выяснилось, что для приготовления силоса из борщевика необходимо добавлять другие виды трав, иначе животные после его употребления заболевали. К тому же оказалось, что и в малых дозах борщевик вредит: продуктивность коров резко снижалась, а молоко становилось пригодным только для переработки. При попадании сока травы на кожу вздуваются волдыри. 

«Latvijas avize» отмечает, что, например, в Финляндии уничтожение борщевика стало частью государственной программы. Оказывается, на уничтожение опасного сорняка правительство Финляндии отвело целых 20 лет.  

Конгресс и выставка «Биомасса: топливо и энергия»

Место проведения: Москва, улица Лесная, д. 15. Отель «Холидей Инн Лесная»

13-14 апреля 2021 года в Москве, в отеле «Холидей Инн Лесная» состоится конгресс и выставка «Биомасса: топливо и энергия» – специализированное отраслевое мероприятие, посвященное производству и применению автомобильных и котельных биотоплив из возобновляемого сырья: этанола, бутанола, бионефти, пеллет и брикетов.

Главная цель конгресса — обсудить производство и использование жидких (моторных) и твердых (котельных) биотоплив, а также вопросы производства пищевого спирта. 14 апреля 2021 в рамках конгресса «Биомасса: топливо и энергия» пройдет форум «Топливный биоэтанол — 2021», посвященный производству и применению топливного биоэтанола. 

Программа конгресса.

Организатор форума – Российская Биотопливная Ассоциация (РБА). Участниками конгресса станут производители и трейдеры зерна, сахарные компании, лесозаготовители и переработчики древесины, ЦБК, нефтеперерабатывающие компании, ЖКХ, сети АЗС, предприниматели, банки, венчурные компании, инвестиционные фонды, инжиниринговые компании, производители оборудования, представители региональной и федеральной власти, журналисты, экологи, ученые – все, кому интересны топлива из возобновляемого сырья.

Президент РФ Владимир Путин подписал в конце 2018 г. принятые Госдумой поправки в ФЗ «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции…». Изменения регламентируют производство и применение топливного биоэтанола, открывая тем самым новые возможности для бизнеса.

«Как подписанный на самом высоком уровне закон, так и программа развития биотехнологий в России, сделают развитие рынков биотехнологий и биотоплива локомотивом, способным придать стране импульс для дальнейшего роста, базирующегося на диверсификации экономики, — считает президент РБА Алексей Аблаев. – Конгресс и выставка «Биомасса: топливо и энергия» – это место встречи, где участники отрасли обсудят пути развития бизнеса на биотопливном рынке с учетом благоприятной политической конъюнктуры».

В рамках мероприятия пройдет выставка, а ведущие специалисты обменяются опытом и выступят на различные темы, включая:

· Состояние отрасли: развитие технологий и рынка биотоплив.

· Биозаводы: инжиниринг, производимые продукты, экономика.

· Производство пищевого и технического спирта: тонкости технологии, реконструкция заводов, новые виды сырья.

· Перепрофилирование спиртовых заводов на производство кормовых дрожжей и других биопродуктов.

· Топливный биоэтанол, бутанол и другие транспортные биотоплива.

· Биотоплива из соломы и опилок: технологии и коммерциализация.

· Пиролиз и газификация: бионефть, сингаз и древесный уголь. Стандарты и рынок печного биотоплива.

· Биодизель, биокеросин и растительные масла как топливо.

· Твердые биотоплива: пеллеты, брикеты, щепа.

· Логистика лесной и сельскохозяйственной биомассы.

· Энергетика и водоподготовка при реализации проектов.

· Другие вопросы биотопливной отрасли. 

Бутиловый спирт (бутанол-1)

Характеристики:

Бутиловый спирт (бутанол-1) — это один из представителей одноатомных спиртов. Он представляет собой бесцветную жидкость с особым запахом сивушного масла. Может смешиваться с органическими растворителями.

 

Химическая формула: С4H9OH.

 

Получить бутанол можно несколькими методами:

 

— Из ацетальдегида через ацетальдоль и кротоновый альдегид, который гидрируют на медных или никелевых катализаторах.

— С помощью ацетоно-бутилового брожения пищевого сырья.

 

 

У бутилового спирта широкая сфера использования:

 

— Особенно часто используют в роли растворителя в лакокрасочной промышленности, а также при изготовлении смол и пластификаторов.

— Необходим для производства пластификаторов: дибутилфталата и трибутилфосфата.

— Нечасто его используют в качестве автомобильного топлива.

— Принимает участие в синтезе многих органических соединений.

— Содержится в самых разных алкогольных напитках.

 

Бутанол активно используется, его степень токсичности невелика, потому он наносит малый вред здоровью человека.

 

 

Свойства:

 

Молярная масса

74,12 г/моль

Плотность

0,81 г/см³

Динамическая вязкость

33,79 мПа*с

Температура кипения

117,4 °C

Температура вспышки

34°C

Температура самовоспламенения

345 °C

Удельная теплота испарения

591,2 кДж/кг

Температура плавления

-90,2 °C

Бутанол ПДК

Типичный представитель группы младших спиртов – бутанол (C4H9OH), в обычных условиях находится в жидком состоянии, жидкость не имеет цвета, но обладает, хорошо узнаваемым, “ароматом” сивухи. По расположению гидроксильной группы (OH) бутанол делится на 4 изомера, первичный (н-бутанол) – наиболее известный вариант, представляет собой нормальный бутиловый спирт. При повышении температуры легко переходит в газообразное состояние, безопасное содержание паров C4H9OH в воздухе контролируется газоанализатором бутанола. 

Характеристики и свойства 

Спирт кипит при температуре выше 117°C, в твердое состояние переходит при охлаждении ниже -89°C. Он имеет меньшую чем у воды плотность, которая составляет 0,8098 при температуре среды 20°C. Соединение хорошо растворимо в ацетоне и плавиковой кислоте, значительно хуже, в зависимости от температуры, в бензоле и воде, смешивается с этиловым спиртом и сульфоланом. 

Как и все спирты, бутанол проявляет свойства слабой кислоты, образуя с металлами соли – алкоголяты. Еще одна типичная реакция, в которую вступает бутиловый спирт – реакция этерификации, в присутствии сильной кислоты спирт взаимодействует с органической кислотой с получением эфира. При воздействии галагенидов, гидроксильная группа в молекуле спирта замещается галогеном. 

Вещество является взрывопожароопасным, довзрывная концентрация бутанола ограничена 1,76% от объема или 52,5 г/м3 массы. При преодолении НКПР опасность сохраняется до верхнего предела в 12% от общего объема газовоздушной смеси. 

Применение и безопасность 

Свойства растворителя синтетики и натуральных материалов, определило сферу использования бутилового спирта – растворение красок, олиф, смол некоторых видов полимеров, алкалоидов и масел. Большое значение в качестве промежуточного звена бутанол имеет в таких отраслях, как производство лекарств и химикалей. Он востребован при изготовлении искусственной кожи, шеллака, духов и многих других полезных продуктов промышленного производства. А использование этого спирта, как эффективного моторного топлива, имеет очень хорошие перспективы. 

