부탄올 연료

Butanol fuel
이 기사는 바이오매스의 부탄올이 플랫폼 화학 및 연료로 사용되는 것에 대한 것입니다.연료로 사용되는 기타 알코올은 알코올 연료를 참조하십시오.
C-4 탄화수소인 부탄올은 가솔린과 많은 특성을 공유하는 유망한 바이오 유도 연료입니다.

부탄올은 내연기관의 연료로 사용될 수 있다.그것은 에탄올보다 휘발유와 더 유사하다.C4-탄화수소, 부탄올은 드롭인 연료이므로 [1]개조 없이 가솔린과 함께 사용하도록 설계된 차량에서 작동합니다.n-부탄올과 이소부탄올은 모두 가능한 연료로 연구되어 왔다.둘 다 바이오매스(바이오부탄올)[2][3][4]와 화석 연료(페트로부탄올)[5]에서 생산될 수 있다.화학적 성질은 제조 방법이 아닌 이성질체(n-부탄올 또는 이소부탄올)에 따라 달라집니다.

여러모로 흥미롭지만 부탄올 연료는 경제적으로 경쟁력이 거의 없습니다.

유전자 조작 박테리아

부탄올의 높은 생산량을 얻기 위해서는 대사 공학과 유전자 [6][7]공학을 이용한 대사 네트워크의 조작이 필요하다.부탄올을 생산하기 위한 발효 경로가 상당한 진전을 이루었지만 여전히 비효율적이다.타이터와 수율이 낮고 분리 비용이 매우 많이 듭니다.따라서 부탄올의 미생물 생산은 석유 유래 부탄올에 [8]비해 비용 경쟁력이 없다.

상업적으로 입증되지는 않았지만 전기화학과 미생물 생산 방법을 결합하면 지속 가능한 [9]원천으로부터 부탄올을 생산할 수 있는 방법을 제공할 수 있습니다.

대장균

대장균 또는 대장균은 그램 음성의 막대 모양의 박테리아이다.대장균은 이소부탄올의 [10]상업적 생산으로 이행할 가능성이 가장 높은 미생물이다.대장균은 그 공학적 형태에서 어떤 [citation needed]미생물보다도 이소부탄올을 가장 많이 생산한다.E.Coli의 대사 효율을 향상시켜 대량의 이소부탄올을 [11]생산하기 위한 기초 모드 분석 등의 방법이 사용되었습니다.대장균은 여러 가지 이유로 이상적인 이소부탄올 바이오 합성제이다.

  • 대장균은 여러 가지 유전자 조작 도구가 존재하는 유기체이며 광범위한 과학 문헌이 [10]존재하는 유기체이다.이 풍부한 지식은 과학자들이 대장균을 쉽게 변형시킬 수 있게 해준다.
  • 대장균은 이소부탄올 합성에 리그노셀룰로오스(농업에서 남은 폐기물)를 사용할 수 있는 능력이 있다.리그노셀룰로오스의 사용은 대장균이 인간의 소비를 위한 식물성 물질을 사용하는 것을 방지하고 [10]대장균에 의한 이소부탄올의 생합성에서 발생할 수 있는 식품-연료 가격 관계를 방지한다.
  • 유전자 변형은 대장균이 사용할 수 있는 리그노셀룰로오스의 범위를 넓히기 위해 사용되어 왔다.이로 인해 대장균은 유용하고 다양한 이소부탄올 생체합성제가 [12]되었다.

대장균의 주된 단점은 자랄 때 박테리오파지에 민감하다는 것이다.이 민감성은 잠재적으로 전체 생물 반응기를 [10]정지시킬 수 있습니다.또한 대장균 중 이소부탄올의 고유반응경로는 세포 내 제한된 농도의 이소부탄올에서 최적으로 기능한다.고농도에서 대장균의 감수성을 최소화하기 위해, 합성에 관여하는 효소의 돌연변이가 무작위 돌연변이에 의해 생성될 수 있다.우연히, 일부 돌연변이는 [13]합성의 전체적인 수율을 높일 수 있는 이소부탄올에 대해 더 내성이 있는 것으로 판명될 수 있다.

