Біобутанол

Біобутанол — спирт бутиловий, виготовлений з біомаси, що використовується як біопаливо або біокомпонент.^[1]

Бутанол (бутиловий спирт)

Перспективний вид палива в біоенергетиці, завдяки високій щільності енергії, низькій летючості і потенціалу до вуглецевої нейтральності. Також, біобутанол може використовуватись в карбюраторному і інжекторному двигунах внутрішнього згоряння як у чистому вигляді, так і в сумішевому паливі, без будь-яких модифікацій системи двигуна.^[2]

На відміну від біоетанолу, біобутанол є більш калорійним та менш затратним у виробництві. Як і біоетанол, біобутанол можна виробляти з нехарчової лігноцелюлозної біомаси сільськогосподарських та промислових відходів^[3], енергетичних культур^[4][5], мікроводоростей^[6], а також з кукурудзи, пшениці, цукрових буряків, цукрової тростини, сорго, кассава, ячменю та ін.

Покоління

В залежності від джерела сировини, виділяють 4 покоління біопалив та, зокрема, біобутанолу.^[7]

Окрім того, біобутанол може бути виготовлений з синтез-газу.^[8]

Перше покоління

Біобутанол 1-го покоління отримують із харчової сировини, такої, як кукурудза чи пшениця. Такий біобутанол стикається з критикою за те, що він конкурує з продовольчими культурами за землекористування.

Друге покоління

Біобутанол 2-го покоління виробляється з нехарчової біомаси, такої як відходи сільського господарства, відходи лісового господарства, лігноцелюлозні муніципальні відходи, макроводорості та спеціальні енергетичні культури, такі як сорго або міскантус.

Третє покоління

Біобутанол 3-го покоління виробляється з зелених мікроводоростей, які можуть швидко рости, навіть у стічних або солоних водах, зменшуючи конкуренцію за землекористування з сільськогосподарськими ресурсами.

Четверте покоління

Біобутанол 4-го покоління передбачає передові технології, такі як генетично модифіковані мікроводорості, для підвищення ефективності виробництва, зниження витрат і потенційного використання вуглекислого газу як вихідної сировини.

Виробництво

Біобутанол отримують, іноді разом з біоводнем,^[9] з рослинної біомаси шляхом ферментації (бродіння), зокрема, з використанням бактерій Clostridium acetobutylicum.

Види Clostridium виробляють біобутанол за допомогою ферментації AБE (ацетон-бутанол-етанол), двофазного процесу, який перетворює цукри в карбонові кислоти (такі як ацетат і бутират) і розчинники (ацетон, бутанол і етанол). Початкова ацидогенна фаза продукує карбонові кислоти, і це накопичення призводить до зниження рН середовища. У фазі розчинення ацетил-КоА, бутирил-КоА та ацетоацетил-КоА служать попередниками для синтезу етанолу, бутанолу та ацетону відповідно, будучи трьома основними проміжними метаболітами на шляху синтезу АБЕ. Ацетон, бутанол і етанол виробляються у співвідношенні 3:6:1 відповідно.^[8]

Підготовка субстрату

Підготовка субстрату залежить від типу сировини і включає методи (фізичні, хімічні, фізикохімічні та біологічні) деградації складних структур біомаси, і подальший її гідроліз (кислотний, лужний, ферментативний) на простіші молекули, які здатні обробляти мікроорганізми.^[8] Окрім того, після гідролізу субстрат потребує очищення від молекул інгібіторів, які утворюються під час підготовки субстрату.^[2][8]

Ферментація

АБЕ-ферментація (бродіння)

Ферментація (бродіння) AБE (ацетон-бутанол-етанол), зазвичай використовується для виробництва біобутанолу^[10].

Такі фактори, як вибір сировини, підготовка субстрату, методи бродіння та методи подальшої обробки, значно впливають на загальну ефективність та економіку виробництва біобутанолу.^[8][11]

Основні метаболіти, що утворюються під час ферментації AБE, включають бутанол, ацетон і етанол, що супроводжується утворенням CO₂ і H₂. Низький титр продукту та низька продуктивність, викликана інгібуванням продукту, є основними проблемами в процесі ферментації AБE. Щоб усунути інгібування продукту, були застосовані різні технології ферментації, такі як періодична ферментація, безперервна ферментація, поєднане з ферментацією онлайн-розділення та спільне культивування. Окрім того, поєднання різних штамів бактерій та додавання бутирату до субстрату збільшує виробництво біобутанолу.^[12]