Несмотря на относительно невысокую токсичность бутанола, его повышенная концентрация в воздухе производственного помещения может вызвать целый ряд неприятных последствий. Он обезжиривает и сушит кожу, раздражает глаза и органы дыхания, может стать причиной головой боли, оказывает негативное воздействие на центральную нервную систему. ПДК вещества определяет его количество в 10 мг на 1м3 воздуха рабочей зоны. Современные системы наблюдения за составом воздуха предлагает НПФ ИНКРАМ, приборы серии С300 для контроля ПДК 


и датчик бутанола АРП1.0 для контроля превышения НКПР способны эффективно выполнять функции газоанализатора бутанола. Их установка позволит контролировать не только содержание паров бутилового спирта, но и целого ряда других более опасных загрязнителей воздуха.


Центр данных по альтернативным видам топлива: Биобутанол

Бутанол, четырехуглеродный спирт (бутиловый спирт), производится из того же сырья, что и этанол, включая зерно кукурузы и другую биомассу. Термин биобутанол относится к бутанолу, полученному из сырья биомассы. Преимущества биобутанола по сравнению с этанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров по Рейду. Согласно Стандарту по возобновляемым видам топлива, бутанол из кукурузного зерна соответствует 20% пороговому значению сокращения выбросов парниковых газов из возобновляемых источников топлива.

Хотя существует четыре изомера бутанола, наиболее активная коммерческая работа сосредоточена на изобутаноле для смешивания с бензином. Два положения Закона о чистом воздухе позволяют смешивать до 12,5% биобутанола по объему с бензином. Кроме того, в соответствии с отказом от требований, предоставленным Агентством по охране окружающей среды США (EPA), смесь 16% биобутанола является законным топливным эквивалентом E10 (10% этанола, 90% бензина). Бутанол соответствует стандарту качества топлива ASTM D7862 для смеси с бензином до 12,5%.Две основные компании, производящие биобутанол, — это Butamax и Gevo.

Обе компании зарегистрировались в EPA для продажи дорожных транспортных средств. По состоянию на июнь 2018 года EPA одобрило до 16% смесей биобутанола. Важно обеспечить, чтобы биобутанол, смешанный с бензином, не приводил к содержанию кислорода, превышающему предел EPA в 3,7%. Утвержденный EPA уровень 16% биобутанола был определен на основе предположения, что никакие другие оксигенаты (например, этанол) не включены в топливную смесь.Смеси биобутанола в настоящее время продаются в некоторых частях США.

Окриджская национальная лаборатория исследовала совместимость материалов топливного оборудования с биобутанолом и обнаружила, что оборудование, совместимое со смесями этанола, также совместимо с биобутанолом. В 2013 году Underwriters Laboratories объявили, что оборудование, сертифицированное по предмету испытаний 87A (для смесей выше E10), также может сохранять сертификацию при использовании с биобутанолом. Ожидается, что биобутанол будет распространяться автоцистернами и по железной дороге с возможностью транспортировки по трубопроводам после исследований, демонстрирующих его безопасность.

Производство

Первые заводы по производству биобутанола были модернизацией существующих заводов по производству этанола из кукурузы. Топливо производится путем ферментации кукурузного сырья, и этот процесс почти идентичен производству топливного этанола из кукурузы. Компании, производящие биобутанол, производят ряд ценных продуктов, в том числе транспортное топливо. Первичные побочные продукты заводов по производству биобутанола могут включать растворители / покрытия, пластмассы и волокна. Производство этих побочных продуктов помогает компаниям, занимающимся производством биобутанола, улучшить экономические показатели за счет диверсификации предложения продуктов.Проблема биобутанола заключается в том, что из бушеля кукурузы можно произвести больше этанола, чем биобутанола.

Gevo начала производство целлюлозного биобутанола, который превращается в топливо для реактивных двигателей, которое соответствует спецификации качества топлива D7566 для использования коммерческими авиакомпаниями (Voegele 2016b). Butamax модернизирует завод по производству этанола из кукурузы, чтобы продемонстрировать свою технологию.

Ближайшие перспективы производства биобутанола ограничены, поскольку рынок был небольшим и нестабильным с 2012 года. Данные EPA по возобновляемому идентификационному номеру (RIN) показывают, что примерно 12 000 галлонов вышли на коммерческий рынок в 2013 году, ни одного в 2014 и 2015 годах. и более 125 000 галлонов в 2016 году.Кроме того, ни в 2017, ни в 2018 году на рынок не поступало ни одного биобутанола.

Преимущества

Биобутанол — альтернатива традиционному транспортному топливу. Преимущества биобутанола включают:

  • Более высокое содержание энергии —Энергетическая ценность биобутанола относительно высока среди альтернатив бензину. Однако удельная энергия биобутанола на 10–20% ниже удельной энергии бензина.

  • Более низкое давление паров по Рейду —По сравнению с этанолом, биобутанол имеет более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть и выбросы в результате испарения.

  • Повышенная энергетическая безопасность —Биобутанол можно производить внутри страны из различных видов сырья, создавая при этом рабочие места в США.

  • Меньше выбросов — Меньше выбросов производится при использовании биобутанола по сравнению с нефтяным топливом. Углекислый газ, улавливаемый растущим сырьем, снижает общие выбросы парниковых газов за счет уравновешивания углекислого газа, выделяемого при сжигании биобутанола.

  • Дополнительные возможности транспортировки —Биобутанол не смешивается с водой, что означает, что его можно транспортировать по трубопроводам для снижения транспортных расходов.

Исследования и разработки

Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США изучила различные аспекты производства биобутанола:

Министерство энергетики США (DOE) и EPA финансируют исследования и разработки в области биобутанола в рамках своих программ по передаче технологий для малого бизнеса и инновационных исследований для малого бизнеса.

Компании, занимающиеся производством биобутанола, включают Butamax (совместное предприятие DuPont и BP) и Gevo.

Дополнительная информация

Узнайте больше о биобутаноле по ссылкам ниже. Центр данных по альтернативным видам топлива (AFDC) и Министерство энергетики не обязательно рекомендуют или одобряют эти компании (см. Отказ от ответственности).

AFDC также обеспечивает поиск публикаций для получения дополнительной информации.


