وقود البوتانول

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

البيوتانول، وهو كحول C-4، هو وقود حيوي واعد، ويشترك في العديد من الخصائص مع البنزين.

يمكن استخدام البيوتانول كوقود في محركات الاحتراق الداخلي . وهو أقرب إلى البنزين منه إلى الإيثانول . يُعد البيوتانول، وهو هيدروكربون رباعي الكربون، وقودًا بديلًا مناسبًا ، وبالتالي يعمل في المركبات المصممة للاستخدام مع البنزين دون أي تعديل. [ 1 ] دُرِسَ كلٌّ من البيوتانول العادي (n -butanol) والإيزوبيوتانول (isobutanol) كوقود محتمل. ويمكن إنتاج كليهما من الكتلة الحيوية (على شكل "بيوتانول حيوي" [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] ) وكذلك من الوقود الأحفوري (على شكل "بيوتانول بترولي" [ 5 ] ). وتعتمد الخصائص الكيميائية على المتصاوغ ( البيوتانول العادي أو الإيزوبيوتانول)، وليس على طريقة الإنتاج.

الكائنات المعدلة وراثيًا

يتطلب الحصول على إنتاجية أعلى من البيوتانول تعديل الشبكات الأيضية باستخدام الهندسة الأيضية والهندسة الوراثية . [ 6 ] [ 7 ] ورغم التقدم الملحوظ المُحرز، لا تزال مسارات التخمر لإنتاج البيوتانول غير فعالة. فالتركيز والإنتاجية منخفضان، وعملية الفصل مكلفة للغاية. ولذلك، فإن الإنتاج الميكروبي للبيوتانول غير مُنافس من حيث التكلفة مقارنةً بالبيوتانول المُستخلص من البترول. [ 8 ]

على الرغم من عدم إثبات جدواها تجارياً، إلا أن الجمع بين طرق الإنتاج الكهروكيميائية والميكروبية قد يوفر طريقة لإنتاج البيوتانول من مصادر مستدامة . [ 9 ]

الإشريكية القولونية

الإشريكية القولونية ، أو E. coli ، هي بكتيريا سالبة الغرام ، عصوية الشكل . تُعدّ الإشريكية القولونية الكائن الحيّ الأكثر ترجيحًا للانتقال إلى الإنتاج التجاري للإيزوبوتانول. [ 10 ] في شكلها المُهندَس، تُنتج الإشريكية القولونية أعلى غلة من الإيزوبوتانول مقارنةً بأي كائن حيّ آخر.طرقٌ مثل تحليل الأنماط الأولية لتحسين الكفاءة الأيضية للإشريكية القولونية، ما يسمح بإنتاج كميات أكبر من الإيزوبوتانول. [ 11 ] تُعتبر الإشريكية القولونية مُصنِّعًا حيويًا مثاليًا للإيزوبوتانول لعدة أسباب:

  • تُعدّ بكتيريا الإشريكية القولونية كائناً حياً تتوفر له العديد من أدوات التعديل الجيني، كما يتوفر له كمّ هائل من المؤلفات العلمية. [ 10 ] هذه الثروة المعرفية تُسهّل على العلماء تعديل بكتيريا الإشريكية القولونية .
  • تتمتع بكتيريا الإشريكية القولونية بالقدرة على استخدام اللجنين السليلوزي (مخلفات نباتية متبقية من الزراعة) في تصنيع الإيزوبوتانول. ويمنع استخدام اللجنين السليلوزي بكتيريا الإشريكية القولونية من استهلاك المواد النباتية المخصصة للاستهلاك البشري، وبالتالي يمنع أي ارتباط بين أسعار الغذاء والوقود قد ينشأ عن عملية التصنيع الحيوي للإيزوبوتانول بواسطة هذه البكتيريا . [ 10 ]
  • استُخدم التعديل الوراثي لتوسيع نطاق اللجنين السليلوزي الذي يمكن أن تستخدمه بكتيريا الإشريكية القولونية . وقد جعل هذا من الإشريكية القولونية مُصنِّعًا حيويًا مفيدًا ومتنوعًا للأيزوبوتانول. [ 12 ]

تتمثل المشكلة الرئيسية في بكتيريا الإشريكية القولونية في قابليتها للإصابة بالعاثيات أثناء نموها. قد تؤدي هذه القابلية إلى توقف المفاعلات الحيوية بالكامل. [ 10 ] علاوة على ذلك، يعمل مسار التفاعل الطبيعي لإنتاج الإيزوبوتانول في الإشريكية القولونية بكفاءة مثلى عند تركيز محدود من الإيزوبوتانول داخل الخلية. ولتقليل حساسية الإشريكية القولونية للتركيزات العالية، يمكن توليد طفرات في الإنزيمات المشاركة في عملية التخليق عن طريق الطفرات العشوائية . وقد تُظهر بعض الطفرات، مصادفةً، مقاومة أكبر للإيزوبوتانول، مما يُحسّن من المردود الإجمالي للتخليق. [ 13 ]

المطثيات

يمكن إنتاج البيوتانول العادي (n- بيوتانول) عن طريق تخمير الكتلة الحيوية باستخدام عملية ABE بواسطة بكتيريا كلوستريديوم أسيتوبوتيلكوم وكلوستريديوم بيجيرينكي . كانت بكتيريا كلوستريديوم أسيتوبوتيلكوم تُستخدم سابقًا لإنتاج الأسيتون من النشا . وكان البيوتانول منتجًا ثانويًا للتخمير (حيث تم إنتاج ضعف كمية البيوتانول). تتشابه المواد الأولية لإنتاج البيوتانول الحيوي مع تلك المستخدمة في إنتاج الإيثانول: محاصيل الطاقة مثل بنجر السكر وقصب السكر وحبوب الذرة والقمح والكسافا ، ومحاصيل الطاقة غير الغذائية الواعدة مثل عشب السويتشغراس وحتى نبات الغوايول في أمريكا الشمالية، بالإضافة إلى المنتجات الثانوية الزراعية مثل تفل قصب السكر والقش وسيقان الذرة . [ 14 ] ووفقًا لشركة دوبونت ، يمكن تحديث محطات إنتاج الإيثانول الحيوي القائمة لإنتاج البيوتانول الحيوي بكفاءة عالية من حيث التكلفة. [ 15 ] بالإضافة إلى ذلك، قد يكون إنتاج البيوتانول من الكتلة الحيوية والمنتجات الثانوية الزراعية أكثر كفاءة (أي وحدة طاقة محرك يتم توليدها لكل وحدة طاقة شمسية مستهلكة) من إنتاج الإيثانول أو الميثانول . [ 16 ]