클로스트리디아

n-부탄올은 클로스트리듐 아세트뷰틸리쿰, 클로스트리듐 베이제린키이를 이용한 A.B.E. 공정으로 바이오매스를 발효시켜 제조할 수 있다.C. 아세토부틸리쿰은 한때 전분으로부터 아세톤을 생산하는 데 사용되었다.부탄올은 발효의 부산물이었다.바이오부탄올의 공급원료는 에탄올의 공급원료와 같다: 설탕 비트, 사탕수수, 옥수수 곡물, 밀, 카사바 등의 에너지 작물, 북미의 잠재적 비식용 에너지 작물, 스위치글라스, 심지어 과율 같은 비식용 에너지 작물, 그리고 바가스, 짚,[14] 옥수수 줄기 같은 농업 부산물.DuPont에 따르면 기존 바이오에탄올 플랜트는 바이오부탄올 생산에 [15]비용 효율적으로 개조할 수 있다.또한 바이오매스와 농업 부산물로부터의 부탄올 생산은 에탄올이나 메탄올 [16]생산보다 효율적일 수 있다(즉, 소비되는 단위 태양 에너지당 전달되는 단위 엔진 동력).

클로스트리듐의 변종은 [17]산소가 존재하더라도 거의 모든 형태의 셀룰로오스를 부탄올로 바꿀 수 있습니다.

셀룰로오스 분해 미생물인 클로스트리듐 셀룰로티쿰의 변종은 [18]셀룰로오스로부터 직접 이소부탄올을 얻는다.

클로스트리듐클루이베리에 존재하는 대사경로를 이용하여 숙신산염과 에탄올의 조합을 발효시켜 부틸레이트(부탄올 연료의 전구체)를 제조할 수 있다.숙신산염은 포도당을 대사하는 TCA 회로의 중간체이다.클로스트리듐 아세트로부틸리쿰과 클로스트리듐 사카로부틸리쿰과 같은 혐기성 박테리아도 이러한 경로를 포함한다.숙신산염은 먼저 활성화되고 그 후 2단계 반응에 의해 환원되어 4-히드록시부틸레이트를 생성하고, 이어서 크로토닐-코엔자임A(CoA)로 대사되며, 크로토닐-CoA는 낙산염으로 변환된다.클로스트리듐의 이러한 부탄올 생성 경로에 해당하는 유전자가 [19]대장균으로 복제되었다.

시아노박테리아속

시아노박테리아는 광합성 박테리아 [20]문이다.시아노박테리아는 이소부탄올과 그에 대응하는 알데히드를 [21]생산하도록 유전공학적으로 조작되었을 때 이소부탄올 생합성에 적합하다.이소부탄올 생산 종의 시아노박테리아는 바이오 연료 신시사이저로서 다음과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다.

  • 시아노박테리아는 식물보다[22] 빨리 자라고 [23]식물보다 햇빛을 더 효율적으로 흡수한다.이는 다른 바이오 연료 생합성기에 사용되는 식물 물질보다 더 빠른 속도로 보충될 수 있다는 것을 의미한다.
  • 시아노박테리아는 경작할 수 없는 땅(농사에 [22]사용되지 않는 땅)에서 재배할 수 있다.이것은 식량 공급원과 연료 [22]공급원 간의 경쟁을 막는다.
  • 시아노박테리아 생육에 필요한 보충제는2 CO2, HO, [23]햇빛입니다.여기에는 다음 두 가지 이점이 있습니다.
    • 이산화탄소는 대기에서 생성되기2 때문에 시아노박테리아는 이소부탄올을 합성하기 위해 식물 물질을 필요로 하지 않는다(이소부탄올을 합성하는 다른 유기체에서는 식물 물질이 이소부탄올을 [23]합성하는데 필요한 탄소의 원천이다).이소부탄올 제조방법에서는 식물물질을 사용하지 않기 때문에 식물물질을 식품원으로부터 조달하여 식품연료 가격관계를 형성할 필요가 [22]없다.
    • CO는 시아노박테리아에 의해 대기 중 흡수되기 때문에2 생물적 매개(시아노박테리아가 대기 중 과다한2 CO를 제거하는 형태)의 가능성이 존재한다.[23]

시아노박테리아의 주요 결점은 다음과 같습니다.