Бутанол — обзор | Темы ScienceDirect

1 Введение

Бутанол — это спирт C4 с молекулярной формулой C 4 H 9 OH. Бутанол имеет четыре изомерные структуры, включая n -бутанол, 2-бутанол, изобутанол и тет-бутанол, все из которых могут быть получены термохимическими реакциями с неорганическими катализаторами из ископаемого топлива.Бутанол в качестве основного химического вещества широко используется в качестве прекурсора в органическом синтезе, а также в качестве растворителей в пищевой промышленности и различных химических процессах. n -Бутанол считается топливом, превосходящим этанол. n -Бутанол имеет высокую плотность энергии 29,2 МДж / л (по сравнению с 19,5 МДж / л этанола и 16 МДж / л метанола) и может заменить бензин (плотность энергии 32 МДж / л) без изменения тока внутреннего сгорания. двигатели. Бутанол менее гигроскопичен и менее агрессивен, чем этанол, поэтому его можно легко транспортировать по трубопроводам по сравнению с этанолом, который необходимо транспортировать на грузовиках или баржах.Низкая летучесть бутанола также делает его менее взрывоопасным, чем этанол. Мировой спрос на бутанол оценивается в 247 миллиардов долларов к 2020-м годам (Green, 2011).

n -бутанол на биологической основе может быть произведен путем ферментации ABE (ацетон-бутанол-этанол) с помощью сольвентогенного Clostridium . Изобутанол может быть получен путем ферментации по пути на основе 2-кетокислоты, который был введен в Escherichia coli и Clostridium . Clostridium — грамположительные, спорообразующие и анаэробные бактерии, которые могут производить различные химические вещества, включая бутанол, этанол, гексанол, ацетон, уксусную кислоту, масляную кислоту, гексановую кислоту, молочную кислоту, 1,3-пропандиол, 2 , 3-бутандиол, изопропанол, пропионовая кислота и др.(Papoutsakis, 2008; Tracy et al., 2012). Ацетон, n -бутанол и этанол производятся в массовом соотношении 3: 6: 1 с помощью растворителя Clostridium (в основном C. acetobutylicum , Clostridium beijerinckii , Clostridium saccharoperbutylacetonicum , или ) в ферментации ABE (Cho et al., 2015; Papoutsakis, 2008). Ферментацию ABE можно разделить на две фазы: ацидогенную фазу, в которой происходит рост клеток, и кислоты (уксусная кислота, масляная кислота) являются основными метаболитами; и сольвентогенная фаза, в которой повторно ассимилируются кислоты и образуются растворители.Позже ферментация прекращается, и клетки образуют эндоспоры. Из-за их двухфазного метаболизма сложно проводить ферментацию ABE в непрерывном процессе; поэтому обычно используется периодическая ферментация или ферментация с подпиткой (Papoutsakis, 2008).

Первое сообщение о производстве n -бутанола было в 1862 году (Pasteur, 1862). Сольвентогенный Clostridium , C. acetobutylicum , был выделен в 1915 году Хаимом Вейцманном после осуществления ферментации ABE в Соединенном Королевстве в 1912 году (Durre, 2007, 2008).Целью ферментации ABE во время Первой мировой войны было производство ацетона для кордитовых взрывчатых веществ. Позже бутанол постепенно стал основным целевым продуктом, и две трети бутанола в мире производились путем ферментации ABE в 1950-х годах с кукурузой или патокой в ​​качестве субстратов (Durre, 2011). Позже производство бутанола постепенно перешло на нефтехимические направления из-за снижения цен на сырую нефть и роста цен на субстрат. Традиционная ферментация ABE использует кукурузу или патоку сахарного тростника в качестве субстратов, которые дороги и могут конкурировать с пищевыми продуктами, и было подсчитано, что стоимость субстрата для биобутанола составляет 60–80% от общей стоимости биобутанола (Lee et al., 2016; Pfromm et al., 2010). Clostridium может использовать большое количество субстратов, включая гексозу, такую ​​как глюкоза, фруктоза и галактоза; пентоза, такая как ксилоза; глицерин; дисахарид, такой как целлобиоза, сахароза и лактоза; полисахарид, такой как целлюлоза, гемицеллюлоза и ксилан; синтез-газ; аминокислота; и др. (Tracy et al., 2012). В то время как в настоящее время биобутанол производится из кукурузы или сахарного тростника, бутанол на основе лигноцеллюлозы и синтез-газа был тщательно изучен и может обеспечить более экономичный и экологически безопасный процесс производства биобутанола (Lee et al., 2016). Разнообразие субстратов для Clostridium делает их идеальными хозяевами для производства биотоплива.

Производство биобутанола путем ферментации ABE страдает от низкого титра (обычно <15 г / л) из-за высокой цитотоксичности бутанола, что приводит к высокой стоимости разделения (Xue et al., 2017). n -Бутанол и вода образуют гетерогенный азеотроп и обычно разделяются двумя дистилляционными колоннами и декантером, что требует больших затрат энергии и увеличивает капитальные затраты. Ряд исследователей работали над улучшением толерантности к бутанолу с помощью метаболической инженерии или снижением токсичности бутанола с помощью ферментации с высокой плотностью клеток или удаления бутанола in situ.

В последние годы интерес к производству биобутанола возродился в связи с мировым энергетическим и экологическим кризисом; однако производство биобутанола с помощью Clostridium по-прежнему не может конкурировать с бутанолом на нефтехимической основе по цене, в основном из-за его высокой стоимости производства и сложности эксплуатации. Был проведен ряд исследований, направленных на улучшение выхода ферментации, титра и продуктивности, создания штаммов, подходящих для промышленного применения, использования различных недорогих субстратов и оптимизации всего производственного процесса.В этой главе рассматриваются недавние достижения в вышеупомянутых аспектах производства бутанола с помощью Clostridium , уделяя особое внимание метаболической инженерии для высокопродуктивных штаммов, технологическому проектированию для обеспечения высокой эффективности ферментации и использованию дешевого сырья для экономичного производства бутанола. Также обсуждаются промышленные производители биобутанола и потенциал для индустриализации. Наконец, предложены возможные будущие направления производства бутанола с помощью Clostridium .

Прогресс в производстве и применении н-бутанола в качестве биотоплива

https: // doi.org / 10.1016 / j.rser.2011.06.001Получить права и содержание

Реферат

Бутанол — очень конкурентоспособное возобновляемое биотопливо для использования в двигателях внутреннего сгорания, учитывая его многочисленные преимущества. В этом обзоре свойства бутанола сравниваются с обычным бензином, дизельным топливом и некоторыми широко используемыми видами биотоплива, например, с метанолом, этанолом, биодизелем. Сравнение свойств топлива показывает, что н-бутанол может преодолеть недостатки, связанные с низкоуглеродистыми спиртами или биодизелем.Затем рассматривается развитие производства бутанола и подробно рассматриваются различные методы увеличения ферментативного производства бутанола, например, метаболическая инженерия Clostridia, усовершенствованный метод ферментации. Самая дорогостоящая часть ферментации — это субстрат, поэтому также упоминаются методы, связанные с обновленными субстратами. Далее, применение бутанола в качестве биотоплива резюмируется с трех аспектов: (1) фундаментальные эксперименты по сжиганию в некоторых четко определенных реакторах сжигания; (2) заменитель бензина в двигателях с искровым зажиганием; (3) заменитель дизельного топлива в двигателе с воспламенением от сжатия.Эти исследования демонстрируют, что бутанол как потенциальное биотопливо второго поколения является лучшей альтернативой бензину или дизельному топливу с точки зрения характеристик сгорания, характеристик двигателя и выбросов выхлопных газов. Однако бутанол интенсивно не изучался по сравнению с этанолом или биодизелем, по которым имеется значительное количество отчетов. Наконец, в последнем разделе этого обзора изложены некоторые проблемы и направления будущих исследований.