يمكن لسلالة من بكتيريا كلوستريديوم أن تحول أي شكل من أشكال السليلوز تقريبًا إلى بيوتانول حتى في وجود الأكسجين. [ 17 ]

تنتج سلالة من بكتيريا كلوستريديوم سيلولوليتيكوم ، وهي ميكروب محلي يحلل السليلوز، مادة إيزوبوتانول مباشرة من السليلوز. [ 18 ]

يمكن تخمير مزيج من السكسينات والإيثانول لإنتاج البيوتيرات (مادة أولية لوقود البيوتانول) باستخدام المسارات الأيضية الموجودة في بكتيريا كلوستريديوم كلوفيري . السكسينات هو وسيط في دورة حمض الستريك ، التي تستقلب الجلوكوز. تحتوي البكتيريا اللاهوائية ، مثل كلوستريديوم أسيتوبوتيلكوم وكلوستريديوم ساكاروبوتيلكوم، على هذه المسارات أيضًا. يُنشط السكسينات أولًا ثم يُختزل عبر تفاعل ثنائي المراحل لإنتاج 4-هيدروكسي بيوتيرات ، والذي يُستقلب بدوره إلى كروتونيل مرافق الإنزيم أ (CoA). ثم يُحوّل كروتونيل مرافق الإنزيم أ إلى بيوتيرات. تم استنساخ الجينات المقابلة لمسارات إنتاج البيوتانول هذه من بكتيريا كلوستريديوم إلى بكتيريا الإشريكية القولونية . [ 19 ]

البكتيريا الزرقاء

البكتيريا الزرقاء هي شعبة من البكتيريا الضوئية . [ 20 ] وهي مناسبة لتخليق الإيزوبوتانول عند هندستها وراثيًا لإنتاج الإيزوبوتانول والألدهيدات المقابلة له . [ 21 ] توفر أنواع البكتيريا الزرقاء المنتجة للإيزوبوتانول العديد من المزايا كمُصنِّعة للوقود الحيوي:

  • تنمو البكتيريا الزرقاء أسرع من النباتات [ 22 ] كما أنها تمتص ضوء الشمس بكفاءة أكبر منها [ 23 ] . وهذا يعني أنه يمكن تجديدها بمعدل أسرع من المواد النباتية المستخدمة في أجهزة التخليق الحيوي الأخرى للوقود الحيوي.
  • يمكن زراعة البكتيريا الزرقاء في الأراضي غير الصالحة للزراعة (الأراضي غير المستخدمة للزراعة). [ 22 ] وهذا يمنع التنافس بين مصادر الغذاء ومصادر الوقود . [ 22 ]
  • المكملات الغذائية اللازمة لنمو البكتيريا الزرقاء هي ثاني أكسيد الكربون والماء وضوء الشمس . [ 23 ] وهذا يوفر ميزتين:
    • بما أن ثاني أكسيد الكربون مُستمد من الغلاف الجوي، فإن البكتيريا الزرقاء لا تحتاج إلى مواد نباتية لتصنيع الإيزوبوتانول (في الكائنات الحية الأخرى التي تُصنّع الإيزوبوتانول، تُعدّ المواد النباتية مصدر الكربون اللازم لتصنيعه). [ 23 ] ولأن هذه الطريقة في إنتاج الإيزوبوتانول لا تستخدم المواد النباتية، يتم تجنب الحاجة إلى الحصول على المواد النباتية من مصادر الغذاء، وبالتالي تجنب ربط أسعار الغذاء بأسعار الوقود. [ 22 ]
    • نظراً لأن البكتيريا الزرقاء تمتص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، فإن إمكانية المعالجة الحيوية (عن طريق قيام البكتيريا الزرقاء بإزالة ثاني أكسيد الكربون الزائد من الغلاف الجوي) قائمة. [ 23 ]

تتمثل العيوب الرئيسية للبكتيريا الزرقاء فيما يلي:

  • تتأثر البكتيريا الزرقاء بشدة بالظروف البيئية أثناء نموها. فهي تعاني بشدة من ضوء الشمس ذي الطول الموجي والشدة غير المناسبين، وثاني أكسيد الكربون ذي التركيز غير المناسب، أو الماء ذي الملوحة غير المناسبة ، على الرغم من قدرة العديد منها على النمو في المياه قليلة الملوحة والمياه البحرية . يصعب التحكم بهذه العوامل عمومًا، وتشكل عائقًا رئيسيًا أمام إنتاج البكتيريا الزرقاء لمادة الإيزوبوتانول. [ 24 ]
  • تتطلب المفاعلات الحيوية للبكتيريا الزرقاء طاقة عالية للتشغيل. وتتطلب المزارع خلطًا مستمرًا، كما أن حصاد المنتجات الحيوية عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة. وهذا يقلل من كفاءة إنتاج الإيزوبوتانول عبر البكتيريا الزرقاء. [ 24 ]

يمكن إعادة هندسة البكتيريا الزرقاء لزيادة إنتاجها من البيوتانول، مما يُظهر أهمية قوى الدفع من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) والعوامل المساعدة كمبدأ تصميم في هندسة المسارات الأيضية. تمتلك العديد من الكائنات الحية القدرة على إنتاج البيوتانول باستخدام مسار يعتمد على أسيتيل مرافق الإنزيم-أ . تكمن المشكلة الرئيسية في هذا المسار في التفاعل الأول الذي يتضمن تكثيف جزيئين من أسيتيل مرافق الإنزيم-أ لتكوين أسيتوأسيتيل مرافق الإنزيم-أ . هذا التفاعل غير مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية نظرًا لطاقة غيبس الحرة الموجبة المرتبطة به (ΔG = 6.8 كيلو كالوري/مول). [ 25 ] [ 26 ]

