El butanol puede ser utilizado como combustible en un motor de combustión interna. La gran longitud de su cadena hidrocarbonada provoca que su no polaridad sea mayor. Es más similar a la gasolina de lo que lo es al etanol. Se ha demostrado que el butanol puede trabajar en vehículos diseñados para ser usados con gasolina sin modificación alguna. Tiene una cadena hidrocarbonada con cuatro enlaces. Puede producirse a partir de biomasa (como biobutanol) y también de combustibles fósiles (como petrobutanol), pero estos dos tienen las mismas propiedades químicas.
Producción del biobutanol Al butanol que se obtiene a partir de biomasa se le denomina biobutanol.Alternative Fuels and Advanced Vehicles Data Center: Biobutanol Puede ser utilizado en motores de gasolina sin necesidad de modificarlos.
Tecnologías El biobutanol puede ser producido por medio de la fermentación de biomasa con el proceso A.B.E. Este proceso utiliza la bacteria Clostridium acetobutylicum, también conocida como el organismo Weizmann. En 1916, Jaim Weizmann fue quien utilizó por primera vez esta bacteria para la producción de acetona a partir de almidón. El butanol era un subproducto de esta fermentación (se producía el doble de butanol). El proceso también origina una cantidad recuperable de H2 y otros subproductos como los ácidos acético, láctico y propiónico, al igual que isopropanol y etanol.
Este combustible puede producirse utilizando la bacteria Ralstonia eutropha H16. Este proceso requiere el uso de un electro-biorreactor con una entrada dióxido de carbono y electricidad.
La principal diferencia que tiene respecto a la producción del etanol es la fermentación de la materia prima y cambios mínimos en la destilación. Las materias primas son las mismas que para el etanol: cultivos energéticos como la remolacha azucarera, caña de azúcar, granos de maíz, trigo y yuca, cultivos energéticos no alimenticios como Panicum virgatum e incluso guayule en América del Norte, así como subproductos como el bagazo, paja y tallos de maíz. De acuerdo con DuPont, plantas que ya existentes de bioetanol pueden ser adaptadas para que produzcan biobutanol.BP DuPont Fact Sheet Biobutanol (PDF).
La producción de biobutanol a partir de biomasa y subproductos agrícolas puede ser más eficiente que la de etanol o metanol.http://www.sciencedaily.com/releases/2008/01/080123153142.htm Butanol an energy alternative?
Butanol de algas El biobutanol puede producirse completamente con energía solar y nutrientes a partir de algas (llamado combustible de algas solar) o diatomeas. Su rendimiento de corriente es muy bajo.
Investigación Aun cuando la demanda de biocombustibles ha incrementado a más de mil millones de litros (unos 260 millones de galones estadounidenses) de manera anual,Butalco Lignocellulose Biofuels Biobutanol Bioethanol biobased la fermentación sigue siendo un método ineficiente para la producción de butanol. Bajo condiciones normales, las comunidades bacterianas de Clostridium tienen un bajo rendimiento de producción de butanol por gramo de glucosa. Para obtener un mayor rendimiento en la producción de butanol es necesario manipular las rutas metabólicas dentro de las bacterias para priorizar la síntesis del biocombustible. Herramientas de la ingeniería metabólica y genética permiten a los científicos alterar los estados de las reacciones que ocurren dentro de un organismo, utilizando técnicas avanzadas para la creación de cepas bacterianas capaces de tener un alto rendimiento en la producción de butanol. La optimización también puede ser alcanzada con la transferencia de información genética específica a otra especie unicelular, enfatizando ciertos rasgos de varios organismos para lograr la mayor tasa de producción de alcohol.Berezina O.V., Zakharova N. V., Yarotsky S. V., Zverlov V.V. Microbial producers of butanol. Applied Biochemistry and Microbiology 48, Issue: 7 Pages: 625-638 Published: DEC 2012
Uso de fuentes alternativas de carbono
Una tecnología prometedora para el desarrollo de la producción de biobutanol se descubrió en el verano del 2011 – La Universidad de Tulane descubrió una cepa de Clostridium llamada “TU-103”, la cual puede convertir casi cualquier forma de celulosa en butanol, y es la única cepa de bacterias del género Clostridium que puede hacer esto en presencia de oxígeno. Los investigadores de la universidad indican que el posible origen de la cepa “TU-103” son los desechos sólidos de la cebra (Equus quagga) en el zoológico de Audubon en Nuevo Orleans.
La ingeniería metabólica se emplea para permitir que un organismo utilice un sustrato más barato como lo es el glicerol en lugar de la glucosa. Los procesos fermentativos requieren glucosa derivada de productos alimenticios, es por esto que la producción de butanol puede afectar de manera negativa los suministros de alimentos. El glicerol es una buena alternativa de recurso para la producción de butanol. Mientras que los recursos de glucosa son valiosos y limitados, el glicerol es abundante y tiene un menor costo debido a que es un producto desecho de la producción de biodiésel. La producción de butanol a partir de glicerol es más viable económicamente usando rutas metabólicas existentes en la bacteria Clostridium pasteurianum.
Una combinación de succinato y etanol puede ser fermentada para producir butirato (precursor del combustible butanol) utilizando las rutas metabólicas presentes en la bacteria anaeróbica gram-positiva Clostridium kluyveri. El succinato es un intermediario del ciclo TCA, el cual metaboliza la glucosa. Las bacterias anaerobias como Clostridium acetobutylicum y Clostridium saccharobutylicum también cuentan con estas rutas. El succinato primero es activado y después reducido por una reacción de dos pasos que da 4-hidroxibutirato, el cual es metabolizado más adelante a crotonilo-coenzima A (CoA). Este es después convertido a butirato. Los genes de Clostridium que corresponden a esta vía de producción de butanol fueron clonadas a E. coli.
