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