La obtención de mayores rendimientos de butanol implica la manipulación de las redes metabólicas mediante ingeniería metabólica e ingeniería genética . [6] [7] Si bien se han logrado avances significativos, las vías de fermentación para producir butanol siguen siendo ineficientes. Los títulos y los rendimientos son bajos y la separación es muy costosa. Como tal, la producción microbiana de butanol no es competitiva en términos de costos en comparación con el butanol derivado del petróleo. [8]
Aunque no está probado comercialmente, la combinación de métodos de producción electroquímicos y microbianos puede ofrecer una forma de producir butanol a partir de fuentes sostenibles . [9]
Escherichia coli
Escherichia coli , o E. coli , es una bacteria gramnegativa con forma de bastón . E. coli es el microorganismo con mayor probabilidad de pasar a la producción comercial de isobutanol. [10] En su forma modificada, E. coli produce los mayores rendimientos de isobutanol de cualquier microorganismo. [ cita necesaria ] Se han utilizadométodos como el análisis de modo elemental para mejorar la eficiencia metabólica de E. coli de modo que se puedan producir mayores cantidades de isobutanol. [11] E. coli es un biosintetizador de isobutanol ideal por varias razones:
E. coli es un organismo para el cual existen varias herramientas de manipulación genética, y es un organismo para el cual existe una extensa literatura científica. [10] Esta riqueza de conocimientos permite que los científicos modifiquen fácilmente la E. coli .
E. coli tiene la capacidad de utilizar lignocelulosa (residuos vegetales de la agricultura) en la síntesis de isobutanol. El uso de lignocelulosa evita que E. coli utilice materia vegetal destinada al consumo humano y previene cualquier relación entre el precio de los alimentos y el combustible que se produciría a partir de la biosíntesis de isobutanol por parte de E. coli . [10]
Se ha utilizado la modificación genética para ampliar el alcance de la lignocelulosa que puede utilizar E. coli . Esto ha convertido a E. coli en un biosintetizador de isobutanol útil y diverso. [12]
El principal inconveniente de E. coli es que es susceptible a los bacteriófagos cuando se cultiva. Esta susceptibilidad podría potencialmente cerrar biorreactores enteros. [10] Además, la vía de reacción nativa del isobutanol en E. coli funciona de manera óptima con una concentración limitada de isobutanol en la célula. Para minimizar la sensibilidad de E. coli en altas concentraciones, se pueden generar mutantes de las enzimas involucradas en la síntesis mediante mutagénesis aleatoria . Por casualidad, algunos mutantes pueden resultar más tolerantes al isobutanol, lo que mejorará el rendimiento general de la síntesis. [13]
Clostridios
El n -butanol se puede producir mediante fermentación de biomasa mediante el proceso ABE utilizando Clostridium acetobutylicum , Clostridium beijerinckii . C. acetobutylicum se utilizó alguna vez para la producción de acetona a partir de almidón . El butanol era un subproducto de la fermentación (se producía el doble de butanol). Las materias primas para el biobutanol son las mismas que las del etanol: cultivos energéticos como la remolacha azucarera , la caña de azúcar , el maíz en grano , el trigo y la yuca , futuros cultivos energéticos no alimentarios como el pasto varilla e incluso el guayule en América del Norte, así como subproductos agrícolas. como bagazo , paja y tallos de maíz . [14] Según DuPont , las plantas de bioetanol existentes pueden adaptarse de forma rentable a la producción de biobutanol. [15] Además, la producción de butanol a partir de biomasa y subproductos agrícolas podría ser más eficiente (es decir, unidad de potencia motriz entregada por unidad de energía solar consumida) que la producción de etanol o metanol . [dieciséis]
Una cepa de Clostridium puede convertir casi cualquier forma de celulosa en butanol incluso en presencia de oxígeno. [17]
Una cepa de Clostridium cellulolyticum , un microbio nativo que degrada la celulosa, produce isobutanol directamente a partir de la celulosa. [18]
Se puede fermentar una combinación de succinato y etanol para producir butirato (un precursor del combustible butanol) utilizando las vías metabólicas presentes en Clostridium kluyveri . El succinato es un intermediario del ciclo del TCA , que metaboliza la glucosa. Las bacterias anaeróbicas como Clostridium acetobutylicum y Clostridium saccharobutylicum también contienen estas vías. El succinato primero se activa y luego se reduce mediante una reacción de dos pasos para dar 4-hidroxibutirato , que luego se metaboliza aún más a crotonil-coenzima A (CoA). Luego, el crotonil-CoA se convierte en butirato. Los genes correspondientes a estas vías de producción de butanol a partir de Clostridium se clonaron en E. coli . [19]
Cianobacterias
Las cianobacterias son un filo de bacterias fotosintéticas . [20] Son adecuados para la biosíntesis de isobutanol cuando se modifican genéticamente para producir isobutanol y sus correspondientes aldehídos . [21] Las especies de cianobacterias productoras de isobutanol ofrecen varias ventajas como sintetizadores de biocombustibles:
Las cianobacterias crecen más rápido que las plantas [22] y también absorben la luz solar de manera más eficiente que las plantas. [23] Esto significa que se pueden reponer a un ritmo más rápido que la materia vegetal utilizada para otros biosintetizadores de biocombustibles.
Los suplementos necesarios para el crecimiento de las cianobacterias son CO 2 , H 2 O y luz solar. [23] Esto presenta dos ventajas:
Debido a que el CO 2 se deriva de la atmósfera, las cianobacterias no necesitan materia vegetal para sintetizar isobutanol (en otros organismos que sintetizan isobutanol, la materia vegetal es la fuente del carbono necesario para ensamblar sintéticamente isobutanol). [23] Dado que este método de producción de isobutanol no utiliza materia vegetal, se evita la necesidad de obtener materia vegetal de fuentes alimentarias y crear una relación entre el precio de los alimentos y el combustible. [22]
Debido a que las cianobacterias absorben el CO 2 de la atmósfera, existe la posibilidad de biorremediación (en forma de cianobacterias que eliminan el exceso de CO 2 de la atmósfera). [23]
Los principales inconvenientes de las cianobacterias son:
Son sensibles a las condiciones ambientales cuando se cultivan. Las cianobacterias sufren mucho por la luz solar de longitud de onda e intensidad inadecuadas, CO 2 de concentración inadecuada o H 2 O de salinidad inadecuada , aunque una gran cantidad de cianobacterias pueden crecer en aguas salobres y marinas . Estos factores son generalmente difíciles de controlar y presentan un obstáculo importante en la producción de isobutanol por parte de cianobacterias. [24]
Los biorreactores de cianobacterias requieren mucha energía para funcionar. Los cultivos requieren una mezcla constante y la recolección de productos biosintéticos requiere mucha energía. Esto reduce la eficiencia de la producción de isobutanol a través de cianobacterias. [24]
Las cianobacterias se pueden rediseñar para aumentar su producción de butanol, lo que muestra la importancia del ATP y las fuerzas impulsoras del cofactor como principio de diseño en la ingeniería de vías. Muchos organismos tienen la capacidad de producir butanol utilizando una vía dependiente de acetil-CoA . El principal problema de esta vía es la primera reacción que implica la condensación de dos moléculas de acetil-CoA en acetoacetil-CoA . Esta reacción es termodinámicamente desfavorable debido a la energía libre de Gibbs positiva asociada a ella (dG = 6,8 kcal/mol). [25] [26]
Bacillus subtilis
Bacillus subtilis es una bacteria grampositiva con forma de bastón. Bacillus subtilis ofrece muchas de las mismas ventajas y desventajas de E. coli , pero se usa menos y no produce isobutanol en cantidades tan grandes como E. coli . [10] Al igual que E. coli , B. subtilis es capaz de producir isobutanol a partir de lignocelulosa y se manipula fácilmente mediante técnicas genéticas comunes. [10] El análisis de modo elemental también se ha utilizado para mejorar la vía metabólica de síntesis de isobutanol utilizada por B. subtilis , lo que lleva a mayores rendimientos de isobutanol producido. [27]