Вплив стресових факторів на клітини Clostridium sp., таких як додавання низьких концентрацій фурфуролу, збільшує виробництво біобутанолу.^[13] Додавання CaCO₃ та ZnSO₄ також збільшує виробництво біобутанолу з субстрату.^[14]

Відділення

Серед методів відділення (очищення) біобутанолу використовують такі технології, як дистиляція, адсорбція, рідинна екстракція, очищення газу та мембранні методи, такі як зворотний осмос, перстракція, первапорація тощо.^[15]

Інноваційна технологія адсорбційного розділення на основі цеоліту пропонує енергоефективну та стійку альтернативу звичайним технологіям дистиляції біобутанолу.^[16]

Використання

Біобутанол використовується як ефективне транспортне паливо, добре поєднуючись з бензином і дизелем, і пропонуючи відновлювану альтернативу для зменшення викидів парникових газів.^[17][18]

Біобутанол також функціонує як цінна хімічна сировина та розчинник у промисловому застосуванні, сприяючи сталому виробництву фарб, покриттів, клеїв, біорозкладаного пластику.^[19]

Переваги

Існує кілька переваг при використанні бутанолу як моторного палива в порівнянні з етанолом:

• Молекула бутанолу складається із чотирьох атомів вуглецю (у порівнянні із двома атомами в етанолі), відповідно, більш розвинутий вуглецевий кістяк молекули дає більше енергії при спалюванні речовини.
• Сумісність із існуючою інфраструктурою та механізмами. Бутанол менш леткий у порівнянні з етанолом, тому його суміші можуть на 100% використовуватися у двигунах внутрішнього згоряння без їхньої модифікації.
• Бутанол не настільки гігроскопічний, як етанол, тому може транспортуватися існуючими трубопровідними мережами, і він менш чутливий до зниження температури.
• Біобутанол можливо виробляти з сільськогосподарських відходів, що сприяє зменшенню викидів парникових газів і сприяє циркулярній економіці.^[20]

Історія

З 2003 р. дві найбільші транснаціональні корпорації «DuPont» та «British Petroleum» (BP) — оголосили свою трьохрічну співпрацю над проектом створення нового виду біопалива — біобутанолу з відновлювальної сировини. Виготовлення в Британії буде налагоджено спільно з British Sugar. У 2006 р. компаніями ВР і DuPont були оприлюднені результати паливних тестів щодо використання бутанолу як транспортного палива: — 16%-а бутанольно-бензинова суміш, за своїми характеристиками аналогічна 10%-ній етанольно-бутанольно-бензиновій суміші з вищими концентраціями бутанолу, показала позитивні результати;

— питома енергія біобутанолу аналогічна цьому ж показнику для бензинів;

— бутанольно-бензинові суміші не дають фазового поділу в присутності води.

Використання біобутанолу як палива має свої переваги:

• біобутанол може додаватися в більш високих концентраціях, чим біоетанол, при використанні в стандартних автомобільних двигунах;
• добре підходить для сучасних транспортних засобів і двигунів;
• у присутності води суміш, що містить біобутанол, у меншому ступені схильна до розшарування, чим суміші етанолу/бензину, і тому це дозволяє використовувати існуючу інфраструктуру дистрибуції, не вимагаючи модифікацій установок для змішування, сховищ або заправок;
• на відміну від метанолу, бутанол не має корозійної властивості, тому не вимагає значної зміни двигунів внутрішнього згоряння та обслуговуючої інфраструктури;
• на відміну від існуючих біопалив, біобутанол потенційно може бути транспортований трубопроводами; тобто він може бути швидко доданий до бензину.

Вчені з Університету Тулейн знайшли спосіб конвертувати газети та інші рослинні матеріали на автомобільне паливо^[21]. Це дослідження показало спосіб отримання бутанолу безпосередньо з целюлози.

Основна причина, через яку бутанол маловідомий як альтернативне паливо, є те, що виробництво цього продукту раніше не вважалось економічно доцільним. Його використовували здебільшого як промисловий розчинник, ціна якого перевищувала приблизно в три рази ціну газу.^[22]

Поточні дослідження

Сучасні дослідження направлені на покращення економічної ефективності виробництва біобутанолу.^{[8][23][24][25]}

Зокрема, досліджуються нові штами клостридій та їх комбінації, джерела сировини, методи оптимізації процесів попередньої обробки субстрату, ферментації та відділення (очищення) біобутанолу.^[8]

Станом на 2020 рік, ціна виробництва біобутанолу з кукурудзи була $0.8/літр, і, завдяки науковим досягненням, поступово знижується.^[26]