El butanol, un hidrocarburo C-4, es un combustible bioderivado prometedor que comparte muchas propiedades con la gasolina.
El butanol puede utilizarse como combustible en un motor de combustión interna . Es más similar a la gasolina que al etanol . El butanol, un hidrocarburo C4, es un combustible de reemplazo y, por lo tanto, funciona en vehículos diseñados para usarse con gasolina sin modificaciones. [1] Se han estudiado
tanto el n -butanol como el isobutanol como posibles combustibles. Ambos pueden producirse a partir de biomasa (como "biobutanol" [2] [3] [4] ) así como a partir de combustibles fósiles (como "petrobutanol" [5] ). Las propiedades químicas dependen del isómero ( n -butanol o isobutanol), no del método de producción.
Organismos genéticamente modificados
Para obtener mayores rendimientos de butanol es necesario manipular 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. Por lo tanto, la producción microbiana de butanol no es competitiva en cuanto a costos en relación con el butanol derivado del petróleo. [8]
Aunque no se ha demostrado 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 Gram-negativa con forma de bastón . E. coli es el microorganismo con más probabilidades 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 requerida ] 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 una amplia literatura científica. [10] Esta riqueza de conocimiento permite que los científicos puedan modificar fácilmente E. coli .
La E. coli tiene la capacidad de utilizar lignocelulosa (residuos vegetales de la agricultura) en la síntesis de isobutanol. El uso de lignocelulosa impide que la E. coli utilice materia vegetal destinada al consumo humano y evita cualquier relación precio-combustible que se produciría a partir de la biosíntesis de isobutanol por parte de la E. coli . [10]
La modificación genética se ha utilizado para ampliar el espectro 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 paralizar biorreactores enteros. [10] Además, la vía de reacción nativa para el isobutanol en E. coli funciona óptimamente a 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 por 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 para el etanol: cultivos energéticos como remolacha azucarera , caña de azúcar , grano de maíz , trigo y mandioca , posibles cultivos energéticos no alimentarios como pasto varilla e incluso guayule en América del Norte, así como subproductos agrícolas como bagazo , paja y tallos de maíz . [14] Según DuPont , las plantas de bioetanol existentes se pueden modernizar de manera rentable para la producción de biobutanol. [15] Además, la producción de butanol a partir de biomasa y subproductos agrícolas podría ser más eficiente (es decir, la potencia motriz del motor entregada por unidad de energía solar consumida) que la producción de etanol o metanol . [16]
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]
Una combinación de succinato y etanol se puede fermentar para producir butirato (un precursor del combustible de 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 de Clostridium se clonaron en E. coli . [19]
Cianobacterias
Las cianobacterias son un filo de bacterias fotosintéticas . [20] Son adecuadas para la biosíntesis de isobutanol cuando se modifican genéticamente para producir isobutanol y sus aldehídos correspondientes . [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 pueden reponerse 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:
Como el CO2 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 el isobutanol). [23] Como la materia vegetal no se utiliza en este método de producción de isobutanol, se evita la necesidad de obtener materia vegetal de fuentes alimentarias y crear una relación precio-combustible. [22]
Debido a que el CO 2 es absorbido de la atmósfera por las cianobacterias, existe la posibilidad de biorremediación (en forma de cianobacterias que eliminan el exceso de CO 2 de la atmósfera). [23]
Las principales desventajas de las cianobacterias son:
Son sensibles a las condiciones ambientales durante su crecimiento. Las cianobacterias sufren mucho a causa de la luz solar de longitud de onda e intensidad inadecuadas, el CO2 de concentración inadecuada o el H2O de salinidad inadecuada , aunque una gran cantidad de cianobacterias pueden crecer en aguas salobres y marinas . Estos factores son generalmente difíciles de controlar y representan un obstáculo importante en la producción de isobutanol por parte de las cianobacterias. [24]
Los biorreactores de cianobacterias requieren un alto consumo de energía para funcionar. Los cultivos requieren una mezcla constante y la recolección de productos biosintéticos consume mucha energía. Esto reduce la eficiencia de la producción de isobutanol a través de las cianobacterias. [24]
Las cianobacterias pueden ser rediseñadas para aumentar su producción de butanol, lo que demuestra la importancia de las fuerzas impulsoras del ATP y de los cofactores 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 con esta vía es la primera reacción que implica la condensación de dos moléculas de acetil-CoA a acetoacetil-CoA . Esta reacción es termodinámicamente desfavorable debido a la energía libre de Gibbs positiva asociada con 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 utiliza de forma menos destacada y no produce isobutanol en cantidades tan grandes como E. coli . [10] De forma similar a 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 conduce a una mayor producción de isobutanol. [27]
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae , o S. cerevisiae , es una especie de levadura que produce isobutanol de forma natural en pequeñas cantidades a través de su vía biosintética de valina . [28] S. cerevisiae es un candidato ideal para la producción de biocombustible 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 ser afectado por bacteriófagos porque es un eucariota . [10]
Ya existe un amplio conocimiento científico sobre S. cerevisiae y su biología. [10]
La sobreexpresión de las enzimas en la vía biosintética de valina de S. cerevisiae se ha utilizado 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 complejo 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 “superar” 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 incapacidad de utilizar azúcares de cinco carbonos restringe a S. cerevisiae el uso de 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 los precios de los alimentos y los combustibles 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 .
Un cultivo de C. necator (compuesto por una cepa tolerante a la electricidad) se mantiene dentro de la mezcla de H 2 O y CO 2 .
Luego, el cultivo de C. necator convierte el ácido fórmico de la mezcla en isobutanol.