  • 시아노박테리아는 재배 시 환경조건에 민감하다.시아노박테리아는 기수나 바닷물에서 풍부한 시아노박테리아가 자랄 수 있지만 부적절한 파장과 강도의 햇빛, 부적절한22 농도의 CO, 부적절한 염도의 HO로 큰 고통을 받는다.이러한 인자는 일반적으로 제어하기 어렵고 [24]이소부탄올의 시아노박테리아 생산에 큰 장애가 됩니다.
  • 시아노박테리아 생물반응기는 높은 에너지를 필요로 한다.배양은 지속적인 혼합을 필요로 하며, 생합성 생산물의 수확은 에너지 집약적이다.이것은 시아노박테리아를 [24]통한 이소부탄올 생산의 효율성을 감소시킨다.

시아노박테리아는 부탄올 생산을 늘리기 위해 재설계될 수 있으며, 경로 공학에서 설계 원리로서 ATP와 보조 인자 구동력의 중요성을 보여줍니다.많은 유기체는 아세틸-CoA 의존 경로를 이용하여 부탄올을 생산하는 능력을 가지고 있다.이 경로의 주요 문제는 아세틸-CoA 분자가 아세토아세틸-CoA로 응축되는 것과 관련된 첫 번째 반응이다.이 반응은 관련된 양의 깁스 자유 에너지로 인해 열역학적으로 바람직하지 않다(dG [25][26]= 6.8 kcal/gl).

서브틸리스균

서브틸리스균은 그램 양성 막대 모양의 세균이다.서브틸리스균은 대장균과 같은 장점과 단점을 많이 제공하지만 덜 두드러지게 사용되고 [10]대장균만큼 많은 양의 이소부탄올을 생산하지 못한다.대장균과 마찬가지로, Bacillus subtilis는 리그노셀룰로오스로부터 이소부탄올을 생산할 수 있으며, 일반적인 유전 [10]기술에 의해 쉽게 조작된다.또한 Bacillus subtilis가 사용하는 이소부탄올-합성 대사 경로를 개선하기 위해 기초 모드 분석이 사용되어 이소부탄올의 생산량이 [27]증가하였다.

사카로미세스 세레비시아

사카로미세스 세레비시아에 또는 S. cerevisiae는 효모의 한 종류이다.세레비시아에는 발린 생합성 [28]경로를 통해 소량의 이소부탄올이 자연적으로 생성된다.S. 세레비시아에는 여러 가지 이유로 이소부탄올 바이오 연료 생산에 이상적인 후보이다.

  • S. 세레비시아에는 낮은 pH 수준에서 재배할 수 있으며,[10] 산업용 바이오 반응기의 성장 중 오염을 방지하는 데 도움이 됩니다.
  • 세레비시아에는 진핵생물이기 [10]때문에 박테리오파지의 영향을 받지 않는다.
  • S. cerevisiae와 그 생물학에 대한 광범위한 과학적 지식은 이미 존재합니다.[10]

S. cerevisaee의 발린 생합성 경로에서 효소의 과발현이 이소부탄올 [28][29][30]산출량을 개선하기 위해 사용되었습니다.그러나 세레비시아에는 고유의 생물학 때문에 함께 일하기 어려운 것으로 판명되었습니다.

  • 진핵생물인 S. cerevisiae는 대장균이나 B. subtilis보다 유전적으로 더 복잡하고 그 [10]결과 유전적으로 조작하기가 더 어렵다.
  • S. 세레비시아에는 에탄올을 생성하는 타고난 능력이 있습니다.이러한 자연적 능력은 "과잉 파워"할 수 있으며, 결과적으로 S. [10]cerevisaee에 의한 이소부탄올 생산을 억제할 수 있다.
  • S. 세레비시아에는 이소부탄올을 생성하기 위해 5개의 탄소당을 사용할 수 없습니다.5탄당을 사용할 수 없기 때문에 S. 세레비시아에는 리그노셀룰로오스 사용이 제한되며, S. 세레비시아에는 이소부탄올을 생산하기 위해 사람이 섭취하기 위한 식물 물질을 사용해야 한다.이는 이소부탄올이 S. cerevisiae에 [10]의해 생산될 때 식품/연료 가격 관계가 좋지 않게 된다.

