Биобутанол - Замена для производства биоэтанола?

Этанол, ведущий сотрудник биотоплива, есть ряд ограничений. Бутанола преодолеть многие из них, и перспективным в качестве следующего важного биотоплива транспорта.

Доминирующей биотоплива в США, Бразилии и многих других стран этанол производится через yeastbased ферментации (в основном) кукурузы или сахарного тростника. Это хорошо известный метод применяется на протяжении веков, чтобы напитки, и в течение многих лет практикуется в промышленных масштабах для производства этанола на нетопливные использования. Нынешний рост индустрии топливного этанола (в США и других странах) мотивируется основном проблемы развития сельских районов, энергетическая независимость и смягчению последствий изменения климата.

Тем не менее, свойства этилового спирта делает несколько несовместимых с большинством многие триллионы долларов в мире нефтепереработка, распределение топлива, дозаправка, а также инфраструктуры транспортного средства. Кроме того, энергетики, которые должны сочетаться и этанола топливного рынка возникают новые динамики рынка, что спрос на этанол не определяется спросом клиентов или экономики, а социальные и политические императивы. Цепи этанола значение сливается сельское хозяйство и продовольствие, нефть и нефтехимия - два сектора, которые имеют радикально различные клиенты, культуры, технологий, макроэкономики и бизнес-моделей. В последнее время этанол из кукурузы была подвергнута критике за то, что бедные след парниковых газов и повышения цен на продовольственные товары на мировых рынках, подобные критики бразильского сахарного тростника этанол были менее серьезными.

Привлекательным биотоплива, которое может быть непосредственно использована для дополнения или замещения на основе нефти бензина и дизельного топлива, который имеет маленькую выбросов углерода в атмосферу, а не конкурировать (или конкурировать столько) с продовольствием. На одном конце спектра "Святой Грааль" биотоплива углеводородов сделано путем газификации целлюлозной биомассы или ферментации сахаров из биомассы, - но те, вероятно, будут не менее десяти лет от истинного коммерческое значение. Целлюлозного этанола, на другом конце спектра, не конкурирует с гораздо производства продуктов питания и она лучше выбросов углекислого газа профиль - однако по-прежнему неудобно топлива.

Потенциал биобутанола

В краткосрочной перспективе, одним из возможных решений беды этанола является биобутанола (иногда называют просто "бутанол", который, если изменение обычно означает нормальную бутанола, н-бутанола или 1-бутанол, straightchain изомера, оканчивающиеся на алкоголь функциональной группы-OH ). Бутанола производится известно, давний-коммерческого брожения технологий, которые могут быть применены к различным углеводного субстрата.

бутанола свойства делают ее гораздо более привлекательной, чем биотоплива этанола в отношении смешивания бензина, распределение и заправки, и использование существующих транспортных средств. Для обозначения потенциальных биобутанола в качестве заменить этанолом бензина blendstock. В таблице 1 сравниваются некоторые из соответствующих свойств бутанол, этанол и бензин. Эти имущественные различия придают некоторые ключевые преимущества бутанола:

* Бутанола могут быть обработаны удобно в существующую инфраструктуру нефти, включая транспортировку по трубопроводам.

* Это можно смешивать в любой пропорции, либо бензина или дизельного топлива на существующих заводах, что позволит избежать капитальных вложений связано с завода revamps и потребность в крупных оперативных изменений.

* Это не растворяются в воде или поглощать или шлам, и не будет распускать ржавчины и других материалов, бродяга трубопроводов, цистерн и другого оборудования.

* Его октановое значения и плотность энергии приближаются к бензина, так что транспортное средство экономии топлива (миль на галлон) не будет незначительно деградируют, как это происходит с этанолом бензина смеси.

* С момента своего давления пара гораздо ниже, чем у этанола, он не будет поднимать Рид топливе давления паров (RVP) - основные технические характеристики готового бензина. В результате, снижение стоимости октановым усилители, такие как бутан (который имеет высокое давление паров) могут быть использованы в бутанол-бензин вписывается в теплое время года.

* Низкой растворимостью в воде бутанола и воды в бутаноле уменьшает тенденцию для разлива распространяться в грунтовые воды.

