Biobutanol jako kvalitní náhrada benzinu

Butanol je čtyřuhlíkový alkohol, který se vyrábí hydratací butanu nebo kvasným procesem z biomasy. Je až o třetinu výhřevnější než etanol a jen o pět procent méně výhřevný než benzin, se kterým se může mísit v širokém poměru. Při motorových zkouškách byly prokázány jeho velmi dobré palivové vlastnosti.

Butanol je v současné době především významným průmyslovým ředidlem, vyráběným převážně hydratací butanu, vedlejšího produktu z ropy. Lze jej ale získat i kvasným procesem z biomasy.

Na podkladě požadavku a trendu částečné náhrady fosilních paliv biopalivy se zejména v USA a Velké Británii realizovaly výzkumné práce, jejichž výsledky již některé významné společnosti (Du Pont, BP) zavádějí do výroby a distribuce pohonných hmot.

Biotechnologie se změnila

Biobutanol se začal vyrábět již v roce 1916 v Anglii metodou ABE. Tato biotechnologie je založena na fermentaci zrnin pomocí mikroorganismů Clostridium acetobutylicum. Hlavním požadovaným produktem byl tehdy aceton, ale na každou objemovou jednotku acetonu vznikly i dvě jednotky butanolu. S rostoucí potřebou průmyslových ředidel v automobilového průmyslu se ale postupně stal hlavním výrobkem butanol a aceton výrobkem vedlejším. Podíl butanolu je však v konečném produktu velmi nízký, většinou kolem 15 %, výjimečně kolem 25 %. Podíl je limitován biologicky, neboť butanol i při nízké koncentraci 1,5 až 2 % inhibituje růst a činnost mikroorganismů a zastavuje fermentační proces.

Pracovně náročná „dávková“ fermentace suroviny v nádržích spojená s relativně nízkou výtěžností byly příčinou postupného úpadku tohoto způsobu výroby butanolu. Nová situace nastala až objevem mikroorganismů odolnějších vyšší koncentraci butanolu a umožňujích vyrábět především butanol. Jde o nově upravené bakterie Clostridium tyrobutyricum a nově vyšlechtěné odrůdy bakterií Clostridium acetobutylicum firmou EEI (Blacklick, Ohio, USA). Ty v návaznosti na sebe zajišťují produkci butanolu v množství 4,64 g/l/h při výtěžnosti z glukózy 42 – 45 %. Zjednodušeně řečeno: jeden mikrob maximalizuje přeměnu glukózy (C₆H₁₂O₆) na vodík a kyselinu máselnou – a druhý mikrob mění tyto meziprodukty na butanol (C₄H₉OH).

Schéma výroby je poměrně jednoduché, ale technologické zařízení je naopak složité a zásadně se liší od zařízení na výrobu etanolu: Výroba je kontinuální, ve dvou fermentorech spojených čerpadlem a potrubím. Na ně navazuje zařízení pro oddělení butanolu od ostatního materiálu a z velké části vody pomocí odstředivek, polopropustných membrán, protiproudého čistění pomocí horkého CO₂ atd.

Výsledkem fermentace je postupně: kyselina máselná, vodík, butanol, CO₂ a H₂O. Ke konečné destilace přichází butanol jen s 10% obsahem vody, což je energeticky výhodné. Výtěžek biobutanolu je v porovnání s biotanolem až dvojnásobný: Například ze l00 kg kukuřice se vyrobí až 38 litrů. Navíc volný vodík vznikající v první fázi může zlepšit energetickou bilanci až o 18 procent.

Butanol versus ethanol

První pokusy s biotechnologickou výrobu etanolu jako pohonné hmoty začaly po roce 1970. Průmysl technologii postupně zvládl, ale problém je především nákladná dehydratace bioethanolu (až na 99,6 %), která je nezbytná před jeho přimíchávání do benzinu. Potíže jsou i v logistice: bioethanol působí vysoce korozivně, což prakticky vylučuje jeho dopravu ve stávajících zařízeních.

S výjimkou Brazilie, kde jsou vyjímečné přírodní podmínky, a USA, kde zase mají velké zemědělské přebytky a podporují biopaliva všeho druhu, probíhé ve světě proces zavádění biopaliv na bázi etanolu relativně pomalu.