랄스토니아 에우트로파

랄스토니아 부영양화균은 베타프로테오박테리아급의 그램 음성 토양세균이다.랄스토니아 부트로파는 전기 에너지를 이소부탄올로 바꿀 수 있다.이 변환은, 다음의 몇개의 순서로 완료됩니다.

  • 양극은 HO와 CO의2 혼합물에2 배치됩니다.
  • 양극에 전류를 흘려 전기화학적 프로세스2 HO와2 CO를 조합해 포름산을 합성한다.
  • HO와2 CO2 혼합물 내에 랄스토니아 에우트로파(전기에 내성이 있는 스트레인으로 구성됨)의 배양물을 유지한다.
  • 랄스토니아 에우트로파 배양은 혼합물의 포름산을 이소부탄올로 변환합니다.
  • 그리고 생합성된 이소부탄올을 혼합물에서 분리하여 바이오 연료로 사용할 수 있다.

공급원료

높은 원재료비는 부타놀의 상업적 생산의 주요 장애물 중 하나로 여겨지고 있다.값싸고 풍부한 원료(예: 옥수수 스투버)를 사용하면 공정의 [31]경제성을 높일 수 있습니다.

대사 공학은 유기체가 포도당 대신 글리세롤과 같은 값싼 기질을 사용할 수 있도록 하기 위해 사용될 수 있다.발효 과정에는 음식에서 유래한 포도당이 필요하기 때문에 부탄올 생산은 식품 공급에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다(식품 대 연료 논쟁 참조).글리세롤은 부탄올 생산을 위한 좋은 대체 공급원이다.포도당 공급원은 가치가 있고 제한적이지만 글리세롤은 바이오디젤 생산의 폐기물이기 때문에 풍부하고 시장가격이 낮다.글리세롤로부터의 부탄올 생산은 Clostridium pastreianum [32]박테리아에 존재하는 대사 경로를 사용하여 경제적으로 가능하다.

효율 향상

구름점 분리라고 하는 공정을 통해 부탄올을 [33]고효율로 회수할 수 있습니다.

생산자 및 유통

듀폰과 BP는 차세대 바이오 [34]연료를 개발, 생산, 판매하기 위한 공동 노력의 첫 번째 산물로 바이오 부탄올을 만들 계획이다.유럽에서는 스위스 회사인 Butalco가[35] 셀룰로오스 물질로부터 바이오 부탄올을 생산하기 위해 유전자 변형 효모를 개발하고 있습니다.미국에 본사를 둔 고메 부탄올은 곰팡이를 이용해 유기성 폐기물을 바이오 [36][37]부탄올로 바꾸는 공정을 개발하고 있다.셀틱 리뉴얼은 위스키와 저급 감자의 생산으로 인한 폐기물로 바이오 부탄올을 만든다.

공통 연료의 특성

이소부탄올

이소부탄올은 [10]에탄올에 의해 나타나는 문제를 해결하는 몇 가지 특성을 가진 2세대 바이오 연료이다.

이소부탄올의 특성은 이소부탄올을 매력적인 바이오 연료로 만듭니다.

  • 상대적으로 높은 에너지 밀도로 휘발유 [38]소비량의 98%를 차지합니다.
  • 공기 중 수분을 쉽게 흡수하지 못해 엔진 및 [10]파이프라인의 부식을 방지합니다.
  • 가솔린과 [39]어떠한 비율로 혼합될 수 있으며, 이는 연료가 대체 [10]연료 또는 주요 첨가물로 기존 석유 인프라에 "떨어질" 수 있음을 의미합니다.
  • 연료-가격/[10][11][12][27]식품-가격 관계를 방지하기 위해 식품 공급과 연결되지 않은 식물 물질에서 생산될 수 있다.
  • 잔류 리그노셀룰로오스 원료로 생산된다고 가정할 때, 이소부탄올을 가솔린과 혼합하면 GHG 배출을 [40]상당히 줄일 수 있다.