عصية رقيقة

بكتيريا العصوية الرقيقة (Bacillus subtilis) هيبكتيريا عصوية الشكل موجبة الغرام . تتميز العصوية الرقيقة بالعديد من المزايا والعيوب نفسها التي تتميز بها بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli )، إلا أنها أقل استخدامًا ولا تنتج الإيزوبوتانول بكميات كبيرة مثل الإشريكية القولونية . [ 10 ] ومثل الإشريكية القولونية ،تستطيع العصوية الرقيقة إنتاج الإيزوبوتانول من اللجنين السليلوزي، ويمكن تعديلها بسهولة باستخدام التقنيات الجينية الشائعة. [ 10 ] كما استُخدم تحليل الأنماط الأولية لتحسين مسار الأيض الخاص بتخليق الإيزوبوتانول الذي تستخدمه العصوية الرقيقة ، مما أدى إلى زيادة إنتاجية الإيزوبوتانول. [ 27 ]

Saccharomyces cerevisiae

الخميرة Saccharomyces cerevisiae ، أو S. cerevisiae ، هي نوع من الخميرة . تنتج هذه الخميرة الإيزوبوتانول بكميات صغيرة بشكل طبيعي عبر مسارها الحيوي لتخليق الفالين . [ 28 ] تُعدّ S. cerevisiae مرشحًا مثاليًا لإنتاج وقود الإيزوبوتانول الحيوي لعدة أسباب:

  • يمكن زراعة الخميرة S. cerevisiae في مستويات حموضة منخفضة ، مما يساعد على منع التلوث أثناء النمو في المفاعلات الحيوية الصناعية. [ 10 ]
  • لا يمكن أن تتأثر الخميرة S. cerevisiae بالبكتيريوفاجات لأنها من حقيقيات النوى . [ 10 ]
  • توجد بالفعل معرفة علمية واسعة النطاق حول الخميرة S. cerevisiae وبيولوجيتها. [ 10 ]

استُخدم الإفراط في التعبير عن الإنزيمات في مسار التخليق الحيوي للفالين في الخميرة S. cerevisiae لتحسين إنتاجية الإيزوبوتانول. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] ومع ذلك، فقد ثبت أن التعامل مع الخميرة S. cerevisiae صعب بسبب طبيعتها البيولوجية.

  • باعتبارها من حقيقيات النوى، فإن الخميرة S. cerevisiae أكثر تعقيدًا من الناحية الجينية من E. coli أو B. subtilis ، وبالتالي يصعب التلاعب بها جينيًا. [ 10 ]
  • تتمتع الخميرة S. cerevisiae بقدرة طبيعية على إنتاج الإيثانول . هذه القدرة الطبيعية قد "تتغلب" على إنتاج الإيزوبوتانول بواسطة الخميرة S. cerevisiae وبالتالي تثبطه . [ 10 ]
  • لا تستطيع خميرة S. cerevisiae استخدام السكريات الخماسية الكربون لإنتاج الإيزوبوتانول. هذا العجز يمنعها من استخدام اللجنين السليلوزي ، مما يعني أنها مضطرة لاستخدام مواد نباتية مخصصة للاستهلاك البشري لإنتاج الإيزوبوتانول. ينتج عن ذلك تفاوت غير مواتٍ في أسعار الغذاء والوقود عند إنتاج الإيزوبوتانول بواسطة هذه الخميرة . [ 10 ]

رالستونيا يوتروفا

بكتيريا Cupriavidus necator (المعروفة أيضًا باسم Ralstonia eutropha ) هي بكتيريا سالبة الغرام تعيش في التربة وتنتمي إلى فئة بيتا بروتيوبكتيريا . وهي قادرة على تحويل الطاقة الكهربائية بشكل غير مباشر إلى إيزوبوتانول. ويتم هذا التحويل على عدة مراحل: [ 31 ]

المواد الأولية

تُعتبر التكلفة العالية للمواد الخام أحد أهم العوائق أمام الإنتاج التجاري للبيوتانول. ويمكن أن يُسهم استخدام مواد خام رخيصة ومتوفرة بكثرة، مثل سيقان الذرة ، في تعزيز الجدوى الاقتصادية للعملية. [ 32 ]

يمكن استخدام الهندسة الأيضية لتمكين الكائنات الحية من استخدام ركيزة أرخص، مثل الجلسرين، بدلاً من الجلوكوز . ولأن عمليات التخمر تتطلب الجلوكوز المشتق من الغذاء، فإن إنتاج البيوتانول قد يؤثر سلبًا على الإمدادات الغذائية (انظر نقاش الغذاء مقابل الوقود ). يُعد الجلسرين مصدرًا بديلاً جيدًا لإنتاج البيوتانول . فبينما تُعد مصادر الجلوكوز قيّمة ومحدودة، يتوفر الجلسرين بوفرة وبسعر منخفض في السوق لأنه منتج ثانوي لإنتاج الديزل الحيوي . ويُعتبر إنتاج البيوتانول من الجلسرين مجديًا اقتصاديًا باستخدام المسارات الأيضية الموجودة في بكتيريا كلوستريديوم باستوريانوم . [ 33 ]

تحسين الكفاءة

قد تسمح عملية تسمى فصل نقطة التعكر باستخلاص البيوتانول بكفاءة عالية. [ 34 ]

المنتجون والتوزيع

تعتزم شركتا دوبونت وبي بي جعل البيوتانول الحيوي أول منتج لجهودهما المشتركة لتطوير وإنتاج وتسويق الجيل القادم من الوقود الحيوي. [ 35 ] وفي أوروبا، تعمل شركة بوتالكو السويسرية [ 36 ] على تطوير خمائر معدلة وراثيًا لإنتاج البيوتانول الحيوي من المواد السليلوزية. أما شركة جورميه بوتانول، ومقرها الولايات المتحدة، فتعمل على تطوير عملية تستخدم الفطريات لتحويل النفايات العضوية إلى بيوتانول حيوي. [ 37 ] [ 38 ] وتنتج شركة سلتيك رينيوابلز البيوتانول الحيوي من النفايات الناتجة عن إنتاج الويسكي والبطاطس منخفضة الجودة .