* Как и другие спирты, бутанол, в конечном счете вполне поддающихся биохимическому разложению, что ограничивает его воздействия на окружающую среду в случае разлива или утечки.

Но биобутанола есть несколько потенциальных недостатков. Это более токсичны для человека и животных в короткий срок, чем этанол или бензин (хотя некоторые компоненты бензина, таких как бензол, более токсичны и / или канцерогенным). И не ясно ли бутанол будет деградировать материалы широко используются в автомобилях, которые могут вступить в контакт с моторных топлив, строительных данные свидетельствуют о том, что это не вызовет проблем, но не было окончательного тестирования на широкий круг потенциально затрагиваемых полимеров и металлов.

Используя существующую инфраструктуру

Биобутанол брожения отличается от биоэтанола брожения в основном на использовании бактерий, чем дрожжи, и менее энергоемкие, но более сложные схемы разделения продукта. Существует огромное инфраструктуры существующих и новых зерновых и сахарного тростника основе заводов этанола в США и Бразилии. Было бы политически и экономически невозможным отказаться от этого капитала ресурсов в пользу радикально разных систем. К счастью, сравнительно небольшой капитал закреплен в перегонки цехе (гораздо больше связано с подготовки сырья, брожение, первоначальный разделения, побочный продукт обработки и offsites), поэтому оно должно быть возможным для адаптации этих заводов по производству биобутанола - смягчающие каких-либо угроз в быстро развивающейся отрасли биоэтанола.

Этанол само по себе может в конечном итоге обезвоженный путем известными катализаторами биобутанола и / или углеводородных фракций бензина чтобы сделать его более удобным в использовании. Подобные технологии для обезвоживания этанола до этилена давно коммерциализации, и в настоящее время осуществляются в более широких масштабах в Бразилии.

В первой половине двадцатого века, основным путем для создания бутанола в качестве растворителя и химической технологии был ацетон-бутанол-этанол (ABE) бактериального брожения. На протяжении многих лет, улучшения были внесены в АБЕ процесса повышения урожайности и производства различных соотношениях три растворителей. Различные штаммы бактерии Clostridium acetohutylicum, а также различные субстраты, такие, как ком с патокой, были заняты, и различные питательные вещества были добавлены для улучшения общего брожения.

В 1950-х годов процесс Эйб был омрачен маршруты более дешевой нефтехимической в большинстве стран мира (хотя и продолжали брожение в СССР до 1980-х годов и продолжается сегодня в Китае). Основным путем нефтехимической сегодня пропилена процесс, основанный на оксо синтеза, в котором альдегидов из пропилена гидроформилирования гидрируются уступить ц-бутанол isobutraldehyde совместного продукта, обычно используя Дэви-Dow катализаторов organophosphite родия. Это делает бутанол производства на милость очень циклический поведение цен на мировом рынке полипропилена, который определяется различными факторами, связанными с развитием рынка в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

В последние несколько лет, значительное число крупных промышленных предприятий и венчурного капитала финансируемых биотехнологических компаний объявили инициативы по разработке микробных платформ, чтобы продемонстрировать производства биобутанола в лаборатории или скамейка масштаба или больше, и коммерциализации продукции, в том числе новые биобутанола заводов в Китае. Совместное предприятие BP и "Дюпон" для производства биобутанола и развития рынка, как ожидается, импорт АБЕ производства биобутанола из Китая "подкормки" в потребительских испытаний, во время работы на следующее поколение этого процесса. Многие другие лица утверждают, что не работает на улучшение технологии изготовления, в том числе питания широкого круга сахар, крахмал, а биомасса остатков, а также энергетических культур, таких как просо, ива, тростник энергии и т.д.

Таким образом, становится ясно, что биобутанола могут быть произведены коммерчески сегодня, в отличие от других современных видов биотоплива было предложено, например, целлюлозный этанол, ферментация углеводородов, а также водорослей биодизельного топлива.