Сокращения

ABE

Ацетон-бутанол-этанол

ASOI

После начала впрыска

ATDC

После верхней мертвой точки

BSFC

Удельный расход топлива на разрыв

BTDC

Перед верхней мертвой точкой

CAI

Управляемое самовоспламенение

CFD

Расчетная гидродинамика

Совместное исследование топлива

COV

Коэффициент вариации

CVC

Камера постоянного объема

EGR

Рециркуляция выхлопных газов

HCCI

Воспламенение от сжатия гомогенного заряда

IMEP

Указанное среднее эффективное давление

ISFC

Указанный удельный расход топлива

LTC

LTHR

Низкотемпературное тепловыделение

PAH

Полициклический ароматический углеводород

RCM

Машина быстрого сжатия

RON

Исследовательское октановое число

UTG

Неэтилированный тестовый бензин

Ключевые слова

Бутанол

Производство биотоплива

Ферментативное производство ction

Бензин

Дизельное топливо

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

Copyright © 2011 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Биобутанол: следующее большое биотопливо?

Его рекламируют как превосходное возобновляемое топливо, но проблемы препятствуют промышленному производству биобутанола. Однако теперь Dupont и BP объединились для разработки и коммерциализации топлива. Это происходит, когда ученые объявляют о достижениях в разработке технологических процессов и создании микробов, направленных на улучшение экономики массового производства биобутанола.

Это, конечно, не новость на рынке возобновляемых источников топлива. Фактически, некоторые эксперты сказали бы, что исторически ферментация сахарного сырья в бутанол отходит на второй план по важности по сравнению с этанолом. Заводы по производству биобутанола работали во многих странах, включая США, Великобританию, Китай, Россию, Южную Африку и Индию, во время первых двух мировых войн.

Эти установки были разработаны для использования ферментирующих способностей микробов для производства ацетона из такого сырья, как патока и кукурузный крахмал.Ацетон использовался для изготовления бездымного пороха и топлива для ракет. Интересно, что ацетон был не единственным продуктом этого брожения. Этанол производился в небольших количествах, но основным продуктом ферментации был бутанол.

Начиная с 1960-х годов рост нефтяной промышленности и удешевление производства бутанола из нефтепродуктов вместо возобновляемого сырья сделали завод по производству бутанола на биологической основе устаревшим. Последний значительный остаток отрасли — предприятие в Южной Африке — прекратило свою деятельность в начале 1980-х годов.Но рост цен на нефть и опасения, связанные с изменением климата и национальной безопасностью, возродили интерес, исследования и разработки в области биобутанола. Хотя спирт в основном используется в качестве промышленного растворителя, он предлагает несколько преимуществ перед этанолом в качестве транспортного топлива. Поскольку молекула содержит четыре атома углерода по сравнению с двумя атомами этанола, эти дополнительные химические связи выделяют больше энергии при сгорании. Кроме того, бутанол менее летуч, чем этанол, его можно использовать в 100-процентной смеси в двигателях внутреннего сгорания без каких-либо модификаций, он не притягивает воду, как этанол, поэтому его можно транспортировать по существующим трубопроводам, и он менее чувствителен к более холодным температурам. температуры.«Бутанол — отличное топливо, — говорит Насиб Куреши, инженер-химик из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Пеории, штат Иллинойс. — В результате роста цен на газ он выглядит более эффективным, чем этанол, и более эффективным, чем бензин».

Некоторые громкие имена в энергетическом бизнесе, похоже, согласны. В 2006 году BP и DuPont объявили о создании совместного предприятия по поставке передового биотоплива, изначально нацеленного на биобутанол. Этой весной компании объявили результаты испытаний топлива, в том числе: 16-процентная смесь биобутанола работает так же, как 10-процентная смесь этанола, а смеси с более высоким содержанием биобутанола также дают положительные результаты; что плотность энергии биобутанола ближе к неэтилированному бензину; и что биобутанол не разделяется на фазы в присутствии воды.»Биобутанол удовлетворяет рыночный спрос на топливо, которое может быть произведено из внутренних возобновляемых ресурсов в больших объемах и по разумной цене; топливо, которое можно использовать в существующих транспортных средствах и существующей инфраструктуре; топливо, которое предлагает потребителям хорошую ценность; и топливо, которое соответствует развивающимся условиям. потребности транспортных средств », — говорит Франк Джерри, менеджер программы BP Biofuels.

Ранее в этом году компании объявили, что в рамках партнерства разрабатываются биокатализаторы для производства 1-бутанола, а также 2-бутанола.(Последний называется изомером бутанола, потому что, хотя он содержит четыре атома углерода, атомы спирта расположены по-другому). Цель партнерства — обеспечить к 2010 году процесс производства биобутанола с экономикой, равной производству этанола. В настоящее время две компании подали заявки на получение более 60 патентов в области биологии, ферментации, химии и конечного использования биобутанола.

Задача улучшить технологический процесс и микробы, выполняющие ферментацию, движет также академическими и правительственными исследователями.Куреши, например, изучает производство биобутанола более 20 лет. Он приехал в Соединенные Штаты из Новой Зеландии, чтобы разработать мембранный процесс для более эффективного извлечения бутанола из ферментационного бульона. Он также работал над созданием эффективных бутанольных биореакторов. Однако в последние несколько лет его исследования приняли другое направление, направленное на оптимизацию процесса для более экономичных субстратов, таких как пшеничная солома, ячменная солома, просо и кукурузная солома.«Нам необходимо перейти к более экономичным материалам», — говорит Куреши. «Но это не так просто, как кажется».

Прежде всего, микробной ферментации бутанола присущ парадокс: хотя бактерии, продуцирующие бутанол, вырабатывают ферменты, которые превращают простые сахара в спирт, сам бутанол токсичен для тех же самых насекомых. Это ингибирование бутанола приводит к более низкой концентрации спирта в ферментационном бульоне, что приводит к более низким выходам бутанола и более высоким затратам на его восстановление.Это проблемы, которые возникают при использовании высокочистого сырья. Когда используется более дешевый субстрат из биомассы, в процессе предварительной обработки образуются дополнительные ингибиторы микробов.

