Біобутанол — Вікіпедія

Бутанол (бутиловий спирт)

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

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]
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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

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]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. ↑ Закон України Про альтернативні види палива (Стаття 1) м. Київ, 14 січня 2000 року N 1391-XIV (Назва Закону в редакції Закону N 1391-VI від 21.05.2009) (Введено згідно із Законом N 1391-VI від 21.05.2009)[недоступне посилання з червня 2019]
  2. ↑ а б Shulga, S., Tigunova, O., Bratishko, V., Blume, Y. (2024). BIOBUTANOL. PRODUCERS, SUBSTRATES, CULTIVATION AND RECOVERY – BOOKS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF UKRAINE (англ.). Kyiv: Naukova Dumka. doi:10.15407/978-966-00-1918-8. Процитовано 23 червня 2024.
  3. ↑ Huzir, Nurhamieza Md; Aziz, Md Maniruzzaman A.; Ismail, S.B.; Abdullah, Bawadi; Mahmood, Nik Azmi Nik; Umor, N.A.; Syed Muhammad, Syed Anuar Faua’ad (2018-10). Agro-industrial waste to biobutanol production: Eco-friendly biofuels for next generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Т. 94. с. 476—485. doi:10.1016/j.rser.2018.06.036. ISSN 1364-0321. Процитовано 21 червня 2024.
  4. ↑ Olena O. Tigunova, Dzhamal B. Rakhmetov, Yaroslav B. Blume, Sergiy M. Shulga (8 січня 2024). Biobutanol Production Using Non-grain Biomass Sorghum saccharatum as a Substrate. The Open Agriculture Journal. doi:10.2174/0118743315284161231228065512. Процитовано 23 червня 2024.
  5. ↑ Abreu, Mariana; Silva, Luís; Ribeiro, Belina; Ferreira, Alice; Alves, Luís; Paixão, Susana M.; Gouveia, Luísa; Moura, Patrícia; Carvalheiro, Florbela (2022-01). Low Indirect Land Use Change (ILUC) Energy Crops to Bioenergy and Biofuels—A Review. Energies (англ.). Т. 15, № 12. с. 4348. doi:10.3390/en15124348. ISSN 1996-1073. Процитовано 23 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  6. ↑ Mahmood, Tehreem; Hussain, Nazim; Shahbaz, Areej; Mulla, Sikandar I.; Iqbal, Hafiz M.N.; Bilal, Muhammad (1 серпня 2023). Sustainable production of biofuels from the algae-derived biomass. Bioprocess and Biosystems Engineering (англ.). Т. 46, № 8. с. 1077—1097. doi:10.1007/s00449-022-02796-8. ISSN 1615-7605. PMC 10345032. PMID 36331626. Процитовано 21 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  7. ↑ Cavelius, Philipp; Engelhart-Straub, Selina; Mehlmer, Norbert; Lercher, Johannes; Awad, Dania; Brück, Thomas (30 бер. 2023 р.). The potential of biofuels from first to fourth generation. PLOS Biology (англ.). Т. 21, № 3. с. e3002063. doi:10.1371/journal.pbio.3002063. ISSN 1545-7885. PMC 10063169. PMID 36996247. Процитовано 23 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  8. ↑ а б в г д е ж Nabila, Devina Syifa; Chan, Rosamond; Syamsuri, Rizky Riscahya Pratama; Nurlilasari, Puspita; Wan-Mohtar, Wan Abd Al Qadr Imad; Ozturk, Abdullah Bilal; Rossiana, Nia; Doni, Febri (1 січня 2024). Biobutanol production from underutilized substrates using Clostridium: Unlocking untapped potential for sustainable energy development. Current Research in Microbial Sciences. Т. 7. с. 100250. doi:10.1016/j.crmicr.2024.100250. ISSN 2666-5174. Процитовано 23 червня 2024.
  9. ↑ Brindha, Kothaimanimaran; Mohanraj, Sundaresan; Rajaguru, Palanichamy; Pugalenthi, Velan (10 лютого 2023). Simultaneous production of renewable biohydrogen, biobutanol and biopolymer from phytogenic CoNPs-assisted Clostridial fermentation for sustainable energy and environment. Science of The Total Environment. Т. 859. с. 160002. doi:10.1016/j.scitotenv.2022.160002. ISSN 0048-9697. Процитовано 20 листопада 2023.
  10. ↑ Skrotska, O.; Pirog, T.; Skrotskyi, S. (2019-02). LIGNOCELLULOSIC WASTES AS THE FEEDSTOCK FOR BUTANOL PRODUCTION BY CLOSTRIDIA (PDF). Scientific Works of National University of Food Technologies. Т. 25, № 1. с. 16—32. doi:10.24263/2225-2924-2019-25-1-4. Процитовано 23 червня 2024.
  11. ↑ Lin, Zhangnan; Cong, Wei; Zhang, Jian’an (2023-09). Biobutanol Production from Acetone–Butanol–Ethanol Fermentation: Developments and Prospects. Fermentation (англ.). Т. 9, № 9. с. 847. doi:10.3390/fermentation9090847. ISSN 2311-5637. Процитовано 23 листопада 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  12. ↑ Lin, Zhangnan; Cong, Wei; Zhang, Jian’an (2023-09). Biobutanol Production from Acetone–Butanol–Ethanol Fermentation: Developments and Prospects. Fermentation (англ.). Т. 9, № 9. с. 847. doi:10.3390/fermentation9090847. ISSN 2311-5637. Процитовано 23 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  13. ↑ Tigunova, O. O.; Bratishko, V. V.; Shulga, S. M. (1 червня 2023). An Increase in the Production of Butanol by Clostridium sp. Cells under the Influence of Stress Factors. Cytology and Genetics (англ.). Т. 57, № 3. с. 239—245. doi:10.3103/S009545272303009X. ISSN 1934-9440. Процитовано 21 червня 2024.