En 2012 unos investigadores desarrollaron un método para almacenar energía eléctrica en forma de energía química en alcoholes superiores (incluyendo butanol). Estos alcoholes pueden ser utilizados después como combustibles líquidos para el transporte. El grupo lidereado por James Liao realizó ingeniería genética al microorganismo litoautotrofo conocido como Ralstonia Eutropha H16 para producir isobutanol y 3-metil-1-butanol en un biorreactor eléctrico. El dióxido de carbono es la única fuente de carbono para este proceso y la electricidad es usada como el componente energético. El proceso que ellos desarrollaron separa de manera efectiva las reacciones lumínicas y obscuras que ocurren durante la fotosíntesis. Los paneles solares son utilizados para convertir a luz solar en energía eléctrica, la cual después es transformada a un intermediario químico con el uso de microorganismos. Este equipo de investigadores ahora se dedica al proceso de escalamiento de la operación y cree fielmente en que este será más eficiente que el proceso biológico.
Mejoramiento de la eficiencia A finales del 2012, un nuevo descubrimiento hizo más atractivo al butanol para la industria de los biocombustibles. El científico Hao Feng encontró un método que puede reducir de manera significativa el costo de la energía involucrada en la producción del butanol. Su equipo fue capaz de aislar las moléculas de butanol durante el proceso de fermentación para que estas no maten a los organismos y así produzcan el 100% o más de butanol. Después del proceso de fermentación utilizaron un proceso llamado punto de separación cloud (que utiliza 4 veces menos energía) para recuperar el butanol.
De igual manera, a finales del 2012, utilizando sistemas de ingeniería metabólica, un grupo de investigadores coreanos del KAIST (por sus siglas en inglés Korea Advanced Institute of Science and Technology) han triunfado en demostrar un proceso optimizado para incrementar la producción de butanol por medio de la generación de una bacteria manipulada genéticamente. El profesor Sang Yup Lee del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, KAIST, Dr. Young Seung en GS Caltex, una gran compañía refinera de aceites Coreana, y el Dr. Yu-Sin Jang del BioFuelChem, una compañía de butanol en Corea, aplicaron un sistema de ingeniería metabólica para mejorar la producción de butanol por medio del mejoramiento del funcionamiento de Clostridium acetobutylicum una de las mejores bacterias conocidas para la producción de butanol. Adicionalmente, el proceso río abajo o “downstream” fue optimizado y se integró a este un proceso de recuperación in situ para alcanzar butanol de mayor grado, rendimiento y productividad. La combinación de sistemas de ingeniería metabólica y bioprocesos de optimización han permitido el desarrollo de un proceso capaz de producir más de 585 g de butanol a partir de 1.8 kg de glucosa, lo cual permite la producción de este importante solvente industrial y un biocombustiblle avanzado a un costo competitivo.
Las bacterias anaerobias C. pasteurianum, C. acetobutylicum, y otras especies de Clostridium tienen rutas metabólicas que convierten glicerol a butanol por medio de fermentación.Sin embargo, la producción de butanol a partir de glicerol por medio de fermentación en C. Pasteurianum es baja. Para contrarrestar esto, un grupo de investigadores utilizaron mutagenesis química para crear una cepa híper productora de butanol. La mejor cepa mutante en este estudio fue "MBEL_GLY2" y produjo 10.8 g de butanol por cada 80 g de glicerol alimentado a la bacteria. Esta mejora comparada con los 7.6 g de butanol producidos por la bacteria nativa.
Muchos organismos tienen la capacidad para producir butanol utilizando una vía dependiente de la acetil-CoA. El mayor 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). Algunos experimentos que se han realizado con un aumento del almacenamiento de carbono a través del organismo mediante la utilización de flujo de dióxido de carbono mediante organismos fotosintéticos. En el seguimiento de la investigación, los científicos han tratado de diseñar vías de reacciones que puedan permitir a los organismos fotosintéticos (como las algas verdeazules) producir butanol de manera más eficiente.
Un estudio realizado por Ethan I. Lan y James C. Liao intentó utilizar el ATP producido durante la fotosíntesis en algas verdeazules para trabajar en torno a la termodinámicamente desfavorable condensación de acetil-CoA a acetoacetil-CoA. El sistema nativo fue rediseñado para hacer reaccionar la acetil-CoA con el ATP y el CO2 para formar un intermediario, malonil-CoA. Este intermediario después reacciona con otro acetil-CoA para formar el deseado acetoacetil-CoA. La energía liberada de la hidrólisis de ATP (dG = -7.3 kcla/mol) hace que esta vía sea más favorable que la condensación estándar. Debido a que las algas verdeazules generan NADPH durante la fotosíntesis se puede asumir que el medio ambiente es rico en NADPH. Por lo tanto, la vía de reacción nativa fue después modificada para utilizar NADPH en lugar del NADH estándar. Todos estos ajustes han dado lugar a un incremento del 400% en la producción de butanol que muestra la importancia de las fuerzas de ATP y de la conducción de cofactores como un principio de diseño en la ingeniería de vías.Lan, E.I., Liao, J.C., (2012). ATP drives direct photosynthetic production of 1-butanol in cyanobacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
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