Стратегии снижения токсичности бутанола и повышения урожайности, включая объединение нескольких этапов процесса и манипулирование микробными культурами, развиваются. «Мы добились хорошего прогресса в отношении сырья, удаления ингибиторов и разделения продуктов», — говорит Куреши. Общий процесс, разработанный командой Куреши для производства бутанола из сельскохозяйственных остатков, включает четыре этапа: предварительная обработка, которая открывает структуру клеточной стенки и удаляет лигнин; гидролиз гемицеллюлозы и целлюлозы до простых гексозных и пентозных сахаров с использованием ферментов; ферментация простых сахаров в бутанол с использованием чистой культуры Clostridium beijerinckii P206, анаэробной бактерии; и восстановление бутанола.Уникальность процесса заключается в том, что последние три стадии объединены и выполняются в одном реакторе. «Мы интегрировали этот процесс, и он оказался очень эффективным с экономической точки зрения», — говорит Куреши. Его команда в настоящее время находится в процессе подачи патента на этот процесс.

Кроме того, Куреши объединился с Ларсом Ангенентом, инженером-экологом Вашингтонского университета, а также с другими исследователями USDA-ARS для улучшения экономических показателей стадии гидролиза. Идея состоит в том, чтобы заменить потребность в ферментах, которые часто бывают дорогими, смешанной культурой бактерий.«Настоящие принципы моей лаборатории включают изучение неопределенных смешанных культур и определение того, на что они способны», — объясняет Ангенент. В сотрудничестве с Qureshi Angenent будет использовать микробы, собранные из ила анаэробного варочного котла, а также микробы из рубца барана для ферментации предварительно обработанного кукурузного волокна до масляной кислоты, химического вещества, содержащегося в прогорклом масле, сыре пармезан и рвотных массах. Раствор, содержащий кислоту, будет отправлен в лабораторию Куреши, где он будет ферментирован в бутанол его чистыми культурами Clostridium.

Сотрудничество находится в зачаточном состоянии, финансируется за счет гранта в размере 425 000 долларов США от Министерства сельского хозяйства США. В настоящее время команда Angenent работает над оптимизацией производства масляной кислоты путем настройки таких условий, как pH и температура. «Мы пытаемся заставить сообщество производить один продукт, а не другой», — объясняет он. Как только будут созданы подходящие условия для производства значительного количества масляной кислоты, Куреши возьмет на себя управление.

Инженерные ошибки, ферментирующие бутанол
В то время как подход, инициированный Куреши и Ангенентом, включает оптимизацию производства бутанола микробами, которые его производят естественным образом, группа инженеров-химиков и биомолекул из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно сообщила о другом курсе.В недавнем выпуске журнала Nature команда под руководством Джеймса Ляо описала, как они генетически модифицировали известную бактерию Escherichia coli, чтобы эффективно синтезировать бутанол, молекулу, которую она обычно не производит.

Для этого команда пришла к выводу, что они могут направить некоторые метаболиты, которые E. coli использует для производства аминокислот, строительных блоков белков, на метаболический путь, который приведет к производству бутанола. «Биосинтез аминокислот очень хорошо изучен у E.coli, — объясняет Ляо. Используя эти знания, команда Ляо вставила два гена в геном E. coli: один от микроба, участвующего в производстве сыра, и один от дрожжей. Эти гены экспрессируют белки, которые превращают кетокислоты, компоненты путь биосинтеза аминокислот в бутанол.Кроме того, подавляя экспрессию других генов и внося изменения в определенные белки пути, Ляо смог повысить эффективность процесса до уровня, достаточно высокого для промышленного использования.«Используя эти два приема, мы могли направить поток в желаемом направлении», — говорит он. «Мы смогли производить изобутанол очень быстро и улучшили титр за несколько месяцев».

Технология настолько многообещающая, что Gevo Inc., стартап в области биотоплива, базирующийся в Пасадене, Калифорния, недавно объявил о приобретении эксклюзивной лицензии на коммерциализацию процесса Ляо. В настоящее время компания расширяет масштабы технологии и решает, продолжать ли ее собственные планы по строительству завода по производству бутанола.

Ляо тем временем работает над преобразованием целлюлозных отходов в изобутанол, а также пытается применить этот подход к другим микробам. «Мы очень рады обещаниям этого проекта», — говорит он.

Джессика Эберт — штатный автор журнала Biomass Magazine. Свяжитесь с ней по адресу [email protected] или (701) 738-4962.

Биобутанол

Обзор

Бутанол — это спирт, который можно использовать в качестве транспортного топлива. Это более высокий член ряда спиртов с прямой цепью, каждая молекула бутанола (C 4 H 10 O) содержит четыре атома углерода, а не два, как в этаноле.

Бутанол традиционно производился путем ферментации ABE — анаэробного превращения углеводов штаммом Clostridium в ацетон, бутанол и этанол. Однако проблемы с затратами, относительно низкий выход и медленная ферментация, а также проблемы, вызванные ингибированием конечного продукта и фаговыми инфекциями, означали, что бутанол ABE не мог конкурировать в коммерческих масштабах с бутанолом, полученным синтетически, и почти все производство ABE прекратилось, поскольку развивалась нефтехимическая промышленность.

Однако в настоящее время растет интерес к использованию биобутанола в качестве транспортного топлива. Смеси 85% бутанола и бензина могут использоваться в немодифицированных бензиновых двигателях. Его можно транспортировать по существующим трубопроводам для бензина и вырабатывает больше энергии на литр, чем этанол. Биобутанол можно производить из зерновых культур, сахарного тростника, сахарной свеклы и т. Д., Но также его можно производить из целлюлозного сырья.

Изобутанол Стандарты ASTM

В октябре 2013 года было объявлено о стандарте ASTM D7862 для смесей бутанола с бензином от 1 до 12.5% об. В автомобильных двигателях с искровым зажиганием. Спецификация охватывает три изомера бутанола: 1-бутанол, 2-бутанол и 2-метил-1-пропанол. Спецификация специально исключает 2-метил-2-пропанол (то есть трет-бутиловый спирт).

В декабре 2014 года был утвержден стандарт ASTM D7875: «Стандартный метод испытаний для определения содержания бутанола и ацетона в бутаноле для смешивания с бензином с помощью газовой хроматографии». Стандарт в первую очередь разработан для обеспечения чистоты изобутанола, производимого для использования в качестве топлива.

Проекты, финансируемые ЕС

ButaNexT

В рамках проекта ButaNexT будут разработаны высокоэффективные производственные процессы и переработка экологически чистого сырья для следующего поколения биобутанола. Это будет способствовать преодолению текущих проблем и ограничений, присущих первому поколению биотоплива. Продолжительность: 2015 — 2018.

Коммерческая разработка биобутанола

Ряд компаний в настоящее время исследуют новые альтернативы традиционной ферментации ABE, которые позволят производить биобутанол в промышленных масштабах.Они кратко изложены ниже.