خصائص أنواع الوقود الشائعة

إيزوبوتانول

يُعد الإيزوبوتانول وقودًا حيويًا من الجيل الثاني يتمتع بالعديد من الخصائص التي تحل المشكلات التي يطرحها الإيثانول. [ 10 ]

خصائص الإيزوبوتانول تجعله وقودًا حيويًا جذابًا:

  • كثافة طاقة عالية نسبياً ، تبلغ 98% من كثافة طاقة البنزين. [ 39 ]
  • لا يمتص الماء من الهواء بسهولة، مما يمنع تآكل المحركات وخطوط الأنابيب. [ 10 ]
  • يمكن مزجه بأي نسبة مع البنزين، [ 40 ] مما يعني أن الوقود يمكن أن "يندمج" في البنية التحتية البترولية الحالية كوقود بديل أو مادة مضافة رئيسية. [ 10 ]
  • يمكن إنتاجها من مواد نباتية لا ترتبط بالإمدادات الغذائية، مما يمنع وجود علاقة بين أسعار الوقود وأسعار الغذاء. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 27 ]
  • بافتراض أنه يتم إنتاجه من مواد خام ليغنوسليلوزية متبقية ، فإن مزج الإيزوبوتانول مع البنزين قد يقلل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بشكل كبير. [ 41 ]

ن-بيوتانول

يتحمل البيوتانول تلوث الماء بشكل أفضل، وهو أقل تآكلاً من الإيثانول، وأكثر ملاءمة للتوزيع عبر خطوط الأنابيب الحالية للبنزين. [ 15 ] عند مزجه مع الديزل أو البنزين، يكون البيوتانول أقل عرضة للانفصال عن هذا الوقود مقارنةً بالإيثانول في حال تلوث الوقود بالماء. [ 15 ] كما توجد علاقة تآزرية في ضغط البخار عند مزج البيوتانول مع البنزين المحتوي على الإيثانول، مما يُسهّل عملية مزج الإيثانول. وهذا بدوره يُسهّل تخزين وتوزيع أنواع الوقود المخلوطة. [ 15 ] [ 42 ] [ 43 ]

وقودكثافة الطاقةنسبة الهواء إلى الوقودالطاقة النوعيةحرارة التبخررونالاثنينإصابة الكلى الحادة
البنزين والوقود الحيوي32 ميجا جول/لتر14.72.9 ميجا جول/كجم هواء0.36 ميجا جول/كجم 91–99 81–89 87-95
وقود البوتانول29.2 ميجا جول/لتر11.13.6 ميجا جول/كجم هواء0.43 ميجا جول/كجم 96 78 87
وقود الإيثانول اللامائي19.6 ميجا جول/لتر 9.03.0 ميجا جول/كجم هواء0.92 ميجا جول/كجم107 89 98
وقود الميثانول16 ميجا جول/لتر 6.43.1 ميجا جول/كجم هواء1.2 ميجا جول/كجم106 92 99

يُشابه رقم الأوكتان لـ n-بيوتانول رقم الأوكتان للبنزين، ولكنه أقل من رقم الأوكتان للإيثانول والميثانول. يبلغ رقم ​​الأوكتان البحثي (RON) لـ n-بيوتانول 96 ، ورقم الأوكتان الحركي (MON ) 78 (مما ينتج عنه رقم أوكتان للمضخة (R+M)/2) يساوي 87، كما هو مستخدم في أمريكا الشمالية). أما t-بيوتانول، فيبلغ رقم ​​الأوكتان البحثي له 105، ورقم الأوكتان الحركي له 89. [ 45 ] يُستخدم t-بيوتانول كمادة مضافة للبنزين، ولكنه لا يُستخدم كوقود في صورته النقية لأن درجة انصهاره العالية نسبيًا، والتي تبلغ 25.5  درجة مئوية (79  درجة فهرنهايت)، تجعله يتجمد ويتصلب عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا. من ناحية أخرى، يتميز الإيزوبيوتانول بانخفاض درجة انصهاره مقارنةً بالبيوتانول العادي، كما يتميز برقم أوكتان مناسب يبلغ 113 ورقم حركة أوكتان يبلغ 94، مما يجعله أكثر ملاءمةً لخلطات البنزين ذات النسبة العالية، أو الخلطات مع البيوتانول العادي، أو كوقود مستقل. [ 46 ]

يُعدّ الوقود ذو رقم الأوكتان الأعلى أقل عرضةً للاحتراق غير المنتظم (الاحتراق السريع والتلقائي للغاية الناتج عن الضغط)، ويمكن لنظام التحكم في أي محرك سيارة حديث الاستفادة من ذلك عن طريق ضبط توقيت الإشعال. سيؤدي هذا إلى تحسين كفاءة الطاقة ، مما يُحسّن من اقتصاد الوقود مقارنةً بمقارنة محتوى الطاقة بين أنواع الوقود المختلفة. بزيادة نسبة الضغط، يُمكن تحقيق مكاسب إضافية في اقتصاد الوقود والقوة وعزم الدوران. في المقابل، يكون الوقود ذو رقم الأوكتان الأقل أكثر عرضةً للاحتراق غير المنتظم، مما يُقلل من الكفاءة. كما يُمكن أن يُسبب الاحتراق غير المنتظم تلفًا للمحرك. لن تُحقق المحركات المصممة للعمل على وقود 87 أوكتان أي زيادة في القوة أو اقتصاد الوقود عند تشغيلها بوقود ذي رقم أوكتان أعلى.