В самом ближайшем будущем, снизить издержки производства (по сравнению с оксо процесса), должно позволить производителям биобутанола новых извлечь выгоду из существующего рынка химических веществ для бутанола. Около 1 млрд галлонов в год бутилового спирта производится из небиологических сырья для использования в качестве промышленного химиката и растворителя. На этом рынке места значительно выше стоимости на бутанол, чем его стоимость топлива (и гораздо выше, чем этанол), и первоначально они обеспечивают высокие цены, что станет стимулом для нового производства биобутанола, предполагая, качество продукции соответствует спецификациям заказчика. Со временем, как производство экономика продемонстрировала в учреждениях, направленных на химическом рынке, так как процесс улучшается снижения издержек, а также квалификации бутанола в качестве топлива установлены, биобутанола можно ожидать, что догнать синтетического производства, а его производство в качестве топлива может быть развернута по всему миру.

Потенциальные маршруты биобутанола

Биобутанол можно производить из биомассы, ферментация либо или термохимической маршрутов (рис. 1). Задача развивающихся биобутанола в качестве топлива является совершенствование технологии до такой степени, когда она будет способна производить коммерческие объемы, оставаясь при этом экономически конкурентоспособными, первая против нынешнего маршрута оксо а позже по сравнению с нефтью, полученных топлива.

На рисунке 2 показан улучшения в экономике текущих и перспективных технологий биобутанола, с точки зрения себестоимости продукции (КС), а также возврат на инвестиции (ROI). Эти сравнения были разработаны на основе моделирования с использованием последовательной основе способностей, цены, рабочей силы и других постоянных и переменных расходов на текущий период времени.

Первые 4 случаях полагаться на брожение:

* Дело 1: классический acetohutylicum Clostridium АБЕ брожения, в этот анализ на основе древесной щепы (отображается в правом верхнем углу на рис 1).

* Дело 2: текущая лучшие в своем классе расширенный Clostridium beijerinckii BA101 брожения на Ханса Blaschek из Univ. штата Иллинойс в Урбана-Шампейн и допущенные к Tetravitae Bioscience (<a target="_blank" href="http://www.advancedbiofuelsinc.com" <rel="nofollow"> www.advancedbiofuelsinc.com />). Этот процесс связан с непрерывной ферментации кукурузы без постоянного удаления растворителей (он не отличается от классического АБЕ брожения в верхнем правом углу рисунка 1). Она может быть легко адаптирован для преобразования мельницы этанола из кукурузы до бутанола производства.

* Случай 3: 2 шага двойного иммобилизованных реакторы с непрерывным восстановления (DIRCR) запатентовал процесс Дэвид Рамей экологической энергии, Inc (<A HREF = "http://www.butanol.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.butanol.com </ A>). Использование кукурузы в качестве исходного сырья, этот процесс преобразует первую сахаров масляной кислоты, а затем масляной кислоты бутанола (2-этап процесса брожения на рис 1). На основании требований разработчиков, этот маршрут представляется лучше, чем дело 2, но это далеко не так хорошо поддерживается публикуемых данных.

* Вариант 4: конденсации биоэтанола в биобутанола (Guerbet катализа в верхнем правом углу рисунка 1). Моделирования для анализа на основе документально обоснованных сообщений в открытой литературе, но эта технология еще не коммерческими.

Дело 5 является термохимической маршрута, т. е. газификации биомассы в синтез-газ после катализа. Нефтехимического синтеза оксо маршрут отображается как дела 6.

Не включено в ходе этой дискуссии, биобутанола технологии брожения на основе кишечной палочки, а не на платформах Clostridium деформации. Те, как представляется, на более ранних стадиях развития, чем Clostridium процессов.

Поставка, спрос и цены

Потенциальных глобальных suppply биобутанола прогнозам, увеличится с 25 миллионов галлонов в 2008 г. на порядок к 2020 году. Это предполагает, что все биобутанола могут вырабатываться будет продан первый в качестве химического, а затем на рынке топлива. Первоначальный рост спроса на проникновение биобутанола в сложившихся промышленных приложений будет стимулировать наращивание глобальных поставок биобутанола, и наращивание потенциала будут также служить новых приложений топлива.