Два ведущих разработчика технологий в этой области, Gevo и Butamax, участвовали в патентном споре. Актуальная информация о должностях каждой компании доступна на их сайтах. Информация, представленная на этой странице, считалась точной на момент написания. Однако ни члены Европейской технологической платформы биотоплива, ни Секретариат, ни Европейская комиссия, ни какие-либо другие лица или организации, участвующие в этой деятельности, не принимают на себя никакой ответственности за материалы на этой веб-странице или их использование. ставится.

Gevo

Официальный документ Gevo по изобутанолу

24 мая 2012 года компания Gevo начала производство на первом в мире заводе по производству биобутанола производительностью 18 MGPY промышленного масштаба, созданном путем преобразования бывшего завода по производству этанола из кукурузы Agri-Energy в Люверне. В первые месяцы работы был преодолен ряд технических проблем (например, сокращение времени обработки партии, предотвращение инфекций и т. Д.), И компания планировала производить от 50 000 до 100 000 галлонов изобутанола в месяц к концу 2014 года [ Источник: Гево].По сообщению компании, эффективность приближается к уровню, необходимому для полноценной коммерческой эксплуатации. В марте 2015 года Praj Industries Ltd. подписала меморандум о взаимопонимании, чтобы стать лицензиатом Gevo.

В декабре 2013 года компания Gevo объявила об успешных испытаниях в армии США смеси 50/50 топлива ATJ-8 компании Gevo на вертолете Sikorsky UH-60. Использование 16% изобутанола в насосах UL 87A также было одобрено Underwriter Laboratories, без необходимости какой-либо модификации оборудования.

В сентябре 2009 г. Gevo, Englewood, CO объявила, что интегрированная технология брожения Gevo (GIFT ™) будет использоваться на демонстрационном заводе ICM в Санкт-Петербурге.Джозеф, штат Миссури, чтобы производить один миллион галлонов биобутанола в год путем модернизации существующего завода по производству этанола. В процессе может использоваться большая часть существующей системы производства этанола, но используются штаммы целлюлозных дрожжей, предназначенные для производства бутанола вместо этанола. В 2009 году Gevo заключила лицензионное соглашение с Cargill, дающее компании исключительные права на использование организмов-хозяев Cargill в Gevo Integrated Fermentation Technology. Сообщается, что Total также инвестировала в Gevo. Эта технология основана на исследованиях Джеймса Ляо из Калифорнийского университета, который разработал E.Штаммы Coli с генами, кодирующими 2 фермента, которые превращают кетоациды в альдегиды и альдегиды в 1-бутанол. При дальнейших манипуляциях микробы смогли производить бутанол с гораздо более высокой эффективностью, пригодной для промышленного производства. В 2008 году Gevo приобрела эксклюзивную лицензию на коммерциализацию технологии Ляо.

Продвинутое биотопливо Butamax

В октябре 2013 года Butamax ™ Advanced Biofuels LLC и Highwater Ethanol LLC, ведущий производитель этанола первого поколения, начали модернизацию завода по производству этанола Highwater в Ламбертоне, штат Миннесота, для производства биобутанола.В августе 2014 года была завершена первая фаза модернизации с внедрением запатентованной технологии Butamax для удаления кукурузного масла и подготовки кукурузного сусла к ферментации.

Butamax и Highwater заключили окончательные соглашения о предоставлении лицензии на запатентованную Butamax технологию отделения кукурузного масла, которая является неотъемлемой частью полной модернизации производства биобутанола.

В апреле 2012 года Butamax начал сотрудничество с ведущей инженерной и строительной компанией в области биотоплива Fagen Inc.для промышленного производства биобутанола (путем модернизации заводов по производству этанола) с использованием технологии Butamax.

В декабре 2011 года Butamax ™ Advanced Biofuels объявила о соглашении о принципах коммерциализации с Highwater Ethanol, первым участником группы Butamax Early Adopters Group [Источник: веб-сайт Butamax ™].

В июне 2006 года DuPont и BP сформировали партнерство для разработки новой технологии производства биобутанола с использованием лигноцеллюлозного сырья. В июле 2009 года партнерство получило разрешение на приобретение американской компании Biobutanol LLC.В 2009 году BP и DuPont создали Butamax ™ Advanced Biofuels, Уилмингтон. Бизнес-модель Butamax заключается в том, чтобы предложить нынешним производителям этанола запатентованную технологию биобутанола, которая позволит улучшить рост производства биотоплива и рентабельность завода.

В ноябре 2009 года BP и DuPont объявили о создании Kingston Research Ltd и создании центра передовых исследований биотоплива в Халле стоимостью 25 миллионов фунтов стерлингов для демонстрации технологии биобутанола (который должен был начать работу в 2010 году).

Метод Абенгоа для производства бутанола каталитической конденсацией

Метод производства Abengoa включает каталитическую конденсацию этанола для производства бутанола через Guerbet (2CH 3 -CH 2 OHCH 3 — CH 2 -CH 2 -CH 2 OH + H 2 0) реакция.Компания разработала и запатентовала катализатор, который позволяет производить биобутанол на конкурентоспособных условиях. В ноябре 2013 года Abengoa объявила, что она произвела бутанол чистотой 99,8% и планирует начать промышленное производство бутанола в 2015 году.

Этот процесс позволяет построить завод по производству бутанола в качестве «дополнения» к существующему коммерческому этанолу. установка, позволяющая производить бутанол без остановки процесса производства этанола

Зеленые биологические препараты

В Великобритании Green Biologics разработала штаммы ГМ-микробов, продуцирующих бутанол, и интегрирует их в новый процесс ферментации.Этот технологический прогресс должен привести к постепенному изменению экономической жизнеспособности ферментации и позволить крупномасштабное производство продукта Butafuel ™ компании Green Biologics.

В январе 2015 года Green Biologics объявила о привлечении 76 млн долларов на приобретение и конверсию завода мощностью 21 млн г / год (Central MN Ethanol Co-op), расположенного в Литл-Фолс, штат Миннесота. Первоначально предприятие продолжит производство этанола, но планирует начать производство н-бутанола и ацетона в 2016 году.

В январе 2012 года Green Biologics Limited объявила о слиянии с butylfuel ™ Inc., НАС. Новая компания будет работать под названием Green Biologics со штаб-квартирой в Великобритании, но с сильным операционным присутствием и коммерческой ориентацией в США, предоставленной Green Biologics, Inc. [Источник: Green Biologics]. Ранее Green Biologics также участвовала в разработке биобутанола в Индии и Китае.

Кобальт Технологии

В апреле 2013 года было объявлено, что Cobalt Technologies, Naval Air Warfare China Lake Weapons Division, Show Me Energy Cooperative и NREL будут сотрудничать на уровне 2 долларов.5-метровая опытная установка по переработке бутанола проса проса в реактивное топливо военного назначения. В марте 2012 года было объявлено, что Albermale будет производить биотопливо из бутанола, поставляемого Cobalt.

