Combustible de butanol

Escherichia coli , o E. coli , es una bacteria Gram negativa con forma de bacilo . E. coli es el microorganismo con mayor probabilidad de pasar a la producción comercial de isobutanol. ^{[ 10 ]} En su forma modificada genéticamente, E. coli produce los mayores rendimientos de isobutanol de cualquier microorganismo.Se han utilizadométodos como el análisis de modos elementales para mejorar la eficiencia metabólica de E. coli y así poder producir mayores cantidades de isobutanol. ^{[ 11 ]} E. coli es un biosintetizador de isobutanol ideal por varias razones:

• Escherichia coli es un organismo para el cual existen diversas herramientas de manipulación genética, y es un organismo sobre el cual existe una extensa bibliografía científica. ^{[ 10 ]} Esta gran cantidad de conocimiento permite que los científicos modifiquen fácilmente Escherichia coli .
• La bacteria E. coli tiene la capacidad de utilizar lignocelulosa (materia vegetal residual de la agricultura) en la síntesis de isobutanol. El uso de lignocelulosa impide que E. coli utilice materia vegetal destinada al consumo humano y evita cualquier relación entre el precio de los alimentos y el de los combustibles que pudiera derivarse de la biosíntesis de isobutanol por parte de E. coli . ^{[ 10 ]}
• La modificación genética se ha utilizado para ampliar el alcance de la lignocelulosa que puede ser utilizada por E. coli . Esto ha convertido a E. coli en un biosintetizador de isobutanol útil y diverso. ^{[ 12 ]}

El principal inconveniente de E. coli es su susceptibilidad a los bacteriófagos durante su cultivo. Esta susceptibilidad podría paralizar biorreactores completos. ^{[ 10 ]} Además, la vía de reacción nativa para el isobutanol en E. coli funciona de manera óptima a una concentración limitada de isobutanol en la célula. Para minimizar la sensibilidad de E. coli a altas concentraciones, se pueden generar mutantes de las enzimas involucradas en la síntesis mediante mutagénesis aleatoria . Por casualidad, algunos mutantes podrían resultar más tolerantes al isobutanol, lo que mejoraría el rendimiento general de la síntesis. ^{[ 13 ]}

El n -butanol se puede producir mediante la fermentación de biomasa por el proceso ABE utilizando Clostridium acetobutylicum , Clostridium beijerinckii . C. acetobutylicum se utilizó en el pasado para la producción de acetona a partir de almidón . El butanol era un subproducto de la fermentación (se producía el doble de butanol). Las materias primas para el biobutanol son las mismas que para el etanol: cultivos energéticos como la remolacha azucarera , la caña de azúcar , el grano de maíz , el trigo y la yuca , cultivos energéticos no alimentarios potenciales como el pasto varilla e incluso el guayule en América del Norte, así como subproductos agrícolas como el bagazo , la paja y los tallos de maíz . ^{[ 14 ]} Según DuPont , las plantas de bioetanol existentes se pueden adaptar de manera rentable para la producción de biobutanol. ^{[ 15 ]} Además, la producción de butanol a partir de biomasa y subproductos agrícolas podría ser más eficiente (es decir, potencia motriz del motor suministrada por unidad de energía solar consumida) que la producción de etanol o metanol . ^{[ 16 ]}

Una cepa de Clostridium puede convertir casi cualquier forma de celulosa en butanol incluso en presencia de oxígeno. ^{[ 17 ]}

Una cepa de Clostridium cellulolyticum , un microbio nativo degradador de celulosa, produce isobutanol directamente a partir de la celulosa. ^{[ 18 ]}

Una combinación de succinato y etanol puede fermentarse para producir butirato (un precursor del butanol) mediante las vías metabólicas presentes en Clostridium kluyveri . El succinato es un intermediario del ciclo de Krebs , que metaboliza la glucosa. Bacterias anaeróbicas como Clostridium acetobutylicum y Clostridium saccharobutylicum también contienen estas vías. El succinato se activa primero y luego se reduce mediante una reacción en dos pasos para dar 4-hidroxibutirato , que posteriormente se metaboliza a crotonil-coenzima A (CoA). El crotonil-CoA se convierte luego en butirato. Los genes correspondientes a estas vías de producción de butanol de Clostridium se clonaron en E. coli . ^{[ 19 ]}

Las cianobacterias son un filo de bacterias fotosintéticas . ^{[ 20 ]} Son aptas para la biosíntesis de isobutanol cuando se modifican genéticamente para producir isobutanol y sus aldehídos correspondientes . ^{[ 21 ]} Las especies de cianobacterias productoras de isobutanol ofrecen varias ventajas como sintetizadores de biocombustibles:

• Las cianobacterias crecen más rápido que las plantas ^{[ 22 ]} y también absorben la luz solar de manera más eficiente que las plantas. ^{[ 23 ]} Esto significa que pueden reponerse a un ritmo más rápido que la materia vegetal utilizada para otros biosintetizadores de biocombustibles.
• Las cianobacterias pueden cultivarse en tierras no cultivables (tierras no utilizadas para la agricultura). ^{[ 22 ]} Esto evita la competencia entre las fuentes de alimento y las fuentes de combustible . ^{[ 22 ]}
• _Los suplementos necesarios para el crecimiento de las cianobacterias son _CO₂ , H₂O y luz solar. ^{[ 23 ]} Esto presenta dos ventajas:
  • Dado que el CO₂ _proviene de la atmósfera, las cianobacterias no necesitan materia vegetal para sintetizar isobutanol (en otros organismos que sintetizan isobutanol, la materia vegetal es la fuente del carbono necesario para su síntesis). ^{[ 23 ]} Como este método de producción de isobutanol no utiliza materia vegetal, se evita la necesidad de obtenerla de fuentes alimentarias y, por lo tanto, la creación de una relación precio-combustible. ^{[ 22 ]}
  • Debido a que el CO₂ _es absorbido de la atmósfera por las cianobacterias, existe la posibilidad de biorremediación (en la que las cianobacterias eliminan el exceso de CO₂ _de la atmósfera). ^{[ 23 ]}

Los principales inconvenientes de las cianobacterias son:

• Son sensibles a las condiciones ambientales durante su crecimiento. Las cianobacterias sufren mucho por la luz solar con una longitud de onda e intensidad inadecuadas, el CO₂ _con una concentración inapropiada o el H₂O _{con una} salinidad inadecuada , aunque muchas cianobacterias pueden crecer en aguas salobres y marinas . Estos factores son generalmente difíciles de controlar y representan un obstáculo importante en la producción de isobutanol por cianobacterias. ^{[ 24 ]}
• Los biorreactores de cianobacterias requieren mucha energía para funcionar. Los cultivos necesitan agitación constante y la recolección de productos biosintéticos consume mucha energía. Esto reduce la eficiencia de la producción de isobutanol mediante cianobacterias. ^{[ 24 ]}

Las cianobacterias pueden ser modificadas genéticamente para aumentar su producción de butanol, lo que demuestra la importancia de las fuerzas impulsoras del ATP y los cofactores como principio de diseño en la ingeniería de vías metabólicas. Muchos organismos tienen la capacidad de producir butanol utilizando una vía dependiente de acetil-CoA . El principal problema de esta vía es la primera reacción, que implica la condensación de dos moléculas de acetil-CoA para formar acetoacetil-CoA . Esta reacción es termodinámicamente desfavorable debido a la energía libre de Gibbs positiva asociada (dG = 6,8 kcal/mol). ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Bacillus subtilis es una bacteria grampositiva con forma de bacilo.Ofrece muchas de las mismas ventajas y desventajas que E. coli , pero se utiliza con menos frecuencia y no produce isobutanol en cantidades tan grandes como E. coli . ^{[ 10 ]} Al igual que E. coli , B. subtilis es capaz de producir isobutanol a partir de lignocelulosa y se manipula fácilmente mediante técnicas genéticas comunes. ^{[ 10 ]} El análisis de modos elementales también se ha utilizado para mejorar la vía metabólica de síntesis de isobutanol empleada por B. subtilis , lo que ha dado lugar a mayores rendimientos de isobutanol producido. ^{[ 27 ]}

Saccharomyces cerevisiae , o S. cerevisiae , es una especie de levadura . Produce isobutanol de forma natural en pequeñas cantidades a través de su vía biosintética de valina . ^{[ 28 ]} S. cerevisiae es un candidato ideal para la producción de biocombustible de isobutanol por varias razones:

• S. cerevisiae puede cultivarse a niveles bajos de pH , lo que ayuda a prevenir la contaminación durante el crecimiento en biorreactores industriales. ^{[ 10 ]}
• S. cerevisiae no puede verse afectada por bacteriófagos porque es un eucariota . ^{[ 10 ]}
• Ya existe un amplio conocimiento científico sobre S. cerevisiae y su biología. ^{[ 10 ]}

La sobreexpresión de las enzimas en la vía biosintética de la valina de S. cerevisiae se ha utilizado para mejorar los rendimientos de isobutanol. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} Sin embargo, S. cerevisiae ha resultado difícil de manejar debido a su biología inherente:

• Como eucariota, S. cerevisiae es genéticamente más compleja que E. coli o B. subtilis , y por lo tanto es más difícil de manipular genéticamente. ^{[ 10 ]}
• S. cerevisiae tiene la capacidad natural de producir etanol . Esta capacidad natural puede "dominar" y, en consecuencia, inhibir la producción de isobutanol por parte de S. cerevisiae . ^{[ 10 ]}
• S. cerevisiae no puede utilizar azúcares de cinco carbonos para producir isobutanol. Esta incapacidad le impide utilizar lignocelulosa, lo que significa que debe usar materia vegetal destinada al consumo humano para producir isobutanol. Esto resulta en una relación desfavorable entre el precio de los alimentos y el del combustible cuando S. cerevisiae produce isobutanol . ^{[ 10 ]}