n-부탄올

부탄올은 에탄올보다 물 오염을 잘 견디고 부식성이 [15]낮으며 기존 휘발유 파이프라인을 통한 유통에 더 적합합니다.디젤 또는 가솔린과 혼합하여 연료가 [15]물에 오염된 경우 부탄올이 에탄올보다 연료에서 분리될 가능성이 낮습니다.에탄올을 함유한 부탄올 및 가솔린과의 증기 압력 공동 혼합 시너지 효과도 있어 에탄올 혼합을 촉진합니다.이를 통해 혼합 [15][41][42]연료의 저장 및 분배가 용이해집니다.

연료 에너지
밀도 		공기 연료
비율 		특정한
에너지 		의 열
기화 		론 몬 아키
가솔린 및 바이오가솔린 32 MJ/L 14.7 2.9 MJ/kg 공기 0.36 MJ/kg 91–99 81–89 87-95
부탄올 연료 29.2 MJ/L 11.1 3.6 MJ/kg 공기 0.43 MJ/kg 96 78 87
무수 에탄올 연료 19.6 MJ/L 9.0 3.0 MJ/kg 공기 0.92 MJ/kg 107 89
메탄올 연료 16 MJ/L 6.4 3.1 MJ/kg 공기 1.2 MJ/kg 106 92

n-butanol의 옥탄 값은 휘발유야 하지만 그 에탄올과 메탄올보다 낮출 수 있는 동안 t-butanol과 89개 MON.[44]t-Butanol은 105명 철야 대기하다의 등급 octane다 n-Butanol 96의 철야 대기하다(연구 옥테인 번호)과 78(87의 결과"(R+M)/2 펌프 옥탄가", 북 아메리카에 쓰이는)의 월요일(모터 법 옥탄가)이 비슷하다.사용하다25.5°C(79°F)의 비교적 높은 융점 때문에 상온 부근에서 겔화 및 응고되기 때문에 순수한 형태의 연료로 사용할 수 없다.한편, 이소부탄올은 n-부탄올보다 녹는점이 낮고 RON이 113, MON이 94로 유리하기 때문에 고분율 가솔린 블렌딩, n-부탄올 블렌딩 또는 독립형 [45]연료로서 훨씬 적합하다.

옥탄 정격이 높은 연료는 노킹(압축에 의한 매우 빠르고 자발적인 연소) 가능성이 낮으며, 최신 자동차 엔진의 제어 시스템은 점화 타이밍을 조정하여 이를 활용할 수 있습니다.이를 통해 에너지 효율이 개선되어 다양한 연료의 에너지 함량 비교보다 더 나은 연비가 실현됩니다.압축비를 높임으로써 연비, 출력 및 토크를 더욱 높일 수 있습니다.반대로 옥탄가가 낮은 연료는 노킹이 발생하기 쉽고 효율이 떨어집니다.노킹으로 인해 엔진이 손상될 수도 있습니다.87옥탄으로 작동하도록 설계된 엔진은 더 높은 옥탄 연료로 작동해도 추가적인 출력/연비가 발생하지 않습니다.

부탄올 특성 : 공연비, 비에너지, 점도, 비열

부탄올과 에탄올을 포함한 알코올 연료는 부분적으로 산화되므로 가솔린보다 풍부한 혼합물로 작동해야 합니다.자동차의 표준 가솔린 엔진은 연료의 변화를 수용할 수 있도록 공연비를 조정할 수 있지만 모델에 따라 특정 제한 범위 내에서만 조정할 수 있습니다.순수한 에탄올 또는 높은 비율의 에탄올이 혼합된 가솔린으로 엔진을 작동시켜 한계를 초과할 경우 엔진이 희박하게 작동하여 구성 요소를 심각하게 손상시킬 수 있습니다.부탄올은 에탄올에 비해 연비와 에너지 함량이 [41][42]가솔린에 가깝기 때문에 개조할 필요 없이 기존 자동차에 사용할 수 있도록 높은 비율로 혼합할 수 있다.