خصائص البيوتانول: نسبة الهواء إلى الوقود، الطاقة النوعية، اللزوجة، الحرارة النوعية

تخضع أنواع الوقود الكحولي، بما في ذلك البيوتانول والإيثانول، لأكسدة جزئية، ولذلك فهي تحتاج إلى مزيج وقود أغنى من البنزين. تستطيع محركات البنزين القياسية في السيارات ضبط نسبة الهواء إلى الوقود لمراعاة اختلافات الوقود، ولكن ضمن حدود معينة تختلف باختلاف الطراز. إذا تم تجاوز هذه الحدود بتشغيل المحرك على الإيثانول النقي أو مزيج بنزين يحتوي على نسبة عالية من الإيثانول، فسيعمل المحرك بخليط وقود فقير، مما قد يُلحق ضررًا بالغًا بمكوناته. بالمقارنة مع الإيثانول، يمكن خلط البيوتانول بنسب أعلى مع البنزين لاستخدامه في السيارات الموجودة دون الحاجة إلى تعديلات، حيث أن نسبة الهواء إلى الوقود ومحتوى الطاقة فيه أقرب إلى البنزين. [ 42 ] [ 43 ]

تحتوي أنواع الوقود الكحولي على طاقة أقل لكل وحدة وزن ووحدة حجم مقارنةً بالبنزين. ولتسهيل مقارنة صافي الطاقة المنبعثة لكل دورة، يُستخدم أحيانًا مقياس يُسمى الطاقة النوعية للوقود، ويُعرَّف بأنه الطاقة المنبعثة لكل نسبة من الهواء إلى الوقود. ويكون صافي الطاقة المنبعثة لكل دورة أعلى بالنسبة للبيوتانول مقارنةً بالإيثانول أو الميثانول، وأعلى بنحو 10% من البنزين. [ 47 ]

مادةاللزوجة الحركية عند 20  درجة مئوية
البيوتانول3.64 سنتي ستوك
ديزل>3 سنتي ستوك
الإيثانول1.52 سنتي ستوك
ماء1.0 سنتي ستوك
الميثانول0.64 سنتي ستوك
الغازولين0.4–0.8 سنتي ستوك

تزداد لزوجة الكحولات مع ازدياد طول سلاسل الكربون. ولهذا السبب، يُستخدم البيوتانول كبديل للكحولات الأقصر عند الرغبة في مذيب أكثر لزوجة. تتجاوز اللزوجة الحركية للبيوتانول لزوجة البنزين بعدة مرات، وتُقارب لزوجة وقود الديزل عالي الجودة. [ 48 ]

يجب تبخير الوقود في المحرك قبل احتراقه. يُعدّ عدم كفاية التبخير مشكلة معروفة مع أنواع الوقود الكحولية عند بدء التشغيل في الطقس البارد. ولأن حرارة تبخير البيوتانول أقل من نصف حرارة تبخير الإيثانول، فمن المفترض أن يكون تشغيل المحرك الذي يعمل بالبيوتانول أسهل في الطقس البارد من تشغيله بالمحرك الذي يعمل بالإيثانول أو الميثانول. [ 42 ]

مخاليط وقود البيوتانول

توجد معايير لخلط الإيثانول والميثانول في البنزين في العديد من الدول، بما في ذلك الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة والبرازيل. ويمكن حساب نسب خلط البيوتانول المكافئة تقريبًا من خلال العلاقة بين النسبة القياسية للوقود والهواء للبيوتانول والإيثانول والبنزين. وتتراوح نسب خلط الإيثانول الشائعة في البنزين المُباع حاليًا بين 5% و10%. وتشير التقديرات إلى إمكانية توفير حوالي 9.5 جيجالتر من البنزين، وإنتاج حوالي 64.6 جيجالتر من مزيج البيوتانول والبنزين بنسبة 16% (Bu16) من مخلفات الذرة في الولايات المتحدة، وهو ما يعادل 11.8% من إجمالي استهلاك البنزين المحلي. [ 32 ]

قد يكون قبول المستهلكين محدودًا بسبب رائحة البيوتانول العادية التي قد تكون كريهة، والتي تشبه رائحة الموز . [ 49 ] وتجري حاليًا خطط لتسويق وقود يتكون من 85% إيثانول و15% بيوتانول (E85B)، بحيث يمكن لمحركات الاحتراق الداخلي الحالية التي تعمل بوقود E85 أن تعمل بوقود متجدد بنسبة 100% يمكن إنتاجه دون استخدام أي وقود أحفوري . ونظرًا لأن سلسلته الهيدروكربونية الطويلة تجعله غير قطبي نسبيًا ، فهو أقرب إلى البنزين منه إلى الإيثانول. وقد ثبتت فعالية البيوتانول في المركبات المصممة للاستخدام مع البنزين دون أي تعديل.