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae , o S. cerevisiae , es una especie de levadura . Produce naturalmente isobutanol en pequeñas cantidades a través de su vía biosintética de valina . [28] S. cerevisiae es un candidato ideal para la producción de biocombustibles de isobutanol por varias razones:
S. cerevisiae se puede cultivar a niveles de pH bajos , lo que ayuda a prevenir la contaminación durante el crecimiento en biorreactores industriales. [10]
S. cerevisiae no puede verse afectada por los bacteriófagos porque es un eucariota . [10]
Ya existe un amplio conocimiento científico sobre S. cerevisiae y su biología. [10]
Se ha utilizado la sobreexpresión de las enzimas en la vía biosintética de la valina de S. cerevisiae para mejorar los rendimientos de isobutanol. [28] [29] [30] Sin embargo, ha resultado difícil trabajar con S. cerevisiae debido a su biología inherente:
Como eucariota, S. cerevisiae es genéticamente más compleja que E. coli o B. subtilis y, como resultado, es más difícil de manipular genéticamente. [10]
S. cerevisiae tiene la capacidad natural de producir etanol . Esta capacidad natural puede "dominar" y, en consecuencia, inhibir la producción de isobutanol por parte de S. cerevisiae . [10]
S. cerevisiae no puede utilizar azúcares de cinco carbonos para producir isobutanol. La imposibilidad de utilizar azúcares de cinco carbonos impide que S. cerevisiae utilice lignocelulosa y significa que S. cerevisiae debe utilizar materia vegetal destinada al consumo humano para producir isobutanol. Esto da como resultado una relación desfavorable entre el precio de los alimentos y el combustible cuando S. cerevisiae produce isobutanol . [10]
Los ánodos se colocan en una mezcla de H 2 O y CO 2 .
Se hace pasar una corriente eléctrica a través de los ánodos y, mediante un proceso electroquímico , se combinan H 2 O y CO 2 para sintetizar ácido fórmico .
Luego, el cultivo de C. necator convierte el ácido fórmico de la mezcla en isobutanol.
Luego, el isobutanol biosintetizado se separa de la mezcla y puede usarse como biocombustible.
Materias primas
El alto costo de la materia prima se considera uno de los principales obstáculos para la producción comercial de butanoles. El uso de materias primas abundantes y económicas, por ejemplo, rastrojos de maíz , podría mejorar la viabilidad económica del proceso. [32]
La ingeniería metabólica se puede utilizar para permitir que un organismo utilice un sustrato más barato como el glicerol en lugar de glucosa . Debido a que los procesos de fermentación requieren glucosa derivada de los alimentos, la producción de butanol puede afectar negativamente el suministro de alimentos (consulte el debate sobre alimentos versus combustible ). El glicerol es una buena fuente alternativa para la producción de butanol . Si bien las fuentes de glucosa son valiosas y limitadas, el glicerol es abundante y tiene un precio de mercado bajo porque es un producto de desecho de la producción de biodiesel . La producción de butanol a partir de glicerol es económicamente viable utilizando vías metabólicas que existen en la bacteria Clostridium pasturianum . [33]
Mejorando la eficiencia
Un proceso llamado separación de puntos de turbidez podría permitir la recuperación de butanol con alta eficiencia. [34]
Productores y distribución
DuPont y BP planean hacer del biobutanol el primer producto de su esfuerzo conjunto para desarrollar, producir y comercializar biocombustibles de próxima generación. [35] En Europa, la empresa suiza Butalco [36] está desarrollando levaduras genéticamente modificadas para la producción de biobutanol a partir de materiales celulósicos. Gourmet Butanol, una empresa con sede en Estados Unidos, está desarrollando un proceso que utiliza hongos para convertir residuos orgánicos en biobutanol. [37] [38] Celtic Renewables fabrica biobutanol a partir de residuos resultantes de la producción de whisky y patatas de baja calidad .