알코올 연료는 단위 중량 당 에너지와 단위 부피가 가솔린보다 적습니다.사이클당 방출되는 순 에너지를 비교할 수 있도록 하기 위해 연료 비 에너지라고 하는 척도가 사용되기도 합니다.이는 공기 연료비당 방출되는 에너지로 정의됩니다.사이클당 방출되는 순 에너지는 에탄올이나 메탄올보다 부탄올이 높고 가솔린보다 [46]약 10% 높습니다.

물질. 키네마틱스
점성
20 °C에서
부탄올 3.64 표준시
디젤 표준시 3초 이상
에탄올 1.52 cSt
물. 1.0 표준시
메탄올 0.64 cSt
휘발유. 0.4 ~ 0.8 cSt

알코올의 점도는 탄소 사슬이 길어질수록 증가합니다.이러한 이유로 점성이 더 높은 용매가 필요할 때 짧은 알코올의 대안으로 부탄올을 사용합니다.부탄올의 운동학적 점도는 가솔린보다 몇 배 높고 질 좋은 디젤 [47]연료만큼 점도가 높습니다.

엔진의 연료는 연소되기 전에 기화해야 한다.추운 날씨에 냉기가 시작될 때 알코올 연료의 기화 부족은 알려진 문제입니다.부탄올의 기화열은 에탄올의 절반에도 미치지 못하기 때문에 추운 날씨에는 [41]에탄올이나 메탄올보다 엔진 시동이 잘 걸린다.

부탄올 연료 혼합물

휘발유에 에탄올과 메탄올을 혼합하는 기준은 EU, 미국, 브라질 등 여러 나라에 존재합니다.부탄올, 에탄올 및 휘발유의 화학량 연료 공기비 관계에서 대략적인 등가 부탄올 혼합물을 계산할 수 있습니다.가솔린으로 판매되는 연료에 사용되는 일반적인 에탄올 연료 혼합물의 범위는 현재 5% ~ 10%입니다.미국 내 옥수수 잔류물에서 약 9.5기가리터(Gl)의 휘발유를 절약할 수 있고, 약 64.6Gl의 부탄올-가솔린 혼합물(Bu16)을 생산할 수 있어 국내 전체 휘발유 [31]소비량의 11.8%에 해당하는 것으로 추정되고 있다.

n-부탄올의 [48]잠재적으로 불쾌한 바나나 같은 냄새 때문에 소비자 수용이 제한될 수 있습니다.에탄올 85%, 부탄올 15%(E85B)의 연료를 시판하는 계획이 진행 중이어서 기존 E85 내연기관은 화석 연료를 사용하지 않고도 100% 재생 가능한 연료로 작동할 수 있다.더 긴 탄화수소 사슬은 극성을 띠지 않기 때문에 에탄올보다는 가솔린과 더 유사합니다.부탄올은 가솔린과 함께 사용할 수 있도록 설계된 차량에서 개조 없이 작동하는 것으로 입증되었습니다.

차량용 부탄올

현재도 생산 차량 제조 업체가 100%부탄올의 사용을 위해 승인된 것으로 알려져 있다.초기 2009년으로, 오직 몇가지 차량은 미국에서 에탄올 연료(i.e. 85%+15%휘발유)를 사용하여 승인된다.그러나, 브라질의 모든 차량 제조 업체는 100%가솔린과 에탄올이나 가솔린의 85%에탄올(에탄올) 어떤 혼합에 달릴 수 있"flex-fuel"의 자동차를(피아트, 포드, 폭스바겐 GM도요타 혼다, 푸조 시트로엥과 다른 사람들).이 플렉스 연료 자동차를 브라질에서 2009년 개인적인 차량의 판매량의 90%를 차지한다.BP사와 듀폰은 합작 투자 증진을 위해 부탄올 연료를 생산하기, claim[49]은"biobutanol 미국 휘발유에서 유럽의 휘발유 최대 10%v/v and11.5%v/v 섞일 수 있"에 종사했다.2009년 쁘띠 르망 레이스에서[50][51]위 16롤라 B09/86-마쓰다 MZR-R은 다이슨 라싱의 biobutanol과 에탄올의 혼합 팀 기술 파트너 BP에 의해 개발된에 의해 달렸습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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외부 링크