  14. ↑ Kang, Jin; Dahman, Yaser (2023-09). Strategies for Improving Lignocellulosic Butanol Production and Recovery in ABE Fermentation by Tailoring Clostridia Metabolic Perturbations. Fermentation (англ.). Т. 9, № 9. с. 855. doi:10.3390/fermentation9090855. ISSN 2311-5637. Процитовано 21 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  15. ↑ Department of Chemical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela, 769008, India; Mahapatra, Manoj Kumar; Kumar, Arvind (2017). A Short Review on Biobutanol, a Second Generation Biofuel Production from Lignocellulosic Biomass. Journal of Clean Energy Technologies. Т. 5, № 1. с. 27—30. doi:10.18178/JOCET.2017.5.1.338. Процитовано 23 червня 2024.
  16. ↑ Karimi, Keikhosro; Khoshnevisan, Benyamin; Denayer, Joeri F.M. (1 березня 2024). Critical impacts of energy targeting on the sustainability of advanced biobutanol separation. Biofuel Research Journal. Т. 11, № 01. с. 1999—2012. doi:10.18331/BRJ2024.11.1.2. Процитовано 21 червня 2024.
  17. ↑ Zhen, Xudong; Wang, Yang; Liu, Daming (2020-03). Bio-butanol as a new generation of clean alternative fuel for SI (spark ignition) and CI (compression ignition) engines. Renewable Energy. Т. 147. с. 2494—2521. doi:10.1016/j.renene.2019.10.119. ISSN 0960-1481. Процитовано 23 червня 2024.
  18. ↑ Fernández-Rodríguez, David; Lapuerta, Magín; German, Lizzie (2021-01). Progress in the Use of Biobutanol Blends in Diesel Engines. Energies (англ.). Т. 14, № 11. с. 3215. doi:10.3390/en14113215. ISSN 1996-1073. Процитовано 23 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  19. ↑ Mascal, Mark (2012-07). Chemicals from biobutanol: technologies and markets. Biofuels, Bioproducts and Biorefining (англ.). Т. 6, № 4. с. 483—493. doi:10.1002/bbb.1328. ISSN 1932-104X. Процитовано 23 червня 2024.
  20. ↑ Palaniswamy, Sampathkumar; Ashoor, Selim; Eskasalam, Syafira Rizqi; Jang, Yu-Sin (2023). Harnessing lignocellulosic biomass for butanol production through clostridia for sustainable waste management: recent advances and perspectives. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. Т. 11. doi:10.3389/fbioe.2023.1272429. ISSN 2296-4185. PMC 10634440. PMID 37954017. Процитовано 23 листопада 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  21. ↑ Ray, Kathryn. «Cars Could Run on Recycled Newspaper, Tulane Scientists Say». Архів оригіналу за 21 жовтня 2014. Процитовано 21 лютого 2012.
  22. ↑ Полункін Є. В., Зубенко С. О., Гайдай О. О., Кузнєцова О. В. Спиртовмісні палива / Вісник Національного авіаційного університету Науковий журнал. — 2010, № 2. ISSN 1813-1166
  23. ↑ Patraşcu, Iulian; Bîldea, Costin Sorin; Kiss, Anton A. (2 квітня 2018). Eco-efficient Downstream Processing of Biobutanol by Enhanced Process Intensification and Integration. ACS Sustainable Chemistry & Engineering (англ.). Т. 6, № 4. с. 5452—5461. doi:10.1021/acssuschemeng.8b00320. ISSN 2168-0485. Процитовано 21 червня 2024.
  24. ↑ Wang, Pixiang; Chen, Yong Mei; Wang, Yifen; Lee, Yoon Y.; Zong, Wenming; Taylor, Steven; McDonald, Timothy; Wang, Yi (2019-02). Towards comprehensive lignocellulosic biomass utilization for bioenergy production: Efficient biobutanol production from acetic acid pretreated switchgrass with Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1-4. Applied Energy. Т. 236. с. 551—559. doi:10.1016/j.apenergy.2018.12.011. ISSN 0306-2619. Процитовано 21 червня 2024.
  25. ↑ Guo, Yuan; Liu, Yi; Guan, Mingdong; Tang, Hongchi; Wang, Zilong; Lin, Lihua; Pang, Hao (22 червня 2022). Production of butanol from lignocellulosic biomass: recent advances, challenges, and prospects. RSC Advances (англ.). Т. 12, № 29. с. 18848—18863. doi:10.1039/D1RA09396G. ISSN 2046-2069. PMC 9240921. PMID 35873330. Процитовано 21 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  26. ↑ Mukherjee, Mayurketan; Goswami, Gargi; Mondal, Pranab Kumar; Das, Debasish (2020-10). Biobutanol as a potential alternative to petroleum fuel: Sustainable bioprocess and cost analysis. Fuel. Т. 278. с. 118403. doi:10.1016/j.fuel.2020.118403. ISSN 0016-2361. Процитовано 21 червня 2024.

Див. також

[ред. | ред. код]


CHEM: Це незавершена стаття з хімії.
Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/wiki/Біобутанол