no absorbe fácilmente agua del aire, evitando la corrosión de motores y tuberías. [10]
se puede mezclar en cualquier proporción con gasolina, [40] lo que significa que el combustible puede "caer en" la infraestructura petrolera existente como combustible de reemplazo o aditivo principal. [10]
se puede producir a partir de materia vegetal no relacionada con el suministro de alimentos, lo que impide una relación entre el precio del combustible y el precio de los alimentos. [10] [11] [12] [27]
Suponiendo que se produzca a partir de materias primas lignocelulósicas residuales , mezclar isobutanol con gasolina puede reducir considerablemente las emisiones de GEI . [41]
n-butanol
El butanol tolera mejor la contaminación del agua y es menos corrosivo que el etanol y más adecuado para la distribución de gasolina a través de las tuberías existentes. [15] En mezclas con diésel o gasolina, es menos probable que el butanol se separe de este combustible que el etanol si el combustible está contaminado con agua. [15] También existe una sinergia de co-mezcla de presión de vapor con butanol y gasolina que contiene etanol, lo que facilita la mezcla de etanol. Esto facilita el almacenamiento y distribución de combustibles mezclados. [15] [42] [43]
El octanaje del n-butanol es similar al de la gasolina pero inferior al del etanol y el metanol. El n-butanol tiene un RON ( número de octano de investigación ) de 96 y un MON ( número de octano del motor ) de 78 (con un "número de octano de bomba (R+M)/2" resultante de 87, como se usa en América del Norte), mientras que t -butanol tiene índices de octanaje de 105 RON y 89 MON. [45] El t-butanol se usa como aditivo en la gasolina, pero no se puede usar como combustible en su forma pura porque su punto de fusión relativamente alto de 25,5 °C (79 °F) hace que se gelifique y solidifique cerca de la temperatura ambiente. Por otro lado, el isobutanol tiene un punto de fusión más bajo que el n-butanol y un RON favorable de 113 y un MON de 94 y, por lo tanto, es mucho más adecuado para mezclas de gasolina de alta fracción, mezclas con n-butanol o como combustible independiente. [46]
Un combustible con un octanaje más alto es menos propenso a detonar (combustión extremadamente rápida y espontánea por compresión) y el sistema de control de cualquier motor de automóvil moderno puede aprovechar esto ajustando el tiempo de encendido. Esto mejorará la eficiencia energética , lo que conducirá a una mejor economía de combustible de lo que indican las comparaciones del contenido energético de diferentes combustibles. Al aumentar la relación de compresión, se pueden lograr mayores ganancias en economía de combustible, potencia y par. Por el contrario, un combustible con un octanaje más bajo es más propenso a detonar y reducirá la eficiencia. Los golpes también pueden causar daños al motor. Los motores diseñados para funcionar con 87 octanos no tendrán ninguna potencia/economía de combustible adicional al funcionar con combustible de mayor octanaje.
