Евгений Панцхава - Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография

Сегодня бутанол используется, прежде всего, в качестве промышленного растворителя. Мировой рынок этого продукта оценивается в 350 млн. галлонов в год, из которых 220 млн. галлонов в год приходится на долю США.

Бутанол в качестве моторного топлива.

Биобутанол более экономичен, чем смесь этанола с бензином, он улучшает топливную эффективность автомобиля и увеличивает пробег на единицу расходуемого топлива.

В начале 21 века профессор Университета штата Иллинойс Hans Blaschek получил новый штамм бактерии Clostridium. В 2004 году Clostridium beijerinkii был выбран Министерством энергетики США для генного картирования. Работа проводилась в Объединенном институте геномов в Калифорнии.

В 2006 г., используя запатентованный им генетически измененный микроорганизм Clostridium beijerinkii, профессор Hans Blaschek успешно преобразовал кукурузу в бутанол. Для инициации процесса ферментации профессор использовал полученную им карту генома микроорганизма. В дальнейшем, используя результаты анализа генома, он планирует вывести второе, еще более эффективное поколение микроорганизма Clostridium beijerinkii.

Кроме того, профессор Hans Blaschek разработал основы технологии получения бутанола путем извлечения из газа. При этом бутанол будет недорогим и без загрязнений, возможных при использовании технологий, основанных на применении мембран.

В планах ученого – масштабировать ферментационный процесс получения бутанола с помощью существующего штамма Clostridium beijerinkii, подобрать эффективное зерновое сырье и тип зерновых волокон для производства бутанола, а также создать второе поколение микроорганизмов.

Чуть позже, объединив в процессе два очередных, новых штамма бактерий и предъявив ряд инженерных решений, компания Environmental Energy заявила о создании полноценной технологии получения биобутанола. Компании был выдан патент США № 5 753 474 «Непрерывный двухступенчатый анаэробный ферментационный процесс получения бутанола и других органических растворителей с использованием двух различных штаммов бактерий. Патент описывает технологию, которая позволяет надеяться на получение эффективного и экономически рентабельного бутанола. Использование компанией сдвоенных биореакторов с иммобилизованными клетками непрерывного действия увеличивает выход бутанола до 13.38 л на 18 кг зерна плюс дополнительных 0.27 кг водорода в качестве побочного продукта.

Оптимизация процесса АБЭ ферментации и получение бутанола посредством масляной кислоты, преобразованной из углеводов, позволило существенно увеличить выход, объемную производительность и концентрацию бутанола. Использование компанией Environmental Energy иммобилизированных культур Clostridium tyrobutyricum и Clostridium acetobutylicum позволяет получить оптимальную производительность бутанола 4,64 г/л/ч и выход 42 % от веса глюкозы, или 13.38 л на 18 кг зерна (15.9 кг крахмала/ лактозы/ сахара) против 5.9 л по сравнению с обычным АБЭ процессом.

Кроме того, новая технология связана с производством побочного водорода, который также является альтернативным топливом. Принимая во внимание попутное производство водорода, новая технология позволяет получить из 18 кг зерна на 42 % больше энергии, чем производится в ходе обычного получения этанола – 25 % этой разницы дает бутанол и 18 % – водород. Важно понимать, что даже в отсутствие технической базы для применения водорода в качестве альтернативного источника энергии – он является ценным химическим продуктом, востребованным во многих подотраслях химической промышленности.

Environmental Energy намерена наладить производство биобутанола для рынка растворителей, а в дальнейшем продавать его как альтернативное топливо.

Таблица. 7-1

Энергетические характеристики бензина и первичных спиртов

Бутанол выделяет при сгорании 36 MJ/кг (15,500 BTU/lb). Это может быть выражено объемным способом как 29,2 MJ/литр (104,800 BTU/амер. галлон).

Переключив бензиновый двигатель на бутанол, как результат, можно получить увеличение потребления топлива около 10 %, но бутанольный эффект для пройденного автомобилем расстояния должен быть дополнительно определен научным анализом. Энергетическая плотность для любой смеси бензина и бутанола может быть вычислена, тестирование других спиртовых топлив продемонстрировало, что эффект в экономии топлива не пропорционален изменению энергетической плотности.[28].[

Октановое число бутанола подобно тому же числу для бензина, но ниже, чем для этанола и метанола. Бутанол имеет RON (Octane number by the Research method или Исследовательское Октановое Число – ИОЧ и) 96 и MON – motor octane number-или МОЧ – моторное октановое число) 78, тогда как трет-бутанол имеет октановое число 105 RON и 89 MON. [7] Трет-бутанол используется как добавка в бензин, но не может быть использован как топливо в чистом виде, поскольку его точка плавления – 25,5 °C. Другими словами, когда холодно, трет-бутанол превращается в гель. [8]Топливо с более высоким октановым числом менее склонно к детонации (чрезвычайно быстрому самовозгоранию от сжатием) и управляющая система любого современного двигателя может иметь преимущество, если перед этим отрегулировать синхронизацию зажигания. Это улучшит энергетическую эффективность, ведущую к лучшей экономии топлива. Увеличивая коэффициент сжатия, увеличивается экономия топлива, мощность и вращающий момент. И наоборот, топливо с более низким октановым числом более склонное к детонации и уменьшит эффективность, поскольку детонация может нанести ущерб мотору.

Спиртовое топливо, включая бутанол и этанол, частично окислено и следовательно нужно работать с более богатыми смесями, чем бензин. Стандартные бензиновые двигатели в автомобилях могут регулировать воздушно-топливный коэффициент, соответственно изменяя топливо, но только в определенных пределах в зависимости от модели. Если предел двигателя превышен, то работая на чистом бутаноле или бензиновой смеси с высоким процентом бутанола, двигатель работает на бедной смеси, что может повредить его. По сравнению с этанолом, бутанол может быть смешан с бензином с более высоким коэффициентом для использования в существующих автомобилях без необходимости в переделке, поскольку воздушно-топливный коэффициент и энергетическое содержимое – ближе к тому же самому бензину. [7-28]

Спиртовое топливо имеет меньше энергии на единицу веса и объема, чем бензин, но в то же самое время требует более богатой смеси. Чтобы сравнить чистую энергию произведенную за цикл иногда используется мера названная специфической энергией топлива. Она определена как произведенная энергия на воздушно-топливный коэффициент. Чистая энергия произведенная за цикл более высокая для бутанола, чем этанола или метанола и приблизительно на 10 % выше, чем для бензина.