Другие разработки и демонстрации в производстве бутанола

Другие компании, разрабатывающие технологию бутанола, включают Tetravitae Bioscience и METabolic EXplorer, Франция.

Глобальные НИОКР по производству бутанола и его использованию в качестве транспортного топлива

Департамент сельского хозяйства США (USDA ARS) провел исследования, показывающие, что солома ячменя и кукурузная солома могут быть преобразованы в бутанол с высокой эффективностью с помощью раздельного гидролиза, ферментации и восстановления (SHFR) или путем одновременного осахаривания, ферментации и восстановления (SSFR).Отгонку газа можно использовать для извлечения бутанола с высоким выходом из процесса SSFR [Источник, Кереши и др., ARS Bioenergy Research Unit]. См. Также «Завершение использования бутанола в качестве биотоплива».

Согласно их веб-сайту, Министерство сельского хозяйства США (USDA) предоставило Microvi Biotechnologies грант на «разработку прорывной технологии для значительного повышения урожайности и производительности процессов производства биобутанола. Технология преодолевает токсическое и ингибирующее воздействие на производящие бутанол микроорганизмы, что является основным узким местом. в масштабировании существующих процессов производства биобутанола »в 2013 г.

Исследовательская группа Wass, Бристольский университет, Великобритания, разрабатывает улучшенные катализаторы с выходом 95%, предлагающие более дешевую конверсию этанола в бутанол и потенциально позволяющие производителям этанола избежать высоких затрат на модернизацию.Теперь исследователи планируют расширить масштабы существующей лабораторной технологии в качестве первого шага к коммерциализации [Ссылка: Каталитическое превращение этанола в усовершенствованное биотопливо: беспрецедентная селективность для н-бутанола, проф. Дункан Ф. Васс и др., Angewandte Chemie International Edition, Volume 52, выпуск 34, страницы 9005–9008, 19 августа 2013 г.].

Мичиганский университет разрабатывает метод производства бутанола из целлюлозного растительного материала с использованием комбинации Trichoderma reesei и E.coli в биореакторе. См. «Дизайн и характеристика синтетических грибно-бактериальных консорциумов для прямого производства изобутанола из целлюлозной биомассы», Proceedings of the National Academy of Sciences [19 августа 2013 г.].

Биобутанол: топливо будущего. Автор: Остин Янтес | посредством научно-исследовательской коммуникации | Сообщение научных исследований

Автор: Остин Янтес

Отредактировал: Кэтрин Хилл, Сиенна Шеффер

Этанол приобрел огромную популярность в США.С. за последние несколько десятилетий как возобновляемая альтернатива традиционному бензину. Вместо того, чтобы зависеть от уменьшающихся запасов нефти, этанол позволяет нам увеличивать до нашего источника топлива, то есть превращать растительный материал в жидкое топливо. Обратной стороной является то, что этанол существенно снижает топливную экономичность вашего автомобиля; Consumer Reports ( 1) обнаружил, что топливо E-85, в котором используется 85% этанола и 15% бензина, привело к сокращению расхода топлива на 20–30%. Этанол также более агрессивен по отношению к некоторым металлам и резине, чем традиционный бензин, поэтому он может повредить двигатель вашего автомобиля.Это означает, что если ваш автомобиль не был специально адаптирован, бензин, который мы используем в наших баках, может содержать только около 10% этанола.

К счастью для будущего возобновляемой энергии, на рынке появилось новое биотопливо — бутанол. Вы можете думать о бутаноле как о более крупном и мощном кузене этанола. Он содержит почти столько же энергии, что и бензин, поэтому он не сократит расход топлива так сильно, как этанол. Более того, он не повредит вашу машину, а это значит, что его можно закачать прямо в ваш бак, не внося никаких изменений в двигатель.

Вы можете спросить себя — если бутанол — такое прекрасное топливо, почему его не продают на бензоколонке? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно понять, как производится биотопливо. Все начинается с источника сахара, традиционно кукурузы (хотя можно использовать и другие растения, такие как сахарный тростник, просо и сахарная свекла). Зерна измельчают в муку и смешивают с водой до образования крахмалистого «сусла». Добавляются ферменты, чтобы еще больше расщепить этот крахмал и превратить его в сахар. После варки сусла в смесь добавляются микроорганизмы, такие как дрожжи, и начинается процесс, называемый ферментацией.Во время брожения дрожжи превращают сахар в спирт, создавая своего рода пиво на основе кукурузы. Поскольку мы не можем просто налить пиво в наши бензобаки, требуется дополнительная очистка. Дрожжи отфильтровываются, а затем «пиво» ​​отправляется в дистилляционную колонну, где спирт отделяется от воды. Далее спирт очищают, пропуская его через молекулярное сито (своего рода фильтр), в результате получается пиво крепостью около 200 единиц. Этот спирт, называемый этанолом, смешивают с небольшим количеством бензина, делая его непригодным для питья, и отправляют на заправочные станции по всей стране.Топливо, которое мы в конечном итоге заправляем в наши автомобили, смешивается с большим количеством бензина, чтобы снизить содержание этанола до 10% по объему.

Помните процесс дистилляции, упомянутый несколькими предложениями назад? Оказывается, это требует огромного количества энергии и, следовательно, довольно дорого. Единственный способ избежать этой стоимости — это если этанол волшебным образом отделить от водной смеси самостоятельно, без необходимости перегонки. Здесь в игру вступает бутанол. Хотя этанол хорошо растворим, то есть хорошо смешивается с водой, бутанол — нет.Когда «пиво» ​​имеет алкоголь 11% по объему (ABV) или выше, бутанол отделяется от воды и всплывает на поверхность, как масло. Это означает, что если бы водка была сделана из бутанола вместо этанола, весь спирт находился бы в верхних 40% бутылки, а оставшиеся 60% на дне были бы чистой водой. Хотя это было бы катастрофой для дистрибьюторов водки, для индустрии биотоплива это сбывшаяся мечта. Бутанол может избавить нас от хлопот и затрат на дистилляцию, просто отделив пивоваренную смесь с помощью собственных устройств.Производители биотоплива легко смогут снять чистый бутанол с верхней части раствора, который затем можно будет закапывать прямо в наши топливные баки без разбавления до более низкого процента. Таким образом, искусственный бутанол может полностью заменить традиционный бензин.

Как и в случае с любой технологией, которая звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, есть одна небольшая загвоздка. Алкоголь известен своей способностью стерилизовать (например, медицинский спирт, спиртовые тампоны и т. Д.), Другими словами, своей способностью убивать микроорганизмы.Бутанол не является исключением и поэтому токсичен для тех самых организмов, которые его создают выше «крепости», подобной Bud Light, около 4%. Поскольку бутанол всплывает только в верхнюю часть раствора при концентрации 11% или выше, микроорганизмы, участвующие в ферментации, погибают задолго до того, как «пиво» ​​достигнет этого порога. Это проблема, которую пытаются решить исследователи: как мы можем поддерживать этих маленьких существ в живых достаточно долго, чтобы они вырабатывали желаемый объем бутанола?