Características del butanol: relación aire-combustible, energía específica, viscosidad, calor específico
Los combustibles alcohólicos, incluidos el butanol y el etanol, están parcialmente oxidados y, por lo tanto, deben funcionar con mezclas más ricas que la gasolina. Los motores de gasolina estándar de los automóviles pueden ajustar la relación aire-combustible para adaptarse a las variaciones en el combustible, pero sólo dentro de ciertos límites según el modelo. Si se excede el límite haciendo funcionar el motor con etanol puro o una mezcla de gasolina con un alto porcentaje de etanol, el motor funcionará pobre, algo que puede dañar críticamente los componentes. En comparación con el etanol, el butanol se puede mezclar en proporciones más altas con gasolina para su uso en automóviles existentes sin necesidad de modernización, ya que la proporción aire-combustible y el contenido de energía son más cercanos a los de la gasolina. [42] [43]
Los combustibles de alcohol tienen menos energía por unidad de peso y unidad de volumen que la gasolina. Para que sea posible comparar la energía neta liberada por ciclo, a veces se utiliza una medida llamada energía específica del combustible. Se define como la energía liberada por relación aire-combustible. La energía neta liberada por ciclo es mayor para el butanol que para el etanol o el metanol y aproximadamente un 10% mayor que para la gasolina. [47]
La viscosidad de los alcoholes aumenta con cadenas de carbonos más largas. Por esta razón, el butanol se utiliza como alternativa a los alcoholes más cortos cuando se desea un disolvente más viscoso. La viscosidad cinemática del butanol es varias veces mayor que la de la gasolina y casi tan viscosa como la del combustible diésel de alta calidad. [48]
El combustible de un motor debe vaporizarse antes de quemarse. La vaporización insuficiente es un problema conocido con los combustibles alcohólicos durante los arranques en frío en climas fríos. Como el calor de vaporización del butanol es inferior a la mitad del del etanol, un motor que funciona con butanol debería ser más fácil de arrancar en climas fríos que uno que funciona con etanol o metanol. [42]
Mezclas de combustibles de butanol
En muchos países, incluidos la UE, Estados Unidos y Brasil, existen normas para la mezcla de etanol y metanol en gasolina. Las mezclas equivalentes aproximadas de butanol se pueden calcular a partir de las relaciones entre la relación estequiométrica combustible-aire de butanol, etanol y gasolina. Las mezclas comunes de etanol para el combustible vendido como gasolina oscilan actualmente entre el 5% y el 10%. Se estima que se pueden ahorrar alrededor de 9,5 gigalitros (Gl) de gasolina y se pueden producir potencialmente alrededor de 64,6 Gl de mezcla de butanol y gasolina al 16% (Bu16) a partir de residuos de maíz en EE.UU., lo que equivale al 11,8% del total de gasolina nacional. consumo. [32]
La aceptación del consumidor puede ser limitada debido al olor potencialmente ofensivo a plátano del n-butanol. [49] Hay planes en marcha para comercializar un combustible que sea 85% etanol y 15% butanol (E85B), de modo que los motores de combustión interna E85 existentes puedan funcionar con un combustible 100% renovable que podría fabricarse sin utilizar combustibles fósiles . Debido a que su cadena de hidrocarburos más larga hace que sea bastante apolar , es más similar a la gasolina que al etanol. Se ha demostrado que el butanol funciona en vehículos diseñados para usarse con gasolina sin modificaciones.
Butanol en vehículos
Actualmente no se sabe de ningún vehículo de producción aprobado por el fabricante para su uso con 100% butanol. A principios de 2009, sólo unos pocos vehículos están aprobados incluso para utilizar combustible E85 (es decir, 85% etanol + 15% gasolina) en EE.UU. Sin embargo, en Brasil todos los fabricantes de vehículos (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroen y otros) producen vehículos "flex-fuel" que pueden funcionar 100% con gasolina o cualquier mezcla de etanol y gasolina hasta 85% etanol (E85). Estos autos flex fuel representan el 90% de las ventas de vehículos personales en Brasil, en 2009. BP y DuPont, comprometidas en una empresa conjunta para producir y promover el combustible butanol, afirman [15] que "el biobutanol se puede mezclar hasta en un 10%v /v en gasolina europea y 11,5%v/v en gasolina estadounidense". [50] [51] En la carrera Petit Le Mans de 2009 , el No. 16 Lola B09/86 - Mazda MZR-R de Dyson Racing corrió con una mezcla de biobutanol y etanol desarrollada por el socio tecnológico del equipo BP .
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^ Investigadores de UCLA utilizan electricidad y CO2 para producir butanol
^ Conversión electromicrobiana integrada de CO2 a alcoholes superiores
enlaces externos
Biobutanol ( EERE ).
Novedades sobre la investigación del biobutanol en el Green Car Congress