Butanol je čtvrtý v řadě základních alkoholů (metanol, ethanol, propanol, butanol). Jeho molekula má čtyři uhlíky, tedy dvakrát více než ethanol, což znamená vyšší energetickou hustotou a asi o 25 % vyšší výhřevnost.

Výhřevnost butanolu a vodíku z biomasy (butanol: 15,5 BTU/libra, resp. 104,8 BTU/galon, resp.34,4 MJ/kg, vodík: 61 BTU/libra, resp.153,6 MJ/kg) převyšuje obdobné ukazatele u etanolu (l2,8 BTU/libra, resp. 84,25 BTU/galon, resp. 22,2 MJ/kg).

Butanol neprodukuje SO_x , NO_x a CO, což jsou spaliny škodící zdraví. Produkované CO₂ a H₂O se jen vrací do ovzduší, ze kterého byly zpracovávanými rostlinami přijaty v době vegetace.

Butanol není tak hydroskopický jako ethanol a je tedy i méně korosivnní pro kovové nádrže a potrubí. Může být dopravován běžnými a již existujícími produktovody, cisternami a distribuován jen částečně upravenými čerpacími stanicemi.

Butanol je z hlediska manipulace bezpečnější: Fluidní hodnota odpařování ψ (dle Reida) je u butanolu 0,33, u ethanolu 2 a u benzínu 4,5. Jako motorové palivo je vhodný zejména pro teplejší oblasti.

Butanol může být jak přimícháván do fosilních motorových paliv, tak používán samostatně jako pohonné palivo v motorech s vnitřním spalováním. Svými vlastnostmi se přibližuje k benzinu více, než ethanol.

Tabulka – Porovnání vlastností alkoholů jako motorové pohonné hmoty

Alkohol	Chemická značka	Výhřevnost BTU/galon	Oktanové číslo	Vzduch/palivo při hoření	Fluidní hodnota ψ
Methanol	CH2OH	63	91	6,6	4,6
Etanol	C2H2OH	84	92	9	2
Butanol	C4H9OH	110	94	11-12	0,33
Benzín	směs	115	96	12-15	4,5

Vlastnosti butanolu jako paliva byly prokázány i v provozu: Například již v roce 2005 vyrobila firma EEI v USA potřebné množství butanolu k tom, aby mohla být uskutečněna srovnávací dálková jízda na několik tisíc kilometrů automobilem Buick Park Avenue (6-ti válec, obsah 3,5 litrů).

Průměrná spotřeba butanolu byla necelých 10 litrů na 100 km. Výsledky měření emisí během jízdy byly vesměs mnohem příznivější, než při spalování benzinu: Emise uhlovodíků byly nižší o 95 %, emise CO o 97 % a emise NO_x o 27 %.

Příspěvek zemědělské výroby

V současné době vznikají v mnoha vyspělých zemích, zejména v USA, přebytky „nízkohodnotné“ biomasy ze zemědělské výroby. Jejich odstraňování nebo zpracování je nutné z hlediska ochrny životního prostředí.

Například jen při čistění a zpracování kukuřice v USA se produkuje ročně více než 10 mil. tun vedlejších výrobků a odpadů, pro které není využití. Obdobně mlékárenský průmysl v USA produkuje ročně až. 27 mil. tun odpadové syrovátky při výrobě sýrů s relativně vysokým obsahem cukru, pro kterou rovně není většinou využití a jejíž likvidace vyžaduje značné náklady. Tyto i další odpady mohou být levným zdrojem pro výrobu vodíku a palivových alkoholů, například butanolu.

V USA se předpokládá rozvoj výstavby výroben butanolu na venkově s kapacitou výroby od 5 do 30 mil. galonů ročně (tj do l,14 mil. hl/rok), a to formou sdružení obcí a zemědělských podniků obvykle rekonstrukcí některých místních lihovarů a cukrovarů. Tyto lokální „biorafinerie“ mohou snáze překonávat různé omezující překážky a problémy s ochranou ovzduší a životního prostředí a obranou před teroristy. Kooperativně organizované podniky vytvoří řadu nových pracovních příležitostí a podpoří ekonomický růst v oblasti. Výhledově lze butanol vyrábět i fermentací listí a jiné „odpadní“ biomasy. Nadějný je vývoj technologie výroby butanolu z upraveného bioplynu v bioplynových stanicicích. Důležité je, aby vstupy fosilní energie do výroby biopaliva byly nižší než jeho energetická výtěžnost.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu