Характеристика біобутанолу - каталог статей

характеристики бутанола

Бутанол є спирт (безбарвна рідина з характерним запахом сивушного масла) з чотирма атомами вуглецю (C4H9OH).

Бутанол застосовують як розчинник у лакофарбовій промисловості, у виробництві смол і пластифікаторів, в синтезі багатьох органічних сполук. Може застосовуватися в якості компонента до традиційних палив або як самостійне паливо для транспортних засобів.

Бутанол, вироблений з біомаси, прийнято називати біобутанолу, хоча він має абсолютно ті ж характеристики, що й бутанол, отриманий з нафти (хімічної сировини).

Бутиловий спирт (бутанол) як і етиловий спирт (етанол) може бути отриманий:

* Шляхом переробки цукру або крохмалю с / г рослинних культур (біобутанол I покоління);
* Шляхом переробки целюлози рослин (біобутанол II покоління);
* Шляхом синтезу хімічної сировини (бутанол).

Історія виробництва бутанолу

Промислове виробництво бутанолу почалося в 1916 році. Тоді використовувався метод ферментації АБЕ (ацетон, бутанол, етанол) із застосуванням бактерії Clostridia acetobutylicum. Цей мікроорганізм, який виробляє ацетон, вперше виділив Хаїм Вейцман (Haim Weizmann), патент США № 1 315 585. Під час I світової війни Англія звернулася до молодого мікробіологові з проханням передати їй право на виробництво таким методом ацетону для подальшого отримання кордіта (бездимного пороху ). Процес використовувався аж до 1920-х років для отримання виключно ацетону. Однак на кожен літр ацетону під час ферментації виходило додатково два літри бутанола. Хтось одного разу взяв нітроклітковини, змішав її з бутанолом і отримав швидковисихаючий лак. Через три роки автомобілебудування кардинально змінило весь ринок, і до 1927 року основним продуктом АБЕ процесу став бутанол, тоді як ацетон став побічним продуктом. Під час II світової війни бутанол використовувався у виробництві синтетичного каучуку.

Побічними продуктами ферментації АБЕ є водень, ізопропанол, оцтова, молочна, пропіонова і масляна кислоти, а також діоксид вуглецю і ліпіди. Необхідність поділу основних продуктів ферментації і видалення побічних - впливає, зокрема, на збільшення собівартості кожного літра бутанола.

З 1954 року ціна нафти стала нижчою за ціну цукру - в зв'язку з тим, що США втратили дешевих поставок цукру з Куби. В результаті на тлі постійного зростання попиту на бутанол ферментаційне виробництво почало скорочуватися. В даний час бутанол виробляють з нафти найбільш ефективними методами - гідролізом галогеналканов або гідролізом і гідратацією алкенів.

Сьогодні бутанол використовується, перш за все, в якості промислового розчинника. Світовий ринок цього продукту оцінюється в 1,6 млрд літрів в рік, з яких 1 млрд літрів в рік припадає на частку США.

Бутанол в якості моторного палива

Бутанол може замінювати бензин в якості палива навіть більшою мірою, ніж етанол, завдяки своїм фізичним властивостям, економічності, безпеки, а також з-за того, що його використання не вимагає переробок двигуна автомобіля.

Основною причиною, по якій до недавнього часу ніхто не знав про бутанолі як про альтернативне паливо, є те, що виробництво цього продукту ніколи не вважалося економічно доцільним. Як було сказано вище, цей продукт використовується в основному як промисловий розчинник, ціна якого перевищує приблизно в три рази ціну газу. Традиційний процес ферментації дає з бушеля (35 літрів) зерна тільки 6 літрів бутанола, 3 літри ацетону, 1,5 літра етанолу і 0,3 кг водню. Таке виробництво бутанолу не може конкурувати з технологією виробництва етанолу, яка дає 13 літрів продукту на бушель. Прогрес в області біотехнологій дозволив перетворити кукурудзу та іншу біомасу в досить економічне джерело біобутанолу, проте старт промислового виробництва пов'язується з вирішенням ряду проблем.

У порівнянні з етанолом, бутанол може бути змішаний в більш високих пропорціях з бензином і використовуватися в існуючих автомобілях без модифікації системи формування повітряно-паливної суміші. Бутанол виділяє чистої енергії на робочий цикл більше, ніж етанол або метанол, і приблизно на 10% більше, ніж бензин. У зв'язку з отриманням нових високоекономічних технологій виробництва біобутанолу, в даний час отримують із зерна бутанол привертає все більшу увагу фахівців для застосування його в якості палива. Успіх обумовлюється рядом переваг бутанола перед етанолом, серед них:

Таким чином, біобутанол економічніший, ніж суміш етанолу з бензином, він покращує паливну ефективність автомобіля і збільшує пробіг на одиницю витрачається палива. Біобутанол виходить з того ж самого сировини - кукурудзи, цукрового буряка, сорго, маніоки, цукрової тростини, кукурудзяних стебел і іншої біомаси, що і етанол, але може замінювати бензин в рівному обсязі.

Розвиток технологій виробництва бутанолу I покоління
1. Environmental Energy

Ферментація АБЕ за допомогою бактерій Clostridium acetobutylicum - один з перших процесів, застосованих для промислової ферментації бутанола. На основі використання згаданих анаеробних мікроорганізмів вперше в світі була створена така галузь, як мікробіологічне виробництво. Однак до отримання штаму під назвою Clostridium beijerinkii і створення нової технології компанією Environmental Energy, ферментація була складним і важкокерована процесом.