البيوتانول في المركبات

لا توجد حاليًا أي مركبة إنتاجية معتمدة من قبل الشركة المصنعة لاستخدامها مع البيوتانول النقي. وحتى أوائل عام 2009، لم تكن سوى بضع مركبات معتمدة لاستخدام وقود E85 (أي 85% إيثانول + 15% بنزين) في الولايات المتحدة الأمريكية. مع ذلك، في البرازيل، تُنتج جميع شركات تصنيع السيارات (فيات، فورد، فولكس فاجن، جنرال موتورز، تويوتا، هوندا، بيجو، سيتروين، وغيرها) مركبات "مرنة الوقود" التي يمكنها العمل بالبنزين النقي أو الإيثانول النقي أو أي مزيج من البنزين والإيثانول. [ 50 ] وتمثل هذه السيارات المرنة الوقود 90% من مبيعات السيارات الشخصية في البرازيل عام 2009. وتزعم شركتا بي بي ودوبونت، المنخرطتان في مشروع مشترك لإنتاج وترويج وقود البيوتانول، [ 15 ] أنه "يمكن مزج البيوتانول الحيوي بنسبة تصل إلى 10% حجم/حجم في البنزين الأوروبي و11.5% حجم/حجم في البنزين الأمريكي". [ 51 ] [ 52 ] في سباق بيتي لو مان لعام 2009 ، استخدمت سيارة لولا B09/86 - مازدا MZR-R رقم 16 التابعة لفريق دايسون ريسينغ مزيجًا من البيوتانول الحيوي والإيثانول الذي طوره شريك الفريق التكنولوجي BP .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "ButylFuel, LLC" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-01-2008 .
  2. ↑ سامبا مايتي وآخرون (10 ديسمبر 2015). "السعي نحو الإنتاج الحيوي المستدام واستخلاص البيوتانول كحل واعد للوقود الأحفوري" . بحوث الطاقة . 40 (4): 411-438 . doi : 10.1002/er.3458 . S2CID 101240621 .  
  3. ↑ مركز بيانات الوقود البديل والمركبات المتقدمة: البيوتانول الحيوي
  4. ↑ "الوقود الحيوي الكوبالتي | البيوتانول الحيوي وما بعده" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 25-10-2008 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-10-2008 .
  5. ↑ أتسومي، شوتا؛ هاناي، تايزو؛ لياو، جيمس سي. (2008)، "مسارات غير تخميرية لتخليق الكحولات العليا ذات السلسلة المتفرعة كوقود حيوي"، مجلة نيتشر ، 451 (7174): 86-89 ، Bibcode : 2008Natur.451...86A ، doi : 10.1038/nature06450 ، PMID 18172501 ، S2CID 4413113  
  6. ↑ بيريزينا، أو. في.، زاخاروفا، ن. ف.، ياروتسكي، س. ف.، زفيرلوف، ف. ف. (ديسمبر 2012). "المنتجون الميكروبيون للبيوتانول". الكيمياء الحيوية التطبيقية وعلم الأحياء الدقيقة . 48 (7): 625-638 . doi : 10.1134/S0003683812070022 . S2CID 254189557 . 
  7. ↑ المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) (23 أكتوبر 2012). "إنتاج عالي الكفاءة للوقود الحيوي المتقدم بواسطة كائنات دقيقة معدلة وراثيًا" . ساينس ديلي .
  8. ↑ فيتيل إس آي، كومار إل، كوكولاس إيه إيه (2016). "هل يمكن للوقود الحيوي المتقدم المشتق من الميكروبات أن ينافس الإيثانول الحيوي التقليدي؟ مراجعة نقدية" . الموارد الحيوية . 11 (4): 10711-10755 . doi : 10.15376/biores.11.4.Veettil .
  9. ↑ لي هـ، أوبجينورث ب.هـ، ويرنيك د.ج، روجرز س، وو ت.ي، هيغاشيدي و، مالاتي ب، هوو ي.إكس، تشو ك.م، لياو ج.س (29 مارس 2012). "التحويل الكهروميكروبي المتكامل لثاني أكسيد الكربون إلى كحولات أعلى". مجلة ساينس . 335 (6076): 1596. Bibcode : 2012Sci...335.1596L . doi : 10.1126/science.1217643 . PMID 22461604. S2CID 24328552 .  
  10. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ١١ ١٢ ١٣ ١٤ ١٥ ١٦ بيرالتا-يحيى ، ب.ب.، تشانغ، ف . ، ديل كارداير، س.ب.، كيسلينغ، ج.د. (١٥ أغسطس ٢٠١٢). "الهندسة الميكروبية لإنتاج أنواع الوقود الحيوي المتقدمة". مجلة نيتشر . ٤٨٨ (٧٤١١): ٣٢٠-٣٢٨ . Bibcode : 2012Natur.488..320P . doi : 10.1038/nature11478 . PMID 22895337. S2CID 4423203 .  
  11. 1 2 ترينه، كونغ ت. (9 يونيو 2012). "توضيح وإعادة برمجة استقلاب الإشريكية القولونية لإنتاج البيوتانول العادي والإيزوبوتانول في ظروف لاهوائية إجبارية". علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والتكنولوجيا الحيوية . 95 (4): 1083-1094 . doi : 10.1007/s00253-012-4197-7 . PMID 22678028. S2CID 10586770 .  
  12. 1 2 ناكاشيما ن، تامورا ت (1 يوليو 2012). "طفرة جديدة لكبح استقلاب الكربون في الإشريكية القولونية ، mlc*، واستخدامها في إنتاج الإيزوبوتانول". مجلة العلوم الحيوية والهندسة الحيوية . 114 (1): 38-44 . doi : 10.1016/j.jbiosc.2012.02.029 . PMID 22561880 . 
  13. ↑ تشونغ، هويتشينغ؛ جينغ، هيفانغ؛ تشانغ، هونغفانغ؛ سونغ، هاو؛ هوانغ، لي؛ جيانغ، رونغ رونغ (6 نوفمبر 2013). "تعزيز تحمل الإشريكية القولونية للإيزوبوتانول من خلال هندسة بروتين مستقبل cAMP (CRP)، وهو عامل النسخ العالمي الخاص بها". التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية . 111 (4): 700-708 . doi : 10.1002/bit.25134 . ISSN 0006-3592 . PMID 24203355. S2CID 28120139 .   
  14. ↑ آرس | طلب نشر: إنتاج البيوتانول من الكتلة الحيوية الزراعية