Cupriavidus necator (= Ralstonia eutropha ) es una bacteria del suelo Gram negativa de la clase Betaproteobacteria . Es capaz de convertir indirectamente la energía eléctrica en isobutanol. Esta conversión se completa en varios pasos: ^{[ 31 ]}

• Los ánodos se colocan en una mezcla de H ₂ O y CO ₂ .
• Se hace pasar una corriente eléctrica a través de los ánodos y, mediante un proceso electroquímico, se combinan _H₂O y CO₂ _{para sintetizar} ácido fórmico .
• Un cultivo de C. necator (compuesto por una cepa tolerante a la electricidad) se mantiene dentro de la mezcla de H ₂ O y CO ₂ .
• El cultivo de C. necator convierte entonces el ácido fórmico de la mezcla en isobutanol.
• El isobutanol biosintetizado se separa posteriormente de la mezcla y puede utilizarse como biocombustible.

Un proceso denominado separación por punto de turbidez podría permitir la recuperación de butanol con alta eficiencia. ^{[ 34 ]}

El isobutanol es un biocombustible de segunda generación con varias cualidades que resuelven los problemas que presenta el etanol. ^{[ 10 ]}

Las propiedades del isobutanol lo convierten en un biocombustible atractivo:

• densidad energética relativamente alta , 98% de la de la gasolina. ^{[ 39 ]}
• No absorbe fácilmente el agua del aire, lo que evita la corrosión de motores y tuberías. ^{[ 10 ]}
• puede mezclarse en cualquier proporción con gasolina, ^{[ 40 ]} lo que significa que el combustible puede "incorporarse" a la infraestructura petrolera existente como combustible de reemplazo o aditivo principal. ^{[ 10 ]}
• puede producirse a partir de materia vegetal no conectada con el suministro de alimentos, evitando una relación precio combustible/precio alimentos. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 27 ]}
• Suponiendo que se produce a partir de materias primas lignocelulósicas residuales , la mezcla de isobutanol con gasolina puede reducir considerablemente las emisiones de GEI . ^{[ 41 ]}

El butanol tolera mejor la contaminación por agua y es menos corrosivo que el etanol, además de ser más adecuado para su distribución a través de las tuberías existentes para la gasolina. ^{[ 15 ]} En mezclas con diésel o gasolina, es menos probable que el butanol se separe de este combustible que el etanol si el combustible está contaminado con agua. ^{[ 15 ]} También existe una sinergia de comezcla de presión de vapor entre el butanol y la gasolina que contiene etanol, lo que facilita la mezcla con etanol. Esto facilita el almacenamiento y la distribución de combustibles mezclados. ^{[ 15 ] [ 42 ] [ 43 ]}

El índice de octano del n-butanol es similar al de la gasolina, pero inferior al del etanol y el metanol. El n-butanol tiene un RON ( número de octano de investigación ) de 96 y un MON ( número de octano de motor ) de 78 (con un número de octano de bomba resultante "(R+M)/2" de 87, como se usa en Norteamérica), mientras que el t-butanol tiene índices de octano de 105 RON y 89 MON. ^{[ 45 ]} El t-butanol se usa como aditivo en la gasolina, pero no se puede usar como combustible en su forma pura porque su punto de fusión relativamente alto de 25,5  °C (79  °F) hace que se gelifique y solidifique cerca de la temperatura ambiente. Por otro lado, el isobutanol tiene un punto de fusión más bajo que el n-butanol y un RON favorable de 113 y un MON de 94, por lo que es mucho más adecuado para mezclas de gasolina con alta fracción, mezclas con n-butanol o como combustible independiente. ^{[ 46 ]}

Un combustible con un índice de octano más alto es menos propenso a la detonación (combustión espontánea y extremadamente rápida por compresión), y el sistema de control de cualquier motor de automóvil moderno puede aprovechar esto ajustando el momento de encendido. Esto mejorará la eficiencia energética , lo que se traduce en un mejor rendimiento de combustible del que indican las comparaciones del contenido energético de diferentes combustibles. Al aumentar la relación de compresión, se pueden lograr mayores ganancias en el rendimiento de combustible, la potencia y el par motor. Por el contrario, un combustible con un índice de octano más bajo es más propenso a la detonación y reduce la eficiencia. La detonación también puede causar daños al motor. Los motores diseñados para funcionar con 87 octanos no obtendrán ninguna mejora en la potencia ni en el rendimiento de combustible al funcionar con combustible de mayor octanaje.