Synechococcus удлиняется

В статье, опубликованной в январе 2017 г., Liu et al.описать успехи, достигнутые в процессе производства бутанола. Согласно их отчету, на самом деле существует множество различных видов микроорганизмов, которые можно использовать для ферментации сахара в бутанол. Дрожжи под названием Saccharomyces cerevisiae , которые также используются для варки пива и выпечки хлеба, являются отличным вариантом, потому что ученые изучали их гены более 40 лет. Теперь у нас есть полная карта ДНК дрожжей, что позволяет довольно легко изменить его гены для повышения его производительности.Например, мы можем создать штаммы дрожжей, которые производят значительно больше бутанола, чем в естественных условиях. В 2016 году ученым удалось создать штамм дрожжей, производящий около 130 миллиграммов / литр (мг / л) бутанола (2) — мы называем это количество титром. К сожалению, дрожжи все еще не способны переносить достаточно высокие уровни бутанола для эффективного производства биотоплива. Используя Synechococcus удлиняют , тип цианобактерий (также известный как сине-зеленые водоросли), был достигнут титр 400 мг / л, но, как и дрожжи, цианобактерии просто не могут справиться с токсичностью бутанола (2).

Другой микроорганизм с хорошо картированными и легко управляемыми генами — это Escherichia coli ( E. coli ). Хотя вы можете связать E. coli со вспышками пищевого отравления в Chipotle, это также полезные бактерии для промышленного производства бутанолбутаноловой рецептуры. С помощью генной инженерии ученым удалось разработать штаммы, у которых титр бутанола составляет 1254 мг / л, и могут выдерживать концентрации бутанола до 2% 2. Несколько видов Lactobacillus , более известных как пробиотики в вашем йогурте, также показали многообещающие выходы бутанола 66–300 мг / л и допуски 3–4% (2).Так что же мы наиболее близко подошли к магическому числу 11%? Ответ несколько разочаровывает — самая сильная из всех устойчивых к бутанолу бактерий, Pseudomonas putida , может выдерживать концентрации только до 6%. Еще более проблематично то, что ученые еще не выяснили, как заставить P. putida на самом деле производить бутанол (2).

Учитывая все обстоятельства, были достигнуты большие успехи в том, чтобы бутанол стал следующим крупным биотопливом. Ученые и инженеры улучшили как выход бутанола, так и способность микроорганизмов выдерживать высокие концентрации бутанола.Есть большая надежда, что однажды мы сможем создать супер-микроорганизм, который может не только вырабатывать большие количества бутанола, но и выживать достаточно долго, чтобы достичь титра 11%. Как только это будет выполнено, заправить наши автомобили топливом можно будет так же просто, как снять бутанол с верхней части «пива» и закачать его прямо в наши баки — меньше энергии, меньше усилий и меньше повреждений двигателя. Приветствуем топливо будущего!

Ссылки

  1. «Альтернативный топливный этанол (E85).Потребительские отчеты. Январь 2011. Интернет. http://www.consumerreports.org/cro/2011/01/the-great-ethanol-debate/index.htm
  2. Лю С., Куреши Н., Хьюз С.Р. (2017) Прогресс и перспективы улучшения толерантности к бутанолу. Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии, 33:51.

Мера по экономии средств для преобразования этанола в бутанол — лучшую альтернативу бензину

ВЫПОЛНЕНО ДЛЯ ВЫПУСКА | 11 апреля 2013 г.

Примечание для журналистов: Сообщите, что это исследование было представлено на собрании Американского химического общества.

НОВЫЙ ОРЛЕАН, 11 апреля 2013 г. — Сегодня ученые сообщили об открытии, которое может ускорить новые усилия по замене этанола в бензине на значительно более качественную топливную присадку, называемую бутанолом, которую некоторые эксперты считают «бензином будущего». Их отчет об этом открытии, который может снизить затраты на перевод заводов по производству этанола на производство бутанола, был представлен на 245 Национальном собрании и выставке Американского химического общества, крупнейшего в мире научного сообщества.

Дункан Васс объяснил, что этанол стал ведущим биотопливом — миллионы галлонов бензина добавляются в бензин по всей стране каждый год — несмотря на ряд недостатков. Этанол, например, имеет более низкое энергосодержание на галлон, чем бензин, что может сократить расход топлива. Этанол также оказывает коррозионное воздействие на автомобильные двигатели, и его нелегко использовать в количествах, превышающих 10-15 процентов.

С 5 по 10 апреля можно связаться по телефону 504-670-4707 .

«На самом деле этанол — плохое альтернативное топливо», — сказал Васс. «Бутанол намного лучше. Он содержит примерно на 30 процентов больше энергии на галлон, чем этанол, с ним легче обращаться, и его можно добавить в каждый галлон бензина.Фактически, вы можете заправить автомобиль чистым бутанолом, и он будет работать абсолютно нормально. Это основа новой репутации бутанола как «бензина будущего» ».

Уже начались усилия по переводу некоторых заводов по производству этанола в Кукурузном поясе на производство бутанола, пояснил Васс. Эти заводы в настоящее время перерабатывают кукурузу в спирт по той же технологии ферментации, которая используется для производства пива и алкогольных напитков.Преобразование этих фабрик для ферментации кукурузы в бутанол потребует дорогостоящих модификаций, которые оцениваются в 10-15 миллионов долларов для типичного завода.

Васс и его группа из Бристольского университета в Великобритании сообщают об открытии нового семейства катализаторов, которые могут позволить этим фабрикам продолжать производить этанол, а затем этанол превращается в бутанол. С катализаторами заводам по производству этанола потребуется меньше переоборудования для производства бутанола.Катализаторы ускоряют химические реакции, снижая количество энергии, необходимой для запуска реакций. Они позволяют производить сотни повседневных продуктов, и многие из белков, поддерживающих жизнь, являются катализаторами, называемыми ферментами.

Их доклад был частью симпозиума по возобновляемым видам топлива и катализаторам. Ниже представлены отрывки из других презентаций.

«Эти новые катализаторы намного лучше, чем когда-либо существовавшие ранее», — сказал Васс.«До их коммерциализации предстоит пройти долгий путь, но мы сообщаем о фундаментальном прогрессе в этом направлении. Проще говоря, они являются лучшими в мире катализаторами производства бензина будущего ».

Новые катализаторы более селективны и решают сложную проблему, при которой существующие катализаторы выделяют бутанол, а также нежелательные продукты. Васс сказал, что новые катализаторы дают 95% бутанола от общего количества продуктов из каждой партии в лабораторных испытаниях.

Команда

Wass выражает благодарность BP за финансирование.

Чтобы автоматически получать выпуски новостей от Американского химического общества, обращайтесь по адресу [email protected] .

Бутанол — лучшая альтернатива этанолу для топлива
на насосе.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.