При типовою ферментації АБЕ спочатку бактерії Clostridium acetobutylicum виробляють масляну, пропіонова, молочну та оцтову кислоти (стадія виробництва кислоти), потім водневий показник культури знижується і таким чином ініціюється метаболічний зрушення до стадії виробництва розчинника, в результаті чого виходить бутанол, ацетон, ізопропанол і етанол .

Зрушення ініціюється підвищенням концентрації масляної кислоти більше 2 г / л і зниженням водневого показника менше 5. При використанні звичайної АБЕ ферментації вихід бутанолу з глюкози низький: приблизно 15% і рідко перевищує 25%. Виробництво бутанолу обмежується тим, що при концентрації в 1-2% бутанол істотно блокує зростання клітини і може викликати припинення ферментації. Тому концентрація бутанола при звичайному АБЕ процесі зазвичай не перевищує 1,3%. Всі спроби, початі за останні 20 з гаком років, дозволили в кращому випадку отримати бутанол з концентрацією менше 2%, при продуктивності 4,46 г / л / год і виході бутанола менш ніж 25% від ваги глюкози.

Ханс Блашек використовував свій запатентований запатентований генетично змінений мікроорганізм C. beijerinkii, він успішно перетворив кукурудзу в бутанол. Крім того, професор розробив основи технології отримання бутанола шляхом вилучення з газу. При цьому бутанол буде недорогим і без забруднень, можливих при використанні технологій, заснованих на застосуванні мембран.

У планах вченого - масштабувати ферментаційний процес отримання бутанола за допомогою існуючого штаму C. beijerinkii, підібрати ефективне зернова сировина і тип зернових волокон для виробництва бутанолу, а також створити друге покоління мікроорганізмів.

Трохи пізніше, об'єднавши в процесі два чергових, нові штами бактерій і пред'явивши ряд інженерних рішень, компанія Environmental Energy заявила про створення повноцінної технології отримання біобутанолу. Компанії був виданий патент США № 5 753 474 «Безперервний двоступеневий анаеробний ферментаційний процес отримання бутанолу та інших органічних розчинників з використанням двох різних штамів бактерій». Патент описує технологію, яка дозволяє сподіватися на отримання ефективного і економічно рентабельного бутанола.

Оптимізація процесу АБЕ ферментації і отримання бутанола за допомогою масляної кислоти, отриманої з вуглеводів, дозволило істотно збільшити вихід, об'ємну продуктивність і концентрацію бутанола. Використання компанією Environmental Energy імобілізованих культур C.tyrobutyricum і C.acetobutylicum дозволяє отримати оптимальну продуктивність бутанола 4,64 г / л / год і вихід 42% від ваги глюкози.

У порівнянні зі звичайним АБЕ процесом, технологія компанії Environmental Energy усуває виробництво небажаних продуктів, включаючи оцтову, молочну, пропионовую кислоти, ацетон, ізопропанол і етанол, таким чином, зберігаючи вуглець і виробляючи лише вуглекислий газ, водень, масляну кислоту і бутанол. Цей процес практично подвоює вихід бутанолу. Крім того, нова технологія пов'язана з виробництвом побічної водню, який також є альтернативним паливом.

* 16% біобутаноловая суміш діє так само, як і 10% етанолова суміш;
* Щільність енергії біобутанолу ближче до неетильованого бензину;
* Біобутанол не змішується з водою.

3. Fermentation Biotechnology Research

Проблема поліпшення технології процесу і мікроорганізмів, які здійснюють ферментацію, також є рушійною силою наукових і урядових досліджень.

Перш за все, в мікробіологічному процесі ферментації бутанола є одна парадоксальна особливість: хоча бутанолобразующая бактерія створює ензими, які конвертують прості цукри в алкоголь, сам бутанол токсичний для цих мікробів. Результатом такого бутанолового інгібування є низька концентрація спирту в ферментують середовищі, що призводить до зниження виходу бутанола і збільшення витрат виробництва. Це проблеми, які виникають при використанні високоочищеного сировини. Коли використовується більш дешеве біологічну сировину, додаткові бактеріальні інгібітори виробляються на стадії попередньої обробки.

Розвиваються стратегії щодо зниження токсичності бутанолу і збільшення виходу, включаючи кілька інтегрованих рівнів в процесі управління мікробіологічними культурами. Загальний процес, який команда дослідників з центру Fermentation Biotechnology Research розробила для виробництва бутанолу з сільськогосподарських відходів, включає чотири етапи:

* Первісна обробка, яка розкриває оболонку клітинної структури і видаляє лінгін;
* Гідроліз геміцелюлози і целюлози на прості гексозних і пентозного цукру, використовуючи Ензі-ми;
* Ферментація простих цукрів в бутанол, використовуючи чисту культуру C.beijerinckii P206, анаеробні бактерії;
* Отримання бутанолу.

Унікальна характеристика процесу полягає в тому, що останні три етапи поєднуються і здійснюються в одному реакторі.
Дослідницький центр співпрацює з Lars Angenent, фахівцем в галузі навколишнього середовища Вашингтонського університету, також як і з іншими фахівцями Дослідницького підрозділу міністерства сільського господарства США, щоб підвищити рентабельність етапу гідролізу. Ідея полягає в тому, щоб замінити необхідні ензими, які часто дорого коштують, на змішану культуру мікроорганізмів. Angenent буде використовувати мікроби, зібрані з осаду в метантанк, і мікроби з овечого рубця, щоб ферментувати попередньо оброблені волокна кукурудзи в масляну кислоту.

Співпраця знаходиться ще в період становлення, воно фінансується грантом, отриманим від міністерства сільського господарства США. В даний час команда Angenent працює над оптимізацією виробництва масляної кислоти, змінюючи такі умови, як pH і температура.