  15. 1 2 3 4 5 "صحيفة حقائق البيوتانول الحيوي" (ملف PDF) . بي بي ودوبونت. مؤرشفة من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 21 يناير 2009. تم الاطلاع عليها بتاريخ 13 مايو 2009 .
  16. ↑ جامعة واشنطن في سانت لويس (28 يناير 2008). "تقنيات جديدة تُنتج البيوتانول، وهو وقود حيوي فائق" . ساينس ديلي .
  17. ↑ "بكتيريا جديدة تنتج البيوتانول مباشرة من السليلوز" . مؤتمر السيارات الخضراء . 28 أغسطس 2011. تاريخ الاسترجاع: 17 نوفمبر 2012 .
  18. ↑ هيغاشيدي، ويندي؛ لي، يونغتشاو؛ يانغ، يونفنغ؛ لياو، جيمس سي. (15 أبريل 2011). " الهندسة الأيضية لبكتيريا كلوستريديوم سيلولوليتيكوم لإنتاج إيزوبوتانول من السليلوز" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 77 (8): 2727-2733 . Bibcode : 2011ApEnM..77.2727H . doi : 10.1128/AEM.02454-10 . ISSN 0099-2240 . PMC 3126361. PMID 21378054 .   
  19. ↑ سولينغ ب، غوتشالك ج (1996). " التحليل الجزيئي لمسار تحلل السكسينات اللاهوائي في كلوستريديوم كلوفيري " . مجلة علم البكتيريا . 178 (3): 871-880 . doi : 10.1128/jb.178.3.871-880.1996 . PMC 177737. PMID 8550525 .  
  20. ↑ البكتيريا الزرقاء
  21. ↑ أتسومي، شوتا؛ هيغاشيدي، ويندي؛ لياو، جيمس سي (ديسمبر 2009). "إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون مباشرةً إلى إيزوبوتيرالدهيد من خلال عملية التمثيل الضوئي". مجلة نيتشر للتكنولوجيا الحيوية . 27 (12): 1177-1180 . doi : 10.1038/nbt.1586 . PMID 19915552. S2CID 1492698 .  
  22. 1 2 3 4 ماتشادو، آي إم بي، وأتسومي، إس (1 نوفمبر 2012). "إنتاج الوقود الحيوي باستخدام البكتيريا الزرقاء". مجلة التكنولوجيا الحيوية . 162 (1): 50-56 . doi : 10.1016/j.jbiotec.2012.03.005 . PMID 22446641 . 
  23. 1 2 3 4 فارمان إيه إم، شياو واي، باكراسي إتش بي، تانغ واي جيه (26 نوفمبر 2012). "الهندسة الأيضية لسلالة Synechocystis sp. PCC 6803 لإنتاج إيزوبوتانول" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 79 (3): 908-914 . doi : 10.1128/AEM.02827-12 . PMC 3568544. PMID 23183979 .  
  24. 1 2 سينغ، ن. ك.، ودار، د. و. (11 مارس 2011). "الطحالب الدقيقة كوقود حيوي من الجيل الثاني: مراجعة" (ملف PDF) . علم الزراعة من أجل التنمية المستدامة . 31 (4): 605-629 . Bibcode : 2011AgSD...31..605S . doi : 10.1007/s13593-011-0018-0 . S2CID 38589348 . 
  25. ↑ ستيرن جيه آر، كون إم جيه، ديلكامبيلو إيه (1953). "أسيتوأسيتيل مرافق الإنزيم-أ كوسيط في التحلل الإنزيمي وتخليق أسيتوأسيتات". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 75 (6): 1517-1518 . Bibcode : 1953JAChS..75.1517S . doi : 10.1021/ja01102a540 .
  26. ↑ لان إي آي، لياو جيه سي (2012). "يحفز الأدينوسين ثلاثي الفوسفات إنتاج 1-بيوتانول مباشرةً من خلال عملية التمثيل الضوئي في البكتيريا الزرقاء" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 109 (16): 6018-6023 . Bibcode : 2012PNAS..109.6018L . doi : 10.1073/pnas.1200074109 . PMC 3341080. PMID 22474341 .  
  27. 1 2 لي إس، هوانغ دي، لي واي، وين جيه، جيا إكس (1 يناير 2012). "التحسين العقلاني لبكتيريا Bacillus subtilis المُهندسة وراثيًا لإنتاج الإيزوبوتانول عن طريق تحليل الأنماط الأولية" . مصانع الخلايا الميكروبية . 11 (1) 101. doi : 10.1186/1475-2859-11-101 . PMC 3475101. PMID 22862776 .  
  28. 1 2 كوندو تي، تيزوكا إتش، إيشي جيه، ماتسودا إف، أوغينو سي، كوندو إيه (1 مايو 2012). "الهندسة الوراثية لتعزيز مسار إيرليخ وتغيير تدفق الكربون لزيادة إنتاج الإيزوبوتانول من الجلوكوز بواسطة الخميرة Saccharomyces cerevisiae". مجلة التكنولوجيا الحيوية . 159 ( 1-2 ): 32-37 . doi : 10.1016/j.jbiotec.2012.01.022 . PMID 22342368 . 
  29. ^ ماتسودا ، فوميو. كوندو، تاكاشي؛ المؤسسة الدولية للتنمية، كينغو؛ تيزوكا، هيرونوري؛ إيشي، يونيو؛ كوندو ، أكيهيكو (1 يناير 2012). "بناء مسار اصطناعي للتخليق الحيوي للأيزوبوتانول في العصارة الخلوية لفطريات السكيراء Saccharomyces cerevisiae" . العلوم الحيوية والتكنولوجيا الحيوية والكيمياء الحيوية . 76 (11): 2139-2141 . دوى : 10.1271/bbb.120420 . بميد 23132567 . S2CID 21726896 .  
  30. ↑ لي، وون-هيونغ؛ سيو، سيونغ-أوه؛ باي، يي-هيون؛ نان، هونغ؛ جين، يونغ-سو؛ سيو، جين-هو (28 أبريل 2012). "إنتاج الإيزوبوتانول في خميرة Saccharomyces cerevisiae المعدلة وراثيًا عن طريق الإفراط في التعبير عن إنزيم ديكاربوكسيلاز 2-كيتوإيزوفاليرات وإنزيمات التخليق الحيوي للفالين". هندسة العمليات الحيوية والأنظمة الحيوية . 35 (9): 1467-1475 . doi : 10.1007/s00449-012-0736-y . PMID 22543927. S2CID 25012774 .  