На рисунке 3 показана ценовых диапазонах РТ-бутанол, промышленных и топливного этанола, и неэтилированного бензина за последние 5 лет. Для биобутанола стать жизнеспособным в качестве транспортного топлива, его рыночная цена должна быть на одном уровне с, или чуть ниже, цена на неэтилированный бензин. Эта цель, по нашему мнению, вполне достижима. В этот момент биобутанола будет также более низким ценам, чем синтетические н-бутанол, открытие большого установленных рынке химических биобутанола.

Топливно-класса и промышленного класса ethanols следовать разными путями ценообразования. Топливного этанола часто отслеживает цены на бензин. Он продается по транспортно-на-плате (FOB) основе, и цена его меняется ежедневно.

Промышленный этанол, с другой стороны, как правило, продаются по фиксированным ценам контрактов на доставки. Есть много сортов промышленного этанола различного качества и цены на рынке, и enduse приложение, обычно диктует качество потребностей покупателя. Так, например, этанол, содержащих высокий уровень примесей может быть приемлемым для большинства растворители краски, но не для личной гигиены. Аналогичные различия для биобутанола как ожидается, разработает - топливно-класс препарат, содержащий смесь бутанол-изомеры могут быть проданы в качестве растворителя, тогда как более очищенный продукт будут необходимы для химического синтеза.

Закрытие мысли

Производство бутанола с помощью биологических маршрутов известных коммерческих технологий, которые могут быть возвращены для использования и дальнейшего совершенствования. Биобутанол, вероятно, будет более широко-коммерческому с рынка из синтетических бутанола в промышленных химических и платежеспособные рынки в своем распоряжении получает значительную долю рынка в качестве топлива по более низким ценам.

Биобутанол имеет несколько важных характеристик, которые придают ей ключевых преимуществ. Это может быть смешаны на НПЗ, ослабления давления на материально-техническое обеспечение распределения этанола, заправка и использования в бензиновых двигателях. Существующие производственные мощности этанола (крахмал, сахара и целлюлозы) может быть адаптирована для производства биобутанола. Целлюлоза может быть легко использована в качестве исходного сырья в комбинированном гидролиза и процессов брожения. Биобутанол могут быть произведены каталитической конденсации этанола, а также путем газификации биомассы. И, может быть смешаны как бензин и дизельное топливо.

Таким образом, биобутанола имеет потенциал, чтобы существенно повлиять развития биотоплива в самых различных направлениях.

Дополнительная литература

BP, "BP-Дюпон Биотопливо Fad лист," <A HREF = "http://www.bp.com/liveassetsbpinternet/globalbp/STAGING/global_assets/downloads/B/Bio_bp_dupont_fact_sheetjun06.pdf" целевых = "_blank" относительной = " NOFOLLOW "> www.bp.com/liveassetsbpinternet/globalbp/STAGING/global_assets/downloads/B/Bio_bp_dupont_fact_sheetjun06.pdf </ A>

Джонс, DT и DR лесу ", ацетон-бутанол брожения Revisited", Микробиологические Обзоры, 50 (4), с. 484-524 (декабрь 1986).

Минтир, S., под ред. "Алкогольные топлива", Тейлор

Nexant ChemSystems "," Биобутанол: Следующая большая биотоплива ", Nexant ChemSystems Специальный отчет, доступный по подписке Nexant, <a target="_blank" href="http://www.nexant.com" rel="nofollow"> www.nexant.com </> (февраль 2008).

Рон Касконе

Nexant, Inc

RON Касконе имеет менеджер биотоплива на Nexant, Inc (44 S. Broadway, Уайт-Плейнс, Нью-Йорк 10601, телефон: (914) 609-0316, факс: (914) 609-0399, E-почта: <A HREF = "mailto: rcascone@nexant.com"> <rcascone@nexant.com />), где он принимает участие в области технологий и разработкой проектов на основе технико-экономических обоснований и должной осмотрительности заданий. Он также ведет производство нескольких клиентских отчетов, в том числе недавно опубликованных "Биотопливо жидкости: Подставляя нефти" и "Биобутанол: Следующая большая Биотопливо". Он имеет более чем 40-летний производственный опыт работы с широким спектром энергетических и химических процессов и продукции. Касконе проводит БХЭ от Manhattan College, имеет 2 лет аспирантуру в Колумбийском университет, а также является давним членом Аиш и АСУ.