El isobutanol biosintetizado se separa luego de la mezcla y puede utilizarse 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 baratas y abundantes, por ejemplo, rastrojo de maíz , podría mejorar la viabilidad económica del proceso. [32]
Un proceso llamado separación del punto de enturbiamiento 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 modificadas genéticamente 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 los residuos orgánicos en biobutanol. [37] [38] Celtic Renewables fabrica biobutanol a partir de los residuos que resultan de la producción de whisky y patatas de baja calidad .
No absorbe fácilmente el agua del aire, lo que evita la corrosión de motores y tuberías. [10]
se puede mezclar en cualquier proporción con gasolina, [40] lo que significa que el combustible puede "ingresar" a la infraestructura petrolera existente como combustible de reemplazo o aditivo principal. [10]
puede producirse a partir de materia vegetal no relacionada con los suministros de alimentos, lo que evita una relación entre el precio del combustible y el precio de los alimentos. [10] [11] [12] [27]
Suponiendo que se produce a partir de materias primas lignocelulósicas residuales , la mezcla de 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 su distribución a través de los conductos existentes para la gasolina. [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 presión de vapor entre la mezcla de butanol y la gasolina que contiene etanol, lo que facilita la mezcla de etanol. Esto facilita el almacenamiento y la distribución de combustibles mezclados. [15] [42] [43]
El índice de octano 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 de motor ) de 78 (con un "número de octano de surtidor (R+M)/2" resultante de 87, como se usa en América del Norte), mientras que el t-butanol tiene índices de octano de 105 RON y 89 MON. [45] El t-butanol se utiliza como aditivo en la gasolina, pero no se puede utilizar 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 otra parte, 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 índice de octano más alto es menos propenso a la detonación (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 torque. Por el contrario, un combustible con un índice de octano más bajo es más propenso a la detonación y reducirá la eficiencia. La detonación también puede 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 de alcohol, incluidos el butanol y el etanol, se oxidan parcialmente y, por lo tanto, necesitan funcionar en 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 del combustible, pero solo dentro de ciertos límites según el modelo. Si se excede el límite al hacer funcionar el motor con etanol puro o una mezcla de gasolina con un alto porcentaje de etanol, el motor funcionará con una mezcla pobre, algo que puede dañar gravemente los componentes. En comparación con el etanol, el butanol se puede mezclar en proporciones más altas con la gasolina para su uso en automóviles existentes sin necesidad de modernizarlos, ya que la relación aire-combustible y el contenido energético son más cercanos a los de la gasolina. [42] [43]
Los combustibles de alcohol tienen menos energía por unidad de peso y de volumen que la gasolina. Para poder comparar la energía neta liberada por ciclo, a veces se utiliza una medida denominada energía específica de los combustibles, que 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 carbono más largas. Por este motivo, 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 superior a la de la gasolina y casi tan viscosa como el combustible diésel de alta calidad. [48]
El combustible de un motor debe vaporizarse antes de que se queme. La vaporización insuficiente es un problema conocido con los combustibles de alcohol durante los arranques en frío en climas fríos. Como el calor de vaporización del butanol es menos de la mitad del del etanol, un motor que funcione con butanol debería ser más fácil de arrancar en climas fríos que uno que funcione con etanol o metanol. [42]
Mezclas de combustible de butanol
Existen normas para la mezcla de etanol y metanol en la gasolina en muchos países, incluidos la UE, los EE. UU. y Brasil. Se pueden calcular mezclas de butanol equivalentes aproximadas a partir de las relaciones entre la relación estequiométrica combustible-aire de butanol, etanol y gasolina. Las mezclas de etanol combustible más comunes para el combustible vendido como gasolina actualmente varían entre el 5% y el 10%. Se estima que se pueden ahorrar alrededor de 9,5 gigalitros (Gl) de gasolina y que se pueden producir potencialmente alrededor de 64,6 Gl de mezcla de butanol-gasolina al 16% (Bu16) a partir de residuos de maíz en los EE. UU., lo que equivale al 11,8% del consumo doméstico total de gasolina. [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 es 85% etanol y 15% butanol (E85B), por lo que los motores de combustión interna E85 existentes pueden funcionar con un combustible 100% renovable que podría fabricarse sin usar ningún combustible fósil . Debido a que su cadena de hidrocarburos más larga hace que sea bastante no polar , es más similar a la gasolina que al etanol. Se ha demostrado que el butanol funciona en vehículos diseñados para su uso con gasolina sin modificación.
Butanol en vehículos
Actualmente no se conoce ningún vehículo de producción que haya sido aprobado por el fabricante para su uso con 100% de butanol. A principios de 2009, sólo unos pocos vehículos estaban aprobados para utilizar incluso combustible E85 (es decir, 85% de etanol + 15% de gasolina) en los EE. UU. Sin embargo, en Brasil todos los fabricantes de vehículos (Fiat, Ford, VW, GM, Toyota, Honda, Peugeot, Citroën y otros) producen vehículos "flex-fuel" que pueden funcionar con 100% de gasolina y/o cualquier mezcla de etanol y gasolina hasta 85% de etanol (E85). Estos automóviles flex-fuel representan el 90% de las ventas de vehículos personales en Brasil en 2009. BP y DuPont, que participan en una empresa conjunta para producir y promover el combustible de butanol, afirman [15] que "el biobutanol puede mezclarse hasta en un 10% v/v en la gasolina europea y en un 11,5% v/v en la gasolina estadounidense". [50] [51] En la carrera Petit Le Mans de 2009 , el No. 16 Lola B09/86 - Mazda MZR-R de Dyson Racing funcionó con una mezcla de biobutanol y etanol desarrollada por el socio tecnológico del equipo BP .
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^ Conversión electromicrobiana integrada de CO2 en alcoholes superiores
Enlaces externos
Biobutanol ( EERE ).
Noticias sobre la investigación del biobutanol en el Green Car Congress