  31. ↑ لي، هان؛ أوبجينورث، بول هـ.؛ ويرنيك، ديفيد ج.؛ روجرز، ستيف؛ وو، تونغ يون؛ هيغاشيدي، ويندي؛ مالاتي، بيتر؛ هو، يي شين؛ تشو، كوانغ ميونغ؛ لياو، جيمس س. (30 مارس 2012). " التحويل الكهروميكروبي المتكامل لثاني أكسيد الكربون إلى كحولات أعلى" . مجلة ساينس . 335 (6076): 1596. Bibcode : 2012Sci...335.1596L . doi : 10.1126/science.1217643 . ISSN 0036-8075 . PMID 22461604. S2CID 24328552 .   
  32. 1 2 كريمي علويجه، مسيح؛ كريمي، كيخسرو (مارس 2019). "إنتاج البيوتانول الحيوي من سيقان الذرة في الولايات المتحدة". المحاصيل الصناعية والمنتجات . 129 : 641-653 . doi : 10.1016/j.indcrop.2018.12.054 . ISSN 0926-6690 . S2CID 104367378 .  
  33. ↑ مالافيا أ، جانغ ي، لي إس واي (2012). "إنتاج مستمر للبيوتانول مع تقليل تكوين المنتجات الثانوية من الجلسرين بواسطة طفرة منتجة للغاية من كلوستريديوم باستوريانوم " . مجلة علم الأحياء الدقيقة التطبيقية والتكنولوجيا الحيوية . 93 (4): 1485-1494 . doi : 10.1007/s00253-011-3629-0 . PMID 22052388. S2CID 1597829 .  
  34. ↑ "عملية جديدة تضاعف إنتاج الوقود البديل مع خفض التكاليف بشكل كبير" . كلية العلوم الزراعية والاستهلاكية والبيئية بجامعة إلينوي. 14 أغسطس 2012.
  35. ↑ كشفت شركتا دوبونت وبي بي عن شراكة في مجال الوقود الحيوي المتقدم تستهدف جزيئات متعددة من البيوتانول
  36. ↑ الصفحة الرئيسية
  37. ↑ "بيوتانول فاخر" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2019-09-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2020-07-09 .
  38. ↑ كلية في ولاية مين تفوز بمنحة من وكالة حماية البيئة لأبحاث تحويل مخلفات الطعام إلى وقود | Biomassmagazine.com
  39. ↑ لو جيه، بريغهام سي جيه، غاي سي إس، سينسكي إيه جيه (4 أغسطس 2012). "دراسات حول إنتاج الكحولات المتفرعة السلسلة في بكتيريا رالستونيا يوتروفا المعدلة وراثيًا" ( ملف PDF) . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والتكنولوجيا الحيوية . 96 (1): 283-297 . doi : 10.1007/s00253-012-4320-9 . hdl : 1721.1/75742 . PMID 22864971. S2CID 62337 .  
  40. ↑ تينغ سي إن دبليو، وو جيه، تاكاهاشي كيه، إندو إيه، تشاو إتش (8 سبتمبر 2012). "بكتيريا معوية برازية مقاومة للبيوتانول وقادرة على إنتاج البيوتانول". الكيمياء الحيوية التطبيقية والتكنولوجيا الحيوية . 168 (6): 1672-1680 . doi : 10.1007/s12010-012-9888-0 . PMID 22961352. S2CID 9201136 .  
  41. ↑ Wojcieszyk M, Knuutila L, Kroyan Y, de Pinto Balsemão M, Tripathi R, Keskivali J, Karvo A, Santasalo-Aarnio A, Blomstedt O, Larmi M (يناير 2021). "أداء الأنيسول والإيزوبوتانول كمواد مزج حيوية للبنزين لمحركات الاحتراق الداخلي" . الاستدامة . 13 (16): 8729. Bibcode : 2021Sust...13.8729W . doi : 10.3390/su13168729 .
  42. 1 2 3 ج. ل. سميث؛ ج. ب. وركمان (20 ديسمبر 2007). "الكحول كوقود للسيارات" . جامعة ولاية كولورادو . مؤرشف من الأصل في 26 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 29 يناير 2008 .
  43. 1 2 راندال تشيس (23 يونيو 2006). "دوبونت وبي بي تتعاونان لإنتاج البيوتانول؛ ويقولون إنه يتفوق على الإيثانول كمادة مضافة للوقود" . أسوشيتد برس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يناير 2008 .
  44. محركات الاحتراق الداخلي، إدوارد ف. أوبيرت، 1973
  45. ↑ UNEP.org-خصائص المركبات المؤكسجة مؤرشفة بتاريخ 21-02-2011 في Wayback Machine (PDF).
  46. ↑ iea-amf.org- وقود المحركات المتقدم: خصائص البيوتانول (HTML).
  47. ↑ وقود البيوتانول – الوقود الحيوي، الطاقة الحيوية - زيت الطحالب
  48. ↑ صندوق أدوات الهندسة
  49. ↑ "سلامة المنتج - ن-بيوتانول" . dow.com . شركة داو كيميكال. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2015-04-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2013-07-09 .
  50. ↑ "تويوتا تكشف النقاب عن طرازات كورولا متعددة الوقود للبرازيل | الموقع الرسمي العالمي لشركة تويوتا موتور" . global.toyota . تاريخ الوصول: 22 نوفمبر 2024 .
  51. ↑ "صحيفة حقائق الوقود الحيوي من بي بي ودوبونت" (ملف PDF) . بي بي ودوبونت. مؤرشفة من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 29 فبراير 2012. تم الاطلاع عليها بتاريخ 25 يوليو 2013 .
  52. ↑ "تعزيز إنتاج البيوتانول من الكتلة الحيوية؟" . مؤتمر السيارات الخضراء . 20 يوليو 2005. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يناير 2008 .
  53. ↑ "استخلاص الطاقة من الهواء - هل هذا هو مستقبل الوقود؟" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2020-10-03 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-08-21 .
  54. ↑ باحثون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس يستخدمون الكهرباء وثاني أكسيد الكربون لإنتاج البيوتانول
  55. ↑ التحويل الكهروميكروبي المتكامل لثاني أكسيد الكربون إلى كحولات أعلى